融合特征工程与物理约束的油气上窜速度双驱动混合智能模型

付星宇 ,  何世明 ,  汤明 ,  王辰 ,  简志凯 ,  王清云

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9849-9865

PDF (20103KB)
科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :9849-9865 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504916
石油、天然气工业

融合特征工程与物理约束的油气上窜速度双驱动混合智能模型

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Dual-driven Hybrid Intelligent Model Integrating Feature Engineering and Physical Constraints for Kick Velocity Calculation

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摘要

据塔里木油田2024年钻井安全报告统计,由井下油气上窜速度计算偏差引发的井控事故占比高达31%。针对油气钻井井下流体运移监测领域存在的时变非线性建模难题,提出融合特征工程、物理约束与深度学习的混合智能模型,构建了物理-数据双驱动的油气上窜速度优化计算框架。通过搭建三级特征筛选体系完成数据深度提纯:噪声过滤层采用改进型Savitzky-Golay滤波器抑制时频域噪声;物理关联层基于达西定律构建特征相关性张量,筛选出有效特征对;差异放大层利用流形学习增强关键特征的区分度,最终将有效特征占比提升至79%。在此基础上,设计了SENet-LSTM-Arps混合架构:引入SENet通道注意力机制动态调制通道权重;利用双向长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)捕捉时序依赖关系;嵌入Arps产量递减模型构建物理约束层,并通过拉格朗日乘数法实现数据驱动与知识驱动的深度融合。基于塔里木盆地杜瓦103井的实测数据,采用贝叶斯优化确定超参数组合的实验结果表明:该架构在迟到时间计算中决定系数(R2)达0.992 5,均方误差(mean square error,MSE)低至0.837 1,整体性能较传统方法提升两个数量级;消融实验进一步验证了SENet模块与Arps约束层的协同有效性。研究成果为复杂油藏环境下油气上窜速度的精准计算提供了“特征工程-物理约束-时序建模”的全链路优化范式,投入工程应用后可将井控预警时间提前至15 min(较传统方法提前65%),井控预警准确率可达97.3%。

Abstract

According to the 2024 drilling safety report of Tarim Oilfield, 31% of well control accidents are attributed to calculation deviations of downhole kick velocity. To address the challenge of time-varying nonlinear modeling in the monitoring of downhole fluid migration during oil and gas drilling, a hybrid intelligent model integrating feature engineering, physical constraints, and deep learning was proposed, and an optimized calculation framework for kick velocity driven by both physics and data was established. Deep purification of data was achieved by constructing a three-tier feature screening system: the noise filtering layer employed an improved Savitzky-Golay filter to suppress time-frequency domain noise; the physical correlation layer constructed a feature relevance tensor based on Darcy's Law to screen effective feature pairs; the difference amplification layer enhanced the distinguishability of key features using manifold learning, which increased the proportion of effective features to 79%. On this basis, a hybrid SENet-LSTM-Arps architecture was designed: the SENet channel attention mechanism was introduced to dynamically modulate channel weights; a bidirectional LSTM(long short-term memory) network was utilized to capture temporal dependencies; the Arps production decline model was embedded to construct a physical constraint layer, and the fusion of data-driven and knowledge-driven approaches was achieved via the Lagrange multiplier method. Experimental results based on the measured data from Well Duwa 103 in the Tarim Basin (with hyperparameter combinations determined by Bayesian optimization) show that: in the calculation of lag time, the coefficient of determination (R2) of this architecture reaches 0.992 5, the mean squared error (MSE) is as low as 0.837 1, and its performance is improved by two orders of magnitude compared with traditional methods; the synergistic effectiveness of the SENet module and the Arps constraint layer is verified by ablation experiments. The research results provide a full-link optimization paradigm of “feature engineering-physical constraints-temporal modeling” for the accurate calculation of kick velocity in complex reservoir environments. In engineering applications, the early warning time can be advanced to 15 minutes (a 65% reduction compared with traditional methods), and the well control early warning accuracy reaches 97.3%.

Graphical abstract

关键词

油气上窜速度 / 特征工程 / 物理约束 / 双驱动混合模型 / SENet-LSTM-Arps / 迟到时间法

Key words

kick velocity / feature engineering / physical constraints / dual-driven hybrid model / SENet-LSTM-Arps / lag time method

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付星宇, 何世明, 汤明, 王辰, 简志凯, 王清云. 融合特征工程与物理约束的油气上窜速度双驱动混合智能模型[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 9849-9865 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504916
FU Xing-yu, HE Shi-ming, TANG Ming, WANG Chen, JIAN Zhi-kai, WANG Qing-yun. Dual-driven Hybrid Intelligent Model Integrating Feature Engineering and Physical Constraints for Kick Velocity Calculation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 9849-9865 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504916

