Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Experimental and analytical study of the side cutting ability of drill bits

Tellez C., Singh K., Miska S., Ozbayoglu E., Ziaja M.

AGH Drilling, Oil, Gas

|

2018

|

Vol. 35, no. 1

139--155

EN

Side cutting ability of a drill bit is an important factor to ensure successful directional/horizontal drilling. In this study, a mathematical model of a drill bit has been developed to investigate the side cutting ability of a drill bit. In addition to the theoretical model, the study is also supported by experimental work. Experiments have been conducted for both PDC and tri-cone rotary roller drill bits. Equilibrium equations for BHA in a curved wellbore were established. The expression of internal forces and moments along the drill-string, which are the state variables, are derived. Because of the simplicity and fast computation capability, transfer matrix method (TMM) was adopted to determine these variables. Experiments were conducted on an indoor Tulsa University Drilling Research Projects (TUDRP) full-scale drilling rig. Tests have been conducted using 6 inch and 8.5 inch PDC drill bits. In addition, 8.5 inch tri-cone bit were tested as well. Bent sub was installed above the drill bit to enhance the side force at the bit. During the experiments, weight on bit (WOB) and flow rate were kept constant. The torque was recorded by torque gage. It was observed that RPM has little influence on torque. As expected, the bit side cutting abilities, also referred to as bit steer-ability, were different for different bits. For quantitative comparisons, a dimensionless quantity has been introduced that measures the relative difference in torque with bent sub and without with respect to torque without bent sub. In all tests, the torque with bent subs was found to be greater than those without. Hence, the relative difference is always positive. The higher the relative difference, the poorer the side cutting ability. For drill bits with side cutting ability equal to that of face cutting, the dimensionless quantity becomes zero. In conclusion, the main outcome of this paper is a new method of measuring face and side cutting ability for PDC and tri-cone bits. A similar approach has been applied to the analysis of data from offset wells using a computer program to predict side forces and the corresponding torques. This in turn permitted us to calculate the relative difference in torque and assess the side cutting ability of the drill bits. A comprehensive study of the side cutting ability of a drill bits missing in the current literature. Considering the important role side cutting ability plays in directional drilling, a very innovative mathematical model has been proposed to study the same. Experimental tests have been conducted to verify the model. The model can be used to analyze directional data and obtain useful information from offset wells to enhance future drilling projects.

2

Study of the performance of LCMs in fractured formations

Galves L., Miska S., Ozbayoglu E., Ziaja M.

AGH Drilling, Oil, Gas

|

2017

|

Vol. 34, no. 1

103--122

EN

This study focuses on modeling three phenomena that greatly affect the performance of lost circulation materials (LCMs) in sealing thief zones: the process of construction of the LCM seal, the final flow rate after its creation, and the fractability of this seal to the pressures inside the wellbore. To model them, concepts related to fluid mechanics, and geomechanics become of the utmost importance. To help the validation of the models presented in this work, an experimental facility to simulate lost circulation was constructed. The facility makes use of a real limestone core drilled with the Tulsa Drilling Research Projects (TUDRP) drilling rig. This experimental setup represents progress in the reproduction of overall field conditions in comparison with other setups found in the literature. Several tests were performed with walnut at different sizes and concentrations, as well as with distinct fracture openings, inclinations, and orientations. As a result, a D90 as large as the size of the fracture aperture ends up to being effective in the plugging process. In addition, a D50 the size of 1/3 of the fracture opening also provides of a good seal. Depending on the concentration, smaller sizes can be applied - the smaller the size is, the larger the concentration must be. Finally, a computer program has been developed. Estimations of particle size distribution (PSD), plug time, and flow rate after seal formation are outcomes. This method of LCM selection can be used to assess the performance of different LCMs in the field. Hence, cost, time, and energy can be saved in dealing with lost circulation.

3

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

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

Archives of Mining Sciences

|

2013

|

Vol. 58, no. 2

481--494

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).

