Document

Developing an ESP lifespan predictive model using artificial intelligence : a case study on an Omani oil field.

Other titles
تطوير نموذج تنبؤي للعمر المتوقع للمضخة الغاطسة الكهربائية باستخدام الذكاء الاصطناعي : دراسة حالة حول حقل نفطي ُعماني
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2023
Language
English
English abstract
The Electrical Submersible Pump (ESP) is the most efficient and reliable artificial lift method for medium to high production rates. While the capital cost of ESP is high, it pales in comparison to the production losses resulting from its failure. Machine learning (ML) is a branch of artificial intelligence, and it has gained substantial attention in oil and gas industries recently by virtue of its predictive power. This study aims to develop an ML model to predict ESP lifespan and identify the key features that influence its longevity. A general review is conducted for the ESP failure analysis approach and the previously applied predictive maintenance to monitor, troubleshoot and predict its failure (PFA). The study explores various ML algorithms and their applications in predicting the time and type of ESP failures in different fields worldwide. The aims of this thesis were directed through ESP static and historical data to be achieved based on the literature review. The failure history of more than 100 wells from an Omani oilfield was reviewed, with 132 ESP failures attributed to sand and scale accumulation. The dataset includes 36 static features related to ESP design, installation, commissioning, failure, pull-out and teardown. Data were split into training and testing sets by a ratio of 70:30. Hundreds of tests were performed to five selected algorithms in order to optimize the parameters and hyperparameters of each algorithm, based on mean absolute error, average residual and determination coefficient. The algorithms tested were Decision Tree Regressor (DTR), Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO), Random Forest Regressor (RFR), Support Vector Regressor (SVR), and Extreme Gradient Boosting Regressor (XGBR). Outliers were retrained if their predicted values exceeded a predetermined limit. The final model was developed in two levels to estimate ESP lifespan after installation and after the last valid well test. SVR and RFR were chosen for the first and second models, respectively. The average model predictions yielded a mean absolute error of 25 days for the first level with a 60% determination coefficient and 8 days for the second level with a 73% determination coefficient. The model`s analysis indicated that certain factors related to the pump and motor design have the greatest impact on ensuring a long-lasting ESP before it is commissioned, based on the model's first level. These include features such as pump discharge pressure, number of pump stages, motor frequency, and shaft RPM, underscoring the critical role of careful selection and design of ESP components. On the other hand, during the operational lifespan of the ESP, the most important features to monitor and control are pump discharge pressure and flow rates of oil and water, as highlighted by the model's second level. By scheduling ESP maintenance before failure, these findings can help mitigate capital costs, while preparing the necessary hoist, rig, and materials for ESP replacement can avoid deferred operational costs.
Arabic abstract
المضخة الغاطسة الكهربائية هي أكثر طرق الرفع الاصطناعي كفاءة وثباتا لمعدلات الانتاج المتوسطة والعالية، على الرغم من ارتفاع التكلفة الرأسمالية لهذه المضخة، الا أنها ال تقارن بالتكلفة العالية لخسائر الانتاج نتيجة فشلها وسقوطها، التعلم الالي هو فرع من فروع الذكاء الاصطناعي، وقد اكتسب صيتًا واسعًا في حقول النفط والغاز نتيجة قدراته التنبؤية، تهدف هذه الدراسة إلى تطوير نموذج للتعلم الالي لتنبؤ مدة حياة المضخة الغاطسة الكهربائية وتحديد أهم العوامل المؤثرة على حياتها. ابتدأت الدراسة بعمل مراجعة عامة لتحليل فشل هذه المضخات وتطبيقات صيانتها في مراقبة وتصحيح وتنبؤ سقوطها، ومراجعة العديد من خوارزميات التعلم الالي المستخدمة وتطبيقاتها في تنبؤ وقت ونوع الفشل لهذه المضخات في مختلف حقول النفط حول العالم، وقد تم توجيه أهداف البحث بناء على هذه المراجعات إلى البيانات المستقرة والتاريخية من المضخة الغاطسة الكهربائية، أكثر من 100 بئر نفط في حقل نفط عماني قد تمت مراجعته ُعدّت تحتوي حيث استُخرج منها 132 مضخة فشلت نتيجة تراكم الرمل ومخلفات الانتاج، قائمة البيانات التي أ على 36 عامل مستقر متعلق بتصميم المضخة وتثبيتها وتشغيلها وفشلها وسحبها وتفكيكها، قُسمت هذه البيانات إلى %70 للتدريب و%30 لالختبار، مئات الاختبارات قد أجريت على خمس خوارزميات منتقاة لتحسين معالم كل خوارزمية بالاعتماد على متوسط مجموع الفروق بين القيم الحقيقية والمتوقعة بالقيمة المطلقة ومعامل التحديد، هذه Decision Tree Regressor (DTR), Least Absolute Shrinkage and هي المستخدمة الخوارزميات Selection Operator (LASSO), Random Forest Regressor (RFR), Support Vector عادُي المتطرفة النتائج ، Extreme Gradient Boosting Regressor (XGBR)و Regressor (SVR), اعتمادا على الحد الاقصى المحدد سابقً تدريبها إذا تجاوزت قيمها المتوقعة ا. النموذج النهائي يحتوي على مستويين: مستوى لتوقع مدى الحياة الكامل قبل تشغيل المضخة والاخر لتوقع المتبقي من حياة المضخة بعد آخر اختبار لصالحية البئر، RFR اُختيرت للمستوى الاول وSVR قد اختيرت للمستوى الثاني، المستوى الاول استطاع توقع مدى حياة المضخة مع متوسط خطأ يصل إلى 25 يوما نتجت من نسبة %60 لمعامل التحديد، واستطاع المستوى الثاني توقع المتبقي من حياة المضخة مع متوسط خطأ يصل إلى 8 أيام نتجت من نسبة %73 لمعامل التحديد، وقد أشار المستوى الاول إلى أن بعض العوامل المتعلقة بتصميم وتصنيع المضخة والمحرك لها أكبر تأثير على ضمان عمر طويل قبل التشغيل، هذه العوامل تشتمل على ضغط تصريف المضخة وعدد مراحلها وتردد المحرك وسرعة دوران المحور، الامر الذي يؤكد الدور الحاسم لعملية اختيار وتصميم مكونات المضخة الغاطسة الكهربائية، من ناحية أخرى فإن المستوى الثاني أوضح أن أهم الميزات التي يجب مراقبتها والتحكم بها خالل فترة عمر المضخة هي ضغط تصريف المضخة ومعدلات تدفق النفط والماء. من المعتقد أن هذه النتائج يمكن أن تساعد على تخفيف التكاليف الرأسمالية من خلال جدولة صيانة المضخة قبل الفشل لإطالة حياتها، بينما يمكن تجنب التكاليف التشغيلية عن طريق التحضير لرفع المضخة وتحضير المعدات اللازمة لاستبدالها لتجنب خسائر الانتاج.
Category
Theses and Dissertations

Same Subject

Theses and Dissertations
3
0
Al-Nabhaniyah, Iman Nabhan Suleiman.
Sultan Qaboos University
2024
Theses and Dissertations
3
0
Abdullah, Nawaf.
Sultan Qaboos University
2024
Theses and Dissertations
3
0
Al-Aghbriyah, Azza.
Sultan Qaboos University
2024
Theses and Dissertations
5
0
Al-Naabiyah, Fatma Mohammed Hamdan.
Sultan Qaboos University
2024
Journal articles
4
0
Khriji, Lazhar.
Science and Information Organization.
2020-01-01