Áp dụng mạng nơron nhân tạo và giải thuật di truyền để tối ưu hóa hệ thống khai thác

ðại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
––––––––––––––––––––

VÕ TRÍ NGHĨA

ÁP DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO
VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
ðỂ TỐI ƯU HÓA
HỆ THỐNG KHAI THÁC
Chuyên ngành : Kỹ thuật Khoan – Khai thác và Công nghệ dầu khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2008


CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ...............................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 :......................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :......................................................................................

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

---oOo--Tp. HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Võ Trí Nghĩa

Ngày, tháng, năm sinh :

18 – 10 – 1982

Chuyên ngành :

Kỹ thuật Khoan – Khai thác và Công nghệ dầu khí

Khố (Năm trúng tuyển) :

2006

Giới tính : Nam

/ Nữ

Nơi sinh : TP. HCM

1- TÊN ðỀ TÀI: Áp dụng mạng nơ ron nhân tạo và thuật giải di truyền ñể tối ưu

hóa hệ thống khai thác.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Thiết kế mạng nơ ron ñể xây dựng mối quan hệ phi tuyến giữa các thơng số
của chế độ khai thác và lưu lượng khai thác
Xây dựng thuật giải di truyền ñể tối ưu hóa lưu lượng dầu của một mạng lưới
khai thác bằng gaslift
Áp dụng tổ hợp mạng nơ ron và thuật giải di truyền vừa xây dựng vào bài tốn
tối ưu hóa khai thác cho cụm giếng X, mỏ Y, thềm lục ñịa Nam Việt Nam
So sánh kết quả tính tốn của tổ hợp mạng nơ ron và thuật giải di truyền với
kết quả tính tốn thực tế đang ñược áp dụng và ñưa ra những nhận xét, kiến
nghị
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

21 – 01 – 2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30 – 06 – 2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Hồ Trọng Long
Nội dung và ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Lời ñầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy bộ môn Kỹ thuật Khoan –
Khai thác và Cơng nghệ dầu khí đã tận tình chỉ bảo em trong suốt khoảng thời
gian em thực hiện luận văn.

Em xin bày tỏ lịng tri ân đến thầy Hồ Trọng Long đã tận tình hướng dẫn và
cung cấp tài liệu để em có thể hồn thành luận văn tốt nghiệp này.

Sau cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và tồn thể bạn bè đã động
viên và hỗ trợ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện ñề tài.


MỞ ðẦU
Với thực trạng hiện nay của sự gia tăng các chi phí vận hành khai thác (chi
phí bảo trì, chi phí cho năng lượng cơ học sử dụng nhằm mục đích tăng cường khả
năng khai thác, chi phí cho các thiết bị xử lý…) và sự suy giảm của quá trình khai
thác (áp suất vỉa và trữ lượng suy giảm, mức ñộ nhiễm bẩn thành hệ gia tăng, các
sự cố xảy ra trong giếng…), nếu chúng ta không quản lý tốt quy trình khai thác, thì
chúng ta khơng thể khai thác thêm được nữa các sản phẩm dầu khí. Do đó, tối ưu
hố là một phần khơng thể thiếu của quá trình quản lý mỏ. Bằng cách tối ưu hệ
thống khai thác, chúng ta có thể khai thác thêm hoặc đạt đến mức tối đa các sản
phẩm dầu khí, sử dụng ít hơn hoặc đạt đến mức tối thiểu năng lượng cơ học sử
dụng cho việc tăng cường khai thác… để đạt đến mục đích cuối cùng là thực hiện
tốt hơn cơng tác quản lý mỏ. Nếu khơng có tối ưu hố thì chúng ta có thể để lại
một lượng lớn dầu khí trong mỏ, lãng phí các năng lượng cơ học và công suất của
các thiết bị xử lý để tăng cường khai thác…
Hiện nay, các cơng ty dầu khí chưa đặt nhiều sự quan tâm đến cơng tác tối

