CASING WEAR ANALYSIS IN DIRECTIONAL DRILLING. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF CASING WEAR ANALYSIS IN DIRECTIONAL DRILLING.pdf Restricted to Repository staff only until 22 March 2024. Download (7MB)

Arabic Abstract

يؤدي الاحتكاك الذي يحدث بين السطح الصلب لمفصل عمود الحفر والسطح الداخلي للغلاف الحديدي إلى تآكل الغلاف. وبالتالي، سوف تتدهور قوة الغلاف بسبب الانخفاض الشديد في سمك الجدار الذي قد يؤدي إلى فشل الغلاف. لذلك، يجب إجراء تحليل دقيق والتنبؤ بتآكل الغلاف لقياس عمق التآكل وتأكيد جدوى الحفر في آبار النفط. تعتبر عوامل تآكل الغلاف جزءًا أساسيًا من تقنيات تقييم تآكل الغلاف. ومع ذلك، فإن قيم عامل التآكل التجريبي التي يتم توقعها لا تتطابق مع القيم الحقيقية المقاسة في الحقل. لذلك، يجب إجراء تعديلات لتقليل الفجوة بين قيم عوامل التآكل المقدرة والمقاسة. خلقت هذه التعديلات الكثير من الصعوبات فيما يتعلق باستخدام عوامل التآكل لتحليل وتقدير تآكل الغلاف، والتحميل الجانبي، ومتوسط درجة حرارة الغلاف، ونوع سائل الحفر المستخدم. لفهم وتحديد كمية تآكل الغلاف أثناء عمليات الحفر، تم إعداد تصميم آلة وتم استخدامها لإجراء اختبارات التآكل بين وصلات أنابيب الحفر الحقيقية (DPJ) والأغلفة لمحاكاة ظروف وبيئات التشغيل المختلفة. تم اختبار عينات الغلاف الفولاذي P110 ,L80 , SM2535 في ظل ظروف رطبة باستخدام الطين ذو الأساس الزيت (OBM) والطين ذو الأساس المائي (WBM). أجريت هذه الاختبارات بثلاث أحمال جانبية (1400 نيوتن، 1200 نيوتن، 1000 نيوتن) وثلاث سرعات دوران DPJ (115 دورة في الدقيقة، 154 دورة في الدقيقة، 207 دورة في الدقيقة). أظهرت النتائج أن تآكل غلاف P110 أقل قليلاً من L80 وأقل بعشر مرات من مادة غلاف SM2535. وقد لوحظ أيضًا أنه بالنسبة لعينات الغلاف p110 وL80 التي تم اختبارها في نفس الظروف، كان معامل تآكل الغلاف في حال استخدام WBM تقريبًا ضعف تلك التي تم الحصول عليها في حال استخدام OBM لـ P110 وثلاث مرات أعلى لعينات غلاف L80 التي تم اختبارها باستخدام WBM مقارنة بـ OBM نظرًا لانخفاض اللزوجةWBM مقارنةً بـ OBM التي توفر احتكاكًا أعلى وبالتالي معامل تآكل أعلى. على العكس من ذلك، كان معامل تآكل الغلاف لعينات غلاف SM2535 التي تم اختبارها باستخدام OBM أعلى مرتين تقريبًا من تلك التي تم الحصول عليها في ظل WBM. يُعزى هذا السلوك غير المتوقع الى زيادة صلابة السطح لعينات غلاف SM2535 التي تم اختبارها تحت WBM نظرًا لأن الواجهة قد تعرضت لعملية تسخين وتبريد سريعة أثناء الاختبار. علاوة على ذلك، لوحظ أنه مع زيادة