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    基于最优相关性的钻速建模算法

    魏思维 李谦 姜杰 何俊杰 李同意

    魏思维, 李谦, 姜杰, 何俊杰, 李同意, 2026. 基于最优相关性的钻速建模算法. 地球科学, 51(8): 3102-3117. doi: 10.3799/dqkx.2026.218
    引用本文: 魏思维, 李谦, 姜杰, 何俊杰, 李同意, 2026. 基于最优相关性的钻速建模算法. 地球科学, 51(8): 3102-3117. doi: 10.3799/dqkx.2026.218
    Wei Siwei, Li Qian, Jiang Jie, He Junjie, Li Tongyi, 2026. Correlation-Optimized Modeling Algorithm for Rate of Penetration. Earth Science, 51(8): 3102-3117. doi: 10.3799/dqkx.2026.218
    Citation: Wei Siwei, Li Qian, Jiang Jie, He Junjie, Li Tongyi, 2026. Correlation-Optimized Modeling Algorithm for Rate of Penetration. Earth Science, 51(8): 3102-3117. doi: 10.3799/dqkx.2026.218

    基于最优相关性的钻速建模算法

    doi: 10.3799/dqkx.2026.218
    基金项目: 

    四川省自然科学基金项目青年基金,基于数字孪生的动态时变钻进工况自适应迁移模型研究 2024NSFSC0817

    中海石油(中国)有限公司项目“南海西部油田上产2000万方钻完井关键技术研究”子课题“乐东10区超高温高压井综合提速技术研究” CNOOC-KJ135ZDXM38ZJ05ZJ

    详细信息
      作者简介:

      魏思维(2003-),男,硕士,从事数据分析与人工智能在钻探钻井中的应用研究,ORCID:0009-0002-5180-7691,E-mail:3210408869@qq.com

      通讯作者:

      李谦, ORCID:0000-0003-1535-7734. E-mail: liqian2014@cdut.edu.cn

    • 中图分类号: TD41

    Correlation-Optimized Modeling Algorithm for Rate of Penetration

    • 摘要: 针对复杂地层钻井过程中钻速(ROP)预测精度低、参数间存在非单调、非线性强耦合的难题——传统Pearson/Spearman等相关系数主要衡量线性或单调关系,难以有效刻画此类复杂依赖,易导致关键特征被低估.旨在开发一种动态最优相关性建模算法,以提升钻速预测的准确性和工程适用性. 基于10口油气井的21 912组工程数据,综合采用中位数填充、IQR离群值处理和Savitzky-Golay滤波进行数据预处理;通过对比Pearson、Spearman、Kendall和Chatterjee四种相关性理论,识别影响钻速的关键参数(如钻井液密度、固相含量和井深);引入滑动窗口技术(窗口大小400、步长100)实现局部动态建模,并以随机森林模型为核心进行回归预测.实验表明,以Chatterjee算法选取排名前5的特征时表现最优,结合滑动窗口与随机森林的架构在第10口测试井中窗口测试集平均R2达0.985,较全局静态建模(R2=0.96)显著提升.得到的最优相关性钻速建模算法能自适应地层突变,有效捕捉参数间的局部关联,为钻速实时优化提供高精度解决方案,为钻井工程从经验试错向数据驱动决策的转变提供有效技术支撑.

       

    • 图  1  离群值处理

      Fig.  1.  Outlier handling

      图  2  数据平滑处理

      Fig.  2.  Data smoothing

      图  3  高、中、低相关性参数所占比例

      a.Pearson算法;b. Spearman算法;c. Kendall算法d. Chatterjee算法

      Fig.  3.  The proportions of parameters with high, medium, and low correlations

      图  4  高中低相关性参数个数对比图

      Fig.  4.  Comparison chart of the number of parameters with high, medium, and low correlations