4

Effect of tripping velocity profiles on wellbore pressures and dynamic loading of drillstring

Wang Z., Miska S., Yu M., Takach N.

AGH Drilling, Oil, Gas

|

2013

|

Vol. 30, no. 1

269--286

EN

Tripping events are expensive and time-consuming. Thus, minimizing tripping time through choosing optimized tripping velocity becomes urgent. Surge or swab pressures in the wellbore and dynamic loading of drillstring will be generated during tripping. Also, dynamic velocity, which is the velocity at the bottom of drillstring, is different from the input velocity at surface. The effect of tripping velocity profile, i.e., tripping velocity changes with time, on the hook load, downhole pressure changes and drillstring dynamic velocity should be fully studied to achieve the optimization. In this study, the effects of tripping velocity profile on loading of drillstring, dynamic velocity and downhole pressure is investigated using numerical simulation. Bergeron's graphical method and Lubinski's approach are utilized to perform the simulations. Components of drillstring, wellbore depth, drillstring length and mud properties are also included in the simulations. Through the current work, a driller's typical way of changing tripping velocity may not be the best one. Selection of tripping velocity profiles should be adapted to depth: higher velocity, triangular/parabolic profiles in shallow wells and lower velocity, trapezoidal profiles in deep wells. Also, based on simulations, the oscillation magnitude of dynamic velocity can be as high as twice that of velocity at surface.

5

Temperature profiles in directional and horizontal wells - the effect of drag forces

Nguyen D., Miska S., Mengjiao Y., Mitchell R.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2009

|

T. 26, z. 1--2

247-264

EN

Knowledge of temperature profiles in a wellbore is of considerable importance for accurate predictions of pressure losses, wellbore stability and drillstring failures. However, existing literature often neglects the effect of various heat sources on the behavior of drilling fluid temperature during different operations. In fact, the formation temperature in the vicinity of the wellbore is also affected, which could result in different formation rock behaviors and consequent wellbore stability problems. This study is conducted to examine the temperature profiles of drilling fluid and the near-wellbore formation, taking into account the effect of mechanical friction and associated heat sources. A new model is proposed that is applicable to directional and horizontal wells. The model incorporates thermal effects due to the drag forces created from the contacts between drillpipe and casing/formation during drilling and tripping operations. It has been found that the wellbore curvature (dogleg severity) is the major factor influencing temperature profiles. The model is also utilized in a number of configurations of horizontal wells to study temperature profiles behaviors. It is observed that the drilling fluid temperature is noticeably under-predicted by existing literature, and in some cases it can easily exceed the geothermal formation temperature if mechanical friction is taken into account. The proposed model and the results of this study are very useful for more accurate predictions of thermal regime it the wellbore at the design stage of well development, thereby, avoiding potential drilling fluid/drillstring over- heating and wellbore stability problems.

PL

Znajomość wyników profilowań temperatur w otworze jest niezwykle istotna dla dokładności oceny strat ciśnienia, stabilności otworu i uszkodzeń przewodu wiertniczego. Jednakże autorzy istniejącej literatury fachowej często pomijają zjawisko występowania różnych źródeł ciepła na zachowanie temperatury płuczki wiertniczej w trakcie poszczególnych operacji wykonywanych w otworze. W rzeczywistości mają one wpływ na temperaturę złoża w pobliżu otworu, co może zaowocować różnymi zachowaniami skał i wynikającymi z tego problemami ze stabilnością otworu. Przeprowadzono analizę profili temperatur płuczki wiertniczej i złoża w pobliżu otworu wiertniczego, uwzględniając zjawisko tarcia mechanicznego i związanych z tym źródeł ciepła. Zaproponowano nowy model dla otworów pionowych i poziomych. Model obejmuje zjawiska cieplne spowodowane siłami tarcia wywołanymi przez przewód wiertniczy i rury okładzinowe/formację w procesie wiercenia i zapuszczania rur. Okazało się, że krzywizna otworu stanowi główny czynnik wpływający na profile temperatur. W celu przebadania profili temperatur dany model zastosowano dla wielu konfiguracji otworów poziomych. Zaobserwowano, że w istniejącej literaturze zdecydowanie niedoszacowywano wartości temperatur płuczki wiertniczej, podczas gdy w niektórych przypadkach może ona przekroczyć wartość typową dla złoża geotermalnego, jeżeli uwzględnić mechaniczne siły tarcia. Zaproponowany model oraz wyniki badań są przydatne do dokładnego szacowania reżimu temperatur w otworze na etapie projektowania, umożliwiając tym samym uniknięcie potencjalnego przegrzania płuczki wiertniczej/ przewodu wiertniczego i problemów ze stabilnością otworu.

