Published May 22, 2021
| Version v1
Publication
Open
A simulation model for dynamic behavior of directional sucker-rod pumping wells: implementation, analysis, and optimization
Description
Abstract Sucker-rod pumping wells can be either vertical or directional. Over time, research efforts on the functioning of vertical wells led to a well-established set of mathematical models and practical tools. When it comes to directional wells, however, no general agreement has been reached, and the topic remains in active discussion. This paper revisits, extends, implements and optimizes an overlooked model, initially devised in 1995, whose computational complexity resulted in long processing times that stymied its adoption. This model fully utilizes the 3D trajectory of the rod string, allowing for the use of two viscous friction models and proposing its own formulation for downhole boundary conditions. The resulting model can be used to efficiently simulate the dynamic behavior of directional sucker-rod pumping wells taking into account the fluid flow inside the rod-tubing annulus. We present and analyze a serial and a parallel software implementation of this CPU-intensive model based on an explicit finite-difference method. We also describe our contributions to the accuracy and performance of the original model and software implementation. A rough approximation shows that the proposed serial version is about 200 times faster than the legacy original code, if we were to run the latter in a modern processor. On top of that our parallel implementation achieved a 6.5 $$\times $$ × speedup over the serial version in a shared-memory system, making it a suitable tool for well design and optimization. The research contributes to the discussions on mathematical modeling of directional sucker-rod pumping wells, and illustrates how performance-focused techniques can enable the effective use of computationally demanding models to facilitate further refinements and applications.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يمكن أن تكون آبار الضخ التجريدية إما عمودية أو اتجاهية. مع مرور الوقت، أدت الجهود البحثية حول عمل الآبار الرأسية إلى مجموعة راسخة من النماذج الرياضية والأدوات العملية. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالآبار الاتجاهية، لم يتم التوصل إلى اتفاق عام، ولا يزال الموضوع قيد المناقشة النشطة. تعيد هذه الورقة النظر في نموذج تم تجاهله وتمديده وتنفيذه وتحسينه، تم ابتكاره في البداية في عام 1995، والذي أدى تعقيده الحسابي إلى أوقات معالجة طويلة أحبطت اعتماده. يستخدم هذا النموذج بشكل كامل المسار ثلاثي الأبعاد لسلسلة أنابيب القضيب، مما يسمح باستخدام نموذجين للاحتكاك اللزج ويقترح صيغته الخاصة لظروف حدود قاع البئر. يمكن استخدام النموذج الناتج لمحاكاة السلوك الديناميكي لآبار ضخ قضيب المص الاتجاهي بكفاءة مع مراعاة تدفق المائع داخل الحيز الحلقي لأنابيب القضيب. نقدم ونحلل تنفيذًا تسلسليًا وبرنامجًا موازيًا لهذا النموذج المكثف لوحدة المعالجة المركزية استنادًا إلى طريقة الفرق المحدود الصريحة. كما نوضح مساهماتنا في دقة وأداء النموذج الأصلي وتنفيذ البرامج. يُظهر التقريب التقريبي أن النسخة التسلسلية المقترحة أسرع بحوالي 200 مرة من الشفرة الأصلية القديمة، إذا أردنا تشغيل الأخيرة في معالج حديث. علاوة على ذلك، حقق تنفيذنا المتوازي تسريعًا بقيمة 6.5 $$\ times $$ × على الإصدار التسلسلي في نظام ذاكرة مشتركة، مما يجعله أداة مناسبة لتصميم الآبار وتحسينها. يساهم البحث في المناقشات حول النمذجة الرياضية لآبار الضخ ذات القضبان الماصة الاتجاهية، ويوضح كيف يمكن للتقنيات التي تركز على الأداء أن تمكن من الاستخدام الفعال للنماذج المتطلبة حسابيًا لتسهيل المزيد من التحسينات والتطبيقات.Translated Description (French)
Résumé Les puits de pompage à tige aspirante peuvent être verticaux ou directionnels. Au fil du temps, les efforts de recherche sur le fonctionnement des puits verticaux ont conduit à un ensemble bien établi de modèles mathématiques et d'outils pratiques. En ce qui concerne les puits directionnels, cependant, aucun accord général n'a été conclu et le sujet reste en discussion active. Cet article revisite, étend, met en œuvre et optimise un modèle négligé, initialement conçu en 1995, dont la complexité de calcul a entraîné de longs délais de traitement qui ont empêché son adoption. Ce modèle utilise pleinement la trajectoire 3D du train de tiges, permettant l'utilisation de deux modèles de frottement visqueux et proposant sa propre formulation pour les conditions limites de fond de puits. Le modèle résultant peut être utilisé pour simuler efficacement le comportement dynamique des puits de pompage directionnels à tige aspirante en tenant compte de l'écoulement du fluide à l'intérieur de l'anneau du tube à tige. Nous présentons