Pipe-It Case Study Multi Field Asset Integrated...

17
CONTACT ADDRESS TELEPHONE NUMBER COMPANY EMAIL +47 7384 8080 [email protected] FAX NUMBER CORPORATE WEBSITE REGISTER OF BUSINEESS ENTERPRISES Granaasveien 1 7048 Trondheim Norway +47 7384 8081 www.petrostreamz.com NO 989206230 Pipe-It Case Study MultiField Asset Integrated Optimization Benchmark (SPE 130768) Field: Extended reservoir model of Papers SPE 121252 and SPE 16000 Client: Petroleum Industry Location: EUROPEC 2010 Challenge Solution Benefit Integrated modeling and optimization of multifield assets, from subsurface to market. Provide different application to simulate field asset model and evaluate the optimal production strategies using key control variables. The benchmark is provided to the industry through application data files, network infrastructure and results. Summary Integrated modeling of multifield assets, from subsurface to market, is challenging due to the complexity of the problem. This study is an extension of the SPE 121252, model based integration and optimization gas cycling benchmark, extending two gascondensate fields to two fullfield multiwell models and introducing an oil field undergoing miscible WAG injection, where most data are taken from the SPE 5 Reservoir Simulation Comparative Project, SPE 16000. A common fieldwide surface processing facility is modeled with emphasis on water handling, NGL extraction, salesgas spec, and gas reinjection. The surface process model interacts with the three reservoir models through two main mechanisms – (1) waterand gashandling constraints, and (2) distribution of available produced gas for reinjection into the three reservoirs. The multifield asset model is introduced as a benchmark case. Cost functions are introduced for all major control variables (number of wells, surface facility selection and operating conditions). Net present value is used as the target objective function in the optimization. Introduction The model presented in this paper is rich and complex enough to represent the value chain from reservoir to export and thus suitable as a benchmark for integrated operations and optimization. The upstream part of the integrated model includes two gascondensate reservoirs

Transcript of Pipe-It Case Study Multi Field Asset Integrated...

CONTACT ADDRESS  TELEPHONE NUMBER  COMPANY E‐MAIL 

+47 7384 8080  [email protected] 

FAX NUMBER  CORPORATE WEBSITE 

REGISTER OF BUSINEESS ENTERPRISES 

 Granaasveien 1 7048 Trondheim Norway 

+47 7384 8081  www.petrostreamz.com  NO 989206230 

Pipe-It Case Study Multi‐Field Asset Integrated Optimization Benchmark (SPE 130768)

Field: Extended reservoir model

of Papers SPE 121252 and SPE

16000

Client: Petroleum Industry

Location: EUROPEC 2010

Challenge Solution Benefit Integrated modeling and optimization of multi‐field assets, from subsurface to market. 

Provide different application to simulate field asset model and evaluate the optimal production strategies using key control variables.  

The benchmark is provided to the industry through application data files, network infrastructure and results. 

Summary Integrated modeling of multi‐field assets, from subsurface to market, is challenging due to the 

complexity of the problem. This study is an extension of the SPE 121252, model based integration and  optimization  gas  cycling  benchmark,  extending  two  gas‐condensate  fields  to  two  full‐field multi‐well models and introducing an oil field undergoing miscible WAG injection, where most data are taken from the SPE 5 Reservoir Simulation Comparative Project, SPE 16000.  

A common field‐wide surface processing facility  is modeled with emphasis on water handling, NGL extraction, sales‐gas spec, and gas reinjection. The surface process model  interacts with  the three reservoir models  through  two main mechanisms –  (1) water‐ and gas‐handling constraints, and  (2) distribution of available produced gas for reinjection  into the three reservoirs. The multi‐field asset model is introduced as a benchmark case. 

Cost functions are  introduced for all major control variables (number of wells, surface facility selection and operating conditions). Net present value  is used as  the  target objective  function  in the optimization.  

Introduction The model presented  in  this paper  is  rich and  complex enough  to  represent  the value  chain 

from  reservoir  to  export  and  thus  suitable  as  a  benchmark  for  integrated  operations  and optimization.   The upstream part of  the  integrated model  includes  two gas‐condensate  reservoirs 

Page 2 of 17

and an oil reservoir while the surface process system includes gas and liquid separation as well as an NGL  plant.  The  model  also  includes  an  economic  calculation  as  indicated  in  Fig.  1.  All  model components  have  been  designed  using  realistic  assumptions  and  parameter  values.  Further,  the project  is  designed with  close  links  between  the  upstream  and  downstream  parts  of  the model, partly due to gas re‐injection. This is important since the integrated model is designed to study and assess  the  business  value  of  integrated  optimization  as  a  decision  support  method.  Complete documentation  of  the  integrated  model  and  optimization  is  made  available  at http://www.ipt.ntnu.no/~io‐opt/wiki/doku.php. 

