Drilling Fluid Design Enlarges the Hydraulic Operating Windows of Managed Pressure Drilling Operations

2011 ◽  
Author(s):  
Douglas Oakley ◽  
Lee Conn
Keyword(s):  
Drilling Fluid ◽  
Managed Pressure Drilling ◽  
Drilling Operations ◽  
Fluid Design

Nitrogen-Based Back Pressure Unit Modernizes Managed Pressure Drilling Operations

2021 ◽  
Author(s):  
Wamidh Louayd Al-Hashmy
Keyword(s):  
Drilling Fluid ◽  
Pressure Control ◽  
Drill String ◽  
Back Pressure ◽  
Managed Pressure Drilling ◽  
Core Function ◽  
Wellbore Pressure ◽  
Drilling Operations ◽  
Pressure Unit ◽  
Static Conditions

Abstract Managed Pressure Drilling (MPD) solutions are no longer the anomaly to Operator strategies, but rather another tool in their belts. With this continual utilization, MPD is evolving to become compact, more effective and safer. The inventive use of a Nitrogen Backup Unit (NBU) has eliminated the reliance of MPD operations on sizable Auxiliary Pumps. The core function of MPD operations is maintaining the total wellbore pressure by manipulating surface applied back pressure. MPD relies on circulating fluid as back pressure is generated by restricting flow against its choke(s). While drilling, fluid circulation is a given; however, that is not the case during static conditions such as drill string connections. The NBU solves this issue by injecting a small volume of nitrogen into the MPD lines upstream of the choke at a pre-set pressure. This supplements the back pressure control at surface should additional pressure be needed after closing the choke or if pressure diminishes during long static periods. Prior to the NBU design, the only effective solution was an Auxiliary Pump setup. This solution doubles the choke manifold footprint, relies on mechanical maintenance, and requires additional dedicated personnel at times. Most critically, the Auxiliary Pump lags the operation minutes before each use and is therefore functioned before static conditions when possible. However, unplanned and sudden events are commonplace – such as Rig Pump failures. When drilling formations with narrow pressure margins, unsafe gases, or crucial hole instability pressure limits, a few minutes can result in considerable and costly outcomes. Once installed during initial rig-up, the NBU is capable of injecting nitrogen-sourced back pressure instantaneously at the literal click of a button – avoiding costly and sometimes hazardous conditions. The NBU modernizes MPD operations and renders the Auxiliary Pump setup outdated in many applications. This paper details this innovative implementation of maintaining wellbore pressure, highlights several field examples of the NBU maintaining back pressure at critical times and shows how the layout used minimizes the operational footprint.

Developing a Managed Pressure Drilling Strategy for Casing Drilling Operations

2009 ◽  
Vol 62-64 ◽  
pp. 456-465
Author(s):  
Babs Mufutau Oyeneyin ◽  
V.C. Kelessidis ◽  
G. Bandelis ◽  
P. Dalamarinis
Keyword(s):  
Real Time ◽  
Drilling Fluid ◽  
Fluid Flows ◽  
Well Design ◽  
Managed Pressure Drilling ◽  
Wellbore Pressure ◽  
Theoretical Predictions ◽  
Drilling Operations ◽  
Horizontal Annuli ◽  
Casing Drilling

Casing drilling can be an effective method of reducing drilling costs and minimising drilling problems but its uptake around the world has been slow with only a few wells drilled so far with casing. Complex geological features like the high overburden on top of shallow unconsolidated reservoirs characteristic of offshore West Africa can benefit from casing drilling when effectively combined with Managed Pressure Drilling technique. For the industry to develop a managed pressure drilling capability that will allow today’s generation of complex wells to be drilled safely with casing, it is necessary to develop models that include the effect of eccentricity , rotation and fluid rheology at bottom hole conditions on flow and pressure regimes, and to embed these models within an easy to use, intuitive well design package for pre planning and as a real time tool to monitor and provide forward simulations based on real time rig and downhole data. The paper presents new results of the theoretical predictions of the wellbore pressure regimes incurred when different types of drilling fluid flows in concentric and eccentric horizontal annuli. The concentric and eccentric casing drilling results are compared with parallel predictions from conventional drillstring results from developed analytical solutions integrated into the VisWELL(DeskTop Simulator) , which is used in simulating well operations.

