Clamp-on Mud Flow Rate and Quality Measurement

Etter den fatale Macondo-ulykken (Mexico-golfen 2010), ble det konkludert med at sanntid styring av borevæsker (mud) var nødvendig for å unngå lignende ulykker. Mangelfull styring av mud er en betydelig årsak til nedetid under boring, og et fokusområde for boring på norsk kontinentalokkel og i nordområdende spesielt. Systemer for måling av mud er dyre og ofte uegnet. Equinor kontaktet Xsens i 2018 for testing av Xsens akustisk clamp-on flow meter teknologi og tester viste gode resultater, spesielt plutselige variasjoner i strømning, som ved endring i reservoarformasjon under boring. Målet for IPN-prosjektet var å videreutvikle Xsens teknologi til å oppnå robust mud-måling ved innstrømming av mud, samt tilbakestrøm av mud med borekaks. Prosjektets FoU-aktiviteter kombinerer to internasjonale teknologifronter: Clamp-on "multi-path" akustisk flowmåling og fluidkarakterisering i borevæsker. Begge fagområder er kjernekompetanse for FoU-partner NORCE. I tillegg til mud flowrate, vil prosjektet undersøke sanntidsmåling av mudkvalitet, alt som robuste målinger fra utsiden av røret. Prosjektet inkluderer testing og utprøving av utviklet resultat ved offshore installasjon i Nordsjøen. Industripartenere i prosjektet har vært Equinor, Total, Shell og BakerHughes.Noe forsinket, som følge av Covid-19, ble prosjektplan godkjent av styringsgruppen i juni 2020 og FoU-aktivitet startet av NORCE i samarbeid med Xsens AS. Etter suksessfull testing av en prototype-måler på ulike mud-kvaliteter ved BakerHughes sitt anlegg for borevæsker på Mongstad utenfor Bergen i 2021, ble to Xsens mud-målere installert offshore på drilling-platformen Askepott for Equinor, for in-flow-måling av mud. Offshore-tester våren 2022 bekreftet robust akustisk flowmåling i borevæsker, for Xsens multi-path ultralyd flowmåler. Xsens flowmålere installert på Askepott oppgraderes for permanent drift på platformen og TRL7 godkjenning fra Equinor for in-flow måling av mud, etter avtalt driftstid. Godkjent clamp-on flowmåler for in-flow av mud åpner et betydelig marked for Xsens AS. Parallelt med uttesting offshore i 2022, har Xsens mud-flow-målerne vært testet for retur-flow av mud. Måling av mud tilsatt partikler tilsvarende borekaks (cuttings), har gitt gode resultater. Prosjektet har også inkludert studier for måling av mud i delvis fylte rør, som en planlegger å videreføre i et nytt prosjekt med flere av industripartnerne. Både NORCE og Høgskolen på Vestlandet (HVL) har bidratt til modeller og algoritmer for akustisk måling i mud. Maskinlæring har blitt beyttet som metode for forbedret målerobusthet i borevæsker. To master-studier innen akustikk hos Univeritetet i Bergen, institutt for Fysikk & Teknologi har vært tilknyttet prosjektet, innen kvalitative måling av væsker ved bruk av lydhastighetsmåling.

The mud flow meter development has the potential of implementation in offshore/onshore drilling facilities world-wide. A clamp-on in-flow mud flow meter is developed and some work still remain for a commercial return flow mud meter to be launched. When launched the system is an enabler for emerging drilling methods, aiming at enhanced drilling efficiency e.g. MPD); as much as 30% loss of production time results from poor drilling reliabilityXsens AS estimate return of invested 9 MNOK project cost after 3-5 years and a 100-200 MNOK net profit after 5-6 years. The technology developed is applicable to a lot of other applications including water/waste water processing and infrastructure.

Missing real-time information on drilling mud behavior accounts for a significant part of 30% loss of offshore drilling production time resulting from poor drilling reliability. Drilling efficiency and safety is a priority area in the OG21 strategy for NCS and high North drilling activities. Equinor approached Xsens AS 2018 for testing of clamp-on ultrasonic flow meters installed directly on the mud pipe and test results (SPE-195624-MS) confirms the potential to cover required mud qualities and fluid complexity. The planned innovation project target in- and return-flow of both water- and oil-based mud flow rate measurement. Information on mud density and viscosity will also be addressed, as well as partly filled pipe flow measurement. The project R&D team covers acoustics, mud rheology, machine learning and industry expertise. Research is required to obtain a model for the velocity profile calculation of non-Newtonian drilling fluids, valid for fluid information obtained by multi-path acoustic guided wave sensors, forming chordal paths within the pipe cross-section, at a known distance between pipe center and pipe wall. The model must account for variation in mud rheology of different mud qualities including presence of cuttings and gas. In addition to flow measurement correction, the model will be used for calculation and correction of mud density and viscosity measurement. The most critical research challenge is to obtain the accuracy required for the complex fluid behavior and variation in fluid qualities of mud, hence multi-path and multi-mode measurement enhanced by machine learning will be implemented for continuous measurement improvement. The project includes prototype testing at North Sea offshore drilling facilities towards end of the project. For Xsens the planned clamp-on mud flow meter represents an attractive business case at high ROI for oil companies and drilling operators, for commercialization immediately after project completion.