INFORMATION AND MANAGEMENT

Algorithms for optimizing gas injection modes to enhance oil recovery with constraints on reservoir water preservation and prevention of induced seismic impacts

Authors

  • Sergey S. Fedorov Moscow Institute of Modern Academic Education, 115184, Moscow, Bolshaya Tatarskaya street, 35, bldg. 3

How to cite

GOST Fedorov S. S. Algorithms for optimizing gas injection modes to enhance oil recovery with constraints on reservoir water preservation and prevention of induced seismic impacts // Environmental Management Issues. 2025. Vol. 4. No. 7. P. 52-61. DOI: 10.25726/s9668-3287-8462-z
APA Fedorov, S. S. (2025). Algorithms for optimizing gas injection modes to enhance oil recovery with constraints on reservoir water preservation and prevention of induced seismic impacts. Environmental Management Issues, 4(7), 52-61. https://doi.org/10.25726/s9668-3287-8462-z

Abstract

The study proposes an algorithmic framework for optimizing gas injection modes to enhance oil recovery of mature terrigenous fields while simultaneously satisfying two critical constraints: controlling water cut growth and preventing induced seismicity caused by excessive pore pressure near tectonic faults. Methodologically, the work relies on a full-scale digital twin of the reservoir (3D grid of 250×300×40 cells) integrating 3D seismic data, interpretation of well logs from 87 wells, PVT analysis, and a 15-year production history. Flow simulation is carried out using a compositional black oil model with careful calibration of relative phase permeabilities, and the geomechanical module is calibrated against microseismic data and well tests. The central element is a hybrid optimizer (genetic algorithm for global search combined with conjugate gradients using adjoint modeling for local refinement) that solves a multi-objective problem in the form of unconstrained optimization with two penalty terms for exceeding the water cut and critical pressure thresholds near faults. Ten-year verification showed that compared with the baseline project mode with constant injection volumes, the optimized strategy increases cumulative oil production by 8.19%, reduces total gas injection by 5.36%, decreases water production by 21.33%, and lowers average bottomhole injection pressure by 5.59%, indicating improved energy efficiency and sweep coverage. Geomechanical constraints are met: maximum pressures at control points near the fault remain below the seismic hazard threshold (34.5 MPa), while the baseline scenario exceeds it. Sensitivity analysis revealed a nonlinear trade-off: tightening the water cut limit from 70% to 40% reduces the final recovery factor from 0.418 to 0.375, while the specific gas factor is minimized around 50% due to thinner regimes. In terms of computational efficiency, the hybrid algorithm converges 39.5% faster than a pure genetic algorithm on a small model and provides acceptable computation times on a detailed grid for planning tasks; future developments include parallelization and proxy models to operate in near-real-time conditions.

Keywords

gas injection optimization oil recovery penalty functions induced seismicity digital twin

References

Афанасьев А.А. Исследование оптимальных режимов газового воздействия на нефтяные пласты с целью повышения нефтеотдачи и захоронения углекислого газа : НИР. Грант № 20-31-80009. Российский фонд фундаментальных исследований. 2020.

Байков И.Р., Смородова О.В., Ерилин И.С., Китаев С.В. Оптимизация гидравлических режимов промысловых нефтесборных трубопроводов // В книге: Трубопроводный транспорт 2018. Тезисы докладов XIII Международной учебно-практической конференции. 2018. С. 315-317.

Байкова Л.Р. Оптимизация режимов работы оборудования при выводе ряда нефтеперекачивающих станций из эксплуатации // В сборнике: Трубопроводный транспорт 2013. Материалы IX Международной учебно-практической конференции. 2013. С. 310-311.

Белоцерковский Д.Л., Белоцерковская Ю.С. Об одном теоретико-графовом алгоритме оптимизации модели рационального размещения скважин на залежах нефти и газа // В сборнике: Губкинский университет в решении вопросов нефтегазовой отрасли России. Сборник трудов. 2017. С. 168.

Бородкин К.В., Фалеев В.В., Болдырев А.И., Гунин В.И. Оптимизация гидродинамических и теплофизических параметров технологических систем ликвидации гидратно-ледяных пробок при восстановительном ремонте нефтяных скважин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2001. № 7-1. С. 38-43.

Булыгин Ю.А., Скорбенко И.В. Оптимизация перекачки нефти с высоким содержанием газа от месторождения до пункта первичной переработки // В сборнике: Гидравлические машины и системы транспортировки нефти и газа. Сборник научных трудов. Воронеж, 2015. С. 4-10.

Вирновский Г. Оптимизация разработки газокондесатных пластов с использованием методов теории управления // Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 2 (33). С. 84-87.

Вотчель В.А., Мокина Д.С., Колотыгина Н.Ю. Оптимизация выбора технологии проведения гидравлического разрыва в низкотемпературных газовых пластах // В сборнике: Научная территория: технологии и инновации. Материалы Международной научно-практической конференции. Тюмень, 2022. С. 123-126.

Гутенмахер Л.И., Требин Ф.А., Умрихин Н.Б. Решение некоторых задач оптимизации разработки нефтяных месторождений // Нефтяное хозяйство. 1970. № 9. С. 30-34.

Ермолаев А.И., Ибрагимов И.И. Моделирование и оптимизация разработки нефтяной оторочки при нагнетании в пласт воды и газа // Наука и техника в газовой промышленности. 2008. № 2 (33). С. 23-32.

Ермолаев А.И., Ахметзянов А.В., Гребенник О.С. Оптимизация и выбор систем разработки группы залежей нефтяных и газовых месторождений // Проблемы управления. 2010. № 6. С. 38-44.

Ермолаев А.И. Оптимизация разработки группы залежей углеводородов // Технологии нефти и газа. 2012. № 1 (78). С. 40-46.

Ермолаев С.А. Оптимизация сроков ввода кустов скважин на месторождениях природных углеводородов // Наука и технология углеводородов. 2003. № 2. С. 75-76.

Закиров Э.С., Закиров С.Н., Индрупский И.М., Аникеев Д.П. Регулирование разработки нефтяных и газовых месторождений // Актуальные проблемы нефти и газа. 2018. № 2 (21). С. 30.

Зотов Г.А., Пестриков А.К., Санжапов Б.Х. К вопросу оптимизации добычи и подготовки газа на месторождении // В сборнике: Повышение эффективности систем разработки месторождений природного газа. Москва, 1985. С. 113-119.

Issue

Section

INFORMATION AND MANAGEMENT
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.