采油工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)清洗方法研究

吳運(yùn)馳　馬慶　宋波　張永峰

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù)分析；油田數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)清洗；數(shù)據(jù)質(zhì)量；貝葉斯反演

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0086-03

1 引言

隨著數(shù)據(jù)存儲設(shè)備飛速進(jìn)步，以及分布式計(jì)算技術(shù)突破性的進(jìn)展，原本只出現(xiàn)學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)出現(xiàn)在大眾日常生活的各個角落。大慶油田在信息化領(lǐng)域深耕多年，善于利用新技術(shù)、新方法提高油田管理水平。將大數(shù)據(jù)技術(shù)與油田數(shù)據(jù)相結(jié)合，指導(dǎo)生產(chǎn)，降本增效，可以進(jìn)一步促進(jìn)大慶油田向智能化、智慧化油田方向轉(zhuǎn)型。大數(shù)據(jù)技術(shù)的核心是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量直接決定了大數(shù)據(jù)分析的效果。

2 油田數(shù)據(jù)情況

大慶油田在信息化建設(shè)上已經(jīng)布局多年，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為完善，建立了涵蓋所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時上傳，存儲的數(shù)據(jù)量極大，但這海量的油田數(shù)據(jù)，卻不能直接用于大數(shù)據(jù)分析，因?yàn)楫?dāng)前數(shù)據(jù)存在以下問題：

1） 低價(jià)值數(shù)據(jù)。隨著石油不斷產(chǎn)出，地下油層環(huán)境會不斷變化，多年前的油水井產(chǎn)油產(chǎn)液數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)對于現(xiàn)在的產(chǎn)油產(chǎn)液量分析參考價(jià)值較低。

2） 數(shù)據(jù)存儲位置分散。在油田公司推行統(tǒng)建系統(tǒng)之前，部分二級單位已經(jīng)進(jìn)行了信息化建設(shè)，建立了自己的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并已投入日常使用。在推行統(tǒng)建系統(tǒng)后，存在二級單位繼續(xù)使用原有數(shù)據(jù)庫的情況，許多數(shù)據(jù)分別存儲在二級單位自建的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)建系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)獲取難度較大。

3） 存在缺失值、異常值。隨著大慶油田信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，統(tǒng)建系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性、及時性和準(zhǔn)確性有了極大提升。但油田信息化早期錄入的數(shù)據(jù)，由于當(dāng)時操作環(huán)境的限制，存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失、數(shù)值異常等問題。

要從這些海量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的數(shù)據(jù)，提高大數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)清洗。

3 常規(guī)數(shù)據(jù)清洗方法

針對這些數(shù)據(jù)量大、格式不一、包含重復(fù)值和缺失值的數(shù)據(jù)，常規(guī)的數(shù)據(jù)清洗方法通常包括：

1） 定期更新。通過連接目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，設(shè)置定時任務(wù)，不斷獲取最新數(shù)據(jù)，為之后的數(shù)據(jù)清洗、分析、預(yù)測提供良好的數(shù)據(jù)支持。

2） 統(tǒng)一格式。將日期、數(shù)值、全半角、大小寫等顯示格式進(jìn)行統(tǒng)一化處理，將原有列名修改為對應(yīng)的中文名，去除數(shù)據(jù)中的空格。

3） 清理無效數(shù)據(jù)。由重復(fù)錄入導(dǎo)致的重復(fù)數(shù)據(jù)，明顯超出有意義的范圍的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對比驗(yàn)證后，直接去除。

4） 缺失值填充。通過同類數(shù)據(jù)的均值、中位數(shù)或眾數(shù)進(jìn)行填充，關(guān)聯(lián)性弱的缺失數(shù)據(jù)也可假定為0，或從數(shù)據(jù)來源的相關(guān)材料中提取補(bǔ)充。

通過常規(guī)數(shù)據(jù)清洗方法處理的油田數(shù)據(jù)，在使用大數(shù)據(jù)方法分析預(yù)測后，預(yù)測結(jié)果缺少明顯的規(guī)律，效果較差。通過對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對后發(fā)現(xiàn)，由于油田統(tǒng)建系統(tǒng)中包含的業(yè)務(wù)類型復(fù)雜，并包含大量空數(shù)據(jù)，常規(guī)的數(shù)據(jù)清洗方法無法進(jìn)行有效處理，導(dǎo)致最終結(jié)果不佳。