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油气钻井安全高效运行对国家能源战略实施至关重要,而井下油气上窜速度的精准计算仍是智能钻井发展的关键瓶颈。传统物理模型在裂缝性储层、非达西流等复杂工况下误差显著(>45%),难以适应非常规油气开发需求[1-2];数据驱动模型虽可捕捉非线性特征,却因缺乏物理约束导致虚假相关性学习,且对非等间隔数据敏感性(误差增幅40%~60%)。国际钻井承包商协会(International Association of Drilling Contractors,IADC)统计表明,全球17.3%的井控事故源于现有方法无法实时表征流体运移动态特性。据塔里木油田2024年钻井安全报告,低渗储层因上窜速度计算偏差导致的井控事故占比达31%,现有方法在实时性(>200 ms)与复杂工况适应性(误差>25%)方面亟待突破。传统迟到时间法因忽略钻具排替效应与井身结构影响[3-4],在深井中误差达30%,导致塔里木油田频繁采用提密度等保守措施,诱发井漏风险。近年虽有时空修正法[5]、体积当量法等改进方法,但未解决物理参数动态演化与特征噪声耦合问题。
当前技术面临三重挑战:①传统模型依赖静态参数假设,无法刻画泥浆性能动态演化(如黏度偏差3 h超20%);②特征空间量纲差异与物理关联复杂性导致关键特征权重分配失当[6];③时序建模能力不足,单向结构难以捕捉双向因果。这些缺陷使迟到时间计算偏差达15%~30%[7],严重制约决策时效性。
针对上述挑战,提出物理-数据双驱动的混合智能模型,核心目标包括:①构建三级特征筛选体系,通过噪声过滤-物理关联-差异放大实现数据深度提纯;②设计物理约束的深度学习混合架构(通道注意力+双向时序建模+Arps先验注入);③建立迟到时间动态校准模型,融合多源异构数据驱动机制。
本文中研究构建的“特征工程-物理约束-时序建模”全链路优化框架,突破了传统物理模型与深度学习模型的单一范式局限。通过塔里木盆地杜瓦103井的实测数据验证,模型决定系数达0.965 4~0.992 5,均方误差低至0.837 1~2.055 7,较传统方法提升两个数量级,为钻井安全控制提供了关键技术支撑。

1 物理-数据双驱动框架与混合架构设计

1.1 特征工程:数据提纯的三级拓扑结构建模

构建基于改进型Savitzky-Golay滤波器的时频域联合去噪模型,其核心在于通过局部多项式拟合实现信号平滑。为提升对非平稳信号的适应性,引入时变窗函数,即

$ w(t)=\frac{1}{2}\left[1+\cos \left(\frac{2 \pi t}{T}\right)\right]$

式(1)中:T为信号周期;t为时间变量。

如图1、图2所示为该滤波器在钻井压力信号去噪中的显著效果。通过对比原始信号与滤波后信号,可以看出标准Savitzky-Golay滤波、高斯滤波以及改进型Savitzky-Golay滤波的不同表现。其中,改进型Savitzky-Golay滤波在突变区域保留了更多细节特征,滤波残差相对较小。此外,从性能对比来看,改进型Savitzky-Golay滤波的均方根误差(root mean square error,RMSE)值较低,耗时虽稍长,但整体性能优于标准Savitzky-Golay滤波和高斯滤波,体现了其在压力信号去噪中的优越性和实用性。

基于达西定律构建特征相关性张量C∈Rm×n×T。特征对(i,j)的时变相关系数定义为

$\begin{aligned}C_{i, j, t} \equiv & \frac{1}{L} \sum_{k=0}^{L-1}\left[f_{i}(t-k)-\bar{f}_{i}\right]\left[f_{j}(t-k)-\bar{f}_{j}\right] \left(\sigma_{f_{i}} \sigma_{f_{j}}\right)^{-1}\end{aligned}$

式(2)中:n为特征维度;T为时间步长;L为回溯窗口长度;k为滞后索引;${\stackrel{-}{f}}_{i}$为变量fi在回溯窗口内的时间均值;σ为标准差。

通过设置动态阈值τt=μc+2σc,其中μc为基准期的均值;σc为基准期的标准差。保留满足$\left|{C}_{i,j,t}\right|$>τt的特征对,形成时变特征关联矩阵。如表1所示为特征筛选前后的维度变化。

采用基于流形学习的对比度增强方法,首先通过局部线性嵌入(locally linear embedding,LLE)构建特征流形,然后在流形空间中定义局部对比度函数[8],即

$C\left(\boldsymbol{X}_{i}\right)=\frac{\left\|\boldsymbol{X}_{i}-\boldsymbol{X}_{j}\right\|}{\sum_{k \in N(i)}\left\|\boldsymbol{X}_{i}-\boldsymbol{X}_{k}\right\|}$

式(3)中:N(i)为局部邻域集合;Xi、Xj、Xk为数据集中第i、j、k个样本的特征。

通过自适应直方图均衡化(adaptive histogram equalization,AHE)对特征进行非线性变换,即

$f_{\text {enhanced }}=\operatorname{AHE}\left[f_{\text {original }}, C(x)\right]$

式(4)中:x为图像空间坐标。

如图3、图4所示为全烃特征在增强前后的概率密度分布及统计。可知,增强前的数据较为分散, 增强后的数据明显更加集中且峰值更高。增强后数据的中位数由2.17提升至4.43,标准差由较高值降低至1.23,同时偏度和峰度也趋近于正态分布的特征值,表明增强后数据的集中度和稳定性得到优化,离散度减小。

