CN118036514A - 注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法及系统，涉及储气库建设技术领域，包括以下步骤：获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱由于环境条件，导致注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；采集注采管柱结构参数，计算生成注采管柱内外压力的差异会产生活塞和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合屈曲变形导致的形变量和注采管柱外力造成的磨损情况，评估注采管柱性能指标退化量，根据性能指标退化量，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测，此方法有效提高了注采管柱剩余寿命预测的准确率，减少事故发生。

Description

注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法及系统

技术领域

本发明涉及储气库建设技术领域，具体为一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法及系统。

背景技术

地下储气库的注采管柱是一种特殊的管柱，用于在地下储存天然气的过程中输送天然气进出地层的工具。在注气阶段，管柱将天然气从地面输送到储气层；在采气阶段，则将储存的天然气从地层输回地面，地下储气库注采管柱相较于传统油气井，具有尺寸大、所处环境及受力条件复杂、服役时间更长、深埋于地下不易维修等特点。在地下储气库生产运营过程中，注采管柱不仅承受复杂载荷作用，同时会遭受腐蚀性介质和温度作用。使得注采管柱产生微小损伤和疲劳裂纹，并进一步发展成为注采结构破坏、管柱断裂入井等失效事故，有巨大的安全隐患，地下储气库安全事故发生的根源一半以上都与管柱破损有关，所以需对管柱的健康检测和寿命预测引起足够重视。

现有技术中的，公开号为CN103967428B提供了一种钻柱疲劳失效风险的评价方法，其通过实际井眼轨迹的全井钻柱动力学模型模拟实际钻进过程中的钻柱受力特征，得到的动态应力反映实际工作中的钻柱应力状态，并综合考虑钻进过程中应力的变化频率对钻柱疲劳失效的影响，确定疲劳极限强度时的疲劳寿命，公开号为CN116893132A提供了一种分析CCUS注采管柱剩余寿命和剩余强度的方法，其通过对比CCUS注采管柱屈服强度与均匀腐蚀产生的应力来进行剩余强度及剩余寿命的预测，无论是通过注采管的疲劳强度，还是通过注采管的腐蚀情况对于注采管的使用寿命进行评价和预测，都没有考虑到在实际工作环境中注采管柱会由于工作条件影响产生的各种形变。

在实际的工作中注采管的内部压力、外部载荷、温度变化或是地质活动均会引起注采管的形变，形变会逐步削弱管道的承载能力，直到最终发生断裂，因此，现有技术的不足之处在于：没有综合考虑形变对于注采管柱的寿命影响，而形变又会严重影响注采管的安全运行和寿命，因此造成现有技术中对于注采管柱的寿命预测的准确率较低。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，具体步骤包括：

获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测。

进一步地，对采集的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量进行去量纲化预处理，对于处理后的数据，标定注采管柱长度为，井筒内温度变化为/>, 注采管柱线密度为/>，注采管柱内、外径分别为/>和/>, 注采管柱单位长度的重量为/>。

进一步地，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量，包括温度效应、胡克效应和螺旋屈曲效应而引起的注采管柱变形量；

其中温度效应对管柱的屈曲变形的影响，由温度引起的注采管柱长度的伸缩量，标定注采管柱轴向伸缩量为，所依据的公式为：

式中，为注采管柱轴向伸缩量，/>为井筒内温度变化，/>为注采管柱线膨胀系数；

标定由胡克效应引起的轴向变形为，所依据的公式为：

式中，g为重力加速度，是沿轴向注采管柱任意一点到井口的距离，/>是注采管柱弹性模量；

注采管柱单位长度的重量，获取注采管柱参数总重量，通过将得到的总重量除以管柱的长度，即可得到单位长度的重量，所依据的公式为：

其中，为注采管柱总重量，/>为管柱的长度；

标定由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量为，所依据的公式为：

式中，为虚构力，/>为内外壁的间隙，/>为注采管柱截面惯性矩。

进一步地，采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，将数据经过去量纲化预处理后，标定处理后的注采管柱封隔器横截面积为，注采管柱通径的横截面积为/>, 注采管柱外部横截面积为/>，注采管柱底部内压力为/>，计算生成由于注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力，将活塞力标定为/>，所依据的公式为：

