Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Experimental study of layouts of PDC cutters in core bit drilling

Buitrago Gomez L. A., Miska S. Z., Ziaja M. B.

AGH Drilling, Oil, Gas

|

2016

|

Vol. 33, no. 2

341--360

EN

Over the past two decades, various single cutter force models have been developed that consider formation properties and bit characteristics. These models have been extensively used to describe the interaction of a Polycrystalline Diamond Compact (PDC) bit with formation rocks; however, their use to predict bit drilling efficiency is usually inadequate. There is an ample of field evidence that the density and layouts of PDC cutters affect drilling efficiency. Still, however, there is no reliable model of the PDC bit performance allowing determination of these bit design features for a specific bit's applications. In order to better understand the relationship between rock properties and PDC cutter layouts for different bit applications, laboratory drilling tests were performed with PDC core bits. The concept of an eight-blade PDC core bit was used to build a bit with a common body and replaceable heads. Core-bit design features such as: bit, cutter size, and cutter geometry were constant. In this study, the full-scale test rig facility at the University of Tulsa was used to obtain consistent data for six different layouts of PDC cutters. Operating parameters, such as the rate per minute (RPM) and weight on bit (WOB), were varied and performance parameters (rate of penetration (ROP) and bit torque (TQB)), were measured at each time step with the frequency of 10 Hz. The ROP were calculated as a function of bit displacement over time. All operating parameters were recorded as part of the data acquisition platform. Depth of Cut (DOC) was calculated from ROP, and the average WOB and TQB were estimated at each depth of cut. Tests were performed on two different rocks: Bedford and Carthage Limestones. For the purpose of comparing performance among different cutter layouts, we experiment with a maximum of four different depths of cut, which corresponded to four different weights on bit. The tested layouts allowed a constant maximum DOC per cutter of 0.25 in. Water was the drilling fluid for the entire experimental phase. The results showed that under the same drilling parameters, the cutter layout plays a key role in drilling efficiency. Strong linear relationships were found between DOC, WOB and TQB at different conditions that were characteristic of the specific bit design. Also, the PDC cutter layouts affected the relative drilling performance differently for different rock properties.

2

PDC single cutter: the effects of depth of cut and RPM under simulated borehole conditions

Majidi R., Miska S. Z., Tammineni S.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2011

|

T. 28, z. 1-2

283-295

EN

While the weight on bit (WOB) and rotary speed (RPM) are perhaps the most important drilling parameters affecting the rate of penetration, limited information are available about the fundamental mechanisms of rock destruction and the effect of cutting speed and the depth of cut during the cutting process. Experiments were carried out in a high-pressure facility with a 13 mm single PDC cutter to cut Carthage Marble and Indiana Limestone samples with depths of cut in the range of 0.02-0.12 inch and rotary speeds from 30 to 180 RPM at atmospheric and pressurized conditions. Our previous experimentations showed that an increase in the confining pressure as small as 150 psi could significantly increase the Mechanical Specific Energy (MSE) of the cutting process and reduce the efficiency by half. Recently performed atmospheric and pressurized single cutter tests, showed that a minimum depth of cut was required to efficiently drill the rock samples. MSE required to cut the rock, reached a minimum at depths of cut greater than 0.08 inches for both Indiana Limestone and Carthage Marble samples. Most promising were the results that showed a decrease in MSE at high rotational speeds (RPM>100) and atmospheric pressure, possibly indicating a change in rock failure mechanism. A mathematical model was derived from the balance of forces acting at the PDC cutter that constitutes a single linear relation between the cutting force and the normal force. The characteristic line acts as an indication of bit-rock interaction and can be used to detect the formation and cutter dullness. The model was verified using the experimental data from the single cutter tests. Such observations and analysis provide useful insights into the physics of cutter-rock interaction and are valuable to the improvements of drilling practices selection (WOB, rotary speed, etc) and the rates of penetration.

