Robust production optimization of gas-lifted oil fields

Abstract

Com a crescente demanda por energia fóssil as operadoras petrolíferas têm buscado determinar planos operacionais que otimizam a produção dos campos em operação para satisfazer a demanda do mercado e reduzir os custos operacionais. Neste contexto, a pesquisa operacional tem se mostrado uma importante ferramenta para determinação dos planos de produção de curto prazo para campos de petróleo complexos. Alguns trabalhos já desenvolveram estratégias para a otimização integrada da produção que visam auxiliar engenheiros de produção e operadores a atingir condições de operação ótimas. Estes avanços científicos atestam o potencial da área de otimização integrada da produção de campos, justificando a busca por estratégias de otimização global e integradas de ativos. Contudo, a incerteza dos parâmetros que caracterizam o reservatório, os poços, fluidos e os diversos processos de produção não vem sendo considerada pelos modelos e algoritmos de otimização da produção diária. Considerando os modelos de produção de curto prazo, estas incertezas podem ser atribuídas a erros de medição , comportamento oscilatório dos sistemas, modelos imprecisos, entre outros. A influência da incerteza dos parâmetros em problemas de otimização tem, desde tempos, sido foco da comunidade de programação matemática. E já foi verificado que soluções de problemas de otimização podem apresentar significativa sensibilidade à pertubações nos parâmetros do dado problema, podendo levar a soluções não factíveis, subótimas ou ambas. Assim, buscando tornar as abordagens de otimização existentes mais confiáveis e robustas às incertezas intrínsecas dos sistemas de produção, esta dissertação investiga a modelagem e tratamento de incertezas na otimização diária da produção e propõe formulações em programação matemática para otimização robusta da produção de poços operados por gas-lift. As formulações representam curvas amostradas através de dados simulados ou medidos que refletem as incertezas dos sistemas de produção. Estas representações levam a formulações robustas em programação matemática inteira mista obtidas pela aproximação das curvas de produção através de linearização por partes. Além disso, este trabalho apresenta os resultados de uma analise computacional comparativa da aplicação da formulação robusta e da formulação nominal a um campo de petróleo em ambiente de simulação, porém considerando simuladores multifásicos amplamente empregados pela indústria do petróleo e gás, que representam a fenomenologia muito próximo da realidade. O primeiro capítulo apresenta a problemática em que estão envolvidos os desenvolvimentos realizados nesta dissertação e um resumo dos capítulos subsequentes. No segundo capítulo alguns conceitos fundamentais são apresentados para a compreensão do trabalho desenvolvido. Este capítulo é dividido em três partes. A primeira parte inicia apresentando brevemente a indústria de petróleo e gás com uma perspectiva histórica, econômica e dos processos envolvidos. Na sequência são expostos conceitos básicos de engenharia de petróleo necessários para o entendimento do sistema de produção utilizado ao longo a dissertação  i.e. gas-lift. Finalmente, o problema de otimização da produção é situado dentro do problema maior, que é o gerenciamento completo das operações de um campo de petróleo, seguido de uma revisão da literatura no que se refere a abordagens clássicas para otimização da produção de campos operados por gas-lift. A segunda parte é uma descrição compacta sobre modelagem de problemas de otimização utilizando programação matemática e na menção dos métodos de solução deste tipo de problema utilizados na parte experimental desta dissertação. A terceira parte começa com uma revisão sobre incerteza em problemas de otimização e sobre as decisões de modelagem enfrentadas quando na presença de problemas de otimização incertos. Na sequência o paradigma de otimização robusta é introduzido e é apresentada uma compilação de alguns dos principais resultados da área de otimização robusta linear. Além disso, ao fim, alguns pontos específicos da teoria de otimização robusta são apresentados pela suas relevâncias para o desenvolvimento da teoria dos capítulos seguintes. O terceiro capítulo inicia com uma discussão sobre as origens das incertezas nos modelos de produção para então prover uma revisão bibliográfica dos poucos trabalhos que mencionam ou lidam com incerteza em sistemas de produção. Na sequência, a incerteza é examinada na perspectiva do problema de otimização. Um sistema simples é usado para exemplificar a metodologia de otimização robusta desenvolvida nesta dissertação. O quarto capítulo apresenta dois problemas padrões de otimização da produção, um contendo poços satélites e outro com poços e completação submarina. Para ambos uma formulação em programação linear inteira mista é descrita considerando valores nominais para todos os parâmetros. Então, para cada problema uma reformulação robusta é implementada considerando incerteza nas curvas de produção do poço. A metodologia utilizada para o primeiro problema é a mesma detalhada no capítulo três, e para o segundo uma extensão da metodologia é proposta para poder lidar com restrições de igualdade incertas. No quinto capítulo são apresentados resultados experimentais de um problema de otimização da produção de um campo com poços satélites. Os resultados obtidos com otimização clássica (nominal) e com otimização robusta são então comparados em um campo de produção sintético instanciado em um simulador multifásico comercial. A solução robusta se mostrou indicada para cenários de operação mais críticos onde factibilidade e segurança são prioridade. No capítulo final uma análise dos resultados obtidos na dissertação é feita sob a perspectiva do possível emprego das técnicas desenvolvidas na indústria de óleo e gás. Apesar de à primeira vista os resultados serem conservadores e de sua utilização parecer limitada, existe potencial para a metodologia ser empregada no caso de situações que priorizam segurança. Além disso a metodologia aqui desenvolvida pode servir como ponto inicial para pesquisas e desenvolvimentos futuros. Uma breve descrição de possíveis trabalhos futuros é feita ao final deste capítulo. O apêndice traz a descrição de algoritmos de amostragem de curvas côncavas desenvolvidos para os experimentos numéricos realizados na dissertação.<br>

Abstract : Managing production of complex oil fields with multiple wells and coupled constraints remains a challenge for oil and gas operators. Some technical works developed strategies for integrated production optimization to assist production engineers in reaching best operating conditions. However, these works have neglected the uncertainties in the well-performance curves and production processes, which may have a significant impact on the operating practices. The uncertainties may be attributed to measurement errors, oscillating behavior, and model inaccuracy, among others. To this end, this dissertation investigates how uncertainty might be considered in daily production optimization and proposes formulations in mathematical programming for robust production optimization of gas-lifted oil fields. The formulations represent system-measured and simulated sample curves that reflect the underlying uncertainties of the production system. The representations lead to robust mixed-integer linear programming formulations obtained from piecewise-linear approximation of the production functions. Further, this work presents results from a computational analysis of the application of the robust and nominal formulations to a representative oil fields available in simulation software.