СИСТЕМА СТАТИСТИЧЕСКОГО И НЕЙРОСЕТЕВОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ ТЕЛЕМЕТРИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ
SYSTEM FOR STATISTICAL AND NEURAL NETWORK ANALYSIS OF TELEMETRY DATA OF OIL-FIELD OBJECTS

Система статистического и нейросетевого анализа данных телеметрии нефтепромысловых объектов (НПО) предназначена для статистической обработки и агрегирования данных, полученных с систем телеметрии, и получения информации, пригодной для решения задач регулирования технологических процессов. Система представляет собой аналитический инструмент, предоставляющий пользователю системы доступ к информации в удобном для восприятия виде.
Изобретение относится к области вычислительной техники, применяемой в нефтяной промышленности, а именно к информационным системам автоматизации управления нефтедобывающего предприятия.
В качестве прототипа выбрана «Система автоматизации выбора и статистического анализа данных» (патент РФ на полезную модель №123557). Система предназначена для выбора, обработки и администрирования доступа к информации, содержащейся в одной или нескольких базах данных, имеющих различную структуру и форму представления.
Система, близкая по своей структуре и функциональному назначению предлагаемому изобретению, предусматривает доступ к данным, хранящимся в базе данных, использует алгоритмы математического анализа, имеет возможность построения и сохранения отчетов на компьютер пользователя. К недостаткам данной системы можно отнести осуществление математических расчетов на клиентском компьютере, что влечет за собой передачу большого объема данных с серверного компьютера на компьютер клиента, а также необходимость установки на клиентский компьютер дополнительного программного обеспечения. Данная система также не предоставляет инструментов взаимодействия пользователя с топографической картой, в частности возможности выбора на карте необходимых для анализа объектов.
Задачи, на решение которых направлено предлагаемое изобретение - создание системы статистической обработки, агрегирования и визуализации средствами web-приложения данных (плотность, температура, объем, давление, расход технологических жидкостей и т.д.), полученных с систем телеметрии, с целью получения информации, пригодной для решения задач регулирования технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что система статистического и нейросетевого анализа данных телеметрии нефтепромысловых объектов, включающая блок выбора данных, базу данных хранения телеметрической информации, блок настройки списков пользователей, блок обработки запросов параметров, блок построения отчетов, блок нейросетевого анализа, блок расчета математического ожидания, блок расчета среднеквадратического отклонения, блок расчета асимметрии, блок расчета корреляции, блок отображения графиков, блок отображения векторов взаимовлияния, блок отображения матрицы Мериленда, блок отображения тепловой карты, согласно изобретению дополнительно включает базу данных справочной информации, блок обработки картографических параметров, блок подготовки необработанных данных, блок подготовки нормированных данных, блок подготовки данных в логарифмических координатах, блок подготовки данных для математических расчетов, блок редактирования параметров расчета, блок расчета параметров нефтедобычи, причем блок обработки запросов параметров односторонней связью соединен с базой данных хранения телеметрической информации, блок обработки запросов параметров двусторонней связью соединен с базой данных справочной информации, блок обработки картографических параметров односторонней связью соединен с базой данных хранения телеметрической информации, блок обработки картографических параметров двусторонней связью соединен с базой данных справочной информации, база данных хранения телеметрической информации односторонней связью соединена с блоком выбора данных, блок выбора данных односторонней связью соединен с блоком подготовки необработанных данных, блоком подготовки нормированных данных, блоком подготовки данных в логарифмических координатах, блоком подготовки данных для математических расчетов, блок подготовки необработанных данных односторонней связью соединен с блоком отображения графиков, блок подготовки нормированных данных односторонней связью соединен с блоком отображения графиков, блок подготовки данных в логарифмических координатах односторонней связью соединен с блоком отображения графиков, база данных справочной информации двусторонней связью соединена с блоком настройки списков пользователей, блоком редактирования параметров расчетов, блоком редактирования параметров нефтедобычи, база данных справочной информации односторонней связью соединена с блоком расчета корреляции, блок подготовки данных для математических расчетов односторонней связью соединен с блоком нейросетевого анализа, блоком расчета математического ожидания, блоком расчета среднеквадратического отклонения, блоком расчета асимметрии, блоком расчета корреляции, блок нейросетевого анализа односторонней связью соединен с блоком отображения векторов взаимовлияния, блок расчета математического ожидания односторонними связями соединен с блоком отображения матрицы Мериленда и блоком отображения тепловой карты, блок расчета среднеквадратического отклонения односторонними связями соединен с блоком отображения матрицы Мериленда и блоком отображения тепловой карты, блок расчета асимметрии односторонними связями соединен с блоком отображения матрицы Мериленда и блоком отображения тепловой карты, блок расчета корреляции односторонними связями соединен с блоком отображения матрицы Мериленда и блоком отображения тепловой карты, блок отображения графиков односторонней связью соединен с блоком построения отчетов, блок отображения векторов взаимовлияния односторонней связью соединен с блоком построения отчетов, блок отображения матрицы Мериленда односторонней связью соединен с блоком построения отчетов, блок отображения тепловой карты односторонней связью соединен с блоком построения отчетов.
