一种基于成本的套管柱优化设计方法new

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1、大庆石油学院学报第33卷第4期2009年8月JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTEVo1．33No．4Aug．2009一种基于成本的套管柱优化设计方法黄志强，田海(1．湖北省油气钻采工程重点实验室，湖北荆州434023；2．长江大学石油工程学院，湖北荆州434023)摘要：套管柱设计方法虽然能够满足强度要求，但不能实现套管柱成本最低的优化设计．利用数据库结构化查询技术，结合最优化理论，建立基于混合整数非线性规划的套管柱优化设计模型，提出一种套管柱优化设计方法，并应用差分进

2、化算法(DE)进行求解．计算结果表明，该方法能够在保证套管强度安全的前提下，获得成本最低的套管种类及段长的最优组合．关键词：套管柱；优化设计；数据库；混合整数非线性规划；约束条件中图分类号：TE925．2文献标识码：A文章编号：1000—1891(2009)04—0067一O50引言近年来，随着油气田大规模的开发油气井数量日益增多，固井工程费用也随之急剧增加，套管柱成本作为其重要组成部分受到人们普遍的关注．因此，开展套管柱优化设计，探索在保障套管柱强度安全前提下尽量降低套管成本具有重要意义．文献[1

3、—2]建立了基于纯线性规划的套管柱优化设计模型，可用于确定套管种类固定前提下的套管柱最优组合，但需在设计前人为确定套管种类，且套管强度的计算模式受限于求解算法；文献[3]提出的优化设计方法在对各段套管段长进行经验性约束限制后，利用决策树图搜索最优结果，在套管库种类太多时搜索量巨大，不具有可行性；文献[4]利用套管数据库查询技术逐步筛选套管种类，达到一定程度优化设计的目的．拟更全面考虑套管强度安全约束条件，提出以确定成本最低的套管种类及段长最优组合为目的的优化设计方法，并确定问题求解的基本思路．1目标

4、函数对某一层次套管固井，其外载是确定的，套管柱强度越大安全程度越高，但是套管费用也相应增加．在套管柱设计中，在保证套管柱安全前提下，应尽可能降低套管费用．根据套管柱外载分布曲线，采用复合套管柱的合理组合能达到最大程度降低费用的目的．复合套管柱由外径、钢级或壁厚不同的套管段组成，其总费用是各段套管费用的总和，以复合套管柱总费用为目标函数建立优化数学模型：丁minE一∑f()·z()·P()，(1)l一1式中：E为套管柱总费用；z()为拟选用第i种套管段的下入长度；P()为第i段套管单位长度的价格；T为

5、待选库存套管种类总数；f()为选用第i种套管标识(取值0或1)；i一1，2，⋯，T．2约束条件2．1强度安全为保证套管柱的安全使用，以安全因数法为例，建立约束式：P·S≤P。⋯i，(2)收稿日期：2009—05—11；审稿人：艾池；编辑：任志平基金项目：国家油气重大专项项目(2008ZX05021—006)作者简介：黄志强(1976一)，男，硕士，副教授，主要从事油气井钻井完井技术方面的研究大庆石油学院学报第33卷2009年式中：P为套管柱所受外部载荷；S为安全因数；P．为套管柱强度．式(2)为广义

6、式，涵盖内压力、外挤力与轴向力．对于P，可采用多种方法计算套管柱外部载荷，宅是计算点深度、钻井流体物性及地层压力等参数的函数；对于P。，可采用单轴、双轴及三轴应力强度力学模型s计算．常见的套管柱优化设计方法受单纯形解法的限制而仅适于单轴应力强度模型[1计算，双轴、三轴应力强度模型由于考虑了外部载荷对套管应力强度的影响，使得套管柱强度不再是常态下的固定强度值，而随着外部载荷的变化而变化，由此导致约束式(2)表现出非线性性质．2．2几何尺寸管柱优化设计目标函数中包括各段套管段长，几何约束为丁f>：f()

7、·￡()一H；(3)l0≤Z()≤H(V)，式中：H为套管柱总长度．2．3复合套管柱段数组成套管柱的不同套管段数越多，越能充分考虑不同井深处的载荷特征，从优化模型计算上对降低套管柱总费用越有利．然而，套管种类的增多造成套管准备工作及下套管作业的现场管理纷繁复杂，增加风险程度．在优化设计时，需要对组成套管柱的段数最大值进行限制，约束条件为丁>f()≤N1，(4)式中：N为实际允许的最大套管段数．建立模型约束条件为c(i)·(P^)·S一P(i))≤0(^==：H—c()．z()；v)-J—lc()·(

8、Pb(^)·Si—Pb(i))≤0(^一H一∑f()·z()；VJ一1f()·(T(^)·S一Ta())≤0(一H一)v)式(3)式(4)c()∈{0，1}(V)式中：P，，P，Tec分别为套管柱顶深为h时有效外挤压力、有效内压力、有效轴向拉力；P()，P()，T()分别为第i种套管抗外挤强度、抗内压强度、抗拉强度；S，Si，S分别为抗外挤安全因数、抗内压安全因数、抗拉安全因数．3数据库结构化查询套管柱优化设计方法是以套管数据库为基础的，套管数据库基于MSSQLSev