PL

O ile nacisk na świder (WOB) i prędkość obrotowa (RPM) są prawdopodobnie najistotniejszymi parametrami wiertniczymi mającymi wpływ na prędkość wiercenia, to niewiele jest informacji na temat podstawowych mechanizmów niszczenia skał i wpływu prędkości i głębokości zwiercania w procesie wiercenia. Przeprowadzono wysokociśnieniowe badania na 13 mm pojedynczym ostrzu PDC do cięcia próbek marmuru kartagińskiego i wapnia z Indiany na głębokość 0,02-0,12 cala przy prędkości obrotowej od 30 do 180 RPM w warunkach atmosferycznego i podwyższonego ciśnienia. Poprzednie eksperymenty wykazały, że nawet tak niewielki wzrost ciśnienia otaczającego jak 150 psi mógł istotnie zwiększyć energię mechaniczną procesu cięcia kosztem jego wydajności. Przeprowadzone niedawno testy na narzędziach z pojedynczym ostrzem w warunkach atmosferycznego i podwyższonego ciśnienia wykazały, że do skutecznego cięcia próbek skał konieczna była minimalna głębokość cięcia. Mechaniczna energia konieczna do przecięcia skały osiągnęła minimum dla głębokości cięcia większej niż 0,08 cala zarówno w przypadku próbek marmuru kartagińskiego jaki i wapnia z Indiany. Najbardziej obiecujące były wyniki, które charakteryzowały się spadkiem mechanicznej energii właściwej przy wysokich wartościach prędkości obrotowych (RPM>100) oraz ciśnienia atmosferycznego, prawdopodobnie wskazując na zmianę mechanizmu niszczenia skał. Z równowagi sił działających na ostrze PDC wyprowadzono model matematyczny będący zależnością liniową między siłami tnącymi a siłą normalną. Linia ta jest obrazem współdziałania koronki i świdra i można ją wykorzystać do określenia formacji i stępienia narzędzia. Model został zweryfikowany na podstawie wyników doświadczeń na pojedynczych ostrzach. Wyniki obserwacji i analiz dają wgląd w fizykę współoddziaływania ostra i skały stanowią cenną podstawę do lepszego doboru metod wiercenia (WOB, prędkość obrotowa, itd.) oraz zwiększenia postępu wiercenia.

3

Experimental study of hydraulic sweeps in horizontal wells

Nguyen T. N., Miska S. Z., Yu M., Takach N. E., Ahmed R.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2010

|

T. 27, z. 1--2

307-331

EN

Drilling fluid sweeps are commonly run in the field to help clean the borehole of cuttings that have not been removed with normal drilling fluid circulation, especially in high angle or extended reach wells where efficient hole cleaning is more difficult to maintain. This study focuses on the use of "conventional" and "enhanced" sweeps in horizontal well bores. Not much information pertaining to the use of drilling fluid sweeps is available in the literature. Furthermore, there has been a lack of agreement as to which types of sweep fluids are most effective. Conventional sweeps most often include high viscosity fluids, high density fluids or a combination of both. In addition to conventional sweep fluids, an attempt was made to use enhanced sweep fluids, in which surfactants are used to attach cuttings to oil droplets that are intentionally introduced to the drilling fluid system. Because of their low density, oil droplets can have the ability to keep cuttings particles in suspension. The use of oil droplets is a new concept in cleaning horizontal and deviated wellbores. This work focuses on experimental analysis of sweep fluids with the goal of quantifying the sweep "efficiency". A small-scale sweep loop (SSL) was mainly used to conduct sweep experiments. Moreover, some experiments were carried out in a field-scale flow loop that operates at low-pressure ambient temperature (LPAT) conditions. Results show that pipe rotation plays a very important role in improving hole cleaning. Particularly, the improvement is substantial with high-viscosity fluids. The rotation of pipe has agitation effect that forces the cuttings particles into the main flow and facilitates the removal process. As anticipated, increasing the flow rate enhances the sweep efficiency or cuttings removal regardless of the drillpipe rotation. Furthermore, the study suggests that with a more rigorous evaluation of sweep efficiency, one can objectively determine the type and frequency of drilling sweep. The results of this study are useful for selection of the optimal sweep fluid.

