[發(fā)明專利]一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810069100.8
• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN110067517B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉秀全;王向磊;張慎顏;姬景奇;鄭健;陳國明;暢元江
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): E21B17/01
• 分類號(hào): E21B17/01;G06N3/12
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1.一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟S1：以隔水管系統(tǒng)浮力塊配置作為優(yōu)化變量，以基因編碼的方式表征所述隔水管系統(tǒng)浮力塊配置；

步驟S2：基于能量平衡原理建立隔水管系統(tǒng)渦激疲勞分析模型，確定隔水管系統(tǒng)任意位置處的渦激疲勞損傷；

步驟S3：從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，確定不同海流流速的發(fā)生概率，以減小隔水管系統(tǒng)長期渦激疲勞損傷為目標(biāo)建立隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

步驟S4：建立基于遺傳算法的隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，開發(fā)隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化系統(tǒng)，對(duì)隔水管系統(tǒng)浮力塊配置方案進(jìn)行尋優(yōu)，主要優(yōu)化過程包括：

步驟S41：設(shè)置隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化參數(shù)、終止準(zhǔn)則，以及浮力塊基因編碼種群的遺傳、變異、交叉概率，編寫隔水管系統(tǒng)浮力塊配置遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)于有浮力塊覆蓋率約束條件的深水鉆井隔水管系統(tǒng)，通過全局變量約束實(shí)現(xiàn)約束條件下的隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化計(jì)算；

步驟S42：隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化過程中，首先產(chǎn)生代表隔水管系統(tǒng)浮力塊配置的初始基因種群，對(duì)所述基因種群表征的隔水管系統(tǒng)浮力塊配置開展隔水管系統(tǒng)渦激疲勞損傷評(píng)估，確定所述初始基因種群的適應(yīng)度；

步驟S43：將所述初始基因種群進(jìn)行交叉、變異產(chǎn)生新基因種群，該過程是自然選擇和進(jìn)化過程，將所述新基因種群解碼成隔水管系統(tǒng)浮力塊配置方案，并開展所述新基因種群的隔水管系統(tǒng)渦激疲勞損傷分析和基因種群的適應(yīng)度評(píng)價(jià)，按照有利于減少隔水管系統(tǒng)渦激疲勞損傷的方向選擇與進(jìn)化基因種群，確定下一代的基因種群，重復(fù)執(zhí)行上述優(yōu)化過程，直至滿足所述終止準(zhǔn)則，滿足所述終止準(zhǔn)則后隔水管浮力塊配置優(yōu)化過程結(jié)束，確定隔水管系統(tǒng)浮力塊配置最優(yōu)方案。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，其特征在于步驟S1中所述基因編碼方式為：基因1表示浮力塊單根，基因0表示裸單根，通過不同基因組合可表征不同的隔水管系統(tǒng)浮力塊配置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，其特征在于步驟S2包括如下內(nèi)容：

步驟S21：基于能量平衡原理建立隔水管系統(tǒng)渦激振動(dòng)模型，任意第r階模態(tài)的隔水管系統(tǒng)渦激振動(dòng)控制方程為：

式中，M_r為模態(tài)質(zhì)量，R_r為模態(tài)阻尼，K_r為模態(tài)剛度，P_r為模態(tài)力，q_r為模態(tài)位移；

步驟S22：確定最小與最大漩渦泄放頻率，初步篩選出可能參與渦激振動(dòng)的各階模態(tài)，所述最小與最大漩渦泄放頻率可表示為：

式中，S_t為斯托哈斯數(shù)，u_min和u_max分別為流剖面的最小與最大流速，d_h為隔水管水動(dòng)力外徑；

步驟S23：計(jì)算符合激勵(lì)頻率范圍內(nèi)的各階隔水管模態(tài)的振幅，確定隔水管系統(tǒng)任意階模態(tài)下均方根位移和均方根應(yīng)力，進(jìn)而求得任意階模態(tài)下的疲勞損傷量，最終求得任意處的總疲勞損傷量，可表示為：

D(z)＝∑D_r(z)

式中，D_r為第r階模態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的隔水管渦激疲勞損傷。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，其特征在于步驟S3包括如下內(nèi)容：

步驟S31：基于目標(biāo)海域的海流長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定不同海流流速的發(fā)生概率p_i；

步驟S32：綜合考慮不同海流流速的發(fā)生概率，以減小隔水管系統(tǒng)長期渦激疲勞損傷為目標(biāo)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可表示為：

式中，R為隔水管系統(tǒng)浮力塊配置方案集合，N為海況總數(shù)，D_i為第i個(gè)海況下的隔水管系統(tǒng)最大渦激疲勞損傷。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的深水鉆井隔水管系統(tǒng)浮力塊配置優(yōu)化方法，其特征在于步驟S41中所述優(yōu)化參數(shù)主要包括整體浮力塊配置的基因種群規(guī)模集合、單個(gè)基因種群的長度以及基因種群的進(jìn)化代數(shù)；所述終止準(zhǔn)則用來終止基因種群的進(jìn)化，進(jìn)而終止整個(gè)算法，該準(zhǔn)則可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，可以按代數(shù)終止、按時(shí)限終止、按適應(yīng)度限制終止、按停滯代數(shù)或者停滯時(shí)限終止；所述遺傳、變異、交叉概率根據(jù)遺傳進(jìn)化過程動(dòng)態(tài)變化，前期進(jìn)行大概率變異和交叉，以快速產(chǎn)生多樣的基因種群，防止陷入局部優(yōu)化，后期進(jìn)行小概率變異和交叉，以快速尋找到代表最優(yōu)浮力塊配置方案的基因種群；所述適應(yīng)度函數(shù)設(shè)定為使代表浮力塊配置的基因種群渦激疲勞損傷最小值的函數(shù)，該適應(yīng)度函數(shù)控制著基因種群向更有利于減小渦激疲勞損傷的方向進(jìn)化。