الحمل الجانبي عند نفس سرعة الدوران (rpm)، يزداد حجم تآكل الغلاف ومعامل التآكل بسبب الزيادة في منطقة التلامس الحقيقية. ملاحظة أخرى هي أنه مع زيادة سرعة دوران DPJ (rpm) عند نفس قيمة الحمل الجانبي، يزداد حجم تآكل الغلاف إلى جانب زيادة إجمالي مسافة الانزلاق. ومع ذلك، بالنسبة لجميع عينات الغلاف باستثناء عينات الغلاف SM2535 التي تم اختبارها مع استخدام WBM، فإن رفع سرعة الدوران عند الحمل الجانبي الثابت المطبق يقلل من معامل تآكل الغلاف، بسبب تأثيرات التليين الموضعية عند السرعات العالية. يمكن أن يرتبط السلوك المعكوس لعينات الغلاف SM2535 التي تم اختبارها في حال استخدام WBM ارتباطًا مباشرًا بارتفاع COF الذي لوحظ عند السرعات العالية مما أدى إلى فقد أكبر للحجم. كما أدى تنفيذ الحركة الانزلاقية المحورية أثناء اختبارات تآكل الغلاف إلى زيادة حجم تآكل الغلاف ومعامل التآكل لجميع العينات بنسبة 60 إلى 70 مرة بالنسبة لـ P110 ومن 68 إلى 83 مرة بالنسبة إلى L80 وبنسبة 4 إلى 5 مرات فقط بالنسبة لـ SM2535. بالإضافة الى ذلك، أظهرت تحليلات مجهر المسح الإلكتروني SEM والصور المجهرية الرقمية لجميع المناطق البالية من عينات الغلاف التي تم اختبارها أن التآكل الالتصاقي وآليات التآكل الكاشطة قد لو حظ عند التحميل العالي وسرعة الدوران DPJ المنخفضة ويصبح التآكل الكاشطة سائدًا مع زيادة السرعة. ومع ذلك، بالنسبة لعينات غلاف SM2535، لوحظ وجود مزيج قوي من التآكل الالتصاقي، وآليات التآكل الكاشطة، والتشوه البلاستيكي مما يبرر القيم العالية التي تم الحصول عليها في حجم التآكل ومعامل التآكل لعينات غلاف SM2535. أظهر تحليل التحليل الطيفي المشتت للطاقة (EDS) للسطح البالي P110 أنه في الأحمال والسرعات العالية، حدث نقل ثقيل للجسيمات من زيوت التشحيم القائمة على الزيت. من ناحية أخرى، لوحظت بعض ملوثات زيوت التشحيم ذات الأساس المائي على الأسطح البالية لعينات غلاف P110 وSM2535 والتي يعتقد أنها مصدر تآكل الجسم الثلاثي الملحوظ. في هذه الرسالة، تم تحديد معاملات التآكل وآليات تآكل الغلاف لثلاث درجات مختلفة من الغلاف الفولاذي الذي تم اختباره في ظل ظروف تشغيل مختلفة، وتم تطوير معادلة تجريبية لتقدير عامل تآكل الغلاف بناءً على بيانات اختبار تآكل الغلاف. يمكن للنموذج الذي تم الحصول عليه تقدير معامل تآكل الغلاف كدالة في درجة مادة الغلاف، ونوع طين الحفر، والحمل الجانبي المطبق لكل وحدة من العرض، وسرعة دوران عمود الحفر بنسبة خطأ لا تتداوز 12.3% في حدود الاختبارات 115 لفة في الدقيقة الى 207 لفة في الدقيقة و 1000 نيوتن / 22.5 ملم الى1400 نيوتن/22.5 ملم.