et analysons une implémentation logicielle série et parallèle de ce modèle gourmand en CPU basée sur une méthode explicite de différence finie. Nous décrivons également nos contributions à la précision et à la performance du modèle et de la mise en œuvre du logiciel d'origine. Une approximation approximative montre que la version série proposée est environ 200 fois plus rapide que le code original hérité, si nous devions exécuter ce dernier dans un processeur moderne. En plus de cela, notre implémentation parallèle a atteint une accélération de 6,5 $$\times $$ × par rapport à la version série dans un système à mémoire partagée, ce qui en fait un outil approprié pour la conception et l'optimisation des puits. La recherche contribue aux discussions sur la modélisation mathématique des puits de pompage directionnels à tige aspirante et illustre comment les techniques axées sur la performance peuvent permettre l'utilisation efficace de modèles exigeants sur le plan informatique pour faciliter d'autres raffinements et applications.Translated Description (Spanish)
Los pozos de bombeo de varillas de succión pueden ser verticales o direccionales. Con el tiempo, los esfuerzos de investigación sobre el funcionamiento de los pozos verticales condujeron a un conjunto bien establecido de modelos matemáticos y herramientas prácticas. Sin embargo, cuando se trata de pozos direccionales, no se ha llegado a un acuerdo general y el tema permanece en discusión activa. Este documento revisa, amplía, implementa y optimiza un modelo pasado por alto, ideado inicialmente en 1995, cuya complejidad computacional resultó en largos tiempos de procesamiento que obstaculizaron su adopción. Este modelo utiliza completamente la trayectoria 3D de la sarta de varillas, lo que permite el uso de dos modelos de fricción viscosa y propone su propia formulación para las condiciones del límite del fondo del pozo. El modelo resultante se puede utilizar para simular de manera eficiente el comportamiento dinámico de los pozos de bombeo direccionales de varilla ventosa teniendo en cuenta el flujo de fluido dentro del anillo del tubo de varilla. Presentamos y analizamos una implementación de software en serie y en paralelo de este modelo intensivo en CPU basado en un método explícito de diferencia finita. También describimos nuestras contribuciones a la precisión y el rendimiento del modelo original y la implementación del software. Una aproximación aproximada muestra que la versión serie propuesta es aproximadamente 200 veces más rápida que el código original heredado, si tuviéramos que ejecutar este último en un procesador moderno. Además de eso, nuestra implementación paralela logró una aceleración de 6.5 $$\times $ $ × sobre la versión en serie en un sistema de memoria compartida, lo que la convierte en una herramienta adecuada para el diseño y la optimización de pozos. La investigación contribuye a las discusiones sobre el modelado matemático de los pozos de bombeo direccional de varillas de succión e ilustra cómo las técnicas centradas en el rendimiento pueden permitir el uso efectivo de modelos computacionalmente exigentes para facilitar mayores refinamientos y aplicaciones.Files
s13202-021-01161-x.pdf.pdf
Files
(2.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:05aec451df7064ec29be4f95f1cf4957
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج محاكاة للسلوك الديناميكي لآبار الضخ ذات قضيب المصاص الاتجاهي: التنفيذ والتحليل والتحسين
- Translated title (French)
- Un modèle de simulation pour le comportement dynamique des puits de pompage directionnels à tige aspirante : mise en œuvre, analyse et optimisation
- Translated title (Spanish)
- Un modelo de simulación para el comportamiento dinámico de pozos de bombeo direccional con varilla de succión: implementación, análisis y optimización
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3168197710
- DOI
- 10.1007/s13202-021-01161-x
References
- https://openalex.org/W1970251036
- https://openalex.org/W1980890754
- https://openalex.org/W1996168036
- https://openalex.org/W2026345928
- https://openalex.org/W2034786700
- https://openalex.org/W2035097163
- https://openalex.org/W2039829237
- https://openalex.org/W2057693098
- https://openalex.org/W2059289941
- https://openalex.org/W2062802743
- https://openalex.org/W2064943313
- https://openalex.org/W2069339319
- https://openalex.org/W2074675418
- https://openalex.org/W2082702112
- https://openalex.org/W2110201230
- https://openalex.org/W2263473007
- https://openalex.org/W2515305754
- https://openalex.org/W2978323105
- https://openalex.org/W4210479051