4 采油工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)清洗方法

對于常規(guī)數(shù)據(jù)清洗方法在油田數(shù)據(jù)的處理過程中遇到的難點(diǎn)，通過對數(shù)據(jù)范圍，數(shù)據(jù)格式及缺失數(shù)據(jù)的深入研究，設(shè)計(jì)出一套針對性的處理方案，解決采油工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)清洗問題，并在壓裂措施數(shù)據(jù)的處理上進(jìn)行應(yīng)用。

4.1 確定數(shù)據(jù)范圍

大慶油田的統(tǒng)建系統(tǒng)中，包含了油田相關(guān)的所有數(shù)據(jù)類型，上千張數(shù)據(jù)表，部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)之間沒有任何業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，不同數(shù)據(jù)表中的相同名稱的數(shù)據(jù)項(xiàng)還會起到干擾作用，需要結(jié)合待分析業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)方式，選擇與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

在壓裂措施效果數(shù)據(jù)的選擇上，通過與實(shí)際壓裂業(yè)務(wù)相結(jié)合，選取了地質(zhì)參數(shù)、井史數(shù)據(jù)、層位信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、增產(chǎn)措施參數(shù)等20余張數(shù)據(jù)表，114項(xiàng)數(shù)據(jù)字段。

4.2 數(shù)據(jù)表合并

壓裂措施效果通常以單井?dāng)?shù)據(jù)前后變化進(jìn)行分析，所有相關(guān)數(shù)據(jù)需要通過井號串聯(lián)在一起，而地層數(shù)據(jù)、井?dāng)?shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的維度不同，需要增加和減少維度實(shí)現(xiàn)井號與相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的一一對應(yīng)。

1） 壓裂數(shù)據(jù)處理

使用“井號/壓裂日期/施工井段頂深/施工井段底深”產(chǎn)生聯(lián)合索引并分組聚合，對數(shù)值型數(shù)據(jù)求和處理；

聯(lián)合索引增加壓裂類型、壓裂液名稱、支撐劑名稱、壓裂液類型、廠名信息，重新分組聚合，對string類型數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理；將處理后的數(shù)值型數(shù)據(jù)和字符型數(shù)據(jù)進(jìn)行合并操作。

2） 地層數(shù)據(jù)選取與處理

通過井號將層位數(shù)據(jù)和射孔數(shù)據(jù)合并，計(jì)算合并結(jié)果中“| 砂巖頂深”-“井段頂深”|，差值絕對值結(jié)果小于等于0.2，采用層位表對應(yīng)數(shù)據(jù)，差值大于0.2，則使用射孔表中的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

3） 壓裂與地層數(shù)據(jù)合成處理

將之前處理好的壓裂數(shù)據(jù)與地層數(shù)據(jù)通過井號進(jìn)行合并；

用“井號”“/ 施工井段頂深”“/ 施工井段底深”生成新數(shù)據(jù)字段“index”；

將“index”和“有效厚度”兩列數(shù)據(jù)按照“index”進(jìn)行分組加和操作，合成新的有效厚度；

將滲透率、孔隙度、含油飽和度與有效厚度的乘積，分別與“index”進(jìn)行分組加和，得到的結(jié)果與新生成的有效厚度相除，合成新的滲透率、孔隙度與含油飽和度；

將上述步驟生成的新表與壓裂數(shù)據(jù)通過“index”進(jìn)行合并，去除存在空值的行數(shù)據(jù)即完成壓裂地層數(shù)據(jù)合并。

4） 壓裂地層數(shù)據(jù)與井史數(shù)據(jù)合并

通過壓裂地層表中的井號對井史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選；根據(jù)壓裂地層表中的“壓裂日期”信息，對已經(jīng)按照井號篩選出來的井史數(shù)據(jù)進(jìn)行再次篩選，計(jì)算出7天、180天、360天的各種產(chǎn)量數(shù)據(jù)；將計(jì)算出的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與壓裂地層表合并，得到最終的壓裂數(shù)據(jù)總表。

4.3 相關(guān)性分析

由于數(shù)據(jù)表中存在大量缺失數(shù)據(jù)，對缺失數(shù)據(jù)的處理方法尤為重要，與業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性高的數(shù)據(jù)要重點(diǎn)處理，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的數(shù)據(jù)根據(jù)后續(xù)分析結(jié)果再決定是否補(bǔ)全。

