Diagnóstico das condições de operação e falhas de sensor em poços operando por bombeio mecânico utilizando Machine Learning

dc.contributor.advisorMaitelli, André Laurindo
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-6083-7425pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0477027244297797pt_BR
dc.contributor.authorNascimento, João Maria Araújo do
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-4690-086Xpt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0572726574522312pt_BR
dc.contributor.referees1Cavalcanti, Anderson Luiz de Oliveira
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7224754476792019pt_BR
dc.contributor.referees2Maitelli, Carla Wilza Souza de Paula
dc.contributor.referees3Lima, Fábio Soares de
dc.contributor.referees4Gabriel Filho, Oscar
dc.contributor.referees5Costa, Rutacio de Oliveira
dc.date.accessioned2023-09-16T00:29:10Z
dc.date.available2023-09-16T00:29:10Z
dc.date.issued2023-06-16
dc.description.abstractIn oil fields with many wells operated by sucker-rod pumping, due to the lack of early diagnosis of operational conditions or sensor failures, several problems can go unnoticed. These problems, can lead to significant losses, such as increased downtime, higher operational expenses (OPEX), decreased efficiency and production loss. In practice, the identification and diagnosis of operational conditions are primarily performed based on surface and downhole dynamometer cards, using pre-established patterns and relying on human visual inspection at operation centers. This task consumes a lot of time and effort and requires expertise, as it can be influenced by subjective factors. However, in recent years, with the advancements in Machine Learning (ML) algorithms, several research studies in this field have achieved promising results in diagnosing operational conditions, demonstrating the potential of ML for this purpose. Nevertheless, there are still common doubts regarding the difficulty level of classifying dynamometer cards, the best algorithm, the most suitable shape descriptor, the optimal metrics, and the impact of imbalanced datasets. In pursuit of answers to these questions, this work utilized real data from 38 wells operating via sucker-rod pumping in the Mossoró region, RN, Brazil. Over 50,000 cards were classified by the author of the work and categorized into eight operating modes and two common sensor failures in this field. Seventy-three tests were conducted and divided into nine groups. Three algorithms, namely Decision Tree, Random Forest, and XGBoost, were tested with and without hyperparameters tuning, along with pipelines provided by Automated Machine Learning (AutoML). The descriptors used included Centroid, Fourier, and Wavelet, in addition to the load values from the dynamometer card. Both balanced and imbalanced datasets were tested. The results confirm the feasibility of applying ML for diagnosing operational conditions and sensor failures in sucker-rod pumping systems, as 80.82% of the tests achieved an accuracy above 90%, with a remarkable accuracy of 99.9% also being attained. Finally, a portion of the implementations suggested in this research was evaluated in a production environment. Dynamometer cards from over a hundred wells were assessed, yielding an accuracy exceeding 96%, which reinforces the effectiveness of the implementations in a real-world context. Overall, the results highlight the potential of ML as a promising approach for diagnosing operational conditions and sensor failures in sucker-rod pumping systems.pt_BR
dc.description.resumoEm campos petrolíferos com muitos poços operando por bombeio mecânico, devido à falta de diagnóstico precoce das condições de operação ou falhas de sensores, vários problemas podem passar despercebidos, podendo causar grandes prejuízos, como aumento do tempo de inatividade, aumento das despesas operacionais (OPEX), diminuição da eficiência e perda de produção. Na prática, a identificação e o diagnóstico das condições de operação são primordialmente realizados a partir de cartas dinamométricas de superfície e fundo, por meio de padrões pré-estabelecidos, com esforço visual humano nos centros de operação. Essa tarefa consome muito tempo e trabalho, além de exigir experiência, pois pode ser influenciada por fatores subjetivos. Porém, nos últimos anos, com as facilidades inerentes aos algoritmos de Aprendizagem de Máquina (Machine Learning - ML), várias pesquisas realizadas sobre o assunto alcançaram bons resultados no diagnóstico de condições de operação, evidenciando que ML pode ser utilizado para esse fim. Todavia, ainda é comum a existência de dúvidas sobre o nível de dificuldade da tarefa de classificação de cartas dinamométricas, o melhor algoritmo, o melhor descritor de formas, as melhores métricas e qual o impacto dos conjuntos de dados desequilibrados. Na busca por respostas a essas questões, neste trabalho foram utilizados dados reais de 38 poços que operam por bombeio mecânico na região de Mossoró, RN, Brasil. Mais de 50.000 cartas foram classificadas pelo autor do trabalho e distribuídas em oito modos de operação e duas falhas de sensor, comuns neste campo. Setenta e três testes foram realizados e divididos em nove grupos. Três algoritmos foram testados (com e sem sintonia de hiperparâmetros): árvore de decisão, Random Forest e XGBoost, além de pipelines fornecidos via Automated Machine Learning (AutoML). Os descritores utilizados foram: Centróide, Fourier e Wavelet, além dos valores de carga da carta dinamométrica de fundo. Conjuntos de dados balanceados e desbalanceados também foram testados. Os resultados confirmam a viabilidade da aplicação de ML para diagnóstico de condições de operação e falha de sensores em sistemas de bombeio mecânico, uma vez que 80,82% dos testes alcançaram acurácia acima de 90% e foi alcançada uma acurácia de 99,9%. Por fim, uma parte das implementações sugeridas nesta pesquisa foi avaliada em ambiente de produção. Foram avaliadas cartas de mais de uma centena de poços, alcançando uma acurácia superior a 96%, o que reforça a eficácia das implementações em um contexto real. No geral, os resultados evidenciam o potencial do ML como uma abordagem promissora para o diagnóstico de condições de operação e falhas de sensores em sistemas de bombeio mecânico.pt_BR
dc.identifier.citationNASCIMENTO, João Maria Araújo do. Diagnóstico das condições de operação e falhas de sensor em poços operando por bombeio mecânico utilizando Machine Learning. Orientador: André Laurindo Maitelli. 2023. 99f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/54867
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃOpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectBombeio mecânicopt_BR
dc.subjectMachine learningpt_BR
dc.subjectCartas dinamométricaspt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApt_BR
dc.titleDiagnóstico das condições de operação e falhas de sensor em poços operando por bombeio mecânico utilizando Machine Learningpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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