基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法及系统

本发明涉及岩石取心，具体为基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法及系统。

背景技术：

1、深部地层多向保真取心是指在倾斜井、水平井、仰斜井及井眼轨迹条件下，将岩心连续导入取心内筒，并在后续触发、密封和回收过程中尽量保持岩心的原位压力、温度、组分、含液状态及结构完整性；由于取心工具的井斜角、方位角和工具面角不断变化，重力相对于工具轴向及周向的作用关系也随之改变，岩心在进入内筒时容易产生低边贴靠、偏心摩擦、局部卡滞或挤压破碎；现有作业中，通常根据钻压、扭矩、转速、泵压、排量、取心进尺、振动及工具姿态等参数判断岩心是否正常进入、是否接近取满以及是否存在卡堵风险，并根据判断结果进行钻进参数调整、停钻或报警。

2、然而，岩性变化引起的切削载荷、钻井液阻力、钻具振动与岩心在内筒入口处产生的单侧摩擦响应往往相互叠加，相同的钻压、扭矩或振动变化可能分别对应正常切削增载、岩心偏心进入或局部卡阻，现有方法难以准确判断异常响应的真实来源；同时，在不同井斜和工具姿态下，岩心的正常贴壁位置及受阻特征存在差异，若仍采用统一的参数范围或固定判据，容易将水平井低边的正常接触误判为异常受阻，或者遗漏仰斜条件下的回退、掉心及破碎风险；此外，取心工具持续旋转且转速存在波动，有限测点获得的离散信号难以连续反映内筒入口的实际受阻方位，并且执行机构从接收指令到产生机械作用还存在电磁响应和机械行程滞后，可能造成实际作用位置与目标受阻位置偏离，影响异常处置效果，降低岩心收获率、完整性及后续保真作业的可靠性。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法，包括：

3、获取取心作业的随钻在线感知数据并提取时间序列信号、频谱特征和磁场强度，构建轴向传播描述符；

4、采用交叉注意力机制构建多模态融合模型，将所述时间序列信号和所述频谱特征进行对齐融合，结合所述轴向传播描述符进行来源特征解耦，分离钻头切削源成分和入口摩擦源成分并识别钻遇岩石的岩性；

5、基于所述磁场强度计算工具面角，将所述入口摩擦源成分投射至周向角度单元，建立周向受阻分布场，识别岩心进入内筒的顺畅度；

6、获取电磁致动器的作用时序和周向作用特征并评估动作延迟时间，利用所述动作延迟时间对周向受阻分布场进行旋转相位前馈补偿，生成预测受阻场；将所述预测受阻场与电磁致动器的周向作用特征进行匹配，结合所述岩性和所述顺畅度输出脉冲宽度调制控制信号调节所述电磁致动器的电流，实现对多向保真取心方向的调整。

7、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：所述获取取心作业的随钻在线感知数据并提取时间序列信号、频谱特征和磁场强度包括，沿钻具轴向设置第一感知区和第二感知区，并同步采集第一感知区和第二感知区的随钻在线感知数据；所述随钻在线感知数据包括钻压信号、扭矩信号、声发射信号、钻井液压力信号以及磁场信号；记录所述随钻在线感知数据的轴向位置、周向安装角度和采集时刻；

8、按照相同时间窗口对所述钻压信号、所述扭矩信号、所述声发射信号以及所述钻井液压力信号进行分段，得到时间序列信号；对所述时间序列信号进行频域变换，计算各频带的能量和相位，得到频谱特征；提取所述随钻在线感知数据中的磁场信号并计算磁场强度。

9、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：所述构建轴向传播描述符包括，将第一感知区和第二感知区中时间窗口相同且周向安装角度相同的时间序列信号组成轴向信号对；对所述轴向信号对进行互相关计算，得到感知区之间的响应时延，并计算所述轴向信号对的频带能量比值、频谱相位差和包络相关系数；

10、根据所述响应时延的正负方向生成轴向传播方向；所述轴向传播方向包括钻头切削传播方向和入口摩擦传播方向；将所述响应时延、频带能量比值、频谱相位差、包络相关系数和轴向传播方向进行组合，生成轴向传播描述符。

11、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：所述分离钻头切削源成分和入口摩擦源成分并识别钻遇岩石的岩性包括，利用多模态融合模型分别对时间序列信号和频谱特征进行特征编码，按照时间窗口、轴向位置和周向安装角度进行特征对齐，得到时序特征序列和频谱特征序列；计算所述时序特征序列与所述频谱特征序列之间的原始交叉注意力得分并对所述频谱特征序列进行加权，将加权后的频谱特征序列与所述时序特征序列进行融合，得到融合特征；

12、将所述轴向传播描述符转换为传播约束矩阵，利用钻头切削传播方向和入口摩擦传播方向对应的传播约束矩阵修正所述原始交叉注意力得分，得到钻头切削来源权重和入口摩擦来源权重；

13、利用所述钻头切削来源权重和所述入口摩擦来源权重对融合特征进行加权，得到钻头切削源成分和入口摩擦源成分；将两个源成分叠加后重构第一感知区和第二感知区的响应信号，计算重构信号与原始信号之间的重构差值，根据所述重构差值更新钻头切削来源权重和入口摩擦来源权重；

14、将更新后的钻头切削源成分输入岩性分类器，计算所述钻头切削源成分与各岩性样本特征之间的匹配值，选取匹配值最大的岩性类别作为钻遇岩石的岩性。

15、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：所述建立周向受阻分布场，识别岩心进入内筒的顺畅度包括，基于所述磁场强度，从所述磁场信号中提取钻具横截面内相互正交的磁场分量并进行反正切计算，得到工具面角；将所述工具面角与产生入口摩擦源成分的周向安装角度相加，并将相加结果转换至一个圆周角度区间，得到入口摩擦源成分的实际周向角度；

