套管参数和水泥环参数的确定方法和装置与流程
本申请涉及油气开发技术领域，特别涉及一种套管参数和水泥环参数的确定方法和装置。
背景技术
在布设油气井时，通常会在油气井的套管和地层之间的环空中设置水泥环进行固井处理。实际上埋于地下的套管往往会受到经水泥环传递的地层中应力的挤压，当套管所受到的应力超过一定值时套管发生变形，甚至导致套管损坏。如何能够兼顾成本设计出能较好地承受地层应力的套管和水泥环，对于油气井布设和油气井长期稳定、安全的使用非常重要。
目前，现有方法大多只是简单地建立出套管模型，再人为地设置一些约束条件，进而再利用上述模型进行优化求解，以确定出符合施工要求(例如能承受某区域地层应力)的套管和水泥环，通过现有方法所确定出的套管参数、水泥环参数往往准确度较差、实用性相对较低，不能完全符合真实的工况要求。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
本申请实施例提供了一种套管参数和水泥环参数的确定方法和装置，以解决现有方法存在的确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果。
本申请实施例提供了一种套管参数和水泥环参数的确定方法，包括：
获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数；
根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型；
联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述地层的粘塑性特征参数包括以下至少之一：地层的弹性模量、地层的泊松比、地层的屈服极限、地层的蠕变系数、地层的膨胀系数。
在一个实施方式中，所述地层的应力特征参数包括：地层的垂直应力、地层的水平应力。
在一个实施方式中，根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型，包括：
根据所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型，其中，所述水平剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的水平方向上的力学模型；
根据所述地层的垂直应力、所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立垂直剖面力学模型，其中，所述垂直剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的垂直方向上的力学模型。
在一个实施方式中，根据所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型，包括：
在所述地层包括多个地层的情况下，根据所述地层的粘塑性特征参数，确定所述多个地层中塑形流动特征大于预设阈值的地层作为第一模型地层；
根据所述第一模型地层的粘塑性特征参数、所述第一模型地层的水平应力，建立所述水平剖面力学模型。
在一个实施方式中，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数，包括：
获取多个预设目标和多个约束条件，其中，所述预设目标和约束条件是根据施工要求确定的；
在所述多个约束条件的约束下，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数的解集和水泥环参数的解集；
从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出符合所述多个预设目标的套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述多个预设目标包括：套管抗外挤的安全系数大于安全阈值，套管的管壁厚度小于预设厚度，套管的钢级低于预设钢级。
在一个实施方式中，所述多个约束条件包括：套管的受力约束条件、套管的几何约束条件、库存套管的种类约束条件。
在一个实施方式中，在所述多个约束条件的约束下，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，包括：
在所述多个约束条件的约束下，通过第二代非劣排序遗传算法对所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型进行联合求解。
本申请实施例还提供了一种套管参数和水泥环参数的确定装置，包括：
获取模块，用于获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数；
建立模块，用于根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型，其中，所述套管的外壁与所述水泥环的内壁相接，所述地层与所述水泥环的外壁相接；
确定模块，用于联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述确定模块包括：
获取单元，用于获取多个预设目标和多个约束条件，其中，所述预设目标和约束条件是根据施工要求确定的；
求解单元，用于在所述多个约束条件的约束下，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数的解集和水泥环参数的解集；
筛选单元，用于从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出符合所述多个预设目标的套管参数和水泥环参数。