 

Fig. 1. Integrated optimization schematic. 

 

Reservoir Model The reservoir models  include two gas‐condensate reservoirs and an oil reservoir, as shown  in 

Fig. 1. The gas‐condensate reservoirs are scaled up from [Juell, et al., 2010] and the oil reservoir is a scaled up  version of a miscible WAG project  [Killough and Kossack, 1987].  In  the base  case each 

reservoir is producing through   production wells and injection operations are conducted through 

  injection wells which  perform  gas  injection wells  in  the  gas‐condensate  reservoirs  and WAG injection  in  the oil  reservoir. The production and  injection wells are perforated  through all  layers. The reservoir models and well locations are shown in Fig. 2.  

The size of the gas‐condensate reservoirs is 3218 x 3218 x 48.7 m3 which is divided into 36 x 36 x 4 grid blocks. The oil reservoir size is 5334 x 5334 x 30.48 m3, divided into 35 x 35 x 3 grid blocks. The horizontal permeability distributions for the three reservoirs vary from a low permeability in the south west region towards higher permeability in the north east. The permeability distribution range is presented on Table 1. There are two faults in the horizontal direction, one is sealing and the other is partially communicating. The non‐communicating  fault separates  low permeability and medium permeability areas. The partially communicating fault separates the medium and high permeability areas. The non‐communicating shale  in the vertical direction occurs between  layers 3 and 4  in the lean  gas‐condensate  reservoir,  between  layers  1  and  2  in  the  rich  gas‐condensate  reservoir  and between  layers  2  and  3  in  the  oil  reservoir.  The  reservoir  models  are  compositional.  The composition  for  the gas‐condensate  reservoirs consists of 9 components and  the composition  for the  oil  reservoir  consists  of  6  components.  The  initial  fluid  composition  for  each  reservoir  is presented  in  Table  2.  The  compositional  reservoir models  are  run  using  the  SENSOR®  reservoir simulator. 

Page 3 of 17

Lean

 Gas Conden

sate 

Sealing fault

PROD 3GINJ 4

GINJ 3

PROD 1

GINJ 1

PROD 2

GINJ 2

GINJ 7PROD 4

GINJ 6

PROD 5

GINJ 8

GINJ 5

Rich Gas Condensate 

Sealing fault

PROD 3GINJ 4

GINJ 3

PROD 1

GINJ 1

PROD 2

GINJ 2GINJ 2

GINJ 7PROD 4

GINJ 6

GINJ 8

PROD 5

GINJ 5

Sealing fault

GINJ 7

GINJ 6

GINJ 8

GINJ 5

GINJ 3

GINJ 1GINJ 4

PROD 3

PROD 1

PROD 2

PROD 5Oil

PROD 4

(a). Lean Gas Condensate Reservoir.

(b). Rich Gas Condensate Reservoir. (c). Oil Reservoir.

Fig. 2. Reservoir description; heterogeneity and well placement.

 Table 1. Horizontal permeability and thickness distributions.

Lean Gas 

Condensate

Rich Gas 

CondensateOil

Gas 

CondensateOil 

1 13‐1300 35‐3500 50‐5000 9.1 6.1

2 4‐400 4.5‐450 5‐500 9.1 9.1

3 2‐200 2.5‐250 20‐2000 15.2 15.2

4 15‐1500 1‐100 ‐ 15.2 ‐

Layer

Permeability (md) Thickness (m)

Table 2. Initial composition for each reservoir.

Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4

CO2 0.01195 0.05794 0.05789 0.05777 0.05713

N2 0.01995 0.01852 0.01829 0.01789 0.01655

C1 0.66936 0.62858 0.62398 0.61573 0.58684

C2 0.10868 0.08288 0.0831 0.08347 0.08442

C3 0.06474 0.0564 0.05691 0.05778 0.06048

C4‐6 0.07976 0.09251 0.09382 0.09611 0.10359

C7P1 0.03272 0.04521 0.0469 0.04995 0.06078

C7P2 0.01052 0.01468 0.01543 0.0168 0.02175

C7P3 0.00234 0.00327 0.00367 0.00449 0.00845

C1 C3 C6 C10 C15 C20

0.5 0.03 0.07 0.2 0.15 0.05

ComponentLean GC 

Reservoir

Rich GC Reservoir

Oil Reservoir (Component)

Well Vertical Flow Model

The vertical well flow model is integrated into the reservoir simulator by introducing the Tubing Head  Pressure  table  (THP  table).  The  THP  table  for  each well  is  generated  using  the  PROSPER® simulator.  The  data  range  and  underlying model  that  are  used  to  generate  the  THP  table  are provided in Table 3. 

