Mitigating Axial Stick-Slip During Connections on a Floating Vessel

Abstract

Det finnes få gode løsninger for å hindre et fluktuerende bunnhullstrykk under koblinger på en flyterigg. MPD-teknologi gjør det mulig å holde et stabilt trykk, men bare dersom borestrengens bevegelse er forutsigbar. Under koblinger settes strengen i slips, hvilket betyr at heave-kompensasjonssystemet kobles fra og strengen følger riggens bevegelse. Strengen vil da være utsatt for ukontrollerte aksielle bevegelser.

Den første delen av denne oppgaven diskuterer sammenhengen mellom rotasjonshastighet og aksiell stick-slip periode. Observasjoner gjort med en forenklet modell viser at en borestreng på 4,000 meter, i en høyavviksbrønn og med bølgehøyde på 3 meter, krever en rotasjons-hastighet på 168 RPM for å sikre at rotasjonen gjenopptas før kompresjonskreftene overkommer den aksielle friksjonen. Grunnet manglende data tar studien utgangspunkt i konsepter og forenklede scenarier, med antagelser der det er nødvendig.

Deretter brukes en annen modell til å forutsi den dynamiske responsen i borestrengen under torsjonale vibrasjoner med demping, og til å bestemme egenfrekvensene til systemet. Resultatene sammenlignes med analytiske tilnærminger. Dempingskoeffisienten påvirker borestrengresponsen sterkt ved egenfrekvensene, og selv om resonans i DP-seksjonen er en trussel og må overvåkes, anses resonans i DC-seksjonen som svært usannsynlig.

Til slutt presenteres tre mulige tiltak for å begrense problemet med aksiell stick-slip. Denne delen inneholder beskrivelser, skisser og sammenligning av tre ulike verktøy. Disse er 1) en nedihulls motor, 2) en swivel-sub som installeres på toppen av hver rørlengde og 3) installasjon av en roterende Iron Rough Neck (IRN) på boredekket. Swivel-suben, i kombinasjon med MPD-teknologi, anbefales som et billigere alternativ til eksisterende løsninger.

For videre arbeid foreslås implementering av reelle brønndata, utvikling av en prototype og innledning av dialog med industrien for å diskutere krav og muligheter for et nytt verktøy.

There are few good solutions available to mitigate the fluctuating bottom hole pressure during connections on a floating vessel. MPD-technology can maintain a stable bottom hole pressure, but only if the drill pipe movement is predictable. During connections, the heave compensation system is disconnected, and the string is suspended in slips, meaning that the string follows the rig movement. Weight stacking and axial stick-slip is then a threat.

The first part discusses the relationship between top drive velocity and axial stick-slip period. Observations based on a simplified model, show that a drill string with length 4,000 meters, in a highly deviated wellbore and with a wave height of 3 meters, requires a top drive rotation of 168 RPM to ensure that rotation commences before the compressional forces exceed the axial drag. Due to a lack of data, the study is largely based on concepts and hypothetical scenarios, assuming reasonable values where needed.

The second part uses a simplified drill string model to predict the dynamic response of angular drill string vibrations with damping, and to determine the natural frequency modes of the drill string system. The results are compared to analytic approximations. The damping coefficient greatly affects the drills string response at the resonant frequencies and while the occurrence of DP resonance during torsional stick-slip is a threat and must be monitored, DC resonance is deemed highly unlikely.

The final part proposes three measures to mitigate the axial stick-slip problem, with descriptions, sketches and a comparison. The evaluated measures are 1) the installation of a downhole PDM tool, 2) the implementation of a swivel sub on top of each stand and 3) the installation of a rotating Iron Roughneck (IRN) on the drill floor. The swivel sub, in combination with MPD technology, is recommended as a cheaper alternative to existing solutions.

For further work is suggested the implementation of real data, the development of a prototype and the start of a dialogue with the industry to discuss the criteria and possibilities of a new tool.