在本申请实施例中，由于考虑了真实工况下套管、水泥环所处的地层环境的塑形流动的作用，获取并利用了地层的应力特征参数、粘塑性特征参数以准确地模拟出套管所处的地层的粘塑性特点(以反映地层塑形流动作用对套管、水泥环的影响)；同时还分别建立了水平方向和垂直方向上的两个力学模型以进行多目标的优化求解，从而解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本申请实施方式提供的套管参数和水泥环参数的确定方法的处理流程图；
图2是根据本申请实施方式提供的套管参数和水泥环参数的确定装置的组成结构图；
图3是基于本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法的电子设备组成结构示意图；
图4是在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置获得的水平剖面力学模型的示意图；
图5是在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置获得的垂直剖面力学模型的示意图；
图6是在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置进行优化求解的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
考虑到现有技术由于没有深入地分析真实工况下地层对套管造成挤压，甚至破坏的具体机理，没有仔细地分析套管所受到的多种复杂的应力作用，而是直接根据经验人为设置一些参数以建立较为简单的模型进行优化求解，导致基于现有方法所确定的套管参数、水泥环参数的准确度往往较差，参考价值相对较低，不能很好地满足实际施工需要。针对产生上述问题的根本原因，本申请通过仔细分析真实工况中地层对套管的挤压情况，发现地层的粘塑性特点是对套管产生挤压的重要因素，基于地层的粘塑性特征通过获取并利用地层的应力特征参数、粘塑性特征参数建立更为准确、全面的水平剖面力学模型和垂直剖面力学，再联合上述两个方向上的模型，基于多个目标要求进行优化求解，以确定出符合多个目标要求的套管参数、水泥环参数以指导真实工况下的套管、水泥环布设。从而解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果。
基于上述思考思路，本申请实施例提供了一种套管参数和水泥环参数的确定方法。具体请参阅图1所示的根据本申请实施方式提供的套管参数和水泥环参数的确定方法的处理流程图。本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法，具体实施时，可以包括以下步骤。
s11：获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数。
在本实施方式中，地层的粘塑性具体可以理解为由于构成地层的材料自身所存在的物理特征(例如弹性、膨胀性、蠕变性等)，导致随着工程的施工或者地层应力的变化，地层出现流动或形变的特性。
在一个实施方式中，上述目标区域具体可以是指包含有的具有粘塑性流动特征的地层的区域。其中，上述具有粘塑性流动特征的地层具体可以包括以下至少之一：由泥岩构成的地层，由膏岩构成的地层，由盐岩构成的地层，或者由泥岩、膏岩、盐岩中的任意两种或三种构成的地层等等。当然，需要说明的是，上述所列举的不同类型的地层只是为了更好地说明本申请实施方式。具体实施时，根据目标区域的具体地质情况，也可以将本申请实施例所提供的套管参数和水泥环参数的确定方法推广应用到对包含有除上述所列举的具有粘塑性流动特征的地层之外其他类型的地层。对此，本申请不作限定。
在本实施方式中，针对包含有的具有粘塑性流动特征的地层，深入分析了在真实工况中上述地层的变化情况，以及地层变化对套管、水泥环的影响和影响机理。具体的，上述目标区域中的地层在油气井的生产过程中，随着钻井、开发、注水、压裂等油气作业施工，又由于构成地层的材料本身的弹性、蠕变、膨胀等特征，地层孔隙压力会发生变化，进而导致出现地层的变形和流动，具体的可以体现为：地层错动、地层倾角改变、地层断距及落差发生变化、地质构造运动、地层中岩石弹粘塑形流动、地层中岩石蠕变、以及地层中岩石遇水膨胀等。上述地层的变形和流动会导致地层中地应力的重新分布，地层的地应力的改变又会通过水泥环的内壁传递至井下套管的外壁，进而会对套管产生作用。具体的会对埋于地层中的套管产生挤压，例如会在套管外壁产生挤压载荷，当套管上所受的应力超过逃过所能承受的极限值，例如套管的屈服强度后，套管由于地层的作用也会发生塑性变形，甚至损坏套管。而现有方法没有考虑到上述套管在地层中复杂的受力变化情况，更没有想到从地层的粘塑性和应力等特征出发，准确地模拟套管所处的地质环境，导致基于现有方法所确定的套管和水泥环往往准确度较差，实用性并不理想。
在本实施方式中，针对现有方法之前忽略的地层对套管作用的真实机理，为了能够准确地分析出套管在地层中真实工况中的受力特征以及形变情况，本实施方式先获取了目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数这两种特征参数作为初始数据，以便后续建模、求解时可以有效地针对地层的应力特征、粘塑性特征等对套管作用较大的特征因素进行考虑，从而求解得到较为精确的套管参数、水泥环参数。
在本实施方式中，上述地层的应力特征参数具体可以是指套管和水泥环在井下所受到的地层的应力作用。具体的，上述地层的应力特征参数可以包括：地层的垂直应力、地层的水平应力。其中，上述地层的垂直应力具体可以理解为套管受到地层的沿垂直方向上的挤压作用所形成的作用力，例如上覆压力。上述地层的水平应力具体可以理解为套管受到地层的沿水平方向上的挤压作用所形成的作用力，例如径向压力。
