Modelling Wellbore Hydraulics Through Thermal Rheological Sepiolite Mud Properties

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Gün geçtikçe, sondaj teknolojisi ve yöntemlerindeki ilerlemeye rağmen, zorlu ortam koşullardan dolayı ortaya çıkan problemlerin anlaşılması ve çözümleri daha da karmaşık ve güç hale gelmektedir. Bu karmaşıklığı tetikleyerek daha da zor hale sürükleyen bazı faktörler dönüşü olmayan sonuçlara neden olabilmektedir. Bu durumlardan önemli olan bazıları derin sondaj operasyonlarında ortaya çıkan yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve derin denizaltı bölgelerinde arama ve hidrokarbon üretiminin maliyetini artıran kuyu stabilitesi problemleridir. Bundan dolayı, derinlikle formasyon basıncı ve formasyon çatlatma basınç değişimi hakkında doğru bilgilere sahip olmak, özellikle yukarıdaki söz konusu zorlu ortamlarda kuyu planlama açısından çok önemli ve kritik hale gelmektedir. Örneğin, formasyon basıncının ve formasyon çatlatma basıncının arasındaki farkın özellikle açık deniz sondajlarında artan su derinliğine bağlı olarak azalması beklenen bir durumdur ve kuyu stabilitesi sorunlarının artmasına ve kontrol edememesine neden olmaktadır. Bu durum, dizi manevrası sırasında veya matkap değişimi sırasında kuyu ve sondaj güvenliğini riske atmaktadır. Petrol ve doğal gaz endüstrisinde formasyon basıncı ve formasyon çatlatma basıncı arasındaki farkın yapay bir şekilde arttırılması için uzun zamandan beri araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde, bu problemin araştırılması bilim insanları için önemli konulardan biri olmakla birlikte, konuyla ilgili petrol ve doğal gaz endüstrisi tarafından kısmi olarak kabul edilen birkaç yöntem vardır. Bu yöntemlerden en yaygın olan ikili gradyen sondaj (Dual Gradient Drilling) tekniğidir. Bu yöntem anülüsteki basınç değişimini belirlemek ve izlemek için anülüsün seçilen bölümlerinde birden fazla basınç gradyeni oluşturulması olarak tanımlanmaktadırlar. Ancak, bu tekniklerin uygulaması örneğin dizi değişimi sırasında ağırlaştırılmış sondaj çamuru ve düşük yoğunluklu malzemeler arasında faz ayrışmasına (separation) ve tabakalaşmaya (stratification) yol açabilmektedir. Kabul edilmiş ve yaygın olarak kullanılan bir yöntem yoktur ve konu üzerinde bilimsel çalışmalar devam etmektedir. Sondaj mühendisliğinde iyi bilinen bir gerçek olarak ve API standardına göre, su bazlı çamurlar için, akma noktasının plastik viskoziteye oranının minimize edilmesi yukarıda bahsedilen problem için kısmi bir çözüm yolu olabilmektedir. Bu nedenle, sondaj çamuru özelliklerinin iyi bilinmesi sondaj operasyonu sırasında oluşan basınç değişikliklerini incelemek ve kontrol etmek açısından önemli bir parametredir. Günümüzde, ileri teknoloji ve iyi mühendislik yöntemleri esas olan zorlu sondaj ortamlarında, özellikle güvenli sondaj bölgesinin dar olduğu (formasyon basıncının formasyon çatlatma basıncına yakın olduğu bölgeler) derin deniz kuyularında, sondaj operasyonları devam etmektedir. Böylesi dar ve hassas aralıkta sondaj yapmak eşdeğer sirkülasyon yoğunluğunun doğru hesaplanmasını zorunlu kılmaktadır. Buna ek olarak, sondaj operasyonlarında tüketilen güç maliyeti yüksektir ve bunun en aza indirilmesi de gerekmektedir. Sondaj kuyusunun içinde oluşan basınç değişiklikleri hakkında olgusal ve daha sağlam bilgilere sahip olmak herhangi bir işleme başlamadan önce operatörlerin bir adım önde olmasını sağlayabilir. Kuyu içi akışkan hareketinden dolayı oluşan basınç dalgalanmaları ikiye ayrılmaktadır. Kuyu içindeki akışkanın sirkülasyonu nedeniyle hidrolik devrede ortaya çıkan sürtünme basınç değişimleri “Stand Pipe” basıncı olarak tanımlanmaktadır. Diğer yandan, dizi veya koruma borusu (casing) hareketinden dolayı oluşan basınç değişimlerine “surge” veya “swab (negatif surge)” basınçları denilmektedir. Manevra sırasında dizinin kuyu içine indirilmesinden doyalı oluşan basınç dalgalanması nedeniyle oluşan artışı surge basıncı adı verilmektedir. Buna karşılık, dizinin kuyudan yukarı doğru çekilmesinden dolayı oluşan