式中，为环空压力。

进一步地，获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，标定由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力为，所依据的公式为：

式中，为注采管柱外径，/>为流体压力，/>为管道壁厚，/>为腐蚀余量，/>为均匀腐蚀速率，/>为腐蚀时间，/>表示焊缝系数。

进一步地，将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

标定磨损量为，磨损距离为/>，注采管柱磨损情况系数为/>，所依据的公式为：

式中，磨损量为与磨损距离/>均大于0。

进一步地，结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

标定注采管柱性能指标退化量为，所依据的计算公式为：

其中，、/>、/>和/>分别为由温度引起的注采管柱长度的伸缩量/>、由重力引起的轴向变形/>由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量/>和注采管柱磨损情况系数/>的预设比例系数，其中/>且/>、/>、/>和/>均大于0；

进一步地，根据当前时刻注采管柱性能指标，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测，步骤包括：

若设备在时刻仍未失效，且退化量为/>，则设备的剩余寿命/>如下所示：

式中，为失效阈值，/>；

若设备在时刻失效，则/>时刻的剩余寿命/>=/>，利用随机过程可计算出设备的剩余寿命概率密度函数，该函数峰值即为失效阈值，取两者的差值可求得剩余寿命。

本发明还提供一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统，所述注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统用于执行上述的注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，包括：

第一数据采集模块，用于获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

形变量分析模块，用于将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

第二数据采集模块，用于采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

腐蚀应力分析模块，用于获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

磨损情况系数生成模块，用于将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

综合分析模块，用于结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

智能算法分析模块，用于根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

根据获取的注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱由于环境条件，导致注采管柱屈曲变形导致的形变量；采集注采管柱结构参数，计算生成注采管柱内外压力的差异会产生活塞和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合屈曲变形导致的形变量和注采管柱外力造成的磨损情况，评估注采管柱性能指标退化量，根据性能指标退化量，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测，此方法与现有技术仅考虑管柱腐蚀情况相比，从管柱形变量方面结合管柱腐蚀磨损情况综合考量，有效提高了注采管柱剩余寿命预测的准确率。

附图说明

图1为本发明整体方法流程示意图；

图2为本发明整体系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，具体步骤包括：

步骤1：获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

其中，注采管柱井筒内温度变化通过安装温度传感器来测量，这些传感器可以放置在管道的不同深度或位置，以监测温度随深度或时间的变化情况，常见的温度传感器包括热电偶和电阻温度计：热电偶是一种测量温度的传感器，它利用两种不同金属的接触处产生的温度相关电动势来测量温度，在井筒内，热电偶可以通过电缆连接到地面数据采集系统，从而实时监测温度变化；电阻温度计是另一种常用的温度传感器，它利用材料的电阻随温度变化的特性来测量温度。在井筒内，电阻温度计也可以通过电缆连接到地面数据采集系统，用于监测温度变化；

注采管柱线密度可以通过测量管柱内液体的密度来实现，核磁共振技术可以用于测量管柱内液体的密度，该技术利用核磁共振现象来分析样品中的原子核，通过测量核磁共振信号的特征，可以确定液体的密度；

注采管柱单位长度的重量获取方法：查询注采管柱参数手册记录注采管柱总重量，通过将得到的总重量除以管柱的长度，即可得到单位长度的重量，所依据的公式为：

其中，为注采管柱总重量，/>为管柱的长度；

步骤2：将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

对采集的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量进行去量纲化预处理，对于处理后的数据，标定注采管柱长度为，井筒内温度变化为/>, 注采管柱线密度为/>，注采管柱内、外径分别为/>和, 注采管柱单位长度的重量为/>；

根据预处理后的数据，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量，包括温度效应、胡克效应和螺旋屈曲效应而引起的注采管柱变形量；