scholarly journals Assessing the Relation between Mud Components and Rheology for Loss Circulation Prevention Using Polymeric Gels: A Machine Learning Approach

Energies ◽  
2021 ◽  
Vol 14 (5) ◽  
pp. 1377
Author(s):  
Musaab I. Magzoub ◽  
Raj Kiran ◽  
Saeed Salehi ◽  
Ibnelwaleed A. Hussein ◽  
Mustafa S. Nasser
Keyword(s):  
Machine Learning ◽  
Rheological Properties ◽  
Nearest Neighbor ◽  
Drilling Fluid ◽  
Gradient Boosting ◽  
K Nearest Neighbor ◽  
Wide Range ◽  
Machine Learning Approach ◽  
Drilling Operations

The traditional way to mitigate loss circulation in drilling operations is to use preventative and curative materials. However, it is difficult to quantify the amount of materials from every possible combination to produce customized rheological properties. In this study, machine learning (ML) is used to develop a framework to identify material composition for loss circulation applications based on the desired rheological characteristics. The relation between the rheological properties and the mud components for polyacrylamide/polyethyleneimine (PAM/PEI)-based mud is assessed experimentally. Four different ML algorithms were implemented to model the rheological data for various mud components at different concentrations and testing conditions. These four algorithms include (a) k-Nearest Neighbor, (b) Random Forest, (c) Gradient Boosting, and (d) AdaBoosting. The Gradient Boosting model showed the highest accuracy (91 and 74% for plastic and apparent viscosity, respectively), which can be further used for hydraulic calculations. Overall, the experimental study presented in this paper, together with the proposed ML-based framework, adds valuable information to the design of PAM/PEI-based mud. The ML models allowed a wide range of rheology assessments for various drilling fluid formulations with a mean accuracy of up to 91%. The case study has shown that with the appropriate combination of materials, reasonable rheological properties could be achieved to prevent loss circulation by managing the equivalent circulating density (ECD).

A Generalized Model for the Field Assessment of Drilling Fluid Viscoelasticity

2021 ◽  
Author(s):  
Chen Hongbo ◽  
Okesanya Temi ◽  
Kuru Ergun ◽  
Heath Garett ◽  
Hadley Dylan
Keyword(s):  
Drilling Fluid ◽  
Field Testing ◽  
Field Application ◽  
Testing Equipment ◽  
Drilling Fluids ◽  
Rotational Viscometer ◽  
Generalized Model ◽  
Fluid Elasticity ◽  
Field Samples ◽  
Drilling Operations

Abstract Recent studies highlight the significant role of drilling fluid elasticity in particle suspension and hole cleaning during drilling operations. Traditional methods to quantify fluid elasticity require the use of advanced rheometers not suitable for field application. The main objectives of the study were to develop a generalized model for determining viscoelasticity of a drilling fluid using standard field-testing equipment, investigate the factors influencing drilling fluid viscoelasticity in the field, and provide an understanding of the viscoelasticity concept. Over 80 fluid formulations used in this study included field samples of oil-based drilling fluids as well as laboratory samples formulated with bentonite and other polymers such as partially-hydrolyzed polyacrylamide, synthesized xanthan gum, and polyacrylic acid. Detailed rheological characterizations of these fluids used a funnel viscometer and a rotational viscometer. Elastic properties of the drilling fluids (quantified in terms of the energy required to cause an irreversible deformation in the fluid's structure) were obtained from oscillatory tests conducted using a cone-and-plate type rheometer. Using an empirical approach, a non-iterative model for quantifying elasticity correlated test results from a funnel viscometer and a rotational viscometer. The generalized model was able to predict the elasticity of drilling fluids with a mean absolute error of 5.75%. In addition, the model offers practical versatility by requiring only standard drilling fluid testing equipment to predict viscoelasticity. Experimental results showed that non-aqueous fluid (NAF) viscoelasticity is inversely proportional to the oil-water ratio and the presence of clay greatly debilitates the elasticity of the samples while enhancing their viscosity. The work efforts present a model for estimating drilling fluid elasticity using standard drilling fluid field-testing equipment. Furthermore, a revised approach helps to describe the viscoelastic property of a fluid that involves quantifying the amount of energy required to irreversibly deform a unit volume of viscoelastic fluid. The methodology, combined with the explanation of the viscoelasticity concept, provides a practical tool for optimizing drilling operations based on the viscoelasticity of drilling fluids.