      图  5  多层感知机和随机森林模型性能

      a. 多层感知机训练集;b. 多层感知机测试集;c. 随机森林训练集;d. 随机森林测试集

      Fig.  5.  Performance of multilayer perceptron and random forest models

      图  6  滑动窗口原理示意图

      Fig.  6.  Sliding window principle

      图  7  基于多层感知机的动态选择

      a. Pearson算法;b. Spearman算法;c. Kendall算法;d. Chatterjee算法

      Fig.  7.  Dynamic selection based on multilayer perceptron

      图  8  基于随机森林的动态选择

      a. Pearson算法;b. Spearman算法;c. Kendall算法;d. Chatterjee算法

      Fig.  8.  Dynamic selection based on random forest

      图  9  滑动窗口模型架构

      Fig.  9.  Sliding window model architecture

      图  10  窗口测试集R2运算结果

      a. 窗口测试集R2;b~e. 窗口优于全局比例,依次为Pearson/Spearman/Kendall/Chatterjee

      Fig.  10.  R2 calculation results of the window test set

      图  11  十号井测试结果

      Fig.  11.  Test results of Well No.10

      表  1  相关性系数绝对值

      Table  1.   Absolute value of the correlation coefficient

      算法参数 Pearson Spearman Kendall Chatterjee 算法参数 Pearson Spearman Kendall Chatterjee
      井深 0.70 0.74 0.52 0.37 稠度系数 0.12 0.30 0.22 0.47
      井径 0.66 0.70 0.57 0.34 氯离子含量 0.05 0.15 0.10 0.19
      钻压 0.04 0.03 0.02 0.07 钙离子含量 0.02 0.01 0 0.11
      大钩载荷 0.66 0.60 0.42 0.33 膨润土含量 0.46 0.44 0.31 0.30
      回转转速 0.30 0.27 0.18 0.24 固相含量 0.70 0.77 0.56 0.59
      扭矩 0.69 0.66 0.50 0.36 含砂量 0.17 0.26 0.18 0.13
      立管压力 0.13 0.08 0.06 0.11 地震速度 0.39 0.33 0.23 0.33
      泵量 0.69 0.75 0.54 0.49 孔隙压力 0.71 0.75 0.53 0.41
      钻头工作时间 0.22 0.13 0.11 0.12 破裂压力 0.64 0.71 0.50 0.37
      泵工作时间 0.35 0.29 0.21 0.12 上覆压力 0.68 0.73 0.51 0.39
      钻井液进口比重 0.71 0.78 0.56 0.55 岩性编号 0.23 0.20 0.14 0.11
      钻井液出口比重 0.71 0.78 0.56 0.54 喷嘴数量 0.01 0 0 0.01
      钻井液入口温度 0.12 0.06 0.05 0.14 等效直径 0.58 0.56 0.40 0.38
      钻井液出口温度 0.19 0.17 0.12 0.12 内排磨损 0 0 0 0
      屈服值 0.59 0.56 0.39 0.40 外排磨损 0.20 0.24 0.19 0.14
      钻井液密度 0.72 0.79 0.58 0.57 液力提速马达 0
      马氏漏斗粘度 0.46 0.42 0.29 0.30 水力脉冲 0
      塑性粘度 0.60 0.65 0.46 0.40 钻头齿形 0
      3转读数 0.57 0.63 0.46 0.30 稠度系数 0.12 0.30 0.22 0.47
      6转读数 0.58 0.64 0.46 0.32 氯离子含量 0.05 0.15 0.10 0.19
      10 s静切力 0.50 0.53 0.37 0.28 钙离子含量 0.02 0.01 0 0.11
      10 min静切力 0.55 0.61 0.43 0.36 膨润土含量 0.46 0.44 0.31 0.30
      滤失量 0.70 0.66 0.46 0.46 固相含量 0.70 0.77 0.56 0.59
      泥饼厚度 0.61 0.55 0.44 0.24 含砂量 0.17 0.26 0.18 0.13
      pH 0.62 0.65 0.49 0.34
      流性系数 0.01 0.03 0.02 0.33
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      表  2  各方法性能统计汇总

      Table  2.   Statistical summary of performance of various methods

      算法 窗口大小 特征数量 测试集均值 测试集标准差 最佳测试R2
      Pearson 800 15 0.973 8 0.026 7 0.998 8
      Spearman 800 15 0.973 9 0.026 2 0.998 6
      Kendall 800 15 0.971 6 0.027 4 0.998 6
      Chatterjee 400 5 0.979 0 0.020 8 0.999 1
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    出版历程
    • 收稿日期:  2026-05-13
    • 刊出日期:  2026-08-25

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