HBKU research to optimise oil exploration, extraction

Researchers at Hamad Bin Khalifa University (HBKU) are currently developing a reservoir simulator that aims to optimise the oil exploration and extraction process, and tailor it to the specific geological and physical characteristics of oil and gas fields in Qatar.

Dr Ahmad Sami Abushaikha, assistant professor at HBKU’s College of Science and Engineering’S (CSE) Sustainability Division, is spearheading the initiative through a research grant awarded by Qatar National Research Fund (QNRF)’s National Priorities Research Program (NPRP) in June 2018.

The programme aims to build human capital in Qatar by funding research that is able to positively impact the nation, region and world.

As a recipient of Cycle 10 of QNRF’s flagship funding programme, Dr. Abushaikha and team members from Delft University and Stanford University are conducting research to develop a state-of-the-art reservoir simulator model that accurately mimics fluid flow at the subsurface level.

“The majority of hydrocarbons are stored deep beneath the earth’s surface, and we don’t really have accurate knowledge of what is exactly going on down there,” said Dr Abushaikha.

“One way for us to predict how to extract oil, or to develop an optimum production strategy, is to develop a model with the accurate physics and material properties that would mimic the accurate flow of hydrocarbons at the highly heterogonous subsurface” he explained.

“Our goal is to develop a Qatari reservoir simulator to model these physical phenomena and work with the oil and gas industry in Qatar. One of our end-users is North Oil, who manages the Al Shaheen oil field where approximately 400,000 barrels are produced per day, accounting for 60 to 80% of Qatar’s oil production.”

Dr Abushaikha and his team set about working on a reservoir simulator, using software, physics and advanced numerical schemes to predict the flow more accurately than the industry is currently able to.

Although all oil companies employ reservoir simulators, the one being developed by Dr Abushaikha has a significant number of features that differentiates it from existing models. When completed, the simulator will run thousands of scenarios to ascertain an optimum strategy, to achieve a steady and desired output.

“The software will have advanced discretisation schemes coupled with geo-chemical and geo-mechanical modelling specifically designed for the carbonate nature of Qatar’s hydrocarbon reservoirs,” says Dr Abushaikha.

“Existing simulators lack these capabilities that enable us to predict what would happen during an enhanced recovery process; for example, and how an injected fluid reacts and effects the carbonate rock formations and properties. This simulator will be able to model these activities and many more through various reservoir characterisation scenarios such as fractured reservoirs and highly complex domains.

“One of the most important advantages of our simulator is the capability to run in super-computers at Education City, so it will be able to do billions of calculation at high speeds to model precisely how oil can be extracted in these situations and determine the financial viability of exploration projects.”

The CSE assistant professor has completed the initial phase of testing, and development will move towards application in the coming months.

Much like other mineral-rich countries in the region, there is a shift in Qatar towards economic diversification, but Dr Abushaikha believes that reservoir simulators are key to an effective and economically viable production output even during this transition period.

“Reservoir simulators are the crown jewel of each and every oil company – they are your eyes at the subsurface reservoir. They are used to justify development strategies to shareholders, apply for bank leverage, and forecast production.”

When completed, the simulator will provide further evidence of the impact being made by specialists within Qatar’s research, development and innovation ecosystem.

“The project and many others are part of my research group at CSE-HBKU, QASR- Qatari Advanced Simulations for Reservoirs (www.qasr.qa), that are contributing towards a knowledge based economy for Qatar through research, development, innovation and building local capacity and talent.”

يعكف باحثون بجامعة حمد بن خليفة، حالياً، على تطوير نموذج محاكاة لخزانات النفط، من أجل تحسين عمليات التنقيب عن النفط واستخراجه، وتصميم تلك الخزانات بشكل يتوافق مع الخصائص الجيولوجية والفيزيائية المحددة لحقول النفط والغاز في قطر.

يقود الدكتور أحمد سامي أبو شيخة -الأستاذ المساعد بقسم الاستدامة في كلية العلوم والهندسة بجامعة حمد بن خليفة- المبادرة من خلال منحة بحثية قدَّمها برنامج الأولويات الوطنية للبحث العلمي، التابع للصندوق القطري لرعاية البحث العلمي، في يونيو الماضي.

ويهدف البرنامج إلى بناء القدرات البشرية في قطر، عبر تمويل الأبحاث القادرة على تحقيق تأثير إيجابي في دولة قطر، والمنطقة، والعالم على نطاق أوسع.