Hole-Cleaning Fibers Improve Cuttings-Carrying Capacity

2021 ◽  
Vol 73 (05) ◽  
pp. 63-64
Author(s):  
Chris Carpenter
Keyword(s):  
Flow Regime ◽  
Carrying Capacity ◽  
Rheological Model ◽  
Drilling Fluid ◽  
Test Method ◽  
Abu Dhabi ◽  
Rheological Parameters ◽  
Cleaning Efficiency ◽  
Hole Cleaning ◽  
Drilling Operations

This article, written by JPT Technology Editor Chris Carpenter, contains highlights of paper SPE 203147, “Investigating Hole-Cleaning Fibers’ Mechanism To Improve Cutting Carrying Capacity and Comparing Their Effectiveness With Common Polymeric Pills,” by Mohammad Saeed Karimi Rad, Mojtaba Kalhor Mohammadi, SPE, and Kourosh Tahmasbi Nowtarki, International Drilling Fluids, prepared for the 2020 Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference, Abu Dhabi, held virtually 9–12 November. The paper has not been peer reviewed. Hole cleaning in deviated wells is more challenging than in vertical wells because of the boycott effect or the eccentricity of the drillpipe. Poor hole cleaning can result in problems such as borehole packoff or excessive equivalent circulating density. The complete paper investigates a specialized fibrous material (Fiber 1) for hole-cleaning characteristics. The primary goal is to identify significant mechanisms of hole-cleaning fibers and their merits compared with polymeric high-viscosity pills. Hole-Cleaning Indices Based on a review of the literature, most effective parameters regarding hole cleaning in different well types were investigated. These parameters can be classified into the following five categories: - Well design (e.g., hole angle, drillpipe eccentricity, well trajectory) - Drilling-fluid properties (e.g., gel strength, mud weight) - Formation properties (e.g., lithology, cutting specific gravity, cuttings size and shape) - Hydraulic optimizations (e.g., flow regime, nozzle size, number of nozzles) - Drilling practices (e.g., drillpipe rotation speed, wellbore tortuosity, bit type, rate of penetration, pump rate) In this research, rheological parameters and parameters of the Herschel-Bulkley rheological model are considered to be optimization inputs to increase hole-cleaning efficiency of commonly used pills in drilling operations. The complete paper offers a detailed discussion of both the importance of flow regime and the role of the Herschel-Bulkley rheological model in reaching a better prognosis of drilling-fluid behavior at low shear rates. The properties of the fibrous hole-cleaning agent used in the complete paper are provided in Table 1. Test Method Two series of tests were performed. The medium of the first series is drilling water, with the goal of evaluating the efficiency of Fiber 1 in fresh pills. The second series of tests was per-formed with a simple polymeric mud as a medium common in drilling operations. Formulations and rheological properties of both test series are provided in Tables 4 and 5 of the complete paper, respectively.

