Inducing Latereal Drillstring Movements to Improve Hole Cleaning

Abstract

Borestrengsrotasjon er en velkjent måte å forbedre hullrensing i høyavviksbrønner. I denne oppgaven undersøkes hullrensingseffekten av heisesysteminduserte laterale borestrengbevegelser både for seg selv, og i kombinasjon med borestrengsrotasjon. Disse laterale borestrengbevegelsene kalles heretter borestrengslag. Den bakenforliggende ideen er at hurtige borestrengseksentrisitetsendringer i brønnen vil skape jet-strømninger som et resultat av stempelfortrengning av væsken i ringrommet. Hypotesen er at denne akselererte væskestrømmen i kombinasjon med sammenstøtet mellom borestreng og borekaksbed vil bidra til både løsrivelse og suspensjon av borekaks fra bedet. For å undersøke potensialet til denne metoden har en eksisterende strømningsløype ved Institutt for Geovitenskap og Petroleum ved NTNU blitt modifisert. Hensikten med modifikasjonene har vært å forbedre repeterbarheten til forsøk utført med denne strømningsløypen. Hensikten med forsøkene som dokumenteres i denne oppgaven har delvis vært å verifisere effekten av disse modifikasjonene.

For å forstå effekten av borestrengslag har hullrensingsytelsen ved 60 graders inklinasjon blitt undersøkt ved annulærstrømning alene, og i kombinasjon med, borestrengsrotasjon, borestrengslag, og kombinasjonen av borestrengslag og borestrengsrotasjon. Forsøkene ble gjennomført med springvann, og gjentatt med en xanthan gum-væske for å undersøke effekten av viskositet på hullrensingsytelse ved denne inklinasjonen.

Det ble observert at designendringene på strømningsløypen betydelig forbedret repeterbarheten i forsøkene. Borestrengslag viste seg å være mye mindre effektivt enn borestrengsrotasjon i forsøkene som benyttet xanthan gum-væsken. Likevel syntes borestrengslag å være mer effektivt enn annulærstrømning alene. Det ble heller ikke funnet noen indikasjon på at borestrengslag motvirker effekten av borestrengsrotasjon. I testene hvor springvann ble benyttet indikerte resultatene at annulærstrømning og borestrengseksentrisitet har klart størst innvirkning på hullrensing når lite viskøse væsker sirkuleres.

Drillstring rotation is a well-known method of improving hole cleaning in deviated wells. In this thesis, the hole cleaning effects of drawworks induced lateral drillstring movements have been investigated both as a stand alone method, and in combination with drillstring rotation. These induced lateral drillstring movements have been dubbed drillstring slamming. The concept of drillstring slamming is to rapidly change the drillstring eccentricity in the wellbore in order to create jet flows via piston displacement of the fluid in the annular space. This acceleration of fluid in combination with the drillstring impacting the cuttings bed is hypothesized to aid in dislodging and suspending cuttings from the cuttings bed. In order to investigate its potential, an existing flow loop at the Deparment of Geoscience and Petroleum at NTNU was modified. The primary focus of these modifications was to improve the repeatability of experiments conducted on this flow loop rig. In part, the objective of the work documented in this thesis has been to verify the effect of these modifications. \newline

In order to understand the effects of drillstring slamming, the hole cleaning performance at 60 degrees inclination have been investigated for annular flow alone, drillstring rotation, drillstring slamming and drillstring rotation in combination with drillstring slamming. The experiments were conducted using tap water, and repeated using a xanthan gum fluid to investigate the effect of viscosity on hole cleaning performance at this inclination. \newline

It was observed that the flow loop design changes significantly improved the repeatability of experiments. Drillstring slamming was found to be far less effective than drillstring rotation using the xanthan gum fluid. However, drillstring slamming seems to be more effective than annular flow alone, and there was found no indication that slamming negates the effects of drillstring rotation. The tests using tap water indicated that annular flow rate and drillstring eccentricity dominate the hole cleaning performance when circulating low viscosity fluids.