An injection/production-efficiency based surrogate optimization algorithm for optimal well controls in waterflooding reservoirs
تقترح هذه الورقة خوارزمية تحسين بديلة جديدة قائمة على خطوط الانسياب تدمج مقاييس كفاءة الحقن/الإنتاج مع استراتيجيات أخذ عينات متقدمة لتحسين ضوابط الآبار بكفاءة وموثوقية في مكامن حقن المياه غير المتجانسة، مما يؤدي إلى تحسين استخلاص النفط والفوائد الاقتصادية بشكل كبير مع التغلب على قيود الطرق التقليدية لخطوط الانسياب والطرق البديلة البحتة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أعماق ما تحت سطح الأرض، تحتفظ شبكات واسعة من الصخور المسامية بإنتاج العالم من النفط والغاز. ولاستخراج هذه الطاقة، غالبًا ما يقوم المهندسون بحقن الماء في هذه الخزانات لدفع النفط نحو آبار الإنتاج، وهي عملية تُعرف باسم "الغمر المائي". ومع ذلك، فإن الصخور الموجودة تحت الأرض نادراً ما تكون منتظمة؛ فهي تحتوي على قنوات خفية ذات نفاذية عالية وحواجز تتسبب في اندفاع المياه المحقونة عبر مسارات معينة بينما تتجاوز النفط العالق في مسارات أخرى. يؤدي هذا التدفق غير المتكافئ إلى واقع محبط: حيث يخترق الماء آبار الإنتاج بسرعة كبيرة، مما يغمر النظام ويترك خلفه نفطاً ثميناً. لعقود من الزمن، كان التحدي يكمن في إيجاد التوازن المثالي بين معدلات الحقن والإنتاج لغمر الخزان بكفاءة دون إضاعة الوقت أو المال في تجربة الخطأ والصواب.
لقد طور فريق من الباحثين من معهد CNPC لبحوث استكشاف وتطوير البترول طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، من خلال الجمع بين نهجين متميزين لإنشاء طريقة أسرع وأكثر موثوقية لإدارة هذه الأنظمة المعقدة تحت الأرض. يقدم عملهم، الذي نُشر مؤخراً، خوارزمية تعمل كدليل ذكي لمهندسي الخزانات. فبدلاً من الاعتماد فقط على عمليات المحاكاة الحاسوبية الثقيلة والبطيئة أو القواعد البسيطة، يستخدم هذا النظام الجديد تقنية تسمى "محاكاة خطوط الانسياب" (streamline simulation) لفهم كيفية حركة الماء عبر الصخور، ثم يطبق استراتيجية بحث متطورة لإيجاد أفضل الإعدادات الممكنة لكل بئر. والنتيجة هي جدول زمني يزيد بشكل كبير من استعادة النفط مع تقليل كمية المياه المنتجة بشكل جذري، مما يوفر مساراً أوضح لتعظيم قيمة الخزان.
يكمن جوهر هذه الطريقة الجديدة في كيفية قياس نجاح كل بئر حقن وإنتاج. فقد حدد الباحثون مفهوماً أطلقوا عليه اسم "كفاءة الحقن والإنتاج". تخيل النظر إلى زوج معين من الآبار — أحدهما يضخ الماء والآخر يسحب النفط. قام الفريق بحساب قيمة النفط الذي أنتجه هذا الزوج مقارنة بتكلفة الماء المحقون والسائل المنتج. إذا كان زوج الآبار يحقق قيمة أكبر من المتوسط، فإن النظام يعرف بضرورة زيادة نشاطه. وإذا كان أداؤه ضعيفاً، يقوم النظام بتقليل معدله. يتم إجراء هذا الحساب على مستوى أزواج الآبار الفردية وأيضاً للآبار المنفردة، مما يخلق خريطة تفصيلية توضح أي أجزاء من الخزان تعمل جيداً وأيها تعاني.
تقليدياً، كانت عملية تحسين هذه المعدلات عملية بطيئة وصعبة. فغالباً ما كان على المهندسين تشغيل عمليات محاكاة عددية معقدة، والتي تشبه نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة للصخور تحت الأرض، لاختبار سيناريوهات مختلفة. ولأن هذه النماذج مكلفة جداً من الناحية الحسابية، فإن تشغيلها مئات المرات للعثور على الحل الأمثل غالباً ما يكون مستحيلاً ضمن إطار زمني معقول. وبدلاً من ذلك، توجد طرق أبسط لكنها تفتقر إلى الدقة اللازمة للتعامل مع الظروف المعقدة والمتغيرة لخزان حقيقي على مدى سنوات عديدة. وقد سعى الباحثون إلى إيجاد حل وسط يمكن أن يوفر سرعة الطرق البسيطة ودقة عمليات المحاكاة المعقدة.
