An injection/production-efficiency based surrogate optimization algorithm for optimal well controls in waterflooding reservoirs
本文提出了一种新型的基于流线型的代理优化算法，该算法将注采效率指标与先进的采样策略相结合，以高效且可靠地优化非均质注水油藏的井控措施，从而在克服传统流线法和纯代理模型局限性的同时，显著提高采收率并提升经济效益。
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在地球表面深处，广袤的多孔岩层网络储存着世界的石油和天然气。为了开采这些能源，工程师经常向这些储层注水，以将石油推向生产井，这一过程被称为注水开发。然而，地下岩石很少是均匀的；它包含隐藏的高渗透性通道和阻碍物，导致注入的水会通过某些路径快速流过，从而绕过了被困在其他路径中的石油。这种不均匀的流动导致了一个令人沮丧的现实：水过快地突破到生产井，淹没系统，并将宝贵的石油留在原地。几十年来，挑战一直在于寻找注水与生产速率之间的完美平衡，以便在不浪费时间和金钱进行试错的情况下，高效地扫过储层。
来自中石油研究设计院（CN后简称CNPC Research Institute of Petroleum Exploration and Development）的一个研究小组开发了一种新方法来解决这个问题，该方法结合了两种不同的手段，创造出一种更快、更可靠的方式来管理这些复杂的地下系统。他们的研究成果最近发表，引入了一种算法，就像是为储层工程师提供了一个智能指南。该系统不再仅仅依赖于缓慢、沉重的计算机模拟或简单的经验法则，而是使用一种称为“流线模拟”的技术来理解水如何在岩石中移动，然后应用一种复杂的搜索策略来寻找每个井的最优设置。结果是一个能够显著提高采收率并大幅减少产水量的工作计划，为实现储层价值最大化提供了更清晰的路径。
这种新方法的核心在于如何衡量每个注水井和生产井的成功。研究人员定义了一个他们称之为“注采效率”的概念。想象一下观察一对特定的井——一井注水，一井抽油。团队计算了这对井生产出的石油价值与注入水及产出液体的成本之比。如果一对井产生的价值高于平均水平，系统就会知道增加其活动量；如果表现不佳，系统则会降低其速率。这种计算发生在单个井对以及单个井的层面，从而创建了一张详细的地图，展示了储层的哪些部分运作良好，哪些部分表现挣扎。
传统上，优化这些速率是一个缓慢且困难的过程。工程师通常必须运行复杂的数值模拟，这些模拟就像是地下岩石的详细3D模型，用于测试不同的场景。由于这些模型在计算上非常昂贵，在合理的时间内运行数百次以寻找最佳解决方案往往是不可能的。或者，存在一些更简单的方法，虽然速度快，但缺乏精度，无法处理真实储层在多年间复杂且变化的情况。研究人员寻求一种中间方案，既能拥有简单方法的速度，又能具备复杂模拟的准确性。
为了实现这一目标，他们构建了一个“代理优化”算法。在这种语境下，“代理”是一个简化、快速运行的模型，用以替代沉重、缓慢的模拟。该算法首先测试几种不同的速率设置，并利用结果来构建这个简化的模型。然后，它使用一种智能采样策略来猜测最佳解可能隐藏的位置。算法寻找那些基于当前模型极有可能产生良好结果的点，或者是远离已测试区域的点，从而确保它在探索新的可能性。通过仅在绝对必要时才使用真实的、沉重的模拟来不断更新其简化模型，该算法能以比传统方法少得多的昂贵计算次数找到最优解。
研究人员在两种不同的场景下测试了这种新方法：一个是旨在模仿具有特定地质特征的储层的合成模型，另一个是中东的一个真实储层。在合成模型中，储层包含高渗透性条带，导致水通过特定路径发生通道化，从而留下了石油。基准方案（代表了管理井的标准方式）导致的净现值约为4367万美元。当新算法接管后，它调整了注入速率，显著增加了向一个被未开采石油包围的特定注水井注入水的量。这一变化使得水能够更有效地推动剩余石油。优化后的方案将净现值提高到约4410万美元，这是一个显著的提升。更重要的是，它增加了超过27,000立方米的石油产量，同时减少了近48,000立方米的总产水量。
在中东真实储层的测试中，结果更为显著。该储层已生产超过十二年，拥有五口注水井和九口生产井。传统的管理方法（依赖于固定产能限制）在优化期间的净现值约为1108万美元。然而，新算法识别出需要将注采速率从优势井转移到其他利用不足的井上。通过逐渐增加特定注水井的注入速率并调整若干生产井的速率，该系统改善了储层的波及情况。优化后的方案将净现值提高到约1333万美元，增幅超过220万美元。或许最令人震惊的是产水量的减少，其下降了超过68,000立方米，并且含水率（即产出总流体中水的百分比）大幅下降，降幅超过26个百分点。
该方法的成功源于其能够将理解流体在岩石中运动的物理知识与优化的数学力量相结合。流线模拟提供了流路径的清晰图像，使算法能够基于储层的实际物理情况而非仅仅基于统计猜测来做出决策。通过使用代理优化框架，研究人员避免了通常阻碍及时进行此类详细优化的计算瓶颈。该算法证明，寻找一个既在经济上优越又在物理上高效的工作计划是可能的，即在提取更多石油的同时减少水的生产。
研究人员强调，这种方法对于储层开发的中间阶段和后期阶段特别有价值，因为在这些阶段，剩余石油通常分布零散且难以触达。该方法不仅限于调整速率；该框架足够灵活，未来可以扩展到优化新井的位置或整个井网的布置。目前，这项工作表明，通过将流体流动的深刻理解与现代搜索算法相结合，工程师可以做出更好的决策，从而延长储层寿命并提高全球能源生产的效率。研究结果表明，借助正确的工具，管理注水开发的复杂挑战可以转化为一门精确的科学，从而产生更好的结果并减少浪费。
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