Design and Implementation of a Minitature Rig for Autonomous and Directional Drilling

Abstract

Denne avhandlingen presenterer arbeidet gjort av tre petroleumsstudenter og en kybernetikkstudent for å representere Norges Teknisk Naturvitenskapelig Universitet (NTNU) i den internasjonale borekonkurransen "Drillbotics". Petroleumsstudentene skrev denne avhandlingen som sin avsluttende masteroppgave for en mastergrad i Petroleumsteknologi ved NTNU. Den ble skrevet ved Institutt for Geovitenskap og Petroleum i perioden Januar til Juni 2021. Autonom boring er høyst relevant i dag fordi olje- og gassoperatører har et ønske om å redusere kostnader. Automatisering av boreoperasjoner kan derfor være et steg i rikitig retning.

Leseren er anbefalt å lese den innledende prosjektrapporten "Design Report NTNU - Drillbotics 2021 Phase I" skrevet av Benedicte Gjersdal, Gaute Hånsnar, Trygve Mikal Viga Skretting og Magnus Steinstø fra August til Desember 2020. Rapporten beskriver planleggingen og innledende arbeid relatert til første fase av konkurransen. Fase 1 rapporten var et spesialiseringsprosjekt i studentenes niende semster, og ble levert som "Phase I Design Report" til Drillbotics kommiteen i Desember 2020.

"Phase I Design Report" tar for seg bakgrunn og formålet med Drillbotics konkurransen, prosjektstrukturen innad i laget, sikkerhet og potensielle farer, teoretisk bakgrunn for retningsbestemt boring, kontrollere og filter i tillegg til begrensende parametere og usikkerheter. Den presenterer også det foreslåtte riggdesignet i detalj med det nye konseptet som erstatter nedihulls slammotor med en roterende aksling som overfører moment og rotasjon fra tårnboremaskinen til borekrona. Designet fra fase I av prosjektet ble implementert i den andre fasen av konkurransen. Denne fasen bydde på utfordringer relatert til vibrasjoner, torsjon og materialstyrke. Høye målinger og plutselige økninger i dreiemoment viste at rotasjonen fra tårnboremaskinen var for lav når vekten på borekrona økte. Høyere rotasjonsverdier reduserte vibrasjoner og la til grunn for høyere vekt på borekrona, som førte til høyere borerate uten å vri i stykker akslingen.

Kontrollsystemet ble utviklet i MATLAB og Simulink med to separate systemer; lavnivå- og høynivåsystem. Boreparametere som vekt på borekrona og azimut-rotasjonshastighet ble kontrollert av PID-kontrollere og filtrert med Kalman-filtere. Styringsmodellen er basert på en ikkelineær Modell Prediktiv Kontroller. Den kalkulerte brønnbanen er basert på Bezier-kurvemetoden for å lage en jevn og kontinuerlig brønnbane som treffer de ønskede punktene i steinen.

Laget har vært vellykket i å designe, bygge og implementere en funksjonell miniatyr borerigg for å bore retningsbeste brønner autonomt gjennom en steinprøve med forhåndsbestemte mål. Boreriggen kan bore rett frem eller med varierende inklinasjon og azimut. Begge boremetodene kan gjennomføres manuelt eller autonomt. 53 vellykkede avviksbrønner ble boret i løpet av prosjektet for å teste og stille inn riggsystemet for å møte kravene i konkurransen. På konkurransedagen boret riggen vellykket gjennom steinen på 23 minutter. Det maksimale potensialet til riggen ble demonstrert for Drillbotics kommiteen i en ekstra gjennomgang, der steinprøven med målene 60cm x 30 cm x 60 cm ble boret gjennom på seks minutter med en inklinasjon på 37 grader.