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

This thesis presents the project work done by three petroleum engineering students and one cybernetics student representing Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in the international drilling competition “Drillbotics” arranged by DSATS. The petroleum students wrote this thesis as their final assignment in completing a Master’s Degree in Petroleum Engineering at NTNU. It is written at the Department of Geoscience and Petroleum (IGP) in the period from January to June 2021. Autonomous drilling is highly relevant today because oil and gas operators have a desire to reduce drilling costs. Automating drilling operations can be a step towards that goal.

The audience is advised to read the preliminary project report “Design Report NTNU - Drillbotics 2021 Phase I” written by Benedicte Gjersdal, Gaute Hånsnar, Trygve Mikal Viga Skretting and Magnus Steinstø from August to December 2020. The report covers the planning and preliminary work related to the competition’s first phase. The report was the specialization project in the student’s ninth semester and as the “Phase 1 Design Report” submitted to the Drillbotics committee in December 2020 [9]. The “Phase 1 Design Report” covers the background and purpose of the Drillbotics competition, the structure of the project team, safety and potential hazards, theoretical background for directional drilling, controllers, and filters in addition to design parameters limits, and uncertainties. It also presents the proposed rig design in detail with its new drilling concept leaving the Postive Displacement Motor (PDM) for a rod transmitting torque from a top drive motor through the drillpipe to rotate the drilling bit.

Entering the second phase of the competition, the miniature rig was built based on its proposed design from Phase I. Implementing the design introduced challenges related to vibrations, torsion and material strength. High torque readings and torque spikes proved the top drive Revolutions Per Minute (RPM) too low when increasing Weight On Bit (WOB). Greater RPM proved to drill with less vibration, enabling higher WOB and thus increasing Rate of Penetration (ROP), without twisting the rod. Titanium rod withstood the forces present and performed successfully on the competition day.

The control system was implemented in MATLAB and Simulink with a high and low-level system. Drilling parameters such as WOB and azimuth rotational velocity were controlled by a PID-controlled and filtered with extended Kalman filters. The model is based on non-linear Model Predictive Controller (MPC). The predicted well trajectory was based on the Bezier Curve method to create a smooth well path intersecting the desired targets in the rock.

The team has successfully designed, built, and implemented a functional miniature rig to autonomously drill deviated wells through a rock sample with preset targets. The rig can drill straight, with varying azimuth and varying inclination, and all these different operations can run both manually and autonomously. All that is required prior to drilling is to enter the targets into the control system. 53 deviated wells have been successfully drilled during the project for testing and tuning the rig systems to meet the objectives and requirements in the final competition run. On the day of the competition, the rig drilled successfully to targets in 23 minutes. The maximum potential of the rig was demonstrated to the Drillbotics committee in an extra run, drilling through the 60 cm x 30 cm x 60 cm (24 inches x 12 inches x 24 inches) rock in six minutes with an inclination of 37 degrees.