Cuttings transport with foam in highly inclined wells at simulated downhole conditions

• Autorzy: Xu J. , Ozbayoglu E. , Miska S. , Yu M. , Takach N.

Warianty tytułu

PL

Transport urobku wiertniczego przy użyciu piany w silnie nachylonych otworach w symulowanych warunkach w otworze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Along with the rapidly growing demand and development activities in unconventional resources, is the growth of environmental awareness and concerns among the public. Foam, as an alternative to traditional drilling fluid, is gaining more and more momentum in the drilling industry. Drilling with foam can minimize formation damage, water usage, and drag and torque. Foam also costs less and leaves a much smaller environmental footprint than other commonly used drilling fluids, such as synthetic oil-based fluids, when developing vulnerable formations such as shale gas. As drilling in horizontal and near horizontal sections has become very common, and the need for such sections is increasing, it is very important to understand cuttings transport and hole cleaning issues when drilling with foam in such sections. A team from University of Tulsa Drilling Research Projects (TUDRP) conducted a series of experiments focused on studying the effects of change in hole inclination angle from 90 degrees to 70 degrees on cuttings transport with foam under Elevated Pressure and Elevated Temperature (EPET) conditions. This experimental and theoretical study also includes other influential parameters such as foam quality, foam flow rate, polymer concentration and drill pipe rotary speed. We have observed that there is no significant difference in cuttings concentration and frictional pressure losses as inclination changes from 70 to 90 degrees. Also, an increase in superficial foam velocity reduces cuttings concentration within the annulus. Pipe rotation influences cuttings concentration and frictional pressure losses for low quality foams, but does not have a significant effect on high quality foams. A correlation for the cuttings bed area and a computer simulator are developed for practical design and field applications. The predicted results are compared with experimental results from this study and previous studies. The comparison shows good agreement. We believe that the findings of this paper will help designers with the choice of optimal drilling fluid for drilling horizontal wells in unconventional (shale) gas/oil reservoirs.

PL

Równolegle ze stale rosnącym zapotrzebowaniem na prowadzenia prac udostępniających w złożach niekonwencjonalnych notuje się wzrost świadomości społecznej odnośnie zagadnień ochrony środowiska. Piana jako alternatywa dla tradycyjnej płuczki wiertniczej nabiera coraz większego znaczenia w górnictwie otworowym. Wiercenie przy użyciu piany pomogą ograniczać zniszczenia formacji geologicznych, redukuje zużycie wody, pozwala na zminimalizowanie oporów ruchu i momentów obrotowych silników. Ponadto, koszty piany są niższe a jej oddziaływanie na środowisko naturalne jest mniej znaczne niż w przypadku typowych płuczek opartych na olejach syntetycznych używanych w trakcie udostępniania trudnych w eksploatacji złóż, np. gazu łupkowego. Wiercenia odcinków poziomych lub prawie poziomych są już szeroko stosowane a zapotrzebowanie na takie odcinki wrasta, ważnym jest właściwe rozpoznanie problemów związanych z transportem urobku wiertniczego i czyszczeniem otworu w trakcie prowadzenia prac wiertniczych na tych odcinkach przy użyciu piany. Zespól badaczy z uniwersytetu w Tulsa zaangażowanych w projekt badawczy w dziedzinie wiertnictwa (TUDRP) przeprowadził serię eksperymentów mających na celu zbadanie wpływu zmiany kąta nachylenia otworu z 90 na 70 stopni na przebieg transportu urobku wiertniczego z wykorzystanie piany w warunkach podwyższonego ciśnienia i podwyższonych temperatur. Badania eksperymentalne i teoretyczne obejmowały także analizę pozostałych parametrów procesu: jakość piany, natężenie przepływu piany, stężenie polimerów, prędkość obrotowa przewodu wiertniczego. Nie stwierdzono znacznych różnic w stężeniu zwiercin ani utraty ciśnienia wskutek tarcia w trakcie zmiany kąta nachylenia z 90 na 70 stopni. Ponadto, dodatkowy wzrost prędkości ruchu piany prowadzi do zmniejszenia stężenia zwiercin w pierścieniu. Prędkość obrotowa przewodu wpływa na stężenie zwiercin i straty ciśnienia wskutek tarcia w przypadku stosowania pian niskiej jakości, efektu tego nie notuje się gdy wykorzystywane są wysokiej jakości piany. Dane z obszaru wiercenia skorelowane zostały z wynikami symulacji komputerowych do wspomagania projektowania i do wykorzystania w terenie. Prognozowane wyniki porównano z wynikami eksperymentów uzyskanymi w tym oraz w poprzednim programie badawczym. Porównanie to wykazuje dużą zgodność wyników. Mamy nadzieję, że wyniki obecnej pracy pomogą inżynierom projektantom w wyborze optymalnej płuczki wiertniczej do wierceń poziomych odcinków otworów przy eksploatacji niekonwencjonalnych złóż ropy i gazu (np. gazu łupkowego).