温度效应是注采管柱常见的效应中对注采管柱的屈曲变形影响最大的效应，一般情况下，在长达几千米深的地层下，温度是非常高的。在注采管柱从井口不断下入到井底的过程中，温度也会随着井深的增加而增加，当注采管柱完全下入到井底时，注采管柱的温度也会不断地升高，一直升高到与井中的天然气温度相等为止。根据物理学中的热胀冷缩原理，管柱受热会伸长，遇冷会缩短，这就是温度效应对管柱的屈曲变形的影响

其中温度效应对管柱的屈曲变形的影响，由温度引起的注采管柱长度的伸缩量，标定注采管柱轴向伸缩量为，所依据的公式为：

式中，为注采管柱轴向伸缩量，/>为井筒内温度变化，/>为注采管柱线膨胀系数，其中/>和注采管柱线膨胀系数/>与由温度引起的注采管柱长度的伸缩量/>呈正相关；

胡克效应是指在弹性极限范围内，在自重或其他外力的作用下，注采管柱将产生拉伸或压缩变形，重力为均布载荷，标定由重力引起的轴向变形量为，所依据的公式为：

式中，g为重力加速度，是沿轴向注采管柱任意一点到井口的距离，/>是注采管柱弹性模量；由重力引起的轴向变形量/>与注采管柱内、外径平方差成反比，与注采管柱长度/>成正比；

螺旋效应是指当注采管柱由于所受到的外载荷过大，注采管柱失去平衡而产生弯曲变形，标定由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量为，所依据的公式为：

式中，为虚构力，/>为内外壁的间隙，/>为注采管柱截面惯性矩，由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量/>与受到的虚构力/>和内外壁的间隙/>成正比，与弹性模量和注采管柱截面惯性矩/>成反比；

其中，注采管柱截面惯性矩获取方法：使用计算机辅助设计（CAD）软件或有限元分析（FEA）软件，可以快速而准确地获取复杂形状截面的惯性矩。这些软件通常具有强大的几何建模和分析功能，可以直接输出截面的惯性矩；注采管柱弹性模量一般取206GPa；

步骤3：采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，将数据经过去量纲化预处理后，标定处理后的注采管柱封隔器横截面积为，注采管柱通径的横截面积为/>, 注采管柱外部横截面积为/>，注采管柱底部内压力为/>；

产生活塞效应的主要原因是注采管柱受到环空外压与内压的作用力导致的，注采管柱底部的内部压力对下截面施加向上的压力，而套管外部压力对注采管柱施加向下的压力，由于注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力，即活塞效应，计算生成由活塞效应力学模型可推导出活塞效应产生的活塞力，将活塞力标定为，所依据的公式为：

式中，为环空压力；

注采管柱底部内压力获取方法：安装在管柱底部的压力传感器可以直接测量管柱内部的压力，这些传感器可以是压电传感器、应变片传感器或者压力变送器等。通过将传感器连接到数据采集系统或记录仪上，可以实时监测管柱内部的压力变化；活塞效应产生的活塞力与内外压力的差异成正比，差异越大，产生的活塞力越大；

步骤4：获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

管内流体压力获取方法：使用压力传感器直接测量注采管柱内部的流体压力，这些传感器可以安装在管道内部，或者通过管道壁面或连接到管道上的测量点进行安装，传感器测量是实时的，并且可以提供准确的压力数值；

利用电火花切割机床进行腐蚀挂片试样加工，利用耐水砂纸对试样进行研磨抛光，得到表面无电火花切割刀痕的均匀腐蚀实验试样，利用高温高压反应釜对试样进行腐蚀挂片实验，实验时间为168小时。实验完成后，对腐蚀产物进行分析，对腐蚀试样通过称重法测量其均匀腐蚀速率；

使用超声波测量仪器对注采管柱进行扫描，以检测管壁的厚度变化。超声波技术可以非破坏性地测量管壁的厚度，从而评估管壁的腐蚀情况，通过比较实测厚度和初始设计厚度，可以计算出管壁的腐蚀损失，并确定腐蚀余量；

计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，标定由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力为，所依据的公式为：

式中，为注采管柱外径，/>为流体压力，/>为管道壁厚，/>为腐蚀余量，/>为均匀腐蚀速率，/>为腐蚀时间，/>表示焊缝系数，式中由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力/>与管内流体压力/>、注采管柱外径/>、均匀腐蚀速率/>和腐蚀时间/>成正比，与管道壁厚/>、腐蚀余量/>成反比；

