Digital Image Processing

This book presents several recent advances that are related or fall under the umbrella of 'digital image processing', with the purpose of providing an insight into the possibilities offered by digital image processing algorithms in various fields. The presented mathematical algorithms are accompanied by graphical representations and illustrative examples for an enhanced readability. The chapters are written in a manner that allows even a reader with basic experience and knowledge in the digital image processing field to properly understand the presented algorithms. Concurrently, the structure of the information in this book is such that fellow scientists will be able to use it to push the development of the presented subjects even further

Exploring the adoption of a conceptual data analytics framework for subsurface energy production systems: a study of predictive maintenance, multi-phase flow estimation, and production optimization

Als die Technologie weiter fortschreitet und immer stärker in der Öl- und Gasindustrie integriert wird, steht eine enorme Menge an Daten in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen zur Verfügung, die neue Möglichkeiten bieten, informationsreiche und handlungsorientierte Informationen zu gewinnen. Die Konvergenz der digitalen Transformation mit der Physik des Flüssigkeitsflusses durch poröse Medien und Pipeline hat die Entwicklung und Anwendung von maschinellem Lernen (ML) vorangetrieben, um weiteren Mehrwert aus diesen Daten zu gewinnen. Als Folge hat sich die digitale Transformation und ihre zugehörigen maschinellen Lernanwendungen zu einem neuen Forschungsgebiet entwickelt. Die Transformation von Brownfields in digitale Ölfelder kann bei der Energieproduktion helfen, indem verschiedene Ziele erreicht werden, einschließlich erhöhter betrieblicher Effizienz, Produktionsoptimierung, Zusammenarbeit, Datenintegration, Entscheidungsunterstützung und Workflow-Automatisierung. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein Rahmenwerk für diese Anwendungen zu präsentieren, insbesondere durch die Implementierung virtueller Sensoren, Vorhersageanalytik mithilfe von Vorhersagewartung für die Produktionshydraulik-Systeme (mit dem Schwerpunkt auf elektrischen Unterwasserpumpen) und präskriptiven Analytik für die Produktionsoptimierung in Dampf- und Wasserflutprojekten. In Bezug auf virtuelle Messungen ist eine genaue Schätzung von Mehrphasenströmen für die Überwachung und Verbesserung von Produktionsprozessen entscheidend. Diese Studie präsentiert einen datengetriebenen Ansatz zur Berechnung von Mehrphasenströmen mithilfe von Sensormessungen in elektrischen untergetauchten Pumpbrunnen. Es wird eine ausführliche exploratorische Datenanalyse durchgeführt, einschließlich einer Ein Variablen Studie der Zielausgänge (Flüssigkeitsrate und Wasseranteil), einer Mehrvariablen-Studie der Beziehungen zwischen Eingaben und Ausgaben sowie einer Datengruppierung basierend auf Hauptkomponentenprojektionen und Clusteralgorithmen. Feature Priorisierungsexperimente werden durchgeführt, um die einflussreichsten Parameter in der Vorhersage von Fließraten zu identifizieren. Die Modellvergleich erfolgt anhand des mittleren absoluten Fehlers, des mittleren quadratischen Fehlers und des Bestimmtheitskoeffizienten. Die Ergebnisse zeigen, dass die CNN-LSTM-Netzwerkarchitektur besonders effektiv bei der Zeitreihenanalyse von ESP-Sensordaten ist, da die 1D-CNN-Schichten automatisch Merkmale extrahieren und informative Darstellungen von Zeitreihendaten erzeugen können. Anschließend wird in dieser Studie eine Methodik zur Umsetzung von Vorhersagewartungen für künstliche Hebesysteme, insbesondere bei der Wartung von Elektrischen Untergetauchten Pumpen (ESP), vorgestellt. Conventional maintenance practices for ESPs require extensive resources and manpower, and are often initiated through reactive monitoring of multivariate sensor data. Um dieses Problem zu lösen, wird die Verwendung von Hauptkomponentenanalyse (PCA) und Extreme Gradient Boosting Trees (XGBoost) zur Analyse von Echtzeitsensordaten und Vorhersage möglicher Ausfälle in ESPs eingesetzt. PCA wird als unsupervised technique eingesetzt und sein Ausgang wird weiter vom XGBoost-Modell für die Vorhersage des Systemstatus verarbeitet. Das resultierende Vorhersagemodell hat gezeigt, dass es Signale von möglichen Ausfällen bis zu sieben Tagen im Voraus bereitstellen kann, mit einer F1-Bewertung größer als 0,71 im Testset. Diese Studie integriert auch Model-Free Reinforcement Learning (RL) Algorithmen zur Unterstützung bei Entscheidungen im Rahmen der Produktionsoptimierung. Die Aufgabe, die optimalen Injektionsstrategien zu bestimmen, stellt Herausforderungen aufgrund der Komplexität der zugrundeliegenden Dynamik, einschließlich nichtlinearer Formulierung, zeitlicher Variationen und Reservoirstrukturheterogenität. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurde das Problem als Markov-Entscheidungsprozess reformuliert und RL-Algorithmen wurden eingesetzt, um Handlungen zu bestimmen, die die Produktion optimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der RL-Agent in der Lage war, den Netto-Barwert (NPV) durch kontinuierliche Interaktion mit der Umgebung und iterative Verfeinerung des dynamischen Prozesses über mehrere Episoden signifikant zu verbessern. Dies zeigt das Potenzial von RL-Algorithmen, effektive und effiziente Lösungen für komplexe Optimierungsprobleme im Produktionsbereich zu bieten.As technology continues to advance and become more integrated in the oil and gas industry, a vast amount of data is now prevalent across various scientific disciplines, providing new opportunities to gain insightful and actionable information. The convergence of digital transformation with the physics of fluid flow through porous media and pipelines has driven the advancement and application of machine learning (ML) techniques to extract further value from this data. As a result, digital transformation and its associated