ولتحقيق ذلك، بنوا خوارزمية "التحسين البديل" (surrogate optimization). وفي هذا السياق، يُعد "البديل" نموذجاً مبسطاً وسريع التشغيل يحل محل المحاكاة الثقيلة والبطئة. تبدأ الخوارزمية باختبار بعض إعدادات المعدل المختلفة واستخدام النتائج لبناء هذا النموذج المبسط. ثم تستخدم استراتيجية أخذ عينات ذكية لتخمين مكان اختباء الحل الأفضل. تبحث الخوارقة عن النقاط التي من المرجح أن تعطي نتيجة جيدة بناءً على النموذج الحالي، أو تلك البعيدة عن ما تم اختباره بالفعل، مما يضمن استكشاف احتمالات جديدة. ومن خلال تحديث نموذجها المبسط باستمرار باستخدام بيانات جديدة من المحاكاة الحقيقية والثقيلة عند الضرورة القصوى فقط، تجد الخوارزمية الحل الأمثل بعدد أقل بكثير من الحسابات المكلفة مقارنة بالطرق التقليدية.
اختبر الباحثون هذا النهج الجديد في سيناريوهين مختلفين: نموذج اصطناعي مصمم لمحاكاة خزان يتميز بخصائص جيولوجية محددة، وخزان حقيقي في الشرق الأوسط. في النموذج الاصطناعي، احتوى الخزان على مسارات ذات نفاذية عالية تسببت في تمركز الماء عبر مسارات محددة، مما ترك النفط خلفها. أدى الجدول الزمني الأساسي، الذي يمثل الطريقة القياسية لإدارة الآبار، إلى قيمة حالية صافية تبلغ حوالي 43.67 مليون دولار أمريكي. وعندما تولت الخوارزمية الجديدة زمام الأمور، قامت بتعديل معدلات الحقن، ولا سيما زيادة حقن الماء في بئر حقن معين كان محاطاً بنفط غير مستغل. سمح هذا التغيير للماء بدفع النفط المتبقي بشكل أكثر فعالية. رفع الجدول الزمني المحسن القيمة الحالية الصافية إلى حوالي 44.10 مليون دولار أمريكي، وهو تحسن ملحوظ. والأهم من ذلك، أنه زاد إنتاج النفط الإجمالي بأكثر من 27,000 متر مكعب مع تقليل إنتاج المياه الإجمالي بما يقرب من 48,000 متر مكعب.
حققت التجربة على خزان الشرق الأوسط الحقيقي نتائج أكثر دراماتيكية. كان هذا الخزان قيد الإنتاج لأكثر من اثني عشر عاماً، ويحتوي على خمسة آبار حقن وتسعة آبار إنتاج. أدت طريقة الإدارة القياسية، التي اعتمدت على حدود السعة الثابتة، إلى قيمة حالية صافية تبلغ حوالي 11.08 مليون دولار أمريكي خلال فترة التحسين. ومع ذلك، حددت الخوارزمية الجديدة أن معدلات الحقن والإنتاج بحاجة إلى التحول بعيداً عن الآبار المهيمنة ونحو الآبار الأخرى غير المستغلة بالكامل. ومن خلال زيادة معدل الحقن تدريجياً في بئر حقن معين وتعديل معدلات الإنتاج لعدة آبار، حسّن النظام من عملية غمر الخزان. رفع الجدول الزمني المحسن القيمة الحالية الصافية إلى حوالي 13.33 مليون دولار أمريكي، بزيادة قدرها أكثر من 2.2 مليون دولار. ولعل الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو انخفاض إنتاج المياه، الذي هبط بأكثر من 68,000 متر مكعب، والانخفاض الهائل في "القطع المائي" (water cut)، وهو نسبة الماء في السائل المنتج الإجمالي، والذي انخفض بأكثر من 26 نقطة مئوية.
إن نجاح هذه الطريقة يأتي من قدرتها على دمج الفهم الفيزيائي لكيفية حركة الماء عبر الصخور مع القوة الرياضية للتحسين. توفر محاكاة خطوط الانسياب صورة واضحة لمسارات التدفق، مما يسمح للخوارزمية باتخاذ القرارات بناءً على الفيزياء الفعلية للخزان بدلاً من مجرد التخمينات الإحصائية. ومن خلال استخدام إطار التحسين البديل، تجنب الباحثون الاختناق الحسابي الذي يمنع عادةً إجراء مثل هذا التحسين التفصيلي في وقت مناسب. لقد أثبتت الخوارزمية أنه من الممكن إيجاد جدول زمني يكون متفوقاً اقتصادياً وفعالاً فيزيائياً، حيث يستخرج المزيد من النفط وينتج مياهاً أقل.
يؤكد الباحثون أن هذا النهج قيم بشكل خاص في المراحل المتوسطة والمتأخرة من تطوير الخزانات، حيث يكون النفط المتبقي غالباً مشتتاً ويصعب الوصول إليه. ولا تقتقتصر الطريقة على تعديل المعدلات فحسب؛ بل إن الإطار مرن بما يكفي للتوسع في المستقبل لتحسين مواقع الآبار الجديدة أو ترتيب نمط الآبار بالكامل. وفي الوقت الحالي، يوضح هذا العمل أنه من خلال الجمع بين الفهم العميق لتدفق السوائل وخوارزميات البحث الحديثة، يمكن للمهندسين اتخاذ قرارات أفضل تطيل عمر الخزانات وتحسن كفاءة إنتاج الطاقة العالمي. وتشير النتائج إلى أنه مع توفر الأدوات المناسبة، يمكن تحويل التحدي المعقد لإدارة الغمر المائي إلى علم دقيق، يحقق نتائج أفضل مع هدر أقل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.