وبعد حصوله على منحة من الدورة العاشرة للبرنامج التمويلي الرائد -التابع للصندوق القطري لرعاية البحث العلمي- يعكف الدكتور أبو شيخة وأفراد فريقه من جامعتي دلفت وستانفورد، على إجراء بحث لتطوير نموذج محاكاة متقدم لخزانات النفط؛ يحاكي تدفق السوائل بشكل دقيق على المستوى تحت السطحي.

وقال الدكتور أبو شيخة: «تُخَزّن أغلبية الهيدروكربونات على عمق سحيق تحت سطح الأرض، ونحن لا نمتلك بالفعل معلومات دقيقة عما يحدث بالضبط هناك». وأضاف: «من بين الطرق التي تساعدنا على توقع كيفية استخراج النفط، أو وضع استراتيجية مثالية للإنتاج، تطوير نموذج باستخدام القياسات الفيزيائية الدقيقة، وخصائص المواد التي تحاكي التدفق الدقيق للهيدروكربونات تحت السطح غير المتجانس للغاية».

وتابع الدكتور أبو شيخة: «يتمثل هدفنا في تطوير نموذج محاكاة قطري لخزانات النفط، من أجل وضع نموذج لتلك النظريات الفيزيائية، والعمل في صناعة النفط والغاز بدولة قطر، ومن بين مستخدمينا النهائيين شركة نورث أويل، التي تدير حقل الشاهين للنفط، حيث يجري إنتاج 400 ألف برميل يومياً تقريباً، وهو ما يمثل نسبة تتراوح ما بين 60-80 % من إنتاج البلاد للنفط».

وقد بدأ الدكتور أبو شيخة وفريقه في العمل على نموذج محاكاة خزانات النفط باستخدام برنامج ومخططات فيزيائية ورقمية متقدمة لتوقع التدفق بشكل أكثر دقة، مقارنة بقدرات صناعة النفط حالياً.

ورغم أن جميع شركات النفط تستخدم نماذج محاكاة خزانات النفط، إلا أن النموذج الذي يطوره الدكتور أبو شيخة حالياً يتمتع بعدد كبير من المزايا التي تميزه عن النماذج الحالية. وسوف يتمكن هذا النموذج من إضافة مقاييس فيزيائية وخصائص مختلفة لسيناريوهات الأعمال، من أجل تعزيز استراتيجيات التطوير، والاحتفاظ بمستوى معين لعمليات استخراج النفط.

وقال أبو شيخة: «سوف يكون البرنامج مزوداً بمخططات متقدمة لاستخراج النفط؛ مقرونة بنموذج جيولوجي كيميائي، وآخر جيولوجي ميكانيكي، تم تصميمهما بشكل يتوافق مع طبيعة الكربونات في خزانات الهيدروكربونات بدولة قطر».

وأضاف: «تفتقر نماذج المحاكاة الحالية لتلك القدرات التي تمكننا من توقع ما سوف يحدث خلال عملية الاستخلاص المعززة على سبيل المثال، وكيفية تفاعل السائل المحقون وتأثيره على التكوينات الصخرية الكربونية وخصائصها، لافتاً إلى أنه سوف يتمكن نموذج المحاكاة المذكور من وضع نموذج لتلك الأنشطة، والعديد من الأنشطة الأخرى، من خلال سيناريوهات مختلفة، للتعرف على خصائص الخزانات، مثل الخزانات المتصدعة، والنطاقات المعقدة للغاية».

وأردف أبو شيخة: «من بين المميزات الأكثر أهمية لنموذج المحاكاة الذي طورناه، قدرته على العمل على الحاسبات الآلية العملاقة الموجودة في المدينة التعليمية، منوهاً بأنه سوف يتمكن النموذج من أداء مليارات العمليات الحسابية بسرعات عالية، لوضع نموذج لإمكانية استخراج النفط في تلك المؤسسات بشكل دقيق، وتحديد الجدوى المالية لمشاريع التنقيب عن النفط».

وأوضح أبو شيخة «أن نماذج محاكاة خزانات النفط هي درة التاج لجميع شركات النفط دون استثناء، فهي تُعد أعين تلك الشركات على خزانات النفط الموجودة تحت سطح الأرض، وتُستخدم هذه النماذج لتبرير الاستراتيجيات التنموية للمساهمين، والتقدم بطلب للحصول على دعم مصرفي، وتقدير الإنتاج».;