Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/15173
Title: Hershel-bulkley Modeli Kullanılarak Surge Basınçlarının Tahmini Ve Sonuçların Analitik Ve Yazılım Karşılaştırılması.
Other Titles: Surge Pressure Prediction Using Herschel-bulkley Rheological Model And Comparison Of Analytical And Landmark Software Results.
Authors: Altun, Gürşat
Arain, Muhammad Mubeen Ur Rehman
10079031
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği
Petroleum and Natural Gas Engineering
Keywords: Herschel-Bulkley akışkan modeli
Manevra operasyon
Paradigm Sysdrill yazılımı
Kuyu içi basınç dalgalanması (surge veya swab)
Döner viskometre
YSYB reometresi.
Herschel-Bulkley fluid model
Tripping operation
Paradigm Sysdrill software
Surge and swab pressures
Rotational viscometer
HTHP rheometer.
Issue Date: 3-Jul-2015
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science And Technology
Abstract: Yeraltı enerji kaynakaları araştırması (petrol, gaz ve jeotermal) dünya enerji gereksinimini karşılamaya bağlı olarak artmaktadır. Günümüzde teknik olarak doğru ve maliyeti düşük sondaj uygulamaları çok kritik bir hale gelmiştir. Son birkaç on yılda, kuyu hidroliği büyük dikkat çekmiş ve buna bağlı olarak yüksek eğimli kuyular, uzun erişimli ve yatay kuyuların sayısında büyük artış görülmektedir. Bu sondaj ortamlarında formasyon basıncı ve formasyon çatlatma gradyeni arasındaki operasyonel pencere veya açıklık marjini genel olarak daha azdır ve sondaj dizisinin kuyu içerisine veya kuyudan dışarıya doğru olan manevrası sırasında meydana gelen kuyu içi basınç değişimlerinin veya dalgalanmalarının (surge veya swab olarak bilinmektedir) doğru bir şekilde tahmin edilmesi gerektiğini yansıtmaktadır. Sondaj akışkanının aşağı ve yukarı hareketinden kaynaklanan ve kuyu içi basınç dalgalanması (surge veya swab) olarak bilinen bu basınç değişimleri genellikle sürtünme basınç kayıplarıdır. Sondaj dizisi kuyu dışına doğru çekildiği zaman kuyudaki akışkanı akışkanı yukarıya doğru sürükler (drag), bu nedenle kuyu dibinde hidrostatik basınçta swab olarak bilinen bir basınç azalmasına sebep olur. Bunun tersi harekette, dizi kuyu içerisinde aşağı doğru hareket ettirildiğinde akışkanı aşağı doğru sürükler ve surge olarak bilinen kuyu içi basıncının artmasına neden olur. Sondaj dizisinin manevra operasyonu diziye boru eklemek, aşınmış matkabı değiştirmek, kuyu içerisinde kalmış parçaları dışarı çıkarmak (tahlisiye operasyonu) veya kuyu ölçüm aletlerinin (log aletleri) kuyuya indirilmesi ve çıkarılması gibi nedenlerle yapılır. Manevra operasyonlarında harcanan zaman genel olarak tüm sondaj zamanı için harcanan zamanın önemli bir bölümünü oluşturur. Manevra nedeniyle oluşan bu basınçların doğru bir şekilde belirlenmesi ve bilinmesi, sorunların azaltılmasında ve düşük maliyetli etkin bir sondaj operasyonunun yapılmasında çok büyük bir önemi vardır. Manevra nedeniyle oluşan kuyu içi basınç dalgalanmalarının (surge ve swab basınçları) hesaplanması sondaj hidroliğinde çok önemlidir. Sondaj dizisinin manevrası nedeniyle oluşabilecek yüksek basınç dalgalanmaları formasyon hasarı ve kuyu fışkırmaları gibi çok ciddi sorunlara neden olabilir. Formasyon basıncı ve formasyon çatlatma basıncı arasındaki açıklığın genel olarak küçük olduğu derindeniz kuyularının, uzun erişimli kuyuların (ERD) ve yüksek açılı kuyuların sondajı sırasında basınç dalgalanmalarının uygun bir şekilde tahmini önemi yadsınamaz bir gerçektir. Bu çalışmada, dizi hareketinden kaynaklanan basınç dalgalanmalarını hesaplayan yöntem Herschel-Bulkley akışkan modeli kullanılarak sunulmuştur ve sonuçlar Paradigm Sysdrill yazılımı (V.10) ile karşılaştırılmıştır. Çalışmada, basınç dalgalanmalarını bulmak için Merlo vd. (1995) tarafından tanıtılan sürtünme basınç kayıplarını Herschel-Bulkley akışkan için hesaplayan analitik denklemler kullanılmıştır. Sondaj dizisinin manevrası nedeniyle oluşan basınçların (surge ve swab) Herschel-Bulkley analitik modeli kullanılarak çözümü literatürde günümüze kadar yayınlanmamıştır ve bu yönüyle bu çalışma bir ilktir. Ancak, bu