Evaluation of Vibration Mitigation Technologies - A Case Study From Operations in Norway

Abstract

Stick-slip er en konsekvens av ukontrollerte, torsjonale vibrasjoner som genereres under en boreprosess og utgjør en stor risiko for de viktige aspektene ved boringen av dype brønner som effektivitet, pålitelighet, ytelse og sikkerhet. Dette fenomenet reduserer borehullskvaliteten og forårsaker tidlig slitasje- og skade på boreutstyret, samt reduserer borehastigheten som alt i alt kan koste operasjonen millioner av dollar. Derfor har flere ulike teknologier blitt utviklet og testet opp gjennom årene for å minimere disse konsekvensene, deriblant Z-Torque en relativt nyutviklet teknologi som anvender smart kontroll av top drive (boremaskinen). Z-Torque fungerer ved at top drive impedansen blir aktivt matchet med borerørets karakteristiske impedans for å eliminere ett bølgerefleksjonspunkt og på denne måten dempe stick-slip svingningene. Denne studien tar sikte på å avgjøre om Z-Torque demper stick-slip og dermed bevarer alle de viktige aspektene ved boreoperasjonen.

Basert på feltprøving av teknologien utført med riggen Transocean Enabler på operasjoner i Norge, ble det undersøkt i hvilken grad Z-Torque fungerete og under hvilke forutsetninger. En av brønnene fikk 12 ¼ tommers seksjonen boret to ganger, en hvor Z-Torque var aktivert og en hvor Z-Torque var deaktivert, noe som gjorde at begge seksjonene ble brukt for sammenligning. Ulike prestasjonsparametere som <<Rate of Penetration>> (ROP), <<Mechanical Specific Energy>> (MSE) og Stick-Slip Severity (SSS), beregnet ved bruk av målinger i borehullet, ble analysert. I tillegg ble trender i overflateparameterne som dreiemoment, vekt på bit (WOB) og rotasjoner per minutt (RPM) studert. Analysen av boreparameterne påviste en økning i ROP og WOB, mens det ble observert en reduksjon i MSE og vibrasjoner, noe som indikerer økt ytelseseffektivitet og forbedret brønnforhold. Det ble observert en reduksjon av boretiden ned til seksjonens totale dybde (TD) for borehullsseksjonen som ble boret med Z-Torque aktivert sammenlignet med borehullsseksjonen som ble boret uten.

Resultatene indikerte at Z-Torque har innvirkning på boreoperasjonen og dempende effekt på stick-slip. Ytterligere forskning er derimot nødvendig for å fastslå omfanget av Z-Torque’s effekt og for å identifisere andre faktorer som kan ha påvirket resultatet og styrket effektiviteten av boreoperasjonen. Ved at Z-Torque er implementert som en del av ADC-pakken (Automatic Drilling Control) på Transocean Enabler, bidrar teknologien sakte, men sikkert til å øke automatiseringsnivået i boreindustrien.

Stick-slip is a consequence of excessive torsional vibrations that are generated during a drilling process and pose a big risk to the important aspects of the drilling of deep wells, such as efficiency, reliability, performance, and safety. The stick-slip phenomenon decreases the borehole quality, causes premature wear and damage to the drilling equipment as well as reducing the drilling rate, which all in all can cost drilling operations millions of dollars. Therefore, several technologies have been developed and tested throughout the years to minimize these consequences, including Z-Torque a relatively new developed system that applies smart control of the top drive. Z-Torque actively matches the top drive source impedance with the drill pipe characteristic impedance to eliminate one wave reflection point and thus mitigate stick-slip oscillations. This study aims to determine whether Z-Torque mitigate stick-slip oscillations, hence is preserving all the important operational aspects.

Based on field testing of the technology on operations in Norway, performed by the rig Transocean Enabler it has been studied to what extent Z-Torque works and at what premises. During one well operation, the 12 1/4 inch section was drilled twice, once with Z-Torque activated and once with Z-Torque deactivated, where both wellbore sections were evaluated for comparison. Different performance parameters were analyzed such as the Rate of Penetration (ROP), the Mechanical Specific Energy (MSE) and the calculated Stick-Slip Severity (SSS) using downhole measurements. Also, trends in the surface parameters like torque, Weight On Bit (WOB) and rotations per minute (RPM) were investigated. The analysis of these drilling parameters demonstrated an increase in ROP and applied WOB, whereas a reduction in MSE and vibrations were observed indicating increased performance efficiency and improving well conditions. A reduction of almost 50 percent in the drilling time down to the section total depth (TD) was observed for the wellbore drilled with Z-Torque activated compared to the other drilled wellbore.

The results indicated that Z-Torque does have an impact on the drilling operation and mitigating stick-slip oscillations. However, further research is necessary to establish the extent of the effect of Z-Torque and to identify other factors that may have impacted the result and strengthened the effectiveness of the drilling operation. As part of the Automatic Drilling Control (ADC) package installed on the Transocean Enabler, Z-Torque contributes to the drive towards the increasing level of automation in the drilling industry.