Empirical analysis of localized casing wear with variations in contact pressure and drilling conditions

Yaqoob, Tanveer

Im Wettkampf die Grenzen der Kohlenwasserstoff- und Geothermie Förderung sowie Speicherung stetig zu übertreffen und optimieren, wurden horizontale Bohrungen, tiefe Ablenkungsbohrungen und Bohrungen mit großem Neigungswinkel (ERD Bohrungen) zum heutigen Standard. Bei der Planung solcher Projekte sowie Ablenkungen, wirken sich Vorgänge wie Räumen (reaming), Bohren (drilling), Rotation off-bottom und das Ein- und Ausfahren der Bohrgestänge enorm auf die Futterrohr Beschaffenheit aus. Durch das Aufeinandertreffen und dem herrschenden Kontakt zwischen dem Bohrstrang und der Innenwand des Futterrohrs, tritt eine stärkere Abnutzung des Materials auf seitens des Futterrohrs, besonders an den Verbindungsstellen des Bohrstrangs, auf. Dies führt entweder zu einem ungleichmäßigen kreisförmigen Schwund der Futterrohr-Stärke, oder bei längerem kontinuierlichem Kontakt gegen die Innenwand des Futterrohrs, zu einer punktuellen tiefen Verschleißrille. Ein dynamischer Futterrohr-Verschleiß ist aufgrund der Vielzahl von Variablen, ein komplexes, zu simulierendes Phänomen, da die Variablen das nicht-lineare Verschleißverhalten beeinflussen. Die Verschleißintensität wird durch individuelle Kombinationen von Betriebsbelastungen (verändernde Kraft-Flächen-Verteilungen) beeinflusst. Metallurgische Eigenschaften (Werkstoffhärte und Streckgrenze) und vorherrschende tribologische Mechanismen (Oberflächenrauheit, Reibungsfaktoren und Verschleißart) kommen zum Tragen. Damit Verschleißsimulationsgleichungen möglichst genau sind, müssen die erforderlichen Reibungs- und Verschleißfaktoren experimentell durch umfangreiche Versuche bestimmt werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, besteht der erste Schritt dieser Forschung darin, vorhandene mathematische Modelle und konventionelle Bohrlochplanungssoftwares zu analysieren. Daraus folgt die Bestimmung von Parametern, die für ein umfassendes Verschleißtestverfahren in Bezug auf variable Seitenkraft, Bohrstrangdrehzahl, axiale Bewegung und Fluidtyp, notwendig sind. Der zweite Schritt und somit der Fokus dieser Studie ist die Planung, Konstruktion und Anwendung eines vollwertigen Verschleißmodels zur Reproduktion von Reibungs- und Verschleißfaktoren unter Feldbedingungen. Die entwickelte Verschleißanlage ermöglicht Abrieb verschiedener Futterrohr-Materialien unter diversen Betriebslasten und verschieden Arten von Schmiermitteln zu simulieren. Unter Anwendung nahezu gleicher Betriebslasten, wurden die Verschleißprozesse für Stahl-, Glasfaser- und Kohlefaser-Futterrohrs untereinander verglichen. Der Umfang der Testreihe beinhaltete bislang 14 Tests unter Anwendung eines Schlammbasierenden Schmiermittels oder Wasser. Vergleiche zwischen den erbrachten Ergebnissen, in Bezug auf Reibungs- und Verschleißfaktoren, zeigen eine starke Ähnlichkeit und stehen somit im Einklang mit früheren experimentellen Studien. Nachdem der höchste Verschleißfaktor binnen kurzer Testdauer erreicht wurde, ist zu beobachten, dass dieser nach einer Verringerung des Druckkontaktes drastisch und stetig sinkt. Dieses Phänomen ist bei allen getesteten Materialien unter bestimmten Betriebslasten und Bohrszenarien zu verzeichnen und kann als einen genaueren Richtwert für Feld Ereignisse genutzt werden. Des Weiteren können mithilfe der gemessenen Werte des Reibungsfaktors, die Spanne der Belastungsdruckgrenze (Contact Pressure Threshold) an den Futterrohren genauer bestimmt werden. Eine Verschleißvolumengleichung, basierend auf den experimentellen Ergebnissen, wird als Teil der Testergebnisse präsentiert. Anhand der ermittelten Werte sowie Trends der Versuchsergebnisse, können Vorhersagen, bezüglich des Verschleißes, getroffen werden. Indem weiterer Stahlsorten, Durchmesser und neue Futterrohr-Materialien in den experimentellen Umfang einbezogen werden, kann die Anlage unter praxisnahen Bedingungen Verschleißverhalten darstellen. Hersteller für Futterrohre und Verbindungen profitieren von diesen Simulationen, um genauere Werte bei ihrer Herstellungsweise integrieren zu können. Durch die Anlage simulierten Feld Bedingungen, können die Werte der Belastungsdruckgrenzen (Contact Pressure Threshold) und Verschleißfaktoren erlangt werden. Diese Werte werden benötigt, um eine empirische Daten Gliederung zu erstellen, welche daraufhin in eine Software integriert werden. Dies vermag den Futterrohr-Verschleiß im Voraus abzuwägen und zu reduzieren, aber ermöglicht gleichzeitig die Flexibilität bei Betriebslasten beizubehalten.