在本实施方式中，上述地层的粘塑性特征参数具体可以是指对地层的粘塑性产生影响的物理参数。具体的，上述粘塑性特征参数可以包括以下至少之一：地层的弹性模量、地层的泊松比、地层的屈服极限、地层的蠕变系数、地层的膨胀系数等。当然，需要说明的是，上述所列举的粘塑性特征参数只是为了更好地说明本申请实施方式。具体实施时，根据目标区域的具体地质情况和施工要求，也可以引入地层的除上述所列举之外的其他类型的物理参数作为地层的粘塑性特征参数。对此，本申请不作限定。
在一个实施方式中，上述获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数，具体实施时可以包括以下内容：根据目标区域的测井资料，确定地层的粘塑性特征参数；对目标区域的地层样品进行应力实验，根据应力实验结果确定地层的应力特征参数。
s12：根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型。
在一个实施方式中，为了建立能准确、精细地描述出地层、套管、水泥环相互作用的力学模型，同时也为了在所要求的精度的基础上提高模型的求解效率，本实施方式区别于现有方法没有建立三维模型，而是同时建立了两个不同方向上的平面模型，即：水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型。这样即可以较为完整地保留后续需要分析、研究的相关数据，以便后续可以准确地分析地层、套管、水泥环之间的相互作用；同时由于没有建立较为复杂的三维模型，避免了对一些无用数据的处理，减少了建模的难度，也提高了后续模型求解的效率。
在一个实施方式中，上述根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型，具体实施时，可以包括以下内容：
s12-1：根据所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型，其中，所述水平剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的水平方向上的力学模型；
s12-2：根据所述地层的垂直应力、所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立垂直剖面力学模型，其中，所述垂直剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的垂直方向上的力学模型。
在本实施方式中，上述水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型都同时包含有目标区域的地层、套管和水泥环。具体的，为更好地模拟真实工况下套管所处的地质环境，在上述模型，套管的外壁与水泥环的内壁相接触，水泥环的外壁与地层相接触。这样可以准确地模拟真实工况中套管与水泥环、地层之间的相互关系。
在一个实施方式中，具体实施时，可以基于abaqus软件平台(一种用于工程模拟的有限元软件)，通过python语言(一种面向对象的解释型计算机程序设计语言，又称胶水语言)按照上述方式分别建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型。
在本实施方式中，需要说明的是，上述abaqus具体可以是一种功能强大的工程模拟的有限元软件。具体的，该软件具备一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库；并具备各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中，包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料等。此外，作为一种通用的工程模拟工具，该软件除了可以解决大量结构问题，例如，应力/位移问题。还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如，热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(例如，流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等。
在一个实施方式中，在建立上述水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型的过程中，可以根据所述地层的粘塑性特征参数，在上述水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型分别设置对应的地层的弹性模量ef、地层的泊松比vc、地层的屈服极限σsf、地层的蠕变系数μf、地层的膨胀系数sf等参数值；根据所述地层的应力特征参数，在上述水平剖面力学模型中设置对应的水平应力，例如沿水平前后方向的水平应力σh和沿水平左右方向的水平应力σh等参数值；很据所述地层的应力特征参数，在上述垂直剖面力学模型中设置对应的沿水平方向的水平应力、沿垂直方向的垂直应力σv。这样可以较为全面、准确地构建出套管在水平方向和垂直方向上的受力情况。在本实施方式中，考虑到在真实的工况中，套管的内壁还会受到来自套管内部的压力，可以在套管的内壁设置一个套管内压pint。