Возможность доступа к системе с любого компьютера корпоративной сети без установки на него дополнительного программного обеспечения достигается использованием в разработке приложения веб-технологий. Серверная часть представляет собой веб-приложение на основе технологии Liferay Portal; базу данных телеметрии и базу данных справочной информации (СИ), построенных на основе системы управления базами данных Oracle Database; а также набор процедур на языке PL/SQL в рамках базы данных Oracle, осуществляющих все операции над данными. Клиентская часть системы представляет собой автоматизированное рабочее место, позволяющее конечному пользователю производить взаимодействие с системой: вводить параметры для запуска процедур статистического анализа и получать результаты расчетов с помощью визуальных форм. Данный подход позволяет не предъявлять к компьютеру пользователя высоких требований по производительности, так как все вычисления производятся на сервере.
Возможность производить все математические расчеты на сервере достигается реализацией всех расчетных блоков в серверной части приложения в рамках базы данных. Пользователь получает только результаты расчетов, что позволяет сократить время передачи информации от серверной части приложения к клиентской.
На фигуре 1 представлена схема системы статистического и нейросетевого анализа данных телеметрии нефтепромысловых объектов, которая состоит из следующих блоков:
1. Блок обработки запросов параметров,
2. Блок обработки картографических параметров,
3. База данных хранения телеметрической информации,
4. База данных справочной информации,
5. Блок выбора данных,
6. Блок подготовки необработанных данных,
7. Блок подготовки нормированных данных,
8. Блок подготовки данных в логарифмических координатах,
9. Блок подготовки данных для математических расчетов,
10. Блок нейросетевого анализа,
11. Блок расчета математического ожидания,
12. Блок расчета среднеквадратического отклонения,
13. Блок расчета асимметрии,
14. Блок расчета корреляции,
15. Блок отображения графиков,
16. Блок отображения векторов взаимовлияния,
17. Блок отображения матрицы Мериленда,
18. Блок отображения тепловой карты,
19. Блок построения отчетов,
20. Блок настройки списков пользователей,
21. Блок редактирования параметров расчетов,
22. Блок редактирования параметров нефтедобычи.
Блок обработки запросов параметров (1) представляет собой набор визуальных форм: списки скважин, параметров добычи с возможностью выбора необходимых элементов, дополнительных расчетных параметров, формы для ввода дат.
Блок обработки картографических параметров (2) представляет собой топографическую карту с возможностью выбора скважин кликом мыши по конкретной скважине или выделением участка для выбора сразу группы скважин.
База данных (БД) хранения телеметрической информации (3) представляет собой базу хранилище данных телеметрии. Данное хранилище организовано по принципу хранения всех поступающих значений без какой-либо предварительной обработки.
База данных (БД) справочной информации (4) представляет собой базу данных, где хранится набор возможных параметров расчетных алгоритмов; список параметров нефтедобычи, участвующих в расчетах; технологические схемы, хранящие информацию о скважинах поддержания пластового давления, находящихся на одной напорной линии; информацию о пользователях системы, их правах доступа к ней.
Блок выбора данных (5) представляет собой набор серверных процедур для выбора данных из БД хранения телеметрической информации (3) в соответствии с параметрами, определенными пользователем в Блоке обработки запросов параметров (1) и Блоке обработки картографических параметров (2).
Блок подготовки необработанных данных (6) - серверная процедура, предназначенная для фильтрации данных. Фильтрация данных представляет собой выборочное удаление точек, так чтобы при отображении полученных данных на графике характер кривой сохранялся.
Блок подготовки нормированных данных (7) представляет собой серверную процедуру для фильтрации и нормирования временных рядов.
Блок подготовки данных в логарифмических координатах (8) представляет собой серверную процедуру, предназначенную для фильтрации и преобразования данных в логарифмические координаты.
Блок подготовки данных для математических расчетов (9) представляет собой набор серверных процедур, предназначенных для предварительной обработки и форматирования данных телеметрии. Подготовка данных включает в себя построение кросс-таблиц, сортировку, фильтрацию и агрегирование данных.