In the race to push the limits of hydrocarbon and geothermal production (and storage), deep inclined, horizontal, and ERD wells have become the drilling norm. In building such well trajectories, processes such as drilling, reaming, rotation off-bottom and tripping always affect casing wall thickness due to its interaction with the drillstring (particularly at the tool joints) under high contact forces. This results in either an uneven circumferential thickness reduction or, in case of long continuous contact of a tense drillstring pressed against the casing inner wall, a localized deep wear-groove. Localized dynamic casing wear is a complex phenomenon to simulate due to the number of control variables influencing the non-linear wear behavior. Wear intensity is influenced by individual combinations of service loads (changing force-area distributions), metallurgical properties (material hardness and yield strength) and prevailing tribological mechanisms (surface roughness, friction factors and wear type). For wear simulation models to be accurate, the required friction- and wear factors must be experimentally determined by full-scale tests. To fulfill this requisite, the first step of this research is to analyze existing mathematical models and conventional well planning software to establish parameters for a full-scale wear test method in terms of variable side force, drillstring RPM, axial reciprocation, and fluid type. The design, construction, and application of a full-scale wear frame to reproduce friction- and wear factors under field conditions is the second step, and the core focus of this study. The wear frame is designed to incorporate different casing materials under a range of operational loads and lubrication conditions, and wear scenarios under similar service loads have been compared for steel, fibered glass and fibered carbon casings. A total of 14 wear tests have been carried out in the study time-frame for the casing materials under water and mud lubrication conditions. A comparison of test results shows good consistency and agreement with previous experimental studies in terms of friction and wear factors. After the initial peak values, the wear factor is observed to decline drastically to a steady-drop range upon contact pressure reduction. For all tested materials, this steady range of values can provide a good estimate of field wear volume over time under particular service loads and drilling scenarios. Also, the measured steady values of friction factors help determine close ranges on contact pressure threshold for the casings. A proposed wear volume equation based on the experimental results is presented as a part of test results. It has been observed from the detected trends in the test results that repeated wear tests can make casing wear predictable. With the inclusion of more steel grades, diameters and new casing materials into the experimental scope, the wear frame can be used to develop a comprehensive record of wear performance under different field scenarios for casing and tool joint manufacturing industry. Attribution of wear factors and contact pressure thresholds to specific field conditions via a wear test database, and its integration into a software solution, can fill gaps to help reduce casing wear while retaining flexibility on operational loads.

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Yaqoob, Tanveer: Empirical analysis of localized casing wear with variations in contact pressure and drilling conditions. Clausthal-Zellerfeld 2022.

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