| dc.description.abstract | Digitale løsninger og automatiserte prosesser revolusjonerer mange sektorer, inkludert olje- og gassindustrien. Siden 2016 har DSATS og SPE arrangert Drillbotics konkurransen for å engasjere studenter til å løse utfordringer innen boreautomatisering. I et tverrfaglig team oppfordres studentene til å finne løsninger på problemer som ikke er beskrevet i lærebøker. Hovedoppgaven er å designe, bygge og optimalisere en fullt autonom miniatyrborerigg som kan bore en avviksbrønn i en 30 x 60 x 60 cm steinprøve og treffe forhåndsbestemte punkter. Brønnbanen er begrenset av en maksimal inklinasjon på 30 grader og en asimut-endring på 15 grader.
Konkurransen består av to faser, hvor fase 1 ble gjennomført høsten 2021 ved innlevering av rapporten “Design Report NTNU – Drillbotics 2022 Phase I”. Videre er fase 2 en forlengelse av fase 1, hvor målet er å implementere og teste miniatyrboreriggen. Denne masteroppgaven dekker fase 2 av konkurransen og presenterer arbeidet utført av Henrik Helgeland, Mikaela Solberg og Luis Alvarez i løpet av vårsemesteret 2022.
Helse, miljø og sikkerhet har vært høyst prioritert gjennom hele prosjektet. Menneskelige faktorer har også vært et stort fokus for årets Drillbotics-konkurranse. Det er derfor gjennomført en grundig undersøkelse av disse temaene. Potensielle sikkerhetsfarer har blitt vurdert og det er iverksatt beskyttelsestiltak for å redusere risikoen for å sikre et trygt og sunt arbeidsmiljø. Lagets situasjonsforståelse er forbedret gjennom opplæring og rolletildeling. Tilsvarende har bow tie diagrammer blitt studert og brukt for å identifisere farlige hendelser og implementere forebyggings- og gjenopprettingsbarrierer for prosjektet.
Miniatyrboreriggen består av flere sammenkoblede systemer. Heisesystemet bruker en heisemotor for å gi vertikal forskyvning av boresystemet. Som et resultat blir vekten på borekronen overført gjennom et aluminiumsborerør. Boresystemet overfører dreiemoment fra top drive motoren, langs en titanium stang og videre til borekronen. Fire forbedrede borekroner er designet og produsert for å optimalisere boreytelsen. I tillegg er det anskaffet en ny drill chuck for å forbedre grepet på titanium stangen.
Asimutsystemet orienterer nedihullskonfigurasjonen (BHA) ved å påføre dreiemoment på borerøret. Dette gjør at miniatyrriggen kan generere en asimut-endring. Den nødvendige inklinasjonen er derimot bygget ved hjelp av en bøyd sub som er integrert i BHA. Sirkulasjonssystemet er et semi-lukket system som sikrer tilstrekkelig hullrensing og kjøling av borekronen. Det har blitt designet og implementert en diverter for å hindre at borekaks samler seg på laboratoriegulvet. Dette har eliminert potensielle farer knyttet til glatte overflater og håndtering av giftige kjemikalier.
Et tidligere utviklet kontrollsystem i Matlab og Simulink har blitt ytterligere utivklet og forbedret for å øke den generelle ytelsen til boreriggen. Et grafisk brukergrensesnitt gjør det mulig for operatøren å kontrollere riggen i enten manuell eller autonom modus. Et integrert sensorkort i BHA gir sanntidsmålinger for å forutsi posisjon og orientering nede i brønnen. NMPC kontroll brukes til å styre borekronen mot en forhåndsgenerert brønnbanereferanse som er basert på en ny brønnplanleggingsmetode kalt Dubins kurver. Basert på forhåndsbestemte koordinater sikrer en 3D Dubins-kurve den korteste brønnbanen med en krumningsbegrensning bestemt av den bøyde suben.