Słowa kluczowe

EN

foam; rheology; cuttings transport; high inclination; horizontal drilling; high pressure high temperature

PL

piana; reologia; transport urobku wiertniczego; nachylenie; drążenie odcinków poziomych; wysokie ciśnienie; temperatura wysoka

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 2
• Strony: 481--494
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Xu J.

• The University of Tulsa, Now With Sr. Product Architect, IHS Global Inc., 17177 Preston Road– Suite 200, Dallas, Tx, 75248, USA

autor

Ozbayoglu E.

• The University of Tulsa, McDougall School of Petroleum Engineering, 800 S Tucker Dr. Tulsa OK 74104 USA

autor

Miska S.

• The University of Tulsa, McDougall School of Petroleum Engineering, 800 S Tucker Dr. Tulsa OK 74104 USA

autor

Yu M.

• The University of Tulsa, McDougall School of Petroleum Engineering, 800 S Tucker Dr. Tulsa OK 74104 USA

autor

Takach N.

• The University of Tulsa, McDougall School of Petroleum Engineering, 800 S Tucker Dr. Tulsa OK 74104 USA

Bibliografia

• Becker T.E., 1987. Correlations for Drill-Cuttings Transport in Directional-Well Drilling. Ph.D. Dissertation, University of Tulsa-OK.
• Capo J., Yu M., Miska Z.S., Takach N., Ahmed R.M., 2006. Cuttings Transport With Aqueous Foam at Intermediate-Inclined Wells. SPE Drilling & Completion, Vol. 21, No. 2, pp. 99-107, June.
• Chen Z., Ahmed R.M., Miska S.Z., Takach N.E., Yu M., Pickell M.B., Hallman J., 2007. Experimental Study on CuttingsTransport With Foam Under Simulated Horizontal Downhole Conditions. SPE Drilling & Completion, Vol. 22, No. 4, pp. 304-312, December.
• Chen Z., 2005. Study of Cuttings Transport with Foam under Elevated Pressure and Elevated Temperature Conditions. PhD Dissertation, U. of Tulsa, Oklahoma.
• Clark R.K., Bickham K.L., 1994. A Mechanistic Model for Cuttings Transport. SPE 28306, 69th Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans-Louisiana, September 25-28, 1994.
• Duan M., 2007. Study of Cutting Transport Using Foam with Drill Pipe Rotation Under Simulated Downhole Conditions. Ph.D Dissertation, U. of Tulsa, Tulsa, Oklahoma.
• Duan M., Miska Z.S., Yu M., Takach N., Ahmed R.M., Hallman J., 2010. Experimental Study and Modeling of CuttingsTransport Using Foam With Drillpipe Rotation. SPE Drilling & Completion, Vol. 25, No. 3, pp. 352-362, September.
• Gavignet A.A., Sobey I.J., 1996. A Model for the Transport of Cuttings in Highly Deviated Wells. SPE 15417, 61st Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans-Louisiana, October 5-8, 1996.
• GRI, 1997. Underbalanced Drilling Manual. 2.27-2.130, GRI.
• Hareland G., 1985. A Comparative Drilled Cuttings Transport Study In Directional Drilling Using Invert EmulsionMineral Oil-Base Mud and Water-Base Muds Having Similar Rheological Properties. M.S. Thesis, University of Tulsa, Tulsa.
