6n Degrees of Freedom Transient Torque & Drag

Når en borer vertikale og devierte brønner, er det ganske vanlig at kraftige borestrengs vibrasjoner er kilden til reduksjon av ytelse eller hendelser som ustabilitet i brønnen, skader på verktøy brukt nedi hullet eller for tidlig slitasje på borerør. Det er mange former for borestrengs vibrasjoner: noen er torsjonale, andre er aksiale eller til og med laterale. Men i praksis kan alle tre vibrasjonsbevegelsene skje samtidig langs borestrengen. Det er mulig å modellere de kombinerte effektene av aksiale og torsjonale oscillasjoner i sanntid, men det er mye mer utfordrende å inkludere modellering av sideforskyvninger og likevel være kompatibel med sanntidsbegrensinger. Matematisk modellering og nedihullsmålinger indikerer at den dynamiske bevegelsen til borestrengen også påvirkes av hydrauliske effekter (se https://doi.org/10.2118/199678-PA). Siden borevæsker er ikke-Newtonske, tiksotropiske og viskoelastiske, er den hydromekaniske interaksjonen mellom borerøret og borevæsken kompleks, og må studeres i detalj. Først har vi undersøkt virkningen av borevæske under hydrostatiske forhold og kommet frem til en generell formulering for beregning av oppdriftskrefter på deler av vanlige og perforerte rør (se https://doi.org/10.2118/204025-PA). Vi har også funnet ut at Quemadas reologiske oppførsel er spesielt godt egnet til å beskrive oppførselen for stabile tilstander til boreværsker, og vi har utledet en effektiv metode for å kalibrere strømningskurver til Quemadas reologiske oppførsel (se https://doi.org/10.1115/OMAE2021-60500). Quemada-reologien er kompleks og nye metoder for å beregne trykktap i stabile tilstander i rør og ringrom måtte utledes (se: https://doi.org/10.3390/en13236165). En av de mest interessante aspektene ved Quemadas reologiske oppførsel, er at den tillater å introdusere tiksotropisk oppførsel på en veldig naturlig måte. Ettersom tiksotropi betyr at væskens viskøse egenskaper avhenger av dens skjærs historie, er det åpenbart en interessant interaksjon når det er en forbigående forskyvning av borestrengen i den tiksotrope væsken. Av den grunn har vi studert virkningen av oscillerende strømningshastigheter av ikke-Newtonske væsker i sirkulære rør og funnet ut at den dynamiske responsen når det gjelder trykkgradienter av tiksotrope og ikke-tiksotrope avviker vesentlig. Vi har utviklet en transient modell av væsken for slike væsker under dynamiske forhold (se https://doi.org/10.1115/OMAE2021-61638). Mens en gjør differensialtrykkmålinger i en strømningssløyfe og sammenligner målingene fra teoretiske beregninger basert på nøyaktige strømningskurver laget med et vitenskapelig reometer, har vi at jo mer skjærfortynnet væsken er, desto større er avviket mellom de målte trykkgradientene og de teoretiske verdiene. Vi har sporet tilbake opprinnelsen til avviket til standardkonverteringene gjort av Couette-reometre. Faktisk bruker skjærhastighetene og spenningene gitt av reometrene antakelsen om at væsken er Newtonsk, noe som ikke er vårt tilfelle. Vi har utviklet en korreksjonsmetode for ikke-Newtonske effekter i Couette-reometer og fått bekreftet at etter korreksjon er de teoretiske og målte trykkgradientene i et sirkulært rør veldig nærme. Vi har samtidig utviklet en rask og presis metode for å kalibrere Herschel-Bulkleys reologiske oppførsel fra trykkgradientmålinger i sirkulære rør (se https://doi.org/10.3390/fluids6040157). Kalibreringsmetoden er inspirert av en smart metode publisert av G. Mullineux (https://doi.org/10.1016/j.apm.2007.09.010). Til nytte for det vitenskapelige samfunnet, har kalibreringsmetoden beskrevet av Mullineux (2008) blitt implementert i en åpen kildekode-mikrotjeneste (https://github.com/Open-Source-Drilling-Community/Yield-Power-Law-rheology-calibration). Mikroservicetjenesten er også tilgjengelig her:https://app.digiwells.no/YPLCalibrationFromRheometer/Rheograms. Bidraget med åpen kildekode til fellesskapet for boring, er beskrevet i en artikkel som vil bli tilgjengelig i mars 2022(SPE-208794-MS).

Despite the benefits of using high rotational speed on drilling performance, the systematic use of high top-drive speeds has led to adverse side-effects such as excessive tool-joint wear, wellbore instabilities induced by mechanical shocks, and extreme grinding of drilled-cutting particles resulting in problematic hole cleaning conditions. At any positions along the drill-string, there are 6 degrees of freedom (DOF): one axial, one torsional and four laterals, i.e. two for displacement and two for the direction. The drill-string can be decomposed in n elements, each element having therefore 6 DOF. The primary objective of this project is to develop a 6n DOF transient torque and drag model that is tightly coupled with transient hydraulic and material transport models. The secondary objectives are to develop find automatic calibration methods for the high-fidelity model and to automatically derive a light-weight surrogate model that captures the most important dynamic modes of the full fledge model. The surrogate model can be used in optimization problems. With such a model at hand, it then possible to determine the range of drilling parameters and optimal drilling procedures that minimize drilling events associated with axial, torsional and lateral movements of the drill-string, yet allowing for effective drilling conditions.