Denne artikkelen er produsert og finansiert av De regionale forskningsfondene - les mer.

Nye modeller kan fange opp og forstå forskjeller i trykk som oppstår i en oljebrønn. Det er viktig for å ivareta maksimal sikkerhet.
Nye modeller kan fange opp og forstå forskjeller i trykk som oppstår i en oljebrønn. Det er viktig for å ivareta maksimal sikkerhet.

Oljebrønn styrer trykket helt på egen hånd

Forskere har utviklet så avanserte datamodeller av forholdene i oljebrønner at de klarer mye selv.

Publisert

For systemer som regulerer trykket i en oljebrønn, er det særlig to uønskede hendelser det er vanskelig å skille fra hverandre. Den ene er «brønnspark». Dette trykket kommer fra bunnen av brønnen når væske plutselig strømmer inn fra omgivelsene fordi trykket er for lavt. Den andre er utbrytning av gass lenger oppe i brønnen.

For sensorene på overflaten, er symptomene på disse to hendelsene til forveksling like. Sikker trykkstyring krever at det er mulig å se forskjell på dem, for de skal håndteres på ulike måter.

Med støtte fra Oslofjordfondet har Kelda Drilling Controls i Porsgrunn utviklet et selvregulerende kontrollsystem som ser forskjell på brønnspark og gassutbrytning.

Nøkkelen er en digital tvilling – en avansert matematisk modell av den fysiske oljebrønnen.

Når modellen blir matet med sensordata fra overflaten, kan avanserte algoritmer regne seg frem til presise beskrivelser av hva som skjer nede i dypet.

– Et nytt system for trykkregulering i Nordsjøen må være testet for alle tenkelige scenarier, sier Glenn-Ole Kaasa som leder selskapet Kelda.
– Et nytt system for trykkregulering i Nordsjøen må være testet for alle tenkelige scenarier, sier Glenn-Ole Kaasa som leder selskapet Kelda.

Måler borevæske inn og ut

Under såkalt trykkstyrt oljeboring, styres trykket i oljebrønnen ved hjelp av trykkventiler på riggen.

Borevæske blir pumpet ned gjennom borestrengen, ned i disse sammenskrudde borerørene av stål som etter hvert utgjør flere kilometers lengde – og så går væsken i retur til riggen.

Ventilene på riggen, strupeventilene, blir brukt til å bremse returstrømningen av borevæske, slik at trykket i brønnen blir riktig.

Sensorer på riggen registrerer trykk, temperatur, tetthet og strømningsrate både på det som pumpes ned og på det som kommer i retur. Kommer det opp mer enn det sendes ned, tyder det på at trykket i brønnen er for lavt.

– Hvis trykket er for lavt, kan det komme uønsket væske strømmende inn i brønnen. Tenk på en sandstrand en varm sommerdag. Hvis du graver en grop, blir den straks fylt av vann fordi trykket er for lavt til å holde det ute, forklarer Glenn-Ole Kaasa.

Han er gründer, medeier og daglig leder i selskapet Kelda, som utvikler kontrollsystemer for oljebransjen. Kaasa har selv doktorgrad innen dette feltet.

Skal forhindre eksplosjon og utblåsning

Hvis væsken som strømmer inn i brønnen er oljeholdig, kan det komme brennbar væske eller gass i retur til boreriggen. I verste fall kan det føre til ukontrollert full utblåsning og eksplosjon.

En oljebrønn kan være mange kilometer lang, og i bunnen av brønnen er diameteren på hullet som bores gjerne bare 25 centimeter. Ifølge Kaasa er boring litt som å operere med et «hårstrå av stål» under havbunnen.

På grunn av de ekstreme lengdene er borestrengen tøyelig, men boringen skjer likevel med enorm presisjon. Trykket i hele dette «hårstrået» styres fra en rigg som gjerne er sju-åtte kilometer unna.

For at det skal være mulig å ha sikker trykkstyring uten å kunne se ned i brønnen, bruker forskerne altså en digital tvilling av den fysiske brønnen. Dette er en avansert modell som gjenspeiler forholdene i den fysiske oljebrønnen og som kan forutsi utviklingen med stor sannsynlighet.