ưu hố khai thác. Thực tế, các cơng ty chỉ kế nối các giếng ñơn vào trong hệ thống
và ñể dòng dầu khai thác càng nhiều càng tốt. Vài cơng ty có quan tâm đến việc
tối ưu hố khai thác nhưng chỉ dừng lại ở mức ñộ các giếng ñơn và không xét ñến
các ảnh hưởng của chúng lẫn nhau trong cùng một mạng lưới khai thác. Một số kỹ
sư ñã tốn nhiều thời gian cố gắng tối ưu từng giếng nhưng vẫn khơng có tín hiệu
khả quan đối với kết quả của cả hệ thống.
Bằng cách ñưa vào các ưu điểm của khoa học máy tính với sự tiến bộ của
các kỹ thuật tính tốn, các lĩnh vực của dầu khí đã phát triển rất nhiều. Khoa học
máy tính đã tăng tốc cho q trình tính tốn, trực quan các mơ hình mỏ, minh giải
địa chấn… và đặc biệt là tối ưu hố cơng tác khai thác. Trong các kỹ thuật tính
tốn hiện đại, mạng nơ ron nhân tạo và giải thuật di truyền ñã chứng minh các


chức năng vượt trội của mình trong q trình tính tốn và tối ưu. Vì thế, trong
nghiên cứu này, tác giả cố gắng áp dụng các kỹ thuật đó vào trong q trình tối ưu
hố hệ thống khai thác.
ðề tài ñược áp dụng trên một mạng lưới bao gồm 7 giếng ñã hoạt ñộng
trong một thời gian dài. Tuy nhiên, công tác quản lý khai thác chưa thực sự tốt,
công tác tối ưu hóa cịn nhiều thiếu sót nên lưu lượng khai thác dầu chưa cao,
trong khi đó năng lượng vỉa bắt ñầu suy giảm, ñộ ngập nước trong giếng bắt ñầu
tăng nhanh... Mạng lưới các giếng ñang ñược tiếp tục hoạt ñộng nhờ vào hệ thống
gaslift, nhưng theo khảo sát thì hoạt động của hệ thống gaslift này đang hoạt động
khơng ổn định, chưa thể tận dụng tối đa nguồn năng lượng này. Do đó, u cầu đặt
ra là phải cải thiện công tác khai thác của mạng lưới, nâng cao hiệu quả của hệ
thống gaslift.
ðề tài ñược giới hạn trong phạm vi tối ưu tổng lưu lượng dầu khai thác của
mạng lưới bằng cách ñiều chỉnh lưu lượng khí gaslift bơm ép vào từng giếng. Do
hệ thống các van gaslift ñã ñược lắp ñặt cố ñịnh nên tác giả khơng xét đến vấn đề
tối ưu vị trí đặt các van này, tương tự như vậy cho các thông số về độ sâu nhúng
chìm cột ống khai thác, đường kính ống khai thác.... Q trình tính tốn tối ưu sẽ

ñược thực hiện tự ñộng bằng sự kết hợp của hai kỹ thuật tính tốn và tối ưu: mạng
nơ ron nhân tạo và thuật giải di truyền.


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn được thực hiện với mục tiêu áp dụng mạng nơ ron nhân tạo và
thuật giải di truyền ñể xây dựng giải phải tối ưu mạng lưới khai thác dầu bằng
gaslift. Luận văn được trình bày dưới 4 chương:
Chương 1: Tối ưu hóa khai thác dầu bằng gaslift
Chương này trình bày về phương pháp tối ưu hóa khai thác hiện tại bằng bơm
ép khí gaslift, đồng thời nêu ra các hạn chế của phương pháp này.
Chương 2: Giải thuật di truyền
Chương này giới thiệu các nét chính về giải thuật di truyền, các tốn tử, các
thơng số và các đề nghị về các thơng số của giải thuật trong quá trình sử dụng.
Chương 3: Mạng nơ ron nhân tạo
Chương này giới thiệu các nét chính về mạng nơ ron nhân tạo, các thông số
của mạng nơ ron cũng như các vấn ñề cần chú ý khi huấn luyện mạng.
Chương 4: Áp dụng giải pháp tối ưu vào mạng lưới khai thác
Chương này trình bày tổng quan về hiện trạng khai thác và các vấn đề khó
khăn của mạng lưới, từ đó hình thành nhu cấp cấp bách cho giải pháp tối ưu.
Chương này, trình bày quy trình và kết quả xây dựng mạng nơ ron nhân tạo ñại
diện cho mối quan hệ phi tuyến giữa các thơng số chế độ khai thác và lưu
lượng khai thác dầu. ðồng thời, cũng xây dựng một giải thuật di truyền phục
vụ cho mục đích tối ưu hóa tổng lưu lượng dầu khai thác của mạng lưới. Trong
chương này cũng trình bày kết quả so sánh giữa lưu lượng dầu khai thác bằng
phương pháp tối ưu hiện tại ñược áp dụng và lưu lượng dầu khai thác sau khi
áp dụng giải pháp tối ưu của ñề tài.
Kết luận và kiến nghị
Phần này ñưa ra các kết luận thu thập ñược trong suốt quá trình nghiên cứu
mạng lưới khai thác, cũng như ñưa ra các kiến nghị dựa trên việc áp dụng giải

pháp tối ưu của đề tài nhằm mục đích nâng cao lưu lượng khai thác dầu của
mạng lưới.