Surface Pipeline Flow Model

Page 4 of 17

gas and one transporting liquid, as shown in Fig. 3. The pipeline data is presented in Table 4. 

Table 3. Well and Field Properties.

Lean GC Rich GC Oil

Rate (Units) SM3/D SM3/D SM3/D

Min:(Intervals):Max 2831.69:(20):1.42E+06 2831.69:(20):1.42E+06 15.9:(20):3974.68

OGR SM3/SM3 SM3/SM3 GOR (SM3/SM3)

2.8E‐05:(10):3.4E‐03 2.8E‐05:(10):3.4E‐03 53.4:(10):1781.1

WGR SM3/SM3 SM3/SM3 water cut (SM3/SM3)

0 0 0:(10):1

THP Bara Bara Bara

6.89:(10):244.76 6.89:(10):172.36 6.89:(10):344.73

in in in

0.11 0.11 0.13

Well Depth m m m

7425 7425 8425

SM3/D SM3/D SM3/D

5.4 E+05 5.4 E+05 1920

Bara Bara Bara

68.95 68.95 68.95

Bara Bara Bara

275.8 275.8 310.3

SM3/D SM3/D SM3/D

2.7 E+06 2.7 E+06 9600

Maximum Plateau 

Rate Target

Tubing Inside 

Diameter

Maximum Producer 

Rate Constraint

Minimum Producer 

THP Constraint

Maximum Injector 

BHP Constraint

ParameterReservoir

Table 4. Surface pipeline properties.

Lean GC Rich GC Oil

Length km 5 10 11.5

Inner Diameter m 0.254 0.254 0.3048

Roughness mm 4.60E‐02 4.60E‐02 4.60E‐02

Parameter UnitReservoir

  

Surface Process Model The surface model is a steady state model where input streams will vary with time since these 

inputs are determined by the reservoir models. The surface process model is implemented in HYSYS. The  surface  process  model  is  separated  into  two  main  separation  processes,  liquid  and  gas 

separation. The liquid separation process consists of multi‐stage separation processes. Separators   

and   are three‐phase separation processes which separates gas, oil and water. Separators   and 

 are two‐phase separation processes which separates gas and  liquid. Further, there  is a second‐step drying stage for each separator to extract more liquid from the separated gas stream. The final product  from  the  liquid  separation  process  is  condensate. A water  pump  is  installed  to  transfer water to the water disposal facility.  

Page 5 of 17

plant; each process  is simplified by representing  it by a splitter model.  In  the real  field separation process, complex unit operations are required such as distillation columns in a NGL plant. The Dew Point Controller  (DPC) unit  is  installed  to produce high NGL  recovery. There are  six  final products from the gas separation process facility. These are sales gas, fuel gas, re‐injected gas to the lean gas‐condensate reservoir, re‐injected gas to the rich gas‐condensate reservoir, re‐injected gas to the oil reservoir  and NGL.  There  are  two products  from  the NGL plant, NGL  vapor  and NGL  liquid. NGL vapor mainly consists of methane, ethane and propane and will be re‐injected  to the oil reservoir while  NGL  liquid mainly  consists  of  heavy  components  which  will  be  sold  as  NGL.  The  surface process plant architecture is presented in Fig. 3. 

 

Fig. 3. Surface process facility schematic.  

Thermodynamic Model Peng‐Robinson 1979 (PR‐1979) was used as the EOS model in the HYSYS, PROSPER and SENSOR 

simulators. 

Economic Model The goal of  the  integrated model  is  to  study  field asset value as  represented by an economic 

model.  This model  is based on Net Present Value  (NPV), with  introducing  a discount  factor.  The operational  expenses  (OPEX)  cover  the  surface  and  well  operation  and  are  defined  by  a  fixed 

amount, one million USD per day for the base case. The field revenue  is obtained from gas  (  

USD/m3), NGL and condensate sales (  USD/m3). The daily cost  is summed from the volume of 

Page 6 of 17

water  production  and  injection  (   USD/m3),  CO2  removal  (   USD/MT)  and  power 

consumption (  cents/kWh).  