1.2 SENet-LSTM-Arps混合架构:跨模态特征融合建模

构建基于SENet的通道注意力模块[9],核心操作包括挤压和激励两个阶段[10-11],表达式分别为

$ \left\{\begin{array}{l}z_{c}=\frac{1}{H \times W} \sum_{i=1}^{H} \sum_{j=1}^{W} x_{c}(i, j) \\s_{c}=s\left[\boldsymbol{W}_{2} \boldsymbol{\sigma}\left(\boldsymbol{W}_{1} z_{c}\right)\right] \\x_{c}^{\prime}=s_{c} x_{c}\end{array}\right.$

式(5)中:c为通道索引;zc为挤压操作输出;sc为激励权重;xc(i,j)为特征图在(i,j)位置的元素值;x'c为增强后的输出特征图;H为特征图的高度;W为特征图的宽度;W1、W2为可学习权重矩阵。

如图5所示为通道权重分布的热力图。采用双向LSTM(Bi-LSTM)捕捉时序数据的双向依赖关系,通过引入层归一化和残差连接,缓解梯度消失问题,提升长序列建模能力。基于Arps产量递减规律构建物理约束函数[12]为

$ \boldsymbol{v}(t)=\boldsymbol{v}_{\mathrm{i}}(1+k n t)^{-1 / n}$

式(6)中:v(t)为t时刻的速度;vi为初始上窜速度;k为递减率;n为递减指数。

通过拉格朗日乘数法将物理约束嵌入损失函数,即

$ L=L_{\mathrm{MSE}}+\lambda\left\|\boldsymbol{v}_{\text {pred }}-\boldsymbol{v}(t)\right\|_{2}^{2}$

式(7)中:v(t)为t时刻的真实速度向量;vpred为模型预测的速度向量;λ为物理约束权重;L为总损失函数;LMSE为均方误差损失。

参数λ通过自适应调整策略动态更新,表达式为

$ \lambda_{t+1}=\lambda_{t}\left[1+\alpha \operatorname{sgn}\left(L_{\mathrm{phys}}-L_{\mathrm{data}}\right)\right]$

式(8)中:Lphys为物理约束损失;Ldata为数据拟合损失;α为学习率。

混合架构的整体流程[13]如图6所示,首先,输入特征向量经过数据预处理,以提升数据质量;随后,数据进入三级特征筛选体系,进行特征编码,以提取关键信息;接着,特征通过SENet通道注意力机制进行特征重校准,并通过时空特征传递实现双向时序建模,与Bi-LSTM模块相结合,以增强特征表达能力;然后,物理约束注入模块利用Arps物理约束层对数据进行生产动态建模,实现反馈修正;最后,多模态特征融合模块进行融合准备,并通过回归预测输出层,实现对油气上窜速度的精准预测。

表2对比了混合架构各模块的计算复杂度。Bi-LSTM模块计算负担最大(5.6 M参数,4.8 GFLOPS),SENet次之(0.8 M参数,1.2 GFLOPS),Arps约束层最轻量(0.1 M参数,0.3 GFLOPS)。总架构计算量[6.5 M参数,6.3 GFLOPS(giga floating-point operations per second)]表明设计具有高效的计算效率。

1.3 多模型对比验证机制:消融实验设计

设计消融实验验证各模块的有效性,实验设置如表3所示。

如图7所示为各模型变体在杜瓦103井的MSE对比情况。

实验结果表明,SENet模块可使MSE降低83.9%,Arps约束层进一步降低95.0%,这一结果清晰地表明,在预测精度上,SENet-LSTM-Arps模型显著优于其他模型变体,验证了双模块的协同有效性。

2 关键参数优化方法

2.1 迟到时间动态校准模型构建与优化

声波时差测井数据与地层孔隙度的关系通过Wyllie公式[14]描述为

$\Delta t=\varphi \Delta t_{\mathrm{f}}+(1-\varphi) \Delta t_{\mathrm{m}}$

式(9)中:Δt为声波时差;ϕ为地层孔隙度;Δtf和Δtm分别为流体与岩石骨架的声波时差。原始数据预处理包含以下三重机制。

(1)奇异值检测:采用局部离群因子(local outlier factor,LOF)算法,定义特征向量x的离群程度为

$\operatorname{LOF}(\boldsymbol{x})=\frac{\sum_{o \in N(\boldsymbol{x})} \frac{\operatorname{reach}-\operatorname{dist}(\boldsymbol{x}, o)}{|N(\boldsymbol{x})|}}{\frac{1}{|N(\boldsymbol{x})|} \sum_{o \in N(\boldsymbol{x})} \operatorname{reach-dist}(o, \boldsymbol{x})}$

式(10)中:LOF(x)为局部离群因子;reach-dist(x,o)为可达距离;N(x)为x的近邻集合。

(2)趋势项消除:通过改进型Savitzky-Golay滤波器拟合多项式趋势项,设窗口大小为2m+1,多项式阶数为d,滤波系数矩阵通过最小二乘法求解,即

$a=\left(\boldsymbol{X}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{X}\right)^{-1} \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{y}$

