CN114384886A - 基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，属于预测井筒积液技术领域，该方法包括：对井筒积液原始高频数据进行降维处理；构建同比环比预测器，分别挖掘较长时间跨度特征及当日特征，并利用同比环比预测器对经降维后的数据进行预测得到同比环比预测器的输出值；利用序列离散度过滤器和阈值过滤器对所述同比环比预测器的输出值和井筒积液实时数据值进行判断，完成对井筒积液的预测。本发明解决了气井实际生产过程中井筒积液难以判断，SCADA系统中的数据无法有效利用的问题。
Description
技术领域
本发明属于预测井筒积液技术领域，尤其涉及一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法。
背景技术
液滴反转模型是基于单个液滴受力平衡分析而推导得到携带液滴所需最小气流速的方法，液滴在气芯中的受力与液滴受力面积及气体对液滴的拖曳相关。因此，液滴反转模型的关键是确定曳力系数和液滴形状及尺寸。
液滴反转模型由于简单的解析式及较高的精度，广泛运用于国内外各大气田，然而，液滴反转模型却缺乏实验和机理上的证实，van't Westende等的实验中观察到最大液滴尺寸为仅为350μm，远小于Turner模型假设所计算的8.5mm。此外，Alamu的实验结果证实在环状流/搅动流流型转变时液滴夹带率所占比例不到5%，这表明液体大部分以液膜形式向上携带，因此，液滴反转模型的合理性有待商榷。
许多的实验和理论研究认为液膜反转是气井积液的主要机理，液膜反转理论模型相关研究很少，在水平井中，目前的理论研究均基于倾斜管中均匀分布液膜的假设所进行受力分析而推导出携液临界气量。液膜反转模型在解释气井连续携液机理上更加合理，尤其针对水平井，但该类模型在国内各大气田现场运用却仍十分少。这是因为液膜反转模型解析式复杂，现场工程师难以快速准确地做出判断，另外，模型在低渗透和非常规气藏运用中缺乏指导性，国内川西、苏里格、大牛地和广安等气田气井在气量远低于Turner模型计算值时仍能携液生产，虽然管流实验表明倾角为55°左右液膜最易反转，但实际水平气井中倾角由90°到0°连续变化，即使井筒中倾角55°处液膜反转后，气井更深处的低角度液膜也并未反转。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，解决了气井实际生产过程中井筒积液难以判断 ，SCADA系统中的数据无法有效利用的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，包括以下步骤：
S1、对井筒积液原始高频数据进行降维处理；
S2、构建同比环比预测器，并利用同比环比预测器对经降维后的数据进行预测得到同比环比预测器的输出值；
S3、分别利用序列离散度过滤器和阈值过滤器对所述同比环比预测器的输出值以及井筒积液实时数据值进行判断，完成对井筒积液的预测。
本发明的有益效果是：本发明对SCADA数据进行充分利用，对于对其进行了恰当的处理，使得高频数据降维后能够作为模型的输入，同时建立的模型能够适用于不同气井的积液预测，可对气井的生产做出指导，解决了气井实际生产过程中井筒积液难以判断，SCADA系统中的数据无法有效利用的问题。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、利用SCADA系统获取井筒积液原始高频数据，并将所述井筒积液原始高频数据划分为相等的段；
S102、对于每一段，利用LTTB降维方法选出一个最优点代表当前段内所有的点；
S103、判断整段井筒积液原始高频数据是否依次选出最优点，若是，则完成对井筒积液原始高频数据的降维处理，并进入步骤S2，否则，返回步骤S102。
上述进一步方案的有益效果是：对于SCADA高频数据的降维方法，使其能够作为时序数据预测模型的输入。
再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、利用LSTM-Attention构建时序数据预测模型，并利用所述时序数据预测模型对降维后的井筒积液原始高频数据进行预测，将该预测值作为下一时刻的输出值，其中，所述时序数据预测模型包括长短期记忆网络LSTM和注意力网络Attention；