Totalt er 62 brønner ferdigstilt gjennom prosjektet. Disse er boret med formål å teste materialene som brukes, analysere borekronene, optimalisere boreparametrene og verifisere den faktisk boret brønnbanen. Resultatene indikerer at systemet er mekanisk robust, har utmerket boreeffektivitet og tilstrekkelig retningskontroll for å nå de ulike punktene i steinprøven. En virtuell demonstrasjon av riggen ble holdt på en BRU21-konferanse i Trondheim. Dette tillot laget å utføre en testboring under konkurranseforhold. Boringen var vellykket og riggen ser ut til å være godt optimalisert for Drillbotics konkurransen den 16. juni 2022. Merk at resultatene fra selve konkurransen ikke er inkludert i denne avhandlingen fordi innleveringsfristen er før selve konkurransedatoen. | |
| dc.description.abstract | Digital solutions and automated processes are revolutionizing many sectors, including the oil and gas industry. Since 2016, DSATS and SPE have arranged the Drillbotics competition to engage students to solve challenges within drilling automation. In a multidisciplinary team, students are encouraged to find solutions to problems that are not described in textbooks. The main task is to design, build and optimize a fully autonomous miniature drilling rig that can drill a directional well in a 30 x 60 x 60 cm rock sample and hit specified targets. The well path is constrained by a maximum inclination of 30 degrees and an azimuth change of 15 degrees.
The competition consists of two phases, where phase I was conducted in the fall of 2021 through submission of the report “Design Report NTNU – Drillbotics 2022 Phase I”. Furthermore, phase II is an extension of phase I, where the objective is to implement and test the miniature drilling rig. This master's thesis covers phase II of the competition and presents the work carried out by Henrik Helgeland, Mikaela Solberg and Luis Alvarez during the spring semester of 2022.
HSE has been prioritized throughout the project. Human factors has also been a major focal point towards this year's Drillbotics competition. A thorough study on these topics has therefore been conducted. Potential safety hazards have been assessed and protective measures for mitigation have been taken to ensure a safe and healthy work environment. The team's situational awareness has been improved through training and role assignment. Similarly, bow tie diagrams have been studied and applied to identify major hazardous events and implement prevention and recovery barriers for the project.
The miniature drilling rig consists of several interconnected systems. The hoisting system uses a hoisting motor to provide vertical displacement of the guide frame. As a result, weight on bit is transmitted through an aluminium drill pipe. The drilling system transfers torque from the top drive motor, along a titanium rod and to the drill bit. Four enhanced drill bits have been designed and manufactured to optimize the drilling performance. Additionally, a new drill chuck has been acquired to improve the grip of the rod.
The azimuth system orients the Bottom Hole Assembly (BHA) by applying torque to the drill pipe. This enables the miniature rig to generate an azimuth change. The required inclination is, on the other hand, built using a fixed bent sub that is integrated into the BHA. The circulation system is a semi-closed system that ensures sufficient hole cleaning and cooling of the drill bit. Recently, a diverter has been designed and implemented to prevent rock cuttings from accumulating on the laboratory floor. This has eliminated potential hazards related to slippery surfaces and handling of toxic chemicals.
A previously developed control system in Matlab and Simulink has been further advanced and improved to increase overall rig performance. The graphical user interface enables the operator to control the rig in either manual or fully autonomous mode. An integrated sensor card in the BHA provides real time measurements to predict the position and orientation downhole. The NMPC is used to steer the bit towards a pre-generated well trajectory reference that is based on a new novel trajectory planning method called Dubins Curves. Based on target inputs, a 3D Dubins Curve ensures the shortest well path with a curvature constraint determined by the bent sub.
A total of 62 wells have been completed throughout the project. These have been drilled with the objective to test the materials used, analyse the drill bits, optimize the drilling parameters and verify the actual drilled well trajectory. The results indicate that the system is mechanically robust, has excellent drilling efficiency and sufficient directional control to reach the different targets. A virtual demonstration of the rig was held at a BRU21 conference in Trondheim. This allowed the team to perform a test run under competition circumstances. The run was successful and the rig appears to be well tuned for the Drillbotics competition on the 16th of June 2022. Note that the results from the competition itself are not included in this thesis, as the submission deadline has expired before the competition date. | |