在本实施方式中，在建模的过程中，可以将套管的外径设置为φ1，将套管的壁厚设置为w，将套管的钢级设置为g。可以将水泥环的外径设置为φ2，将水泥环的弹性模量设置为ec，将水泥环的泊松比设置为vc，将水泥环的屈服极限设置为σsc。其中，上述套管的外径、套管的壁厚、套管的钢级为待确定的套管参数；上述水泥环的外径为待确定的水泥环的参数。
在一个实施方式中，目标区域的地层在垂直方向上可能存在多个相互叠加的不同类型的地层。例如，对于某一个区域的地层，从垂直方向上从上往下依次分布有第一类型的地层、第二类型的地层、第三类型的地层。对于目标区域的地层包括多个地层的情况，在建立水平剖面力学模型时，可以根据各个地层对套管影响作用的大小，挑选对套管影响作用最大的地层作为第一地层，即水平方向上的目标地层，以建立水平剖面力学模型。这样可以仅对对套管形变影响最大的那一层地层进行分析，在保证准确度的基础上，减小了数据处理量，提高了建模效率以及后续求解效率。
具体的，在所述地层包括多个地层的情况下，其中，所述地层的粘塑性特征参数包括多个地层的粘塑性特征参数，所述地层的水平应力包括多个地层的水平应力，具体实施时可以按照以方式建立上述水平剖面力学模型：根据所述地层的粘塑性特征参数，确定所述地层中塑形流动特征大于预设阈值的地层作为第一模型地层；根据所述地层的粘塑性特征参数中的第一模型地层的粘塑性特征参数、所述地层的水平应力中的第一模型地层的水平应力，建立所述水平剖面力学模型。
在本实施方式中，预设阈值具体可以根据目标区域具体的地质情况以及施工要求确定。通过根据所述地层的粘塑性特征参数，确定所述地层中塑形流动特征大于预设阈值的地层作为第一模型地层可以从多个地层中寻找出对套管影响作用最大的地层建立相应的水平剖面力学模型，以便后续仅对该地层对套管的影响作用进行分析。
s13：联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述套管参数具体可以包括：套管的外径、套管的壁厚、套管的钢级等；所述水泥环参数具体可以包括水泥环的外径等。当然，需要说明的是，上述所列举的套管参数和水泥环参数只是一种示意性说明。具体实施时，也可以根据具体情况和施工要求引入其他的参数作为上述套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，为了能够确定出符合多个预设目标的套管参数、水泥环参数，可以联合所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型两种力学模型，通过针对多个预设目标的优化求解，确定出优化解集，再从优化解集中确定出符合多个预设目标的套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，上述联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数，具体实施时，可以包括以下内容：
s13-1：获取多个预设目标和多个约束条件，其中，所述预设目标和约束条件是根据施工要求确定的；
s13-2：在所述多个约束条件的约束下，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数的解集和水泥环参数的解集；
s13-3：从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出符合所述多个预设目标的套管参数和水泥环参数。
其中，所述套管参数的解集包括多个待筛选的套管参数，所述待筛选的套管参数满足所述多个预设目标中的至少一个预设目标；所述水泥环参数集包括多个待筛选的水泥环参数，所述待筛选的水泥环参数满足所述多个预设目标中的至少一个预设目标。
从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出所述符合多个预设目标的套管参数、水泥环参数。
在本实施方式中，具体实施时，可以通过联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型获得上述套管参数的解集和水泥环参数的解集两个独立的参数解集；也可以通过联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型获得一个参数解集，其中，该参数解集包含有水泥环参数和套管参数。
在一个实施方式中，结合具体的施工情况在考虑套管需要经受得住目标区域地层中的应力环境外，还要考虑实施成本。因此，上述多个预设目标具体可以包括：套管抗外挤的安全系数大于安全阈值，套管的管壁厚度小于预设厚度，套管的钢级低于预设钢级。其中，上述套管抗外挤的安全系数大于安全阈值用于限定套管抗外挤的安全系数尽可能大，从而能够承受住目标区域地层的应力作用，不被损坏。上述套管的管壁厚度小于预设厚度，套管的钢级低于预设钢级用于限定在套管抗外挤的安全系数满足目标区域的地质要求的基础上，套管的管壁要尽可能薄、套管的钢级要尽可能的低，从而可以尽可能地降低具体施工时所采用的套管的总成本。这样可以找到最合理、最经济方案建立相应的套管和水泥环，以保证套管在目标区域的地层中能够安全、稳定的使用，不被损坏；同时也可以减少不必要的成本投入，达到较好的经济效益。当然，需要说明的是，上述所列举的预设目标只是一种示意性说明。不应当构成对本申请实施方式的不当限定。
在一个实施方式中，具体实施时，可以在abaqus软件平台上，通过isight(一种流程调用程序)设置上述多个预设目标。具体实施时，可以按照以下方式设置多个预设目标：
其中，maxmize具体可以表示为求解最大值，df具体可以表示为套管抗外挤的安全系数，sy具体可以表示为套管的屈服强度，s具体可以表示为套管所受的应力，minmize具体可以表示为求解最小值，w具体可以表示为套管的厚度，g具体可以表示为套管的钢级。
