Document

Development and applications of multi-objective optimization in waterflood management.

Other titles
تطویر خوارزمیات متعددة الأھداف وتطبیقھا في تحسین إدارة عملیة ضخ المیاه في الحقول البترولیة
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2022
Language
English
English abstract
Waterflood or water injection is implemented in oil field to maintain reservoir pressure and improve oil production. Since the wells can produce different fluids (i.e. oil, water and gas), the produced water is usually injected back into the reservoir to sweep the oil and improve oil recovery. Production optimization is applied in waterflood reservoir using a single objective function or multi-objective function of two conflicting functions. The multi-objective optimization finds a set of non-dominated solutions known as Pareto optimal solutions. This study focuses in investigating different multi-objective functions and the development of hybrid algorithms applied in different benchmark test models and real-oil field sector models developed by water injection. Multi-objective optimization using the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, second version (NSGA-II) has been applied in this study to investigate different multi-objective functions. The multi-objective optimization studies using NSGA-II algorithm are applied in Brugge field benchmark model and real-field sector models. Hybrid MODE with the dynamic-random local search algorithm developed for chemical process applications was also applied in a real-field sector model and it showed a 70% improvement in the convergence compared to NSGA II solution. Two new hybrid approaches are introduced using evolutionary neural network (EvoNN) and bi-objective genetic programming (BioGP) as guiding input into NSGA-II algorithm to improve the convergence and diversity of the Pareto front solutions. The two hybrid methods are validated and tested using constrained and unconstrained benchmark test problems and compared with NSGA-II algorithm. Different performance metrics are used to compare and validate the hybridization techniques. Both the EvoNN guided NSGA-II algorithm and the BioGP guided NSGA-II algorithm could converge and match the Pareto front solutions for the constrained and un-constrained test problems with overall better performance metrics compared to NSGA-II algorithm. The evolutionary neural-network data-driven model is built and trained using initial solutions generated by NSGA-II optimization coupled with the reservoir simulation model. Evolutionary optimization incorporated in the EvoNN strategy is applied in the trained data-driven model to generate the Pareto optimal solution, which is then used as a guiding input into NSGA-II optimization. The described method is applied in two case studies (i.e. Brugge field model & water injection pattern model) to maximize total oil production and minimize total water production from the field. The decision variables for the two case-studies are the bottom hole pressure (BHP) for the producers and the water injection (qwi) for the injectors. The Pareto optimal solutions obtained with data-driven model guided NSGA-II in both models show improvement in convergence and diversity of the solution. The convergence to the Pareto optimal solution has improved by 9% for case-1 (i.e. Brugge field) and by 43% for case-2 (i.e. water injection pattern model) compared to NSGA-II algorithm. In addition, the Pareto optimal solution obtained by the proposed hybridization has shown improvement in the water-oil ratio (WOR) up to 6% in the Brugge field and up to 97% in the water injection pattern model compared to NSGA II algorithm. This improvement can lead to wide applications in using evolutionary optimizations in real field simulation models at acceptable computation time. Two case studies; one with Brugge field using different objective functions and second with real field sector model are also used to validate the novel hybrid optimization technique that combines the NSGA-II and evolutionary neural network (EvoNN) methods The benchmark model for the Brugge field is used for the first optimization study, with the two distinct objective functions of maximizing short-term net present value (NPVS) and long-term NPV (NPVL). In the second research study, a sector model of a real oil field in the Middle East that was developed by waterflooding in order to optimize cumulative oil gain and reduce cumulative water production is used. The decision variables employed in the two studies are the bottom-hole pressure (BHP) for the producers and the water injection rates (qwi) for the injectors. The real field sector model is run for ten years with twenty time steps and has four producers and three injectors. The hybrid approach of using EvoNN guided NSGA-II resulted in a 70% improvement in the convergence and the computation demand for the Brugge field model. For the real field sector model, EvoNN guided NSGA-II algorithm resulted in a better convergence obtained at all generations compared to the NSGA-II algorithm solution. The maximum total oil production determined by EvoNN guided NSGA-II is 550.6×103 m3 compared to 522×103 m3 by NSGA-II. Water oil ratio (WOR) is reduced with lower water production obtained by the EvoNN guided NSGA-II algorithm compared to the NSGA-II algorithm. The best optimal solution from the EvoNN guided NSGA-II optimization for the real field sector is determined by the net flow method (NFM) at 521.25×103m3 oil and 5208.6×103m3 water. A hybrid method of using the bi-objective genetic programming (BioGP) algorithm as guiding input into NSGA-II optimization is applied in two case studies; the Brugge field benchmark model and a real-field sector model of a Middle Eastern oil field developed with waterflood. The two conflictive objective functions defined for both case-studies are maximizing cumulative oil production and minimizing cumulative water production. The decision variables are defined as bottom-hole pressure (BHP) for the producers and injection rate (qwi) for the injectors at each time-step. The Pareto front solution obtained by the proposed hybrid approach of using BioGP guided NSGA-II algorithm is converging at generation 50 to the NSGA-II solution at generation 100 with better diversity, which implies 50% improvement in computational efficiency. The Pareto front solutions obtained by BioGP guided NSGA-II algorithm at different generations have better convergence and diversity compared to the Pareto solution obtained by NSGA-II algorithm only. The Pareto optimal solutions produced by the proposed EvoNN guided NSGA-II algorithm and the proposed BioGP guided NSGA-II algorithm will provide the decision maker multiple optimum options for controlling the production and injection of the wells in the oil field development depending on the needs and operational variables.