Блок нейросетевого анализа (10) представляет собой серверную процедуру. Данная процедура использует нейросетевые алгоритмы классификации объектов по схожести происходящих на них процессов на заданном промежутке времени.
Блок расчета математического ожидания (11) представляет собой серверную процедуру для расчета математического ожидания значений выборки. В качестве оценки математического ожидания выборки используется среднее арифметическое.
Блок расчета среднеквадратического отклонения (12) представляет собой серверную процедуру для расчета среднеквадратического отклонения значений выборки. Среднеквадратическое отклонение представляет собой величину рассеивания значений выборки относительно ее математического ожидания.
Блок расчета асимметрии (13) представляет собой серверную процедуру для расчета коэффициента асимметрии значений выборки. Данная величина определяет величину асимметрии распределения данных.
Блок расчета корреляции (14) выполняет функцию вычисления коэффициентов корреляции для пары параметров нефтедобычи или для одного параметра на различных скважинах с целью выявления несогласованности поведения технологически связанных параметров на определенном промежутке времени. Процедура позволяет вычислять коэффициент корреляции Пирсона: , коэффициент ранговой корреляции Спирмена: , где d - разности рангов каждой пары сопоставляемых значений.
Блок отображения графиков (15) представляет собой форму представления данных, полученных в ходе предварительной подготовки Блоком подготовки необработанных данных (6), Блоком подготовки нормированных данных (7) и Блоком подготовки данных в логарифмических координатах (8).
Блок отображения векторов взаимовлияния (16) является формой представления результатов расчетов Блока нейросетевого анализа (10) и представляет собой топографическую карту с векторами схожести, найденными в результате расчетов.
Блок отображения матрицы Мериленда (17) - форма представления результатов расчетов и представляет собой иерархическую матрицу прямоугольников, размер которых пропорционален величине значений вычисленных параметров.
Блок отображения тепловой карты (18) представляет собой форму представления результатов расчетов. Тепловая карта - отображение вычисленных параметров на топографической карте в виде цветовых пятен, пропорциональных величине вычисленного параметра.
Блок построения отчетов (19) - серверная процедура формирования документа в формате .pdf, сохраняющая результаты расчетов на компьютер пользователя.
Блок настройки списков пользователей (20) представляет собой серверную процедуру управления списком пользователей и их правами на работу с системой. Данный блок позволяет добавлять, удалять пользователей системы и редактировать их права на доступ к модулям системы.
Блок редактирования параметров расчетов (21) представляет собой серверную процедуру управления набором параметров, используемых в модуле математических расчетов. Данный блок позволяет редактировать, добавлять и удалять параметры, используемые для расчетов.
Блок редактирования параметров нефтедобычи (22) представляет собой серверную процедуру управления набором параметров нефтедобычи, участвующих в работе процедур модуля математических расчетов. Данный блок позволяет редактировать, удалять и добавлять новые параметры нефтедобычи для получения возможности производить расчеты для данных, поступающими по этим параметрам.
Для удобства представления в описание вводятся следующие части и модули, имеющие формальный характер:
- Модуль администрирования, включающий Блок настройки списков пользователей (20), Блок редактирования параметров расчетов (21), Блок редактирования параметров нефтедобычи (22),
- Модуль подготовки данных, объединяющий Блок подготовки необработанных данных (6), Блок подготовки нормированных данных (7), Блок подготовки данных в логарифмических координатах (8), Блок подготовки данных для математических расчетов (9),
- Модуль математических расчетов, включающий Блок нейросетевого анализа (10), Блок расчета математического ожидания (11), Блок расчета среднеквадратического отклонения (12), Блок расчета асимметрии (13), Блок расчета корреляции (14),
- клиентская часть, объединяющая Блок обработки запросов параметров (1), Блок обработки картографических параметров (2), Модуль администрирования, Блок отображения графиков (15), Блок отображения векторов взаимовлияния (16), Блок отображения матрицы Мериленда (17), Блок отображения тепловой карты (18), Блок построения отчетов (19),
- серверная часть с БД хранения телеметрической информации (3), БД справочной информации (4), Блоком выбора данных (5), Модулем подготовки данных и Модулем математических вычислений.
Общий алгоритм работы системы может быть описан следующим образом.