在一个实施方式中，为了结合真实的工况和具体的施工要求可以设置多个相应的约束条件也限定所求解出的解是满足真实情况的，具有较高实用性、参考性的设计方案。具体的，上述多个约束条件包括：套管的受力约束条件、套管的几何约束条件、库存套管的种类约束条件等。其中，上述套管的受力约束条件具体可以用于限定在整个使用期间内，套管上任一点的强度大于该点所承受的应力的载荷。上述套管的集合约束条件具体可以用于限定所设计的套管参数需要满足施工中的几何尺寸要求，例如，套管的内径需要大于某一阈值内径，这样可以包括施工过程中的其他设备能顺利地通过套管下入井下。上述库存套管的种类约束条件具体可以用于限定所确定的套管参数是基于当前施工情景下能够获取的套管类型。例如，在某施工场景中没有3号套管或者无法在该施工场景中建造3号套管，这是可以将上述库存套管的种类约束条件设置为排出3号套管，即将包括3号套管的套管参数直接删除，不会存储在套管参数、水泥参数的解集中。当然，需要说明的是，上述所列举的多种约束条件只是为了更好地说明本申请实施方式。具体实施时，也可以根据具体情况和施工要求，引入其他类型的约束条件。对此，本申请不作限定。
在一个实施方式中，具体实施时，可以在abaqus软件平台上，按照以下方式设置套管的受力约束条件：
s*dfc≤sy
其中，sy具体可以表示为套管的屈服强度，s具体可以表示为套管所受的应力，dfc具体可以表示为套管的抗挤安全设计系数。
在本实施方式中，上述抗挤安全设计系数的具体数值可以根据“石油天然气安全规程”(aq2012-2007)的相关内容确定。具体的，上述抗挤安全设计系数的优选的取值范围可以为1.0至1.125。
在一个实施方式中，具体实施时，可以在abaqus软件平台上，按照以下方式设置套管的几何约束条件：
d≥dmin
其中，d具体可以表示为套管的通径，dmin具体可以表示为允许的最小通径，其中，所述允许的最小通径为满足施工的要求的最小通径，所述允许的最小通径的数值可以根据施工要求确定，上述几何约束条件也可以称为最小套管通径约束条件。
在一个实施方式中，在建立了上述多个预设目标、多个约束条件后，具体实施时，可以以上述多个约束条件作为约束，以多个预设目标作为优化目标，对之前建立的水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型进行联合求解，以得到套管参数的解集和水泥环参数的解集。其中，所述套管参数的解集和水泥环参数的解集包括多组满足所述多个预设目标中的至少一个预设目标的套管参数、水泥环参数。需要说明的是，所述套管参数的解集和水泥环参数的解集所包括每组套管参数、水泥环参数可以是至少满足一个预设目标的参数；也可以是没有满足任何一个预设目标，但整体上的综合结果较为理想的参数。具体实施时，可以根据施工精度的要求设置相应的保留规则，以便在求解的过程中可以按照上述保留规则保留整体接近多个预设目标，或者至少满足一个预设目标的多组套管参数、水泥环参数，以便后续可以通过折中考虑筛选出最符合真实工况的套管参数、水泥环参数作为满足多个预设目标的套管参数、水泥环参数。
在本申请实施例中，相较于现有方法，由于考虑了真实工况下套管、水泥环所处的地层环境的塑形流动的作用，获取并利用了地层的应力特征参数、粘塑性特征参数以准确地模拟出套管所处的地层的粘塑性特点(以反映地层塑形流动作用对套管、水泥环的影响)；同时还分别建立了水平方向和垂直方向上的两个力学模型以进行多目标的优化求解，从而解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果。
在一个实施方式中，为了能够快速、准确地对所建立的水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型进行联合求解，以得到套管参数的解集和水泥环参数的解集，具体实施时，可以按照以下方式执行：在所述多个约束条件的约束下，以所述多个预设目标为优化目标，通过第二代非劣排序遗传算法对所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型进行联合求解，以确定出多组套管参数、水泥环参数，即获得所述套管参数的解集和水泥环参数的解集。
在本实施方式中，上述第二代非劣排序遗传算法(non-dominatedsortinggeneticalgorithm-ⅱ，nsga-ⅱ)具体是一种改进的非劣排序遗传算法(non-dominatedsortinggeneticalgorithm，nsga)，是一种针对多个优化目标的优化算法。具体的，该算法可以将多个预设目标映射到适应度函数中，通过比较预设目标的支配关系，寻找针对多个目标优化的问题的有效解，具有快速非优超排序和排挤机制。这样通过上述算法可以针对多个预设目标对模型进行相应求解，并驱使整个搜索过程尽快收敛到pareto的最优前沿，且保证pareto的最优解的多样性，从而可以获得尽可能满足多个预设目标的多组解，以组成所述套管参数的解集和水泥环参数的解集，即pareto解集。
在一个实施方式中，上述从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出所述符合多个预设目标的套管参数、水泥环参数，具体实施时可以包括以下内容：计算每组套管参数、水泥环参数与多个预设目标的差值的绝对值与预设权重乘积之和，将得到的和作为评价参数，以表征该组套管参数、水泥环参数整体与多个预设目标的差异情况。根据上述评价参数，筛选出评价参数值最小的一组套管参数、水泥环参数，即整体上与多个预设目标差距最小的一组套管参数、水泥环参数，作为所述符合多个预设条件的套管参数、水泥环参数。其中，上述预设权重可以根据施工要求确定。例如，根据施工要求希望所得到套管、水泥环成本尽可能小，则可以将与套管成本相关的预设目标套管的管壁厚度、套管的钢级所对应的权重适当地调大，以便尽可能筛选出成本较小的套管参数、水泥环参数。
