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基于物理特征融合与机器学习的多井协同钻井速率实时预测与优化(

ztj100 2025-07-20 00:03 20 浏览 0 评论

算法流程
开始├─ 数据加载与预处理│   ├─ 加载多井钻井数据│   ├─ 选择关键特征列│   ├─ 合并多井数据集│   ├─ 处理缺失值与异常值│   └─ 创建时间戳特征├─ 特征工程│   ├─ 数据变换(Box-Cox处理偏度)│   └─ 计算物理特征(平均比能MSE)├─ 数据分析│   ├─ 分布可视化│   ├─ 相关性分析│   └─ 特征选择├─ 模型构建│   ├─ 数据分割(训练集/测试集)│   ├─ 特征归一化│   ├─ XGBoost模型训练│   └─ 支持向量机模型训练(对比)├─ 模型评估│   ├─ R^2分数计算│   ├─ 误差指标分析(MAE/MSE/RMSE)│   ├─ 预测结果可视化│   └─ 特征重要性分析└─ 模型应用    ├─ 模型保存与加载    └─ 新数据预测结束

详细算法步骤

数据准备阶段

加载五口井的钻井历史数据

选择关键特征列(井深、钻速、转速、扭矩、钻压等)

合并多井数据并添加井标识

创建统一时间戳特征

数据清洗与预处理

替换无效值(-999.25)为NaN

删除恒定不变的特征列(工具面)

删除包含空值的记录行

基于领域知识过滤异常值(转速0-100 RPM,钻压<40 Klbs等)

特征工程

对偏态特征(钻压、扭矩)进行Box-Cox变换

基于钻井物理公式计算平均比能(MSE)

选择最终特征集(包含物理特征MSE)

数据分析

绘制特征分布图和箱线图

计算斯皮尔曼和皮尔逊相关系数

分析各特征与钻速(ROP)的相关性

模型构建

将数据分割为训练集(70%)和测试集(30%)

使用MinMaxScaler进行特征归一化

构建XGBoost回归模型

构建支持向量机模型作为对比基准

模型评估

计算R^2分数评估模型拟合优度

计算MAE、MSE、RMSE误差指标

绘制实际值vs预测值散点图

分析特征重要性排序

模型应用

将训练好的模型保存为pkl文件

加载模型对新钻井数据进行预测

可视化预测钻速随井深的变化趋势

该算法在信号分析中的应用

应用领域
具体实现方式
技术优势
信号预处理
自动检测并过滤钻井参数信号中的异常值(如负转速、超限钻压)
提高信号质量,保留真实物理模式
特征融合
将物理模型输出(MSE)作为特征输入,结合原始传感器信号
增强信号表征能力,提取深层物理关联
动态建模
建立钻速信号与多参数(转速、扭矩、钻压)的动态关系
捕捉复杂非线性相互作用,实现系统级建模
趋势分析
分析钻速随井深变化的趋势特征
识别地层变化点,优化钻井参数
异常检测
通过物理约束边界识别异常钻井状态(如机械钻速突降)
实时预警钻具故障或地层变化
相关性分析
计算各钻井参数与钻速的时域/频域相关性
识别关键影响因子,指导参数优化
多源信号同步
对齐不同采样率的钻井参数(如秒级转速与分钟级钻速)
解决时间不同步问题,提高分析准确性
信号压缩
提取关键统计特征(均值、方差)代替原始高频信号
降低数据维度,提高处理效率