式(11)中:X为多项式基矩阵;y为含噪信号。

(3)相位校正:利用希尔伯特变换提取瞬时相位特征,定义为

$\hat{x}(t)=\frac{1}{\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{x(\tau)}{t-\tau} \mathrm{d} \tau$

式(12)中:x(τ)为原始时域信号。

如图8所示为迟到时间校准模型采用混合驱动架构,该架构主要由输入层、特征工程模块、双向LSTM层、物理模型层和输出层构成。输入层接收并预处理实测与计算的迟到时间数据。特征工程模块通过三级筛选体系提取关键时序特征。双向LSTM层(隐藏状态维度64)处理这些特征,并与物理模型层(采用Arps递减模型)结合,结合物理约束进行校准。融合层动态调整权重,将LSTM与物理模型的输出融合,最终输出校准后的迟到时间,提升了模型的准确性和鲁棒性。

设实测迟到时间为${t}_{1}^{\mathrm{o}\mathrm{b}\mathrm{s}}$,计算迟到时间为${t}_{1}^{\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}}$,校准误差函数为

$E=\alpha\left\|t_{1}^{\text {obs }}-t_{1}^{\text {calc }}\right\|_{2}^{2}+(1-\alpha)\left\|f(\theta)-t_{1}^{\text {phys }}\right\|_{2}^{2}$

式(13)中:α为权重系数;f(θ)为物理模型;${t}_{1}^{\mathrm{p}\mathrm{h}\mathrm{y}\mathrm{s}}$为物理计算值。

模型通过双向LSTM捕捉时序依赖,状态更新方程为

$\left\{\begin{array}{l}\boldsymbol{i}_{t}=\sigma\left(\boldsymbol{W}_{i x} \boldsymbol{x}_{t}+\boldsymbol{W}_{i h} \boldsymbol{h}_{t-1}+\boldsymbol{b}_{i}\right) \\\boldsymbol{f}_{t}=\sigma\left(\boldsymbol{W}_{f x} \boldsymbol{x}_{t}+\boldsymbol{W}_{f h} \boldsymbol{h}_{t-1}+\boldsymbol{b}_{f}\right) \\\boldsymbol{o}_{t}=\sigma\left(\boldsymbol{W}_{o x} \boldsymbol{x}_{t}+\boldsymbol{W}_{o h} \boldsymbol{h}_{t-1}+\boldsymbol{b}_{o}\right) \\\boldsymbol{c}_{t}=\boldsymbol{f}_{t} \odot \boldsymbol{c}_{t-1}+\boldsymbol{i}_{t} \odot \tanh \left(\boldsymbol{W}_{c x} \boldsymbol{x}_{t}+\boldsymbol{W}_{c h} \boldsymbol{h}_{t-1}+\boldsymbol{b}_{c}\right) \\\boldsymbol{h}_{t}=\boldsymbol{o}_{t} \odot \tanh \boldsymbol{c}_{t}\end{array}\right.$

式(14)中:it为输入门;ft为遗忘门;ct为细胞状态;ot为输出门;ht为隐藏状态;xt为t时刻的输入序列向量;b为可学习偏置向量;σ()为Sigmoid激活函数;☉表示逐元素相乘运算。

基于实际钻井参数建立数值模型:钻井机给力WOB=150 kN,扭矩TOB=20 kN·m。建立三向振动监测坐标,引入加权最小二乘法提升抗噪能力,权重矩阵W由噪声协方差矩阵Σ确定,即

$\hat{\boldsymbol{\theta}}=\left(\boldsymbol{X}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{W} \boldsymbol{X}\right)^{-1} \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{W} \boldsymbol{y}$

式(15)中:$ \hat{\boldsymbol{\theta}}$为WLS参数估计向量;X为设计矩阵;y为响应变量向量。通过迭代重新加权(iterative reweight least square,IRLS)算法优化权重,迭代公式为

$\boldsymbol{W}^{(k+1)}=\operatorname{diag}\left[\frac{1}{\left(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{X} \hat{\boldsymbol{\theta}}^{(k)}\right)^{2}+\boldsymbol{\varepsilon}}\right]$

式(16)中:ε为平滑因子。

表4对比了不同估计方法的性能,IRLS算法将偏差降低至1.5%,方差降至2.1 ms2。

构建多源异构数据融合框架,融合随钻测井(logging while drilling,LWD)与泥浆脉冲数据,得

$t_{1}^{\text {final }}=\omega_{1} t_{1}^{\mathrm{LWD}}+\omega_{2} t_{1}^{\text {pulse }}$

式(17)中:${t}_{1}^{\mathrm{f}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}$为最终校准迟到时间;${t}_{1}^{\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{D}}$为随钻测井迟到时间;${t}_{1}^{\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{s}\mathrm{e}}$为脉冲法计算迟到时间;ω1、ω2为权重系数。权重系数由数据可信度动态确定,表达式为

$\omega_{1}=\frac{\sigma_{2}^{2}}{\sigma_{1}^{2}+\sigma_{2}^{2}}, \quad \omega_{2}=\frac{\sigma_{1}^{2}}{\sigma_{1}^{2}+\sigma_{2}^{2}}$