A  key  question  is  whether  the  project  time  step  (PTS,  )  –  i.e.  the  frequency  of model integration update  – has  a  significant  impact on  the NPV  calculation.  Frequent  integrated‐model updating can be expensive, as shown in Fig. 15 (lower curve). NPV consists of a net revenue stream 

 and a conversion to present value based on an annual discount factor   (e.g.  /year). 

Formally, NPV can be calculated with any  time discretization  for a given  revenue  function . Convention is to calculate NPV annually, based on the average revenue during the year – even if the 

revenue   changes significantly during the year.   NPV  calculation with  a  time  descritization  equal  to  the  PTS,  and  not  using  annual  average 

discounting (Eqs. 1‐2) will lead to a misleading dependency of NPV on project time step, as shown in Fig. 4(a). The NPV kept increasing as PTS was decreased. This misleading behavior was found in the NPV calculation basis, as shown in Fig. 4(b). The red line in the figure shows the revenue in USD per 

day for a PTS   days (  years). The gray line represents an NPV calculation for each PTS while the black  line  is  the NPV  calculation on  an  annual basis. A more  consistent discounting uses  the same time discretization for NPV for all cases,  independent of PTS (Eqs. 3‐4). This  is also shown  in Fig. 4(a), where it becomes clear that the project value, as expressed by NPV, has little dependency 

on PTS  .   is the average annual cash flow,   is always 365 days and  . The total simulation is 20 years.  

 

(1) 

 

(2) 

  (3) 

 

(4) 

 

5.0E+9

5.2E+9

5.4E+9

5.6E+9

5.8E+9

6.0E+9

6.2E+9

6.4E+9

6.6E+9

6.8E+9

7.0E+9

0 200 400 600 800 1000 1200

NPV (USD

)

Project Time Step (Days)

Project Time Step Discounting (Eq. 2)

Annual Discounting (Eq. 4)

0.00E+00

1.00E+06

2.00E+06

3.00E+06

4.00E+06

5.00E+06

6.00E+06

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Revenue & NPV (USD

/D)

Time (Days)

NPV (DT‐NPV = PTS)

NPV (DT‐NPV = 365 Days)

Revenue

Eq. 1Eq. 4

Eq. 2

(a). NPV surface response for different formulations and

PTS, values.

(b). NPVs for a PTS of 1095 days with different

calculation methods. Fig. 4. NPV surface response.

 

Technical Solution using Pipe-It As already mentioned the reservoir and well models are simulated with SENSOR and the well 

Page 7 of 17

vertical  flow  models  were  substituted  inside  the  reservoir  simulator  by  entering  THP  tables generated by PROSPER. The gathering manifold, pipeline and surface process facility are simulated using HYSYS. Pipe‐It®  is used as the  integration platform for the model  integration meaning that  it integrates and schedules the different applications for a given project run. The Integrated model is run by linking all software applications that transfer data from one application to another providing dynamic communication between  the  reservoir‐well‐manifold‐pipeline and  surface process  facility simulators.  

The hydrocarbon molar flow rates and molar water rate from each reservoir are transferred to the  surface  simulator. HYSYS  simulates  the  surface  facility and  returns  the  injection  compositions and  injection  rates  to  the  reservoir  simulator  through  Pipe‐It.  The  production  rates,  power consumption and mass of CO2 removal are transferred to the economic model. The compositional translation from the reservoir to the surface facility EOS characterization is solved by aggregating all components from the gas‐condensate reservoirs and the oil reservoir. The benchmark case can be implemented  on  alternative  platforms.  For  example,  the  SENSOR  reservoir  simulator  may  be replaced by an ECLIPSE simulator; HYSYS may be replaced by UniSim®, etc. 

The PTS and simulation end time must be preselected. The PTS   represents the frequency with which the gas injection rates and compositions are updated. The simulation ending time is used to define when  the  field operation  is stopped.  In  the  initial  run, each  reservoir model  is run  for 1 day.  The  reservoir  simulation  outputs  are  transferred  to  the  surface model.  The  static  surface simulation is also run for 1 day to obtain the gas injection compositions, gas injection rates, sales gas 

rate, NGL rate and condensate rate. The cash flow,  , is also calculated for this initial run. The 

next  integrated model run  is  then controlled by  the PTS   value, which  is determined  largely based on the availability of hardware resources however; it is suggested to use a small PTS value to capture  real  time behavior. To  limit  the  surface process  simulation,  this  calculation  is performed once only for each PTS. The algorithm for simulating the integrated model is shown in Fig. 5.  

