Het regelsysteem is ontwikkeld door ir. Leon van der Steen, senior research engineer bij Shell International Exploration and Production bv in Rijswijk en expert op het gebied van de dynamica van het boren. Van der Steen promoveert deze week (24 april) op zijn ontwerp bij prof.dr.ir. J. van Amerongen en dr.ir. P. Breedveld van de faculteit Elektrotechniek.
Het boren van een olie- en gasput gebeurt met de rotary-methode: aangedreven door de in de boortoren geïnstalleerde motor en een draaiende boorstang van aaneengeschroefde pijpen vreet een stalen of diamanten beitel zich langzaam een weg door de aardkorst. Het boorgruis wordt afgevoerd door 'mud', spoelvloeistof die van bovenaf door de boorstang wordt gepompt.
Als de boorkop op harde gesteenten stuit, veroorzaakt dit door hevige wrijving zogenaamde torsietrillingen. De boor stagneert terwijl de boorstang gewoon doordraait. Deze begint zich daardoor om zijn eigen lengteas op en af te wikkelen. Dat levert enorme spanningen op die zich ontladen doordat de vastzittende boor opeens in een veel te hoog toerental weer verder draait. 'Een boortoren kreunt ervan', zegt Van der Steen.
Deze schoksgewijze beweging wordt 'stick-slip' genoemd. Mechanisch is het verschijnsel een beetje te vergelijken met de haperende beweging van een ruitenwisser op een droge autoruit, het piepen van een krijtje op het schoolbord, of - poëtischer - het aanstrijken van een vioolsnaar.
Kapot
Stick-slip helpt de dure beitel (sommige boorkoppen kosten wel 100 duizend gulden) in de vernieling. Ook kan de boorstang (vaak meer dan een miljoen gulden waard) het begeven. En ten slotte vertraagt stick-slip de boorsnelheid (het boren van een put kan toch al maanden duren). Stick-slip kost de olieindustrie al met al tientallen miljoenen guldens per jaar.
Van der Steen verbeterde het dynamische gedrag van het boorsysteem door de motor in de boortoren van een elektronisch regelsysteem te voorzien dat de eventuele torsietrillingen in de boorstang signaleert en door aanpassing van de aandrijfsnelheid afdempt.
De regelaar haalt zijn informatie vooral uit metingen van de energie die het boren de motor kost. Het grote voordeel daarvan is volgens Van der Steen dat er - in tegenstelling tot alternatieve regelmethoden - geen dure sensoren aan beitel of boorstang nodig zijn. Die gaan als gevolg van de extreme omstandigheden bij het boren veel te gauw kapot.
Het nieuwe regelsysteem moest juist opgewassen zijn tegen die extreme omstandigheden waarbij de boorkop het ene moment vrij draait en het volgende moment blijft steken in keiharde rots. Daarom gaf Van der Steen de betrouwbaarheid en veiligheid van het ontwerp (en daarmee van de 'crew') meer prioriteit dan een maximale demping van de trillingen.
Erasmusbrug
Hij koos voor een hyperstabiele (passieve) regelaar, die getypeerd kan worden als een elektronische nabootsing van een tussen motoraandrijving en boorsysteem geplaatste 'torsieveer' gecombineerd met een 'visceuze demper'. De 'veer' stemt de aandrijving af op de trillingsfrequentie van de boorstang, terwijl de 'demper' de vrijkomende trillingsenergie opvangt.
Dat gebeurt met dezelfde 'tuned vibration absorbers' die ook worden toegepast om via tegenkracht het slingeren van hoogspanningsleidingen tegen te gaan (de welbekende ronde ballen). Zulke 'absorbers' zouden volgens Van der Steen ook goede diensten kunnen bewijzen bij de tuien van de onfortuinlijke Erasmusbrug in Rotterdam. 'Dit is natuurlijk een technische oplosing. De architect zal niet blij zijn met zulke ballen op zijn brug.'
Van der Steen kan het hele boorsysteem van beitel, boorstang en elektronische regelaar weergeven in een in principe eenvoudig model: een combinatie van mechanische wrijvingselementen, veren, vliegwielen en dempers. Het dynamisch gedrag van het boorsysteem valt daardoor ook op eenvoudige computers 'on the spot' te simuleren, aldus Van der Steen.
Het systeem is inmiddels in de praktijk getest. De bemanning op oil rigs reageert aanvankelijk sceptisch. 'Ze snappen niks van het regelsysteem, zien alleen maar dat de boortafel (het draaiend plateau waar de boorstang in de bodem verdwijnt) niet meer met een continu toerental draait maar afhankelijk van de trillingen in snelheid varieert.'
Droom
Bij gasboringen in Groningen - op dieptes van meer dan 1000 meter, waar stick-slip voortdurend optreedt doordat de boor daar op weerbarstige kalksteenformaties stuit - bleek Van der Steens regelsysteem uitstekend te functioneren. Dankzij de regelaar draaide de boor na elke stick-slip-situatie binnen zo'n 15 seconden weer rustig verder.
Succesvol was het regelsysteem ook bij olieboringen in de woestijn van Namibië. 'Een gesteentelaag had daar al twaalf dure boorstangen gekost. Het werk liep enorme vertraging op. Nadat de ongeduldige Namibische regering de oliemaatschappij dwong om het nieuwe regelsysteem te gebruiken was de volgende boorput een probleemloze droom', vertelt Van der Steen.
Wereldwijd zijn volgens de promovendus al tientallen boortorens met zijn simpele en doeltreffende systeem uitgerust. Aan vervolmaking wordt gewerkt. 'De volgende stap is dat het systeem zichzelf geheel afregelt.'
Tientallen boortorens zijn wereldwijd al met het nieuwe regelsysteem uitgerust.
