CN120701308B - 基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统，涉及钻孔防偏调控技术领域，该方法包括：实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；对应力信号数据集进行处理，构建应力变化象限分布；基于异常触发判别，生成异常触发判别结果；若异常触发判别结果为非均质地层触发异常，生成围岩强度象限分布；进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。本发明解决了现有技术中在非均质地层中钻进时，难以精准识别偏孔诱因、缺乏有效偏孔预防与纠正手段，导致钻进精度差、稳定性不足的技术问题，达到了对非均质地层下钻机钻头偏孔的有效预防与纠正，提升了钻进的精度和稳定性的技术效果。

Description

基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统

技术领域

本发明涉及钻孔防偏调控技术领域，具体涉及基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统。

背景技术

在钻探工程领域，随着地下资源开发与基础设施建设的深入推进，复杂非均质地层中的钻进作业愈发普遍。然而，现有技术面临诸多挑战，一方面，传统钻进过程中难以实时、精准监测钻头受力及地层变化情况，导致无法及时发现非均质地层对钻头的影响；另一方面，缺乏高效的偏孔预防与纠正机制，一旦遇到地层强度差异或钻头自身故障，极易发生偏孔现象，造成钻进精度下降、效率降低，甚至引发工程事故，严重影响钻探工程的质量与进度。

现有技术存在在非均质地层中钻进时，难以精准识别偏孔诱因、缺乏有效偏孔预防与纠正手段，导致钻进精度差、稳定性不足的技术问题。

发明内容

本申请提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统，用于针对解决现有技术中在非均质地层中钻进时，难以精准识别偏孔诱因、缺乏有效偏孔预防与纠正手段，导致钻进精度差、稳定性不足的技术问题。

鉴于上述问题，本申请提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统。

本申请的第一个方面，提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，所述方法包括：

在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布；基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果；若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布；基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。

本申请的第二个方面，提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进系统，所述系统包括：

数据集生成模块，用于在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；象限分布构建模块，用于利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布；判别结果生成模块，用于基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果；象限分布生成模块，用于若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布；融合控制模块，用于基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布；执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果；若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布；基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。达到了对非均质地层下钻机钻头偏孔的有效预防与纠正，提升了钻进的精度和稳定性的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法流程示意图；

图2为本申请实施例提供的基于地质反馈信息的防偏孔钻进系统结构示意图。

附图标记说明：数据集生成模块10，象限分布构建模块20，判别结果生成模块30，象限分布生成模块40，融合控制模块50。

具体实施方式

本申请通过提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法及系统，用于针对解决现有技术中在非均质地层中钻进时，难以精准识别偏孔诱因、缺乏有效偏孔预防与纠正手段，导致钻进精度差、稳定性不足的技术问题。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一，如图1所示，本申请提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，所述方法包括：

步骤S100：在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集。

具体而言，在钻机钻头的钻进作业进程中，预先配置在各个截齿上的应力传感器，紧密贴合在截齿工作部位，实时捕捉钻机钻头在钻进时所承受的应力变化。在钻进时，钻头不断切削地层，截齿与地层岩石直接接触，受到来自不同方向和大小的力。这些力引起的应力变化被应力传感器迅速感知，并转化为相应的电信号或其他便于处理的信号形式。随着钻进持续进行，各个截齿上的应力传感器持续采集数据，大量的应力变化信号被源源不断地输出。按照预设的时间间隔和数据存储规则，将这些信号进行有序整合，记录下每个时刻、每个截齿处应力变化的详细信息，最终生成应力信号数据集。该数据集精确反映了不同截齿在不同钻进时刻的应力变化情况，包括应力的大小波动、变化频率以及作用方向等关键特征，为后续利用信号处理组件构建应力变化象限分布，进而执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，以及实现钻进过程中的精准控制提供了不可或缺的原始数据支撑，对保障钻进方向的准确性和稳定性起着决定性作用。

步骤S200：利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布。

具体而言，在完成获取应力信号数据集后，信号处理组件承担着对该数据集进行处理以及构建关键数据分布的重要任务。信号处理组件由信号放大电路、信号滤波电路和数据分析通道构成。首先，信号放大电路将应力信号数据集中幅值较小的信号进行放大，增强信号的强度，使后续处理能够更清晰地捕捉信号特征。随后，信号滤波电路开始工作，它能有效去除信号中的噪声干扰，这些噪声可能来自钻机设备的振动、周围环境的电磁干扰等，经过滤波处理后，应力信号的质量得到显著提升。在完成信号的预处理后，依据钻头的结构特性，对钻头截面对应的象限点进行编号。一般来说，将钻头截面划分为多个象限，如四象限或八象限等，以便更细致地分析应力分布情况。针对滤波后的应力信号，按照不同象限所对应的截齿位置，将应力数据进行分类归集。通过对每个象限内应力数据的统计分析，如计算应力的平均值、最大值、最小值以及变化趋势等，构建出应力变化象限分布。这种分布直观地展示了钻头在不同象限所受应力的差异和变化规律，帮助精准定位可能存在的异常情况及其对应的象限区域，进而为后续的钻进控制策略调整提供关键依据。