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................iv

CHƯƠNG 1: 1
TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA KHAI THÁC BẰNG GASLIFT
1
1.
Giới thiệu tổng quan về khai thác bằng gaslift .........................................1
2.
Tối ưu hóa giếng ñơn ..............................................................................3
3.
Tối ưu hóa nhóm giếng ...........................................................................5
4.
Tối ưu hóa trong một mạng lưới khai thác...............................................7
CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
10
5.
Cơ sở sinh học.......................................................................................10
Nhiễm sắc thể...............................................................................................10
Sinh sản 11
6.
Khơng gian tìm kiếm.............................................................................11
7.
Thuật giải di truyền ...............................................................................12

8.
Các toán tử trong thuật giải di truyền.....................................................13
Mã hóa một “nhiễm sắc thể” ........................................................................14
Lai giống ......................................................................................................14
ðột biến 15
9.
Các thông số của thuật giải di truyền .....................................................15
Xác suất lai giống.........................................................................................15
Xác suất đột biến ..........................................................................................16
Kích thước quần thể .....................................................................................16
10.
Lựa chọn ...............................................................................................16
Phương pháp lựa chọn theo bánh xe roulette ................................................17
Lựa chọn xếp hạng .......................................................................................17
Lựa chọn trạng thái tĩnh................................................................................18
Phương pháp elitism.....................................................................................19
11.
Mã hóa ..................................................................................................19
Mã hóa nhị phân...........................................................................................19


Mã hóa hốn vị.............................................................................................20
Mã hóa giá trị ...............................................................................................20
Mã hóa dạng cây ..........................................................................................21
12.
Lai giống và biến dị...............................................................................22
Mã hóa nhị phân...........................................................................................22
Mã hóa hốn vị.............................................................................................23
Mã hóa giá trị ...............................................................................................24
Mã hóa dạng cây ..........................................................................................24

13.
ðề nghị về các thông số của thuật giải di truyền....................................25
Tỷ lệ lai giống ..............................................................................................25
Tỷ lệ đột biến ...............................................................................................25
Kích thước quần thể .....................................................................................25
Lựa chọn ......................................................................................................26
Mã hóa 26
Loại lai giống và đột biến .............................................................................26
CHƯƠNG 3: 27
MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO
27
14.
Giới thiệu ..............................................................................................27
15.
Cấu trúc và cách thức hoạt ñộng của một nơ ron sinh học .....................28
Các nhân tố của một nơ ron cơ bản...............................................................28
Các nhân tố vật lý của một nơ ron cơ bản .....................................................28
Các nơ ron sinh học hoạt ñộng như thế nào?.................................................29
16.
ðơn giản hoá một cách lý tưởng nơ ron.................................................30
17.
Cấu trúc của một nơ ron nhân tạo ..........................................................31
Thể hiện một nơ ron nhân tạo gốc ................................................................31
Các thành phần của một nơ ron nhân tạo ......................................................31
18.
Tổng quát về các cấu trúc của các mạng nơ ron nhân tạo.......................38
Mạng lan truyền ngược.................................................................................39
Mạng lan truyền ngược hoạt ñộng như thế nào ? ..........................................40
19.
Perceptron .............................................................................................41

Mạng perceptron lớp đơn .............................................................................41
Một Perceptron lớp đơn thực làm gì ?...........................................................42
Một perceptron đa lớp (MLP).......................................................................43
20.
Vai trị của việc huấn luyện và học trong mạng nơ ron nhân tạo ............43
Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ................................................................43


Học có giám sát............................................................................................44
Học khơng giám sát......................................................................................44
21.
Học q mức .........................................................................................45
Thế nào là “học quá” (Overtraining)? ...........................................................45
Phòng tránh “học quá”..................................................................................46
22.
Các nguyên nhân của việc phát triển của mạng nơ ron nhân tạo – So sánh
giữa máy tính thơng thường và nơ ron nhân tạo ...............................................47
CHƯƠNG 4 :

49

ÁP DỤNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU VÀO MẠNG LƯỚI KHAI THÁC
49
23.
Giới thiệu về mạng lưới khai thác hiện tại .............................................49
24.
Mạng nơ ron nhân tạo ...........................................................................51
25.
Giải thuật di truyền................................................................................61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................69


