基于聯(lián)合互信息的動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型

黃海礁

摘 要：針對(duì)采油現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的靜態(tài)模型不能根據(jù)工況的變化更新動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型這一現(xiàn)狀，引入了聯(lián)合互信息（Joint Mutual Information，JMI）作為更新模型的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。該方法首先建立最小二乘支持向量機(jī)（Least Squares Support Vector Machine，LSSVM）模型，采用改進(jìn)黑洞算法（Black Hole，BH）優(yōu)化模型參數(shù)，預(yù)測(cè)出動(dòng)液面，然后計(jì)算輔助變量與動(dòng)液面的聯(lián)合互信息，判斷聯(lián)合互信息的波動(dòng)是否在合理范圍內(nèi)，以此作為模型更新的標(biāo)準(zhǔn)，提高動(dòng)液面預(yù)測(cè)精度，最后將上述方法應(yīng)用到遼河油田某采油平臺(tái)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)液面；最小二乘支持向量機(jī)；聯(lián)合互信息；動(dòng)態(tài)模型

中圖分類號(hào)：TE938 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.084

油井動(dòng)液面參數(shù)直接反映了油層供液情況及井下供排關(guān)系，是進(jìn)行采油工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)和優(yōu)化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。目前，采用軟測(cè)量建模的方法預(yù)測(cè)油井動(dòng)液面的方法一般假設(shè)在工況穩(wěn)定的情況下，而在油田實(shí)際開采過程中，隨著時(shí)間的推移，油井工況可能會(huì)發(fā)生很多變化，使用原始數(shù)據(jù)建立的靜態(tài)軟測(cè)量模型將不再適應(yīng)新的工況，而出現(xiàn)模型老化的現(xiàn)象。因此，為了確保軟測(cè)量模型的長(zhǎng)期適應(yīng)性，有必要將過程動(dòng)態(tài)信息引入模型，建立動(dòng)態(tài)軟測(cè)量模型。

本文針對(duì)動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型失效問題，提出了一種模型更新的標(biāo)準(zhǔn)，以防止模型老化，通過動(dòng)態(tài)更新預(yù)測(cè)模型，提高模型的預(yù)測(cè)精度。首先選取日產(chǎn)液量、井口套壓、泵效作為模型的輔助變量，然后建立LSSVM預(yù)測(cè)模型，并采用改進(jìn)BH算法對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后通過計(jì)算輔助變量與動(dòng)液面的聯(lián)合互信息判斷是否更新靜態(tài)模型，提高預(yù)測(cè)動(dòng)液面輸出精度。

1 動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型的建立

將日產(chǎn)液量、井口套壓、泵效作為輔助變量，用LSSVM方法建立動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型。在LSSVM模型中，懲罰因子γ和核函數(shù)參數(shù)σ值選擇的好壞會(huì)直接影響預(yù)測(cè)性能的優(yōu)劣，對(duì)此，本文采用改進(jìn)的BH算法對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。

2 基于JMI的動(dòng)液面預(yù)測(cè)模型更新

互信息由信息論中的熵演化而來，是信息量在兩個(gè)變量間的相同部分。相對(duì)于主導(dǎo)變量，輔助變量的歷史數(shù)據(jù)之間具有很高的相關(guān)性，且都對(duì)主導(dǎo)變量有貢獻(xiàn)。互信息方法不只考慮各輔助變量對(duì)主導(dǎo)變量的貢獻(xiàn)，同時(shí)還考慮它們之間的相互影響。另外，可利用聯(lián)合互信息的值來更新模型。

在改進(jìn)BH-LSSVM建立靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，采用JMI模型更新方法實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，具體步驟如下：①計(jì)算訓(xùn)練數(shù)據(jù)輔助變量與動(dòng)液面的聯(lián)合互信息；②建立LSSVM模型，用改進(jìn)的BH算法優(yōu)化模型參數(shù)；③判斷聯(lián)合互信息是否在允許范圍，如果不在范圍內(nèi)，則更新模型參數(shù)，否則輸出預(yù)測(cè)值；④重復(fù)上述步驟，直至輸出預(yù)測(cè)值。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文從遼河油田某采油平臺(tái)得到抽油機(jī)部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將歷史數(shù)據(jù)一次建模，生產(chǎn)過程中不更新模型，建立改進(jìn)BH-LSSVM靜態(tài)模型。采集了686組樣本數(shù)據(jù)，其中350組樣本數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練預(yù)模型，336組樣本數(shù)據(jù)用于測(cè)試預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)設(shè)置為：種群數(shù)50，進(jìn)化代數(shù)100，懲罰因子搜索區(qū)間為[2 000，1]，核函數(shù)參數(shù)搜索區(qū)間為[50，0.01]，以均方誤差作為評(píng)價(jià)模型預(yù)測(cè)精度的標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)BH算法搜索到最優(yōu)懲罰系數(shù)γ為100.401 4，核函數(shù)參數(shù)σ為0.01，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值相比較的仿真圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，樣本點(diǎn)140之后動(dòng)液面的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的誤差明顯增大，靜態(tài)模型失效?；诼?lián)合互信息對(duì)動(dòng)態(tài)更新模型與靜態(tài)模型進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

分別計(jì)算靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的均方根值誤差見，如表1所示，可知?jiǎng)討B(tài)模型均方根誤差更小，預(yù)測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)值。

4 結(jié)論

本文針對(duì)工況不斷發(fā)生變化會(huì)使模型的預(yù)測(cè)精度逐漸降低甚至出現(xiàn)較大偏差這一問題，引入了聯(lián)合互信息理論，計(jì)算出了建模的輔助變量與動(dòng)液面的聯(lián)合互信息值，判斷了聯(lián)合互信息的波動(dòng)范圍是否在合理的范圍內(nèi)，并對(duì)模型進(jìn)行了更新。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法是有效的，可以提高油田的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

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〔編輯：王霞〕