步骤S300：基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果。

具体而言，在构建好应力变化象限分布后，聚焦于从应力变化象限分布中挖掘信息，以判别异常情况的来源，即判断是由于非均质地层还是钻机钻头自身故障引发的异常。首先，依据应力变化象限分布，通过构建预设应力非均匀阈值，对不同象限内应力非均匀性展开识别。针对每个象限内不同截齿位置的应力数据，计算实时应力非均匀指标，并将其与预设应力非均匀阈值进行对比。若实时应力非均匀指标超出阈值范围，表明存在应力异常情况，此时启动下一步分析。当判断出应力异常后，进一步对该异常的时间特征和空间特征进行比对。一方面，基于应力变化象限分布，分析多个连续时间戳下应力的变化情况，识别应力从正常状态转变为异常状态的实时突变时间特征，观察应力异常是突然出现还是逐渐演变的，这有助于区分不同类型的异常原因。另一方面，对出现应力异常分布的位置进行连接识别，生成实时异常位置连接特征，判断应力异常在钻头截面上的分布范围和集中区域。完成上述双路比对后，调用预设双路异常判断逻辑，该逻辑包含基于突变时间特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第一区别逻辑，以及基于异常位置连接特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第二区别阈值。根据双路比对结果，综合运用这两种区别方式，精准地分析判断异常是由非均质地层导致，还是钻机钻头自身故障引起，最终生成准确的异常触发判别结果。这一结果是后续采取针对性措施的重要依据，为后续若判定是非均质地层触发异常时分析围岩强度，以及为整个钻进过程的精准控制和故障排除提供关键支持。

步骤S400：若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布。

具体而言，采用基于支持向量回归（SVR）结合权重调整的算法分析围岩强度并生成围岩强度象限分布。先对各象限应力数据进行标准化处理，消除量纲影响，提取应力均值、标准差、变化梯度等特征构建特征向量。利用历史地质数据与对应应力特征构建训练集，其中包含不同应力特征组合下的围岩强度实际测量值。采用径向基函数（RBF）作为核函数，构建SVR模型，通过优化算法寻找最优参数（惩罚因子C和核函数参数γ），使得模型在训练集上达到最佳拟合效果，建立应力特征与围岩强度的初步关系。考虑到不同应力特征对围岩强度的影响程度不同，基于层次分析法（AHP）确定各应力特征的权重。根据地质专家经验构建判断矩阵，计算各特征权重向量，并进行一致性检验。利用这些权重对SVR模型预测结果进行加权修正，使结果更符合实际情况。针对钻孔圆截面的每个象限，将其应力特征代入加权修正后的SVR模型，计算得到各象限的围岩强度值。最后，按照象限顺序整理这些强度值，生成直观的围岩强度象限分布，为后续钻进控制提供准确依据。

步骤S500：基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。

具体而言，确定局部截齿负载自适应控制模块的关键截齿。依据截齿对钻机钻头切削轨迹和定向影响指标与预设阈值的对比，筛选出那些对钻进精度影响较大的截齿作为关键截齿。这些关键截齿是实现局部控制的核心部件。接着，基于围岩强度象限分布深入分析偏孔行为。若分析得出偏孔特征为局部偏孔，意味着钻孔在局部区域出现偏离，此时局部截齿负载自适应控制模块发挥作用，该模块包含位于各个关键截齿的微型液压调节单元和关键截齿调节参数库，根据围岩强度象限分布，从关键截齿调节参数库中匹配适合的截齿单位切削力，再通过微型液压调节单元对关键截齿进行精确调控，以此纠正局部偏孔，使钻头在局部区域恢复正常钻进轨迹。若偏孔特征为全局方向偏孔，表明整个钻进方向出现偏差。此时，全局方向控制模块开始工作，该模块包含方向调节机构的调节参数库，模块依据围岩强度象限分布，从调节参数库中选择合适的调节参数，对方向调节机构进行调节，进而实现对钻进方向和速度的精准调控，以纠正全局偏孔，确保钻头能按照预定方向钻进。实际作业中，若局部截齿负载自适应控制模块匹配到的最优截齿单位切削力无法完全纠正局部偏孔，或者全局方向控制模块匹配到的方向调节机构调节参数不能完全纠正全局方向偏孔时，执行调控效果的拟合操作，计算出调控偏差。随后，以另一调控模块针对该调控偏差进行调控参数匹配，生成协同调控参数，实现两个模块的协同控制，进一步优化钻进过程，提高钻孔的准确性和稳定性，有效保障钻进工作的顺利进行。

在一种可能实现的方式中，步骤S300还包括：

步骤S310：基于所述应力变化象限分布进行不同象限内应力非均匀性识别，执行应力异常的判断，生成应力异常判断结果。

步骤S320：若所述应力异常判断结果显示应力异常，基于所述应力变化象限分布进行应力分布异常的时间特征比对和空间特征比对，生成双路比对结果。

步骤S330：调用预设双路异常判断逻辑，根据所述双路比对结果执行双路异常触发分析，完成非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成所述异常触发判别结果。

具体而言，对先前得到的应力变化象限分布数据进行规整与预处理，把不同采样时刻和不同象限的应力数据进行结构化存储，保证数据的准确性和一致性。然后，构建预设应力非均匀阈值体系，综合考虑钻头的设计参数、常见地层的力学特性以及过往钻进案例中出现异常时的应力特征。例如，针对特定型号的钻头和常见岩石类型，通过大量模拟实验和实际测试，确定每个象限在正常钻进状态下应力波动的合理范围。接着，计算不同象限内的应力非均匀指标。采用标准差来衡量应力的离散程度，针对每个象限内不同截齿位置的应力数据，计算其均值，再计算每个数据点与均值差值的平方和的平均数的平方根，得到该象限的应力标准差。将此标准差作为该象限应力非均匀指标。之后，将计算得到的各象限应力非均匀指标与预设应力非均匀阈值进行对比。如果某个象限的应力标准差超过了对应的阈值，或者应力变化率超出了合理范围，就判定该象限存在应力异常。最后，汇总所有象限的判断结果，生成全面的应力异常判断结果，明确指出哪些象限存在应力异常情况，为后续的异常原因分析和处理提供依据。

