Joint Operation of Automatic Managed Pressure Drilling and HeaveLock™

Abstract

Utviklingen av teknologi for boreoperasjoner offshore har kommet en lang vei de siste årene, og fortsetter stadig å skyve grensene på det som definerer at en brønn er umulig å bore. Utviklingen drives av et konstant jag om å ville mere og det å utforske dypere hav. Dette har ført til at vi i dag har flytende borefartøy, som igjen har sørget for nye utfordringer, blant annet kritiske nedihulls trykkvariasjoner som følge av hivbevegelsen til et borefartøy utsatt for bølger. Et system kalt Managed Pressure Drilling (MPD) er utviklet for å regulere nedihulls trykk, og har vært en av de teknologiene som har vært med på å skyve grensene. Men, som denne avhandlingen vil vise, klarer ikke MPD å kompensere for hiv-induserte trykkvariasjoner. HeaveLock™, et nedihullsverktøy under utvikling av selskapet Heavelock AS, skal forsøke å eliminere dette problemet, og dermed muliggjøre boring til og med i tøffe værforhold. Selskapets ønske om å vite mere om hvordan samspillet mellom MPD og HeaveLock™ vil være ga opphav til arbeidet med denne avhandlingen. Både MPD-systemets styresystem og den opprinnelige regulatoren til HeaveLock™ krevde modifikasjon før det var mulig å studere samspillet mellom systemene. Denne avhandlingen viser utviklingen av en foreslått modifikasjon til MPD-systemet for å muliggjøre implementering på flytende borefartøy, i tillegg til modifikasjon av HeaveLock™ sin regulator for å eliminere drift. En reguleringsstrategi som benytter en såkalt "moving window"-algoritme på sanntidsdata vil også bli utviklet som et forslag til forbedring av HeaveLock™ sin opprinnelige strategi. En boresimulator blir benyttet til å studere ytelsen til de modifiserte systemene i tillegg til samspillet mellom de. Implementasjon av systemene i simulatoren er også en del av denne avhandlingen. Resultatene fra denne avhandlingen viser at HeaveLock™ og MPD fint kan operere sammen, med lite behov for koordinasjon mellom systemene.

Offshore drilling technology has come a long way in recent years and is continuously advancing and pushing the limits of what defines an undrillable well. The advancement is fueled by a constant desire of wanting more and to explore even deeper waters. So deep, in fact, that today, we have floating drilling rigs. Floating rigs have introduced new challenges, however, one of which being critical downhole pressure variations caused by the heaving motion of the rig being affected by waves. Managed Pressure Drilling (MPD), a system that is designed to control downhole pressure, has been one of the technologies pushing the limits. However, as is shown in the early part of this thesis, it does not manage to compensate for the heave-induced downhole pressure variations. HeaveLock™, a downhole tool under development by Heavelock AS, aims to eliminate the said problem, enabling drilling even in rough weather conditions. It was their wish to gain knowledge of the joint operation of MPD systems and HeaveLock™ that led to the work presented in this thesis. Both the MPD control system and the original HeaveLock™ controller was in need of modification before studies of joint operation could be conducted. This thesis shows the development of a proposed modification to allow the MPD system to be implemented on a floating drilling rig, as well as a suggested modification of HeaveLock™’s controller to eliminate drift. A control strategy making use of a moving window algorithm on live measurements is also developed to improve the controller. A drilling simulator is used to study the performance of both modified control systems as well as for joint operation. The implementation of the modified systems in the simulator is also part of this thesis. The results from this thesis show that, with the proposed modifications, the joint operation of MPD and HeaveLock™ should be feasible.