English Abstract

The friction that takes place between the hard surface of the tool joint and the inner surface of the casing leads to casing wear. Consequently, casing strength will degrade due to the severe reduction of the wall thickness which might lead to casing failure. Therefore, accurate analysis and prediction of the casing wear must be conducted to confirm drilling feasibility in oil wells. Casing wear factors are an essential part of casing wear evaluation techniques. However, the predicted experimental wear factor values do not match the real values measured in the field. Therefore, modifications must be made to reduce the gap between estimated and measured wear factor values. These adjustments have created a lot of difficulties regarding the use of wear factors to analyze and estimate casing wear. To understand and quantify casing wear during drilling operations, an experimental setup with real drill pipe joints (DPJ) and casings was designed and used to carry out wear tests, simulating various operating conditions and environments. P110, L80, and SM2535 steel casing samples were tested under wet conditions using actual field oil-based mud (OBM) and water-based mud (WBM). These tests were conducted at three side loads (1400 N, 1200 N, and 1000 N) and three DPJ rotational speeds (115 rpm, 154 rpm, and 207 rpm). The results show that the casing wear of P110 is slightly lower than that of L80 and more than ten times lower than the SM2535 casing material. It was also found that for P110 casing samples tested at the same conditions, the casing wear factors under WBM were two times higher than those obtained under OBM. However, for L80 casing samples tested at the same conditions, the casing wear factors under WBM were three times higher than those obtained under OBM. This is mainly due to the lower viscosity of the WBM compared to that of OBM which led to higher friction and consequently higher wear factors. On the contrary, the casing wear factor for SM2535 tested under OBM was almost two times higher than those obtained under WBM. This unexpected behaviour is attributed to the surface hardness increase of SM2535 casing samples tested under WBM since the interface has been subjected to rapid heating and cooling process during the test. Moreover, it was noticed that, as the side load increases at the same rotational speed, the casing wear volume and wear factor increase due to the increase in the real area of contact. Another observation is that as the DPJ rotational speed (rpm) increases at the same side load, the casing wear volume increases, mainly due to the increase in the total sliding distance. However, for all casing samples except for SM2535 tested under WBM, raising the rotational speed at a constant side load reduces the casing wear factor, due to the localized softening effects and the effect of the hydrodynamic lubrication at a higher speed. The reversed behaviour of SM2535 casing samples tested under WBM can be directly related to the higher Coefficient of Friction (COF) observed at a higher speed which led to a greater volume loss. The addition of the axial sliding motion during casing wear tests increased both casing wear volume and wear factor for all samples by 60 to 70 times for P110 and by 68 to 83 times for L80. However, for SM2535 the addition of sliding motion resulted in only a 4 to 5 times increase in both casing wear volume and wear factors. This is mainly due to the high DPJ/SM2535 casing COF values for the casing samples tested without the addition of the axial motion which led to having high wear factors. Scanning electron microscope (SEM) analyses and digital microscopic images of the worn surfaces of the tested casing samples showed that both adhesive wear and abrasive wear mechanisms were observed at high load and low DPJ rotational speed and the abrasive wear becomes dominant as the speed increases. However, for SM2535 casing samples, an aggressive combination of adhesive, abrasive, and plastic deformation was observed which justifies the higher wear volume and wear factors obtained for SM2535 casing samples. The energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of the P110 worn surface revealed that at higher loads and speeds, a heavy transfer of particles from the OBM took place. On the other hand, solid contaminants (part of the WBM additives) were observed on the worn surfaces of P110 and SM2535 casing samples which are believed to be the source of the observed three-body abrasive wear. In this dissertation, casing wear factors and mechanisms of three different grades of steel casing tested under various operating conditions were determined. The obtained data were used to develop an empirical model to estimate the casing wear factors. The obtained model can estimate the casing wear factor, as a function of the casing material grade, drilling mud type, applied side load per unit width, and DPJ rotational speed with a maximum error percentage of 12.3% within test limits (115 rpm to 207 rpm and 1000 N/22.5 mm to 1400 N/22.5 mm).

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Mechanical Petroleum > Drilling Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	MERAH, NEÇAR
Committee Members:	GASEM, ZUHAIR and ABDUL SAMAD, MOHAMMED and ALBINMOUSA, JAFAR and ROBELLO, SAMUEL
Depositing User:	OMER OSMAN (g201404720)
Date Deposited:	22 Mar 2023 12:09
Last Modified:	22 Mar 2023 12:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142360