当应力异常判断结果显示存在应力异常时，开展双路特征比对。在时间特征比对方面，以应力变化象限分布为基础，详细梳理多个连续时间戳下的应力数据。通过分析应力从正常状态过渡到异常状态的过程，精确识别出应力突变发生的具体时刻、突变的幅度以及突变前后应力的变化趋势等实时突变时间特征。例如，是瞬间的大幅应力跃升，还是在一段时间内缓慢上升后突然加剧。这有助于判断异常是突发的外界因素干扰，还是逐渐积累导致的内部问题。在空间特征比对上，着重关注出现应力异常分布的位置。对这些异常位置进行连接识别，观察它们在钻头截面上的分布形态和相互关系，生成实时异常位置连接特征。若异常位置集中在某几个相邻象限，可能暗示局部存在问题，如局部地层特性改变或钻头局部磨损；若异常位置分散在多个不相邻象限，则可能表示整体地层条件复杂或钻头存在系统性故障。将时间特征比对得到的实时突变时间特征和空间特征比对得到的实时异常位置连接特征相结合，最终生成双路比对结果，为后续精准判断异常是由非均质地层还是钻机钻头自故障引发提供关键依据。

调用预设的双路异常判断逻辑，该逻辑包含针对时间和空间特征的判别规则。然后，将得到的双路比对结果，即应力分布异常的时间特征与空间特征数据输入其中。在空间特征分析上，依据多点应力数据比较规则，对比应力异常点分布情况，若呈现区域性或片状分布，符合地质变化空间特征，倾向于判断是受非均质地层影响；若是孤立点异常，则更符合机械故障特征。在时间特征分析上，通过对时间序列进行平滑处理和趋势分析，若应力异常呈现缓慢变化趋势，符合地质变化通常缓慢的特点，判定可能由非均质地层导致；若出现突变情况，则与机械故障多为突变的特征相符，倾向于判定是钻机钻头自故障。综合空间和时间特征的分析结果，执行双路异常触发分析，最终完成非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果，为后续采取针对性措施提供可靠依据。

在一种可能实现的方式中，步骤S310还包括：

步骤S311：基于所述钻机钻头的结构特征，构建满足微观非均质性的预设应力非均匀阈值。

步骤S312：基于所述应力变化象限分布进行不同象限内不同截齿位置的应力非均匀指标计算，生成实时应力非均匀指标。

步骤S313：对比所述预设应力非均匀阈值与所述实时应力非均匀指标，执行应力异常的判断，生成所述应力异常判断结果。

具体而言，构建满足微观非均质性的预设应力非均匀阈值，通过以下具体手段实现。首先，借助三维扫描技术，获取钻机钻头精确的结构数据，包括截齿的形状、尺寸、间距，以及钻头体的轮廓等，构建出数字化模型。然后，利用有限元分析软件，将不同地层的微观力学参数，如岩石的弹性模量、泊松比、抗压强度等微观非均质性数据，按照实际地层分布情况输入模型。通过模拟钻头在不同地层条件下的钻进过程，计算出不同位置的应力分布情况。多次调整参数进行模拟，收集大量应力数据。之后，对这些数据进行统计分析，运用数理统计方法确定出应力分布的均值、标准差等统计量。基于此，结合工程经验和安全裕度要求，设定出合理的应力波动范围，最终构建出满足微观非均质性的预设应力非均匀阈值。

从应力变化象限分布中提取出每个象限内不同截齿位置的应力数据，这些数据包含了截齿在钻进过程中所承受的应力大小。接着，针对每个象限，分别计算该象限内所有截齿位置应力数据的均值。之后，用每个截齿位置的应力值减去该象限的应力均值，并将差值进行平方运算。再对这些平方后的差值求平均值，最后取这个平均值的平方根，得到该象限的应力标准差。重复上述计算过程，得到所有象限的应力标准差。这些应力标准差能够反映出各个象限内应力的离散程度，即应力的非均匀性，将其作为实时应力非均匀指标，为后续对比预设应力非均匀阈值、判断应力是否异常提供了准确的量化依据。

明确预设应力非均匀阈值是依据钻机钻头结构特征和地层微观非均质性构建的合理应力波动范围，而实时应力非均匀指标是基于应力变化象限分布计算得出的各象限应力标准差，它反映了当前钻进时各象限应力的离散程度。接着，针对每个象限，将该象限的实时应力非均匀指标与对应的预设应力非均匀阈值进行比较。若实时应力非均匀指标超过了预设阈值，说明该象限应力的离散程度超出了正常范围，判定此象限存在应力异常；若实时应力非均匀指标未超过预设阈值，则表明该象限应力分布处于正常的波动区间，不存在应力异常。最后，综合所有象限的判断情况，生成全面的应力异常判断结果，清晰地指出哪些象限存在应力异常，为后续准确判别异常触发原因和采取针对性措施提供关键依据。