步骤5：将生成的注采管柱内外压力的差异会产生活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

将生成的注采管柱内外压力的差异会产生活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

注采管柱受到的磨损量获取方法：使用三维扫描仪或激光扫描仪对注采管柱进行扫描，获取管柱表面的三维数据，通过比较不同时间点获取的三维数据，可以分析管壁表面的磨损情况；

标定磨损量为，磨损距离为/>，注采管柱磨损情况系数为/>，所依据的公式为：

式中，磨损量为与磨损距离/>均大于0；注采管柱磨损情况系数/>与标定磨损量/>成正比，与受到的力和磨损距离/>成反比；

步骤6：结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

标定注采管柱性能指标退化量为，所依据的计算公式为：

其中，、/>、/>和/>分别为由温度引起的注采管柱长度的伸缩量/>、由重力引起的轴向变形/>由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量/>和注采管柱磨损情况系数/>的预设比例系数，其中/>且/>、/>、/>和/>均大于0；注采管柱性能指标退化量/>与由温度引起的注采管柱长度的伸缩量/>、由重力引起的轴向变形/>由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量/>和注采管柱磨损情况系数/>成正比，注采管柱的形变、磨损越严重，注采管柱性能指标退化量越大；

步骤7：根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测；

根据当前时刻注采管柱性能指标，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测，步骤包括：

若设备在时刻仍未失效，且退化量为/>，则设备的剩余寿命/>如下所示：

式中，为失效阈值，/>；

若设备在时刻失效，则/>时刻的剩余寿命/>=/>，利用随机过程可计算出设备的剩余寿命概率密度函数，该函数峰值即为失效阈值，取两者的差值可求得剩余寿命。

针对一部分稳固要求高且服役时间长的设备的退化过程通常是单调递增的特点，伽马过程具有良好的适用性。该过程可以有效地预测该类设备的剩余寿命，因为腐蚀属于严格单调的退化。因此，采用伽马过程进行剩余寿命预测是一种非常有效的方法；

设是具有/>个样本/>，几何参数为/>、尺度系数为/>的伽马过程，该过程具备的特性如下：

1. ；

2.随机过程具有独立增量；

3.增量呈现伽马分布的特征，即;

其中，是参数为/>，/>的伽马分布，概率密度函数为：

式中，，/>为伽马函数；

假设设备在不同时刻对应的性能指标退化量为/>，/>，两个时刻间的退化量为/>，时刻间隔为/>，且退化增量服从伽马分布，即/>，可获得对数似然函数/>，表示为：

由极大似然估计法，令：

其中，是伽玛函数的对数的导数，名为 DiGamma 函数；

若初值为零，失效阈值为/>，/>为首达时间，且/>严格递增，由此可知：

其中，，/>为/>的概率分布函数；

因此的概率分布函数可以表示为：

式中，为不完全伽马函数，表示为：

设备寿命的概率密度函数/>，所依据的公式为：

若当前时刻设备尚未失效，将/>替换/>，/>替换/>，即可表示设备剩余寿命的概率密度函数。

请参阅图2，本发明还提供一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统，所述注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统用于执行上述的注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，包括：

第一数据采集模块，用于获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

形变量分析模块，用于将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

第二数据采集模块，用于采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

腐蚀应力分析模块，用于获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

磨损情况系数生成模块，用于将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

综合分析模块，用于结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

智能算法分析模块，用于根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够通过电子硬件，或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方法来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于，具体步骤包括：

获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测。

2.根据权利要求1所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：对采集的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量进行去量纲化预处理，对于处理后的数据，标定注采管柱长度为，井筒内温度变化为/>, 注采管柱线密度为/>，注采管柱内、外径分别为/>和/>, 注采管柱单位长度的重量为/>。

3.根据权利要求2所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量，包括温度效应、胡克效应和螺旋屈曲效应而引起的注采管柱变形量；

