Sensors and models for improved kick/loss detection in drilling (Semi-kidd)

Prosjekt «Semi-kidd» skal utvikle nye målemetoder for oljeboring for å gi bedre kontroll på tilførsel av borevæske, utvikle tidlig varsel om problemer, og redusere uproduktiv tid i en automatisert boreprosess. Norsk olje- og gassutvinning er i hovedsak basert på «off-shore» olje og gass. Boring av produksjonsbrønner er viktig for effektiv utvinning av olje og gass, og norske fagmiljøer er blant de fremste i verden på området. Boring på stadig større dyp stiller store krav til teknologi, og økende kompleksitet og krav til sikkerhet har gjort at det er anslagsvis 30% uproduktiv tid ved boring -- med kraftig økning i kostnadene. Under boring kreves det kontroll på brønn-trykket. Trykket styres ved å tilføre borevæske til brønnen; borevæske smører også borekronen og transporterer boreslagg i retur til overflaten. For høyt brønn-trykk gjør at slam presses inn i brønnveggen, noe som både reduserer muligheten for olje- og gassproduksjon og gir tap av borevæske. For lavt trykk fører til lekkasje av olje/gass ut i brønnen, og kan i verste fall lede til ukontrollert utblåsning -- f.eks. Deepwater Horizon-ulykken i Mexico-gulfen i 2010. Prosjekt «Semi-kidd» skal utvikle bedre overvåking av netto tilført væske til brønner under boring. Mindre væskeretur fra brønnen enn det som tilføres, antyder høyt brønntrykk og pressing av boreslam inn i brønnveggen. Motsatt: mer væskeretur fra brønnen enn det som tilføres, antyder lavt brønntrykk og uheldig tilførsel av olje/gass fra reservoar. I tillegg til netto tilført væske, krever tidlig varsel om problemer også kjennskap til borevæskens tetthet, viskositet, etc. Dagens måleinstrumenter er store, tunge og dyre, og gir begrenset informasjon. Prosjekt «Semi-kidd» skal utvikle målemetoder basert på å kombinere mange og kostnadseffektive sensorer med regnemodeller til en robust og nøyaktig løsning, og målemetodene skal testes ut i kontrollerte forsøk. Ved avslutning har alle 4 ph.d.-kandidater forsvart sine avhandlinger i henhold til tidsplanen, og tiltrådt FoU-stillinger i næringsliv/akademia. Femten MSc hovedoppgaver er gjennomført relatert til prosjektet (USN, NTNU), 8 kandidater har gjennomført MSc prosjekter relatert til Semi-kidd, 40-45 kandidater har gjennomført større oppgaver i MSc emner i instrumenteringsteknikk og MPC knyttet til Semi-kidd, og 30 BSc studenter har arbeidet med laboratorieoppgaver på prosjektets Venturi-rigg. Det er publisert 20 artikler i internasjonale journaler og 19 artikler ved konferanser (med review). En ph.d.-kandidat har deltatt i nasjonal finale i Forsker Grand Prix, en annen har presentert prosjektet for OG21, og det har vært presentasjoner i næringen (SPE, Telemark Offshore konferanse). Alle fire ph.d.-kandidater har hatt internship hos partnere. En partner er i ferd med å kommersialisere et produkt basert på ideene i prosjektet.

Nasjonal kunnskapsbase Prosjektet har utviklet: (i) modeller og løsningsalgoritmer for strømning av fluider i åpne kanaler; (ii) metoder for estimering av strømning basert på modeller med nivåmåling; (iii) smart-sensorer ved å fusjonere multiple sensortyper med datadrevne modeller; (iv) observere/estimatorer for fordelte modeller (NTNU). Prosjektet har inkludert 4 ph.d.-studenter, og 95 MSc- og BSc-studenter. Relevans for norsk industri Prosjektet har gitt partnerne førstehånds informasjon om status og videre utvikling, og har pekt på behovet for å forbedre eksisterende målekvalitet. Utviklede metoder har generell nytteverdi. Fordelt strømning er relevant for problemstillinger som olje-/gassproduksjon («DigiWell»), vannkraftproduksjon («HydroCen»), og mange andre felt; estimering i slike systemer er viktig. Maskinlæring og fusjon av multiple sensorer har generell nytteverdi. «Semi-kidd» har gjort USN bedre rustet til å bidra for norsk industri.

Cost-effective drilling is key to increase the recovery on the Norwegian continental shelf. In the last 10 years, well construction costs have increased significantly, while drilling efficiency is reduced. The reason for this is complex, but an important factor is the lack of automation of the drilling operations. Development of improved sensors and models for cost-effective early loss and kick detection is vital to address the industry's need of improving the drilling efficiency and reducing risks of well control incidents with its environmental and costly consequences. The primary objective of the project is to enable cost-effective and automatic kick/loss detection by developing new knowledge on model-based estimation and utilization of new sensor technology for drilling operations. The project is divided into four research tasks. The first is to model and simulate the flow rate and fluid level in an open Venturi channel. The non-Newtonian properties of the drilling fluid is a challenge that has to be taken into account. The second task is to design a smart sensor for estimating the flow rate of drill fluid under steady and transient conditions. Modern variants of Kalman filters will be considered for the estimation algorithm. The third task is to design an improved kick/loss detection (KLD) algorithm by including new measurements, to provide early and robust KLD without false alarms. The fourth task is a feasibility study on utilizing gamma sensors, ultrasonic Doppler and tomographic sensors in the drilling operations. Fusing data from new and existing sensors is essential. Experimental research will be performed on a new test facility particularly designed to carry out realistic tests of flow and density sensors with drilling fluids. The anticipated results of the project are innovation of new models and sensors, which in combination with existing sensors will contribute to improve the kick/loss detection in drilling operations.