6

Model of drag and torque for casing running in extended reach and horizontal wells

Miska S., Mengjiao Y., Zhang Y., Miska W.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2008

|

T. 25, z. 2

523-535

EN

Application of extended reach and horizontal wells for offshore and onshore exploration and production purposes has been continuously increasing over the last decade. To reach the desired targets many of these wells are planed to have there dimensional complex well trajectories. Field experience indicate that running casing into wells with high horizontal departure and complex trajectories is frequently associated with many problems resulting in high cost of operations. In some instances the high pushing force resulted in casing buckling and the casing has not reach the planned depth. To reduce the pushing force one can rotate casing but that requires application of a sufficiently high torque. In any case accurate calculations of drag forces and torque are needed to evaluate casing mechanical integrity and technical feasibility of the casing running operation during planning and drilling stage of well development. In this paper we show the development of an improved characterization of wellbore trajectory by including the wellbore torsion in addition to the traditional wellbore curvature (dogleg severity). We also show the development of 3D drag and torque model that makes allowance for wellbore curvature, torsion, pipe bending stiffness and its weight in fluid. Finally, the paper is furnished with practical examples that show the application of the developed mathematical model. The proposed model is useful for practical design applications such as optimization of a well trajectory, calculating loads on casing and better understanding of field records and observations.

PL

W ostatnich latach ciągle wzrasta ilość odwiertów morskich i lądowych, o dużym kącie odchylenia i poziomych, mających bardzo złożone trajektorie. Doświadczenia polowe wskazują, że przy rurowaniu takich odwiertów, występują bardzo często komplikacje, zwiększające znacznie koszty tej operacji. Występujące przy tym siły tarcia mogą spowodować wyboczenie kolumny rur okładzinowych i zaklinowanie odwiertu. Aby zredukować siły nacisku, można podczas rurowania obracać kolumną rur okładzinowych, ale wymagane są przy tym wystarczająco wysokie momenty obrotowe. Dokładne obliczenie występujących wtedy sił rozciągających i skręcających oraz momentów obrotowych, pozwala określić techniczną wykonywalność operacji rurowania, w planowanym stadium wiercenia odwiertu. W artykule przedstawiony jest trójwymiarowy model zapuszczania rur okładzinowych z obrotem, uwzględniający poprawkę na krzywiznę odwiertu, skręcenie, sztywność kolumny rur okładzinowych i jej ciężar w płuczce. Przedstawionych jest też kilka przykładów praktycznego zastosowania proponowanego modelu matematycznego. Reasumując można stwierdzić, że proponowany model jest przydatny w praktycznych zastosowaniach projektowych, takich jak optymalizacja trajektorii otworu i obliczanie sił działających na rury okładzinowe, oraz pozwala on lepiej zrozumieć zachodzące w praktyce zjawiska.