判斷數(shù)據(jù)項(xiàng)的重要性，必須明確待分析的對象，及分析結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。壓裂效果是否良好，注重的是壓后產(chǎn)量情況，通過皮爾遜系數(shù)和協(xié)方差進(jìn)行相關(guān)性分析，將壓后產(chǎn)量數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值，將其他數(shù)據(jù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行排序，通過排序結(jié)果劃分字段的重要程度。

4.4 缺失值處理

結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果與缺失值處理策略，制定了三種缺失值填充方法：均值填充、業(yè)務(wù)資料填充、貝葉斯反演填充。

4.4.1 均值填充

孔隙度、滲透率、含油飽和度、有效厚度等地層數(shù)據(jù)，在相同區(qū)塊，相同層位數(shù)據(jù)基本一致。使用區(qū)塊、層位數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將相同區(qū)塊、層位的缺失數(shù)據(jù)以已有數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行填充。

4.4.2 業(yè)務(wù)資料填充

壓裂措施數(shù)據(jù)中壓裂液名稱、壓裂液用量、壓裂類型等缺失數(shù)據(jù)，可以通過壓裂井的設(shè)計(jì)、施工總結(jié)等文檔材料進(jìn)行填充。

4.4.3 貝葉斯反演填充

反演是指由結(jié)果出發(fā)去確定參數(shù)，解決參數(shù)無法直接獲取的難題，一個優(yōu)秀的反演模型，可以通過產(chǎn)量數(shù)據(jù)推算出地層數(shù)據(jù)及措施數(shù)據(jù)。貝葉斯反演的優(yōu)勢：

1） 充分利用先驗(yàn)知識，可以用多維概率密度函數(shù)的形式（例如高斯分布）來描述模型參數(shù)的先驗(yàn)知識。

2） 在先驗(yàn)信息的背景上，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，縮小模型參數(shù)的分布范圍，獲得反演問題的解的后驗(yàn)概率密度分布。

3） 后驗(yàn)概率分布揭示了模型參數(shù)值的最可能分布。

貝葉斯定理：

P（m）：模型參數(shù)的先驗(yàn)概率分布；

P（d）：地質(zhì)條件的先驗(yàn)概率分布，可視作常數(shù)；

P（d | m）：給定模型參數(shù)條件下的似然概率；

σ（m | d）：組合先驗(yàn)信息和似然概率得到的模型參數(shù)后驗(yàn)概率；

反演結(jié)果是否在合理的范圍內(nèi)，通過模型的均值、方差和后驗(yàn)概率分布來評價(jià)和預(yù)測反演結(jié)果，徹底脫離對人工判定的依賴。

貝葉斯反演方法的主要流程如下：

1） 根據(jù)地質(zhì)參數(shù)、措施參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，確定出反演模型的先驗(yàn)概率分布；

2） 將參數(shù)的先驗(yàn)概率分布作為約束條件，建立初始模型；

3） 使用模型進(jìn)行正演模擬，并計(jì)算模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的能量值及似然函數(shù)；

4） 如果模型結(jié)果符合要求，則保存模型，然后修改模型參數(shù)建立新模型；

重復(fù)步驟3、4得到更多的模型樣本。

對所有反演出的模型樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到模型的均值、方差和后驗(yàn)概率分布；

最終得到的均值模型與原始模型的相關(guān)性高，在數(shù)據(jù)有噪聲的情況下仍能給出準(zhǔn)確的結(jié)果。

通過上述針對采油工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)的清理方法，將原本位置散亂、缺失值多、格式各異的油田數(shù)據(jù)整理為種類多、相關(guān)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)，對壓裂措施效果進(jìn)行分析預(yù)測時，較未處理的數(shù)據(jù)，分析結(jié)果準(zhǔn)確性有顯著提升。

5 結(jié)論

高質(zhì)量的數(shù)據(jù)清洗是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)輔助決策者做出正確策略的重要前提。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)據(jù)清洗方法往往是應(yīng)對常見數(shù)據(jù)的通用方法，在對海量多源異構(gòu)的油田數(shù)據(jù)的處理上，效果不佳。結(jié)合采油工程領(lǐng)域的專業(yè)知識，通過數(shù)據(jù)范圍選取、數(shù)據(jù)格式整理及缺失數(shù)據(jù)填充，形成了一套針對采油工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)清洗方法。

結(jié)果表明，本文方案對油田數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對比普通數(shù)據(jù)清洗方法，在大數(shù)據(jù)分析預(yù)測中具有明顯優(yōu)勢。