CN110096791A - 一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法，包括以下步骤：1)读取套管内圆构型的计算结果；2)读取套管内圆构型的实测结果；3)根据套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果计算两者未重合的面积，以构建套管变形构型的最小化错动目标函数；4)基于蒙特卡洛方法设置套管不同载荷参数，再将设置的套筒不同载荷参数输入到套管变形构型的最小化错动目标函数中，得不同套管变形构型的最小化错动目标函数值，然后基于不同套管变形构型的最小化错动目标函数值建立多维度近似响应面优化模型；5)求解多维度近似响应面优化模型，以反演获取套管外部的载荷数据，该方法能够反演获取套管外部的载荷数据。

Description

一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法

技术领域

本发明涉及一种管柱外载反演方法，具体涉及一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法。

背景技术

由螺纹连接的套管构成数千米的套管柱，是油气井筒井身结构的基础，其完整性决定了井筒完整性，其服役寿命决定了油气井的寿命。伴随着深井、水平井、高温高压井、强化增产改造工艺等油气井复杂工况下管柱服役条件的日趋苛刻，套管损坏日益严重。在国内，套管损坏比例接近总服役井数的10％。过半数的套损模式是变形，来自于地层的复杂地质应力是套管变形的主要外载来源，表现为：围岩压力、泥岩浸水膨胀和蠕变、断层活动、盐岩蠕变等。定量分析套管柱服役外部载荷是探明套损机理、制定防控策略的基础。

目前，地应力测量是人类探索地应力的最直接方法，方法包括应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、岩芯波速各向异性法、岩芯微裂隙取向统计法、震源机制推断法等，随着地应力测试技术的进步，各种测试方法优势互补，精度不断提高，成本不断下降。但是通过测试得到的地应力是地层中未受工程扰动的天然应力，难以获得油气井勘探开发过程中的地应力演化情况，尤其对于导致套管变形严重的长距离水平井多段高压压裂过程(诸如页岩气开发等)的地应力变化，测井方法更是难以捕捉。基于实测数据的解析与数值模拟地应力分析方法弥补了直接测试的不足，但是岩土本构、断层及边界条件等复杂因素的认识局限性导致了地应力反演计算方法的先天不足，计算精度难以满足要求。由上所述，目前对套管服役地应力载荷数据的获取相当有限，严重制约套管变形的机理认识与治理控制。套管变形作为世界性难题，持续造成的巨大工程损失无可估量。

工程上通过井下电视、机械接触、超声成像、电磁等方法可以精确获得服役套管变形发生的部位、形貌及尺寸细节。这些信息目前仅用于套管变形工程分析、修井方案制定等工作。众所周知，失效分析是失败走向成功的科学，大量失效案例数据的深入分析与统计可得到其他方式难以获取的知识，反馈于工程设计与工艺分析。基于该思路，从套管损坏实测数据出发，利用现代优化设计理论，反演套管服役地应力载荷是一种全新的方法，然而现有技术中没有出现类似的公开。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法，该方法能够反演获取套管外部的载荷数据。

为达到上述目的，本发明所述的基于套管实测数据的管柱外载反演方法包括以下步骤：

1)建立服役套管承载状态的有限元计算模型，再将套管的几何尺寸和材料力学参数以及离散的非均匀外压载荷、静水内压、轴向拉伸及压缩荷载输入到服役套管承载状态的有限元计算模型中，得离散的套管变形几何模型，再沿套管轴向取若干与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的计算结果；

2)根据测井套管的实测数据，在套管柱变形井段，沿套管轴向取若干个与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的实测结果；

3)根据套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果计算两者未重合的面积，以构建套管变形构型的最小化错动目标函数；

4)基于蒙特卡洛方法设置套管不同载荷参数，再将设置的套筒不同载荷参数输入到步骤3)构建的套管变形构型的最小化错动目标函数中，得不同套管变形构型的最小化错动目标函数值，然后基于不同套管变形构型的最小化错动目标函数值建立多维度近似响应面优化模型；

5)求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型，以反演获取套管外部的载荷数据。

步骤2)中沿套管轴向取若干个与套管轴向垂直的截面包括套管挤扁、胀径、颈缩及剪切的实测套管变形严重井段的截面。

套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果的未重合的面积由离散的节点进行表征。

步骤5)中基于稳健策略改进的非支配排序遗传算法求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于套管实测数据的管柱外载反演方法在具体操作时，先根据套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果计算两者未重合的面积，以构建套管变形构型的最小化错动目标函数，再利用套管变形构型的最小化错动目标函数计算不同套管变形构型的最小化错动目标函数值，并以此建立多维度近似响应面优化模型，最后利用多维度近似响应面优化模型反演获取套管外部的载荷数据，操作方便、简单。

附图说明

图1为套管变形外部载荷优化反演流程图；

图2为本发明中未重合的面积的示意图；

图3为本发明中计算未重合的面积的原理图；

图4为施加套管外部载荷作为优化设计参数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，基于套管实测数据的管柱外载反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立服役套管承载状态的有限元计算模型，再将套管的几何尺寸和材料力学参数以及离散的非均匀外压载荷、静水内压、轴向拉伸及压缩荷载输入到服役套管承载状态的有限元计算模型中，得离散的套管变形几何模型，再沿套管轴向取若干与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的计算结果；