Development of Digital Twins for Drilling Fluids: Local Velocities for Hole Cleaning and Rheology Monitoring

2021 ◽  
Author(s):  
Mehrdad Gharib Shirangi ◽  
Roger Aragall ◽  
Reza Ettehadi ◽  
Roland May ◽  
Edward Furlong ◽  
...  
Keyword(s):  
Machine Learning ◽  
Rheological Properties ◽  
Drilling Fluid ◽  
Training Data ◽  
Drilling Fluids ◽  
Hole Cleaning ◽  
Digital Twins ◽  
Wide Range ◽  
Drilling Operations ◽  
Cuttings Bed

Abstract In this work, we present our advances to develop and apply digital twins for drilling fluids and associated wellbore phenomena during drilling operations. A drilling fluid digital twin is a series of interconnected models that incorporate the learning from the past historical data in a wide range of operational settings to determine the fluids properties in realtime operations. From several drilling fluid functionalities and operational parameters, we describe advancements to improve hole cleaning predictions and high-pressure high-temperature (HPHT) rheological properties monitoring. In the hole cleaning application, we consider the Clark and Bickham (1994) approach which requires the prediction of the local fluid velocity above the cuttings bed as a function of operating conditions. We develop accurate computational fluid dynamics (CFD) models to capture the effects of rotation, eccentricity and bed height on local fluid velocities above cuttings bed. We then run 55,000 CFD simulations for a wide range of operational settings to generate training data for machine learning. For rheology monitoring, thousands of lab experiment records are collected as training data for machine learning. In this case, the HPHT rheological properties are determined based on rheological measurement in the American Petroleum Institute (API) condition together with the fluid type and composition data. We compare the results of application of several machine learning algorithms to represent CFD simulations (for hole cleaning application) and lab experiments (for monitoring HPHT rheological properties). Rotating cross-validation method is applied to ensure accurate and robust results. In both cases, models from the Gradient Boosting and the Artificial Neural Network algorithms provided the highest accuracy (about 0.95 in terms of R-squared) for test datasets. With developments presented in this paper, the hole cleaning calculations can be performed more accurately in real-time, and the HPHT rheological properties of drilling fluids can be estimated at the rigsite before performing the lab experiments. These contributions advance digital transformation of drilling operations.

An Innovative Fluid Pressure Transmission Pill Successfully Used During Managed-Pressure Drilling Operations in an HTHP Environment

2008 ◽  
Author(s):  
Egil Ronaes ◽  
Ole Iacob Prebensen ◽  
Renate Mikalsen ◽  
Knut Taugbol ◽  
Svein Syltoy ◽  
...  
Keyword(s):  
Fluid Pressure ◽  
Managed Pressure Drilling ◽  
Pressure Transmission ◽  
Drilling Operations

scholarly journals Synthesis and development of smart drilling fluids using nanoparticles to tailor their transport properties for enhanced drilling operations

2018 ◽  
Author(s):  
Ζήσης Βρύζας
Keyword(s):  
Transport Properties ◽  
Yield Stress ◽  
Drilling Fluid ◽  
Fluid Loss ◽  
Drilling Fluids ◽  
Natural Fractures ◽  
Custom Made ◽  
Drilling Operations ◽  
Induced Fractures