Arabic abstract
یتم تنفیذ عملیة ضخ المیاه في حقول النفط من أجل الحفاظ على ضغط الخزان النفطي وكذلك من أجل تحسین إنتاج
النفط. عادة تنتج الآبار النفطیة سوائل مختلفة (مثل النفط والماء والغاز)، ویتم حقن المیاه المنتجة من ھذه الآبار في
الخزان الصخري النفطي لاستخلاص النفط وتحسین الإنتاج. یتم تطبیق خوارزمیات التطویر لتحسین الإنتاج من
خلال إدارة عملیة ضخ المیاه في الحقول البترولیة باستخدام خوارزمیات ھدف واحد أو خوارزمیات متعددة الأھداف
ً سیجد التحسین متعدد الأھداف زیادة إنتاج النفط وتقلیل إنتاج الماء.
بحیث تكون الأھداف متعارضة مع بعضھا مثلا
مجموعة من الحلول غیر المسیطرة المعروفة باسم حلول باریتو (Pareto (المثلى. في ھذه الدراسة تم تطبیق التحسین
متعدد الأھداف باستخدام الخوارزمیة الجینیة للفرز غیر المسیطر، الإصدار الثاني (II-NSGA (من أجل دراسة
اھداف مختلفة في عملیة إدارة ضخ المیاه. وقد تم تطبیق ھذه الدراسات في النموذج المعیاري في حقل Brugge
وكذلك في حقول نفطیة حقیقیة من منطقة الشرق الأوسط. وقد ً تم أیضا تطبیق الوضع الھجین مع خوارزمیة البحث
المحلي الدینامیكي العشوائي (DLS-HMODE (المطورة لتطبیقات العملیات الكیمیائیة في نموذج الحقل الحقیقي
ًا بنسبة 70 ٪ في الوصول الى الحل بالمقارنة بخوارمیة II-NSGA.
وأظھر تحسن
في ھذه الدراسة تم تطویر نھجین ھجینین جدیدین باستخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (والبرمجة الجینیة
ثنائیة الھدف (BioGP (كمدخلات توجیھیة في خوارزمیة II-NSGA لتحسین التنوع في حلول Pareto الأمامیة
وتحسین سرعة الوصول الى أفضل الحلول. وقد تم التحقق من أداء الطریقتین واختبارھما باستخدام مشاكل اختبار
معیاریة مختلفة مقیدة وغیر مقیدة ومقارنتھا بنتائج خوارزمیة II-NSGA وذلك باستخدام مقاییس أداء مختلفة للمقارنة
والتحقق من صحة تقنیات التھجین. وأثبتت النتائج أن كل من خوارزمیة II-NSGA الموجھة من EvoNN
وخوارزمیة II-NSGA الموجھة من BioGP كان لھا أداء أفضل بشكل عام لمشاكل الاختبار المقیدة وغیر المقیدة
مقارنة بخوارزمیة II-NSGA.
تم بناء النھج الأول باستخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA
حیث تم تدریب الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (باستخدام الحلول الأولیة لخوارزمیة II-NSGA والذي
یستخدم برنامج محاكاة المكامن لحساب قیمة الأھداف. بعدھا یتم استخدام النموذج المعتمد من الشبكة العصبیة
التطوریة (EvoNN (المدربة لإنشاء حل Pareto الأمثل، والذي یتم استخدامھ بعد ذلك كمدخل إرشادي في تحسین
II-NSGA. وقد تم تطبیق الطریقة الموصوفة في دراسة النموذج المعیاري لحقل بروج Brugge وفي نموذج
محاكاة لحقن الماء لبئر ضخ وبئرین إنتاج. وتم تحدید الأھداف وھي زیادة إنتاج مجموع النفط من الحقل وتقلیل
إنتاج الماء باستخدام المتغیرات وھي ضغط التدفق السفلي (BHP (لأبار الإنتاج ومعدل الضخ (qwi (لأبار الضخ.
ً في تنوع الحلول المثلى solutions Pareto Optimal وسرعة الوصول إلیھا باستخدام الشبكة
ُظھر النتائج تحسنا
وت
العصبیة التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA في كلا النموذجین. فقد أظھرت النتائج
الى تحسن سرعة الوصول الى الحل الأمثل Pareto Optimal بنسبة ٪9 للنموذج المعیاري لحقل بروج Brugge
وبنسبة ٪43 لنموذج محاكاة حقن الماء بالمقارنة بخوارمیة II-NSGA. بالإضافة إلى ذلك، أظھر حل Pareto
الأمثل الذي تم الحصول علیھ باستخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة
ًا في نسبة الماء إلى النفط (WOR (حتى ٪6 في حقل بروج Brugge وما یصل إلى ٪97 في
تحسن NSGA-II
نموذج محاكاة حقن الماء بالمقارنة بخوارمیة II-NSGA. یمكن أن یؤدي ھذا التحسین إلى تطبیقات واسعة في
استخدام التحسینات لخوارزمیات التطور في نماذج محاكاة المكامن الحقیقیة في وقت عملي ومقبول.