Data fra målingene på riggen forsyner den digitale tvillingen med informasjon som gir god oversikt over tilstanden i den fysiske brønnen.

En datamaskin kalkulerer avanserte algoritmer for å bestemme hvilke justeringer av trykket som er nødvendig. Ved motstridende signaler, velger systemet alltid sikreste løsning. Og hvis det er fare på ferde, blir utblåsningsventilen aktivert. I praksis lukker den hele brønnen.

Christian Berg har tatt doktorgrad på brønnmodellering ved Universitetet i Sørøst-Norge.
Christian Berg har tatt doktorgrad på brønnmodellering ved Universitetet i Sørøst-Norge.

Matematisk utfordrende

Den store lakmustesten for et selvregulerende system, er om det klarer å skille et brønnspark fra en gassutbrytning.

– Å kunne skille mellom disse to typene hendelser er viktig, fordi de skal håndteres på ulike måter for å ivareta maksimal sikkerhet. Derfor må vi ha modeller som er gode nok til å fange opp forskjellene, forklarer Christian Berg, som nettopp har tatt doktorgrad på brønnmodellering ved Universitetet i Sørøst-Norge.

– Matematisk er dette ekstremt utfordrende, fordi gass og væske oppfører seg helt forskjellig. De vil ikke strømme på samme måte gjennom brønnen. Dessuten vil både gass og væske fortrenge borevæske i retur. Symptomene som måles på riggen, vil være ganske like, sier Berg.

I tillegg betyr lengden på rørene at det kan gå flere sekunder fra en hendelse oppstår nede i brønnen til den er registrerbar på overflaten.

– I borevæske beveger trykkbølger seg med rundt 1000 meter i sekundet. I en åtte kilometer lang brønn får vi da forsinkelser på opp mot åtte sekunder som må håndteres av modellene. Samtidig vil en avansert modell kunne bruke disse forsinkelsene til å avdekke hvor i brønnen noe skjer, sier forskeren.

Og hvis modellen mener dette «noe» skjer langt oppe i brønnen, er det mer sannsynlig at det er en gassutbrytning enn et brønnspark. Gassutbrytninger skjer normalt nærmere riggen, fordi trykket er lavere der enn i bunnen av brønnen.

Christian Berg har ikke eierinteresser i selskapet, men er ansatt som forskningsingeniør. Han har en næringsdoktorgrad, det vil si at Kelda samarbeider med Universitetet i Sørøst-Norge om forskningsprosjektet. Målet for slike doktorgrader er å styrke bedriften og gi den ansatte forskerutdanning og spisskompetanse tilpasset bedriftens behov.

Bruker tvilling til simulering

Berg har jobbet med to digitale tvillinger av oljebrønnene. Den ene er en forenklet versjon som inneholder akkurat nok informasjon til at den er praktisk anvendbar i et system for sikker trykkstyring. Den andre er svært detaljert – nærmeste en enegget tvilling – og brukes til simuleringer som skal dokumentere at systemet er sikkert.

– Akkurat som i flybransjen, må sikkerhetskritiske systemer i oljebransjen gjennomtestes før de kan tas i bruk i virkeligheten. Det er ingen som flyr av gårde med et nytt fly uten at systemene har vært testet gjennom utallige simuleringer. På samme måte må et nytt system for trykkregulering i Nordsjøen være testet for alle tenkelige scenarier, sier Kaasa.

Forskningen viser at fullstendig autonom trykkstyring fra borerigg er mulig. Konseptet har bestått alle simuleringstester, og er bekreftet ved hjelp av faktiske feltdata fra Irak. Kontrollsystemer basert på Bergs digitale tvillinger blir ifølge Kaasa tatt i bruk i boring i løpet av 2020.

Referanse:

Christian Berg: «Modeling for Automatic Control and Estimation of Influx and Loss During Drilling Operations». Doktoravhandling ved Universitetet i Sørøst-Norge, 2020.