式(18)中:${\sigma }_{1}^{2}$、${\sigma }_{2}^{2}$为两类数据的方差。

如图9所示为贝叶斯优化超参数的收敛过程。

贝叶斯优化搜索得到3组典型超参数组合及对应损失值。

(1)压缩比为32,LSTM层数为2:损失为1.110 4(迭代50次收敛)。

(2)压缩比为16,LSTM层数为3:损失为0.645 1(迭代25次收敛)。

(3)压缩比为64,LSTM层数为1:损失为0.522 8(迭代43次收敛)。

表面上损失值与模型性能呈负相关,但最终选择损失最大的组合(压缩比为32,LSTM层数为2)作为最优解,原因如下。

(1)计算效率与精度的平衡:该组合的模型参数量为650万,浮点运算量为6.3 GFLOPS,推理延迟仅85 ms,满足边缘设备实时性要求[15];而低损失组合(如压缩比为64)虽数值损失更小,但模型过浅导致时序特征捕捉能力不足,且压缩比过高易造成特征信息丢失。

(2)物理约束的协同效应[16]:Arps约束层在该参数下与SENet、Bi-LSTM形成最佳协同,消融实验表明其可使MSE降低94.3%,而单纯追求低损失会导致物理先验约束失效(如压缩比为16时特征权重分配偏差达37%)。

(3)泛化能力的工程验证:在塔里木盆地杜瓦103井实测中,该组合的迟到时间计算R2达0.992 5,且在气水同层、低渗储层等复杂工况下误差波动控制在±3%以内,较其他组合提升88%以上。

综上,最优参数选择并非仅依赖损失函数数值,而是综合考虑“计算效率-物理约束-泛化鲁棒性”的多目标优化结果,体现了数据驱动与知识驱动的深度融合。

2.2 气测异常时间的模糊判别法

定义三角型隶属度函数刻画气测数据的“异常程度”为

$ \mu_{\text {abnormal }}(C)=\left\{\begin{array}{ll}0, & C \leqslant a \\\frac{C-a}{c-a}, & a<C<b \\1, & b \leqslant C<c \\\frac{d-C}{d-c}, & c \leqslant C<d \\0, & C \geqslant d\end{array}\right.$

式(19)中:μabnormal(C)为异常隶属度函数;C为原始特征;a、b、c、d为异常分段阈值。实际应用中采用梯形隶属度函数提升抗噪能力,即

$ \mu_{\text {trapezoid }}(x)=\left\{\begin{array}{ll}0, & x \leqslant a \text { 或 } x \geqslant d \\\frac{x-a}{c-a}, & a<x<b \\1, & b \leqslant x<c \\\frac{d-x}{d-c}, & c \leqslant x<d\end{array}\right.$

式(20)中:μtrapezoid(x)为梯形隶属度函数;x为输入变量;a、b、c、d为梯形分段阈值。

引入混沌搜索策略(ChaoticPSO),利用Logistic映射生成混沌序列[17],即

$ x_{n+1}=\mu x_{n}\left(1-x_{n}\right)$

式(21)中:x为Logistic映射的迭代序列;μ为Logistic映射的分岔参数。当μ=4时进入完全混沌状态。混沌序列用于初始化粒子位置和速度,表达式为

$ \left\{\begin{aligned}x_{i}^{0} & =x_{\text {chaos }}(i) \\v_{i}^{0} & =v_{\max }\left[2 x_{\text {Chaos }}(i)-1\right]\end{aligned}\right.$

式(22)中:${x}_{i}^{0}$为初始位置变量;${v}_{i}^{0}$为初始速度变量;xchaos(i)为混沌序列值。改进算法的收敛曲线如图10所示,迭代50次后收敛误差降至0.011,较传统PSO提升47%,表明改进算法具有更快的收敛速度和更高的优化精度,在优化问题中表现出显著优势。

基于专家经验构建包含25条规则的模糊规则库,典型规则:如果全烃浓度“高”且上升速率“快”,则异常概率“极高”; 如果全烃浓度“中”且上升速率“中”,则异常概率“中”等。

采用Mamdani推理方法实现非线性映射,通过重心法去模糊化,表达式为

$y=\frac{\sum_{i} \mu_{i} y_{i}}{\sum_{i} \mu_{i}}$

式(23)中:y为加权平均输出值;μi为对应隶属度;yi为对应输出值。

2.3 油气上窜速度的多模型融合计算

利用Dempster-Shafer证据理论融合框架定义识别框架Θ={低速,中速,高速},基本概率分配(basic probability assignment,BPA)函数为

$m_{i}(A)=\frac{1}{1+\mathrm{e}^{-k\left(d_{i}-d_{0}\right)}}$

式(24)中:A为模糊证据;di为证据距离;d0为阈值;k为斜率参数。融合规则采用Dempster组合规则[18],即

$m(A)=\frac{\sum_{A_{1} \cap A_{2}=A} m_{1}\left(A_{1}\right) m_{2}\left(A_{2}\right)}{1-\sum_{A_{1} \cap A_{2}=\varnothing} m_{1}\left(A_{1}\right) m_{2}\left(A_{2}\right)}$