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 – Biểu đồ đường cong quan hệ giữa lưu lượng khí bơm ép và lưu lượng
dầu khai thác ........................................................................................................ 2
Hình 1.2 – Tối ưu hóa lưu lượng bơm ép cho giếng đơn ....................................... 3
Hình 1.3 – Tối ưu hóa lưu lượng khai thác cho cụm giếng.................................... 5
Hình 1.4 – Tối ưu hóa lưu lượng bơm ép cho mạng lưới giếng ............................. 7
Hình 2.1 – Ví dụ của khơng gian tìm kiếm ..........................................................12
Hình 2.2 – Phương pháp lựa chọn theo bánh xe roulette ......................................17
Hình 2.3 – Trước khi xếp hạng ............................................................................18
Hình 2.4 – Sau khi xếp hạng ................................................................................18
Hình 2.5 – Ví dụ lai giống một điểm đơn.............................................................22
Hình 2.6 – Ví dụ lai giống hai điểm .....................................................................22
Hình 2.7 – Ví dụ lai giống đồng dạng ..................................................................23
Hình 2.8 – Ví dụ lai giống số học ........................................................................23
Hình 2.9 – Ví dụ biến dị đảo bit...........................................................................23
Hình 2.10 – Ví dụ lai giống dạng cây...................................................................25
Hình 3.1 – Các nhân tố cơ bản của một nơ ron ....................................................28
Hình 3.2 – ðơn giản hố một cách lý tưởng mạng nơ ron ....................................30
Hình 3.3 – Thể hiện của một nơ ron nhân tạo gốc................................................31
Hình 3.4 – Cấu trúc cơ bản của một nơ ron nhân tạo............................................32
Hình 3.5 – Kiến trức mạng nơ ron feed – forward................................................39
Hình 3.6 – Mạng nơ ron lan truyền ngược ...........................................................40
Hình 3.7 – Mạng perceptron lớp đơn ...................................................................41
Hình 3.8 – Các mẫu có thể tách rời một các tuyến tính (bằng cách vẽ một đường
thẳng) ..................................................................................................................42
Hình 3.9 – Các mẫu khơng thể tách rời một cách tuyến tính (bằng cách vẽ một

đường thẳng) .......................................................................................................42
Hình 3.10 – Giản đồ các đường học cho thấy các sai số trên các bộ huấn luyện và
đánh giá...............................................................................................................43
Hình 3.11 – Q trình huấn luyện mạng nơ ron ...................................................47
Hình 4.1 – Mạng lưới giếng khai thác hiện tại .....................................................49
Hình 4.2 – Tổng lưu lượng khai thác dầu và tổng lưu lượng bơm ép khí gaslift ...50
Hình 4.3 – Áp suất vỉa hiện tại của vỉa.................................................................50
Hình 4.3 – Sai số huấn luyện mạng của bộ số liệu huấn luyện và kiểm tra...........56
Hình 4.4 – Sơ đồ trọng số tương tác giữa các nút trong mạng lưới.......................57
Hình 4.5 – Tổng lưu lượng dầu khai thác và tổng lưu lượng khí gaslift bơm ép áp
dụng giải pháp tối ưu trên bộ số liệu khai thác đã cho..........................................67
Hình 4.6 – So sánh lưu lượng khai thác dầu thực và lưu lượng khai thác dầu có áp
dụng giải pháp tối ưu ...........................................................................................68
Hình 4.7 – So sánh lưu lượng khí bơm ép thực và lưu lượng bơm ép khí có áp
dụng giải pháp tối ưu ...........................................................................................68
Hình 4.8 – So sánh lưu lượng dầu khai thác của giếng 1 ......................................69

-i1 -


Hình 4.9 – So sánh lưu lượng của giếng 2............................................................69
Hình 4.10 – So sánh lưu lượng của giếng 3..........................................................70
Hình 4.11 – So sánh lưu lượng của giếng 4..........................................................71
Hình 4.12 – So sánh lưu lượng của giếng 5..........................................................71
Hình 4.13 – Lưu lượng của giếng 6 .....................................................................72
Hình 4.14 – Lưu lượng của giếng 7 .....................................................................72
Hình 4.15 – Lưu lượng khai thác cộng dồn theo thời gian....................................73

