液压钻机节能控制方法及系统与流程

所属的技术人员知道，本发明可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

背景技术：

1、随着地质勘探力度的加大，石油钻井设备需求逐渐升温，各种工程勘探施工的快速发展，由于液压钻机具有整机重量轻、体积小、结构紧凑、传动平稳、操纵简单以及容易实现无级变速等一系列的优点，液压钻机成为钻探工程的最主要产品，并且代表了当前钻机的发展趋势。

2、由于钻机工作环境比较恶劣，受土质软硬差异的影响，钻探作业时钻机负荷变化频繁，钻速波动大，且目前钻机工况主要靠人工控制，往往不能有效适应地层可钻性变化，发动机经常超速运转，导致发动机燃油能耗增高，同时，发动机转速和钻机负荷之间存在时滞性。

3、例如在授权公告号为cn112555034b的中国专利中公开了一种取样钻机发动机转速控制方法，涉及钻机控制技术领域，该方法中控制硬件包括控制器以及分别和控制器相连的发动机转速控制开关、显示器、无线遥控器、压力开关；发动机转速的控制方法包括自动调速模式，自动调速模式包括以下步骤：s10、工作过程中，在液压手柄动作时；s20、负载敏感泵根据负载敏感口处的压力自动调节排量以满足负载需求；s30、检测负载敏感口处的压力；s40、根据步骤s30中的判断结果，调整发动机的转速。

4、而在授权公告号为cn103277306b的中国专利中公开了一种使用工频电源作为动力的多功能钻机，其包括一接入工频电源的油泵驱动装置，该装置连接于钻机液压系统，包括控制器、变频器、变频电机以及油泵，其中，控制器和变频器均接入工频电源，变频器接收控制器传送的变频调整信号并依据该变频调整信号去调整变频电机的工作电源频率，进一步改变变频电机的转速，从而改变与变频电机相连之油泵的输出流量。以上专利均存在本背景技术提出的问题：现有的液压钻机控制存在发动机工作模式不能有效匹配地层可钻性变化，导致发动机燃油能耗增高，并且发动机转速和钻机负荷之间存在时滞性的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供液压钻机节能控制方法及系统，通过构建地层可钻性预估模型和发动机转速时滞补偿模型，综合分析钻进过程中的声波时差、地层密度和钻进深度，使发动机有效适应地层可钻性变化，降低发动机燃油能耗，减少发动机转速和钻机负荷之间的时滞。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供液压钻机节能控制方法，包括下述步骤：

4、采集发动机转速信息和随钻测井信息，随钻测井信息包括声波时差、地层密度和钻进深度；

5、对发动机转速信息和随钻测井信息进行预处理；

6、构建地层可钻性预估模型，通过特征提取单元和级值预估单元对声波时差、地层密度和钻进深度进行特征提取并输出地层可钻性级值；

7、构建发动机转速时滞补偿模型，得到发动机转速时滞补偿信息；

8、根据地层可钻性级值切换发动机工作模式，根据发动机转速时滞补偿信息调节发动机转速。

9、作为优选的技术方案，所述预处理包括异常值校正和数据归一化，异常值校正过程用下式表示：

10、

11、式中xt表示异常值校正后的数值，xt+1表示异常值前序数值，xt-1表示异常值后序数值；

12、数据归一化过程用下式表示：

13、

14、式中x*经过标准化处理后的数值，x表示原始数值，xmin表示采集到的原始数据中的最小值，xmax表示采集到的原始数据中的最大值。

15、作为优选的技术方案，所述特征提取单元包括5个一维卷积层、4个平均池化层和2个lstm层，特征提取的具体步骤包括：

16、通过一维卷积层进行卷积运算提取声波时差、地层密度和钻进深度的高维特征，用下式表示：

17、

18、式中表示第j层的第i个神经元的输出，nj-1表示第j-1层的神经元数量，表示第j-1层的第k个神经元的输出，表示连接第j-1层的第k个神经元与第j层的第i个神经元的权重，表示第j层第i个神经元的偏置，σ(·)表示relu激活函数；