7

Analysis of the use of a down-hole mechanical cleaning device for efficient wellbore cleaning

Qureshi A., Miska S., Miska W.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2007

|

T. 24, z. 1

401-413

EN

Field evidence indicates that in highly deviated and horizontal wells, cuttings tend to accumulate on the lower side of the annulus under the influence of gravity and eventually may form a non moving bed. This leads to considerable increase in equivalent circulating density (ECD) and drag/torque as well may result in a differential pipe sticking and wellbore stability problems. A good control of drilling fluid rhelogical properties, flow rate and drillpipe rotational speed may not be sufficient in some instances. Also, the commonly used techniques of circulation at high flow rates, using sweeps of high/low viscosity and high density may not be possible and, at times, prove to be ineffective. To overcome this difficulty, a down hole cleaning subs (mechanical cleaning devices - MCDs) are incorporated in the drill string to agitates the cuttings bed by bringing the cuttings into suspension for subsequent carrying out by the drilling fluid to the surface. These devices are furnished with "blades" which produce the desired hydrodynamic effects as the drill string is rotated and helps to dislodge the cuttings from the bed. The hole cleaning is thus governed primarily by the agitation created by the device, the rheological properties of the mud and the drilling fluid flow rate. Taking these factors into account, a study was conducted at Tulsa University Drilling Research Projects' (TUDRP) large scale wellbore simulator to experimentally determine the cleaning efficiency of a Mechanical Cleaning Device (MCD). From the database generated through the experiments, correlations were obtained by performing regression modeling to extend the results to field applications. These correlations are based on dimensionless parameters and predict reasonably accurately the in-situ cuttings concentration when the MCD is installed in the drill string. The results are useful for designing of the optimal hydraulic program for extended reach, high angle and horizontal wells.

PL

Z danych terenowych wynika, że w silnie odchylonych i poziomych otworach wiertniczych zwierciny gromadzą się w dolnej części przestrzeni pozarurowej pod wpływem siły grawitacji. Prowadzi to do znacznego wzrostu ECD oraz momentu; może również spowodować zablokowanie rury oraz problemy z zachowaniem stabilności otworu. Właściwa kontrola właściwości reologicznych, wielkości przepływu i prędkości obrotowej w niektórych przypadkach może okazać się niewystarczająca. Również powszechnie stosowane techniki intensywnej cyrkulacji, a także z wykorzystaniem cieczy o wysokiej/niskiej lepkości oraz dużej gęstości mogą okazać się niemożliwe lub nieskuteczne. Do pokonania tej trudności na przewodzie zastosowano mechaniczne wgłębne urządzenie czyszczące w celu pobudzenia zwiercin i utworzenia zawiesiny, która zostanie wyniesiona na powierzchnię wraz z płuczką wiertniczą. Urządzenia tego typu wyposażone są w ostrza, które wywołują pożądany efekt hydrodynamiczny w trakcie obrotu przewodu wiertniczego, i w wyniku czego zwierciny zostają podniesione z miejsca gromadzenia się. Główne mechanizmy związane z czyszczeniem otworu polegają na wzbiciu osadu, odpowiednich właściwościach reologicznych płuczki wiertniczej oraz hydrauliki.

8

Modeling of ECD in casing drilling operations and comparison with experimentaland field data

Diaz H., Yu M., Miska S., Takach N.

Archives of Mining Sciences

|

2007

|

Vol. 52, no 4

457-481

EN

Three modeling approaches to the determination of equivalent circulating density (ECD) in Casing Drilling operations are considered in this study; viz., hook-load measurements, pump-pressure measurements and conventional hydraulic models. The bottom-hole pressure is obtained by adding the calculated annular pressure losses to the hydrostatic pressure. Since the annular clearance is very small in casing drilling, a narrow-slot flow approximation model is adopted that takes into account the effect of pipe rotation. A Yield-Power-Law (YPL) drilling fluid is considered in this study. Results from each of the three approaches are compared with experimental and field data. The differences between the calculated and measured bottom-hole pressures (hence ECD) are within a range of about [...]. In terms of the frictional pressure losses in the annulus, this range increases to about [...] in some instances. It is shown that pipe rotation plays an important role in determining ECD. The experimental data indicate an increase in the annular pressure losses with increasing pipe rotary speed. The hook-load measurements correlate well with flowing bottom-hole pressures.