- 2ii-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 – Ví dụ mã hóa nhị phân......................................................................14
Bảng 2.2 – Ví dụ lai giống nhị phân....................................................................14
Bảng 2.3 – Ví dụ biến dị nhị phân........................................................................15
Bảng 2.4 – Ví dụ mã hóa nhị phân.......................................................................19
Bảng 2.5 – Ví dụ mã hóa hốn vị.........................................................................20
Bảng 2.6 – Ví dụ mã hóa giá trị ...........................................................................20
Bảng 2.7 – Ví dụ mã hóa dạng cây ......................................................................21
Bảng 4.1 – Kết quả khảo sát trên số lượng nơ ron của lớp ẩn...............................53
Bảng 4.2 – Kết quả khảo sát trên giải thuật huấn luyện mạng nơ ron ...................54
Bảng 4.3 – Kết quả khảo sát trên loại hàm kích hoạt của lớp ẩn...........................55
Bảng 4.4 – Kết quả khảo sát trên loại hàm kích hoạt của lớp xuất........................55

-iii1 -


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
WIG
WDG
NN
GA
DNA

– Weighted Incremental Gradient
– Weighted Decremental Gradient
– Neural Network
– Generic Algorithm
– Deoxyribonucleic acid

- 1iv-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA KHAI THÁC BẰNG
GASLIFT
1. Giới thiệu tổng quan về khai thác bằng gaslift
Khai thác bằng gaslift là phương pháp thường dùng ñể tăng lưu lượng khai
thác của giếng bằng cách bơm khí nén vào trong cột chất lưu khai thác thơng
qua các van đặt dọc theo thân giếng. Khí bơm ép sẽ làm giảm tỷ trọng của cột
chất lưu khai thác, vì thế sẽ làm giảm cột thủy tĩnh và tăng lưu lượng khai
thác của giếng.

Việc tăng lưu lượng của giếng phụ thuộc nhiều vào lưu lượng khí gaslift bơm
ép vào trong giếng. Khi lưu lượng khí bơm ép tăng, tỷ trọng của cột chất lưu
sẽ giảm. Mặt khác, lưu lượng khí bơm ép tăng cũng làm tăng các tổn thất áp
suất do ma sát trong thân giếng mà ñiều này sẽ làm giảm sản lượng khai thác.
ðối với các giếng đơn, sẽ có một giá trị lưu lượng khí bơm ép tối ưu mà tại
đó lưu lượng khai thác của giếng đạt mức tối đa, như trong hình dưới đây,
điểm tối ưu về lưu lượng khí bơm ép là ñiểm A.

-1-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

Hình 1.1 – Biểu đồ ñường cong quan hệ giữa lưu lượng khí bơm ép và lưu
lượng dầu khai thác

Trong thực tế, ta không thường ñạt ñến ñiểm A bởi vì các lý do chi phí của
việc bơm ép khí gaslift, như là chi phí về máy nén. Do đó, chi phí của một
đơn vị khí gaslift bơm ép vào trong giếng cần phải được cân bằng với giá trị
của một lượng dầu ñược khai thác thêm. Từ đó hình thành nên “gradient kinh
tế tối thiểu” của lưu lượng dầu theo lưu lượng khí bơm ép. Tại ñiểm này, giá
trị của của lượng dầu khai thác thêm được phải bằng với chi phí của lượng
khí bơm ép cung cấp thêm. Do đó trong thực tế, lưu lượng khí gaslift bơm ép
tối ưu thường nhỏ hơn giá trị cực đại của hàm như hình trên. Thơng thường,

-2-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

điểm “gradient kinh tế tối thiểu” nằm thấp hơn so với điểm A, ví dụ như
điểm B trong hình.
Hiện tại, có một số phương pháp tính tốn dùng để tối ưu lưu lượng khí bơm
ép, nhưng trong phần này tác giả chỉ tập trung ñề cập đến phương pháp thơng
dụng nhất là phương pháp dùng gradient tăng/giảm trọng số (Weighted
Incremental Gradient – WIG và Weighted Decreamental Gradient – WDG).
2. Tối ưu hóa giếng đơn

