基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法

陳健

中國石油吐哈油田分公司 銷售事業(yè)部(新疆 吐魯番 838202)

鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)反映的是鹽穴儲氣庫腔體形態(tài)，鹽穴儲氣庫油水界面實際是指鹽穴儲氣庫腔體阻溶劑界面，為了能夠更好地存儲油氣，在鹽穴儲氣庫腔體內(nèi)油氣表面使用柴油或者機油等物質(zhì)作為阻溶劑，由于阻溶劑屬于流體介質(zhì)，其密度小于鹵水[1-2]。在鹽穴儲氣庫內(nèi)界面位置容易發(fā)生變化和失控，如果鹽穴儲氣庫水油界面位置失去控制，變化幅度超出合理范圍，會導(dǎo)致鹽穴儲氣庫腔體發(fā)生變形，最終會影響到鹽穴儲氣庫油氣儲運質(zhì)量，嚴重的會造成鹽穴儲氣庫腔體垮塌。因此鹽穴儲氣庫油水界面控制和監(jiān)測是保證鹽穴儲氣庫油氣存儲穩(wěn)定的關(guān)鍵，需要采用有效的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法，確定鹽穴儲氣庫油水界面實時動態(tài)，為鹽穴儲氣庫油水界面控制提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。目前現(xiàn)有的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法主要有兩種，一種是基于人工智能的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法，另一種是基于機器學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法。前者是采用人工智能算法對鹽穴儲氣庫油水界面參數(shù)進行計算和分析，后者是利用機器學(xué)習對鹽穴儲氣庫油水界面圖像數(shù)據(jù)進行模擬計算。這兩種方法在目前鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測領(lǐng)域比較常用，雖然提高了鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測效率，但是在實際應(yīng)用中，因成本較高，監(jiān)測數(shù)值與實際情況存在較大差距，且探測范圍不夠廣泛，鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測誤差較大，為此提出基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法研究。

1 基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)測量

對于鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)測量采用光纖油水界面測量儀，根據(jù)鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)測量需求，此次采用SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀，該測量裝置主要包括地面測量設(shè)備與鹽穴儲氣庫復(fù)合光纜兩部分，將鹽穴儲氣庫復(fù)合光纜隨著管柱從地面下放到鹽穴儲氣庫中，通過對其進行加熱，測量加熱前后鹽穴儲氣庫油水界面溫度信息。

由于油和水的比熱容不同，鹽穴儲氣庫油水升溫和降溫速率存在一定差異，因此根據(jù)鹽穴儲氣庫油水這一物理特征，利用SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀對油水界面位置生產(chǎn)的溫度數(shù)據(jù)進行測量，為后續(xù)利用深度學(xué)習分析鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀通過復(fù)合光纜向鹽穴儲氣庫油水界面發(fā)射光時域反射信號，在鹽穴儲氣庫油水界面時域空間里，由復(fù)合光纜發(fā)出的入射光經(jīng)過背向散射返回到復(fù)合光纜入射端時間，在該時間段內(nèi)激光脈沖信號在復(fù)合光纜中傳輸路段，是背向散射光纖信號到鹽穴儲氣庫油水界面距離的兩倍，由此可以獲得背向散射光纖信號到鹽穴儲氣庫油水界面距離，其公式表示如下：

式中：h為背向散射光纖信號到鹽穴儲氣庫油水界面距離，m；t為由復(fù)合光纜發(fā)出的入射光經(jīng)過背向散射返回到復(fù)合光纜入射端時間，s；b為激光脈沖信號在鹽穴儲氣庫腔體的真空環(huán)境中的光速，m/s；n為分布式光纖信號在鹽穴儲氣庫油水界面的實際折射率。

利用公式（1）獲取到背向散射光纖信號到鹽穴儲氣庫油水界面距離，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)拉曼光譜散射效應(yīng)，鹽穴儲氣庫油水界面上的激光脈沖信號會與復(fù)合光纜上的光纖分子相互作用，從而發(fā)生熱能量交換，從而在鹽穴儲氣庫油水界面上產(chǎn)生拉曼光譜散射[4-5]。根據(jù)量子光學(xué)原理，在拉曼光譜散射過程中，一部分激光脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能量，會發(fā)出一個波長較短的斯托克斯光。與此同時，一部分熱能量轉(zhuǎn)化為激光脈沖能量，此時會形成一個波長較長的反斯托克斯光，因此鹽穴儲氣庫油水界面形成的拉曼光譜散射光主要是由兩種不同波長的光組成。利用鹽穴儲氣庫油水界面形成的斯托克斯光和反斯托克斯光比值調(diào)節(jié)溫度信號[6-7]。因為反斯托克斯光相比較斯托克斯光對于溫度更加敏感，因此將反斯托克斯光作為光纖信號通道，將斯托克斯光作為光纖信號對比通道，從鹽穴儲氣庫油水界面上任意一點的斯托克斯光與反斯托克斯光的比例，確定鹽穴儲氣庫油水界面上該點的溫度，公式表示如下：

