00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Dissertação
Título: Modelos preditivos para ROP como suporte à otimização em tempo real de parâmetros operacionais na perfuração de poços de petróleo
Título(s) alternativo(s): Predictive models for ROP as support for real-time optimization of operational drilling parameters in oil well drilling
Autor(es): Ferro, Antonio Paulo Amancio
Primeiro Orientador: Barboza, Aline da Silva Ramos
metadata.dc.contributor.referee1: Lages, Eduardo Nobre
metadata.dc.contributor.referee2: Souza, Charlton Okama de
Resumo: A taxa de penetração (Rate of Penetration - ROP) é um parâmetro de grande interesse na otimização em tempo real da perfuração. Uma ROP maior diminui o tempo de perfuração e pode levar a reduções significativas de custo na construção do poço. Modelos preditivos são aplicados para prever a ROP resultante baseado em dados medidos durante a perfuração e viabilizam a determinação de parâmetros operacionais ótimos, como peso sobre a broca (Weight on Bit - WOB), rotação da broca (Revolutions per Minute - RPM) e a vazão do fluido, quando aliados a técnicas de otimização. Obter modelos de ROP precisos é uma tarefa difícil, dada a grande quantidade de fatores que afetam a ROP. O presente trabalho envolve o estudo de diferentes modelos de ROP. Modelos tradicionais: Bourgoyne & Young e Energia Mecânica Específica, são comparados com modelos de aprendizagem de máquina: Redes Neurais Artificiais (Artificial Neural Networks - ANN) e Florestas Aleatórias (Random Forest - RF). Dados públicos de 7 poços são estruturados em um dataset com dados relevantes para avaliação da performance de diferentes modelos preditivos, como parâmetros operacionais, dados de brocas, litologia, perfis geofísicos, gradiente de poro pressão e resistência não confinada. Nas análises comparativas, métricas de erro, como o erro médio absoluto (Mean Absolute Error - MAE) e a raiz do erro médio quadrático (Root Mean Square Error - RMSE), são comparadas entre os diferentes modelos considerando cada um dos 7 poços. Analisa-se a significância estatística com modelo de Bourgoyne & Young para compreender os efeitos mais significativos na ROP. A interpretabilidade dos modelos tradicionais em conjunto com o refino de hiperparametros são abordagens adotadas para empregar modelos de aprendizagem de máquina com inputs significativos e com maior capacidade preditiva. Em seguida, duas estratégias encontradas na literatura para utilização de modelos preditivos para ROP, aplicados na otimização em tempo real, são comparadas: modelos treinados com dados de poços de correlação, ou com os dados do próprio poço, simulando processo de aquisição gradual dos dados (aprendizagem contínua). Os resultados obtidos neste trabalho indicam melhor performance de modelos de aprendizagem de máquina em relação aos modelos tradicionais. O modelo RF apresenta melhor performance nas análises comparativas, tendo erros menores e menor custo computacional. É possível identificar a relevância do torque e da inclusão de dados da formação (Delta-T compressional) nos modelos de aprendizagem de máquina. Identifica-se que a estratégia de aprendizagem contínua é capaz de alcançar menores erros, ainda que se verifica que ambas estratégias são capazes de gerar predições adequadas.
Abstract: The Rate of Penetration (ROP) is a parameter of great interest in real-time drilling optimization. A higher ROP reduces drilling time and can lead to significant cost reductions in well construction. Predictive models for ROP are applied to predict ROP based on measured data while drilling, enabling the determination of optimal operational parameters such as RPM, WOB, and fluid flow when combined with optimization techniques. Obtaining more accurate ROP models is a challenging task due to the large number of factors interacting nonlinearly. This study involves the examination of different ROP models, including traditional ones, like Bourgoyne & Young and Specific Mechanical Energy, and their adaptations, compared with machine learning models such as Artificial Neural Networks (ANN) and Random Forests (RF). Public data from 7 wells were structured into a dataset with relevant information for evaluating the performance of different models in estimating ROP, including operational parameters, drill-bit data, lithology, geophysical logging data, pore pressure gradient, and unconfined compressive strength. In comparative analyses, error metrics such as Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Square Error (RMSE) are compared among the different models for each of the 7 wells. Statistical significance analysis is performed with the Bourgoyne & Young model to understand more significant effects on ROP. The interpretability of traditional models, along with hyperparameter tuning, is adopted to employ machine learning models with more meaningful inputs and greater predictive capacity. Next, two strategies found in the literature for using predictive models for ROP in real-time optimization are compared: models trained with offset well data or with the well’s own data, simulating a gradual data acquisition process (continuous learning). The results indicate better performance of machine learning models compared to traditional models. The RF model shows overall better performance in comparative analyses, with smaller errors and lower computational cost. The relevance of torque and the inclusion of formation data (Delta-T compressional) in machine learning models is identified. Also, continuous learning strategy can achieve lower errors, although both strategies are capable of generating appropriate predictions.
Palavras-chave: Perfuração
Taxa de penetração
Aprendizagem de máquina
Tempo real
Drilling
Rate of Penetration
Machine Learning
Real-Time
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Citação: FERRO, Antonio Paulo Amancio. Modelos preditivos para ROP como suporte à otimização em tempo real de parâmetros operacionais na perfuração de poços de petróleo. 2025. 149 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Centro de tecnologia, Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/15988
Data do documento: 21-mar-2024
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