Design, Implementation and Optimization of an Autonomous Miniature Rig for Directional Drilling

Digitale løsninger og automatiserte prosesser revolusjonerer mange sektorer, inkludert olje- og gassindustrien. Siden 2016 har DSATS og SPE arrangert Drillbotics konkurransen for å engasjere studenter til å løse utfordringer innen boreautomatisering. I et tverrfaglig team oppfordres studentene til å finne løsninger på problemer som ikke er beskrevet i lærebøker. Hovedoppgaven er å designe, bygge og optimalisere en fullt autonom miniatyrborerigg som kan bore en avviksbrønn i en 30 x 60 x 60 cm steinprøve og treffe forhåndsbestemte punkter. Brønnbanen er begrenset av en maksimal inklinasjon på 30 grader og en asimut-endring på 15 grader. Konkurransen består av to faser, hvor fase 1 ble gjennomført høsten 2021 ved innlevering av rapporten “Design Report NTNU – Drillbotics 2022 Phase I”. Videre er fase 2 en forlengelse av fase 1, hvor målet er å implementere og teste miniatyrboreriggen. Denne masteroppgaven dekker fase 2 av konkurransen og presenterer arbeidet utført av Henrik Helgeland, Mikaela Solberg og Luis Alvarez i løpet av vårsemesteret 2022. Helse, miljø og sikkerhet har vært høyst prioritert gjennom hele prosjektet. Menneskelige faktorer har også vært et stort fokus for årets Drillbotics-konkurranse. Det er derfor gjennomført en grundig undersøkelse av disse temaene. Potensielle sikkerhetsfarer har blitt vurdert og det er iverksatt beskyttelsestiltak for å redusere risikoen for å sikre et trygt og sunt arbeidsmiljø. Lagets situasjonsforståelse er forbedret gjennom opplæring og rolletildeling. Tilsvarende har bow tie diagrammer blitt studert og brukt for å identifisere farlige hendelser og implementere forebyggings- og gjenopprettingsbarrierer for prosjektet. Miniatyrboreriggen består av flere sammenkoblede systemer. Heisesystemet bruker en heisemotor for å gi vertikal forskyvning av boresystemet. Som et resultat blir vekten på borekronen overført gjennom et aluminiumsborerør. Boresystemet overfører dreiemoment fra top drive motoren, langs en titanium stang og videre til borekronen. Fire forbedrede borekroner er designet og produsert for å optimalisere boreytelsen. I tillegg er det anskaffet en ny drill chuck for å forbedre grepet på titanium stangen. Asimutsystemet orienterer nedihullskonfigurasjonen (BHA) ved å påføre dreiemoment på borerøret. Dette gjør at miniatyrriggen kan generere en asimut-endring. Den nødvendige inklinasjonen er derimot bygget ved hjelp av en bøyd sub som er integrert i BHA. Sirkulasjonssystemet er et semi-lukket system som sikrer tilstrekkelig hullrensing og kjøling av borekronen. Det har blitt designet og implementert en diverter for å hindre at borekaks samler seg på laboratoriegulvet. Dette har eliminert potensielle farer knyttet til glatte overflater og håndtering av giftige kjemikalier. Et tidligere utviklet kontrollsystem i Matlab og Simulink har blitt ytterligere utivklet og forbedret for å øke den generelle ytelsen til boreriggen. Et grafisk brukergrensesnitt gjør det mulig for operatøren å kontrollere riggen i enten manuell eller autonom modus. Et integrert sensorkort i BHA gir sanntidsmålinger for å forutsi posisjon og orientering nede i brønnen. NMPC kontroll brukes til å styre borekronen mot en forhåndsgenerert brønnbanereferanse som er basert på en ny brønnplanleggingsmetode kalt Dubins kurver. Basert på forhåndsbestemte koordinater sikrer en 3D Dubins-kurve den korteste brønnbanen med en krumningsbegrensning bestemt av den bøyde suben. Totalt er 62 brønner ferdigstilt gjennom prosjektet. Disse er boret med formål å teste materialene som brukes, analysere borekronene, optimalisere boreparametrene og verifisere den faktisk boret brønnbanen. Resultatene indikerer at systemet er mekanisk robust, har utmerket boreeffektivitet og tilstrekkelig retningskontroll for å nå de ulike punktene i steinprøven. En virtuell demonstrasjon av riggen ble holdt på en BRU21-konferanse i Trondheim. Dette tillot laget å utføre en testboring under konkurranseforhold. Boringen var vellykket og riggen ser ut til å være godt optimalisert for Drillbotics konkurransen den 16. juni 2022. Merk at resultatene fra selve konkurransen ikke er inkludert i denne avhandlingen fordi innleveringsfristen er før selve konkurransedatoen