 

Initialization of all model components

Calculate the NPV based on annual basis

Define:1. Project time step (∆tp).2. Simulation time end (tend)

Solve Reservoir

Model

Compute the input to Hysys

If t = tendNo

Solve Hysys model

Update:Gas injection composition,gas injection rate andt = t + ∆tp

Calculate the revenue

For each project time step (∆tp)

t = tend

 Fig. 5. Numerical method for the integrated model. 

Page 8 of 17

 

Software Application

The  snapshots  of  the  Pipe‐It  project  are  presented  in  Figs.  6  to  10.  Fig.  6  represents  the complete  integrated project. The  integrated model  is developed  from the composites  ‘Initial Run’, ‘Transition Run’ and ‘Restart Runs’. The composite ‘NPV’ is used to calculate the NPV on an annual basis.  The  discount  factor  calculation  and OPEX  subtraction  are  done  inside  this  composite.  The ‘Final Results’ composite functions as a data aggregation and collection module at the simulation’s ending time.   

 Fig. 6. A snapshot of the complete integrated model in the pipe-it project. 

 Fig.  7  represents  the  integrated  model  of  the  ‘initial  run’  composite.  There  are  three 

compositional  reservoir models  that are  run  in parallel:  lean gas‐condensate,  rich gas‐condensate and  oil  reservoir models.  The  reservoir  simulator  results  are  transferred  into  the  ‘Intermediate Process (Combined EOS)’ composite to mix all components  into one composition. The results from the ‘Intermediate Process (Combined EOS)’ composite are then transferred into the ‘Surface Process (HYSYS) & Economics’ composite.   The  ‘Transition Run’,  ‘Restart Runs’ and  ‘Initial Run’ composites have the same general structures. The differences  lie  in the running time; the running time of the 

‘Initial Run’ composite is   day, the ‘Transition Run’ composite runs from   day to   days and 

the ‘Restart Runs’ composite is from  days up to the ending time.  

Page 9 of 17

 Fig. 7. A snapshot of the ‘Initial Run’ composite. 

 Fig. 8 represents simulation of the  ‘Lean GC Reservoir (Initial – SENSOR RUN)’ composite. The 

SENSOR  and  STREAMS  software were  run  inside  this  composite.  The  rich  gas‐condensate  and oil reservoirs also have the same composite structure. Fig. 9 shows the simulation of the ‘Intermediate Process  (Combined  EOS)’  composite.  Fig.  10  represents  the  simulation  of  the  ‘Surface  Process (HYSYS) & Economics’ composite. The process starts by averaging  the  results of  the  ‘Intermediate Process (Combined EOS)’ composite. The results of the ‘Averaging’ composite are used as input data for the ‘HYSYS (RUN)’ composite.  

 

 Fig. 8. A snapshot of the ‘Lean GC Reservoir (Initial – SENSOR RUN)’ composite. 

 

Page 10 of 17

 Fig. 9. A snapshot of the ‘Intermediate Process composite’. 

 The ‘Injection Rate Correction’ composite in Fig. 10 sums the amounts of gas and water injected 

into the oil reservoir.   If the available gas from the surface calculation  is  less than the  injected gas, then  the additional gas  is purchased and  this becomes an additional cost. On  the contrary,  if  the available gas  is greater than the  injected gas, then the rest will be sold and hence generate added revenue. Inside this composite, the amount of injected gas and available gas for the gas‐condensate reservoirs are also checked. The ‘Economic Calculation’ composite calculates revenue as a function of  PTS.  The  ‘Data  Recording’  composite  records  the  data  during  the  simulation.  In  the  ‘Gas Reinjection’  composite,  the  gas  injection  compositions  are  updated  based  on  the  results  of  the actual surface‐process calculation. The  ‘THP‐Check’ composite checks the THP for each production well  and  compares  it  with  the manifold  pressure  from  the  surface  calculation.  If  the manifold pressure is greater than the THP, the minimum THP is adjusted to the manifold pressure. 

The  optimization  run  is  controlled  through  a  file  with  extension  the  “.ppo”  (Pipe‐It Optimization). An example of an optimization  file  is  shown  in  Fig. 11.   The optimization  solver  is Reflection (based on the Nelder and Mead optimization method). The variables in yellow represent constraints, those in green represent auxiliaries, those in pink represent the objective function and those  in blue  represent  the decision variables. The decision and  constraint variables are updated before model execution but the auxiliary variables are updated after model execution. The variables are linked to numbers inside files.    