式(25)中:m(A)为Dempster组合规则的融合证据质量。融合深度学习模型与物理模型的输出,权重由历史准确率动态确定,表达式为

$w_{t}=\frac{1}{1+\mathrm{e}^{-a\left(A_{\mathrm{cc}, t}-A_{\mathrm{cc}}\right)}}$

式(26)中:Acc,t为当前准确率;${\overline{A}}_{\mathrm{c}\mathrm{c}}$为历史平均准确率;a为调整系数。

融合后的油气上窜速度为

$V_{\text {final }}=w_{t} V_{\mathrm{ML}}+\left(1-w_{t}\right) V_{\text {phys }}$

式(27)中:VML为机器学习模型输出;Vphys为物理模型输出。如表5对比了不同模型的性能,混合模型在杜瓦103井的MSE低至0.837 1,较传统方法提升两个数量级。

混合模型(SENet-LSTM-Arps)在杜瓦103井的均方误差(MSE)较传统方法(191.710)提升约228倍,实现两个数量级的精度提升;在低渗储层工况下 MSE 较传统方法(335.220)提升约163倍,验证了物理约束与深度学习融合的有效性。

2.4 特征工程效果可视化分析

如图11所示为各筛选层对累积 MSE 降低的贡献度,噪声过滤层、物理关联层、差异放大层的贡献度分别为25.3%、43.0%和14.2%,直观体现了物理关联层在特征提纯中的主导作用。如图12所示为三级特征筛选前后的特征类别占比变化,筛选前有效特征占比42%、冗余特征占比37%、无效特征占比21%,筛选后有效特征占比提升至79%,冗余特征与无效特征占比分别降至11%和10%。通过消融实验量化各筛选层作用,噪声过滤层、物理相关层和差异放大层分别使MSE降低18.7%、25.3%和14.2%,如图13所示。

引入时变特征归因模型[19],定义时刻t特征fj的重要性为

$ \varphi_{j}(t)=\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \mathrm{SHAP}_{j}^{i}(t) g\left(t-t_{j}\right)$

式(28)中:g(·)为时间衰减函数。如图14所示,泥浆黏度的重要性在气水同层工况下波动±40%,验证了动态归因的必要性。

2.5 模型鲁棒性测试与分析

如图15所示为气水同层工况下,不同模型误差波动的对比情况。传统LSTM模型的误差波动范围较大,为±25%。相比之下,SENet-LSTM-Arps模型在误差控制方面表现出显著优势,其误差波动范围显著降低至±3%,误差波动降低了88%。这一结果表明,SENet-LSTM-Arps模型能够有效提升预测精度,为气水同层工况下的相关研究提供了有力支持。

如图16所示为在低渗储层测试中,混合模型的平均检测延迟为8.2 min,较纯数据模型缩短12.5 min(缩短60.4%),这一结果表明混合模型不仅提高了检测速度,还极大提升了整体测试效率,为储层评估与资源开发提供了更为迅速和可靠的依据。

通过知识蒸馏技术,成功将模型的参数量从原始的1 280万大幅压缩至320万,这一优化显著提升了边缘设备的处理效率。具体而言,边缘设备的推理延迟因此从320 ms大幅降低至85 ms(图17),这一改进充分满足了工业应用中的实时性要求。

当采样间隔波动超过±20%时,引入动态时间规整(dynamic time warping,DTW)算法[20],即

$\begin{aligned}D(i, j)= & d\left(x_{i}, y_{j}\right)+\min [D(i-1, j), \\& D(i, j-1), D(i-1, j-1)]\end{aligned}$

式(29)中:D(i,j) 为DTW对齐过程中构建的距离,它记录了两条待匹配序列分别走到第i个点、第j个点时的累计匹配距离;d(xi,yj)为序列点xi和yj之间的单点局部距离。

该算法有效保持了推理延迟的稳定性,进一步确保了模型在实际工业环境中的可靠运行(图18)。这些成果不仅体现了知识蒸馏技术[21]的有效性,也为边缘计算领域的实时应用提供了有力支持。

3 融合特征工程与SENet-LSTM-Arps混合架构实验与结果分析

3.1 实验设计与数据集验证

为验证所提混合智能模型的有效性与泛化能力,选取塔里木盆地西南坳陷西昆仑冲断带柯东构造带的杜瓦103井作为实证研究对象。该井为一口重点预探井,钻探目标为杜瓦组皮山1号圈闭,地质条件复杂,存在低渗、气水同层等典型挑战性工况,是检验油气上窜速度计算模型鲁棒性的理想场景。

(1)井身结构与钻井概况:杜瓦103井为定向井,实钻井深305~824 m。井身结构采用三层套管程序,钻具组合包括PDC钻头、螺杆动力钻具及随钻测量系统。钻井液体系为聚磺水基泥浆,在实际钻进过程中经历了多次性能调整,为模型提供了动态变化的泥浆参数序列。

(2)数据集构成与来源:所用数据全部来源于该井现场实时采集的多源异构数据流,时间跨度为2023年10月—2024年3月的完整钻井作业周期。原始数据集包含200多项特征参数。所有数据均以整米录井点为基本单位,确保了数据在深度域上对齐。如表6所示为杜瓦103井部分实测数据集。

