Scalable Infrastructure for Surge and Swab Experiments

Abstract

Nøyaktig prediksjon av nedihulls trykk variasjon er av høy interesse da mer komplekse brønner blir boret innenfor depleterte reservoarer og med smalere operasjonelle trykk vindu. Variasjonen betegnet surge og swab er en koblet hendelse hvor ba ̊de borestrengs dynamikk og fluid mekanikk ma ̊ tas i betraktning i modellering. En eksperimentell in- frastruktur har blitt konstruert for referansema ̊ling av slike modeller, siden det for tiden eksisterer fa ̊ fasiliteter som er kapable til slike eksperimenter.

En 66.0 meter vertikal tre toms brønn har blitt konstruert med fire høy nøyaktighets trykktransdusere og to temperatur sensorer langs brønnen banen. Brønnen ble montert innenfor en ti tomer i diameter, hundre meter dyp forboret brønn. Pa ̊ innsiden av tre toms brønnen, sitter en 67.8 meter borestreng besta ̊ende av halv toms borerør og en to og en halv toms BHA festet til en aksiell lineær motor med motvekt. Motoren er i stand til en slaglengde pa ̊ 1.13 meter, direkte implementasjon av kurve data og en maksimal hastighet pa ̊ 4.9 meter per sekund med en kraft pa ̊ 2180 Newton. Nøyaktig posisjonsma ̊linger er oppna ̊dd gjennom en høy nøyaktighets en meter høy magnetostriktiv sensor stav plassert pa ̊ bunnen av brønnen og en posisjonsfangersensor inni lineærmotoren. Begge sensorene opererer ved 1000 Hertz. En komplett strømningssløyfe er tilkoblet til foˆringsrøret i topp og bunn gjennom en sirkulasjonstank og en eksenterskruepumpe. Dette gjør det mulig med en ukomplisert sirkulasjon av brønn fluidet. En luft kontrollert ventil er plassert i inngangen til bunnen av strømningssløyfen for a ̊ kunne stenge strømningssløyfen under eksperimenter.

Forma ̊let med det eksperimentelle oppsettet er a ̊ kunne analysere de dynamiske trykkvari- asjonene og borestrengs bevegelser som er tilknyttet surge and swab. Designet av drivkraft- motoren tillater et mangfold av testmuligheter i form av streng eksitasjon. Spesifikke sla- glengder og resiprokerende adferd i tillegg til at rig data kan bli implementert og testet. Strømningssløyfen tillater et ukomplisert utbytte av bore fluid i brønnen. Den installerte pumpen ble valgt for sin evne til a ̊ pumpe de forskjellige typer bore fluid benyttet i indus- trien i dag.

Med størrelsen, fleksibiliteten av mulige eksperimenter og diameter forholdet, er det antatt a ̊ være et felt skalerbart oppsett. Validering av dette kan bli oppna ̊dd ved implemen- tasjon av rig data. Med borestrengs bevegelse data, prøve av borefluidet i bruk og lignende borestreng forholdstall, feltforhold kan bli gjenskapt. Under disse forholdene vil det være mulig a ̊ validere eller forkaste surge og swab modeller for feltbruk. Selv om det ikke er bevist, viser initiale eksperimenter stort potensiale for referansema ̊ling av modeller. Den estimerte forplantningen av eksitering gjennom borestrengen ble estimert til 11.57 millisekunder. De initiale eksperimentene framviste konsistente resultater med en forsinkelse pa ̊ 30 millisekunder mellom topp og bunn posisjonsma ̊linger under igangsetting av streng eksitering. Grunnen for den ekstra forsinkelsen har enda a ̊ bli gjort rede for gjennom pa ̊følgende eksperimenter. Resultatet er av samme størrelsesorden som den forventede forsinkelsen. Den ekstra forsinkelsen kan skyldes demping i tillegg til fluid interaksjon og at det smale ringrommet ikke er tatt i betraktning. Denne kvantifiseringen er utenfor omfaget av denne avhandlingen og bør undersøkes i framtidige eksperimenter.

Accurate prediction of downhole pressure variation is of high interest as more complex wells are being drilled within depleted reservoirs and with narrower operational pressure windows. The variation denoted surge and swab is a coupled event where both drillstring dynamics and fluid mechanics have to be taken into account in modeling. An experimental infrastructure has been constructed for benchmarking of such models, as there currently exists few facilities capable of such experiments.

A 66.0 metre vertical three inch well has been constructed with four high accuracy pressure transducers and two temperature sensors along the wellbore. The well was as- sembled within a ten inch diameter, hundred meter deep pre-drilled well. Contained within the three inch well, sits a 67.8 metre drillstring consisting of half inch drillpipe and a two and half inch BHA connected to a counter weighted axial linear motor. The motor is ca- pable of a stroke length of 1.13 metres, direct implementation of curve motion data and a maximum velocity of 4.9 meters per second with peak force at 2180 Newton. Accurate positional measurements is achieved through a high accuracy one metre tall magnetostric- tive sensor rod situated at casing bottom and a position capture sensor within the linear motor. Both motion sensors operating at 1000 Hertz. A complete flow loop is connected to casing top and bottom through a circulation tank and a progressive cavity pump. An air controlled valve is placed at the bottom flow loop entry in order to shut the flow loop during experiments.

The purpose of the experimental infrastructure is to be able to analyze the dynamical pressure variations and drillstring movement associated with surge and swab. The design of the driving force motor allows for a plethora of testing opportunities in terms of string excitation. Specific stroke lengths and reciprocating behaviour as well as rig data can be implemented and tested. The flow loop allows for an uncomplicated exchange of drilling fluid within the well. The installed pump was chosen for its capability of pumping different types drilling fluids utilized in the industry today.

With the size, flexibility of possible experiments and diameter ratio, it is believed to be a field scalable setup. Validation of this can be achieved by implementation of rig data. With drillstring motion data, sample of the drilling fluid in use and similar drillstring ratios, field conditions can be replicated. Under these conditions it will be possible to validate or discard surge and swab models for field use. Though not proven, initial experiments shows great potential for benchmarking models.

The estimated propagation of the excitation through the drillstring was estimated to 11.57 milliseconds. The initial experiments exhibited consistent results with a delay of approximately 30 milliseconds between top and bottom positional measurements during initiation of string excitation. The reason for the additional delay has yet to be accounted for through subsequent experiments. The results are in the same order of magnitude as the expected delay. The additional delay could be due to dampening as well as fluid interaction and that a narrow annular gap is not taken into account. This quantification is beyond the scope of this thesis and should be investigated in future experiments.