Η γεώτρηση αποτελεί την πλέον δαπανηρή εργασία σε μια καμπάνια εξεύρεσης και παραγωγής υδρογονανθράκων. Πέραν αυτού συνιστά και την μοναδική διεργασία που δίνει τη δυνατότητα ακριβούς προσδιορισμού των αποθεμάτων στο υπέδαφος. Ο πολφός (γεωτρητικά ρευστά) είναι το ‘αίμα’ της γεώτρησης: παρέχει πίεση, μεταφορά τριμμάτων/θραυσμάτων από τον πυθμένα του φρέατος, ψύξη και λίπανση κοπτικού και στήλης, καθώς επίσης διατηρεί τα θραύσματα εν αιωρήσει όταν υπάρχει διακοπή της κυκλοφορίας. Ως ρευστό γεώτρησης (drilling fluid) χρησιμοποιείται συνήθως ένα αιώρημα πηλού και άλλων υλικών σε νερό. Τα ρευστά διάτρησης με βάση το νερό αποτελούνται από α) νερό, το οποίο αποτελεί την συνεχή φάση και παρέχει το αρχικό ιξώδες (φρέσκο ή θαλασσινό), β) ενεργά στερεά για την ενίσχυση του ιξώδους και του σημείου διαρροής (μπεντονίτης, που συνιστάται στην περίπτωση του φρέσκου νερού και ατταπουλγίτης, αμίαντος ή σιπιόλιθος, που συνιστώνται στην περίπτωση του θαλασσινού νερού), και γ) αδρανή στερεά για την επίτευξη της απαιτούμενης πυκνότητας (βαρύτης, θειούχος μόλυβδος, σιδηρομεταλλεύματα ή χαλαζιακά υλικά).Τα γεωτρητικά ρευστά αποτελούν το 10-20% του συνολικού κόστους κατά την διάρκεια μιας γεώτρησης. Ποσοστό πολύ υψηλό όταν μιλάμε για επενδύσεις εκκατομυρίων δολλαρίων. Λόγω των ολοένα πιο βαθιών αλλά και περίπλοκων γεωλογικών σχηματισμών υπάρχει τεράστια ανάγκη από την πετρελαική βιομηχανία για καινούργια και περισσότερο αποδοτικά γεωτρητικά ρευστά τα οποία θα μπορούν να ανταπεξέλθουν στα ολοένα και πιο απαιτητικά περβάλλοντα θερμοκρασίας και πίεσης. Τα σημαντικότερα ζητήματα τα οποία καλούνται να ανταποκριθούν τα ρευστά είναι οι ολοένα αυξανόμενες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας στο υπέδαφος που είναι απόροια της αναζήτησης υδρογονανθράκων σε πλέον δύσβατες περιοχές με μεγαλύτερα βάθη που αυξάνουν τους κινδύνους και το κόστος για μια γεώτρηση. Η απώλεια ρευστού κυκλοφορίας (fluid loss) είναι ένα από τα σημαντικότερα και πλέον δαπανηρά προβλήματα κατά την διαδικασία μιας γεώτρησης. Ως απώλεια ρευστού κυκλοφορίας ορίζεται η συνολική ή μερική απώλεια των ρευστών της γεώτρησης σε εξαιρετικά διαπερατές ζώνες (porous sands), σε σπηλαιώδεις σχηματισμούς (cavernous zones), σε φυσικές ρηγματώσεις (natural fractures) και σε ρηγματώσεις προκαλούμενες κατά τη διάτρηση (induced fractures). Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για την βελτίωση των γεωτρητικών ρευστών με την χρήση νανοσωματιδίων, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν τις ιδιότητες των γεωτρητικών ρευστών όταν προστίθενται ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις (<1 wt%). Οι μοναδικές τους ιδιότητες σχετίζονται με το μικρό τους μέγεθος και επομένως τον εξαιρετικά μεγάλο λόγο επιφάνειας προς όγκο.Σε αυτή την εργασία, εξετάστηκαν διάφορα εμπορικά νανοσωματίδια (Fe2O3, Fe3O4, SiO2) καθώς επίσης συντέθηκαν, με την μέθοδο της συγκαταβύθισης, νανοσωματιδία μαγνητίτη (custom-made Fe3O4), με και χωρίς επικάλυψη κιτρικού οξέος, τα οποία ερευνήθηκαν ως προς την ικανότητα τους να βελτιώσουν τις ρεολογικές ιδιότητες και την απώλεια ρευστών σε αιωρήματα μπετονίτη. Προκειμένου να χαρακτηρισθούν φυσικοχημικά τα αιωρήματα υπέστησαν ξήρανση με κοκκοποίηση σε θερμοκρασία υγρού Ν2 και κρυοξήρανση. Η μορφολογία, η κρυσταλλική