吉林大学学报(信息科学版) ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (4): 625-631.

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基于 CNN-BiLSTM 的油田注水流量预测

李艳辉a,b, 吕行b   

  1. 东北石油大学 a. 环渤海能源研究院, 河北 秦皇岛 066004; b. 电气信息工程学院, 黑龙江 大庆 163318

  • 收稿日期:2023-03-07 出版日期:2024-07-22 发布日期:2024-07-22
  • 作者简介: 李艳辉(1970— ), 女, 辽宁法库人, 东北石油大学教授, 博士生导师, 主要从事鲁棒控制及滤波、 智能控制等研究, ( Tel)86-459-6504797( E-mail) LY_hui@ hotmail. com. cn。
  • 基金资助:

    黑龙江省自然科学基金资助项目( LH2020F004)

Flow Prediction of Oilfield Water Injection Based on Dual Attention Mechanism CNN-BiLSTM

LI Yanhuia,b, Lv Xingb   

  1.  a. Bohai Rim Energy Research Institute, Qinhuangdao 066004, China; b. School of Electrical and Information Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
  • Received:2023-03-07 Online:2024-07-22 Published:2024-07-22

摘要:

针对深度学习中的 RNN( Recurrent Neural Networks) 常用于时间序列预测, 但其存在难以对历史序列进行特征提取、以及无法突出关键信息的影响且时间序列过长时早期信息易丢失等问题, 提出一种基于双重注意力机制CNN( Convolutional Neural Networks) -BiLSTM( Bi-directional Long Short-Term Memory) 的油田注水流量预测方法。 该方法以油田历史注水数据为输入, 利用 CNN 层提取历史注水数据特征, 并引入特征注意力机制层,通过计算权重值的方式为特征赋予相应权重, 使关键特征更容易得到较大权重, 进而对预测结果产生影响; BiLSTM 层对数据进行时序建模, 并引入时间步注意力机制, 通过选取关键时间步并突出该时间步的隐藏状态表达, 使早期隐藏状态不会随时间消失, 能提升模型对长时间序列的预测效果, 最后完成流量预测。 以公开数据集和中国南部某地区油田注水数据为算例, 并与 MLP( Multilayer Perceptron)、 GRU( Gate Recurrent Unit)、LSTM( Long Short-Term Memory)、BiLSTM,CNN 进行对比, 证明该方法在油田注水流量预测中精度更高,可帮助油田制定生产计划、减少资源浪费以及提高注采率, 具有一定的实际工程应用价值。

关键词: 流量预测, 卷积神经网络, 长短期记忆神经网络, 注意力机制

Abstract:

Efficient and accurate water injection flow prediction can help oilfield departments formulate reasonable production plans, reduce the waste of resources, and improve the injection-production rate of the oilfield. RNN( Recurrent Neural Networks) in deep learning is often used for time series prediction, but it is difficult to extract features from historical series and can not highlight the impact of key information. Early information is also easy to lose when the time series is too long. A method of oilfield water injection flow prediction based on dual attention mechanism CNN ( Convolutional Neural Networks)-BiLSTM ( Bi-directional Long Short-Term Memory) is proposed. Taking the historical water injection data of the oilfield as the input, the CNN layer extracts the characteristics of the historical water injection data, and then enters the feature attention mechanism layer. The corresponding weights are given to the features by calculating the weight value. The key features are easier to get large weights, and then have an impact on the prediction results. The BiLSTM layer models the time series of data and introduces the time step attention mechanism. By selecting the key time step and highlighting the hidden state expression of the time step, the early hidden state will not disappear with time,

which can improve the prediction effect of the model for long time series, and finally complete the flow prediction. Taking public datasets and oilfield water injection data from a certain region in southern China as examples, and comparing them with MLP ( Multilayer Perceptron), GRU ( Gate Recurrent Unit), LSTM ( Long Short Term Memory), BiLSTM, CNN, it is proven that this method has higher accuracy in oilfield water injection flow prediction, can help oilfield formulate production plans, reduce resource waste, and improve injection recovery rate, and has certain practical engineering application value.

Key words: flow prediction, convolution neural network( CNN), long and short term memory ( LSTM) neural network, attention mechanism

中图分类号: 

  • TP183