深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與動態(tài)預(yù)處理
——以遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程為例

甘 超，曹衛(wèi)華*，王魯朝，吳 敏

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.復(fù)雜系統(tǒng)先進(jìn)控制與智能自動化湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.地球探測智能化技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074；4.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264000）

0 引言

深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程中遇到的地層層位多、壓力體系復(fù)雜，具有高地溫、高地應(yīng)力、高陡構(gòu)造和鉆進(jìn)擾動的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境［1-5］。受地層環(huán)境、鉆進(jìn)工藝、傳感元件等多種因素綜合影響，在深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程中采集的各類數(shù)據(jù)常具有尖峰和毛刺等噪聲［6-9］、數(shù)據(jù)價值密度低，給進(jìn)一步分析和利用數(shù)據(jù)提升深部地質(zhì)鉆探的安全性和效率帶來較大困難。因此，深入地分析與預(yù)處理深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程的流式大數(shù)據(jù)對提升數(shù)據(jù)質(zhì)量、實現(xiàn)安全高效深部鉆探具有重要的科學(xué)與工程意義。

通常，分析與預(yù)處理深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)的方法可以分為2 類。一類是將過程數(shù)據(jù)收集齊后再統(tǒng)一分析與預(yù)處理的靜態(tài)法；另一類則是在鉆進(jìn)過程中“邊鉆邊分析與預(yù)處理”的動態(tài)法。本文主要基于后一類方法開展研究。

許多學(xué)者運用靜態(tài)法對鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)展開了大量研究［10-13］，在分析數(shù)據(jù)分布特征、去除數(shù)據(jù)噪聲等方面取得一定成效。作者［8］整理了湖北省神農(nóng)架林區(qū)某口地?zé)峋你@進(jìn)過程數(shù)據(jù)，首先通過頻譜分析和互信息分析方法，確定了數(shù)據(jù)存在尖峰與毛刺、以及高低頻噪聲并存等特點；然后使用小波濾波方法有效提升了鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)質(zhì)量。伊朗阿米爾卡比爾理工大學(xué)Ashrafi 等［10］收集了伊朗西南部馬倫油田一口直井的1000 組鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)，并采用Savitzky Golay（SG）濾波方法有效降低數(shù)據(jù)噪聲。此外，成都理工大學(xué)李謙等［13］對中國南海10 口井的鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理，通過數(shù)據(jù)清洗、缺失值補充、錯誤值刪除等方法，確定了20000 多組有效的鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)。這類方法是對鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)開展的鉆后分析與處理，雖然能夠為分析數(shù)據(jù)分布和去除數(shù)據(jù)噪聲提供參考，但是無法直接運用于鉆中對動態(tài)流式大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

為克服靜態(tài)法在處理動態(tài)流式鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)時的不足，部分學(xué)者開展了動態(tài)法的研究，并應(yīng)用于實際鉆進(jìn)過程。范海鵬等［2］綜合運用限幅濾波和滑動窗口策略，有效去除了鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)中的離群值，為后續(xù)開展鉆進(jìn)過程的建模與優(yōu)化控制研究奠定了良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量基礎(chǔ)，工程應(yīng)用結(jié)果證明了所提方法的有效性。韓國科學(xué)技術(shù)聯(lián)合大學(xué)院大學(xué)DIAZ等［14］采集了一口4000 m 地?zé)峋@進(jìn)過程數(shù)據(jù)并模擬在線鉆進(jìn)過程，先后運用快速傅里葉變換和滑動窗口策略實現(xiàn)了鉆速等鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)的在線預(yù)處理。動態(tài)法常將各類濾波方法與滑動窗口策略等流式大數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合，從而實現(xiàn)鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)的分析與預(yù)處理。但是深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程地層情況復(fù)雜，過程數(shù)據(jù)噪聲大，如何有效地分析與預(yù)處理深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)仍是亟待解決的難題。

針對上述難點，本文提出了一種深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與動態(tài)預(yù)處理方法，優(yōu)勢之處在于：

（1）針對深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)突變明顯、高低頻噪聲并存等特點，綜合運用限幅濾波、滑動窗口策略、SG 濾波方法，有效去除了鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)中存在的尖峰與毛刺；

（2）相比其他鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)分析與靜態(tài)處理方法，本文方法運算速度快、能在線運行，滿足實際工程需要；

（3）本文方法極大地提高了深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)質(zhì)量，為進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)實現(xiàn)深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程建模與優(yōu)化控制奠定了重要基礎(chǔ)。

1 深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理框架

深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理框架如圖1 所示?？蚣馨? 層，分別是基礎(chǔ)自動化層和深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理層。2 層結(jié)構(gòu)可以各自完成相應(yīng)功能，并實現(xiàn)雙向通訊。