PL

W artykule rozważono trzy podejścia do modelowań wykonywanych w celu określenia ekwiwalentnej gęstości cyrkulacyjnej (ECD) w operacjach wiercenia z równoczesnym rurowaniem); poprzez pomiary obciążenia haka, pomiary ciśnienia pomp oraz zastosowanie konwencjonalnych modeli hydraulicznych. Ciśnienie na dnie otworu otrzymywane jest przez dodanie obliczonych strat ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej do ciśnienia hydrostatycznego. W przypadku rur okładzinowych wielkość przestrzeni pierścieniowej jest bardzo niewielka, dlatego zaadaptowano model wąskiej szczeliny, uwzględniający efekt rotacji rur. W artykule rozważano płuczkę opisywaną modelem reologicznym Herschela Bulkleya (YPL). Wyniki zastosowania wymienionych trzech podejść zostały porównane z danymi doświadczalnymi i terenowymi. Różnice pomiędzy wartościami ciśnienia obliczonego i zmierzonego na dnie otworu (a więc i ekwiwalentnej gęstości cyrkulacyjnej) pozostają na poziomie ok. [...]. W przypadku strat ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej w niektórych przypadkach wartość ta ulega zwiększeniu do ok. [...]. Zwrócono uwagę, że rotacja rur odgrywa dużą rolę w określaniu ekwiwalentnej gęstości cyrkulacji. Dane doświadczalne wskazują na wzrost strat ciśnienia w przestrzeni pierścieniowej wraz z rosnącą prędkością obrotową rur. Uzyskano dobrą korelację między pomiarami obciążenia haka i ciśnienia przepływu na dnie otworu.

9

Friction pressure loss determination of yield power law fluid in eccentric annular laminar flow

Ahmed R., Miska S., Miska W.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2006

|

R. 23/1

47-53

EN

Accurate predictions of friction pressure losses are very important in drilling and well completions operations. In some applications, for example, drilling in areas where the margin between pore pressure and fracture pressure gradients is small, inaccurate predictions of bore hole pressure may lead to serious complications and even a loss of the well. This paper is focused on a flow of yield power law type (pseudo-plastic with the yield stress) fluid in the annular space with the possibility that the inner pipe maybe eccentric. A new mathematical model that is based on a concept of generalized average wall shear rate - wall shear stress relationship is presented. A carefully designed laboratory facility that permits accurate differential pressure measurements as a function of flow rate in both pipe and annular flow has been developed. The desired rheology of the fluids was obtained by mixing two types of polymers (PAC and HEC) with water. Pipe flow measurements have been utilized to produce flow curves and subsequently the fluid rheological characterization (yield stress, consistency index and flow behavior index). The results of measured pressure losses are compared to those predicted by the proposed model. While the discrepancies are noticeable the difference is less than 15% and frequently is even less than 5%. We believe that the proposed model is simple useful for practical design applications