在一种可能实现的方式中，步骤S320还包括：

步骤S321：基于应力变化象限分布进行多个连续时间戳的应力分布异常的时间特征比对，识别应力由正常至异常的实时突变时间特征。

步骤S322：基于应力变化象限分布进行应力异常分布位置的连接识别，生成实时异常位置连接特征。

步骤S323：以所述实时突变时间特征和所述实时异常位置连接特征生成所述双路比对结果。

具体而言，从应力变化象限分布所记录的大量数据中，筛选出多个连续时间戳下的应力数据序列。这些数据详细记录了每个时间点不同象限的应力状况。接着，设定正常应力范围，该范围依据过往正常钻进时积累的数据以及结合当前地质条件预估得出。随后，按照时间顺序逐点分析应力数据。在分析过程中，密切关注应力值是否突破正常范围的边界。一旦发现应力值超出正常范围，便记录下这个时间点。同时，进一步分析该时间点前后应力变化的情况，比如应力变化的速率，是缓慢上升超出正常范围，还是瞬间跃升；应力变化的幅度大小，超出正常范围的程度等。通过对这些信息的综合考量，精准地识别出应力从正常状态转变为异常状态的实时突变时间，以及与之相关的突变特征，如突变的速度、幅度等。这些识别出的实时突变时间特征，能为后续判断异常提供依据。

以应力变化象限分布为依据，对其中应力异常分布的位置进行深入分析。首先，从应力变化象限分布里定位出所有应力异常的位置，这些位置对应着钻头截齿在钻进过程中承受异常应力的区域。接着，分析这些异常位置之间的空间关系。若某些异常位置在空间上彼此靠近，形成了连续或相邻的分布状态，就将它们连接起来进行识别。例如，若在某几个相邻象限内的多个截齿位置都出现应力异常，就把这些相邻的异常位置视为一个整体进行考量。通过这种连接识别，能够判断出异常位置是集中在特定区域，还是分散在不同部位。最终，根据连接识别的结果，生成实时异常位置连接特征，该特征能够直观呈现应力异常在空间上的分布形态和聚集规律。

将得到的实时突变时间特征进行梳理，明确应力从正常状态转变为异常状态的具体时刻、突变的速度和幅度等信息。同时，对生成的实时异常位置连接特征进行整理，清楚了解应力异常在空间上的分布情况，包括异常位置是集中在某些特定区域还是较为分散，以及它们之间的连接关系。然后，把这两组特征进行有机结合。将应力异常发生的时间信息与异常位置的空间分布信息相互关联，形成一个全面的比对数据集。例如，如果实时突变时间特征显示应力在短时间内突然大幅变化，而实时异常位置连接特征表明异常位置集中在钻头的某一侧，那么双路比对结果就会呈现出在某个特定时刻，钻头的某一侧出现了突发且集中的应力异常情况。通过这种方式，生成的双路比对结果能够从时间和空间两个维度综合反映应力异常的特征，为后续调用预设双路异常判断逻辑、准确区分非均质地层和钻机钻头自故障引发的异常提供清晰、全面的数据支持。

在一种可能实现的方式中，步骤S323还包括：

预设双路异常判断逻辑包括基于突变时间特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第一区别逻辑和基于异常位置连接特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第二区别阈值。

具体而言，预设双路异常判断逻辑是一个精细化的异常判别体系，它包含基于突变时间特征的第一区别逻辑和基于异常位置连接特征的第二区别阈值，以此来有效区分异常源于非均质地层还是钻机钻头自故障。在基于突变时间特征的第一区别逻辑方面，由于非均质地层的形成是长期地质作用的结果，其对应力的影响也会随时间逐渐体现。当地层中存在软硬不均等非均匀特性时，钻头在钻进过程中，应力会随着钻头逐渐接触到不同性质的地层部分而缓慢变化，从正常状态过渡到异常状态可能需要一定时间，且突变速度相对较缓。比如，钻头从较软地层逐渐进入较硬地层时，应力会逐渐增大，在这个过程中，应力异常的出现往往是一个渐进的过程。相反，钻机钻头自故障通常是突发状况。像是截齿突然崩裂、内部机械部件瞬间损坏等故障，会使钻头的受力情况瞬间改变，导致应力在极短时间内发生大幅度突变。所以，第一区别逻辑会根据应力从正常到异常变化过程中的突变时间长短、突变速度快慢等关键特征，建立起判断异常来源的逻辑规则。如果应力突变时间长、速度慢，就更倾向于认为异常是由非均质地层引起；若突变时间极短、速度快，则更可能是钻机钻头自故障导致。基于异常位置连接特征的第二区别阈值设定，则是从空间分布的角度进行判断。非均质地层在空间上具有一定的连续性和区域性，当钻头钻进非均质地层时，受到地层特性影响，应力异常位置往往集中在钻头与特定地层区域接触的部分，这些异常位置之间会呈现出明显的连接关系，形成区域性的异常分布特征。例如，当遇到一条硬度较高的岩石带时，钻头在穿过该岩石带的过程中，与岩石带接触的一侧截齿所受应力会出现异常，这些异常位置会集中在钻头的同一侧，并且相互连接。而钻机钻头自故障引发的应力异常位置分布相对随机。由于故障发生在钻头自身部件上，与地层分布无关，所以异常位置可能分散在钻头的不同部位，彼此之间缺乏明显的规律性连接。通过对大量实际案例，设定合适的第二区别阈值。当异常位置连接的紧密程度、分布范围等指标超过这个阈值时，更符合非均质地层导致异常的特征；若低于阈值，则更倾向于是钻机钻头自故障造成的异常。这两个部分相辅相成，共同构成了预设双路异常判断逻辑，为准确识别异常原因提供了依据。