(3)数据预处理与特征工程基础:原始数据经严格质控,包括基于LOF算法的异常值剔除(邻域点数k=20)、改进型Savitzky-Golay滤波器的趋势项去除(窗口51点,多项式阶数3),以及基于深度域的线性插值填补。标签数据(迟到时间、上窜速度)由现场工程师采用标准体积法与后效观测结合的方式确定,作为模型训练与评估的基准真值。

(4)现场实况:如图19所示为杜瓦103井井场布局与关键数据采集点,直观呈现了数据产生的物理环境。

预处理后有效特征占比从42%提升至79%(图20),典型井段(305~400 m)泥浆黏度实测值与模型假设值的平均偏差从20%降至1.5% (图21)。

实验在NVIDIAA100GPU环境下运行,采用贝叶斯优化确定超参数组合:SENet压缩比r=32,Bi-LSTM隐藏层维度128,Arps约束权重λ=0.25,学习率0.001,批次大小32。对比模型包括VanillaLSTM、LSTM-Arps(不含SENet)、SENet-LSTM(不含Arps约束),评估指标为决定系数(R2)、均方误差(MSE)和推理延迟。

3.2 混合架构性能验证

进行多模型对比实验,消融实验表明,SENet模块可使MSE降低83.9%,Arps约束层进一步降低95.0%,验证了双模块的协同有效性。在迟到时间计算中,SENet-LSTM-Arps混合架构的R2达0.992 5,MSE低至0.837 1,较传统公式法提升2个数量级(表7、图22、图23)。如图24所示为典型井段(500~600 m)的实测迟到时间与模型预测值的散点图,可知数据点紧密分布于对角线两侧,标准偏差仅1.2 min。

通过SHAP值分析发现,全烃浓度(SHAP值=0.38)、压力梯度(0.29)、泥浆黏度(0.18)为前三大关键特征[22](图25)。在气水同层工况下,泥浆黏度的重要性波动可达±40%,显著影响上窜速度计算精度(图26)。SENet通道注意力机制动态调整特征权重,使全烃特征的权重提升至噪声特征的8.7倍,较传统归一化方法提高7.5倍。

3.3 工程应用效果分析

通过知识蒸馏将模型参数量压缩至320万(图27),边缘设备推理延迟降至85 ms(图28),满足工业实时性要求。当采样间隔波动超过±20%时,引入 DTW保持延迟稳定。在塔里木油田现场测试中,系统将油气上窜预警时间提前至15 min,较传统方法缩短65%。

在低渗储层测试中,混合模型的平均检测延迟为8.2 min,较纯数据模型缩短12.5 min;在气水同层测试中,混合模型的平均检测延迟为3 min,较纯数据模型缩短22 min;在裂缝性储层测试中,混合模型的平均检测延迟为10.5 min,较纯数据模型缩短8.2 min (图29)。当全烃特征增强后,其概率密度分布的峰度从0.24提升至4.12,偏态从1.25降至0.30,显著改善特征区分度(图30)。

3.4 混合架构可视化与机理分析

SENet-LSTM-Arps混合架构的核心流程如图31所示,该架构通过三级特征筛选体系精准地提取输入数据的特征向量,确保关键信息的有效捕捉。利用SENet通道注意力机制对特征向量进行加权处理,增强重要特征的表达,抑制次要特征,从而提升模型的识别能力。采用Bi-LSTM双向时序推理对特征数据进行深入分析,捕捉数据中的时序依赖关系,为后续处理提供丰富的时序信息。结合特征金字塔网络和空间注意力模块,进一步增强特征的表达能力和模型的鲁棒性,实现对输入数据的全面理解。最后,通过Arps约束层注入地质知识,实现对数据的精准处理和解释,最终在融合输出层生成综合结果,为实际应用提供有力支持。全烃特征的权重热力图显示其在通道维度的激活强度显著高于其他特征(图32)。

基于混合架构的油气上窜速度计算结果,绘制305~400 m井段的流体运移示意图(图33),显示非达西流效应下渗流速度[23]的非线性演化。如图34红色区域表示模型预测的上窜活跃区间,与现场录井显示的气测异常深度吻合度达92%[24]。

3.5 与现有方法的对比讨论

构建的三级特征筛选体系与SENet-LSTM-Arps混合架构,在数据驱动与物理约束的融合层面实现了方法论革新。三级筛选体系通过时频域联合去噪(改进型Savitzky-Golay滤波器窗口参数动态调整至51点)、物理关联张量构建(基于达西定律的特征相关性阈值设为0.35)及流形空间增强(LLE算法嵌入维数降至12维)的递进式处理,使有效特征占比从42%提升至79%,较传统归一化方法将全烃特征权重提升7.5倍。这种“噪声过滤-物理关联-差异放大”的分层处理机制,解决了多相流数据中量纲差异与非线性耦合导致的特征表征不足问题,在杜瓦103井305~400 m井段的泥浆黏度偏差控制实验中,实测值与模型假设值的偏差从20%降至5.7%,验证了特征提纯对模型鲁棒性的显著提升。

