基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法

陳健

中國(guó)石油吐哈油田分公司 銷售事業(yè)部(新疆 吐魯番 838202)

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)反映的是鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體形態(tài)，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面實(shí)際是指鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體阻溶劑界面，為了能夠更好地存儲(chǔ)油氣，在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體內(nèi)油氣表面使用柴油或者機(jī)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(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)界面位置容易發(fā)生變化和失控，如果鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水油界面位置失去控制，變化幅度超出合理范圍，會(huì)導(dǎo)致鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體發(fā)生變形，最終會(huì)影響到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油氣儲(chǔ)運(yùn)質(zhì)量，嚴(yán)重的會(huì)造成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體垮塌。因此鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面控制和監(jiān)測(cè)是保證鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油氣存儲(chǔ)穩(wěn)定的關(guān)鍵，需要采用有效的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法，確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)[3]。目前現(xiàn)有的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法主要有兩種，一種是基于人工智能的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法，另一種是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法。前者是采用人工智能算法對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，后者是利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算。這兩種方法在目前鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)領(lǐng)域比較常用，雖然提高了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)效率，但是在實(shí)際應(yīng)用中，因成本較高，監(jiān)測(cè)數(shù)值與實(shí)際情況存在較大差距，且探測(cè)范圍不夠廣泛，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)誤差較大，為此提出基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法研究。

1 基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量

對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量采用光纖油水界面測(cè)量?jī)x，根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量需求，此次采用SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x，該測(cè)量裝置主要包括地面測(cè)量設(shè)備與鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)復(fù)合光纜兩部分，將鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)復(fù)合光纜隨著管柱從地面下放到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)中，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行加熱，測(cè)量加熱前后鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面溫度信息。

由于油和水的比熱容不同，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水升溫和降溫速率存在一定差異，因此根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水這一物理特征，利用SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x對(duì)油水界面位置生產(chǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，為后續(xù)利用深度學(xué)習(xí)分析鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x通過(guò)復(fù)合光纜向鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面發(fā)射光時(shí)域反射信號(hào)，在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面時(shí)域空間里，由復(fù)合光纜發(fā)出的入射光經(jīng)過(guò)背向散射返回到復(fù)合光纜入射端時(shí)間，在該時(shí)間段內(nèi)激光脈沖信號(hào)在復(fù)合光纜中傳輸路段，是背向散射光纖信號(hào)到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面距離的兩倍，由此可以獲得背向散射光纖信號(hào)到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(hào)到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(guò)背向散射返回到復(fù)合光纜入射端時(shí)間，s；b為激光脈沖信號(hào)在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體的真空環(huán)境中的光速，m/s；n為分布式光纖信號(hào)在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面的實(shí)際折射率。

利用公式（1）獲取到背向散射光纖信號(hào)到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面上的激光脈沖信號(hào)會(huì)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(chǔ)氣庫(kù)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(guò)程中，一部分激光脈沖能量轉(zhuǎn)化為熱能量，會(huì)發(fā)出一個(gè)波長(zhǎng)較短的斯托克斯光。與此同時(shí)，一部分熱能量轉(zhuǎn)化為激光脈沖能量，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的反斯托克斯光，因此鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面形成的拉曼光譜散射光主要是由兩種不同波長(zhǎng)的光組成。利用鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(hào)[6-7]。因?yàn)榉此雇锌怂构庀啾容^斯托克斯光對(duì)于溫度更加敏感，因此將反斯托克斯光作為光纖信號(hào)通道，將斯托克斯光作為光纖信號(hào)對(duì)比通道，從鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上任意一點(diǎn)的斯托克斯光與反斯托克斯光的比例，確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上該點(diǎn)的溫度，公式表示如下：

式中：w為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上某一點(diǎn)的溫度，℃；e為普朗克常數(shù)；q為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面某一點(diǎn)反斯托克斯光信號(hào)偏移波數(shù)；p為玻爾茲曼常數(shù)；o為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上某一點(diǎn)的反斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度；o*為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上某一點(diǎn)的斯托克斯光信號(hào)強(qiáng)度；y為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上某一點(diǎn)的反斯托克斯光波長(zhǎng)；y*為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面上某一點(diǎn)的斯托克斯光波長(zhǎng)。

利用式（2）計(jì)算出鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面溫度，以此獲取到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)溫度信息，完成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量。