2)根据测井套管的实测数据，在套管柱变形井段，沿套管轴向取若干个与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的实测结果；

3)根据套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果计算两者未重合的面积，以构建套管变形构型的最小化错动目标函数；

参考图2，计算两者未重合的面积具体过程为：以套管的有限元计算变形截面尺寸与实测变形截面尺寸间的几何错动最小化构造优化目标函数时，将选取截面内计算和实测套管内壁轮廓构型按照节点离散，由离散的节点表征未重合面积，其包括如图3所示矩形ABCD或EFGH与对顶三角形BDOEG两种情况，对于矩形ABCD，单元面积计算公式为：

其中，x_DC＝x_D-x_C，y_BC＝y_B-y_C，其他形式类推；

对于对顶三角形BDOEG，单元面积计算公式为：

采用各单元面积A_j的和作为单个截面的未重合面积目标函数：

再由若干个截面的定量差异构成多个目标函数；

4)基于蒙特卡洛方法设置套管不同载荷参数，再将设置的套筒不同载荷参数输入到步骤3)构建的套管变形构型的最小化错动目标函数中，得不同套管变形构型的最小化错动目标函数值，然后基于不同套管变形构型的最小化错动目标函数值建立多维度近似响应面优化模型；

5)基于稳健策略改进的非支配排序遗传算法求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型，以反演获取套管外部的载荷数据。

基于稳健策略改进的非支配排序遗传算法着眼于在多目标优化的基础上，通过得到单个的Pareto解，即多目标问题的单个非劣解或可接受解，获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集，本发明中所有截面的目标函数构成Pareto解集。

采用一种基于Pareto最优概念的多目标遗传算法NSGA-II完成优化求解，首先，随机生成父代种群，根据每个非支配解的分级水平和排挤距离为其指定虚拟适应度值，进行复制、杂交及变异等遗传运算，生成具有大量个体的子代种群，父代和子代混合利用精英策略构造出新的种群,并以此重复循环。

根据非支配排序遗传算法的优化设计思想，基于稳健设计方法进行改进，即除了对个体的Pareto排序值进行评估外，还通过引入个体变量和Pareto排序值的均值和标准差来评估优化趋势对个体周围种群密度信息的敏感性，使个体的下代遗传远离种群不活跃的区域，并减小适应度评估值的偏差，增加优化迭代的可靠性及稳健性，从而减少遗传迭代的次数，提高优化计算效率，适用于套管外载反演优化过程中的大量截面的优化目标函数协同处理。

最后需要说明的是，本发明构建面积错动最小化的解析目标函数，以提高复杂几何解析的处理效率，另外，基于稳健策略改进的非支配排序遗传算法求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型，即除了对个体的Pareto排序值进行评估外，还通过引入个体变量和Pareto排序值的均值和标准差来评估优化趋势对个体周围种群密度信息的敏感性，使得个体的下代遗传远离种群不活跃的区域，并减小适应度评估值的偏差，增加优化迭代的可靠性及稳健性，减少遗传迭代的次数，提高优化计算效率。

Claims (4)

1.一种基于套管实测数据的管柱外载反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立服役套管承载状态的有限元计算模型，再将套管的几何尺寸和材料力学参数以及离散的非均匀外压载荷、静水内压、轴向拉伸及压缩荷载输入到服役套管承载状态的有限元计算模型中，得离散的套管变形几何模型，再沿套管轴向取若干与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的计算结果；

2)根据测井套管的实测数据，在套管柱变形井段，沿套管轴向取若干个与套管轴向垂直的截面，分别读取套管内圆构型的实测结果；

3)根据套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果计算两者未重合的面积，以构建套管变形构型的最小化错动目标函数；

4)基于蒙特卡洛方法设置套管不同载荷参数，再将设置的套筒不同载荷参数输入到步骤3)构建的套管变形构型的最小化错动目标函数中，得不同套管变形构型的最小化错动目标函数值，然后基于不同套管变形构型的最小化错动目标函数值建立多维度近似响应面优化模型；

5)求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型，以反演获取套管外部的载荷数据。

2.根据权利要求1所述的基于套管实测数据的管柱外载反演方法，其特征在于，步骤2)中沿套管轴向取若干个与套管轴向垂直的截面包括套管挤扁、胀径、颈缩及剪切的实测套管变形严重井段的截面。

3.根据权利要求1所述的基于套管实测数据的管柱外载反演方法，其特征在于，套管内圆构型的计算结果与套管内圆构型的实测结果的未重合的面积由离散的节点进行表征。

4.根据权利要求1所述的基于套管实测数据的管柱外载反演方法，其特征在于，步骤5)中基于稳健策略改进的非支配排序遗传算法求解步骤4)建立的多维度近似响应面优化模型。