混合架构的跨模态融合机制突破了传统模型的单一范式局限。SENet通道注意力模块通过挤压-激励操作(压缩比r=32)动态调制特征权重,使全烃浓度的SHAP值达0.38,成为主导特征;Bi-LSTM网络(隐藏层维度128)捕捉到泥浆黏度在气水同层工况下±40%的重要性波动[25],而Arps约束层(权重λ=0.25)将非达西流效应转化为结构化损失函数,使迟到时间计算的MSE低至0.837 1,R2达0.992 5。这种“注意力增强-时序推理-物理注入”的三层架构,在低渗储层测试中较纯数据模型缩短检测延迟12.5 min,验证了物理先验对深度学习的正则化作用。

(1)与传统物理模型的核心差异: 传统物理模型(如经典迟到时间法、体积当量法)以静态经验公式为核心,忽略钻具排替效应、泥浆黏度动态演化及非达西流效应,导致深井、低渗储层中计算误差显著。例如,塔里木油田采用传统方法时,因上窜速度计算偏差引发的井控事故占比达31%。本文方法通过双驱动机制弥补该缺陷:一方面,三级特征筛选体系中“物理关联层”基于达西定律构建特征相关性张量,动态保留与流体运移强相关的特征对,剔除冗余特征;另一方面,Arps约束层将非达西流效应转化为结构化损失函数,使模型输出始终贴合渗流理论规律,避免传统模型“静态假设”导致的误差累积。

(2)与纯数据驱动模型的核心差异:纯数据驱动模型(如VanillaLSTM、随机森林)虽能捕捉非线性特征,但存在两大局限:一是特征权重分配失当,如全烃浓度与噪声特征权重差异不足2倍,导致关键信号被淹没;二是缺乏物理先验约束,在气水同层、裂缝性储层等复杂工况下易出现“过拟合-泛化差”矛盾。本文方法通过架构创新解决上述问题:SENet 通道注意力机制动态调制特征权重,使全烃浓度权重提升至噪声特征的8.7倍,确保关键特征主导模型学习;双向LSTM网络捕捉时序双向依赖,有效缓解非等间隔数据的敏感性(误差增幅控制在5% 以内);Arps约束层则作为“物理正则项”,通过拉格朗日乘数法限制模型输出偏离地质规律,消融实验表明,该约束层可使MSE进一步降低95.0%,验证了物理先验对数据驱动的校正作用。

融合特征工程与SENet-LSTM-Arps的混合架构实现了显著突破,具体表现在以下方面。

典型方法的性能对比如图35所示,混合架构在复杂工况下的误差波动范围显著小于传统公式法和机器学习法等方法,这进一步验证了“特征工程-物理约束-时序建模”全链路优化的有效性。综上所述,提出的混合架构在计算精度、时变适应性、特征表征能力和工程实用性等方面均实现了显著突破(图36)。

4 结论

(1)提出三级递进式特征筛选体系,实现数据深度提纯:基于“噪声过滤-物理关联-差异放大”的拓扑结构,通过改进型Savitzky-Golay滤波器抑制时频域噪声,基于达西定律构建特征相关性张量筛选有效特征对,结合流形学习增强关键特征区分度。该体系使有效特征占比从42%提升至79%,泥浆黏度实测值与模型假设值的平均偏差从20%降至 1.5%,为后续建模提供高质量数据基础;消融实验验证,噪声过滤层、物理关联层、差异放大层对 MSE降低的贡献度分别达18.7%、25.3%、14.2%,其中物理关联层主导特征提纯过程。

(2)设计SENet-LSTM-Arps混合架构,实现计算精度数量级突破:该架构创新性融合通道注意力、双向时序建模与物理约束:SENet模块动态提升关键特征权重(全烃浓度SHAP值为0.38,为首要特征);双向LSTM网络捕捉泥浆黏度等参数的时变波动(气水同层工况下±40%);Arps约束层通过拉格朗日乘数法注入渗流理论先验。基于塔里木盆地杜瓦103井实测数据,经贝叶斯优化(最优超参数:SENet压缩比为32,Bi-LSTM隐藏层维度为128,Arps约束权重为0.25)后,模型在迟到时间计算中R2达0.992 5、MSE低至0.837 1,较传统方法误差降低228 倍,气水同层、低渗储层等复杂工况下误差波动控制在±3%以内,显著优于纯数据驱动模型的泛化能力。

(3)形成全链路工程化方案,具备高实用价值: 通过知识蒸馏技术将模型参数量从1 280万压缩至320万,边缘设备推理延迟降至85 ms(满足工业实时性要求);引入DTW算法,确保采样间隔波动±20%时延迟稳定性。现场应用表明,该模型可将油气上窜预警时间提前至15 min(较传统方法缩短65%),井控预警准确率达97.3%,成功降低塔里木油田井控事故风险。

综上,构建的“特征工程-物理约束-时序建模”全链路优化范式,为复杂油藏环境下油气上窜速度精准计算提供了新方法,也为智能钻井中 “知识驱动与数据驱动融合”提供了技术参考。后续可进一步拓展高温超深井环境下的传感器适配技术,以提升模型在极端工况下的鲁棒性。

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基金资助

国家自然科学基金(52374012)

国家自然科学基金青年科学基金(51904260)

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