S202、通过时序数据矩阵两个方向的数据，构建包括同比预测器和环比预测器的同比环比预测器，并利用所述同比环比预测器对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比环比预测器的输出值。
上述进一步方案的有益效果是：通过构建出同比环比预测器，对时序数据做出预测，使其能够与真实井筒积液数据比对。
再进一步地，所述步骤S201包括以下步骤：
S2011、利用长短期记忆网络LSTM提取经降维后井筒积液原始高频数据的时序特征，并将所述时序特征作为长短期记忆网络LSTM的输出值；
S2012、利用注意力网络Attention计算所述长短期记忆网络LSTM的输出值与地质参数和工程参数的相关性；
S2013、根据所述相关性得到预测值，并将该预测值作为下一时刻的输出值，并进入步骤S202。
上述进一步方案的有益效果是：通过LSTM网络能够提取时序数据特征，注意力计算能够将时序特征与静态数据进行结合，使其更加精确的预测出下一时刻的值。
再进一步地，所述步骤S2011中长短期记忆网络LSTM的输出值的表达式如下：
其中，yt表示长短期记忆网络LSTM的输出值，
表示sigmoid激活函数，W表示权重矩阵，ht表示通过tanh激活函数和输出门zo得到的当前隐藏状态，ct表示t时刻记忆单元的细胞状态输出，zf表示遗忘门，zi表示输入门，z表示t时刻计算得到的输入表示。
再进一步地，所述步骤S2012中相关性的表达式如下：
其中，Attention(Q,K,V)表示相关性，Q,K,V分别表示查询矩阵、被查询矩阵和值矩阵，dk表示K的维度，KT表示K的转置矩阵。
再进一步地，所述步骤S202包括以下步骤：
S2021、利用时序数据构建时序数据矩阵；
S2022、将所述时序数据矩阵中每一行的数据连接成一个序列，训练用于环比的LSTM-Attention网络得到环比预测器；
S2023、将所述时序矩阵中每一列的数据拼接成一个序列，训练用于同比的LSTM-Attention网络得到同比预测器；
S2024、利用当前时刻前十天的周期数据与前五个小时的井筒积液实时数据分别对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比预测器的输出值和环比预测器的输出值；
S2025、将所述同比预测器的输出值和环比预测器的输出值的平均值作为同比环比预测器的输出值，并进入步骤S3。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过历史数据构建出的同比环比两个预测器，使其能从两个不同维度对下一时刻的值进行预测。
再进一步地，所述步骤S2024包括以下步骤：
S20241、从经降维处理后的井筒积液原始高频数据中提取周期数据，以及将井筒积液实时数据经降维处理，得到经降维处理后的井筒积液实时数据；
S20242、利用不同天同一时刻的周期数据训练同比预测器，以及利用每天不同时刻的经降维处理后的井筒积液实时数据训练环比预测器；
S20243、将当前时刻的周期数据作为已训练好的同比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到同比预测器的输出，将经降维处理后的前5个小时的井筒积液实时数据作为已训练好的环比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到环比预测器的输出。
上述进一步方案的有益效果是：将同比环比预测器输出与真实井筒积液数据比对，使其能够对井筒积液数据是否异常进行判断。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、根据五小时内同比环比预测器的输出值以及经降维处理后的井筒积液实时数据值，得到一个误差序列，并计算误差序列的离散度；
S302、利用序列离散度过滤器对误差序列进行离散度分析，筛选出离散度最大的序列；
S303、将经步骤S302分析后的结果，利用阈值过滤器筛选出误差序列中绝对误差最大的时刻，并将该最大时刻判断为积液时刻，同时进行报警，完成井筒积液的预测。
上述进一步方案的有益效果是：通过离散度过滤器能够过滤掉与真实差异较小的数据，再通过阈值选出序列离散度较大的数据作为积液时刻，使其能够从数据预测差异和数据自身波动两个维度来进行积液判断。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本实施例中最优点的选取示意图。
