基于ε—SVR的鉆柱延伸能力預(yù)測(cè)技術(shù)研究

李井輝 孫麗娜 申靜波 鄒龍朱

摘 要：鉆柱的極限延伸能力是鉆井設(shè)計(jì)和施工中易于忽視的關(guān)鍵參數(shù)，影響鉆柱延伸能力的因素較多且相互關(guān)系復(fù)雜，而眾多的影響因素與鉆柱的延伸極限之間存在著某種非線性聯(lián)系。以指定工況下鉆柱能夠繼續(xù)鉆進(jìn)的約束條件及其對(duì)下入極限深度的影響分析為基礎(chǔ)，充分利用ε-SVR在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問(wèn)題中的特有優(yōu)勢(shì)挖掘鉆柱延伸能力與其不易覺(jué)察的影響變量之間的相互關(guān)系，通過(guò)精確確定回歸參數(shù)獲得了鉆柱延伸能力及其影響因素之間的隱含關(guān)系預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可利用該預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)鉆柱極限延伸長(zhǎng)度的快速預(yù)測(cè)，同時(shí)為鉆柱延伸能力的預(yù)測(cè)提供了一種新的解決方案。

關(guān)鍵詞：鉆柱力學(xué)；延伸能力；支持向量機(jī)；ε-SVR

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The drillstring extension capability is the key parameter that is easy to ignore in the drilling design and construction，there are many factors influencing the drillstring extension capability and the relationship between the influence factors，furthermore the relationship between the extension capability limit and its influence factors is nonlinear.Based on the analysis on the constraints condition to drillstring drilling and its influence on the running depth，the implied prediction model existing between the drillstring extension capability and its influencing factors is obtained by determining the regression parameters accurately，which makes full use of ε-SVR advantages in solving the small sample，nonlinear and high dimensional pattern recognition problems to dig hard for the interplay between the extension capability and its imperceptible influence variables.The experimental results show that the prediction model can be used to realize the fast prediction of the drill string extension length，and provides a new solution for the drillstirng extension capability prediction.

Key words： drillstring mechanics；extension capability；support vector machine；ε-SVR

1 引 言

鉆柱的極限延伸能力是鉆井設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵參數(shù)，延伸能力的計(jì)算和預(yù)測(cè)是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，目前的研究并不多見(jiàn)。李鑫和高德利[1]從水力學(xué)的角度出發(fā)，提出了大位移井水力延伸極限的概念，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析，給出了計(jì)算公式及步驟，分析了地層因素、泵能力、環(huán)空壓耗和巖屑床高度對(duì)大位移井水力延伸極限的影響規(guī)律，為大位移井極限長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)、合理進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以及減少鉆井風(fēng)險(xiǎn)提供了理論指導(dǎo)。劉玉明，張波，史玉才，尤小榮.等[2]從鉆井液排量、機(jī)械速度、鉆桿鉆速、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井工況和鉆井液密度等因素入手，分析各類因素與延伸能力之間的關(guān)系。羅偉，付建紅等人[3]從鉆柱的摩阻扭矩、強(qiáng)度要求等方面對(duì)大位移井的鉆井極限延伸能力進(jìn)行了分析，探討井身剖面、井眼幾何特性、井眼凈化、鉆柱結(jié)構(gòu)、鉆井液性能、巖石的可鉆性等對(duì)鉆柱的水平延伸的影響。李慶明[4]鉆柱屈曲、摩阻扭矩等角度預(yù)測(cè)鉆柱極限延伸，建立大位移井鉆井延伸極限預(yù)測(cè)模型，給出計(jì)算方法，并對(duì)大位移井延伸極限的影響因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

綜合現(xiàn)有資料，可以看出影響鉆柱延伸能力的因素包括工程技術(shù)、地質(zhì)條件等多方面因素的影響和限制且相互關(guān)系復(fù)雜，考慮上述因素則需進(jìn)行更多的綜合分析，給鉆井延伸極限的預(yù)測(cè)帶來(lái)很大的困難[5-6]。在前人研究的基礎(chǔ)上，分析在給定的井眼軌跡、鉆具組合和地質(zhì)參數(shù)情況下影響鉆柱延伸能力的主要因素，利用鉆柱力學(xué)分析結(jié)果數(shù)據(jù)，引入預(yù)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的ε-SVR（ε-Support Vector Regression）方法對(duì)鉆柱所能鉆達(dá)的最大可鉆深度進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，ε-SVR在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問(wèn)題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)，在過(guò)學(xué)習(xí)、易陷入最小值等問(wèn)題上均有較大改善[7-8]。因此，該方法可充分利用支持向量機(jī)在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問(wèn)題中的特有優(yōu)勢(shì)，能夠充分考慮研究問(wèn)題的多因素的綜合影響，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)其最佳擬合與預(yù)測(cè)。

2 ε-支持向量回歸機(jī)

支持向量機(jī)是以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的具有分類和回歸功能的學(xué)習(xí)算法，在解決小樣本、適應(yīng)性、泛化性能等問(wèn)題方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性[9]。支持向量回歸機(jī)（SVR）是支持向量分類機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，用于求解回歸問(wèn)題。回歸是求解已知樣本中隱含的自變量與因變量之間函數(shù)關(guān)系，并根據(jù)該函數(shù)關(guān)系對(duì)未知樣本進(jìn)行預(yù)