融合物理约束与符号回归的宽温度—压力域钻井液剪切应力预测方法

来源：石油科学通报杂志2026年第3期北京时间：

作者：陈旺, 李军, 杨宏伟, 柳贡慧, 沈照宇, 石兴

单位：1 中国石油大学(北京)石油工程学院， 北京 1022492 中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院， 克拉玛依 8340003 北京工业大学机械与能源工程学院， 北京 100124

摘要：超深井钻井液在宽温度—压力域条件下的流变行为难以用单一流变模型表征。现有方法通常按温度区间选用不同流变模型并分别回归流变参数，导致流变参数在分段温度处出现不连续的跳变，影响井筒压力计算精度。针对上述问题，本文配置了油基和水基2种类型共4种密度的钻井液体系，在20~200 ℃、0.1~200 MPa范围内开展了195组温度—压力工况的流变实验，共获取1170个剪切应力数据点。归纳出剪切应力随温度、压力和剪切速率变化的4条基本规律，据此提炼出涵盖剪切稀释特性、温压单调性、温压与剪切速率耦合效应及温度与压力相对影响程度的7项物理约束条件。在此基础上，针对标准遗传编程—符号回归方法搜索空间大、缺乏物理约束、单一误差度量对低剪切速率区不敏感3方面不足，提出注入经典本构模型骨架种子、嵌入动态加权物理约束惩罚项和构建多分量损失函数3项改进。建立了以温度、压力和剪切速率为自变量的剪切应力预测公式。该公式由屈服应力项、黏性流动项和温压耦合项3部分组成，搜索数据集和独立验证集的决定系数分别为0.9933和0.9948，平均相对误差分别为6.51%和6.21%，7项物理约束综合满足率达99.28%。采用固定公式结构、重拟合系数的迁移策略在另外5种不同类型和密度的钻井液体系上验证，各体系验证集平均相对误差为7.81%~9.70%，跨体系变异系数为0.069。将该公式应用于井筒压力计算流程，2口超深井验证表明，平均绝对误差由分段流变模式法的0.56~2.06 MPa降至0.19~1.27 MPa，降幅38%~66%，并将分段温度处的单位摩阻突变由约38%降至不足0.1%。

关键词：超深井,钻井液流变性,符号回归,物理约束,剪切应力预测,跨体系迁移,井筒压力计算

基金资助：国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“钻井复杂工况井下实时智能识别系统研制”(52227804);国家重点研发计划项目“陆上超深油气井井喷防控关键技术装备及示范应用”(2023YFC3009200);国家自然科学基金联合基金项目“特深井复杂温压场测量与井筒压力剖面控制基础研究”(U22B2072);国家自然科学基金面上项目“超深复杂地层溢流智能识别与关井—压井一体化调控方法”(52474018)