Design and Implementation of a Simulation System for Vertical and Directional Drilling in an Autonomous Miniature Drilling Rig

Digitalisering og automatisering av prosesser har i flere bransjer hatt stor påvirkning, særlig over de siste årene. Selv om R&D har utviklet en rekke før manuelle prosesser til å nå bli autonome, gjelder dette fortsatt ikke for oljedrilling. Dette har ført til at the Society of Petroleum Engineers (SPE) opprettet the Drilling System Automation Technical Section (DSATS) for å fremskynde implementeringen av autonom drilling. Med SPE og DSATS i fronten ble den årlige Drillbotics-konkurransen opprettet, hvor studenter over hele verden blir utfordret til å bygge en autonom miniatyrversjon av en borerigg som skal utføre gitte utfordringer. I år skulle konkurransen opprinnelig avholdes fra 22. til 26. juni, men på grunn av den pågående pandemien, ble den kansellert. Denne masteroppgaven fikk derfor endret sin problemstilling, hvor det nye målet ble å konstruere et simuleringssystem som realistisk klarer å fremstille de fysiske utfordringene boreriggen ville møtt under konkurransen. Ideen bak simuleringssystemet er at det skal kunne brukes av kommende års Drillbotics-lag for tidlig testing av teorier og kontrollsystemer. For å oppnå enkel testing er programmet implementert i MATLAB og Simulink med en seksjonert tilnærming, slik at deler av programmet lett kan endres. Hoveddelene består av tilstandsdynamikk, tilstandsmaskin, tilstandsestimering, referansegenerator og kontrollere, som alle enkelt kan bli endret og testet. For å finne den optimale kontrollmetoden for ulike boremiljøer, har det blitt implementert en rekke typer kontrollere bestående av proporsjonal–integral–derivat-kontroller (PID), modell-prediktiv-kontroller (MPC) og ulineær-modell-prediktiv-kontroller (NMPC). For å oppnå realistisk simulering, har tilstandsdynamikken blitt utformet og implementert så nært som mulig den fysiske dynamikken, som også inneholder støy og bias i både prosessen og de simulerte sensorene. For å motvirke støy og bias benyttes et utvidet Kalman-filter. Det er også viktig å sikre et trygt boremiljø, så i tillegg har det blitt implementert en tilstandsmaskin med 9 potensielle tilstander. Til slutt har en referansegenerator med en rekke mulige algoritmer blitt implementert, slik at ulike referansemetoder for kontrollerne kan testes. Resultatene viser at det er flere fordeler og ulemper med de forskjellige kontroll- og referansemetodene. Valg av disse avhenger av boremiljøet, slik som gitte koordinater, mekaniske begrensninger av det fysiske systemet og andre parametre som bestemmer utfallet av konkurransen. Det ble funnet at simuleringssystemet er et utmerket verktøy for å teste ulike hypoteser og teorier, ettersom det gjør visualisering av systemrespons raskt og enkelt. Videre kan simuleringssystemet utvides med hensyn til tilstandsdynamikken for å representere den fysiske dynamikken bedre. Det bør også utforskes mer på bruken av NMPC som referansegenerator, da dette burde kunne finne optimal bane for drilling basert på mekaniske begrensninger og poeng-optimalisering i en eventuell konkurranse