机器学习与深度学习结合方式

结合方式
具体实现
技术价值
特征工程引导
使用物理模型(MSE)生成引导特征
增强模型可解释性,减少数据需求
混合架构
XGBoost处理结构化参数 + LSTM处理时序信号
同时利用静态参数和动态时序特征
迁移学习
使用预训练模型处理新井数据
解决小样本问题,加速模型部署
强化学习整合
将预测模型作为奖励函数,优化钻井参数决策
实现自主参数优化系统
对抗训练
生成对抗网络(GAN)增强数据多样性
提高模型泛化能力,适应不同地质条件
注意力机制
引入Attention机制聚焦关键钻井阶段
提升重要事件识别能力
端到端学习
原始传感器信号直接输入卷积网络
自动提取特征,减少人工设计依赖
不确定性量化
贝叶斯神经网络估计预测置信区间
支持风险决策,提高系统可靠性
模型蒸馏
复杂模型知识迁移到轻量级模型
满足实时边缘计算需求
# 导入必要的库import numpy as np  # 数值计算库import pandas as pd  # 数据处理库import matplotlib.pyplot as plt  # 数据可视化库import seaborn as sns  # 高级数据可视化库import warnings  # 警告处理warnings.filterwarnings('ignore')  # 忽略所有警告
# 加载MIP-3HA井的钻井数据MIP3A = pd.read_csv(r'datasets\MIP-3H Top.csv') # 读取CSV文件
# 数据预处理函数:选择关键特征列def slice_columns(data): # 定义需要保留的关键特征列 columns = ['Hole Depth', 'Rate Of Penetration', 'Bit Depth', 'Hook Load', 'Standpipe Pressure', 'Rotary RPM', 'Rotary Torque', 'Weight on Bit', 'Block Height', 'On Bottom Hours', 'Circulating Hours', 'Tool Face', 'Inclination', 'Azimuth', 'Differential Pressure', 'YYYY/MM/DD', 'HH:MM:SS'] df = data[columns] # 选择指定列 return df
# 多井数据合并函数def combine_and_transform(): # 定义要合并的井数据集 wells = [MIP3A, MIP3B, MIP5A, MIP5B, MIPSW] well_names = ['MIP3A', 'MIP3B', 'MIP5A', 'MIP5B', 'MIPSW'] # 井标识 combined_df = pd.DataFrame() # 创建空DataFrame
# 遍历每口井的数据 for well, well_name in zip(wells, well_names): df = slice_columns(well) # 选择关键特征 df['Well ID'] = well_name # 添加井标识列 combined_df = pd.concat([combined_df, df], ignore_index=True) # 合并数据
# 创建时间戳列:合并日期和时间 combined_df['TimeStamp'] = pd.to_datetime(combined_df['YYYY/MM/DD'] + ' ' + combined_df['HH:MM:SS']) return combined_df
# 调用函数合并多井数据df = combine_and_transform()
# 数据清洗:替换无效值为NaNdf = df.replace(-999.25, np.NaN)
# 删除工具面列(数据无变化)和空值行df = df.drop(columns='Tool Face')df = df.dropna()
# 异常值处理函数def process_outliers(df): # 转速过滤:保留0-100 RPM之间的合理值 df = df[(df['Rotary RPM'] > 0) & (df['Rotary RPM'] < 100)]
# 钻压过滤:保留小于40 Klbs的值 df = df[df['Weight on Bit'] < 40]
# 扭矩过滤:保留小于4900 ft-lbs的值 df = df[df['Rotary Torque'] < 4900]
# 差压过滤:保留190-770 psi之间的值 df = df[(df['Differential Pressure'] > 190) & (df['Differential Pressure'] < 770)]
# 钻速过滤:保留小于385 ft/hr的值 df = df[df['Rate Of Penetration'] < 385] return df
# 应用异常值处理df_clean = process_outliers(df)
# Box-Cox变换函数(处理数据偏度)from scipy.stats import boxcoxdef boxcox_transform(df, column_name): # 确保所有值为正(Box-Cox要求) df[column_name] = df[column_name] - df[column_name].min() + 0.1 # 应用Box-Cox变换 transformed, _ = boxcox(df[column_name]) df[column_name] = transformed # 替换原数据 return df
# 对钻压和扭矩进行Box-Cox变换df_clean = boxcox_transform(df_clean, 'Weight on Bit')df_clean = boxcox_transform(df_clean, 'Rotary Torque')
# 平均比能(MSE)特征工程import mathdef create_mse(df): mse_values = [] # 存储MSE计算结果 hole_diameter = 8.5 # 井眼直径(英寸)
# 遍历每行数据计算MSE for i in range(len(df)): rpm = df['Rotary RPM'].iloc[i] # 转速 torque = df['Rotary Torque'].iloc[i] # 扭矩 rop_avg = df['Rate Of Penetration'].iloc[i] # 平均钻速 wob = df['Weight on Bit'].iloc[i] # 钻压
# MSE计算公式(避免除零错误) if rop_avg != 0: mse = ((480 * torque * rpm) / (hole_diameter**2 * rop_avg)) + \ ((4 * wob) / (hole_diameter**2 * math.pi)) else: mse = 0 mse_values.append(mse)
df['MSE'] = mse_values # 添加MSE列 return df
# 应用MSE特征工程df_clean = create_mse(df_clean)
# 特征选择selected = ['Rate Of Penetration', 'Rotary Torque', 'Rotary RPM', 'Weight on Bit', 'Differential Pressure', 'Hook Load', 'MSE', 'Hole Depth']df_final = df_clean[selected]
# 数据标准化和相关性分析from sklearn.preprocessing import StandardScalerscaler = StandardScaler()datanorm = scaler.fit_transform(df_final)
# 计算斯皮尔曼相关系数from scipy import statsrho, pval = stats.spearmanr(datanorm)
# 数据分割(训练集70%,测试集30%)from sklearn.model_selection import train_test_splity = df_final[['Rate Of Penetration']] # 目标变量(钻速)X = df_final.drop(['Rate Of Penetration'], axis=1) # 特征变量X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.30, random_state=1000)
# 特征归一化(MinMax缩放)from sklearn import preprocessingX_train_scaler = preprocessing.MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))X_train = X_train_scaler.fit_transform(X_train)y_train_scaler = preprocessing.MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))y_train = y_train_scaler.fit_transform(y_train)
# XGBoost模型构建from xgboost import XGBRegressorxgb_model = XGBRegressor( objective='reg:squarederror', # 回归任务 n_estimators=200, # 树的数量 reg_lambda=1, # L2正则化 max_depth=3, # 树的最大深度 learning_rate=0.1, # 学习率 reg_alpha=0.1 # L1正则化)
# 模型训练xgb_model.fit(X_train, y_train)
# 模型评估from sklearn.metrics import r2_score, mean_absolute_error, mean_squared_errory_pred = xgb_model.predict(X_test)
# 计算评估指标r2 = r2_score(y_test, y_pred)mae = mean_absolute_error(y_test, y_pred)mse = mean_squared_error(y_test, y_pred)rmse = np.sqrt(mse)
# 特征重要性可视化feature_imp = pd.Series(xgb_model.feature_importances_, index=X.columns)feature_imp.sort_values().plot(kind='barh')
# 模型保存与加载import joblibjoblib.dump(xgb_model, 'rop_model_xgb.pkl') # 保存模型loaded_model = joblib.load('rop_model_xgb.pkl') # 加载模型
# 新数据预测new_data = pd.read_csv('freshdrillingdata.csv') # 加载新数据# 注意:新数据需要与训练数据相同的预处理predicted_rop = loaded_model.predict(new_data) # 预测ROP
知乎学术咨询:
https://www.zhihu.com/consult/people/792359672131756032?isMe=1

擅长领域:信号滤波/降噪,机器学习/深度学习,时间序列预分析/预测,设备故障诊断/缺陷检测/异常检测


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