PL

Płuczki czyszczące są powszechnie stosowane do oczyszczania otworów z pozostałości zwiercin, których nie udało się wynieść na powierzchnię za pomocą tradycyjnych płynów płuczkowych, głównie w przypadku otworów kierunkowych i rozgałęzionych, gdzie możliwość oczyszczenia jest ograniczona. Badania skoncentrowały się na wykorzystaniu konwencjonalnych i ulepszonych systemów czyszczących w otworach kierunkowych. W literaturze niezbyt wiele można znaleźć informacji na ten temat. Co więcej, brak jest zgody co do tego, która płuczka czyszcząca jest najskuteczniejsza. Tradycyjne płuczki czyszczące często zawierają płyny o wysokiej lepkości i/lub gęstości. Ponadto podjęto próbę stworzenia ulepszonych płuczek czyszczących, w których zastosowane surfaktanty mają powodować przyklejanie się zwiercin do drobin oleju, który celowo wprowadzono do systemu płuczkowego. Ze względu na niską gęstość, krople oleju utrzymują zwierciny w zawieszeniu. Zastosowanie kropli oleju to nowa koncepcja oczyszczania otworów horyzontalnych. W artykule skoncentrowano się na przeanalizowaniu płuczek czyszczących mających na celu zwiększenie skuteczności oczyszczania. Do badań z reguły stosowano mały obieg czyszczący SSL (small-scale sweep loop). Niektóre eksperymenty prowadzono na złożu w warunkach niskiego ciśnienia i temperatury otoczenia. Wyniki pokazują, że ruch rur odgrywa istotną rolę w zwiększeniu skuteczności oczyszczania otworu. Służy temu również zastosowanie wysoko lepkich płuczek. Rotacja rur podrywa zwierciny doprowadzając je do głównego strumienia, wspomagając proces oczyszczania. Jak przewidywano, ruch w otworze wzmaga wydajność oczyszczania lub wynoszenia zwiercin, niezależnie od rotacji rur. Z badań wynika, że szacując bardziej rygorystycznie zdolności czyszczące, można obiektywnie określić rodzaj i częstotliwość oczyszczania. Wyniki badań pozwalają na stosowny wybór optymalnego środka czyszczącego.

4

Modelling of acceptable hole curvature for running casing strings

Lagreca A. J., Miska S. Z., Sorem J. R.

Archives of Mining Sciences

|

2004

|

Vol. 49, nr 4

453-476

EN

A mathemetical model is presented to analyze insertion forces for casing strings in high hole curvatures (dogleg severity) and high deviation angles. This mathematical model allows simulation of forces acting on casing strings in short and long doglegs with constant curvature. Equations for predicting the acceptable hole curvature are obtained by analyzing the static equilibrium of forces acting on casing string. Since the resulting differential equation is non-linear, an approximating function, which satisfies the geometrical boundaryconditions, is proposed as a solution. This approximating function describesthe equilibrium configuration of the casing centerline and provides a method to predict forces acting belowthe neutral point. The influence of hole curvature on these forces was simulated for some casing strings. Calculated forces are described and presented in graphical form.

PL

Zaprezentowano model matematyczny do analizy sił wprowadzania ciągów rur okładzinowych do otworów o dużej krzywiźnie (nagłe zmiany kierunku przewodu wiertniczego) i o znacznych kątach odchylenia. Model matematyczny umożliwia symulowania sił działających na ciągi rur okładzinowych przy nagłych zmianach kierunku przewodu na krótkich i długich odległościach, przy stałej krzywiźnie. Równania umożliwiające określenie dopuszczalnej krzywizny otworu otrzymuje się drogą analizy statycznej równowagi sił działających na ciąg rur okładzinowych. Ponieważ uzyskane w ten sposób równanie różniczkowe jest nieliniowe, jako rozwiązanie proponuje się funkcję aproksymującą która spełnia geometryczne warunki brzegowe. Funkcja aproksymująca opisuje układ równowagi dla linii śodkowej ciągu rur i pozwala na predykcję sił działających poniżej punktu neutralnego. Symulowano wpływ krzywizny otworu na wielkość tych sil dla różnych ciągów rur. Obliczone siły zostały opisane i przedstawione graficznie.