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

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Carvalho, Bruno Guilherme
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Mestrado em Informática
Centro Tecnológico
UFES
Programa de Pós-Graduação em Informática
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/15481
Resumo: Flow 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.
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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.Instabilidade 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.Universidade Federal do Espírito SantoBRMestrado em InformáticaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em InformáticaVarejão, Flávio Miguelhttps://orcid.org/0000-0002-5444-1974http://lattes.cnpq.br/6501574961643171https://orcid.org/0000-0002-2182-3386http://lattes.cnpq.br/5165200119776976Munaro, Celso Joséhttps://orcid.org/0000000222977395http://lattes.cnpq.br/5929530967371970Vargas, Ricardo Emanuel Vazhttps://orcid.org/0000-0001-6243-4590http://lattes.cnpq.br/1658300192778908Salgado, Ricardo Menezeshttps://orcid.org/0000-0002-0989-6259http://lattes.cnpq.br/8918198224706238Carvalho, Bruno Guilherme2024-05-30T00:50:45Z2024-05-30T00:50:45Z2021-10-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/15481porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2025-04-16T09:55:43Zoai:repositorio.ufes.br:10/15481Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082025-04-16T09:55:43Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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