Online Control and Optimization of Directional Drilling. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF
Online_Control_and_Optimization_of_Directional_Drilling_-_Master_Thesis_-_Mahmoud_Abdelhakim_KAmel.pdf Download (3MB) | Preview |
Abstract
Directional Steering System (DSS) has been established for well drilling in the oilfield in order to accomplish high reservoir productivity and to improve accessibility of oil reservoirs in complex locations. In this thesis, dynamic modeling of two different DSS were developed and optimized using different control and optimization techniques. Firstly, the Rotary Steerable System (RSS) which is the current state of the art of directional steering systems. In this work, we address the problem of real time control of autonomous RSS with unknown formation friction and rock strength. The work presents an online control scheme for real time optimization of drilling parameters to maximize rate of penetration and minimize the deviation from the planned well bore trajectory, stick-slip oscillations, and bit wear. Nonlinear model for the drilling operation was developed using energy balance equation, where rock specific energy is used to calculate the minimum power required for a given rate of penetration. A proposed mass spring system was used to represent the phenomena of stick-slip oscillation. The bit wear is mathematically represented using Bourgoyne model. Secondly, the autonomous quad-rotor DSS which has 4 downhole motors, is considered. In this work, a novel feedback linearization controller to cancel the nonlinear dynamics of a DSS is proposed. The proposed controller design problem is formulated as an optimization problem for optimal settings of the controller feedback gains. Gravitational Search Algorithm (GSA) is developed to search for optimal settings of the proposed controller. The objective function considered is to minimize the tracking error and drilling efforts. Detailed mathematical formulation and computer simulation were used for evaluation of the performance of the proposed techniques for both systems, based on real well data.
Arabic Abstract
قد تم إنشاء انظمه الحفر الموجه في مجال البترول من أجل الحصول علي أنتاجية عالية من حزانات البترول و تحسين إماكنية الوصول الي خزانات البترول في الأماكن المعقدة. في هذه الرسالة تم تطوير نظامين مختلفين من أنظمة الحفر الموجه ثم تحسين اداءهم باستخدام تقنيات مختلفة من التحكم والتحسين. النظام الاول هو النظام الدوراني القابل للتوجيه وهو نوع من انواع الحفر الموجه. في هذا الجزء نتناول مشكلة التحكم في الزمن الحقيقي للنظام الدوراني القابل للتوجيه بدون معلومية مقدار الأحتكاك مع جدار البئر و قوة الصخور. هذا العمل يقدم مخطط للتحكم المستمر للتحسين في الوقت الحقيقي للعوامل المتغيرة اثناء الحفر من أجل زيادة نسبة التغلغل و تقليل الأنحراف عن مسار البئر المخطط له مسبقا وتقليل التذبذبات نتيجه الأحتجاز والأنزلاق و تقليل نسبه التآكل فى الحفار. تم تطوير نموذج رياضي غير خطي لتمثيل عملية الحفر بأستخدام معادلة توازن الطاقة حيث أن الطاقة النوعية للصخور تم أستحدامها لحساب أقل طاقة مطلوبة لنسبة محددة من التغلغل. تم أستخدام نظام الكتلة والزنبرك لتمثيل ظاهرة التذبذبات نتيجه الأحتجاز والأنزلاق. نسبة التآكل في الحفار تم تمثيلها بأستخدام النموذج المقترح من بورجيوني. ثانياً نظام الحفر الموجه رباعي المحرك حيث يحتوي علي اربع محركات تيار مستمر. في هذا النظام تم تصميم متحكم جديد باستخدام طرق التحويل الى نظام خطي باستخدام التغذية الخلفية لألغاء الدينامكيات الغير خطيه. تصميم المتحكم المقترح أُعد كوسيلة تحسين معاملات كسب التغذيه الخلفية للمتحكم للوصول للقيمة الأمثل. تم تطوير خوارزميه البحث المبنية علي الجاذبية للبحث عن القيم الأمثل للمتحكم المقترح. داله الهدف المستخدمة في عملية التحسين تهدف الي تقليل نسبة خطأ التتبع و تقليل الجهد المبذول. تم أستخدام معادلات رياضية مفصلة و نظام محاكأه حاسوبي لتقييم اداء التقنيات المقترحه بناء علي بيانات حقيقيه لأبار بترول.
English Abstract
Directional Steering System (DSS) has been established for well drilling in the oilfield in order to accomplish high reservoir productivity and to improve accessibility of oil reservoirs in complex locations. In this thesis, dynamic modeling of two different DSS were developed and optimized using different control and optimization techniques. Firstly, the Rotary Steerable System (RSS) which is the current state of the art of directional steering systems. In this work, we address the problem of real time control of autonomous RSS with unknown formation friction and rock strength. The work presents an online control scheme for real time optimization of drilling parameters to maximize rate of penetration and minimize the deviation from the planned well bore trajectory, stick-slip oscillations, and bit wear. Nonlinear model for the drilling operation was developed using energy balance equation, where rock specific energy is used to calculate the minimum power required for a given rate of penetration. A proposed mass spring system was used to represent the phenomena of stick-slip oscillation. The bit wear is mathematically represented using Bourgoyne model. Secondly, the autonomous quad-rotor DSS which has 4 downhole motors, is considered. In this work, a novel feedback linearization controller to cancel the nonlinear dynamics of a DSS is proposed. The proposed controller design problem is formulated as an optimization problem for optimal settings of the controller feedback gains. Gravitational Search Algorithm (GSA) is developed to search for optimal settings of the proposed controller. The objective function considered is to minimize the tracking error and drilling efforts. Detailed mathematical formulation and computer simulation were used for evaluation of the performance of the proposed techniques for both systems, based on real well data.
| Item Type: | Thesis (Masters) |
|---|---|
| Subjects: | Systems Engineering Aerospace Mechanical Petroleum > Drilling Engineering |
| Department: | College of Computing and Mathematics > lndustrial and Systems Engineering |
| Committee Advisor: | Mysorewala, Muhammad |
| Committee Members: | Elshafei, Moustafa and Elkatatny, Salah |
| Depositing User: | MAHMOUD KAMEL (g201405840) |
| Date Deposited: | 24 Jan 2017 10:19 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 16:35 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140137 |