Intelligent Drilling -- Automated Underbalanced Drilling Operations

Det overordnede målet med prosjektet er å forske frem nye automatiserte konsept i styring av underbalansert boring, for å øke sikkerhet og effektivitet i slike operasjoner. Hovedmengden av forskningen i prosjektet er gjort i fire PhD-studier, som samarbeider mot et felles mål, økt automatisering i boring. Et tema er overordnet reguleringssystem og -struktur som tillater integrert regulering av alle prosessene i en underbalansert boreoperasjon, dvs pumper, ventiler, borevæskebehandling inkludert separasjon av produserte hydrokarboner. For dette er det blitt utviklet multivariable reguleringssystemer basert på forenklet modellering av den komplette prosessen, og bruk av Statoils verktøy for modellprediktiv regulering, SEPTIC. Videre har modellbaserte algoritmer for estimering av trykk og strømning i brønnen blitt utviklet, med vekt på situasjoner der brønnen er underbalansert og dermed har to-fase strømning på grunn av innstrømming fra reservoaret. Dette muliggjør også karakterisering av reservoiret under boring. Standard løsninger for dette finnes ikke på markedet i dag. Utvikling av en rigorøs men likevel relativt enkel modell av to-fase strømning i brønnen har vært viktig for denne aktiviten. Studier av denne modellen har også gitt ny operasjonell innsikt i hvordan man kan operere i underbalansert boring: Lukket sløyfe stabilisering kan tillate boring i underbalanserte trykk-regimer som ellers typisk blir sett på som umulige å operere i. Et annet tema har vært tidlig deteksjon og isolering av uønskede nedihulls hendelser, for å kunne øke sikkerhet og regularitet under boring. Målet er å detektere hendelser som innstrømming fra reservoiret, tap av borevæske, "pack-off" (oppsamling av borekaks), "wash-out" (hull i borestreng), og tetting av borekrone eller ventiler, med lav sannsynlighet for falsk alarm. Det er utviklet modell-baserte metoder for feil-diagnose kombinert med statistisk deteksjon av endringer. Disse algoritmene er testet grundig med gode resultater, på test-data fra en 1400m lang "flow-loop" på IRIS i Stavanger, som emulerer en ekte boreprosess. Forskningen i prosjektet er vidt publisert på ingeniør-konferanser både innen kybernetikk (IEEE, IFAC) og boring (SPE, IADC, ASME), og også i journal-publikasjoner.

Underbalanced drilling operations (UBD) will see an increased use on the Norwegian Continental Shelf, as well as in the rest of the world. UBD is often used to minimize formation damage, but perhaps more importantly in a North Sea perspective, is that UBD in many cases will be necessary to achieve desired production in depleting oil fields with vanishing pressure margins. However, traditional UBD has perceived drawbacks related to risk of well-control situations and size of processing equipment. In this project, we will investigate an automated and integrated UBD concept with improved safety and efficiency. The new system will give increased recovery of reservoirs, improved safety towards well control incidents and more efficient drilling operations sinc e well control situations are avoided, need for rig personnel is reduced, small footprint processing equipment may be allowed, in addition to reducing time and cost of drilling by allowing longer sections. The project will have a strong emphasis on robust ness and autonomy by developing systems that are easy to setup and operate, and fit well into the drillers' workflow. To achieve these goals, we suggest 4 PhD studies: 1 Integrated control of chokes, pumps, mud system and processing equipment 2 Two-phase flow modeling, estimation and control in underbalanced drilling 3 Autonomous and adaptive control and observer designs for UBD 4 Fault tolerance, fault detection and robust control The research will take place in a multi-disciplinary group of researcher s from Eng. Cybernetics, NTNU, Petroleum Eng., NTNU, Statoil Research Centre, and IRIS, and complement existing research on improved drilling systems. The developed systems will be tested and demonstrated using IRIS advanced simulators, and in scale labor atory facilities at NTNU. Collaboration with other relevant Statoil-financed IRIS projects will be established, with an aim to test algorithms in a full-scale experimental drilling rig.