 

 Fig. 10. A snapshot of the ‘Surface Process (HYSYS) & Economics’ composite. 

 

Page 11 of 17

 Fig. 11. A snapshot of an optimization file. 

Base Case Simulation and Sensitivity Analysis

Base  case data are  shown  in Table 5. The  total  simulation  time  is    years and  injection  is 

active during the first   years. The simulation scenario starts with injection for   years, followed by depletion of  the gas‐condensate  reservoirs, and water  injection  for  the oil  reservoir. The base case WAG scenario is based on scenario 2, SPE 5 Comparative solution project [Killough and Kossack, 

1987]. The gas injection rate is   m3/D (20000 Mcf/D), the water injection rate,   m3/D 

(  bbl/D) and  the  change  from water  to gas  injection and vice verse occurs every       

days1. For the oil reservoir there are two active constraints, a gas oil ratio constraint (  Sm3/m3 

or   Mcf/STB)  and  a watercut  constraint  ( ). A well will  shut  in  if  it  reaches one of  these constraints, and  re‐opened one year  later.  It may be noted  that  the water supplied  for  the water injection comes from an external source; hence, it is not directly linked to the process facility.  

 Table 5. Base-case parameters.

Value

0.4

0.3

0.6

0.5

‐30

10

3650

365

7300

Discount Factor (%)

Injection Time (days)

Project Time Step (days)

Total Simulation Time (days)

Variable

Sales Gas fraction

Fuel Gas fraction

Gas‐Condensate Reinjection fraction

Lean Reinjection fraction

DPC Temperature (C)

 

 

 

1 The SENSOR WAG logic specifies injection rates and cumulative slug volume per cycle.

Page 12 of 17

 

‐1.00E+10

‐7.50E+09

‐5.00E+09

‐2.50E+09

0.00E+00

2.50E+09

5.00E+09

7.50E+09

1.00E+10

1.00E+06

2.00E+06

3.00E+06

4.00E+06

5.00E+06

6.00E+06

7.00E+06

8.00E+06

9.00E+06

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Cumulative

 NPV (USD

)

Revenue (U

SD)

Time (Days)

PTS = 1095 Days

PTS = 365 Days

PTS = 30 Days

MaximumNPV

Fig. 12. Revenues and NPVs for different PTS using base-case parameters in Table 5.

0

1500

3000

4500

6000

7500

9000

10500

0.00E+00

5.00E+05

1.00E+06

1.50E+06

2.00E+06

2.50E+06

3.00E+06

3.50E+06

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

NGL and Condensate (SM

3/D

)

Sales Gas (SM

3/D

)

Time (days)

Sales Gas ‐ PTS 30D Sales Gas ‐ PTS 365D NGL ‐ PTS 30D

NGL ‐ PTS 365D Condensate  ‐ PTS 30D Condensate  ‐ PTS 365D

Fig. 13. Field products in volume units for different PTS values.

 The annual NPV performance for the base case is presented in Fig. 12. This figure shows that for 

the base‐case parameters,  the  field should be operated  for   years,  from an economic point of 

view. A varying PTS   does not change (annual‐based) NPV significantly. NPV calculations in Fig. 

Page 13 of 17

12 are made with Eq. 4 and   days. Figure 13 shows the sales gas, NGL, and condensate performances for the base‐case parameters. This figure shows that sales gas increased after the end of the injection scenario, but later showed a downturn. 

The base case simulator and scenario were analyzed by perturbing several key parameters,  i.e., the  key  decision  variables  in  this  benchmark  case,  including:  (i)  The  dew  point  temperature controlling NGL extraction, (ii) The gas sales fraction (fraction sales gas of total produced gas, TEE1 top‐right  in Fig. 3),  (iii) The gas‐condensate reinjection  fraction  (fraction of reinjected gas  into gas condensate  reservoirs,  TEE3  top‐right  in  Fig.  3)  and  (iv)  The  lean  reinjection  fraction  (fraction reinjected gas into lean reservoir, TEE4 top‐right in Fig. 3).  For the reservoir aspect, it is possible to optimize the WAG period and the amount of gas and water injection rates. All other decision variables were held constant during a simulation run. Figure 14 (a) is an example of single parameter analysis for an optimization variable and Fig. 14 (b) shows surface parameter  analysis when  two parameters  are  changed  simultaneously.  The parameter  sensitivity results are summarized  in Table 6. The highest NPV  increment  (9%) was obtained by changing the sales gas fraction and DPC temperature. Figures 10 (a) and (b) show the day at which a maximum NPV  is reached.  It can be concluded from the study that nonlinear effects are significant and thus local optima are present  in this problem. The simulation was run on a 2.67 GHz, 2 Quad core CPU with 8 GB of RAM. Applying PTS of 365 days (1 year) and the run time was about ~336 seconds.  