在一种可能实现的方式中，步骤S500还包括：

步骤S510：确定局部截齿负载自适应控制模块的关键截齿，所述关键截齿为对钻机钻头的切削轨迹和定向影响指标大于预设阈值的截齿。

步骤S520：基于所述围岩强度象限分布，进行偏孔行为分析，生成偏孔特征。

步骤S530：若所述偏孔特征为局部偏孔，以纠正局部偏孔为目标，通过所述局部截齿负载自适应控制模块对所述关键截齿执行截齿单位切削力的调控。

步骤S540：若所述偏孔特征为全局方向偏孔，以纠正全局偏孔为目标，利用全局方向控制模块执行方向调节机构的调节参数匹配后进行钻进方向和速度的调控。

具体而言，在钻机正常钻进一段较短的标准地层时，使用高精度的轨迹监测设备和定向测量仪器，记录下钻头的初始切削轨迹和定向数据。然后，逐个停止每个截齿的工作，每次停止一个截齿后，让钻机继续钻进一小段相同类型的地层，同时再次记录钻头的切削轨迹和定向数据。通过对比每次停止单个截齿前后钻头的切削轨迹偏差和定向角度变化，来量化每个截齿对切削轨迹和定向的影响。将所有截齿的影响量化值进行排序，根据工程经验和对钻进精度的要求，确定一个合适的预设阈值。那些影响量化值大于预设阈值的截齿，就是对钻机钻头的切削轨迹和定向影响较大的截齿，即局部截齿负载自适应控制模块的关键截齿。

基于围岩强度象限分布开展偏孔行为分析，需先将钻头所接触的围岩区域按象限划分，通过压力传感器、声波检测仪等设备，实时采集各象限内围岩的抗压强度、弹性模量等力学参数，形成详细的围岩强度象限分布数据。随后，对这些数据进行深度剖析，对比各象限间围岩强度的差异。若某一或几个相邻象限的围岩强度显著高于其他象限，在钻进过程中，钻头在这些高强度区域所受阻力增大，会向强度较低的象限方向偏移，此时记录偏孔发生的象限位置、偏移角度、偏移速率等信息；若各象限围岩强度虽有差异但分布较为离散，可能导致钻头在钻进时出现不规则的晃动偏移。综合上述分析结果，判断偏孔是呈现局部集中偏移的趋势，还是整体方向的偏移，最终生成包含偏孔位置、偏移方向、偏移程度等信息的偏孔特征，为后续采取针对性的偏孔纠正措施提供关键依据。

深入分析局部偏孔的具体特征，涵盖偏孔发生的位置、偏斜的角度以及偏斜的速率等关键信息。依据这些信息，精准判断需要调整的关键截齿。因为关键截齿对钻头的切削轨迹和定向影响显著，所以对它们进行调控能够有效纠正偏孔。接着，局部截齿负载自适应控制模块依据偏孔特征，从预设的调节策略库中选取最合适的调节方案。该方案明确了每个关键截齿需要调整的截齿单位切削力的具体数值和方向。然后，通过安装在钻头上的微型液压调节装置，对关键截齿的截齿单位切削力进行精确调整。如果偏孔是向某个方向偏移，就增加该方向相反一侧关键截齿的单位切削力，或者减小偏移方向关键截齿的单位切削力，以此改变钻头在局部区域的受力平衡。在调控过程中，实时监测钻头的切削轨迹和偏孔情况，将实际的偏孔纠正效果与预期目标进行对比。若发现纠正效果未达预期，迅速重新分析偏孔特征，动态调整调节方案，再次对关键截齿的截齿单位切削力进行优化调控，直至局部偏孔得到有效纠正，使钻头恢复到正常的钻进轨迹。

当生成的偏孔特征判定为全局方向偏孔时，以纠正全局偏孔为目标，依托全局方向控制模块来开展工作。首先，对全局方向偏孔特征进行细致剖析，明确偏孔的具体方向、偏斜角度以及偏斜程度等关键信息。接着，全局方向控制模块根据这些偏孔特征，从预先构建好的调节参数数据库中进行精准匹配，找出最适合当前偏孔状况的方向调节机构调节参数。这些参数是经过大量模拟实验和实际钻进经验总结而来，涵盖了不同偏孔情形下方向调节机构的最佳调整数值。在获取到匹配的调节参数后，将其传递给方向调节机构。方向调节机构根据接收到的参数，对钻头的钻进方向和速度进行精确调控。例如，若偏孔方向向右，方向调节机构会微调钻头的角度，使其向左偏移一定量，同时根据偏斜程度合理调整钻进速度，若偏斜程度较大，可能会适当降低钻进速度，以确保更精准地纠正偏孔。在调控过程中，持续实时监测钻头的钻进方向和速度，将实际情况与预期的纠正目标进行对比分析。一旦发现实际钻进情况与预期存在偏差，全局方向控制模块会立即重新分析偏孔特征，再次进行调节参数的匹配和优化，动态调整方向调节机构的动作，保证钻进方向和速度始终朝着纠正全局偏孔的方向进行精准调整，直至全局偏孔得到有效纠正，钻头恢复到预定的正确钻进路径。