PL

Dokładne określenie strat ciśnienia przepływu płuczki w otworze jest bardzo ważne podczas wiercenia i dowiercania. W niektórych warunkach np. podczas wiercenia w interwałach, gdzie różnica między ciśnieniem porowym a gradientem ciśnienia szczelinowania jest mała, niedokładne określenie ciśnienia w otworze może prowadzić do poważnych komplikacji z likwidacją otworu włącznie. Artykuł dotyczy przepływu płynu posiadającego granicę płynięcia, opisanego równaniem potęgowym, w przestrzeni pierścieniowej, w sytuacji niecentrycznego ułożenia przewodu wiertniczego w stosunku do rur okładzinowych lub ściany otworu. Przedstawiony, model matematyczny oparty jest na idei średniej uogólnionej wartości naprężenia ścinającego przy ścianie otworu. Zaprojektowano i wykonano urządzenie laboratoryjne umożliwiające dokładny pomiar strat ciśnienia przy zmiennych prędkościach przepływu w rurze i przestrzeni pierścieniowej. Do badań użyto dwóch typów roztworów polimerów: PAC i HEC, o wymaganych parametrach reologicznych. Pomiary na stanowisku badawczym były podstawą do wykreślenia krzywych płynięcia ww. płynów, jak również do określenia parametrów reologicznych takich, jak: granica płynięcia, współczynnik konsystencji i współczynnik n (miara odchylenia od cieczy newtonowskiej). Wyniki pomiarów strat ciśnienia porównane zostały z wynikami uzyskanymi z obliczeń sporządzonych na podstawie prezentowanego modelu. Jakkolwiek rozbieżności są zauważalne, to jednak różnice nie przekraczają 15%, a w niektórych przypadkach nawet 5%. Mamy nadzieję, że proponowana metodyka będzie z powodzeniem wykorzystywana w zastosowaniach praktycznych

10

Modeling of complex bottom hole assemblies in curved and straight holes

Miska S., Miska W.

Archives of Mining Sciences

|

2006

|

Vol. 51, no 1

35-54

EN

In horizontal and directional drilling operations a drilling engineer is always faced with issues related to designing the elements of bottom hole assemblies to achieve the planned directional well path. A fundamental question here is how to select the composition of the BHA so that the drillbit will penetrate the rocks in the desired direction. This is usually accomplished by assuming the composition of the BHA and then calculating the side force at the drillbit. Once the side force is known one can predict the direction and magnitude of the resultant force at the bit and hence the anticipated instantaneous bit displacement. Therefore the oil/gas industry has a strong interest in studies that permit better predictions ofBHAs. Following the fundamental studies of Arthur Lubinski a number of authors proposed various techniques for handling this problem. Detailed analysis of the literature in this area can be a subject of a separate paper. More important papers are listed at the end ofthe paper. An effective technique for determining the static equilibrium configuration of complex (including various sizes of drill collars, down - hole motors, stabilizers and bent subs) bottom hole assemblies (BHAs) in curved and straight holes is presented in this paper. The technique is based upon a concept of transfer matrix that is widely used by structural engineers for analyzing complex configurations of elastic beams. This technique permits to find the equilibrium shape of the BHA and forces at the drill bit and all points of contacts with the well bore wall for given geometry of BHA and working conditions. In general, BHA consists of a number of mechanical elements, including various types of drill collars, down hole motors, MWD units etc. of given geometrical and mechanical properties. It is also possible that some of these elements can be initially curved rather than straight. To achieve the desired directional drilling performance (building, holding and dropping tendencies), various stabilizers and bent subs are used in addition to the above-mentioned components. The assembly is laterally constrained by the walls of the borehole. The borehole itself can be geometrically straight or curved. The working conditions are specified by a hole size and geometry (straight, curved or some combi nations of both straight and curved segments), weight on bit, drilling fluid density etc. The main purpose of this paper is to provide a theoretical background for the proposed transfer matrix approach for analyzing complex BHAs.