3650

3650

3650

3650 4015

365

01540154015

5.80E+9

5.85E+9

5.90E+9

5.95E+9

6.00E+9

6.05E+9

6.10E+9

0 50 100 150 350 400

Maximum NPV (U

SD)

Delta WA

0 3650

36503650

4015

4

200 250 300

G Cycle (days)

Base Case

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

5.4E+9

5.6E+9

5.8E+9

6.0E+9

6.2E+9

6.4E+9

6.6E+9

6.8E+9

‐55 ‐50 ‐45 ‐40 ‐35 ‐30 ‐25 ‐20 ‐15 ‐10

Maximum NPV (U

SD)

DPC Temperature (C)

3650Base Case

(a). Single parameter analysis for the WAG cycle time. This figure indicates that the best scenario for the oil reservoir is implementing Simultaneous WAG (SWAG).

(b). Surface parameter analysis for DPC temperature and sales gas fraction.

The maximum NPV is obtained when

and oC.

Fig 14. Sensitivity parameter analysis for single and surface parameters.

Table 6. Sensitivity parameter results. The optimal value and corresponding NPV are shown for each of the single parameter and two parameter sensitivity analyses, respectively.

Page 14 of 17

Case Optimal Value NPV (USD) Base Case ValueNPV ‐ Base 

Case (USD)

Increment 

(%)

DPC Temperature  ‐55 C 6.43E+09  ‐30 C 6.03E+09 6.22

Sales Gas Fraction 0.3 6.17E+09 0.4 6.03E+09 2.23

Gas‐Condensate 

Reinjection Fraction0.1 6.28E+09 0.6 6.03E+09 3.92

Lean GC Reinjection 

Fraction0.6 6.23E+09 0.5 6.03E+09 3.21

WAG Cycle Period 30 days 6.09E+09 91.25 days 6.03E+09 0.90

qgi and qwi for oil 

reservoir

qgi = 849505.5 m3/D 

qwi = 5564.5 m3/D6.52E+09

qgi = 566337 m3/D 

qwi = 7154.4 m3/D6.03E+09 7.56

GC Inj Fract and Lean 

Inj Frac

fRgc = 0.1 and fRL = 

0.66.43E+09

fRgc = 0.6 and fRL = 

0.56.03E+09 6.22

Sales Gas Frac and 

DPC Temp

fsg = 0.5 and T DPC = ‐

55 C6.63E+09

fsg = 0.4 and T DPC = ‐

30 C6.03E+09 9.08

Optimization The Nelder‐Mead Simplex Reflection method  constrained handler  is applied  for  two different 

optimization  scenarios  to maximize  the NPV. The decision variables  for  the  first  scenario are DPC temperature,  sales  gas  fraction,  gas‐condensate  reinjection  fraction  and  lean  gas‐condensate reinjection  fraction.  The  decision  variables  for  the  second  scenario  are  sales  gas  fraction,  DPC temperature, gas  injection  rate and water  injection  rate  for WAG  scenario and WAG period. The decision  variables  were  defined  based  on  the  results  from  sensitivity  study.  The  first  scenario focused  on  the  surface  facilities  parameter  optimization,  while  the  second  scenario  is  the combination  of  surface  facilities  and  reservoir  parameters.  These  optimization  models  can  be described as the following: 

 Scenario 1 

  with the following constraints on the decision variables   

  

Scenario 2 

  with the following constraints on the decision variables  

  

 The base‐case parameters  in Table 5 were used as  the  initial  value  for  the optimization. The 

optimization  results  for  scenario  1  are:  and 

Page 15 of 17

the  optimization  results  for  scenario  2 are:

. The comparison between base case and the optimization results is presented in Table 7 and early 

shows the potential of optimization since NPV has increased ~ % and ~ %, respectively. Scenario 

1 required   iterations to converge to the optimum solution, while scenario 2 took   iterations. The  base  case  CPU  run  time  for  optimization  scenario  1 was  ~2  hours  and  it was  ~7  hours  for Scenario 2. 

