DrillFeel - Haptic Feedback for Enhancing Drillers Situational Awareness

Abstract

Offshore drilling er en risikofylt operasjon med potensielt dødelige konsekvenser hvis et system svikter eller operatøren mister situasjonsbevisstheten og derfor gjør feil. Dagens løsninger for drilling og boring innebærer et økt antall skjermer som operatøren må overvåke til enhver tid. Dette er et resultat av den økende kunnskapen om målinger nede i brønnen. Med økende antall skjermer blir operatørens situasjonsbevissthet utfordret, da flere skjermer krever økt visuell kapasitet. DrillFeel presenterer og redgjør for en ny løsning for å holde operatøren oppdatert og for å forbedre situasjonsbevisstheten uten å øke det visuelle aspektet. DrillFeel fokuserer på bruk av haptisk tilbakemelding for å oversette målinger nede i brønnen til intuitive krefter på en joystick som operatøren kan føle og reagere på i sanntid.

Denne masteroppgaven presenterer et hovedkontrollsystem for å oversette akselerasjonsmålinger nede i brønnen til krefter på joysticken. I tillegg presenteres et PID-basert kontrollsystem for å styre vekten på biten (Weight on Bit), en viktig parameter i drilling og boring. De foreslåtte kontrollsystemene er utviklet og testet ved hjelp av Python og programvaren CLS2Sim fra leverandøren av joysticken. Joysticken er også montert og installert på en stol for å etterligne en borestol og skape en realistisk simulering av en boreoperasjon.

Denne forskningen bidrar til fremgang innen offshore boring ved å forbedre operatørens situasjonsbevissthet gjennom bruk av haptisk tilbakemelding. Utviklingen og evalueringen av kontrollsystemene, sammen med den realistiske simuleringsmiljøet, bekrefter effektiviteten og gjennomførbarheten av DrillFeel-konseptet i virkelige boreoperasjoner.

Offshore drilling operations entail significant risks, with potentially fatal consequences arising from system failures or a loss of situational awareness by the driller, leading to incorrect actions. Present-day drilling solutions have relied on an increased number of screens for the driller to monitor, driven by advances in downhole measurements. However, this approach poses challenges to the driller's situational awareness due to the heightened demand for visual perception. In response, DrillFeel proposes an innovative solution aimed at enhancing the driller's situational awareness without further burdening visual cognition. By leveraging haptic feedback, DrillFeel translates downhole measurements into intuitive forces applied to a real-time joystick, enabling the driller to perceive and respond effectively.

This thesis introduces a control system designed to convert downhole accelerometer measurements into joystick forces. Additionally, a PID-based control system is presented for accurate tracking of weight on the bit, a crucial parameter in drilling operations. The proposed control systems have been developed and tested using Python and CLS2Sim, a software provided by the force feedback joystick vendor. To create a realistic simulation environment for drilling operations, the joystick has been mounted and integrated into a chair, emulating the drill chair typically employed in drilling.

The outcomes of this research contribute to the advancement of offshore drilling practices by enhancing the driller's situational awareness through the application of haptic feedback. The development and evaluation of the control system, together with the realistic simulation environment, validate the effectiveness and feasibility of the DrillFeel concept in real-world drilling operations.