DEVELOPMENT AND MODERNITY

Failure prediction of oil and gas equipment using machine learning

Authors

  • Ilya D. Kozyakov Moscow Institute of Modern Academic Education, 115191, Moscow, Gamsonovsky lane, 2
  • Yana N. Lozovskaya University of Science and Technology MISIS, 119049, Moscow, Leninsky Prospekt, 4

How to cite

GOST Kozyakov I. D., Lozovskaya Y. N. Failure prediction of oil and gas equipment using machine learning // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 9. P. 85-95. DOI: 10.25726/y6312-6362-0892-t
APA Kozyakov, I. D. & Lozovskaya, Y. N. (2025). Failure prediction of oil and gas equipment using machine learning. Academic Research Journal, 3(9), 85-95. https://doi.org/10.25726/y6312-6362-0892-t

Abstract

The article addresses the problem of improving the reliability of technological units at oil and gas enterprises by transitioning from a regulatory and reactive maintenance model to predictive failure management based on an ensemble of machine learning methods. The aim of the study is to develop and verify a comprehensive methodology that ensures early detection of pre-failure conditions and aligns forecast horizons with maintenance and repair schedules. The empirical base includes five-year multidimensional time series (2018–2022) for centrifugal pumps, reciprocating compressors, and separators ( свыше 15 TB, 40–70 parameters per unit), obtained from process control and vibration diagnostics systems. Preprocessing covers noise filtering via Kalman filter and wavelet transforms, interpolation of missing values, standardization, and feature engineering (moving statistics and FFT for vibration). Random Forest, gradient boosting (XGBoost), and LSTM were compared using pre-failure window labeling, a 70/15/15 split, and Precision, Recall, F1, and AUC ROC metrics; SMOTE was applied to handle imbalance. The final architecture was implemented as stacking with a logistic meta-model. It was shown that boosting is optimal for pumps (highest Precision and F1), while for compressors and separators the LSTM better captures long-term temporal patterns. The ensemble outperformed baseline models (F1 = 0.9345; AUC ROC = 0.971) and provided forecast lead times of 48–150 hours. Feature-importance analysis aligns with degradation physics: vibration RMS and bearing temperature dominate for pumps, pressure pulsations and discharge temperature for compressors, and pressure differentials and rate of level change for separators. The discussion highlights the need for differentiated algorithm selection based on failure mechanisms, portfolio integration of models, and a built-in trade-off between Precision and Recall to minimize false alarms while avoiding missed failures. Practical implementation envisions integration with process control and enterprise asset management systems to automate decision-making. Limitations include data heterogeneity and the rarity of events; future directions involve transformers and graph networks for complex dependencies, XAI for interpretability, and integration of text logs (NLP) for contextualized forecasting.

Keywords

predictive maintenance machine learning failure prediction oil and gas equipment ensemble modeling

References

Бухтояров В.В., Некрасов И.С., Тынченко В.С., Башмур К.А., Сергиенко Р.Б. Применение прогнозирующих алгоритмов машинного обучения к процессам нефтепереработки в рамках интеллектуальной автоматизации // Научные труды НИПИ Нефтегаз ГНКАР. 2022. № S1. С. 12-20.

Бушмелева К.И., Васильчук А.Н. Аспекты машинного обучения в крупной компании нефтегазовой отрасли // Вестник кибернетики. 2018. № 1 (29). С. 82-85.

Варфоломеев И.А. Разработка методов и алгоритмов прогнозирования отказов производственного оборудования на основе обработки больших данных и машинного обучения (на примере металлургического производства) : НИР. Грант № СП-334.2018.5. Совет по грантам Президента Российской Федерации. 2018.

Габдушев Д.М. Применение моделей машинного обучения при анализе аварийного журнала отказов оборудования распределительной сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов Тридцатой международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов. Москва, 2024. С. 1146.

Давыдов Д.В., Козлов А.Н., Молькова Е.В. Методика прогнозирования добычи нефти после проведения геологотехнических мероприятий на основе машинного обучения // Practice GeoChemistry 2024. Сборник тезисов. Новокузнецк, 2025. С. 129-132.

Зенькович М.В. Прогнозирование отказов основного технологического оборудования на машиностроительных предприятиях // Научная сессия НИЯУ МИФИ 2015. Аннотации докладов : в 3 т. / отв. ред. О.Н. Голотюк. 2015. С. 79a.

Изергина А.Р. Использование машинного обучения для оценки рисков отказа оборудования на предприятиях // Экономическая безопасность: проблемы, перспективы, тенденции развития. Материалы V Международной научнопрактической конференции. Пермский государственный национальный исследовательский университет. 2019. С. 137-140.

Мадаминджанов А.Ю., Нуриева Д.Ф., Захаров А.В. Прогнозирование отказов нефтяных скважин с помощью машинного обучения на основании данных эксплуатационного фонда скважин // Актуальные проблемы и тенденции развития современной экономики и информатики. Материалы Международной научнопрактической конференции. Бирск, 2024. С. 267-272.

Махотин И.В., Орлов Д.М., Коротеев Д.А. Оценка коэффициента извлечения нефти резервуаров на основе машинного обучения // Актуальные вопросы исследования нефтегазовых пластовых систем (SPRS 2020). Тезисы докладов III Международной научнопрактической конференции. Москва, 2020. С. 118.

Мехоношин Р.О., Вильданов Т.Ф., Кордик К.Е., Чернобровин Е.В., Ямлихин Р.Р., Зинатуллин И.А., Елизаров А.В. Прогнозирование возникновения инцидентов на нагнетательных скважинах с использованием алгоритмов машинного обучения // Нефтепромысловое дело. 2023. № 9 (657). С. 16-21.

Назаров А.Н., Махмутов А.Ф. Исследование методов машинного обучения для формирования мероприятий по обслуживанию нефтепромыслового оборудования // Профессиональные коммуникации в научной среде фактор обеспечения качества исследований. Материалы XIII Всероссийской научнопрактической конференции. Санкт-Петербург, 2024. С. 381-385.

Павлов А.А., Губайдуллин А.Г. Прогнозирование ресурса оборудования нефтеперекачивающей станции с помощью глубокого обучения // 75 лет нефтяному образованию в Республике Башкортостан. Тезисы докладов Всероссийской научнотехнической конференции, посвященной 70-летию УГНТУ. 2018. С. 105.

Пуртов С.А. Анализ моделей машинного обучения в нефтегазовой отрасли // Западно-Сибирский нефтегазовый конгресс. Сборник научных трудов XIII Международного научнотехнического конгресса студенческого отделения общества инженеров-нефтяников Society of Petroleum Engineers (SPE). 2019. С. 166-169.

Садыков А.Ф., Мухаметзянов Б.И., Черняк М.В., Батрашкин Д.В., Абдуллаев Р.А., Гимазетдинов Р.Ф., Саттаров У.М. Разработка и применение инструмента прогнозирования остаточного ресурса трубопроводов с использованием методов машинного обучения // PROнефть. Профессионально о нефти. 2025. Т. 10. № 2 (36). С. 132-143.

Скоромный П.С., Кадысев С.М., Старочкин А.В., Кравцов В.В. Оценочное прогнозирование времени эксплуатации трубопровода до отказа с применением обученной нейронной сети // Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность. Сборник материалов Всероссийской научнопрактической конференции с международным участием. Уфимский государственный нефтяной технический университет, Филиал в г. Стерлитамаке. 2013. С. 181.

Issue

Section

DEVELOPMENT AND MODERNITY

Metrics

201 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.