19、采用平均池化层降低声波时差、地层密度和钻进深度高维特征的冗余度；

20、通过lstm层提取声波时差、地层密度和钻进深度的时间特征，2个lstm层的节点数分别为128和64。

21、作为优选的技术方案，所述级值预估单元包括2个dropout层、2个全连接层和1个输出层，输出层通过softmax激活函数将输出数据转换为1×10维的概率矢量，对应1至10级的地层可钻性级值。

22、作为优选的技术方案，所述地层可钻性预估模型的损失函数用下式表示：

23、

24、式中k表示随钻测井信息的样本数，表示第s个样本的地层可钻性级值的真实标签，ts表示第s个样本的地层可钻性级值的预测标签，loss表示地层可钻性预估模型的损失函数。

25、作为优选的技术方案，所述发动机转速信息包括第一发动机转速信息和第二发动机转速信息，其中第一发动机转速信息为考虑液压延时的发动机转速信息，第二发动机转速信息为未考虑液压延时的发动机转速信息。

26、作为优选的技术方案，所述发动机转速时滞补偿模型的输入为发动机转速信息，发动机转速时滞补偿模型用下式表示：

27、d＝k1[ωeconomy-ωidling-(ω2-ω1)]+k2∫[ωeconomy-ωidling-(ω2-ω1)]dt；

28、式中d表示发动机转速时滞补偿信息，ωeconomy表示发动机经济转速信息，ωidling表示怠速时的发动机转速信息，ω1表示第一发动机转速信息，ω2表示第二发动机转速信息，k1表示比例系数，k2表示积分系数。

29、作为优选的技术方案，所述比例系数和积分系数通过bp神经网络确定，bp神经网络包括输入层、隐藏层和输出层，用下式表示：

30、

31、式中m表示输入信息类别数，m＝3，im表示输入层第m个神经元的输入信息，输入信息包括第一发动机转速信息、第二发动机转速信息以及第一发动机转速信息与第二发动机转速信息之差，表示输入层与隐藏层连接权重，f1表示tanh激活函数，表示隐藏层神经元偏置，n表示隐藏层神经元个数，n＝6，表示隐藏层与输出层连接权重，f2表示pureline激活函数，表示输出层神经元偏置，(k1,k2)表示输出的比例系数k1和积分系数k2。

32、作为优选的技术方案，所述切换发动机工作模式中切换的具体步骤包括：

33、若地层可钻性级值小于等于3，将发动机工作模式切换为轻载模式，轻载模式的发动机输出功率大于发动机额定输出功率的20％，小于等于发动机额定输出功率的65％；

34、若地层可钻性级值大于3，小于等于7，将发动机工作模式切换为经济模式，经济模式的发动机输出功率大于发动机额定输出功率的65％，小于等于发动机额定输出功率的80％；

35、若地层可钻性级值大于7，将发动机工作模式切换为重载模式，重载模式的发动机输出功率大于发动机额定输出功率的80％，小于等于发动机额定输出功率的100％。

36、本发明还提供液压钻机节能控制系统，包括：

37、信息采集模块，用于采集发动机转速信息和随钻测井信息，随钻测井信息包括声波时差、地层密度和钻进深度；

38、信息预处理模块，用于对发动机转速信息和随钻测井信息进行预处理；

39、地层可钻性预估模型构建模块，用于构建地层可钻性预估模型，通过特征提取单元和级值预估单元对声波时差、地层密度和钻进深度进行特征提取并输出地层可钻性级值；

40、发动机转速时滞补偿模型构建模块，用于构建发动机转速时滞补偿模型，得到发动机转速时滞补偿信息；

41、输出调节模块，用于根据地层可钻性级值切换发动机工作模式，根据发动机转速时滞补偿信息调节发动机转速。

42、本发明的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现液压钻机节能控制方法。

43、本发明的一种控制器，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序时实现液压钻机节能控制方法。

44、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

45、(1)本发明通过构建地层可钻性预估模型，综合分析钻机钻进过程中的声波时差、地层密度和钻进深度，根据地层可钻性级值自适应切换发动机工作模式，降低了发动机能耗。

46、(2)本发明通过采集发动机转速信息并构建发动机转速时滞补偿模型，根据发动机转速时滞补偿信息及时调节发动机转速，有效减少了发动机转速和钻机负荷之间的时滞。