在一个实施方式中，在确定出符合多个预设目标的套管参数、水泥环参数后，所述方法具体实施时，还可以包括以下内容：根据所述套管参数在目标区域的井下布设相应的套管；根据所述水泥环参数在套管和地层之间的环空中布设相应的水泥环，从而可以使得所布设的套管、水泥环在使用的过程中不容易因为地层由于粘塑性导致的应力作用而发生形变甚至损坏，有效地提高了套管的使用寿命。
从以上的描述中，可以看出，本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法，由于考虑了真实工况下套管、水泥环所处的地层环境，获取并利用了地层的应力特征参数、粘塑性特征参数以准确地模拟出套管所处的地层的粘塑性特点；同时还分别建立了水平方向和垂直方向上的两个力学模型以进行多目标的优化求解，从而解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果；又通过利用第二代非劣排序遗传算法对两个方向上的力学模型进行联合求解，进一步提高了求解效率，改善了准确度。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种套管参数和水泥环参数的确定装置，如下面的实施例所述。由于套管参数和水泥环参数的确定装置解决问题的原理与套管参数和水泥环参数的确定方法相似，因此套管参数和水泥环参数的确定装置的实施可以参见套管参数和水泥环参数的确定方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。请参阅图2，是本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定装置的一种组成结构图，该装置具体可以包括：获取模块21、建立模块22、确定模块23，下面对该结构进行具体说明。
获取模块21，具体可以用于获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数；
建立模块22，具体可以用于根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型；
确定模块23，具体可以用于联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述地层的粘塑性特征参数具体可以包括以下至少之一：地层的弹性模量、地层的泊松比、地层的屈服极限、地层的蠕变系数、地层的膨胀系数等。当然，需要说明的是，上述所列举的地层的粘塑性特征参数只是为了更好地说明本申请实施方式。具体实施时，也可以根据目标区域的地质情况和施工要求，引入其他类型的特征参数作为上述地层的粘塑性特征参数。对此，本申请不作限定。
在一个实施方式中，所述地层的应力特征参数具体可以包括：地层的垂直应力、地层的水平应力等。当然，上述所列举的地层应力特征参数只是一种示意性说明，不应当构成对本申请实施方式的不当限定。
在一个实施方式中，为了能够根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型，上述建立模块22具体实施时可以包括以下结构单元：
第一建立单元，具体可以用于根据所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型，其中，所述水平剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的水平方向上的力学模型；
第二建立单元，具体可以用于根据所述地层的垂直应力、所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立垂直剖面力学模型，其中，所述垂直剖面力学模型为包括地层、套管和水泥环的垂直方向上的力学模型。
在一个实施方式中，为了能够根据所述地层的水平应力、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型，在所述地层包括多个不同地层的情况下，上述第一建立单元具体实施时，可以按照以下程序执行：在所述地层包括多个地层的情况下，根据所述地层的粘塑性特征参数，确定所述多个地层中塑形流动特征大于预设阈值的地层作为第一模型地层；根据所述第一模型地层的粘塑性特征参数、所述第一模型地层的水平应力，建立所述水平剖面力学模型。
在一个实施方式中，为了能够联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数，上述确定模块23具体实施时可以包括以下结构单元：
获取单元，具体可以用于获取多个预设目标和多个约束条件，其中，所述预设目标和约束条件是根据施工要求确定的；
求解单元，具体可以用于在所述多个约束条件的约束下，联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数的解集和水泥环参数的解集；
筛选单元，具体可以用于从所述套管参数的解集和水泥环参数的解集中筛选出符合所述多个预设目标的套管参数和水泥环参数。
在一个实施方式中，所述多个预设目标具体可以包括：套管抗外挤的安全系数大于安全阈值，套管的管壁厚度小于预设厚度，套管的钢级低于预设钢级等。当然，需要说明的是，上述所列举的多个预设目标只是为了更好地说明本申请实施方式。具体实施时，还可以根据具体情况和施工要求，引入其他的目标要求作为上述预设目标，对此本申请不作限定。
