抽油井动液面软测量方法研究及实现

摘要

软测量技术是解决复杂测量任务、实现难测变量在线估计的一种有效方法。抽油井动液面是油田采油过程中指导生产的关键参数之一，由于其位于数千米的井下，测量较为困难，是典型的复杂测量对象。实现在线抽油井动液面软测量对有效采油工艺措施的及时更新和提高采油技术具有重要意义。本文以油田实际生产工业过程为背景，将软测量理论引入油井动液面测量中，对基于软测量建模的油井动液面预测方法进行了深入研究，并对其在油田实际生产过程中油井动液面预测的应用进行了探讨和实践。本文的主要研究工作如下: (1)为保证油田生产现场所采集数据的准确性，提出了一种基于平方加权预测误差的迭代主元分析的传感器故障诊断方法。软测量建模需要借助辅助变量计算主导变量，故辅助变量数据的准确性是保证模型预测能力的关键。油田生产现场多位于野外，工作环境恶劣，传感器故障率较高，为此所提出的传感器故障诊断算法将迭代主元分析方法与平方加权预测误差的故障辨识方法相结合，克服了传统主元分析方法随着生产模型的动态变化而产生漏判、误判的问题。通过在不同残差空间中对故障进行分析，提高了系统对于故障发生判断的灵敏度。 (2)提出了基于黑洞的最小二乘支持向量机的油井动液面软测量方法。为提高模型训练的有效性，由生产工艺分析油井动液面的相关参数，选择合理的辅助变量。软测量模型采用基于所需样本少且泛化能力强的最小二乘支持向量机方法建立，并采用黑洞算法对建模过程中的惩罚系数C和径向基核函数参数σ进行优化选择。该算法寻优精度高，收敛速度快，又不易陷入局部最优，能够防止“早熟”和欺骗现象的发生。更为重要的是，该算法不需要设置任何主观参数，从而降低了优化算法本身对软测量建模的影响。 (3)提出了基于子空间相似度即时学习策略的软测量模型更新方法。采油生产过程是一个动态过程，软测量模型在运行过程中必须进行模型更新，建模数据的选取十分重要;而影响油田生产过程的因素较多，其异常数据会导致软测量模型性能变差。为了避免异常数据对软测量模型统计特性的干扰，通过对以往建模数据选取方法的分析，提出采用一段时期的生产数据作为对比的依据，进行子空间相似度计算，可以提高建模样本选取的准确性。采用两个记忆参数判断当前生产工况与模型计算工况的相似程度，选取子空间相似的样本进行软测量模型的更新。 (4)为提高软测量输出的适用性，提出了一种油井动液面的自适应软测量方法进行模型的校正。为适应油田动态的生产过程，首先将辅助变量由经验模态分解方法进行分解，分为趋势值和波动值两部分，采用趋势值预测动液面，波动值预测补偿误差，将动液面预测值与补偿值相加得到最终动液面值;将软测量模型输出设为软传感器输出，通过基于平方加权预测误差指标方法对模型输出进行评估，根据结果判定模型的有效性，以自适应的方式动态更新模型，从而跟随动态的生产过程。 (5)将本文所研究的内容应用于实际生产中，完成了油井动液面软测量系统的设计和现场测试。该系统包括两个主要部分:软件系统和硬件系统。其中，软件系统主要包括数据预处理模块、传感器故障诊断模块、动液面软测量算法模块、模型更新模块等，可以实现数据备份、传感器故障检测、动液面数据输出、实时监控等功能;硬件系统主要包括监控与软测量计算机、检测装置和过程控制网络等，可以实现电气、仪表、计算机系统的集成。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2抽油井动液面测量方法现状

1．2．1仪器测量动液面

1．2．2压力测量动液面

1．2．3示功图测量法

1．3软测量技术实现过程

1．3．1辅助变量的选择

1．3．2数据选择与预处理

1．3．3软测量建模方法

1．3．4软测量模型校正方法

1．4油田生产中软测量技术相关算法应用及存在的主要问题

1．5本文主要工作

第2章基于传感器故障诊断的建模数据处理

2．2．1 PCA基本原理

2．2．2仿真实验

2．3基于平方加权预测误差的迭代PCA(SWE-IPCA)方法

2．3．1迭代PCA(IPCA)算法

2．3．2基于SWE的传感器故障诊断

2．3．3基于SWE-IPCA的传感器故障诊断方法实现

2．3．4仿真验证

2．4本章小结

第3章基于BH-LSSVM的抽油井动液面软测量静态建模

3．1 SVM理论

3．2 LSSVM理论

3．3 BH算法

3．3．1 BH算法理论基础

3．3．2 BH-LSSVM算法的实现

3．4仿真验证

3．5基于BH-LSSVM的动液面软测量仿真研究

3．5．1辅助变量的选择

3．5．2仿真研究

3．6本章小结

第4章基于子空间相似度即时学习策略的动液面软测量建模

4．1即时学习策略

4．2数据集的相似度分析

4．2．1基于距离的相似度计算方法

4．2．2基于T2和Q统计量的相似度计算方法

4．2．3基于子空间相关性的相似度计算方法

4．3基于递推的LSSVM模型的更新

4．3．1模型的在线递增更新

4．3．2模型的在线递减更新

4．4基于子空间相似度计算的JIT建模方法实现

4．5实例验证

4．6本章小结

第5章油井动液面的自适应软测量方法研究

5．1基于EMD方法的辅助变量分解

5．1．1 EMD方法

5．1．2辅助变量分解

5．2动液面的自适应软测量建模

5．2．1评价算法及模型校正

5．2．2算法流程及实现步骤

5．3仿真验证

5．3．1仿真实验一

5．3．2仿真实验二

5．4本章小结

第6章抽油井动液面软测量技术的实现

6．1油井动液面软测量监测系统

6．1．1系统总体设计

6．1．2硬件系统集成及设计

6．1．3软件系统功能模块设计

6．1．4动液面软测量算法实现

6．2动液面软测量系统应用

6．3本章小结

第7章结论与展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间的主要工作及成果

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