Evaluating machine learning techniques for detection of flow instability events in offshore oil wells

dc.contributor.advisor1Varejão, Flávio Miguel
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-5444-1974
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6501574961643171
dc.contributor.authorCarvalho, Bruno Guilherme
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-2182-3386
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5165200119776976
dc.contributor.referee1Munaro, Celso José
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000000222977395
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5929530967371970
dc.contributor.referee2Vargas, Ricardo Emanuel Vaz
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-6243-4590
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1658300192778908
dc.contributor.referee3Salgado, Ricardo Menezes
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-0989-6259
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/8918198224706238
dc.date.accessioned2024-05-30T00:50:45Z
dc.date.available2024-05-30T00:50:45Z
dc.date.issued2021-10-04
dc.description.abstractFlow instability is an abnormal operational state in offshore oil wells. For the oil and gas industry, methods to detect and classify faults as soon as possible are crucial to reduce downtime and increase efficiency. The application of machine learning algorithms has been extensively applied in an industrial context, proven to be a viable way to tackle this kind of problem. In this study, an evaluation is performed on the application of machine learning techniques for the detection and classification of pressure and temperature sensor readings related to flow instability. Firstly, a custom cross-validation splitting strategy is defined and compared to the classical equal split. Results are shown to be much more realistic when checked on previous publications. Next, grid search is chosen to evaluate whether hyperparameter tuning could increase the classifier’s performance. Results were not satisfactory. Then, feature selection is applied to reduce problem dimension and circumvent the curse of dimensionality. Three different methods were used: sequential feature selection, hybrid ranking wrapper, and genetic algorithm. Only a few methods have shown a decrease in the number of features selected while improving classification performance measured with F1. The genetic algorithm was one of those, proving to be a robust selector even when the similarity bias is removed. Finally, an analysis of the results from all experiments is performed to find which of the statistical features are more relevant and from what sensor they come from. Standard deviation and variance from the P-MON-CKP sensor are found much frequently than the others.
dc.description.resumoInstabilidade de fluxo é uma evento operacional indesejado em poços de petróleo. Para a insdústria de óleo e gás, métodos eficientes de detecção e classificação de falhas é essencial para reduzir os tempos de parada e aumentar a produtividade. A aplicação de algoritmos de aprendizado de máquina tem sido amplamente utilizada no contexto industrial, provando ser uma forma viável para resolver este tipo de problema. Neste estudo, é feita uma avaliação de técnicas de aprendizado de máquina aplicadas a detecção e classificação da instabilidade de fluxo baseadas em leituras de sensores de pressão e temperatura instalados em sistemas submarinos de produção. Primeiramente é definida uma nova estratégia de validação cruzada que elimina o viés de similaridade. Resultados mostram que esta abordagem é mais realista que a divisão tradicional utilizada em trabalhos recentes. Em seguida, grid search é utilizado na busca pela otimização de hiperparâmetros. Os resultados não foram satisfatórios. Então, foi aplicado a técnica de seleção de características para reduzir a dimensão do problema e evitar o fenômeno de Hughes. Três métodos foram usados: seleção sequencial de características, um algoritmo hibrido ranking-wrapper, e algoritmo genético. Nem todos os métodos conseguiram reduzir o número de características e melhorar simultaneamente a classificação. A aplicação de um método baseado em algoritmo genético foi um que conseguiu ambos os avanços, mostrando-se como um método robusto até mesmo nas abordagens em que o viés foi eliminado, alcançando valores de F1 acima de 0, 7 em todos os casos. Por fim, uma análise dos resultados de todos os experimentos foi conduzida para determinar quais das características estatísticas são mais relevantes, e de quais sensores foram extraídas. Desvio padrão e variância do sensor P-MON-CKP foram as mais selecionadas.
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/15481
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Informática
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Informática
dc.rightsopen access
dc.subjectInstabilidade de fluxo
dc.subjectaprendizado de máquina
dc.subjectvalidação cruzada
dc.subjectseleção de características
dc.subjectalgoritmo genético
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqCiência da Computação
dc.titleEvaluating machine learning techniques for detection of flow instability events in offshore oil wells
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typemasterThesis

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