δομή και οι επιφανειακές ομάδες των ξηρών κόνεων εξετάσθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία HR-TΕM, περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), φυσική ρόφηση Ν2 και φασματοσκοπία FTIR. Οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων μπετονίτη με τα νανοσωματίδια και οι διάφορες δομές που δημιουργούνται και πως τελικά αυτές επηρεάζουν τις ρεολογικές ιδιότητες των αιωρημάτων εξετάστηκαν με το HR-TEM στους 25°C και 60°C. Με βάση τις εικόνες από το HR-TEM, ένα μοντέλο αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφορετικών τύπων νανοσωματιδίων και σωματιδίων μπετονίτη δημιουργήθηκε για πρώτη φορά για τέτοια αιωρήματα. Οι ρεολογικές ιδιότητες των παραγόμενων δειγμάτων εξετάστηκαν και σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης (μέχρι 70°C) με την χρήση περιστροφικού ιξωδόμετρου (Grace M3600-Couette type geometry) αλλά και σε συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (69 bar-121°C) (Chandler 7600 HPHT viscometer). Το μοντέλο Herschel-Bulkley χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει τη μεταβολή του ιξώδους με τη μεταβολή των ρεολογικών παραμέτρων δείχνοντας εξαιρετική εφαρμογή για τις διαφορετικές πειραματικές μετρήσεις με συντελεστές συσχέτισης (R2) >0.99 σε όλες τις περιπτώσεις. Οι ρεολογικές μετρήσεις έδειξαν ότι η προσθήκη των νανοσωματιδίων βελτιώνει σημαντικά τις ρεολογικές ιδιότητες των αιωρημάτων μπετονίτη στις διάφορες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Οι απώλειες ρευστών (fluid loss) εξετάστηκαν με φιλτροπρέσες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας (20.7 bar και 121°C) οι οποίες υπολογίζουν τον ρυθμό διήθησης του πολφού μέσω του χρησιμοποιούμενου φίλτρου (κεραμικός δίσκος). Η μεγαλύτερη μείωση στην απώλεια ρευστών επιτεύχθηκε για το δείγμα που περιείχε 0.5 wt% custom-made Fe3O4 με μείωση -40% σε σχέση με το αρχικό δείγμα μπετονίτη που δείχνει την τεράστια ικανότητα των νανοσωματιδίων να βελτιώσουν σημαντικά τις απώλειες ρευστών ακόμα και σε τόσο μικρές συγκεντρώσεις. Τέλος, εξετάστηκε η ικανότητα των παραγόμενων ρευστών να αλλάζουν τις ρεολογικές τους ιδιότητες υπό την επίδραση διάφορων μαγνητικών πεδίων (μέχρι 0.7 Tesla). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα καινούργια γεωτρητικά ρευστά έχουν την ικανότητα να αυξάνουν την τάση διολίσθησης (yield stress) έως και 300% σε σχέση με αυτή που μετρήθηκε χωρίς την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου. Αυτό είναι κάτι πολύ σημαντικό που επιτρέπει την χρήση έξυπνων ρευστών (smart drilling fluids) τα οποία μπορούν να εξοικονομήσουν και χρόνο αλλά και κόστη κατά την διάρκεια μιας γεώτρησης.Τα νανοσωματίδια δείχνουν πολλές ελπιδοφόρες δυνατότητες σε εφαρμογές γεωτρήσεων αφού έχουν τη δυνατότητα να βελτιώσουν ή και να λύσουν το πρόβλημα της απώλειας ρευστών, όταν προστίθενται ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις (>0.5 wt%), ενώ ταυτόχρονα βελτιστοποιούν τις ρεολογικές ιδιότητες των γεωτρητικών ρευστών. Η χρήση τους για την ανάπτυξη βελτιωμένων γεωτρητικών ρευστών υπόσχεται να αλλάξει την βιομηχανία των γεωτρήσεων και να την βοηθήσει να εξορυχθούν πολύπλοκοι γεωλογικοί σχηματισμοί πιο αποδοτικά αλλά και οικονομικά.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document