و ً تم أیضا تطبیق طریقة التحسین الھجین باستخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في
خوارزمیة II-NSGA في دراسة نموذج محاكاة مكامن حقیقي مستقطع من حقل نفط بمنطقة الشرق الأوسط تم
تطویره باستخدام عملیة ضخ المیاه. بالإضافة الى تطبیقھ في النموذج المعیاري لحقل بروج Brugge لتحسین صافي
القیمة الحالیة قصیرة المدى (NPVS (وتحسین صافي القیمة الحالیة على المدى الطویل (NPVL(. ویتكون نموذج
محاكاة المكامن الحقیقي من أربعة آبار إنتاج وثلاثة آبار حقن الماء ویتم تشغیلھ لمدة عشر سنوات مع 20 خطوة
زمنیة في برنامج المحاكاة مع تحدید الأھداف وھي زیادة إنتاج مجموع النفط من الحقل وتقلیل إنتاج الماء. وتم
استخدام ضغط التدفق السفلي (BHP (لأبار الإنتاج ومعدل الضخ (qwi (لأبار الضخ كمتغیرات القرار المستخدمة
في الدراستین. وقد أظھرت النتائج أن استخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة
II-NSGA أدى الى تحسن سرعة الوصول الى الحل الأمثل Pareto Optimal بنسبة ٪70 للنموذج المعیاري
لحقل بروج Brugge وكانت كل نتائج وحلول Pareto في نموذج محاكاة المكمن الحقیقي أفضل بكثیر من الحلول
المتولدة من خوارزمیة II-NSGA. وقد بلغ الحد الأقصى لإجمالي إنتاج النفط باستخدام الشبكة العصبیة التطوریة
(EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA الى 550.6 ملیون متر مكعب مقارنة بـ 522 ملیون متر
مكعب بواسطة خوارزمیة II-NSGA. وتم كذلك التقلیل من نسبة الماء إلى النفط (WOR (باستخدام الشبكة العصبیة
التطوریة (EvoNN (كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA مقارنة بخوارزمیة II-NSGA. وتم تحدید أفضل
حل مثالي یعین على إدارة الحقل من الحلول المثالیة المتولدة من استخدام الشبكة العصبیة التطوریة (EvoNN (
كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA من خلال طریقة التدفق الصافي (NFM (عند 521.25 ملیون متر
مكعب من النفط و 5208.6 ملیون متر مكعب من المیاه.
والنھج الثاني من التھجین الذي تم تطویره في ھذه الدراسة ھو استخدام البرمجة الجینیة ثنائیة الھدف (BioGP (
كمدخل توجیھي في خوارزمیة II-NSGA. وتم تطبیق الخوارزمیة المطورة على النموذج المعیاري لحقل بروج
Brugge وفي دراسة نموذج محاكاة مكامن حقیقي مستقطع من حقل نفط بمنطقة الشرق الأوسط من أجل زیادة
إنتاجیة النفط الكلي من الحقل وتقلیل إنتاجیة الماء باستخدام المتغیرات وھي ضغط التدفق السفلي (BHP (لأبار
الإنتاج ومعدل الضخ (qwi (لأبار الضخ لكلا النموذجین. وقد أظھرت النتائج الى تحسن سرعة الوصول الى الحل
الأمثل Pareto Optimal بنسبة ٪50 للنموذج المعیاري لحقل بروج Brugge وكانت كل نتائج وحلول Pareto
في نموذج محاكاة المكمن الحقیقي باستخدام البرمجة الجینیة ثنائیة الھدف (BioGP (كمدخل توجیھي في خوارزمیة
II-NSGA أفضل بكثیر من الحلول المتولدة من خوارزمیة II-NSGA.
إن استخدام النھجین الھجینین الجدیدین اللذین تم تطویرھما في ھذا البحث وھما استخدام الشبكة العصبیة التطوریة
(EvoNN (والبرمجة الجینیة ثنائیة الھدف (BioGP (كمدخلات توجیھیة في خوارزمیة II-NSGA في تحسین
ًولا إدارة عملیة ضخ المیاه في الحقول البترولیة یؤدي إلى تحسین سرعة الوصول الى أفضل الحلول المثلى ویقدم حل
مثالیة متعددة لصانع القرار لإدارة إنتاج آبار النفط وآبار ضخ المیاه من أجل الوصول الى أعلى إنتاجیة ممكنة ً بناء
على المتطلبات والتحدیات والظروف التشغیلیة للحقل.
Category
Theses and Dissertations