在一种可能实现的方式中，步骤S540还包括：

步骤S541：若所述局部截齿负载自适应控制模块匹配到的最优截齿单位切削力不能完全纠正局部偏孔或所述全局方向控制模块匹配到的方向调节机构调节参数不能完全纠正全局方向偏孔，执行调控效果的拟合后确定调控偏差，以另一调控模块对所述调控偏差进行调控参数匹配，生成协同调控参数进行协同控制。

具体而言，当出现局部截齿负载自适应控制模块匹配的最优截齿单位切削力无法彻底纠正局部偏孔，或全局方向控制模块匹配的方向调节机构调节参数难以完全修正全局方向偏孔的情况时，调用高精度传感器阵列，实时收集钻头钻进过程中的多维数据，包括各截齿实时受力、钻头姿态角度、钻进位移轨迹等信息。随后，运用三次样条插值算法，将实际采集数据与预设的理想钻进数据进行拟合，通过计算二者之间的均方误差，量化出当前调控与理想状态的偏差程度，明确调控偏差。接着，依据未达成预期效果的调控模块，激活对应的另一调控模块。若局部截齿负载调控失效，全局方向控制模块迅速介入，基于调控偏差，从历史案例数据库中检索相似工况下的成功调控方案，并利用强化学习算法对方向调节参数进行优化调整；若全局方向调控未达目标，则局部截齿负载自适应控制模块重新启动，采用粒子群优化算法，在切削力参数库中搜索并筛选出适配当前偏差的截齿单位切削力参数。最后，通过权重分配算法，将两个调控模块优化后的参数进行融合，生成协同调控参数。这些参数被同步传输至截齿液压驱动系统和方向调节机械结构，实现截齿切削力与钻进方向的协同动态调控，确保钻头逐步回归到预定钻进轨迹，高效解决偏孔问题。

在一种可能实现的方式中，步骤S540还包括：

步骤S542：所述局部截齿负载自适应控制模块包括位于各个关键截齿的微型液压调节单元和关键截齿调节参数库，以所述关键截齿调节参数库进行局部偏孔的截齿单位切削力匹配后通过微型液压调节单元进行控制。

步骤S543：所述全局方向控制模块包括方向调节机构的调节参数库，以所述调节参数库进行全局方向偏孔的调节参数匹配。

具体而言，局部截齿负载自适应控制模块是精准应对局部偏孔问题的核心组件，其通过微型液压调节单元与关键截齿调节参数库的协同运作实现高效调控。当检测到局部偏孔后，立即将偏孔的具体特征，如偏孔所在象限、偏斜角度、偏斜速率等数据信息，传输至关键截齿调节参数库。该参数库基于大量实际工程案例与模拟实验数据构建，内部存储着不同局部偏孔工况下，各关键截齿对应的最优截齿单位切削力参数。依据输入的偏孔特征，在参数库中进行快速检索与匹配，筛选出适配当前偏孔状况的截齿单位切削力参数组合。匹配完成后，这些参数信息被实时传输至安装在各个关键截齿上的微型液压调节单元。微型液压调节单元作为执行机构，接收指令后迅速响应，通过精确控制液压系统的压力与流量，对关键截齿的单位切削力进行调整。例如，若偏孔方向朝左，会增大右侧关键截齿的单位切削力，或减小左侧关键截齿的单位切削力，从而改变钻头局部受力分布，促使钻头回归正常钻进轨迹。在调节过程中，微型液压调节单元还会实时反馈截齿受力状态，持续优化控制策略提供数据支持，确保局部偏孔得到高效、精准地纠正。

当判定出现全局方向偏孔时，全局方向控制模块即刻启动工作。该模块依托方向调节机构的调节参数库，此参数库是基于大量实际钻进工程案例、不同地质条件下的模拟实验，以及对各类偏孔情况的深入研究而构建的。它涵盖了不同类型全局方向偏孔（如不同偏斜角度、偏斜方向、偏斜速率等）对应的最佳调节参数。将检测到的全局方向偏孔特征，包括偏孔的整体方向、偏移角度、偏移速度等详细信息，与调节参数库中的数据进行对比分析。通过检索算法，在参数库中快速匹配出与当前全局方向偏孔状况最为契合的调节参数。一旦匹配成功，这些调节参数便会被传输至方向调节机构，指导其对钻头的钻进方向进行精准调整，从而实现对全局方向偏孔的有效纠正，确保钻头能够按照预定路径稳定钻进。

在一种可能实现的方式中，步骤S200还包括：

步骤S210：所述信号处理组件包括信号放大电路、信号滤波电路和数据分析通道。

步骤S220：所述信号放大电路对所述应力信号数据集进行信号放大处理，所述信号滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，基于滤波后的应力信号数据集进行钻头截面对应象限点编号，构建所述应力变化象限分布。

步骤S230：所述数据分析通道，发送至数据分析通道用于在进行异常触发判别后，将应力变化象限分布转换为围岩强度象限分布，所述数据分析通道通过历史转换数据构建。

具体而言，信号处理组件作为数据处理的关键枢纽，由信号放大电路、信号滤波电路和数据分析通道三个紧密协作的部分构成。信号放大电路主要负责对采集到的原始应力信号数据集进行增强处理，由于在实际采集过程中，信号可能会因传输距离、环境干扰等因素出现衰减，通过该电路的放大芯片和特定电路设计，能够提升信号的幅值与强度，确保信号后续可被准确分析。信号滤波电路则专注于对放大后的信号进行净化，运用低通、高通或带通滤波等技术手段，去除信号中夹杂的高频噪声、工频干扰等无用信息，让应力信号更加纯净，降低干扰对分析结果的影响。数据分析通道则负责接收滤波后的信号，在进行异常触发判别后，将应力变化数据进行深度分析与转换，为后续钻进过程中的偏孔分析、异常判断等提供关键的数据支撑。