PL

W kierunkowych otworach wiertniczych występuje problem łączenia projektowanych elementów wyposażenia dolnej części przewodu do osiągnięcia planowanej trajektorii otworu. Zasadniczym pytaniem jest w jaki sposób dobrać skład zestawu dolnej części przewodu wiertniczego (bottom hole assemblies _ BRA), aby świder przewiercał pokłady w pożądanym kierunku. Proces sterowania realizowany jest przez dobranie składu BRA a następnie wyliczenie nacisku na świder. W pewnych przypadkach nacisk jest znany i można przewidzieć kierunek i wielkość wypadkowej siły na świder oraz określić przemieszczanie świdra. W ostatnich latach znacznie wzrosła ilość otworów kierunkowych i dlatego przemysł naftowy jest bardzo zainteresowany coraz lepszym doborem BRA. Niniejszy artykuł jest kontynuacją podstawowych badań prof. Artura Lubińskiego i szeregu innych autorów proponujących różne techniki potraktowania tego problemu. Szczegółowa analiza literatury w tym zakresie mogłaby być przedmiotem oddzielnego artykułu. Najważniejsze prace w tym zakresie są przedstawione na końcu tego artykułu. Głównym zamierzeniem tego artykułu jest dostarczenie teoretycznych podstaw analizy złożonych układów dolnej części przewodu wiertniczego takich jak rury płuczkowe, silniki wgłębne, zestawy do pomiarów podczas wiercenia (MWD), stabilizatory, krzywe łączniki itp. mających określone geometryczne i mechaniczne właściwości. Dla określenia układu statycznej równowagi złożonego zestawu BRA - w częściach prostych i zakrzywionych otworu kierunkowego zaproponowano unikalną metodykę opartą na teorii macierzy przejścia (ang. transfer matrix) szeroko stosowanej między innymi w mechanice np. do analizy złożonych układów belek elastycznych. Metodyka ta pozwala określić równowagę modelu BRA, siły działające na świder jak również punkty kontaktu przewodu wiertniczego dla założonej geometrii BRA i warunków pracy. Niniejszy artykuł składa się z trzech zasadniczych części. W pierwszej z nich wyprowadzono równanie różniczkowe opisujące jeden element dolnej części przewodu w postaci wymiarowej (2a) i bezwymiarowej (10) w krzywoliniowym układzie współrzędnych (rys. l) oraz przedstawiono warunki brzegowe do jego rozwiązania. W drugiej części przedstawiono teorię rozwiązania dla wieloelementowego zestawu w oparciu o metodykę macierzy przejścia (transfer matrix) przy założeniu braku przewodu ze ścianą otworu wiertniczego, którą rozbudowano w części trzeciej uwzględniającej stabilizatory, czyli z kontak tem przewodu ze ścianą odwiertu (rys. 2). W załącznikach A i B przedstawiono wyprowadzenie równań różniczkowych opisujące powyżej przedstawione zagadnienie.

11

Prediction of transient wellbore trajectory under anisotropic drilling conditions

Chen H., Miska S., Mitchell R.F.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2003

|

R. 20/2

317-329

EN

This paper is focused on the prediction of length and shape (rate of inclination angle change) of the well path between two subsequent equilibrium-drilling conditions. This well path is referenced hereafter as the transient trajectory of a wellbore. The transient trajectory is the key information needed to better understand factors influencing/controlling the dogleg severity (DLS) under isotropic and anisotropic drilling conditions that are quantified by formation anisotropy index (FAI) and bit steerabilty index (BSI). This study is also useful for planning a directional drilling trajectory that is consistent with the mechanical BHA response and directional drill bit tendencies (bit steerability). Also, if sufficient drilling data are available from the offset wells one can back-calculate both the FAI and BSI that can be subsequently used for optimizing well trajectories on new wells in similar drilling conditions. The BHA mechanical equilibrium predictions, and hence the resultant force and tilt angle at the bit, are based on the theory of elastic beams and a concept of the transfer matrix. This approach permits an effective modeling of complex BHAs including bent subs, mud motors and stabilizers. A method of well trajectory predictions is described. A number of computer simulations are presented to illustrate the influence of WOB, and type of BHA on the hole inclination angle and dogleg severity as functions of footage (distance drilled) for various drilling conditions.

