Implementation of a Miniature Autonomous Directional Drilling Rig With Nonlinear Model Predictive Trajectory Control

Abstract

Petroleumsindustrien har interesse av økt automasjon for å forbedre sikkerhet, redusere kostnader og øke effektivitet. Full-autonome boreoperasjoner kan forbedre sikkerhet ved å redusere antall mennesker i nærheten av farlig utstyr, samtidig som at kostnader reduseres og effektiviteten øker ved å eliminere boreoperatørens menneskelige begrensninger fra prosessen. En boreoperatør har begrensninger i form av evne til å behandle data, reaksjonstid, fokus, presisjon og langsiktig planlegging.

Konkurransen for borerigger i miniatyrskala Drillbotics arrangert av DSATS har som målsetning å øke digitalisering i petroleumsindustrien ved å utfordre studenter til å finne innovative løsninger på industrirelevante utfordringer. Utfordringen for konkurransen i 2020/2021 var å utvikle en full-autonom borerigg for å treffe et eller flere målpunkter i en steinprøve med opptil 30 grader helning og 15 grader rotasjonsavvik fra startpunktaksen. Studentlaget fra NTNU forsøkte å løse dette med å lage nedhullsutstyr (BHA) med en fastsatt bøyningsvinkel. Styringskonseptet var å justere rotasjonshastigheten til orienteringen av nedhullsutstyret over tid for å kontrollere den fremtidige brønnbanen. Ikke-lineær Modell Prediktiv Kontroll (NMPC) ble brukt da styring med fastsatt bøy krever langsiktig planlegging for å treffe målpunktene nøyaktig. Posisjon ble estimert fra forflytninger av hevesystemet og orienteringsestimat fra sensormålinger i nedhullsutstyret. Akselerometer og magnetometer målinger fra nedhullssensoren ble brukt for orienteringsestimat i lukket sløyfe. Det ble forsøkt å endre softwareplattform til Simulink. Endringen krevde en full ombygging av hele kontrollsystemet med hensikt i å kunne teste kontrollere i simulering.

Resultatene antyder at NMPC kan brukes for presisjonsstyring av fremtidig brønnbane for nedhullsutstyr med fastsatt bøy. Dette kan muligens erstatte bruken av mer komplekse styrbare bits (RSS) systemer for enkelte bruksområder i petroleumsindustrien og andre sektorer med behov for høypresisjon retningsstyrt boring. En fullverdig kontrollsystemimplementasjon ble utviklet i Simulink.

The petroleum industry has an interest in increased automation to improve safety, reduce costs, and improve efficiency. Fully autonomous drilling operations can improve safety by reducing the number of humans in line of dangerous equipment, while reducing cost and improving efficiency by addressing human operator shortcomings. Human drillers have limitations in term of data processing capabilities, reaction time, attention span, task execution precision, and long-term planning.

The miniature scale drilling rig competition Drillbotics hosted by DSATS aims to accelerate digitization by challenging student teams to find innovative solutions to industry problems. The challenge for the 2020/2021 competition was to design and implement a fully autonomous drilling rig capable of directional drilling to intersect one or multiple target points within a rock sample with up to 30-degree inclination and 15-degree azimuth adjustments from the starting point. The NTNU student team approached the challenge by creating a fixed bent sub Bottom Hole Assembly (BHA) with a directional steering concept of adjusting the orientation velocity of the BHA over time to control the future well path trajectory. Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) was tested as fixed bend directional steering required long term planning to intersect target points. Position was estimated from hoisting movement and an orientation estimate of the BHA. Downhole IMU measurements were used for closed-loop orientation estimates. An attempt at changing the control software system software environment to Simulink was made, requiring a complete control system redesign to allow fast paced prototyping of controllers in a simulated environment.

Results suggest that NMPC trajectory control is a viable option for 3-dimensional steering with a fixed bend sub BHA and can replace more complex Rotary Steerable System (RSS) for certain applications in the petroleum or other industries requiring high precision directional drilling. A complete redesign of the control system in Simulink was successfully implemented.