在信号处理流程中，通过信号放大电路、信号滤波电路与象限点编号处理，构建应力变化象限分布。首先，信号放大电路接收采集到的原始应力信号数据集，由于实际工况下信号易受传输损耗、环境干扰等因素影响而出现衰减，信号放大电路运用运算放大器等器件，按照预设的放大倍数，对原始应力信号进行增强处理，使信号幅值达到适合分析的范围。随后，放大后的信号进入信号滤波电路。该电路采用低通滤波、带通滤波等算法，有效滤除信号中混杂的高频噪声、工频干扰等无用成分，让应力信号更加纯净。滤波完成后，根据钻头截面的几何特征，对每个象限对应的点进行有序编号，建立起信号数据与钻头空间位置的对应关系。最后，基于编号后的滤波应力信号数据集，结合时间序列数据，将每个象限点的应力变化情况进行整合与可视化呈现，构建出应力变化象限分布。该分布以直观的形式展示了钻头不同象限在钻进过程中应力随时间的动态变化，为后续分析应力异常、判断偏孔行为等提供了清晰、准确的数据基础。

当应力变化象限分布数据被发送至数据分析通道后，开展异常触发判别，为应力变化的各项指标（如应力变化速率、相邻象限应力差值等）设定正常范围阈值。计算当前应力变化象限分布中各指标的值，将其与对应阈值进行对比。若任一指标超出阈值范围，则判定为异常，记录异常的具体位置和相关指标值，以便后续排查问题；若所有指标均在阈值范围内，则判定为正常，继续后续转换操作。接着进行从应力变化象限分布到围岩强度象限分布的转换。利用历史转换数据构建一个基于支持向量回归（SVR）的模型。在构建过程中，从历史数据里提取应力变化特征（如各象限应力均值、方差等）作为输入，对应的围岩强度作为输出。对这些数据进行归一化处理，以消除不同特征量纲的影响。采用交叉验证的方法，在训练集上对SVR模型进行训练和参数调优，确定最优的核函数（如径向基核函数）和参数组合。在实际转换时，将当前应力变化象限分布的特征输入到训练好的SVR模型中，模型会根据学习到的映射关系，输出对应的围岩强度预测值，从而得到围岩强度象限分布。

实施例二，基于与前述实施例中基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法相同的发明构思，如图2所示，本申请提供了基于地质反馈信息的防偏孔钻进系统，本申请实施例中的系统与方法实施例基于同样的发明构思。其中，所述系统包括：

数据集生成模块10，用于在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集。

象限分布构建模块20，用于利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布。

判别结果生成模块30，用于基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果。

象限分布生成模块40，用于若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布。

融合控制模块50，用于基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

基于所述应力变化象限分布进行不同象限内应力非均匀性识别，执行应力异常的判断，生成应力异常判断结果；若所述应力异常判断结果显示应力异常，基于所述应力变化象限分布进行应力分布异常的时间特征比对和空间特征比对，生成双路比对结果；调用预设双路异常判断逻辑，根据所述双路比对结果执行双路异常触发分析，完成非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成所述异常触发判别结果。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

基于所述钻机钻头的结构特征，构建满足微观非均质性的预设应力非均匀阈值；基于所述应力变化象限分布进行不同象限内不同截齿位置的应力非均匀指标计算，生成实时应力非均匀指标；对比所述预设应力非均匀阈值与所述实时应力非均匀指标，执行应力异常的判断，生成所述应力异常判断结果。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

基于应力变化象限分布进行多个连续时间戳的应力分布异常的时间特征比对，识别应力由正常至异常的实时突变时间特征；基于应力变化象限分布进行应力异常分布位置的连接识别，生成实时异常位置连接特征；以所述实时突变时间特征和所述实时异常位置连接特征生成所述双路比对结果。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

预设双路异常判断逻辑包括基于突变时间特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第一区别逻辑和基于异常位置连接特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第二区别阈值。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

确定局部截齿负载自适应控制模块的关键截齿，所述关键截齿为对钻机钻头的切削轨迹和定向影响指标大于预设阈值的截齿；基于所述围岩强度象限分布，进行偏孔行为分析，生成偏孔特征；若所述偏孔特征为局部偏孔，以纠正局部偏孔为目标，通过所述局部截齿负载自适应控制模块对所述关键截齿执行截齿单位切削力的调控；若所述偏孔特征为全局方向偏孔，以纠正全局偏孔为目标，利用全局方向控制模块执行方向调节机构的调节参数匹配后进行钻进方向和速度的调控。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

若所述局部截齿负载自适应控制模块匹配到的最优截齿单位切削力不能完全纠正局部偏孔或所述全局方向控制模块匹配到的方向调节机构调节参数不能完全纠正全局方向偏孔，执行调控效果的拟合后确定调控偏差，以另一调控模块对所述调控偏差进行调控参数匹配，生成协同调控参数进行协同控制。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

所述局部截齿负载自适应控制模块包括位于各个关键截齿的微型液压调节单元和关键截齿调节参数库，以所述关键截齿调节参数库进行局部偏孔的截齿单位切削力匹配后通过微型液压调节单元进行控制；所述全局方向控制模块包括方向调节机构的调节参数库，以所述调节参数库进行全局方向偏孔的调节参数匹配。