basınç dalgalanması nedeniyle olan azalım swab basıncı olarak tanımlanmaktadır. Günümüzde enerji kaynaklarına olan talep artışı nedeniyle petrol, gaz ve jeotermal kaynak arayışları önemini daha da arttırarak korumaktadır. Bu talep artışını karşılamak amacıyla daha önce araştırma yapılmamış yeraltı derinliklerinde ve su derinliğinin 3000 m’yi geçtiğini açık denizlerde yeni kaynak araştırmaları devam etmektedir. Sondaj operasyonları sırasında özellikle sirkülasyon sisteminden kaynaklanan maliyetler önemli bir yer tutmaktadır. Sondaj çamurunun toplam kuyu maliyeti üzerindeki payı yaklaşık %5 olmasına rağmen, özellikleri kontrol edilmezse kuyunun terkine varan milyonlarca dolarlık kayıplara neden olabilmektedir. Bu nedenle, oluşan maliyetlerin sondaj sırasında en aza indirilmesi için sondaj akışkanı özellikleri ile ilgili ve akışkanın hareketinden dolayı oluşan sürtünme basınç kayıpları hakkında iyi bilgilenme gereksinimi kaçınılmaz bir gerçektir. Böylesi bir amaca ulaşmak için şirketlerin çabalarının büyük bir kısmı hidrolik çözümlerini optimize etmek için yoğunlaşması zorunlu hale gelmektedir. Dolayısıyla, sondaj sektöründe kuyu içi hidrolik tasarımı önemli bir yer tutmaktadır. Diğer bir ifade ile sondaj operasyonunun hemen hemen her aşaması bir akışkanın hareketini içermesi nedeniyle, sıvının basınç kayıpları ile ilişkili hidrolik optimizasyonunu iyi tasarlamak için akışkanın kuyu içinde davranışın ve özelliklerindeki değişimin araştırılması gerekmektedir. Manevra sırasında dizi hareketinden, sirkülasyon sırasında yüksek sirkülasyon debilerinde ve koruma borusunun kuyu içine indirilmesi sırasında oluşan sorunlar özellikle güvenli sondaj çamur yoğunluğu aralığının dar olduğu bölgelerde daha da önemli olmaktadır. Dizi veya koruma borusunun kuyuya yüksek hızla indirilmesi sırasında kuyu içinde yüksek “surge” basıncı oluşmaktadır. Bu basınç artışı, en kötü koşul olarak, formasyon çatlatma basınç limitini aşarak delinen formasyonda çatlak meydana getirilmesine ve kayıp sirkülasyon olarak adlandırılan yoğun çamur kaçaklarına yol açabilmektedir. Tersi durumda, “swab” basıncından dolayı kuyu içi basıncı formasyon basıncının oldukça altına düşerek formasyondaki bulunan akışkanın kuyu içine akmasına ve diğer bir ifade ile kuyunun canlanmasına (kick) sebep olmaktadır. Dolayısıyla, surge ve swab basınçlarının doğru bir şekilde tahmin edilmesi maksimum dizi hızını kuyu içi basıncının gözenek ve formasyon basınç limitleri arasında sağlanarak belirlenmesi açısından son derece önemli ve kritiktir. Ayrıca bu basınçların doğru bilinmesi dar anülüs açıklıkları içinde koruma borularının indirilmesi sırasında da aktif bir rol oynamaktadır. Diğer yandan, kuyu içi basınç dalgalanmasının değişimi doğrudan çamurun akma noktası ve jel kuvvetinden etkilenmesinden dolayı seçilen çamurun reolojik özellikleri iyi bir şekilde incelenip kontrol altına alınmalıdır. Yüksek sıcaklık ve yüksek tuzluluk gibi zorlu sondaj koşulları, çamurun reolojik özelliklerini etkilediği için çamur stabilitesini bu koşullarda korumak sondaj mühendisinin önemli sorumlulukları arasındadır. Yüksek sıcaklık çamur sisteminin flokülasyonuna yol açarak kabul edilmeyecek değerlerde akma noktası ve jel kuvvetlerine sebep olmaktadır. Bu nedenle, böyle bir çamurun kuyuda dolaşımı sirkülasyon ve manevra sırasında yüksek sürtünme basınç kayıplarına neden olarak kuyu stabilitesi sorunlarını, sondaj süresini ve maliyetini arttırmaktadır. Bentonit kilini içeren sondaj çamurları genellikle sahalarda ucuz olmaları nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak, yaygın olarak kullanılan bentonit kili ile hazırlanan katkılı sondaj çamurları sıcaklığın 150oC ve tuzluluğun 35000 ppm’i geçtiği zorlu sondaj ortamlarında görev yapamaması nedeniyle varil maliyeti 100 ABD Dolarını geçen sentetik çamurların kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Bu çamurlara alternatif olarak sepiyolit bazlı çamurların kullanılabilirliği daha önce gerçekleştirilen bir çalışmada ortaya konulmuştur, (A. E. Osgouei, 2010). Bu çalışma kapsamında