machine-learning applications have become a new area of scientific investigation. The transformation of brownfields into digital oilfields can aid in energy production by accomplishing various objectives, including increased operational efficiency, production optimization, collaboration, data integration, decision support, and workflow automation. This work aims to present a framework of these applications, specifically through the implementation of virtual sensing, predictive analytics using predictive maintenance on production hydraulic systems (with a focus on electrical submersible pumps), and prescriptive analytics for production optimization in steam and waterflooding projects. In terms of virtual sensing, the accurate estimation of multi-phase flow rates is crucial for monitoring and improving production processes. This study presents a data-driven approach for calculating multi-phase flow rates using sensor measurements located in electrical submersible pumped wells. An exhaustive exploratory data analysis is conducted, including a univariate study of the target outputs (liquid rate and water cut), a multivariate study of the relationships between inputs and outputs, and data grouping based on principal component projections and clustering algorithms. Feature prioritization experiments are performed to identify the most influential parameters in the prediction of flow rates. Model comparison is done using the mean absolute error, mean squared error and coefficient of determination. The results indicate that the CNN-LSTM network architecture is particularly effective in time series analysis for ESP sensor data, as the 1D-CNN layers are capable of extracting features and generating informative representations of time series data automatically. Subsequently, the study presented herein a methodology for implementing predictive maintenance on artificial lift systems, specifically regarding the maintenance of Electrical Submersible Pumps (ESPs). Conventional maintenance practices for ESPs require extensive resources and manpower and are often initiated through reactive monitoring of multivariate sensor data. To address this issue, the study employs the use of principal component analysis (PCA) and extreme gradient boosting trees (XGBoost) to analyze real-time sensor data and predict potential failures in ESPs. PCA is utilized as an unsupervised technique and its output is further processed by the XGBoost model for prediction of system status. The resulting predictive model has been shown to provide signals of potential failures up to seven days in advance, with an F1 score greater than 0.71 on the test set. In addition to the data-driven modeling approach, The present study also in- corporates model-free reinforcement learning (RL) algorithms to aid in decision-making in production optimization. The task of determining the optimal injection strategy poses challenges due to the complexity of the underlying dynamics, including nonlinear formulation, temporal variations, and reservoir heterogeneity. To tackle these challenges, the problem was reformulated as a Markov decision process and RL algorithms were employed to determine actions that maximize production yield. The results of the study demonstrate that the RL agent was able to significantly enhance the net present value (NPV) by continuously interacting with the environment and iteratively refining the dynamic process through multiple episodes. This showcases the potential for RL algorithms to provide effective and efficient solutions for complex optimization problems in the production domain. In conclusion, this study represents an original contribution to the field of data-driven applications in subsurface energy systems. It proposes a data-driven method for determining multi-phase flow rates in electrical submersible pumped (ESP) wells utilizing sensor measurements. The methodology includes conducting exploratory data analysis, conducting experiments to prioritize features, and evaluating models based on mean absolute error, mean squared error, and coefficient of determination. The findings indicate that a convolutional neural network-long short-term memory (CNN-LSTM) network is an effective approach for time series analysis in ESPs. In addition, the study implements principal component analysis (PCA) and extreme gradient boosting trees (XGBoost) to perform predictive maintenance on ESPs and anticipate potential failures up to a seven-day horizon. Furthermore, the study applies model-free reinforcement learning (RL) algorithms to aid decision-making in production optimization and enhance net present value (NPV)

Optimization Methods Applied to Power Systems Ⅱ

Electrical power systems are complex networks that include a set of electrical components that allow distributing the electricity generated in the conventional and renewable power plants to distribution systems so it can be received by final consumers (businesses and homes). In practice, power system management requires solving different design, operation, and control problems. Bearing in mind that computers are used to solve these complex optimization problems, this book includes some recent contributions to this field that cover a large variety of problems. More specifically, the book includes contributions about topics such as controllers for the frequency response of microgrids, post-contingency overflow analysis, line overloads after line and generation contingences, power quality disturbances, earthing system touch voltages, security-constrained optimal power flow, voltage regulation planning, intermittent generation in power systems, location of partial discharge source in gas-insulated switchgear, electric vehicle charging stations, optimal power flow with photovoltaic generation, hydroelectric plant location selection, cold-thermal-electric integrated energy systems, high-efficiency resonant devices for microwave power generation, security-constrained unit commitment, and economic dispatch problems