图3为本实施例中的时序矩阵示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液的预测方法，其实现方法如下：
S1、对井筒积液原始高频数据进行降维处理，其实现方法如下：
S101、利用SCADA系统获取井筒积液原始高频数据，并将所述井筒积液原始高频数据划分为相等的段；
S102、对于每一段，利用LTTB降维方法选出一个最优点代表当前段内所有的点；
S103、判断整段井筒积液原始高频数据是否依次选出最优点，若是，则完成对井筒积液原始高频数据的降维处理，并进入步骤S2，否则，返回步骤S102。
本实施例中，对于时序数据降维，现有的许多方法是通过滑动窗口实现。例如分段聚合近似的方法，其使用计算出的均值代表一个时间窗口范围内的系列值，但大都存在降维速度慢或者无法刻画出原始数据数据的真实波动情况。LTTB降维方法基于最大有效面积对时序数据降维与拟合，该方法划分原始数据（此处原始数据为SCADA系统采集的高频数据）为相等的段，对于每一段，将选出一个最优的点代表当前段内所有的点，即这个最优的点可以作为降维后的数据。在图2中，点A、B、C属于不同段，且A为自身所属段中已经选出的最优点，C为C所属段的虚拟固定点（该段所有点的平均值），因B（当前段）与A、C构成的三角形面积最大，故选择B点作为当前段内的最优的点。那么，该段中从原本的三个点降维到一个点，整段数据依次采取这种选取最优点的方法，便达到数据降维的效果。
S2、构建同比环比预测器，并利用同比环比预测器对经降维后的数据进行预测得到同比环比预测器的输出值，其实现方法如下：
S201、利用LSTM-Attention构建时序数据预测模型，并利用所述时序数据预测模型对降维后的井筒积液原始高频数据进行预测，将该预测值作为下一时刻的输出值，其中，所述时序数据预测模型包括长短期记忆网络LSTM和注意力网络Attention，其实现方法如下：
S2011、利用长短期记忆网络LSTM提取经降维后井筒积液原始高频数据的时序特征，并将所述时序特征作为长短期记忆网络LSTM的输出值；
S2012、利用注意力网络Attention计算所述长短期记忆网络LSTM的输出值与地质参数和工程参数的相关性；
S2013、根据所述相关性得到预测值，并将该预测值作为下一时刻的输出值，并进入步骤S202。
本实施例中，利用LSTM-Attention构建时序数据预测模型，对于气井中的时间序列，不仅需要考虑时间序列的本身的时序信息，还需要区分不同气井之间的地质参数，工程参数等。因此，提出使用LSTM-Attention构建时序数据预测模型，对SCADA降维后的数据进行预测。首先使用LSTM对SCADA时序数据进行特征提取，之后使用注意力计算对LSTM的输出和地质参数、工程参数计算相关性，最后输出预测值。在井筒积液预测模型训练过程中，该预测值为下一个时刻的值。其中，LSTM是一个能保存长期时序信息的网络，主要有遗忘门、输入门和输出门，对于输入的数据xi通过计算得到z，之后通过输入门zi和遗忘门zf更新细胞状态，再通过tanh激活函数和输出门zo得出当前的隐藏状态ht，最后对隐藏状态乘上权值矩阵W并经过sigmoid函数激活后得到输出yt。具体计算步骤为：
Attention是通过计算得分的方式，计算出输入数据的相关性，首先用
、
、
分别代表query、key、value，通过输入
乘以权重向量WQ、WK、WV得到，然后，通过公式（4）计算得到Attention，其中X表示输入向量。
其中，
为key的维度。
S202、通过时序数据矩阵两个方向的数据，构建包括同比预测器和环比预测器的同比环比预测器，并利用所述同比环比预测器对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比环比预测器的输出值，其实现方法如下：
通过时序数据矩阵两个方向的数据，构建包括同比预测器和环比预测器的同比环比预测器，并利用所述同比环比预测器对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比环比预测器的输出值，其实现方法如下：
S2021、利用时序数据构建时序数据矩阵；
S2022、将所述时序数据矩阵中每一行的数据连接成一个序列，训练用于环比的LSTM-Attention网络得到环比预测器；
S2023、将所述时序数据矩阵中每一列的数据拼接成一个序列，训练用于同比的LSTM-Attention网络得到同比预测器；