• Herzhaft B., Toure A., Bruni F., Saintpere S., 2000. Aqueous Foams for Underbalanced Drilling: The Question of Solids. SPE 62898, Presented at the 2000 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas-Texas (October 1-4, 2000).
• Iyoho A.W., 1980. Drilled-Cuttings Transport by Non-Newtonian Drilling Fluids Through Inclined Eccentric Annuli. Ph.D. Dissertation, University of Tulsa-OK.
• Jalukar L.S., 1993. A Study of Hole Size Effect on Critical and Sub-critical Drilling Fluid Velocities in Cuttings Transportfor Inclined Wellbores. M.S. Thesis, University of Tulsa-OK.
• Larsen T.I., 1990. A Study of Critical Fluid Velocity in Cuttings Transport For Inclined Wellbores. M.S. Thesis, University of Tulsa-OK.
• Li Y., Kuru E., 2003. Numerical Modelling of Cuttings Transport With Foam in Horizontal Wells. Journal of Canadian Petroleum Technology, Vol. 42, No. 10, October.
• Li Y., Kuru E., 2004. Prediction of Critical Foam Velocity for Effective Cuttings Transport in Horizontal Wells. SPE 89324, SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference and Exhibition, 23-24 March 2004, Houston, Texas.
• Loureno A.M.F., Miska Z.S., Reed T., Pickell M., Takach N., 2004. Study of the Effects of Pressure and Temperatureon the Viscosity of Drilling Foams and Frictional Pressure Losses. SPE Drilling & Completion, Vol. 19, No. 3, pp. 139-146, September.
• Martins A.L., Lourenco A.M.F., 2001. Foam Property Requirements for Proper Hole Cleaning While Drilling HorizontalWells in Underbalanced Conditions. SPE Drilling & Completion, Vol. 16, No. 4, pp 195-200, December.
• Meano W.J., 1987. Experimental Study of Shale Cuttings Transport in an Inclined Annulus Using Mineral Oil-Base Mud. M.S. Thesis, University of Tulsa, Tulsa.
• Nguyen D., Rahman S.S., 1996. A Three-Layer Hydraulic Program for Effective Cuttings Transport and Hole Cleaningin Highly Deviated and Horizontal Wells. IADC/SPE 36383, Asia Pacific Drilling Technology, Kuala Lumpur- Malaysia, September 9-11, 1996.
• Okranji S.O., 1981. Mud Cuttings Transport Study in Directional Well Drilling. Final Report for Amoco Production Company, University of Tulsa, Tulsa (January 1981).
• Ozbayoglu M.E., 2002. Cuttings Transport with Foam in Horizontal and Highly-inclined Wellbores. Ph.D. Dissertation, University of Tulsa.
• Ozbayoglu M.E., Miska Z.S., Reed T., Takach N., 2003. Cuttings Transport with Foam in Horizontal & Highly-InclinedWellbores. SPE 79856, SPE/IADC Drilling Conference, 19-21 February 2003, Amsterdam, Netherlands.
• Patzek T.W., 2010. Unconventional Gas in the U.S. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 1, pp: 181-200.
• Sanchez R.A., Azar J.J., Bassal A.A., Martins A.L., 1997. The Effect of Drillpipe Rotation on Hole Cleaning DuringDirectional Well Drilling. SPE 37626, 1997 Drilling Conference, Amsterdam-Holland, March 4-6, 1997.
• Tomren P.H., 1979. The Transport of Drilled Cuttings in an Inclined Eccentric Annulus. M.S. Thesis, University of Tulsa-OK.