Surge and Swab Simulations

Abstract

Det er nye tider i energisektoren og det er stort fokus på optimal olje- og gassutvinning. Samtidig som verden ønsker å bevege seg i en miljøvennligretning mot mindre utslipp, er vi i stor grad fremdeles avhengige av olje og gass. Større krav stilles til petroleumsbransjen, og nye løsninger på komplekse problemer må utforskes. Det sies at de "enkle" brønnene allerede er boret, og vi sitter igjen med vanskelige og kompliserte felt. Et viktig problem i boreprosessen som ønskes løst, er å kutte ned på "ikke-produktiv" tid. Dette oppstår når borestrengen må dras ut av brønnen, for eksempel for å skrifte en slitt borekrone, eller ved andre defekter.

Når borestrengen dras ut av hullet, vil trykket i brønnen synke, noe som kan få fatale følger. Fluider kan strømme inn i brønnen grunnet det lave brønntrykket og potensielt forårsake et kick. Dersom dette kicket ikke oppdages, vil det kunne lede til en såkalt blow out, og potensielt ødelegge både rigg og reservoar. Denne trykkreduksjonen som oppstår som følge av å trekke ut borestrengen kalles swabbing. Hastigheten som borestrengen dras ut med har stor betydning for hvor stor denne swab-effekten blir. Det motsatte skjer når borestrengen føres ned i hullet igjen. En trykkøkning vil da oppstå, som også kan lede til andre store skader. Denne trykkøkningen kalles surge-effekt, og dersom trykket blir for høyt, kan dette lede til frakturer i formasjonen som det bores i. Boreslam vil da kunne flyte ut i formasjonen, og potensielt ødelegge reservoaret. Begge scenarioene er verdt å investere tid og penger på å unngå, samtidig som det er ønskelig å la prosessen gå så fort som mulig.

Å estimere trykkfallet og trykkøkningen så nøyaktig som mulig er derfor en svært viktig del av operasjonen. Flere matematiske modeller er utviklet for dette formålet, men fremdeles er det mye usikkerhet knyttet til estimatene. Dette gjelder særlig for kompliserte brønner, slik som de som ligger under dype vann eller er boret horisontalt.

Halliburton har utviklet et boresimuleringsprogram som heter Landmark WellPlan. Dette er mye brukt i industrien idag, og er et avansert program som tar for seg alle spekter av boreprosessen. I denne oppgaven vil to ulike brønner simuleres i WellPlan. Den ene er en relativt enkel brønn med et stort trykkvindu. Den andre er en mer komplisert brønn, med en lang horisontal seksjon, og et lite trykkvindu.

Intensjonen med denne oppgaven er å analysere hvilke parametere som påvirker surge og swab, og i hvor stor grad. Parametere som boreslammets tetthet og viskositet, samt dimensjoner på borekrone, borestreng, BHA og selve brønnen, vil i likhet med hastigheten, i ulik grad påvirke trykkendringene. Også ulikhetene mellom de to brønnene vil bli undersøkt.

Surge and swab pressures have for a long time been a problem in the petroleum industry. These pressure changes are mainly related to tripping operations, where the drill string has to be pulled out of the well, normally due to a worn out drill bit, or a broken tool. The desire is to optimize the process and time used to trip in and out of the well, to save time and money, and at the same time not taking any risks. If the tripping speed exceeds a certain limit, the pressure changes in the well may become so severe that the consequences are fatal.

The main focus in this thesis is to identify the parameters affecting surge and swab pressures, and investigate their grade of impact. Halliburton Landmark's WellPlan software will be used to simulate two different well cases and to estimate the equivalent circulating density (hereinafter referred to as "ECD") of the drilling mud downhole. The tripping operation will be simulated at different tripping speeds, altering parameters to observe the change in ECD, which is directly related to down hole pressures. When the pressure increases from surge effects, the ECD will also increase due to compression. For swab pressures, the opposite will happen and the ECD will decrease.

Wellplan calculates ECD by using any desired fluid behaviour model. The Bingham plastic model, the Power Law model and the Herschel-Bulkley model are all tested and used to obtain the best results possible. Both fluid properties, such as density and plastic viscosity, and the geometry downhole, such as the diameter of the bit, drill pipe and open hole, and bottom hole assembly (BHA) dimensions, will affect the ECD. By tripping in and out with different velocities in WellPlan, it is possible to observe which parameters have the larger impact on ECD, hence the surge and swab pressures.

Fluid properties, such as the mud density, plastic viscosity and yield point, were also analysed and shown to have some impact on surge and swab. The impact of downhole geometry is greater, but due to its complexity, it is difficult to predict the different components impact mathematically. It is important to understand the uncertainties of estimating ECD in WellPlan, which factors that are included in the estimation and those who are not. This is in particular important for the drill bit and the BHA, which causes the majority of the pressure changes in tripping operations.

For future work, the mud temperature could be considered in the sensitivity analysis. Also the impact of the BHA to surge and swab could be investigated further with more realistic design and accurate data.