S2024、利用当前时刻前十天的周期数据与前五个小时的井筒积液实时数据分别对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比预测器的输出值和环比预测器的输出值，其实现方法如下：
S20241、从经降维处理后的井筒积液原始高频数据中提取周期数据，以及将井筒积液实时数据经降维处理，得到经降维处理后的井筒积液实时数据；
S20242、利用不同天同一时刻的周期数据训练同比预测器，以及利用每天不同时刻的经降维处理后的井筒积液实时数据训练环比预测器；
S20243、将当前时刻的周期数据作为已训练好的同比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到同比预测器的输出，将经降维处理后的前5个小时的井筒积液实时数据作为已训练好的环比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到环比预测器的输出；
S2025、将所述同比预测器的输出值和环比预测器的输出值的平均值作为同比环比预测器的输出值，并进入步骤S3；
本实施例中，同比环比预测器指分别用同一天的数据预测下一点，以及用不同天的同一时刻预测该点。如图3所示，每一行为同一天中不同时刻的数据，每一列为不同天中同一时刻的数据。假设预测图3中三角形的数据，同比预测器使用圆形数据进行预测，而环比预测器使用正方形数据进行预测。
本实施例中，对SCADA的时序数据进行对齐、降维等预处理后，构成一个时序矩阵，将时序矩阵中每一行的数据连接成一个序列，训练用于环比的LSTM-Attention网络，同时，将时序矩阵中每一列的数据拼接成一个序列，训练同比的LSTM-Attention网络，当同比预测器和环比预测器训完成后，可以使用当前时刻前十天的周期数据与前五个小时的实时数据对下一时刻的值进行预测。在进行预测时，将当前时刻的前十天周期数据和前五个小时的实时数据作为输入，送入训练好的预测器，得到同比预测器输出和环比预测器输出，最后，将同比预测器数值和环比预测器的输出均值作为预测器的输出。
S3、分别利用序列离散度过滤器和阈值过滤器对所述同比环比预测器的输出值以及井筒积液实时数据值进行判断，完成对井筒积液的预测，其实现方法如下：
S301、根据五小时内同比环比预测器的输出值以及经降维处理后的井筒积液实时数据值，得到一个误差序列，并计算误差序列的离散度；
S302、利用序列离散度过滤器对误差序列进行离散度分析，筛选出离散度最大的序列；
S303、将经步骤S302分析后的结果，利用阈值过滤器筛选出误差序列中绝对误差最大的时刻，并将该最大时刻判断为积液时刻，同时进行报警，完成井筒积液的预测。
本实施例中，比较器主要通过对预测值和真实实时数据进行比较，决定是否进行积液报警。由于五个小时内的预测值与实时数据之间的误差也为一个序列，可以用误差序列的方差根据阈值过滤掉波动较小的，之后，对序列离散度过滤器过滤后的序列中每一时刻的值进行预测值离散度分析，因为每个时刻的都包含三个值，分别为同比预测器输出、环比预测器输出以及该时刻的实时数据，所以对这三个值求方差得到每个时刻预测值和实时数据的离散度，再根据阈值筛选出离散度较大的时刻判断为积液时刻，并进行报警。
Claims (9)
1.一种基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对井筒积液原始高频数据进行降维处理；
S2、构建同比环比预测器，并利用同比环比预测器对经降维后的数据进行预测得到同比环比预测器的输出值；
S3、分别利用序列离散度过滤器和阈值过滤器对所述同比环比预测器的输出值以及井筒积液实时数据值进行判断，完成对井筒积液的预测。
2.根据权利要求1所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、利用SCADA系统获取井筒积液原始高频数据，并将所述井筒积液原始高频数据划分为相等的段；
S102、对于每一段，利用LTTB降维方法选出一个最优点代表当前段内所有的点；
S103、判断整段井筒积液原始高频数据是否依次选出最优点，若是，则完成对井筒积液原始高频数据的降维处理，并进入步骤S2，否则，返回步骤S102。
