شماره ركورد
34680
پديد آورنده
فرزاد رضائي قطب آبادي
عنوان
استفاده از مدل هاي داده محور براي پايش بلادرنگ و پيش بيني خرابي پمپ هاي شناورالكتريكي و عمر باقيمانده
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي نفت
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/9/18
استاد راهنما
دكتر حميدرضا جهانگيري و دكترسيد مجتبي حسيني نسب
استاد مشاور
دكتر روح الدين ميري
دانشكده
دانشكده مهندسي شيمي نفت و گاز
چكيده
پمپهاي شناور الكتريكي بهعنوان يكي از پركاربردترين روشهاي فرازآوري مصنوعي در صنعت نفت و گاز، نقشي كليدي در تداوم توليد دارند. با اين حال، اين تجهيزات بهدليل قرارگيري در شرايط عملياتي دشوار و تماس مداوم با تغييرات فشار، دما و ارتعاش، در معرض خرابيهاي زودهنگام هستند. توقفهاي ناخواسته ناشي از خرابي ESP نهتنها هزينههاي تعمير و نگهداري را افزايش ميدهد، بلكه موجب كاهش توليد و اختلال در بهرهبرداري ميشود. ازاينرو، توسعهي روشهاي نوين براي پايش بلادرنگ و پيشبيني عمر باقيمانده اين تجهيزات از اهميت حياتي برخوردار است. در اين پژوهش، يك چارچوب دادهمحور مبتني بر يادگيري عميق توسعه داده شد كه با استفاده از دادههاي عملياتي گردآوريشده از سامانههاي پايش وضعيت، قادر به شناسايي الگوهاي سالم عملكردي و تشخيص انحراف از شرايط نرمال است. در گام نخست، دادهها با استفاده از روشهاي پيشپردازش شامل حذف نويز، شناسايي دادههاي پرت، نرمالسازي و مهندسي ويژگي آمادهسازي شدند. سپس دو الگوريتم LSTM Autoencoder و Transformer Autoencoderبراي بازسازي رفتار نرمال پمپ و شناسايي ناهنجاريها بهكار گرفته شدند. خطاي بازسازي بهعنوان شاخص كليدي تشخيص خرابي تعريف شد و با محاسبهي آستانههاي ثابتِ دادهمحور (مبتني بر توزيع آماري دادههاي سالم) جهت جلوگيري از پنهانسازي خطا، امكان تفكيك دقيق سه سطح شرايط نرمال، هشدار و خرابي فراهم گرديد. همچنين از آستانههاي تطبيقي بهعنوان يك ابزار كمكي جهت شناسايي شوكهاي ناگهاني و انحرافات محلي در تحليلهاي بصري استفاده شد. همچنين، تحليل روند خطا و روش چندپنجرهاي براي برآورد عمر باقيمانده مورد استفاده قرار گرفت تا پيشبيني قابلاعتمادتري از زمان ازكارافتادگي ارائه شود. ارزيابي كمي نشان داد كه مدل Transformer-AE با رويكرد تشخيص «علتمحور»، در سناريوي خرابي سريع موفق به پيشبيني عمر مفيد باقيمانده برابر با 4.7 روز شد (در مقابل برآورد غيرواقعبينانه 102 روز توسط مدل LSTM) و در سناريوي شكست ناگهاني نيز با ارائه امتياز ريسك 58.9 (در مقايسه با 25.4)، وضعيت بحراني سيستم را دقيقتر از مدل رقيب شناسايي كرد.
نتايج نشان داد كه تركيب اين رويكردهاي دادهمحور دقت تشخيص زودهنگام خرابي را افزايش داده و برآورد عمر باقيمانده را با اطمينان بيشتري ممكن ميسازد. اين دستاورد، علاوه بر كاهش توقفهاي ناخواسته و هزينههاي نگهداري، موجب ارتقاي بهرهوري و قابليت اطمينان در سيستمهاي توليد نفت و گاز ميشود. چارچوب پيشنهادي ميتواند بهعنوان مبنايي براي توسعهي سامانههاي هوشمند مديريت دارايي و تصميمگيري پيشگيرانه در صنايع بالادستي مورد استفاده قرار گيرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/23
عنوان به انگليسي
Application of Data-Driven Models for Real-Time Monitoring, ESP Pump Failure Prediction, and Remaining Useful Life Estimation
تاريخ بهره برداري
12/9/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فرزاد رضائي قطب ابادي
چكيده به لاتين
Electric Submersible Pumps (ESPs), as one of the most widely used artificial lift methods in the oil and gas industry, play a critical role in sustaining hydrocarbon production. However, due to harsh downhole operating conditions and continuous exposure to pressure fluctuations, high temperatures, and mechanical vibrations, these systems are highly susceptible to premature failures. Unplanned shutdowns caused by ESP failures not only increase maintenance and workover costs but also lead to significant production losses and operational disruptions. Therefore, the development of advanced real-time monitoring and Remaining Useful Life (RUL) prediction methods is of paramount importance. In this study, a data-driven framework based on deep learning was developed using operational data collected from condition monitoring and SCADA systems. The proposed framework is capable of learning normal operational patterns and detecting deviations from healthy behavior. In the first stage, raw data were preprocessed through noise filtering, outlier detection, normalization, and feature engineering to ensure data quality and model robustness. Subsequently, two deep learning architectures—LSTM Autoencoder (LSTM-AE) and Transformer Autoencoder (Transformer-AE)—were employed to reconstruct normal pump behavior and identify anomalies. Reconstruction error was defined as the primary failure indicator. Data-driven fixed thresholds, derived from the statistical distribution of healthy-state data, were implemented to prevent error masking and enable accurate classification of three operational states: normal, warning, and failure. In addition, adaptive thresholds were utilized as a complementary analytical tool to capture sudden shocks and localized deviations during visual inspections. To enhance prognostic capability, reconstruction error trend analysis combined with a multi-window approach was applied for Remaining Useful Life estimation, providing a more reliable prediction of time-to-failure. Quantitative evaluation demonstrated that the Transformer-AE model, with its cause-oriented detection capability, significantly outperformed the LSTM-AE model. In a rapid degradation scenario, Transformer-AE predicted an RUL of 4.7 days, whereas the LSTM model produced an unrealistic estimate of 102 days. In the sudden failure scenario, the Transformer-based model generated a higher risk score (58.9 versus 25.4), enabling more accurate identification of the system’s critical condition. The results indicate that integrating these data-driven approaches substantially improves early fault detection accuracy and enhances the reliability of RUL estimation. This achievement contributes to reducing unplanned downtime, lowering maintenance costs, and improving operational reliability and production efficiency in oil and gas systems. The proposed framework can serve as a foundation for intelligent asset management systems and proactive decision-making strategies in upstream petroleum operations.
كليدواژه هاي فارسي
مدلهاي دادهمحور , مانيتورينگ بلادرنگ , پمپهاي شناور الكتريكي , پيشبيني خرابي , عمر باقيمانده
كليدواژه هاي لاتين
Data-driven models , Real-time monitoring , Electric Submersible Pumps (ESP) , Failure Prediction , Remaining Useful Life (RUL)
Author
Farzad Rezaei Ghotbabadi
SuperVisor
Dr. Hamid Reza Jahanqiri /Dr. Seyed Mojtaba Hosseini Nasab