本發(fā)明涉及油氣開發(fā)，具體涉及一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著石油天然氣勘探與開發(fā)領(lǐng)域的不斷深入，深井及超深井的數(shù)量顯著增加，這也導(dǎo)致了井筒內(nèi)部溫度的急劇攀升，對(duì)井下精密儀器的工作穩(wěn)定性、流體性能穩(wěn)定性以及井壁穩(wěn)定性形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了確保深層油氣資源的高效與安全開發(fā)，多家油田企業(yè)采納了冷卻鉆井液循環(huán)降溫技術(shù)，旨在有效緩解井筒循環(huán)過(guò)程中的高溫問(wèn)題。

2、井筒溫度受多因素影響，準(zhǔn)確度較高的井筒溫度計(jì)算模型為數(shù)值解方法，該方法基于能量守恒原理，建立井筒-地層各控制區(qū)域的溫度計(jì)算模型，然后應(yīng)用隱式有限差分法求解，井筒獲得井筒溫度分布情況?；谠摲椒梢苑治龈髅舾幸蛩貙?duì)井筒溫度的影響，包括鉆井液密度、流變參數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、施工排量、鉆壓、轉(zhuǎn)速等。目前，單因素分析方法僅獲得各因素對(duì)井筒溫度影響程度，而井筒溫度同時(shí)受多因素共同作用，當(dāng)各參數(shù)取值最優(yōu)時(shí)可以使得溫度模型計(jì)算結(jié)果最低，應(yīng)用該優(yōu)化參數(shù)可以消除未鉆井或者周圍擬新井在鉆井過(guò)程中面臨的高溫問(wèn)題，進(jìn)而可以控制井下溫度，以達(dá)到降低井下溫度的目的。

3、同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠處理大量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，并自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在規(guī)律和模式。將已鉆井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，對(duì)各數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，進(jìn)而可以推薦最佳降溫的施工參數(shù)，以推薦參數(shù)為基準(zhǔn)，將其應(yīng)用到數(shù)學(xué)模型中，可以快速獲得未鉆井深或周圍帶鉆新井的井筒最低溫度，為此井筒降溫技術(shù)措施順利實(shí)施提供關(guān)鍵方法措施。

4、因此，有必要開發(fā)一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒溫度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和有效優(yōu)化降溫，從而提高開采作業(yè)的安全性和效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此為了克服現(xiàn)有數(shù)值模型多用于對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)降溫，本發(fā)明提出了一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多口井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，訓(xùn)練井筒溫度預(yù)測(cè)模型，基于此預(yù)測(cè)模型，采用優(yōu)化算法對(duì)多個(gè)參數(shù)推優(yōu)，旨在實(shí)現(xiàn)井筒溫度的降低。再將通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化推薦的參數(shù)，結(jié)合所建立的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為井筒降溫提供了新的方法。

2、為解決上述至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)值模型融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

4、步驟s1：基于能量守恒原理，結(jié)合井筒-地層各控制區(qū)域傳熱機(jī)理，考慮流體循環(huán)摩阻生熱及復(fù)雜熱源項(xiàng)對(duì)井筒溫度的影響，建立井筒-地層瞬態(tài)傳熱模型；

5、步驟s2：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)井組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取相關(guān)參數(shù)組成的初始數(shù)據(jù)集；

6、步驟s3：對(duì)初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理；

7、步驟s4：利用隨機(jī)森林算法訓(xùn)練井筒溫度預(yù)測(cè)模型，之后采用遺傳算法優(yōu)化隨機(jī)森林算法的超參數(shù)；

8、步驟s5：利用退火算法對(duì)算法進(jìn)行全局優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的井筒溫度；

9、步驟s6：利用井筒-地層瞬態(tài)傳熱模型結(jié)合優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算井筒溫度；

10、步驟s7：利用步驟s5中優(yōu)化后的井筒溫度與步驟s6中計(jì)算得到的井筒溫度進(jìn)行比較驗(yàn)證，若通過(guò)驗(yàn)證則保留優(yōu)化后的井筒溫度用于指導(dǎo)井筒溫度控制，若不通過(guò)驗(yàn)證則調(diào)整井筒-地層瞬態(tài)傳熱模型中的井筒流體循環(huán)摩阻壓降并重新驗(yàn)證，直至驗(yàn)證通過(guò)；

11、井筒-地層瞬態(tài)傳熱模型中，鉆井液排量的具體公式如下式所示：

12、

13、式中：

14、d2為環(huán)空外徑、d1為環(huán)空內(nèi)徑，mm；k為稠度系數(shù)；m為流性指數(shù)；w為流體域的寬度，m；τw為壁面剪切應(yīng)力，pa，τy為屈服應(yīng)力，pa；