Hình 1.2 – Tối ưu hóa lưu lượng bơm ép cho giếng ñơn

-3-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

ðể tính tốn giá trị bơm ép khi tối ưu cho các giếng ñơn, trước tiên ta chia

lưu lượng khi bơm thành các khoảng có cùng giá trị. Thông thường, người ta
chia thành các khoảng rộng bằng 5% giá trị tối đa của khí gaslift bơm ép vào
trong giếng. Khoảng chia nhỏ hơn chỉ nhằm mục đích tìm được giá trị chính
xác hơn khi đã ñến gần giá trị tối ưu.
Tiếp theo, ảnh hưởng của việc tăng / giảm lưu lượng khí bơm ép vào trong
giếng ñối với việc tăng lưu lượng dầu khai thác sẽ được kiểm tra để tìm được
giá trị lưu lượng khí bơm ép tối ưu của giếng. Những ảnh hưởng này được
tính tốn bằng giá trị gradient tăng / giảm trọng số. Gradient tăng trọng số
WIG là khoảng tăng của lưu lượng dầu khai thác ứng với lưu lượng khí bơm
ép ñược ñưa vào thêm, nhân với hệ số trọng số của giếng, chia cho kích
thước khoảng tăng khí gaslift bơm ép. Trong khi đó gradient giảm trọng số
WDG là khoảng giảm của lưu lượng dầu khi giảm bớt lưu lượng khí bơm ép,
nhân với trọng số của giếng, và chia cho kích thước của khoảng tăng lưu
lượng khí bơm ép. Trọng số của giếng (mặc ñịnh là 1.0 nếu khơng được gán
giá trị) là một con số tham chiếu của mỗi giếng. Khi cả hai giếng ñều cho
cùng một mức tăng lưu lượng dầu khai với với cùng một khoảng tăng của lưu
lượng khí bơm ép, giếng có giá trị trọng số cao hơn sẽ có WIG cao hơn, và vì
thế có nhiều cơ hội nhận được thêm khí bơm ép vào trong giếng hơn.
Do đó để tối ưu hóa lưu lượng khí gaslift bơm ép cho từng giếng ñơn, ta
thường tiếp tục ñưa thêm lượng khí vào giếng cho ñến khi giá trị WIG vượt
quá gradient kinh tế tối thiểu.

-4-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

3. Tối ưu hóa nhóm giếng

Hình 1.3 – Tối ưu hóa lưu lượng khai thác cho cụm giếng

ðối với một nhóm giếng, sẽ có ràng buộc về lưu lượng khai thác và / hoặc
giới hạn về lưu lượng khí gaslift cung cấp. Khi tối ưu hóa, ta cần phải xác
định nên tăng hay giảm lượng khí của từng giếng và phân bố lượng khí bơm
ép vào các giếng sao cho thu ñược lưu lượng dầu nhiều nhất.
Quy trình tối ưu hóa trước tiên sẽ cập nhật sự phân bố của khí gaslift vào
trong nhóm giếng, sau đó loại bỏ các khoảng bơm ép dư trong từng giếng.
Các khoảng tăng lưu lượng khí bơm ép hiện tại sẽ ñược phân bố lại bằng
cách so sánh WIG cao nhất với WDG thấp nhất của các giếng. Nếu giá trị

-5-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

WIG lớn nhất của giếng W1 lớn hơn giá trị WDG nhỏ nhất của giếng W2, thì
ta sẽ giảm bớt lượng tăng khí bơm ép vào trong giếng W2 và đưa lượng khí
này vào trong giếng W1. Sau khi trao ñổi, gradient tăng và giảm của giếng
W1 và giếng W2 được tính tốn lại. Việc trao đổi sẽ tiếp tục cho đến khi
khơng có WID nào vượt quá WDG, và tất cả lượng khí gaslift bơm ép dư sẽ
được loại bỏ ra khỏi nhóm giếng. Nhóm giếng sẽ cịn lượng khí bơm ép dư
nếu nó vượt quá các giới hạn lưu lượng dầu khai thác hoặc lưu lượng khí
gaslift bơm ép, hoặc cịn một giếng nào đó có WDG nhỏ hơn gradient kinh tế
tối thiểu. Lượng tăng của khí bơm ép được loại bỏ lần lượt ra khỏi giếng
đang có giá trị WDG nhỏ nhất, cho đến khi khơng có khí bơm ép dư thừa
trong nhóm giếng.
Giai đoạn cuối cùng của q trình tối ưu là sẽ tìm xem lượng tăng của khí
gaslift bơm ép có thể có lợi ở một nơi nào đó trong nhóm giếng. Ta sẽ tìm
xem giếng nào có giá trị WIG lớn nhất nhưng chưa vượt quá giới hạn khả
năng cung cấp khí bơm ép của nó. Nếu WIG của giếng vượt quá gradient
kinh tế tối thiểu, nó sẽ nhận thêm một khoảng tăng của khí bơm ép. Q trình

sẽ được lặp lại cho đến khi khơng có giếng nào có thể thu được lợi nhuận khi
tăng lượng khí gaslift bơm ép (lưu lượng dầu khai thác có thể tăng nhưng
khơng đủ bù chi phí của khí gaslift bơm ép).