3.根据权利要求2所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、利用LSTM-Attention构建时序数据预测模型，并利用所述时序数据预测模型对降维后的井筒积液原始高频数据进行预测，将该预测值作为下一时刻的输出值，其中，所述时序数据预测模型包括长短期记忆网络LSTM和注意力网络Attention；
S202、通过时序数据矩阵两个方向的数据，构建包括同比预测器和环比预测器的同比环比预测器，并利用所述同比环比预测器对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比环比预测器的输出值。
4.根据权利要求3所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S201包括以下步骤：
S2011、利用长短期记忆网络LSTM提取经降维后井筒积液原始高频数据的时序特征，并将所述时序特征作为长短期记忆网络LSTM的输出值；
S2012、利用注意力网络Attention计算所述长短期记忆网络LSTM的输出值与地质参数和工程参数的相关性；
S2013、根据所述相关性得到预测值，并将该预测值作为下一时刻的输出值，并进入步骤S202。
5.根据权利要求4所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S2011中长短期记忆网络LSTM的输出值的表达式如下：
其中，yt表示长短期记忆网络LSTM的输出值，
表示sigmoid激活函数，W表示权重矩阵，ht表示通过tanh激活函数和输出门zo得到的当前隐藏状态，ct表示t时刻记忆单元的细胞状态输出，zf表示遗忘门，zi表示输入门，z表示t时刻计算得到的输入表示。
6.根据权利要求5所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S2012中相关性的表达式如下：
其中，Attention(Q,K,V)表示相关性，Q,K,V分别表示查询矩阵、被查询矩阵和值矩阵，dk表示K的维度，KT表示K的转置矩阵。
7.根据权利要求6所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S202包括以下步骤：
S2021、利用时序数据构建时序数据矩阵；
S2022、将所述时序数据矩阵中每一行的数据连接成一个序列，训练用于环比的LSTM-Attention网络得到环比预测器；
S2023、将所述时序数据矩阵中每一列的数据拼接成一个序列，训练用于同比的LSTM-Attention网络得到同比预测器；
S2024、利用当前时刻前十天的周期数据与前五个小时的井筒积液实时数据分别对所述下一时刻的输出值进行预测，得到同比预测器的输出值和环比预测器的输出值；
S2025、将所述同比预测器的输出值和环比预测器的输出值的平均值作为同比环比预测器的输出值，并进入步骤S3。
8.根据权利要求7所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S2024包括以下步骤：
S20241、从经降维处理后的井筒积液原始高频数据中提取周期数据，以及将井筒积液实时数据经降维处理，得到经降维处理后的井筒积液实时数据；
S20242、利用不同天同一时刻的周期数据训练同比预测器，以及利用每天不同时刻的经降维处理后的井筒积液实时数据训练环比预测器；
S20243、将当前时刻的周期数据作为已训练好的同比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到同比预测器的输出，将经降维处理后的前5个小时的井筒积液实时数据作为已训练好的环比预测器的输入，对下一时刻的输出值进行预测得到环比预测器的输出。
9.根据权利要求7所述的基于长短期记忆网络与注意力机制的井筒积液预测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、根据五小时内同比环比预测器的输出值以及经降维处理后的井筒积液实时数据值，得到一个误差序列，并计算误差序列的离散度；
S302、利用序列离散度过滤器对误差序列进行离散度分析，筛选出离散度最大的序列；
S303、将经步骤S302分析后的结果，利用阈值过滤器筛选出误差序列中绝对误差最大的时刻，并将该最大时刻判断为积液时刻，同时进行报警，完成井筒积液的预测。
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