model denklemleri kullanılarak sondaj akışkanının sirkülasyonu sırasında meydana gelen sürtünme basınç kayıplarının (stand pipe pressure) belirlenmesine yönelik çalışmalar yayınlanmıştır. Çalışmada yapılan hesaplamalarda kuyunun düşey olduğu, kuyu anülüsünde dizinin merkezi olduğu (konsentrik), sondaj çamurunun sıkıştırılamaz akışkan olduğu ve kararlı akış durumları kabul edilmiştir. Ticari yazılım olan Paradigm Sysdrill (v.10) simülatörü sondaj kuyusunun planlanmasında, yön kontrolünde ve sondaj mühendisliği analizlerinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu program iki önemli modülden oluşmaktadır; bunlar (1) Sysdrill kuyu planlama ve yön kontrolü ve (2) Sysdrill sondaj mühendisliği. Bu çalışmada Sysdrill yazılımı Herschel-Bulkley modeli kullanılarak analitik olarak çözülen problem sonuçlarını karşılaştırmak için kullanılmıştır. Yazılımın dizi hareketi nedeniyle oluşan kuyu içi basınç dalgalanmalarını yanlış hesapladığı (sadece Herschel-Bulkley model değil, aynı zamanda Bingham Plastik ve Power Law gibi diğer reolojik modelleri içinde) belirlenmiştir. Konu hakkında yazılım firmasıyla irtibata geçilmiş ve programın yeni versiyonunda bu hatanın giderileceği bilgisi teyit edilmiştir. Barit-ağırlaştırılmış ve ağırlaştırılmamış su bazlı sepiolit çamurlar çalışmada kullanılmıştır. Sysdril yazılımından tahmin edilen sonuçlar farklılık göstermiştir ve kuyu içi basınç dalgalanmaları değerleri analitik model sonuçlarından alınanlara göre daha düşüktür. Kuyuiçi basınç dalgalanmaları (surge basınçları) Bingham Plastik ve Power Law reolojik modelleri kullanılarakta tahmin edilmiş ve sonuçlar Herschel-Bulkley model sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca, bu basınç dalgalanması üzerine etki eden parametreleri incelemek için duyarlılık analizi de gerçekleştirilmiştir. Kuyuiçi basınç dalgalanmaları dizi manevra hızı ve akışkan yoğunluğu ile doğrusal bir ilişki etkisi gösterirken, kuyu açıklığı (borehole clearance) doğrusal olmayan bir ilişki göstermiştir. Çalışma göstermiştir ki, kuyu içi basınç dalgalanması belli bir sıcaklık değerine kadar artan sıcaklıkla azalırken, daha sonra bu sıcaklıktan yüksek sıcaklıklarda basınç değerlerinde bir artış göstermiştir. Formasyon sıcaklığının çamur reolojisi ve kuyu içi basınç dalgalanması üzerine olan etkisini daha iyi anlayabilmek için belirtilen çamur örneklerinin reolojik sabitleri hem Fann35A döner viskometre hem de Fann50SL yüksek sıcaklık ve yüksek basınç (YSYB) reometresi kullanılarak ölçülmüştür. Sıcaklık koşullarını daha doğru canlandıran reometre ölçümlerinden elde edilen sonuçların viskometre sonuçlarından oldukça farklı değerler verdiği belirlenmiştir. Yüksek sıcaklıklı kuyuların analizinde viskometreden elde edilen sonuçlara göre yapılacak olan mühendislik analizlerinin yanlışlıklara ve dolayısıyla istenmeyen sorunlara neden olabileceği de gösterilmiştir. 350oF formasyon sıcaklığına kadar hem ağırlaştırılmış hem de ağırlaştırılmamış sepiolit çamurlarının sondaj dizisinin manevra hızlarının artırılmasına izin verdiği de belirlenmiştir. Bunula birlikte, doğru manevra hızlarının belirlenebilmesi için reometreye dayalı reolojik sabitlerin belirlenmesi gerekmektedir. Çalışmadan elde edilen diğer önemli sonuçlar aşağıda özet olarak verilmektedir: • Herschel-Bulkley modelinin analitik çözümü sonuçlarından elde edilen kuyu içi basınç dalgalanmaları (surge/swab) ticari yazılımın sonuçlarından daha iyi sonuç vermektedir. Analitik çözüm sonuçları daha yüksektir ve sonuçlar daha korunaklı ve güvenlikli bir çözüm vermektedir. • Kuyu içi basınç dalgalanmalarının artışına neden olan en önemli parametre manevra sırasındaki dizi hızının değeridir. Artan dizi hızıyla birlikte bu basınçlarda artmaktadır. • Kuyu içi basınç dalgalanmaları artan çmaur yoğunluğuyla birlikte artmaktadır, ancak artış oranı dizi hızındaki kadar yüksek değildir. • Dizi ve formasyon arasındaki anüler açıklık ile basınç dalgalanma değeri arasında ters bir ilişki vardır ve artan anüler açıklıkla birlikte basınç dalgalanmaları hızlı bir şekilde