-6-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

4. Tối ưu hóa trong một mạng lưới khai thác

Hình 1.4 – Tối ưu hóa lưu lượng bơm ép cho mạng lưới giếng

-7-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

Bài tốn sẽ trở nên phức tạp hơn rất nhiều khi một nhóm giếng nằm trong
một mạng lưới khai thác, với một hệ thống thu gom trên bề mặt kết nối các
giếng lại với nhau ở vị trí đầu giếng. Áp suất đầu giếng được giới hạn bởi áp
suất nghịch (back pressure), giá trị áp suất này sẽ tăng khi lưu lượng khai
thác của nhóm giếng tăng. Một khoảng tăng của khí bơm ép vào trong một
giếng cụ thể có thể gia tăng lưu lượng khai thác dầu của giếng đó. Nhưng
đồng thời cũng làm tăng giá trị áp suất ñầu giếng của các giếng khác trong
nhóm và làm giảm lưu lượng khai thác của các giếng này, vì thế sẽ làm giảm
đi ích lợi của lượng khí gaslift vừa mới đưa vào. Nếu lượng khí gaslift chảy
cùng với dịng dầu khai thác, thì với một lượng tăng của khí gaslift vào trong
giếng cũng đồng thời làm tăng tổn thất áp suất do ma sát và có thể làm giảm
lưu lượng dầu khai thác của bản thân giếng đó.

Quy trình tối ưu hóa của nhóm giếng ñược áp dụng lại cho mạng lưới giếng.
Thêm vào đó, bất cứ một lượng khí gaslift nào được thêm vào hoặc bỏ ra, các
giá trị WIG và WDG của tất cả các giếng trong mạng lưới phải được tính
tốn lại. ðó là vì sự thay đổi lưu lượng khai thác của một giếng sẽ ảnh hưởng
ñến giới hạn áp suất đầu giếng, do đó sẽ làm ảnh hưởng đến lưu lượng khai
thác của các giếng còn lại trong mạng lưới. Hơn thế nữa, mỗi lần các giá trị
WIG và WDG được tính tốn, cả mạng lưới phải được cân bằng lại với lưu
lượng khí gaslift bơm ép hợp lý ñể có thể phù hợp với sự thay ñổi của lưu
lượng dầu khai thác trong mạng lưới. Do đó, thời gian tính tốn của sẽ gia
tăng một cách nhanh chóng theo giá trị bình phương của số lượng giếng trong
mạng lưới nhân với số lần lưu lượng khí gaslift tăng hoặc giảm. ðiều này sẽ
làm cho công tác tối ưu hóa trở nên rất chậm nếu trong mạng lưới có quá
nhiều giếng. Kích thước của khoảng chia cũng rất quan trọng, nếu khoảng
chia nhỏ sẽ làm chậm q trình tính tốn, bởi vì càng có nhiều khoảng tăng
cần phải được thêm vào hoặc loại ra. Hơn thế nữa, kích thước khoảng tăng

-8-


Chương 1 : Tổng quan về tối ưu hóa khai thác bằng bơm ép khí gaslift

nhỏ có thể làm cho việc tính tốn các giá trị của WIG và WDG nếu sự thay
đổi của lưu lượng dịng chảy đủ nhỏ gây ảnh hưởng khơng tốt đến sai số cho
phép trong quá trình giải lặp cân bằng mạng lưới.
Tuy nhiên, quá trình tính tốn tối ưu này cịn phụ thuộc rất nhiều vào các
đường cong quan hệ giữa lưu lượng khí gaslift bơm ép và lưu lượng dầu khai
thác của từng giếng. Trong khi đó việc xây dựng các bộ đường cong này rất
khó khăn, cần phải tổng hợp nhiều nguồn số liệu như q trình thử giếng, các
tính tốn về hoạt ñộng của các van gaslift… Các bộ ñường cong ñược xây
dựng trên tập hợp các ñiểm rời rạc, do đó các lời giải thơng thường được tính

tốn từ phương pháp nội suy. Hơn thế nữa, các bộ ñường cong chỉ mang tính
chất nhất thời trong một khoảng thời gian nhất định và khơng mang tính đại
diện cho hoạt động của giếng trong khoảng thời gian dài. Kết quả tối ưu bằng
phương pháp này cịn mang nhiều tính cục bộ.
Từ các hạn chế đó mà tác giả đề nghị một giải pháp hồn chỉnh hơn trong q
trình tối ưu hóa mạng lưới khai thác với sự kết hợp của giải thuật di truyền và
mạng nơ ron nhân tạo. Trong đó, mạng nơ ron nhân tạo sẽ học biểu hiện khai
thác của cả mạng lưới trong khoảng thời gian khảo sát ñể ñưa ra mối quan hệ
giữa các thông tin nhập và xuất. Cịn giải thuật di truyền sẽ là cơng cụ tối ưu
hóa với khả năng tối ưu hóa tồn cục trên khơng gian tìm kiếm của bài tốn.