1.2 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)預(yù)處理

以上獲取到的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面的實(shí)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(duì)確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)具有重要作用，因此將獲取到的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8-9]。首先將獲取的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中無(wú)效數(shù)據(jù)、屬性殘缺數(shù)據(jù)以及重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后按照溫度加熱前后的對(duì)應(yīng)關(guān)系將鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面同一地點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并進(jìn)行分類存儲(chǔ)。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(lái)確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界的實(shí)際深度，其公式表示如下：

式中：v為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面的實(shí)際深度，m；t為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)時(shí)間，h；w1為伴熱控制電源對(duì)復(fù)合電纜加熱后鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面溫度，℃；w2為伴熱控制電源對(duì)復(fù)合電纜加熱前鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面溫度，℃。

利用式（3）計(jì)算到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面的實(shí)際深度，并將其與相對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)文件中進(jìn)行存儲(chǔ)，以此完成鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1.3 基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)分析

利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)進(jìn)行深入分析，其主要是利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)理想值，將其作為參照對(duì)當(dāng)前鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面狀態(tài)進(jìn)行確定，其具體過(guò)程如下。

首先建立鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)需求，建立的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)數(shù)據(jù)輸入層、一個(gè)卷積層以及一個(gè)輸出層，通過(guò)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(jìn)行全連接[10]。將預(yù)處理后的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入層，為了方便后續(xù)計(jì)算分析，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入層中對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，并在輸入層中對(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征進(jìn)行提取，其公式如下：

式中：k為獲得的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征信息；f為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入層激活函數(shù)；u為輸入的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)；d為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入層迭代次數(shù)，次；m為深度學(xué)習(xí)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(duì)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷訓(xùn)練，并且在數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練和學(xué)習(xí)中調(diào)整深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入層迭代次數(shù)參數(shù)和深度學(xué)習(xí)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征信息后，將特征信息輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)卷積層，在卷積層中進(jìn)行鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征采樣，其公式如下：

式中：n為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)卷積層獲得的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(xí)網(wǎng)絡(luò)卷積層乘性偏置；b為深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)卷積層中鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征數(shù)據(jù)可訓(xùn)練加性偏置。

對(duì)于輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面數(shù)據(jù)信息，都會(huì)存在一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中利用誤差函數(shù)來(lái)表示鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面當(dāng)前狀態(tài)與實(shí)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(xí)網(wǎng)絡(luò)中鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面學(xué)習(xí)特征與實(shí)際特征的誤差函數(shù)；κ表示鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面特征樣本的預(yù)測(cè)值。

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

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔井生產(chǎn)套管下深1 264.15 m，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油氣儲(chǔ)運(yùn)體積為126 559.48 L，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔外管下深1 364.48 m，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔內(nèi)管下深1 264.86 m，鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水油界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)將SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，并進(jìn)行施工作業(yè)，將SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x測(cè)量頻率設(shè)定為1.36 GHz，測(cè)量周期設(shè)定為0.1 ns，測(cè)量范圍定位為0～500 m。根據(jù)該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際情況，布設(shè)了1 000個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將SHIADF/S2AF5型號(hào)智能光纖油水界面測(cè)量?jī)x經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和深度校正后，測(cè)量光纖加熱前后鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水油界面溫度差，并利用公式（3）確定鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水油界面深度，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)水油界面測(cè)量數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)共采集了2 000個(gè)數(shù)據(jù)樣本，在Intel Coer 2.65平臺(tái)上建立深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。將深度學(xué)習(xí)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(xí)網(wǎng)絡(luò)提取到的特征參數(shù)，根據(jù)該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際情況，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸出層設(shè)置的最大油水界面誤差為0.25 m，對(duì)該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為12 h。利用HSIFA軟件對(duì)兩種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面實(shí)際深度進(jìn)行分析，確定兩種方法的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)誤差，將其作為檢驗(yàn)兩種方法有效性指標(biāo)，利用電子表格對(duì)兩種方法檢查誤差進(jìn)行記錄，從中隨機(jī)抽取8次監(jiān)測(cè)誤差數(shù)據(jù)，見表2。

表2 兩種方法鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)中可以看出，設(shè)計(jì)方法對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)誤差均小于最大允許誤差，最小監(jiān)測(cè)誤差為0.001 1 m，平均監(jiān)測(cè)誤差為0.018 m，符合鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)精度要求；而傳統(tǒng)方法對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)誤差均超過(guò)最大允許誤差，最大監(jiān)測(cè)誤差為0.168 1 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地面建設(shè)和油氣儲(chǔ)運(yùn)方向理論與工程實(shí)踐，針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的弊端，利用深度學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)了一種新的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)方法，并利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)精度，為基于深度學(xué)習(xí)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。