• norsk
    • English
  • norsk 
    • norsk
    • English
  • Logg inn
Vis innførsel 
  •   Hjem
  • Fakultet for ingeniørvitenskap (IV)
  • Institutt for geovitenskap og petroleum
  • Vis innførsel
  •   Hjem
  • Fakultet for ingeniørvitenskap (IV)
  • Institutt for geovitenskap og petroleum
  • Vis innførsel
JavaScript is disabled for your browser. Some features of this site may not work without it.

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

Hånsnar, Gaute; Gjersdal, Benedicte; Skretting, Trygve Mikal Viga
Master thesis
Thumbnail
Åpne
no.ntnu:inspera:85047365:20889164.pdf (115.9Mb)
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2781634
Utgivelsesdato
2021
Metadata
Vis full innførsel
Samlinger
  • Institutt for geovitenskap og petroleum [2199]
Sammendrag
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.
 
Utgiver
NTNU

Kontakt oss | Gi tilbakemelding

Personvernerklæring
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Levert av  Unit
 

 

Bla i

Hele arkivetDelarkiv og samlingerUtgivelsesdatoForfattereTitlerEmneordDokumenttyperTidsskrifterDenne samlingenUtgivelsesdatoForfattereTitlerEmneordDokumenttyperTidsskrifter

Min side

Logg inn

Statistikk

Besøksstatistikk

Kontakt oss | Gi tilbakemelding

Personvernerklæring
DSpace software copyright © 2002-2019  DuraSpace

Levert av  Unit