formüle edilen sepiyolit bazlı sondaj çamurlarının su kaybı özelliğinin yüksek sıcaklık ve tuzluluk koşullarında kontrol altına alınabildiği deneysel olarak gösterilmiştir. Fakat sepiyolit çamurlarının sondaj akışkanı olarak görevlerini yerine getirebilmesi ve sektörde etkin kullanıma sunulması amacıyla sepiyolit çamurunun kuyu koşullarında (yüksek sıcaklık ve yüksek basınç) reolojik özelliklerinin incelenmesi gerekmektedir. Bilgisayar kontrollü “Rheometer Model 50 SL High Temperature” adlı yüksek sıcaklık reometresinin kullanılması ile sondaj akışkanının reolojik özelliklerinin kuyu şartlarında (in-situ) belirlenmesi bu doktora çalışmasının amaçlarından birisidir. Genel olarak yaygın ve klasik bir yöntem olan yaşlandırma hücresi kullanılarak çamurların reolojik özellikleri belirlenmektedir. Klasik yöntemde istenen sıcaklık altında yaşlandırma hücresinde (aging cell) şartlandırılmış örneklerin soğutulmalarından sonra viskometre kullanılarak reolojik özellikler belirlenmektedir. Literatürde her iki yöntem arasında çamur türüne bağlı olarak önemli farkların olabildiği ve reometre ile belirlenen reolojik özelliklerin sondaj kuyusu koşullarını daha doğru canlandırdığı bildirilmektedir. Bu çalışmanın diğer bir önemi ise her iki yöntem ile reolojik özellikler belirlenerek iki yöntem arasındaki farklılık sepiyolit çamurları üzerinde incelenmiştir. Ayrıca bu çalışma kapsamında sepiyolit çamurları için elde edilen deneysel sonuçlar kullanılarak örnek bir kuyuda oluşan sürtünme basınç kayıpları ve bu çamurların kesinti taşıma yeteneği ampirik yöntemin yanı sıra sayısal yöntem (CFD analizi) ile de hesaplanarak modellenmiştir. Dolayısıyla bu çalışma deneysel ve teorik olarak iki fazdan oluşmaktadır. Çalışmanın birinci fazında sepiyolit çamurlarının ısıl etki altında özellikleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Sepiyolit çamurlarının ısıl reolojik özellikleri yukarıda bahsedilen her iki yöntemle araştırılmıştır. Yaşlandırma (aging) deneyinden elde edilen sonuçlar (statik koşul) ile kuyu koşullarını simüle edebilen reometreden elde edilen sonuçlar (dinamik koşul) karşılaştırılmıştır. Ayrıca sepiyolit temelli sondaj akışkanının yüksek sıcaklık ve yüksek tuzluluk içeren ortamlarda etkin bir reoloji sağlayabildiği gösterilmiştir. Sondaj akışkanlarının sadece reolojik ve su kaybı özelliklerinin uygun olması sahada kullanılabilecekleri anlamına gelmez. Bu özelliklerin yanı sıra yağlama ve dizi sıkışmasına neden olmaması da istenen özellikler arasındadır. Bu çalışmada, sepiyolit çamurlarının yağlama özelliği ve dizi sıkışmasına neden olup olmayacakları da deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmanın ikinci fazında kuyu içinde dizi hareketinden dolayı oluşan basınç dalgalanmalarına doğru bir şekilde tahmin edebilme amacıyla bir yarı-analitik yöntem geliştirilmiş ve bu yöntemin doğruluğu literatürde bulunan deneysel veriler ve deneye dayalı iki ampirik yöntemle (Burkhardt ve Schuh model) teyit edilmiştir. Gerçek kuyu koşullarını canlandırabilen reometre ile elde edilen sonuçlar çalışmanın ikinci fazında kullanılarak ve örnek bir kuyu geometrisi için hidrolik hesaplamalar yapılarak, kuyu içi hidrostatik basıncın ve sürtünme basınç kayıplarının nasıl değişebileceği hem analitik (Bingham Plastic, Power law ve Yield Power Law modeller), hem de geliştirilen yarı-analitik yöntem ile ve ayrıca CFD analizi kullanılarak gösterilmiştir. Diğer taraftan, sepiyolit çamurlarının kesinti taşıma yeteneği iki farklı yöntem ile karşılaştırmalı olarak yapılmıştır. Bu yöntemlerden birisi ampirik yöntem (Moore korelasyonu) olup çamurların “kesinti taşıma indeksi” olarak adlandırılan terim ile ifade edilmektedir. Kesinti taşıma yeteneğini belirlemek için ikinci bir yöntem olarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) yaklaşımı kullanılmış ve hesaplamalar İTÜ bünyesinde akademik ve araştırma kullanımına açık olan Ansys Fluent yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Bu araştırma çalışması sepiyolit çamurunun zorlu sondaj ortamlarında etkin çamur