15、轉(zhuǎn)速和鉆壓產(chǎn)生熱量的具體公式如下式所示：

16、

17、式中：sd為鉆頭破巖產(chǎn)生的熱量，j；ξ＝2.5939，為修正因子；f為鉆頭與地層之間的摩擦系數(shù)；w為鉆壓，n；r為轉(zhuǎn)速，rpm；d為鉆頭外徑，m；d為鉆頭內(nèi)徑，m；

18、井筒-地層溫度傳熱模型的具體公式如下式所示：

19、

20、式中t為溫度，℃；ρ為流體密度,kg/m3；c為流體比熱容，j/(kg·℃)；k為流體熱導(dǎo)率,w/(m·℃)；t為時(shí)間，s；s為復(fù)雜熱源項(xiàng)；r、z分別表示徑向與軸向方向；v為流速，m/s。

21、針對(duì)環(huán)空傳熱模型，使用全隱式有限差分法進(jìn)行離散后的線性方程表示如下式所示：

22、

23、式中，rpo為鉆柱內(nèi)半徑，m；hpo為鉆柱外壁對(duì)流換熱系數(shù)，w/(m2·℃)；ρm為鉆井液密度，kg/m3；q為排量，m3/s；cm為鉆井液比熱容；j/(kg·℃)；hw為井壁對(duì)流換熱系數(shù)，w/(m2·℃)；rw為井壁半徑，m；j為井深節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)；tn+1p,j為井深j處，時(shí)間為n+1處鉆柱壁溫度，℃；tn+1a,j為井深j處，時(shí)間為n+1處環(huán)空溫度，℃；tn+1w,j為井深j處，時(shí)間為n+1處井壁溫度，℃；tna,j為井深j處，時(shí)間為n處環(huán)空溫度，℃；δzj為深度步長(zhǎng)；δt為時(shí)間步長(zhǎng)；qsa為復(fù)雜熱源項(xiàng)生熱，j。

24、本發(fā)明起到的技術(shù)效果是：

25、1、本發(fā)明經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行了模型訓(xùn)練，所建立的井筒溫度預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高，且泛化能力好，克服了傳統(tǒng)數(shù)值解求解井筒溫度場(chǎng)計(jì)算較復(fù)雜、難度大、時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

26、2、通過(guò)隨機(jī)森林算法中特征重要性分析，可以有效分析出各參數(shù)對(duì)井筒溫度的影響程度。針對(duì)相關(guān)參數(shù)采用模擬退火算法進(jìn)行優(yōu)化，并融合數(shù)值模型對(duì)算法推薦的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，能夠獲取準(zhǔn)確度較高的井筒溫度，并將該溫度用于指導(dǎo)井筒降溫，可有效提高井筒降溫的效果。

技術(shù)特征：

1.一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述組成初始數(shù)據(jù)集的相關(guān)參數(shù)包括：井深、鉆進(jìn)時(shí)間、循環(huán)時(shí)間、入口溫度、機(jī)械鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、井筒溫度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述井筒溫度為隨機(jī)森林算法的預(yù)測(cè)標(biāo)簽，其余參數(shù)為特征標(biāo)簽。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述步驟s7中所述的比較驗(yàn)證方法為，模型計(jì)算出的溫度與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)溫度均方差小于等于2％，認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高，可以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)降溫計(jì)算與分析。

技術(shù)總結(jié)
一種數(shù)值模型與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的井筒溫度優(yōu)化與預(yù)測(cè)方法，涉及油氣開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：建立井筒?地層瞬態(tài)傳熱模型，獲取相關(guān)參數(shù)組成的初始數(shù)據(jù)集，對(duì)初始數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理，利用隨機(jī)森林算法訓(xùn)練井筒溫度預(yù)測(cè)模型，之后采用遺傳算法優(yōu)化隨機(jī)森林算法的超參數(shù)，利用退火算法進(jìn)行全局優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的井筒溫度，利用井筒?地層瞬態(tài)傳熱模型計(jì)算井筒溫度，利用優(yōu)化后的井筒溫度與計(jì)算得到的井筒溫度進(jìn)行比較驗(yàn)證；本發(fā)明通過(guò)隨機(jī)森林算法結(jié)合模擬退火算法獲取優(yōu)化后的井筒溫度參數(shù)，并融合數(shù)值模型對(duì)算法推薦的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，能夠獲取準(zhǔn)確度較高的井筒溫度，并將該溫度用于指導(dǎo)井筒降溫，可有效提高井筒降溫的效果。

技術(shù)研發(fā)人員：楊謀,車雙苗,趙鵬超,唐彬,朱木雷,宋澤平,祝鑫泉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南石油大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19