Physics-informed graph neural network for spatial-temporal production forecasting

可解释性 过度拟合 工作流程 计算机科学 人工神经网络 网格 图形 数据挖掘 参数统计 人工智能 机器学习 变形 理论计算机科学 数学 数据库 统计 几何学
作者
Wendi Liu,Michael J. Pyrcz
标识
DOI:10.1016/j.geoen.2023.211486
摘要

Production forecast based on historical data provides essential value for developing hydrocarbon resources. Classic history matching workflow is often computationally intense and geometry-dependent. Analytical data-driven models like decline curve analysis (DCA) and capacitance resistance models (CRM) provide a grid-free solution with a relatively simple model capable of integrating some degree of physics constraints. However, the analytical solution may ignore subsurface geometries and is appropriate only for specific flow regimes and otherwise may violate physics conditions resulting in degraded model prediction accuracy. Machine learning-based predictive model for time series provides non-parametric, assumption-free solutions for production forecasting, but are prone to model overfit due to training data sparsity; therefore may be accurate over short prediction time intervals. We propose a grid-free, physics-informed graph neural network (PI-GNN) for production forecasting. A customized graph convolution layer aggregates neighborhood information from historical data and has the flexibility to integrate domain expertise into the data-driven model. The proposed method relaxes the dependence on close-form solutions like CRM and honors the given physics-based constraints. Our proposed method is robust, with improved performance and model interpretability relative to the conventional CRM and GNN baseline without physics constraints.
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