其中温度效应对管柱的屈曲变形的影响，标定由温度引起的注采管柱长度的伸缩量，为，所依据的公式为：

；

式中，为注采管柱轴向伸缩量，/>为井筒内温度变化，/>为注采管柱线膨胀系数；

标定由胡克效应引起的轴向变形量为，所依据的公式为：

；

式中，g为重力加速度，是沿轴向注采管柱任意一点到井口的距离，/>是注采管柱弹性模量；

注采管柱单位长度的重量，获取注采管柱参数总重量，通过将得到的总重量除以管柱的长度，即可得到单位长度的重量，所依据的公式为：

；

其中，为注采管柱总重量，/>为管柱的长度；

标定由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量为，所依据的公式为：

；

式中，为虚构力，/>为内外壁的间隙，/>为注采管柱截面惯性矩。

4.根据权利要求1所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，将数据经过去量纲化预处理后，标定处理后的注采管柱封隔器横截面积为，注采管柱通径的横截面积为/>, 注采管柱外部横截面积为/>，注采管柱底部内压力为/>，计算生成由于注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力，将活塞力标定为，所依据的公式为：

；

式中，为环空压力。

5.根据权利要求4所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，标定由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力为，所依据的公式为：

；

式中，为注采管柱外径，/>为流体压力，/>为管道壁厚，/>为腐蚀余量，/>为均匀腐蚀速率，/>为腐蚀时间，/>表示焊缝系数。

6.根据权利要求1所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

标定磨损量为，磨损距离为/>，注采管柱磨损情况系数为/>，所依据的公式为：

；

式中，磨损量为与磨损距离/>均大于0。

7.根据权利要求1所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

标定注采管柱性能指标退化量为，所依据的计算公式为：

；

其中，、/>、/>和/>分别为由温度引起的注采管柱长度的伸缩量/>、由重力引起的轴向变形/>由螺旋弯曲效应而引起的注采管柱轴向变形量/>和注采管柱磨损情况系数/>的预设比例系数，其中/>且/>、/>、/>和/>均大于0。

8.根据权利要求1所述的一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，其特征在于：根据当前时刻注采管柱性能指标，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测，步骤包括：

若设备在时刻仍未失效，且退化量为/>，则设备的剩余寿命/>如下所示：

；

式中，为失效阈值，/>；

若设备在时刻失效，则/>时刻的剩余寿命/>=/>，利用随机过程可计算出设备的剩余寿命概率密度函数，该函数峰值即为失效阈值，取两者的差值可求得剩余寿命/>。

9.一种注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统，其特征在于：所述注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测系统用于执行权利要求1—8任一项所述的注采管柱疲劳和磨损的剩余寿命预测方法，包括：

第一数据采集模块，用于获取注采管柱当前时刻在实际工作条件下的状态参数，包括注采管柱长度、井筒内温度变化、注采管柱线密度、注采管柱内、外径和注采管柱单位长度的重量；

形变量分析模块，用于将采集的状态参数，进行去量纲化处理，建立数学分析模型，计算生成注采管柱由于屈曲变形导致的形变量；

第二数据采集模块，用于采集当前时刻注采管柱封隔器横截面积、注采管柱通径的横截面积、注采管柱外部横截面积和注采管柱底部内压力，同时采集注采管柱磨损参数，包括受到的磨损量、磨损距离，将数据经过去量纲化预处理后，计算生成注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力；

腐蚀应力分析模块，用于获取管内流体压力，管道壁厚，腐蚀余量，均匀腐蚀速率，腐蚀时间，去量纲化处理后，计算由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力；

磨损情况系数生成模块，用于将生成的注采管柱内外压力的差异所产生的活塞力和由于均匀腐蚀注采管柱产生的应力，结合注采管柱受到的磨损量、磨损距离，进行分析计算得到注采管柱磨损情况系数；

综合分析模块，用于结合生成的注采管柱由于屈曲变形导致的形变量和注采管柱磨损情况系数，综合分析生成注采管柱性能指标退化量；

智能算法分析模块，用于根据当前时刻注采管柱性能指标退化量，利用数据驱动方法预测该注采管柱剩余寿命，使用基于随机过程的方法完成注采管柱剩余寿命预测。