16、将内筒入口圆周等分为多个周向角度单元，按照实际周向角度将入口摩擦源成分写入相应周向角度单元，并构建当前记录；所述当前记录包括入口摩擦源成分、受阻观测值、入口摩擦来源权重、观测时刻以及由岩性、钻压、扭矩和钻井液压力组成的工况向量；对于同一周向角度单元的新旧观测，计算新旧工况向量之间的工况距离；当所述工况距离位于预设工况距离区间内时，根据新旧观测的入口摩擦来源权重和观测时刻计算加权值，并利用所述加权值更新相应周向角度单元的当前记录；当所述工况距离位于预设工况距离区间外时，根据新观测更新当前记录；

17、按照圆周次序排列各周向角度单元的当前记录，将未写入当前记录的周向角度单元标记为空缺单元；对两侧相邻单元均具有当前记录且工况距离位于预设工况距离区间内的空缺单元进行插值，得到各周向角度单元的受阻表征值，形成周向受阻分布场；

18、计算各受阻表征值的总和、最大值以及超过预设受阻基准值的连续周向角度单元数量，将计算结果输入顺畅度映射表，得到岩心进入内筒的顺畅度。

19、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：所述生成预测受阻场包括，记录历史控制周期内脉冲宽度调制控制指令的发出时刻，采集各电磁致动器的电流上升曲线和关断后的续流衰减曲线，将所述电流上升曲线和续流衰减曲线与预先标定的动作电流特征进行匹配，得到电磁致动器开始动作时刻和机械作用时刻；计算所述机械作用时刻与控制指令发出时刻的时间差，得到动作延迟时间；

20、调取各电磁致动器在不同工具面角和不同电流档位下对应的周向卸载分布和周向增载分布并按照周向角度单元排列，得到电磁致动器的周向作用特征；

21、根据相邻采集时刻的工具面角计算钻具角速度，基于所述钻具角速度与动作延迟时间进行计算，得到旋转补偿角；

22、按照所述旋转补偿角对所述周向受阻分布场进行圆周平移，并根据周向受阻分布场中受阻表征值的变化率更新圆周平移后的受阻表征值，生成预测受阻场。

23、作为本发明所述的基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制方法的一种优选方案，其中：将所述预测受阻场与电磁致动器的周向作用特征进行匹配，结合所述岩性和所述顺畅度输出脉冲宽度调制控制信号调节所述电磁致动器的电流包括，将预测受阻场中各周向角度单元的受阻表征值按照圆周次序排列，组成受阻向量；将各电磁致动器的周向卸载分布和周向增载分布按照相同圆周次序排列，分别组成卸载向量和增载向量；

24、分别计算所述受阻向量与各卸载向量的重合量，以及所述受阻向量与各增载向量的重合量；计算卸载重合量与增载重合量的加权差值，得到各电磁致动器的匹配值，并按照匹配值对各电磁致动器进行排序；

25、选取匹配值排序位于预设数量范围内且卸载重合量大于增载重合量的电磁致动器；根据岩性和顺畅度从控制参数表中调取目标受阻降幅，根据目标受阻降幅、电磁致动器的匹配值及电流作用系数计算目标电流；

26、计算目标电流与实际电流的电流差值，根据所述电流差值从占空比映射表中查找脉冲宽度调制占空比，生成脉冲宽度调制控制信号。

27、一种基于多模态感知的多向保真取心智能识别控制系统，其中：

28、多模态信号模块，获取取心作业的随钻在线感知数据并提取时间序列信号、频谱特征和磁场强度，构建轴向传播描述符；

29、岩性解耦识别模块，采用交叉注意力机制构建多模态融合模型，将所述时间序列信号和所述频谱特征进行对齐融合，结合所述轴向传播描述符进行来源特征解耦，分离钻头切削源成分和入口摩擦源成分并识别钻遇岩石的岩性；

30、取心顺畅评估模块，基于所述磁场强度计算工具面角，将所述入口摩擦源成分投射至周向角度单元，建立周向受阻分布场，识别岩心进入内筒的顺畅度；

31、多向保真取心模块，获取电磁致动器的作用时序和周向作用特征并评估动作延迟时间，利用所述动作延迟时间对周向受阻分布场进行旋转相位前馈补偿，生成预测受阻场；将所述预测受阻场与电磁致动器的周向作用特征进行匹配，结合所述岩性和所述顺畅度输出脉冲宽度调制控制信号调节所述电磁致动器的电流，实现对多向保真取心方向的调整。

32、一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。

33、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现本发明中任一项所述的方法的步骤。

34、本发明的有益效果：本发明通过构建轴向传播描述符并将其作为矩阵约束交叉注意力模型，实现钻头切削与内筒入口摩擦信号的解耦，有效滤除硬岩切削振动带来的载荷干扰，提升岩心受阻状态的识别精度。结合磁场强度将摩擦成分投射至空间网格，利用工况距离度量进行异步状态隔离与插值，降低井下转速波动导致的空间采样畸变，重构出高保真的周向受阻分布场。通过提取关断续流评估机械动作延迟，结合钻具角速度进行旋转相位前馈补偿，并将预测受阻场与致动器的周向增卸载分布进行空间重合量匹配计算，降低钻具自转下纠偏滞后导致的方向错位。实现在井下工况中精准捕捉受阻方位并实施匹配纠偏，避免盲目推挤造成的岩心二次破碎，提升了深部地层原位多向保真取心的成功率与智能化水平。