Пользователь посредством взаимодействия с системой через Блок обработки запросов параметров (1) и Блок обработки картографических параметров (2) получает из БД справочной информации (4) набор возможных параметров для произведения расчетов и выбирает необходимые - задает временной интервал для анализа, выбирает из списка (или на топографической карте) набор скважин, параметры нефтедобычи, а также указывает необходимые параметры для расчетных методов. Блок выбора данных (5) производит выбор данных из БД хранения телеметрической информации (3) в соответствии с введенными пользователем параметрами.
Для построения графиков расчетов требуется предварительная обработка данных, осуществляемая Модулем подготовки данных. Подготовка необработанных данных осуществляется Блоком подготовки необработанных данных (6). Подготовка данных для построения нормированных графиков осуществляется Блоком подготовки нормированных данных (7). Подготовка данных для построения логарифмических графиков осуществляется Блоком подготовки данных в логарифмических координатах (8). Построение описанных графиков на экране пользователя осуществляется в Блоке отображения графиков (15).
Для осуществления математических расчетов требуется предварительная обработка данных, осуществляемая Блоком подготовки данных для математических расчетов (9). Далее, в соответствии с заданными пользователем параметрами метода расчета, подготовленные данные поступают в один из следующих блоков: Блок нейросетевого анализа (10), Блок расчета математического ожидания (11), Блок расчета среднеквадратического отклонения (12), Блок расчета асимметрии (13), Блок расчета корреляции (14).
Блок нейросетевого анализа (10) использует данные по объемам закачки и добычи жидкости на скважинах, относящихся к определенному участку на определенном промежутке времени. На выходе расчетная процедура формирует коэффициенты схожести по каждой паре скважин на основе анализа происходящих процессов. Полученные результаты отображаются в Блоке отображения векторов взаимовлияния (16) на топографической карте в виде наложения на базовые объекты векторов, толщина которых пропорциональна величине вычисленного коэффициента.
Следующие блоки производят расчет соответствующей статистики для группы скважин на заданном промежутки времени: Блок расчета математического ожидания (11), Блок расчета среднеквадратического отклонения (12), Блок расчета асимметрии (13), Блок расчета корреляции (14). Вывод результатов работы данных блоков производится Блоком отображения матрицы Мериленда (17) и Блоком отображения тепловой карты (18).
Блок расчета корреляции (14) использует справочную информацию из БД справочной информации (4), а именно технологические схемы скважин поддержания пластового давления, находящихся на одной напорной линии.
Блок построения отчетов (19) осуществляет формирование отчетов по данным, полученным в результате работы следующих блоков: Блока отображения графиков (15), Блока отображения векторов взаимовлияния (16), Блока отображения матрицы Мериленда (17) и Блока отображения тепловой карты (18). Полученная с помощью перечисленных блоков информация сохраняется в документе в виде статического изображения. Также документ содержит все параметры произведенного расчета, заданные пользователем системы.
Управление параметрами работы системы осуществляется через Модуль администрирования. Только администратор имеет доступ к управлению данным модулем. Блок настройки списков пользователя (20) позволяет добавлять, удалять пользователей системы и редактировать их права на доступ к модулям системы. Блок редактирования параметров расчетов (21) позволяет редактировать, добавлять и удалять параметры, используемые для расчетов. Блок редактирования параметров нефтедобычи (22) позволяет редактировать, удалять и добавлять новые параметры нефтедобычи для получения возможности производить расчеты для данных, поступающих по этим параметрам. Редактируемые в модуле администрирования данные хранятся в БД справочной информации (4).
Система предоставляет пользователю следующие возможности анализа данных:
1. Возможность доступа к системе с любого компьютера корпоративной сети без установки на него дополнительного программного обеспечения.
2. Возможность передавать на клиентский компьютер только результаты математических расчетов без передачи полного объема данных.
3. Использование топографической карты НПО с возможностью выбора объектов на карте для проведения математических расчетов по данным с этих объектов.
4. Представление агрегированных данных с систем телеметрии в удобном для восприятия виде, что позволяет оперативно отслеживать изменения в работе систем телеметрии и изменения процессов, протекающих на объектах добычи.
5. Отображение данных на графиках, для оценки совместной динамики поведения показателей.
6. Предоставление информации для выявления отказов в работе оборудования НПО и сбоев в работе систем телеметрии в результате вычисления корреляции по давлению для скважин поддержания пластового давления, находящихся на одной напорной линии.
7. Предоставление информации для выявления отказов в работе оборудования нефтепромысловых объектов НПО и сбоев в работе систем телеметрии в результате вычисления корреляции по парам согласованных параметров.
8. Предоставление информации о взаимовлиянии между скважинами для решения задач регулирования технологических процессов, на основе нейросетевого анализа данных с систем телеметрии.