English: Advanced Wellbore Transport Modelling Norsk: Avansert modellering av transport i oljebrønnen

En av de største utfordringene i boreprosessen er fjerning av cuttings (borekaks), også kjent som hullensing. Flere faktorer påvirker effektiviteten av hullrensingen. De viktigste er brønnens geometri, formasjonen det bores i, borestrengens laterale bevegelse, eksentrisitet og rotasjonshastighet, borevæskens egenskaper, og strømningshastigheten til borevæsken. Gode modeller for cuttings transport som funksjon av disse parameterne er viktige for planlegging og styring av boreprosessen. En spesiell utfordring ved modellering av prosessen er de ikke-Newtonske egenskapene til borevæsken, hvor den lokale viskositeten er en funksjon av variasjonen i hastighetsfeltet. Dette gjør at cuttings holder seg lettere flytende ved lave hastigheter, og uønsket høyet nedihulls ved høye strømningshastigheter. Avhengig av strømningshastigheten så kan væskestrømning ha regimene laminær, turbulent eller en mellomting. Når partikler legges til strømningen så vil den få nye karakteristikker - strømningsmønstre, som stasjonært eller bevegende cuttings bed (nedre skikt med høyere tetthet av borekaks), homogen strømning og heterogen strømning. I prosjektet er det gjort studier av strømningsregimer og -mønstre gjennom analyse, eksperimenter og modellering. Det er gjort en analyse av den matematiske beskrivelsen av strømningsprosessen basert på utvikling av dimensjonsløse parametere. Denne metoden kan brukes til å studere parameterområder for forskjellige strømningsmønstre. En studie er gjort av karakteriske domener for operasjonelle boreparametere ved bruk av Oljedirektoratets database. Denne studien danner grunnlag for valg av parameterområder ved laboratorieforsøk og modellutvikling. Undersøkelser er gjort av viskøse egenskaper til anvendte gjennomsiktige polymere (polyanionic cellulose) testfluider. Resultatene viser godt samsvar med Cross/Carreau viskositetsmodell. Denne modellen er også anvendbar til CFD simuleringer. Studier av urenheter i form av salt i testfluidene viser at viskositeten minker med økende saltkonsentrasjon. Eksperimentelle studier er gjort av partikkelstrømning ved laminær og turbulent strømning, med fokus på partikkelsedimentering, cuttings bed bevegelse og partikkelskyer. Det er godt samsvar mellom resultater og CFD simuleringer med Newtonsk væske (vann). For ikke-Newtonske væsker er det derimot tydelige avvik mellom simuleringer og observasjoner. En ny modell for diskret modellering av partikler er utviklet som inkluderer effekten av interaksjon mellom væske og partikkel på sekundære strømninger. Denne modellen er verifisert med eksperimentelle data. Det er gjort 3D simuleringer av turbulent oppførsel i rør med direkte numeriske simuleringer med meget høy oppløsning (Direct Numerical Simulations), hvor fokuset har vært på oppførselen til turbulent friskjonsfaktor og fysiske grensebetingelser som funksjon av fluidets viskøse egenskaper. Denne metoden kan brukes til å estimere input til forenklede modeller. Det er gjort laboratoriestudier av partikkelstrøm i horisontalt rør med simulert roterende borestreng, hvor laser og høyhastighets video utstyr er brukt til målinger. Analyser av resultatene viser at cuttings bed har påvirkning på frekvens-spekteret til trykksvingninger i strømningen. Slike effekter kan også være tilstede i brønnen, og kan muligens brukes til monitorering av oppbygnings av cuttings bed. Videre viste resultater at strømningsmønstrene stasjonært bed og separert bevegende bed forsvinner i situasjonen med en roterende borestreng. En ny ikke-Newtonsk CFD modell er utviklet i ANSYS Fluent til modellering av cuttings transport i brønnbanen med ekstentrisitet og whirl på borestrengen. Til dette er det brukt en to-fluid modell sammen med ?Kinetic Theory of Granular Flows? og lukningsrelasjoner fra jordmekanikk for beskrivelse av de viskøse egneskapene til strømningen. Videre er det brukt dynamisk gridding for å modellere typisk lateral bevegelse av borestrengen. Denne modellen muliggjør kvalitative studier av cuttings transport i brønnen. Det er utviklet en forenklet modeller for tre-lags transport i horisontale rør som inkluderer le-dynamikk ved bevegelse og effekt av væskeakselerasjon grunnet varierende strømningstverrsnitt over cuttings bed. Modellresultater viser godt samsvar eksperimentelle forsøk med Newtonsk væske. Fordelen med denne modellen er beregningshastigheten. Videre utvikling trengs for å inkludere effekten av ikke-Newtonsk væske og annulær strømning med borestrengsdynamikk. En analytisk matematisk modell er utviklet for modellering av strengdynamikken til bruk i diagnostisering av friksjon på borestrengen som funksjon av hullrensing. Labforsøk er gjort av svingninger på en vertikal borestreng til validering av modellen. En database er opprettet for deling av prosjektresultater.

Det er etablert et godt internasjonalt kontaktnett innen fagfeltet som inkluderer akademiske og industrielle miljøer i Tyskland, Irland og USA. Dette gir godt grunnlag for videre forskning og utvikling. Eksperimentelle data og utviklede metoder er delt gjennom en sharepoint database. Dette muliggjør direkte bruk av resultater blant brukeraktørene i studier og til bruk av modeller for styring av boreprosessen. Utvikling og kompetansebyggingen gjort i prosjektet gir grunnlag for videre utvikling av anvendelser til bruk i planlegging og gjennomføring av boreprosessen. Spesielt fokus for videreutvikling vil være prediksjon av hullrensing for inklinasjoner mellom 60 og 30 grader, hvor eksisterende industrielle modeller har lav nøyaktighet. Videre er resultatene meget relevante til bruk for boring av geotermiske brønner, og vil kunne hjelpe på effektivisering av geotermisk utvikling.

The project is addressing knowledge needs identified by OG21 (TTA3) to be able to increase the number of drilled production wells on the Norwegian continental shelf, and specifically needs related to automation of drilling processes. Today, limitations in process understanding and model accuracy constitute a challenge with respect to achieving accurate and efficient control of the drilling process. Application process automation and diagnostic software tools are an integral part of today's drilling operat ions, and will in the future be even more so as increasingly more complex wells are drilled to improve oil recovery. The project focus is on deeper understanding of the fluid and particle transport processes during drilling using advanced mathematical mo delling supported by experimental data. The choice of modelling methodology shall be guided by the identified needs for improved models in drilling automation systems, with a hierarchy of models ranging from very detailed CFD-models to mechanistic models capable of faster than real-time execution. The project will be built around the three PhD candidates, with the research institutes SINTEF and IRIS contributing to the work packages containing the PhD work. In addition, SINTEF and IRIS scientists will w ork on a work package connecting the three PhD-topics and ensuring that that the end results of the project are targeted at the overall objective of supporting future model development for process automation. Titles for PhD-thesis are suggested as: 1) Cut tings bed interaction with the drill string, 2) Turbulence structure and particle transport in particle loaded Non-Newtonian Fluids, 3) Hole cleaning in drilling of deviated wells with multiphase drilling fluids. Experiments will be performed to generate data sets for analysis and model verification. Already existing process data will be applied where available. Also flow laboratories at the University of Stavanger and at NTNU will be used.