圖1 深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理框架Fig.1 Framework of streaming big data analysis and pre-processing in deep geological drilling process

基礎(chǔ)自動化層主要完成回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、進(jìn)給控制系統(tǒng)和循環(huán)控制系統(tǒng)等的過程參數(shù)采集和變頻控制，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、起下鉆等基本功能。深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理層是在已有基礎(chǔ)自動化層的基礎(chǔ)之上開發(fā)的一套軟硬件系統(tǒng)（圖2），它是由中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(xué)院研究團隊開發(fā)的復(fù)雜地質(zhì)鉆進(jìn)過程智能控制系統(tǒng)的一套子系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件指深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理軟件，首先通過限幅濾波去除掉鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)中的離群值，接著采用滑動窗口策略將過程數(shù)據(jù)裝載入動態(tài)滑動的窗口，然后對窗口中的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行SG 濾波處理，最終實現(xiàn)了深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)的分析與動態(tài)預(yù)處理。系統(tǒng)硬件主要包括：工業(yè)控制計算機（工控機）、觸摸屏、專用通訊接口和線纜；工控機及其搭載的深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理軟件放置在電控房內(nèi)，它通過用于過程控制的對象鏈接和嵌入OPC（OLE for Process Control）協(xié)議與基礎(chǔ)自動化層的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進(jìn)行通訊，獲取鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)并將經(jīng)過分析與預(yù)處理后，再進(jìn)一步將計算得到的最優(yōu)鉆進(jìn)操作參數(shù)下發(fā)給基礎(chǔ)自動化層進(jìn)行跟蹤控制。司鉆房中的觸摸屏與電控房中的工控機相連，主要用于顯示處理前后的鉆進(jìn)過程參數(shù)和最優(yōu)鉆進(jìn)操作參數(shù)供司鉆人員參考，且具有最優(yōu)鉆進(jìn)操作參數(shù)設(shè)定的功能。

圖2 深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理系統(tǒng)與工程現(xiàn)場情況Fig.2 System of streaming big data analysis and pre-processing in deep geological drilling process,and drilling site situation

2 深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理方法

基于圖1 的框架結(jié)構(gòu)，深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理方法包括3 部分內(nèi)容。

2.1 限幅濾波

深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程采集的數(shù)據(jù)受地層、工藝、傳感器等多因素影響，存在大量離群值。如果不能有效處理這些離群值，則不利于后續(xù)開展鉆進(jìn)過程建模與優(yōu)化控制研究。通常，在實際工程中一般會結(jié)合過程數(shù)據(jù)分布特征、司鉆/機長人工操作經(jīng)驗來確定限幅濾波閾值。

2.2 滑動窗口

在深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程中會采集鉆壓、鉤載、鉆速、轉(zhuǎn)速、扭矩等核心參數(shù)，這些參數(shù)的采樣頻率一般是1 Hz。以一口3000 m 的深部地質(zhì)鉆探工程來看，工程周期往往長達(dá)數(shù)月甚至超過1 年，在這過程中會采集上千萬組的鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)。如果采用傳統(tǒng)靜態(tài)法或動態(tài)累積式方法進(jìn)行分析與預(yù)處理，會使得計算時間隨著數(shù)據(jù)的積累越來越長，不適用于對實時采集的流式大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)處理。采用滑動窗口策略則可以將采集的過程數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)窗口，在窗口中對有限的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，加快處理速度適應(yīng)實時計算需求，并通過窗口滑動的形式實現(xiàn)動態(tài)流式大數(shù)據(jù)的迭代計算?；瑒哟翱诓呗灾谢瑒哟翱趯挾群突瑒泳嚯x對處理效果有一定影響，需要具體分析后確定。

2.3 SG 濾波

SG 濾 波［15］是1964 年 由Savitzky 和Golay 提 出的時域內(nèi)基于多項式最小二乘擬合的濾波方法，該方法可以提高數(shù)據(jù)平滑性、降低數(shù)據(jù)噪聲的干擾。SG 濾波中有2 個核心參數(shù)，影響著濾波的效果，分別是多項式的階數(shù)與滑動窗口的寬度。多項式階數(shù)越大時，擬合精度越高，但是泛化性能越低，反之亦然；滑動窗口寬度越小時，濾波前后數(shù)據(jù)相差的數(shù)值越小，反之亦然。

上述方法中限幅濾波閾值、滑動窗口寬度、滑動距離、多項式階數(shù)等核心參數(shù)的合理選擇，直接關(guān)系到深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理方法的表現(xiàn)。因此，需要開展仿真實驗，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并確定上述核心參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上再開展工程應(yīng)用實踐。

3 仿真實驗與工程應(yīng)用情況

首先采集來自遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程的鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)，開展仿真實驗分析，確定第2 章中相關(guān)方法的核心參數(shù)；然后再將本文方法應(yīng)用于遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程（圖2），具體情況如下。