olduğunu göstermek için gerekli tüm özelliklerini inceleme amacıyla yapılan kapsamlı bir deneysel çalışmadır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre sepiyolit bazlı çamurun özellikle zorlu sondaj koşullarında başarılı bir laboratuvar performansı gösterdiği kanıtlanmıştır. Bulgular klasik viskometre kullanılarak elde edilen örneklerin reoloji ölçümlerinin gerçek sıcaklıktaki değerlerden farklı olduğunu göstermiştir. Reometre ve klasik viskometre kullanılarak belirlenen viskozitelerdeki farklılık genel olarak artan sıcaklık ile daha da artmaktadır. Bu nedenle, ısıl işlem yapıldıktan sonra oda sıcaklığına soğutularak klasik viskometre ile elde edilen viskozite değerlerine göre yapılan hidrolik optimizasyonda dikkate değer hatalara yol açabilecek, böylece kuyu sondaj programlarından sapmalara, kuyu stabilitesi ve kuyu kontrolü sorunlarına, sondaj zamanının ve maliyetinin artmasına sebep olabilecektir.Design of wellbore hydraulics has the fundamental contribution during drilling operations. An optimized hydraulic strategy can lead to minimize drilling time and cost. Accurate prediction of pressure distributions through the wellbore is one of the important focus points of drilling operators. Selecting an appropriate drilling fluid also plays a vigorous role in terms of reducing pressure losses. The thermal rheological behavior of selected drilling fluid should be taken into account to provide efficient hydraulic optimization. Through this study, sepiolite drilling fluid as a thermal stable fluid system, was selected and evaluated in terms of modelling wellbore hydraulics using a new semi-analytical method and validated with experimental data, analytical methods, and Computational Fluid Dynamics (CFD). Thermal rheological properties of unweighted and barite-weighted fresh water sepiolite base muds as well as salt saturated sepiolite muds were extensively investigated using both conventional viscometer and HTHP rheometer. Rheological parameter analysis was performed to determine the best rheological fit model at elevated temperatures. Other thermal properties such as filtration, lubricity, differential pressure sticking tendency of mud samples were also studied at extreme conditions to achieve complete evaluation of thermal behavior of sepiolite drilling fluids. Parameters derived from rheological properties were used to analyze comprehensive hydraulic optimization involving estimation of surge and/or swab pressures caused by pipe movement as well as frictional pressure losses caused by mud circulation for the sepiolite muds using the new derived semi-analytical model and CFD approach based on three well-known rheological models. In addition, hole cleaning ability of sepiolite muds as another part of wellbore hydraulic design were evaluated using an existing empirical method and CFD. The comparative study on thermal rheological properties of sepiolite muds resulted in substantial differences between the results obtained from conventional viscometer and thermal HTHP rheometer. These differences in rheological measurement using rheometer and conventional viscometer were stretched out with increasing temperature. Therefore, any hydraulic optimization based on conventional viscometer rheological measurements conducted after thermal aging and cooling of mud samples might lead to noticeable errors. This situation causes misleading through drilling program, particularly in calculating surge pressures caused by drillstring movement. Findings of this study proved the successful laboratory application of sepiolite base muds as highly tolerable to hostile drilling conditions particularly at high temperature. Investigated and introduced of different sepiolite mud types put forward the efficient properties of this mud that could be a good alternative for drilling in harsh conditions. On the other hand, extensive experimental and theoretical work details almost all required sepiolite mud characteristics helping industry to be more familiar with properties of this mud.DoktoraPh