劉敬東　孫彥輝　高國(guó)忠

摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位顯著提高。石油也是我國(guó)能源的重要組成部分。而石油開采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為保證石油開采的安全、高效進(jìn)行，在油田生產(chǎn)過(guò)程中建立了相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。但是在油田生產(chǎn)過(guò)程總會(huì)出現(xiàn)一些故障，不但影響了油田生產(chǎn)進(jìn)度還造成了人力和物力的浪費(fèi)。因此，基于數(shù)據(jù)的油田生產(chǎn)過(guò)程中的多故障診斷方法的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文章先對(duì)油田生產(chǎn)過(guò)程中故障診斷技術(shù)的概述，再具體研究基于數(shù)據(jù)的油田生產(chǎn)過(guò)程中的多故障診斷方法。

關(guān)鍵詞 基于數(shù)據(jù)；油田生產(chǎn)；多故障；診斷方法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）14-0094-02

石油開采是一項(xiàng)復(fù)雜而又艱苦的工作，開采過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響和制約，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題都會(huì)對(duì)整體工程造成嚴(yán)重的影響。由于油田環(huán)境復(fù)雜、生產(chǎn)條件艱苦，生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)設(shè)備隨時(shí)都會(huì)發(fā)生故障，為保證生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行，避免造成較為嚴(yán)重的損失，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備進(jìn)行故障診斷。早期油田生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備故障的診斷完全是由人獨(dú)立完成，但是由于油田生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備較多且分散，往往不能及時(shí)診斷并解決，對(duì)油田生產(chǎn)造成了一定的損失。隨著數(shù)字化采油系統(tǒng)的不斷完善，增加了油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)模，加大了故障診斷的難度系數(shù)。隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，以模型為基礎(chǔ)的故障診斷方法和以信號(hào)為基礎(chǔ)的診斷方法是比較常用的故障診斷方法，但是它們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中表現(xiàn)出許多問(wèn)題。因此，多故障診斷方法的研究具有深遠(yuǎn)的影響。

1 基于數(shù)據(jù)的油田生產(chǎn)過(guò)程中的故障診斷方法

1）專家系統(tǒng)故障診斷方法。借助人工智能中的系統(tǒng)知識(shí)和推理技術(shù)模擬該領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的問(wèn)題。專家系統(tǒng)故障診斷方法診斷效率較高，被廣泛的應(yīng)用在故障診斷領(lǐng)域。

2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用近似于大腦神經(jīng)突觸連接的結(jié)構(gòu)分析處理信息。隨著人們對(duì)故障診斷認(rèn)識(shí)的不斷提高，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用到油田生產(chǎn)過(guò)程中的故障診斷中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法主要包含診斷推理和預(yù)測(cè)趨勢(shì)這兩項(xiàng)內(nèi)容。

3）支持向量機(jī)的診斷方法。支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理的模式辨別新方法。支持向量機(jī)的診斷方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以在線工作，適用于樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量較小的診斷中。

4）數(shù)據(jù)挖掘的診斷方法。數(shù)據(jù)挖掘是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)分支，通過(guò)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)的處理，從大量的數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律，以此來(lái)挖掘隱藏較深的知識(shí)和信息。數(shù)據(jù)挖掘的診斷通常包括目標(biāo)描述和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘和目標(biāo)評(píng)估這四項(xiàng)內(nèi)容。

2 油田生產(chǎn)過(guò)程中故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

故障診斷是利用各種測(cè)量方法和監(jiān)測(cè)方法，記錄和呈現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中或者設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常狀況時(shí)立即報(bào)警，診斷和分析已經(jīng)發(fā)生或者即將發(fā)生的故障，為故障的發(fā)生提供依據(jù)。在石油的開采過(guò)程中為保證生產(chǎn)、檢測(cè)設(shè)備的安全、高效運(yùn)行，科學(xué)、有效的故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為基于數(shù)據(jù)的油田的核心技術(shù)，它能夠大大降低生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患，保證油田正常的生產(chǎn)。在油田數(shù)字化建設(shè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸完善，相關(guān)專家、學(xué)者也對(duì)油田生產(chǎn)過(guò)程中的故障診斷進(jìn)行了大量的