3.1 仿真實驗

本節(jié)選取從遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程采集得到的80 萬組五維（鉆壓、鉤載、鉆速、轉(zhuǎn)速、扭矩）鉆進(jìn)過程原始數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實驗。部分原始數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計如表1所示。

表1 遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程部分原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Some raw data of 3000m scientific drilling project in Dandong,Liaoning province

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)分析可知，深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)存在大量離群值，運用核密度估計法對上述數(shù)據(jù)的分布情況進(jìn)行計算，得到如圖3 所示的遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程部分原始數(shù)據(jù)概率密度估計?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)呈非高斯分布，數(shù)據(jù)分布離散，對應(yīng)的數(shù)據(jù)概率密度估計值低。

圖3 遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程部分原始數(shù)據(jù)概率密度估計Fig.3 Density estimation of some raw data of 3000m scientific drilling project in Dandong,Liaoning province

運用本文方法對圖3 中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合過程數(shù)據(jù)分布特征、司鉆/機長人工操作經(jīng)驗以及試湊法得到本文方法中的核心參數(shù)取值，獲得處理后的遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程部分?jǐn)?shù)據(jù)概率密度統(tǒng)計如圖4 所示?？梢悦黠@看出，經(jīng)過本文方法分析與預(yù)處理后的過程數(shù)據(jù)分布更加集中，去除了數(shù)據(jù)中存在的尖峰和毛刺，處理后數(shù)據(jù)的概率密度估計值相比原始數(shù)據(jù)要大許多，且近似符合高斯分布，提升了深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)質(zhì)量，為本文方法的工程應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

圖4 遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程部分處理后數(shù)據(jù)概率密度估計Fig.4 Density estimation of pre-processed data of 3000m scientific drilling project in Dandong,Liaoning province

3.2 工程應(yīng)用

當(dāng)深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與動態(tài)預(yù)處理系統(tǒng)在現(xiàn)場穩(wěn)定運行一段時間，并征得領(lǐng)導(dǎo)專家和現(xiàn)場工程技術(shù)人員的同意后，我們自2021年10 月9 日起對系統(tǒng)進(jìn)行了工程應(yīng)用（圖2），并已在遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程現(xiàn)場穩(wěn)定工作超半年時間。

將本文方法與限幅濾波結(jié)合滑動窗口的方法對比，得到如圖5 所示的部分工程應(yīng)用結(jié)果。圖5 是某一時刻數(shù)據(jù)窗口中濾波效果的對比，可以分析得知本文方法進(jìn)一步去除了深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)的噪聲，提升了過程數(shù)據(jù)質(zhì)量。特別的是，本文方法在對相對變化幅度較大的鉆速和扭矩的處理方面，表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

圖5 部分工程應(yīng)用結(jié)果Fig.5 Some results of industrial application

鉆速作為表征鉆進(jìn)過程效率的關(guān)鍵指標(biāo)，由于受到地層條件、鉆進(jìn)工藝等不同因素影響，它在工程應(yīng)用井段具體表現(xiàn)為在0～4 cm/min 之間跳變，如果不能很好地對鉆速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)處理，將不利于高精度預(yù)測鉆速進(jìn)而實現(xiàn)鉆速優(yōu)化［7-8］。在圖5中的鉆速子圖里，紅色曲線是運用本文所提方法的工程應(yīng)用結(jié)果，可以看出所提方法有效地去除了鉆速數(shù)據(jù)中的尖峰與毛刺。此外，扭矩是鉆進(jìn)過程的另一個核心參數(shù)，主要反映過程的安全性。它在工程應(yīng)用井段具體表現(xiàn)為在500～2000 N·m 之間變化。通過圖5 扭矩子圖的紅色曲線，可以看出本文所提方法能夠很好地抑制扭矩數(shù)據(jù)的異常突變。工程應(yīng)用結(jié)果表明，本文所提方法有效提升了深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程數(shù)據(jù)的價值密度。

4 結(jié)論

針對深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程地層條件復(fù)雜、數(shù)據(jù)價值密度低，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理方法難以在保證噪聲濾波效果的同時兼顧實時計算速度的問題。本文提出了一種深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與動態(tài)預(yù)處理方法，并成功應(yīng)用于遼寧丹東3000 m 科學(xué)鉆探工程。本文方法能夠在線處理深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)中的尖峰與毛刺。方法的工程適用性和有效性在仿真實驗和工程應(yīng)用中都得到了驗證。

將來，深部地質(zhì)鉆探鉆進(jìn)過程流式大數(shù)據(jù)分析與動態(tài)預(yù)處理方法會在工程實踐中不斷更新與完善。