düşmektedir. • Hem barit-ağırlaştırılmış hem de ağırlaştırılmamış sepiolit temelli sondaj akışkanı durumunda, formasyon sıcaklığının dolayısı ile sondaj akışkanının belli bir değerine kadar (çamur jelleşmesi etkisi görülünceye kadar olan sıcaklık artışları) kuyu içi basınç dalgalanma (surge ve swab) değerlerinde azalma görülmektedir ve bu sıcaklık eşiğine (350o F) kadar manevra hızları arttırılabilir. • Sıcaklık ile birlikte değişen sondaj akışkanının reolojik sabitlerinin kuyu içi basınç dalgalanmaları (surge/swab) değerleri üzerine büyük etkisi vardır. • Sürtünme basınç kayıplarını daha doğru tahmin etmek için Herschel-Bulkley modelini göz önüne alan çamur yapışma sabiti (mud clinging constant) denklemleri ve/veya grafikleri günümüze kadar geliştirilmemiş ve literatürde yoktur. Bu nedenle, çalışmada Power Law akışkan için geliştirilmiş olan denklemler kullanılmıştır. • Yüksek sıcaklık koşullarında bütün özellikleri reometreden belirlenen sadece sepiolit temelli çamur özellikleri bu çalışmada kullanılmıştır. Diğer çamur türleri için (KCL, polimer temelli çamurlar, Lignosülfonat gibi) bu çalışma tekraralanabilir ve sepiolit çamur sonuçlarıyla karşılaştırılabilir.
In drilling hydraulics, the estimation of surge and swab pressures is important due to the fact that, the excessive surge pressures generated by pipe movement in tripping operations may result in serious consequences such as blowout and formation damage. Tripping operation can be performed due to several reasons such as adding pipe stand to drillstring, changing worn bit, removing fallen parts from borehole (fishing) or running logging tools. The time spent in tripping operation is a significant portion of the total time spent during overall drilling operations. During the drilling of offshore wells in deep waters, extended reach drilling (ERD) wells and highly deviated wells, small margins are encountered between pore pressure and formation fracture pressure. In such cases, the proper prediction of surge and swab pressure may exhibit paramount importance in order to ensure trouble free and cost effective drilling operations. In this work, the method for estimating surge pressures by analytical calculations using Herschel-Bulkley rheological model is presented and the results are compared with those obtained from Paradigm Sysdrill software, version 10. In calculating the frictional pressure losses for Herschel-Bulkley model the equations introduced by Merlo, et al. (1995) are employed. The barite-weighted and unweighted fresh water sepiolite muds are used in this study. The results estimated with Sysdrill software shows discrepancy, and the surge pressures are lower as compare to the results taken from analytical model. The surge pressures are also estimated using Bingham Plastic and Power Law model, and results are compared with Herschel-Bulkley rheological model. Additionally, a sensitivity analysis is performed to investigate the major parameters that affect surge pressures. The effect of tripping speed and fluid density exhibits the direct relationship, while the effect of borehole clearance exhibits the inverse relationship to the surge pressures. The study shows that, upto the certain degree of temperature, the surge pressures decrease with the increase in formation temperature, and then afterwards the surge pressures display an increment. For better understanding of formation temperature effect on mud rheology and surge pressures, the rheological constants for the mentioned mud samples are taken, using both Fann35A rotational viscometer and Fann50SL high temperature and high pressure (HTHP) rheometer. It is also determined that at the formation temperature up to 350°F, the use of both weighted and unweighted sepiolite muds allow to fasten the tripping speed of the drillstring.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
URI: http://hdl.handle.net/11527/15173
Appears in Collections:Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10079031.pdf1.44 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.