 Table 7. Comparison of base-case and optimization results.

Parameter Base Case Scenario  cenario 2

Cumulative sales gas (m3) 1.05E+10 E+10 1.11E+10

Cumulative NGL (m3) 5.52E+06 E+06 7.45E+06

Cumulative Condensate (m3) 3.59E+07 E+07 4.66E+07

NPV (USD) 6.03E+09 .61E+09 7.82E+09

Number of iterations 1 29 73

CPU run time (hour) 0.09 2.06 7.02

Increment from the base case ‐  9 % ~ 23%

Op n

1 S

timizatio

1.12

6.75

3.58

6

 

Conclusion The presented  I‐OPT model  is  suitable  for  assessing  the potential of  integrated optimization 

since the upstream and downstream parts of the model are tightly coupled. Optimization has a clear potential because  the multi‐variable  scenarios considered  in  this paper  reveal an NPV  increase of 

% ‐  % compared to the base case gas injection scenario.  Figure  15  shows  that  the magnitude  of  total NPV  error  is more‐or‐less  constant  for  a  given 

, in both base‐case and the optimization cases in Scenarios 1 and 2. We therefore concluded 

that  the  surface of maximum NPV  is  rather  insensitive  to , and  thus compromised using a 

of 1 year for the optimizations. Once an optimal case  is  located, the  I‐OPT project  is rerun with  a  smaller  project  time  step  (e.g.  1 month)  to  obtain  a more‐accurate  (“true”)  value  of  the maximum NPV. 

Figure 15 also shows that there was only a small gain to be made  in terms of run time  if the project  time  step  is  increased beyond 1 year. However, a  shorter project  time  step  increases  the computational cost substantially. The NPV is shown for the varying project time steps. The base case NPV  curve  is equal  to Fig. 4(a). One might argue  for  the  selection of different project  time  steps depending on the run time and hardware resources available. (Juell et al., 2010) improved the NPV result  for  a  given  project  time  step  by  introducing  intermediate  “division”  project  time  steps whereby  reservoir  results were  fed  to  the  (fast  and  approximate)  proxy  surface  process model 

Page 16 of 17

without feedback. This approach was not used  in our benchmark because the surface process  is a real and more complex model therefore CPU time was much higher. 

 

4.0E+9

4.5E+9

5.0E+9

5.5E+9

6.0E+9

6.5E+9

7.0E+9

7.5E+9

8.0E+9

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Maxim

um NPV (USD

)

CPU tim

e (relative

 to the base case tim

e)

Project time step (days)

Scenario 2 Optimum

Scenario 1Optimum

Base Case

Fig. 15 NPV for different project time steps.

Nomenclature   =  Discount factor 

 =  Total project time step 

     =  Mass of CO2 removal, MT/day 

     =  Power consumption, KW/day 

    sales gas fraction 

    reinjected gas fraction,   

    gas‐condensate reinjection fraction 

    oil reinjection fraction,   

    lean gas‐condensate reinjection fraction 

    rich gas‐condensate reinjection fraction,   

  =  Condensate production rate, m3/day 

  =  Gas production rate, m3/day 

  =  NGL production rate, m3/day 

  =  Surface water injection rate, m3/day 

  =  Surface water production rate, m3/day 

  =  Condensate price, USD/ m3 

  =  NGL price, USD/ m3 

  =  Power cost, USD/kWh 

Page 17 of 17

  =  Water injection and production cost, USD/ m3 

  =  CO2 removal cost, USD/MT 

  =  Dew Point Controller temperature, oC 

  =  Project time step, days 

  =  Project time step equal to 365 days 

    WAG cycle time, days 

Acknowledgements

We acknowledge our collegues Mohammad Faizul Hoda from PERA and Aleksander Juell from Norwegian University of Science and Technology  (NTNU). We are grateful  for  the assistance  from Prof. Michael Golan at NTNU, Robert Hubbard  from  John M. Campbell&Co and Ken Starling  from Starling  &  Associates,  for  helping with  the  surface  process  development. We  also  acknowledge financial support by the Center for Integrated Operations in the Petroleum Industry at NTNU. 

References Juell, A., Whitson, C.H., and Hoda, M.F. 2009. Model Based Integration and Optimization Gas Cycling Benchmark. Paper SPE 121252. SPE Journal, September 2010. Killough,  J.E.,  and  Kossack,  C.A.  1987.  Paper  SPE  16000.  Fifth  SPE  Comparative  Solution  Project: Evaluation of Miscible flood Simulators.