研究。

3 迭代多模型的PCA在油田生產(chǎn)故障診斷中的應(yīng)用

PCA是一種較為常用的數(shù)據(jù)降維方法，通過(guò)把相關(guān)數(shù)據(jù)投影到低維空間中，有效提取過(guò)程信息，舍棄多余信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮。隨著數(shù)據(jù)化油田生產(chǎn)的不斷發(fā)展，PCA故障診斷方法中存在較大誤差，為有效減小誤差，專家研制出了迭代多模型的PCA故障診斷方法。首先，依照分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生產(chǎn)措施過(guò)程中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，同時(shí)建立不同工程情況下的PCA模型，縮短了故障檢測(cè)時(shí)間。再其次，針對(duì)分類后的新采樣信息的主要內(nèi)容進(jìn)行分析，利用T2和SPE統(tǒng)計(jì)量監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程。最后，在一切正常的基礎(chǔ)上借助迭代算法改進(jìn)PCA模型，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，如果出現(xiàn)異常情況，則應(yīng)該進(jìn)行故障診斷。

4 基于SWE的迭代PCA在油田生產(chǎn)故障診斷中的應(yīng)用

迭代多模型PCA診斷利用T2和SPE等統(tǒng)計(jì)量完成故障診斷，T2統(tǒng)計(jì)量往往不考慮殘差空間量中涵蓋的故障信息，造成系統(tǒng)不能及時(shí)或者不能發(fā)現(xiàn)某些故障，容易出現(xiàn)故障的遺漏。這兩種統(tǒng)計(jì)量在診斷故障時(shí)有一定的約束，而SWE根據(jù)不同的故障種類建立相應(yīng)的殘差空間，與SPE統(tǒng)計(jì)量相比，SWE能夠充分利用殘差空間中涵蓋的故障信息，提高了故障診斷效率和準(zhǔn)確度。石油開采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，比較容易出現(xiàn)多故障，同時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)隨著工程情況的變化產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，靜態(tài)分析的故障診斷技術(shù)已不能準(zhǔn)確檢測(cè)系統(tǒng)故障。基于SWE的迭代PCA法在有多個(gè)故障發(fā)生的情況下能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定故障所在位置，保證了故障診斷的準(zhǔn)確性。它依照原始數(shù)據(jù)建立離線PCA模型，且確定各參數(shù)值，再對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)故障，則就會(huì)進(jìn)行識(shí)別工作，如果正常運(yùn)行，則PCA模型會(huì)迭代改進(jìn)，具體診斷流程如下。

1）建立PCA模型。對(duì)待測(cè)樣本數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的每一列進(jìn)行處理，確定相應(yīng)的參數(shù)，建立PCA模型。

2）計(jì)算迭代數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。通常為了方便觀測(cè)，迭代數(shù)據(jù)通常由SPE統(tǒng)計(jì)量確定，這主要是因?yàn)镾WE統(tǒng)計(jì)量中，每個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)依照不同的故障方向設(shè)有不同的SWE值。

3）故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。計(jì)算出和不同故障方向?qū)?yīng)的SWE統(tǒng)計(jì)量值，如果SWE統(tǒng)計(jì)量值小于與之相對(duì)應(yīng)的控制限制則設(shè)備運(yùn)行正常，反之則有故障發(fā)生。

4）故障識(shí)別。SWE法能夠依照實(shí)際的工程情況建立相應(yīng)的殘差空間，并在殘差空間中能夠?qū)崿F(xiàn)變量的重新構(gòu)造，找到和故障發(fā)生時(shí)SWE統(tǒng)計(jì)量值相同的故障類型或者組合，在殘差空間中重新構(gòu)造可能發(fā)生的故障，計(jì)算出此時(shí)相對(duì)應(yīng)的SWE值。能夠把SWE值恢復(fù)到控制以下的故障類型或者組合即為發(fā)生故障的位置。

5）改進(jìn)、迭代PCA模型。當(dāng)收集的待測(cè)樣本數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度達(dá)到迭代數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的時(shí)候，舍棄多余、陳舊數(shù)據(jù)，將收集的待測(cè)樣本數(shù)據(jù)添加到建模數(shù)據(jù)中，就會(huì)改進(jìn)、迭代PCA模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

為保證基于數(shù)據(jù)的油田生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備的安全、高效運(yùn)行，應(yīng)該加強(qiáng)多故障診斷方法的研究，改進(jìn)現(xiàn)有的故障診斷方法。本文中基于SWE的迭代多模型PCA的故障診斷技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油田生產(chǎn)的在線監(jiān)控，還能同時(shí)對(duì)多個(gè)故障進(jìn)行診斷，并能確定故障的具體位置，具有較高的診斷效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備和儀器的現(xiàn)代化管理。

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