式中：w為鹽穴儲氣庫油水界面上某一點的溫度，℃；e為普朗克常數(shù)；q為鹽穴儲氣庫油水界面某一點反斯托克斯光信號偏移波數(shù)；p為玻爾茲曼常數(shù)；o為鹽穴儲氣庫油水界面上某一點的反斯托克斯光信號強度；o*為鹽穴儲氣庫油水界面上某一點的斯托克斯光信號強度；y為鹽穴儲氣庫油水界面上某一點的反斯托克斯光波長；y*為鹽穴儲氣庫油水界面上某一點的斯托克斯光波長。

利用式（2）計算出鹽穴儲氣庫油水界面溫度，以此獲取到鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)溫度信息，完成鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)測量。

1.2 鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)預(yù)處理

以上獲取到的鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)包括鹽穴儲氣庫內(nèi)深度處復(fù)合電纜介質(zhì)的初始溫度、利用伴熱控制電源加熱后復(fù)合電纜介質(zhì)的加熱后溫度，鹽穴儲氣庫油水界面的實際深度是根據(jù)復(fù)合電纜加熱前后溫差確定，采集到的這兩種數(shù)據(jù)對確定鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)具有重要作用，因此將獲取到的鹽穴儲氣庫油水界面動態(tài)數(shù)據(jù)進行處理[8-9]。首先將獲取的動態(tài)數(shù)據(jù)中無效數(shù)據(jù)、屬性殘缺數(shù)據(jù)以及重復(fù)數(shù)據(jù)進行剔除，然后按照溫度加熱前后的對應(yīng)關(guān)系將鹽穴儲氣庫油水界面同一地點的溫度數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集，將數(shù)據(jù)進行標準化處理，并進行分類存儲。最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維矩陣，并附加其理想輸出值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)復(fù)合電纜加熱前后溫差來確定鹽穴儲氣庫油水界的實際深度，其公式表示如下：

式中：v為鹽穴儲氣庫油水界面的實際深度，m；t為鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測時間，h；w1為伴熱控制電源對復(fù)合電纜加熱后鹽穴儲氣庫油水界面溫度，℃；w2為伴熱控制電源對復(fù)合電纜加熱前鹽穴儲氣庫油水界面溫度，℃。

利用式（3）計算到鹽穴儲氣庫油水界面的實際深度，并將其與相對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)文件中進行存儲，以此完成鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1.3 基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測分析

利用深度學(xué)習算法對鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)進行深入分析，其主要是利用深度學(xué)習算法對鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)樣本進行訓(xùn)練和學(xué)習，確定鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)理想值，將其作為參照對當前鹽穴儲氣庫油水界面狀態(tài)進行確定，其具體過程如下。

首先建立鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測需求，建立的深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)包括一個數(shù)據(jù)輸入層、一個卷積層以及一個輸出層，通過自定義的組合系數(shù)將數(shù)據(jù)輸入層、卷積層以及輸出層之間進行全連接[10]。將預(yù)處理后的鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)輸入到深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層，為了方便后續(xù)計算分析，在深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層中對鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)進行降噪處理，并在輸入層中對鹽穴儲氣庫油水界面特征進行提取，其公式如下：

式中：k為獲得的鹽穴儲氣庫油水界面特征信息；f為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層激活函數(shù)；u為輸入的鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)；d為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層迭代次數(shù)，次；m為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層數(shù)據(jù)特征可訓(xùn)練加性偏置。

利用上述公式對鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)進行不斷訓(xùn)練，并且在數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練和學(xué)習中調(diào)整深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層迭代次數(shù)參數(shù)和深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸入層數(shù)據(jù)特征可訓(xùn)練加性偏置參數(shù)。得到鹽穴儲氣庫油水界面特征信息后，將特征信息輸入到深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)卷積層，在卷積層中進行鹽穴儲氣庫油水界面特征采樣，其公式如下：

式中：n為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)卷積層獲得的鹽穴儲氣庫油水界面特征采樣數(shù)據(jù)；α為特征采樣函數(shù)；g為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)卷積層乘性偏置；b為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)卷積層中鹽穴儲氣庫油水界面特征數(shù)據(jù)可訓(xùn)練加性偏置。