PL

Artykuł koncentruje się na zagadnieniu przewidywania długości i przebiegu trajektorii otworu w dwóch następujących po sobie równoważnych warunkach wiercenia. Pierwsza trajektoria jest traktowana jako porównawcza. Stanowi ona kluczową informację na temat czynników wpływających na kąt przestrzennego skrzywienia osi otworu w izotropowych i anizotropowych warunkach wiercenia, określanych za pomocą wskaźnika anizotropii ośrodka oraz możliwości sterowalności narzędziem wiercącym. W pracy przedstawiono również zagadnienia dotyczące planowania trajektorii otworu wiertniczego z uwzględnieniem zestawu dolnej części przewodu wiertniczego oraz możliwości wiercenia kierunkowego. W przypadku posiadania odpowiednich danych z działających otworów możliwe jest obliczenie współczynnika anizotropii ośrodka i sterowalności świdra oraz optymalizacja trajektorii otworów w nowych lub podobnych warunkach wiercenia. Prognoza doboru zestawu dolnej części przewodu wiertniczego i wynikające z niego siła i kąt nachylenia świdra opierają się na teorii sprężystej belki i koncepcji matrycy. Stosując tę teorię można skutecznie modelować odpowiedni zestaw dolnej części przewodu wiertniczego poprzez dobór krzywych łączników, silników płuczkowych i stabilizatorów. Przedstawiono metodę planowania trajektorii otworu. Na przykładzie symulacji pokazano wpływ nacisku na świder oraz zestawu dolnej części przewodu wiertniczego na wartość kąta odchylenia od pionu i kąta przestrzennego skrzywienia jako funkcji przewiertu w różnych warunkach wiercenia.

12

Overview of foam and aerated muds hydraulics for underbalanced drilling

Kuru E., Miska S., Ozbayoglu E., Sunthankar A.

Wiertnictwo, Nafta, Gaz

|

2000

|

R. 17

97-115

EN

One of the most effective methods of cost reduction relies on improvements in drilling technologies, in particular, development of directional, horizontal and multilateral wells. Because many oil/natural gas reservoirs are partially depleted (low reservoir pressure), to effectively drill re-entry horizontal or multilateral wells, one may have to use aerated drilling fluids (gas assisted, foam, mist, etc.) to minimize formation damage and increase rate of penetration. The major advantage of foams and other aerated muds is their flexibility in controlling the mud "effective density", which influences the borehole pressure. Yet when compared to conventional (incompressible) drilling fluids, very little is known about the hydraulic and rheological properties of aerated drilling fluids, and even less is known about their cuttings transport capabilities. In particular, the paper will address the major advantages and disadvantages of underbalanced drilling, techniques for controlling flowing bottom hole pressure some experimental results of recent flow loop experiments and the future developments.

PL

Jednym z najbardziej efektywnych sposobów obniżenia kosztów wierceń jest doskonalenie technologii wiercenia, szczególnie dotyczy to wierceń kierunkowych, poziomych i bocznych. Większość złóż ropy naftowej/gazu ziemnego jest już częściowo sczerpana (niskie ciśnienia złożowe), dlatego w celu odwiercenia poziomych lub bocznych otworów konieczne jest zastosowanie płuczek wiertniczych aeryzowanych (z użyciem gazu, piany, powietrza z dodatkiem wody itp.). Dzięki temu minimalizuje się uszkodzenie górotworu, zwiększając prędkość penetracji. Główną zaletą płuczek pianowych i innych płuczek aeryzowanych jest łatwość kontrolowania "gęstości efektywnej", wpływającej na ciśnienie w otworze. W porównaniu z konwencjonalnymi (nieściśliwymi) płuczkami wiertniczymi należy stwierdzić, że niewiele wiadomo o właściwościach hydraulicznych i reologicznych tychże płuczek, a jeszcze mniej o ich zdolnościach transportowych. W artykule przedstawiono główne zalety i wady wiercenia w warunkach obniżonego ciśnienia, techniki kontroli ciśnienia na dnie otworu, niektóre wyniki ostatnich badań nad zamkniętym obiegiem płuczki i możliwymi udoskonaleniami.