在一个实施方式中，所述多个约束条件具体可以包括：套管的受力约束、套管的几何约束、库存套管的种类约束等。当然，需要说明的是，上述所列举的多个约束条件只是一种示意性说明。具体实施时，还可以根据目标区域具体的地质情况选择使用其他类型的约束条件。对此，本申请不作限定。
在一个实施方式中，为了能够高效、准确地对上述水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型进行联合求解，上述求解单元具体实施时，可以按照以下程序执行：在所述多个约束条件的约束下，通过第二代非劣排序遗传算法对所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型进行联合求解。当然，上述所列举的第二代非劣排序遗传算法只是一种示意性说明，不应当构成对本申请实施方式的不当限定。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，上述实施方式阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，在本说明书中，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
此外，在本说明书中，诸如第一和第二这样的形容词仅可以用于将一个元素或动作与另一元素或动作进行区分，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在环境允许的情况下，参照元素或部件或步骤(等)不应解释为局限于仅元素、部件、或步骤中的一个，而可以是元素、部件、或步骤中的一个或多个等。
从以上的描述中，可以看出，本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定装置，由于考虑了真实工况下套管、水泥环所处的地层环境，通过获取模块获取并利用了地层的应力特征参数、粘塑性特征参数以准确地模拟出套管所处的地层的粘塑性特点；同时还通过建立模块和确定模块分别建立了水平方向和垂直方向上的两个力学模型以进行多目标的优化求解，从而解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果；又通过确定模块利用第二代非劣排序遗传算法对两个方向上的力学模型进行联合求解，进一步提高了求解效率，改善了准确度。
本申请实施方式还提供了一种电子设备，具体可以参阅图3所示的基于本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法的电子设备组成结构示意图，所述电子设备具体可以包括输入设备31、处理器32、存储器33。其中，所述输入设备31具体可以用于输入目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数。所述处理器32具体可以用于根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型；联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。所述存储器33具体可以用于存储经输入设备31输入的地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，以及处理器32在进行数据处理过程中产生的水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型等中间数据。
在本实施方式中，所述输入设备具体可以是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。所述输入设备可以包括键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语音输入装置等；输入设备用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。所述输入设备还可以获取接收其他模块、单元、设备传输过来的数据。所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等等。所述存储器具体可以是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。所述存储器可以包括多个层次，在数字系统中，只要能保存二进制数据的都可以是存储器；在集成电路中，一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器，如ram、fifo等；在系统中，具有实物形式的存储设备也叫存储器，如内存条、tf卡等。
在本实施方式中，该电子设备具体实现的功能和效果，可以与其它实施方式对照解释，在此不再赘述。
本说申请实施方式中还提供了一种基于套管参数和水泥环参数的确定方法的计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，在所述计算机程序指令被执行时实现：获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数；根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型；联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在本实施方式中，上述存储介质包括但不限于随机存取存储器(randomaccessmemory,ram)、只读存储器(read-onlymemory,rom)、缓存(cache)、硬盘(harddiskdrive,hdd)或者存储卡(memorycard)。所述存储器可以用于存储计算机程序指令。网络通信单元可以是依照通信协议规定的标准设置的，用于进行网络连接通信的接口。
