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    基于实时数据流的钻速频域特征匹配与自适应建模

    李同意 李谦 姜杰 魏思维 何俊杰

    李同意, 李谦, 姜杰, 魏思维, 何俊杰, 2026. 基于实时数据流的钻速频域特征匹配与自适应建模. 地球科学, 51(8): 3087-3101. doi: 10.3799/dqkx.2026.228
    引用本文: 李同意, 李谦, 姜杰, 魏思维, 何俊杰, 2026. 基于实时数据流的钻速频域特征匹配与自适应建模. 地球科学, 51(8): 3087-3101. doi: 10.3799/dqkx.2026.228
    Li Tongyi, Li Qian, Jiang Jie, Wei Siwei, He Junjie, 2026. Frequency Domain Feature Matching and Adaptive Modeling for Rate of Penetration Prediction Based on Real-Time Data Streams. Earth Science, 51(8): 3087-3101. doi: 10.3799/dqkx.2026.228
    Citation: Li Tongyi, Li Qian, Jiang Jie, Wei Siwei, He Junjie, 2026. Frequency Domain Feature Matching and Adaptive Modeling for Rate of Penetration Prediction Based on Real-Time Data Streams. Earth Science, 51(8): 3087-3101. doi: 10.3799/dqkx.2026.228

    基于实时数据流的钻速频域特征匹配与自适应建模

    doi: 10.3799/dqkx.2026.228
    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

    珠海市产学研项目“一种数字化工程勘察钻探装备的研发及其产业化” 2320004002792

    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:

      李同意(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:0009-0004-3218-1982. E-mail:2117889532@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

    Frequency Domain Feature Matching and Adaptive Modeling for Rate of Penetration Prediction Based on Real-Time Data Streams

    • 摘要: 针对深部复杂地层钻速预测中数据流非平稳及工况漂移难题,提出基于频域感知与自适应反馈的动态建模方法. 该方法利用滑动窗口与快速傅里叶变换提取实时数据流频域特征,通过余弦相似度量化主井与邻井工况匹配度. 创新构建基于$ {R}^{2} $反馈的动态阈值机制,实时调节判别标准:工况相似时复用历史模型,突变时采用主井累积+邻井深度匹配混合数据重训随机森林模型. 10口井实钻数据验证表明,该方法全井段预测平均$ {R}^{2} $达0.96,均方误差0.001 5;相较于固定阈值策略(复用率为0%),动态机制将模型复用率显著提升至18%. 进一步通过3口独立新井盲测验证模型泛化能力,平均$ {R}^{2} $达到0.91. 该研究有效解决了时域信号量化困难与模型适应性差的矛盾,在保证高精度的同时显著降低了计算开销,为复杂非平稳钻井工况下的实时钻速预测及智能钻井辅助决策提供了新的技术方案.

       

    • 图  1  各井数据深度跨度水平条形图

      Fig.  1.  Horizontal bar chart of depth span for wells

      图  2  SPP离群值

      Fig.  2.  Outlier detection for standpipe pressure (SPP)

      图  3  WOB数据平滑

      Fig.  3.  Data smoothing for weight on bit (WOB)

      图  4  分井示意图

      Fig.  4.  Schematic diagram of dataset partitioning for main and auxiliary wells

      图  5  滑动窗口图解

      Fig.  5.  Schematic illustration of sliding window mechanism

      图  6  钻压频谱图

      Fig.  6.  Time-domain waveform and frequency spectrum of WOB

      图  7  频谱对比图

      Fig.  7.  Comparison of spectrum features between main well and historical well

      图  8  重新建模及复用判断逻辑

      Fig.  8.  Decision logic flowchart for model reconstruction and reuse

      图  9  不同相似度阈值下的R2

      Fig.  9.  Trend of average R2 under different similarity thresholds

      图  10  不同阈值模型来源

      a. 静态阈值模型来源;b. 动态阈值模型来源

      Fig.  10.  Distribution of model sources under different thresholds

      图  11  不同随机森林树的R2

      Fig.  11.  R2 values under different random forest trees

      图  12  不同滑动窗口大小的R2

      Fig.  12.  R2 values under different sliding window sizes

      图  13  4个模型预测ROP与实际ROP

      Fig.  13.  Comparison between actual ROP and ROP predicted by four models

      表  1  参数对照表

      Table  1.   Parameter Comparison Table

      中文全名 中文单位 英文单位
      操作参数 钻井直径 英寸 in
      钻速 米每小时 m/h
      钻压 t
      大钩载荷 t
      发动机转速 转每分钟 r/min
      扭矩 千磅力·英尺 klbf·ft
      立管压力 磅每平方英寸 psi
      泵量 升每分钟 L/min
      钻头实际工作时间 小时 h
      泵的总工作时间 小时 h
      泥浆参数 泥浆进口比重 克每立方厘米 g/cm3
      泥浆出口比重 克每立方厘米 g/cm3
      钻井液入口温度 摄氏度 degC
      钻井液出口温度 摄氏度 degC
      屈服值 Pa
      泥浆密度 克每立方厘米 g/cm3
      马氏漏斗粘度 s
      塑性粘度 毫帕·秒 mPa·s
      3转读数
      6转读数
      10 s静切力 Pa
      10 min静切力 Pa
      滤矢量 毫升每三十分钟 mL/30 min
      泥饼厚度 毫米 mm
      酸碱度
      流性系数
      稠度系数 帕·秒的n次方 Pa·sn
      氯离子含量 毫克每升 mg/L
      钙离子含量 毫克每升 mg/L
      膨润土含量 千克每立方米 kg/m3
      固相含量 百分比 %
      含沙量 百分比 %
      地质条件 地震速度 米每秒 m/s
      孔隙压力 克每立方厘米 g/cm3
      破裂压力 克每立方厘米 g/cm3
      上覆压力 克每立方厘米 g/cm3
      岩性
      岩性编号
      钻头参数 喷嘴个数
      等效直径 毫米 mm
      内排磨损
      外排磨损
      提速钻具 液力提速马达
      水里脉冲
      钻头齿形
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      表  2  相似度阈值实验对照结果

      Table  2.   Experimental comparison results of similarity thresholds

      阈值机制 R2 复用率 计算开销 计算耗时
      固定阈值($ T=0.85 $) 0.74 0% 高计算开销 2.1 h
      动态自适应 0.96 18% 低计算开销 1.6 h
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      表  3  各对比实验结果

      Table  3.   Comparison of experimental results among different models

      模型 R2 MAE MSE
      固定模型 0.371 5 0.112 8 0.019 4
      仅主井动态模型 0.879 6 0.040 6 0.003 7
      LSTM模型 0.509 5 0.089 5 0.013 5
      本文模型 0.965 1 0.025 8 0.001 5
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      表  4  局部复杂突变井段(2 700~2 900 m)性能对比

      Table  4.   Performance comparison in the local complex transition section (2 700~2 900 m)

      模型 局部R2 局部MAE 局部MSE
      固定模型 < 0 0.213 4 0.052 1
      仅主井动态模型 0.651 2 0.078 2 0.012 5
      LSTM模型 0.284 5 0.145 6 0.038 4
      本文模型 0.892 4 0.038 5 0.004 2
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      表  5  盲测井实验结果

      Table  5.   Experimental results of the blind test

      盲测目标井井号 $ {R}^{2} $
      8 0.921 3
      9 0.933 6
      10 0.875 1
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    出版历程
    • 收稿日期:  2026-03-21
    • 刊出日期:  2026-08-25

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