进一步的，所述系统还用于以下功能：

所述信号处理组件包括信号放大电路、信号滤波电路和数据分析通道；所述信号放大电路对所述应力信号数据集进行信号放大处理，所述信号滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，基于滤波后的应力信号数据集进行钻头截面对应象限点编号，构建所述应力变化象限分布；所述数据分析通道，发送至数据分析通道用于在进行异常触发判别后，将应力变化象限分布转换为围岩强度象限分布，所述数据分析通道通过历史转换数据构建。

需要说明的是，上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

本说明书和附图仅仅是本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变形属于本申请及其等同技术的范围之内，则本申请意图包括这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，包括：

在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；

利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布；

基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果；

若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布；

基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制；

其中，基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果，包括：

基于所述应力变化象限分布进行不同象限内应力非均匀性识别，执行应力异常的判断，生成应力异常判断结果；

若所述应力异常判断结果显示应力异常，基于所述应力变化象限分布进行应力分布异常的时间特征比对和空间特征比对，生成双路比对结果；

调用预设双路异常判断逻辑，根据所述双路比对结果执行双路异常触发分析，完成非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成所述异常触发判别结果；

其中，基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制，包括：

确定局部截齿负载自适应控制模块的关键截齿，所述关键截齿为对钻机钻头的切削轨迹和定向影响指标大于预设阈值的截齿；

基于所述围岩强度象限分布，进行偏孔行为分析，生成偏孔特征；

若所述偏孔特征为局部偏孔，以纠正局部偏孔为目标，通过所述局部截齿负载自适应控制模块对所述关键截齿执行截齿单位切削力的调控；

若所述偏孔特征为全局方向偏孔，以纠正全局偏孔为目标，利用全局方向控制模块执行方向调节机构的调节参数匹配后进行钻进方向和速度的调控。

2.如权利要求1所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，基于所述应力变化象限分布进行不同象限内应力非均匀性识别，执行应力异常的判断，生成应力异常判断结果，包括：

基于所述钻机钻头的结构特征，构建满足微观非均质性的预设应力非均匀阈值；

基于所述应力变化象限分布进行不同象限内不同截齿位置的应力非均匀指标计算，生成实时应力非均匀指标；

对比所述预设应力非均匀阈值与所述实时应力非均匀指标，执行应力异常的判断，生成所述应力异常判断结果。

3.如权利要求1所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，基于所述应力变化象限分布进行应力分布异常的时间特征比对和空间特征比对，生成双路比对结果，包括：

基于应力变化象限分布进行多个连续时间戳的应力分布异常的时间特征比对，识别应力由正常至异常的实时突变时间特征；

基于应力变化象限分布进行应力异常分布位置的连接识别，生成实时异常位置连接特征；

以所述实时突变时间特征和所述实时异常位置连接特征生成所述双路比对结果。

4.如权利要求3所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，预设双路异常判断逻辑包括基于突变时间特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第一区别逻辑和基于异常位置连接特征的非均质地层和钻机钻头自故障的第二区别阈值。

5.如权利要求1所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，若所述局部截齿负载自适应控制模块匹配到的最优截齿单位切削力不能完全纠正局部偏孔或所述全局方向控制模块匹配到的方向调节机构调节参数不能完全纠正全局方向偏孔，执行调控效果的拟合后确定调控偏差，以另一调控模块对所述调控偏差进行调控参数匹配，生成协同调控参数进行协同控制。

6.如权利要求1所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，所述局部截齿负载自适应控制模块包括位于各个关键截齿的微型液压调节单元和关键截齿调节参数库，以所述关键截齿调节参数库进行局部偏孔的截齿单位切削力匹配后通过微型液压调节单元进行控制；

所述全局方向控制模块包括方向调节机构的调节参数库，以所述调节参数库进行全局方向偏孔的调节参数匹配。

7.如权利要求1所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，其特征在于，所述信号处理组件包括信号放大电路、信号滤波电路和数据分析通道；

所述信号放大电路对所述应力信号数据集进行信号放大处理，所述信号滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，基于滤波后的应力信号数据集进行钻头截面对应象限点编号，构建所述应力变化象限分布；

所述数据分析通道，发送至数据分析通道用于在进行异常触发判别后，将应力变化象限分布转换为围岩强度象限分布，所述数据分析通道通过历史转换数据构建。

8.基于地质反馈信息的防偏孔钻进系统，其特征在于，所述系统用于实施权利要求1-7任一项所述的基于地质反馈信息的防偏孔钻进方法，所述系统包括：

数据集生成模块，用于在钻机钻头的钻进过程中通过预配置的应力传感组件实时监测钻机钻头受到的应力变化，生成应力信号数据集；

象限分布构建模块，用于利用信号处理组件对所述应力信号数据集进行处理，并进行钻头截面对应象限点编号，构建应力变化象限分布；

判别结果生成模块，用于基于所述应力变化象限分布执行非均质地层和钻机钻头自故障的异常触发判别，生成异常触发判别结果；

象限分布生成模块，用于若所述异常触发判别结果为非均质地层触发异常，基于所述应力变化象限分布分析钻孔圆截面不同象限围岩强度，生成围岩强度象限分布；

融合控制模块，用于基于所述围岩强度象限分布进行局部截齿负载自适应控制和方向调节机构全局控制的融合控制。