在本实施方式中，该计算机存储介质存储的程序指令具体实现的功能和效果，可以与其它实施方式对照解释，在此不再赘述。
在一个具体实施场景示例中，应用本申请实施例的提供套管参数和水泥环参数的确定方法和装置确定适用于某目标区域地层的套管参数和水泥环参数。具体实施过程可以参阅以下内容。
s1：获取目标区域的地层的应力特征参数、地层的粘塑性特征参数。
s2：根据所述地层的应力特征参数、所述地层的粘塑性特征参数，建立水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型。
在本实施方式中，具体实施时，可以基于abaqus软件平台，使用python语言，可以建立水平剖面力学模型(参阅图4所示的在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置获得的水平剖面力学模型的示意图)和垂直剖面力学模型(参阅图5所示的在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置获得的垂直剖面力学模型的示意图)。
根据图4和图5，可知上述力学模型也可以称为套管-水泥环-塑性地层系统的水平剖面力学模型和垂直剖面力学模型。其中，套管-水泥环-地层系统水平剖面力学模型(参阅图4所示)的设计的参数变量可以包括套管外径
在本实施方式中，具体建模时，可以包括以下步骤：调用abaqus软件平台中的cae模块；在part子模块，分别建立套管、水泥环和地层的几何模型；在property子模块，分别定义套管的弹性参数、水泥环的弹塑性参数，以及地层的弹性和粘塑性参数(即地层的粘塑性特征参数)。并且考虑到地层岩石本构关系的复杂性，还可以调用abaqus软件平台中的python脚本的usermaterial对象，以允许用户自定义地层岩石本构模型。在assembly模块，还可以应用coincidentpoint命令，将套管、水泥环和地层的几何模型组装成一体。在step子模块，定义2个计算步，其中第一步定义地层初始应力(根据地层的应力特征参数确定)；第二步定义粘塑性分析的时间周期等参数。同时，在interaction、load、mesh、job等子模块定义相关参数。最后，打开cae自动生成的扩展名为.jnl的python脚本文件，将套管、水泥环和地层的几何参数、材料参数和载荷参数转换为变量，从而实现深水套管力学模型的参数化建模，得到上述模型。
s3：联合求解所述水平剖面力学模型和所述垂直剖面力学模型，得到套管参数和水泥环参数。
在本实施方式中，具体实施时，可以参阅图6所示的在一个场景示例中应用本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置进行优化求解的流程示意图。通过在abaqus软件平台上使用isight建立套管多目标优化分析流程。其中，isight可以通过gui控件形式将上述套管参数化力学模型python脚本与abaqus软件平台连接，实现变量及目标设定、优化方法设置和过程监控等操作。套管多目标优化的分析流程如图6所示。全程可以包括以下内容：通过isight运行套管-水泥环-地层力学模型python程序，初始化套管-水泥环-地层力学模型参数，设置套管和水泥环参数设计优化目标、约束函数和参数优化范围，向abaqus提交水平剖面和垂直剖面力学模型，进行应力计算分析。计算结果若满足全部约束要求，则形成套管和水泥环设计参数pareto最优解，否则改变套管和水泥环设计参数，重新计算分析。最后进行套管多目标优化结果的pareto解集后处理，确定套管和水泥环的最优设计参数。
s4：根据所确定的符合多个预设目标的套管参数在所述目标区域的地层中布设相应的套管；根据所确定的符合多个预设目标的水泥环参数在所述目标区域的套管和地层之间的环空中布设相应的水泥环。
通过上述场景示例，验证了本申请实施例提供的套管参数和水泥环参数的确定方法和装置，由于考虑了真实工况下套管、水泥环所处的地层环境，获取并利用了地层的应力特征参数、粘塑性特征参数以准确地模拟出套管所处的地层的粘塑性特点；同时还分别建立了水平方向和垂直方向上的两个力学模型以进行多目标的优化求解，确实解决了现有方法中存在的所确定的套管参数、水泥环参数的准确度较差，不能满足真实的工况要求的技术问题，达到准确、高效地确定出能同时满足多个目标要求的套管、水泥环的技术效果。
尽管本申请内容中提到不同的具体实施例，但是，本申请并不局限于必须是行业标准或实施例所描述的情况等，某些行业标准或者使用自定义方式或实施例描述的实施基础上略加修改后的实施方案也可以实现上述实施例相同、等同或相近、或变形后可预料的实施效果。应用这些修改或变形后的数据获取、处理、输出、判断方式等的实施例，仍然可以属于本申请的可选实施方案范围之内。
虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
上述实施例阐明的装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的实施方式包括这些变形和变化而不脱离本申请。
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