Trong phần tiếp theo, tác giả sẽ giới thiệu sơ nét về thuật giải di truyền, các
ñặc ñiểm cần lưu ý khi sử dụng cũng như đề nghị về các thơng số của thuật
giải trong quá trình sử dụng.

-9-


Chương 2 : Giải thuật di truyền

CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
5. Giới thiệu
Giải thuật di truyền là một phần của tính tốn tiến hóa, là một lĩnh vực phát
triển rất nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo. Giải thuật di truyền ñược bắt
nguồn từ lý thuyết của Darwin về sự tiến hóa.
Ý tưởng của tính tốn tiến hóa được giới thiệu vào thập niên 60 bởi I.
Rechenberg trong quyển “Các chiến thuật tiến hóa” (nguyên bản là
“Evolutionsstrategie”). Ý tưởng của ơng sau đó được các nhà nghiên cứu
khác phát triển tiếp. Giải thuật di truyền (GA) ñược phát minh bởi John
Holland và được phát triển bởi chính ơng, các học viên và đồng nghiệp. Sau

đó được viết thành cuốn “Adaption in Natural and Artificial Systems” xuất
bản năm 1975.
Vào năm 1992, John Koza dùng giải thuật di truyền ñể tiến hóa các chương
trình nhằm mục đích thực hiện một số nhiệm vụ nhất định. Ơng gọi nó là “lập
trình di truyền” (Generic Programming – GP). Các chương trình LISP được
sử dụng bởi vì lập trình bằng ngơn ngữ này có thể biểu diễn dưới dạng “cây
ngữ pháp” (parse tree), mà nó sẽ là đối tượng để GA làm việc.

6. Cơ sở sinh học
Nhiễm sắc thể
Tất cả các thực thể sinh học ñều cấu thành từ các tế bào. Trong mỗi tế bào
là một bộ các nhiễm sắc thể giống nhau. Các nhiễm sắc thể là các chuỗi
của DNA và hoạt động như là một mơ hình của tồn bộ thực thể sinh học.
Một nhiễm sắc thể bao gồm nhiều gene, những khối DNA. Mỗi gene mã
hóa một loại protein đặc trưng. Có thể nói một cách đơn giản là mỗi loại
gene mã hóa một đặc điểm của thực thể sinh học, ví dụ như màu của mắt.

- 10 -


Chương 2 : Giải thuật di truyền

Các khả năng có thể xuất hiện của một ñặc ñiểm (màu xanh, màu nâu…)
được gọi là các alleles. Mỗi gene có một vị trí của riêng nó trong nhiễm
sắc thể. Vị trí này ñược gọi là “locus”.
Một bộ hoàn chỉnh của vật liệu di truyền (tất cả các nhiễm sắc thể) ñược
gọi là genome. Một bộ ñặc trưng của các gene trong genome ñược gọi là
kiểu di truyền (genotype). Kiểu di truyền ñược phát triển ở thế hệ sau dựa
trên phenotype của thực thể sinh học, các ñặc ñiểm vật lý và tinh thần,
như là màu mắt, sự thơng minh…

Sinh sản
Trong q trình sinh sản, sẽ xuất hiện tái tổ hợp (hoặc lai giống). Các
gene từ bố mẹ sẽ kết hợp lại theo những cách khác nhau để hình thành
nên một nhiễm sắc thể hồn tồn mới. Thế hệ vừa mới được tạo thành sau
đó có thể được đột biến, các phần tử của DNA sẽ được thay đổi một ít.
Những thay đổi này chủ yếu do sự phát sinh lỗi trong quá trình sao chép
gene từ bố mẹ.
Mức độ thích nghi của một thực thể sinh học được tính tốn dựa trên sự
thành cơng của nó trong cuộc sống.
7. Khơng gian tìm kiếm
Nếu đang giải các bài tốn, chúng ta thường tìm các lời giải tốt nhất trong các
lời giải khác. Không gian của các lời giải khả dĩ (nó có nghĩa là các mục tiêu
giữa các lời giải mong muốn) ñược gọi là khơng gian tìm kiếm (cũng là
khơng gian phát biểu). Mỗi điểm trong khơng gian tìm kiếm đại diện cho một
lời giải chấp nhận. Mỗi lời giải chấp nhận ñược có thể ñược “ñánh dấu” bằng
giá trị hoặc ñộ phù hợp của nó cho bài tốn. Ta tìm lời giải của mình, là một
(hoặc nhiều) điểm giữa các lời giải chấp nhận được, là một điểm trong khơng
gian tìm kiếm.

- 11 -