對于輸入到深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)中的任意一個鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)信息，都會存在一個與其對應(yīng)的實際值和預(yù)測值，在深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)中利用誤差函數(shù)來表示鹽穴儲氣庫油水界面當前狀態(tài)與實際狀態(tài)的特征區(qū)別，公式表示如下：

式中：f(x)為深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)中鹽穴儲氣庫油水界面學(xué)習特征與實際特征的誤差函數(shù)；κ表示鹽穴儲氣庫油水界面特征樣本的損失函數(shù)；n?(x,y)表示為權(quán)重為ωˉ的鹽穴儲氣庫油水界面特征樣本的預(yù)測值。

利用上述公式對鹽穴儲氣庫油水界面數(shù)據(jù)進行迭代計算，獲取到目前鹽穴儲氣庫油水界面與理想值誤差，將其傳輸?shù)缴疃葘W(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸出層，在深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸出層中設(shè)置一個最大界面誤差限值。如果卷積層計算的鹽穴儲氣庫油水界面學(xué)習特征與實際特征的誤差大于最大界面誤差限值，則判定目前鹽穴儲氣庫油水界面位置失控，需要采取相應(yīng)措施；如果卷積層計算的鹽穴儲氣庫油水界面學(xué)習特征與實際特征的誤差小于最大界面誤差限值，則判定目前鹽穴儲氣庫油水界面位置處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)對比結(jié)果對訓(xùn)練結(jié)果進行輸出，以此完成基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測。

2 實驗論證分析

實驗以某鹽穴儲氣庫為實驗對象，該鹽穴儲氣庫溶腔井生產(chǎn)套管下深1 264.15 m，鹽穴儲氣庫油氣儲運體積為126 559.48 L，鹽穴儲氣庫溶腔外管下深1 364.48 m，鹽穴儲氣庫溶腔內(nèi)管下深1 264.86 m，鹽穴儲氣庫阻溶劑為柴油，柴油的比熱容為2 100 J/（kg·℃），鹵水的比熱容為1 036 J（/kg·℃），空氣的比熱容為1 569 J（/kg·℃），實驗利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該鹽穴儲氣庫水油界面進行監(jiān)測。實驗將SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀在監(jiān)測現(xiàn)場進行安裝，并進行施工作業(yè)，將SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀測量頻率設(shè)定為1.36 GHz，測量周期設(shè)定為0.1 ns，測量范圍定位為0～500 m。根據(jù)該鹽穴儲氣庫實際情況，布設(shè)了1 000個監(jiān)測點，將SHIADF/S2AF5型號智能光纖油水界面測量儀經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試和深度校正后，測量光纖加熱前后鹽穴儲氣庫水油界面溫度差，并利用公式（3）確定鹽穴儲氣庫水油界面深度，其監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 鹽穴儲氣庫水油界面測量數(shù)據(jù)

實驗共采集了2 000個數(shù)據(jù)樣本，在Intel Coer 2.65平臺上建立深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)。將深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)卷積層的迭代次數(shù)設(shè)定為5，利用深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)提取到的特征參數(shù)，根據(jù)該鹽穴儲氣庫實際情況，在深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò)輸出層設(shè)置的最大油水界面誤差為0.25 m，對該鹽穴儲氣庫油水界面進行監(jiān)測，監(jiān)測時間為12 h。利用HSIFA軟件對兩種方法的監(jiān)測結(jié)果與鹽穴儲氣庫油水界面實際深度進行分析，確定兩種方法的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測誤差，將其作為檢驗兩種方法有效性指標，利用電子表格對兩種方法檢查誤差進行記錄，從中隨機抽取8次監(jiān)測誤差數(shù)據(jù)，見表2。

表2 兩種方法鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測誤差對比

從表2數(shù)據(jù)中可以看出，設(shè)計方法對于鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測誤差均小于最大允許誤差，最小監(jiān)測誤差為0.001 1 m，平均監(jiān)測誤差為0.018 m，符合鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測精度要求；而傳統(tǒng)方法對于鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測誤差均超過最大允許誤差，最大監(jiān)測誤差為0.168 1 m，遠遠高于設(shè)計方法。因此實驗結(jié)果證明了基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法能夠準確監(jiān)測到鹽穴儲氣庫油水界面的深度和狀態(tài)，相比較傳統(tǒng)方法更適用于鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測。

3 結(jié)束語

結(jié)合鹽穴儲氣庫地面建設(shè)和油氣儲運方向理論與工程實踐，針對傳統(tǒng)方法存在的弊端，利用深度學(xué)習算法設(shè)計了一種新的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測方法，并利用現(xiàn)場實驗驗證了該方法的可行性和可靠性，此次研究有效提高了鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測精度，為基于深度學(xué)習的鹽穴儲氣庫油水界面監(jiān)測提供了理論依據(jù)。