A study on PDC drill bits quality

The quality of innovating PDC (Polycrystalline Diamond Compact) bits materials needs to be determined with accuracy by measuring cutting efficiency and wear rate, both related to the overall mechanical properties. An original approach is developed to encompass cutting efficiency and wear contribution to the overall sample quality. Therefore, a lathe-type test device was used to abrade specific samples from various manufacturers. Post-experiment analyzes are based on models establishing coupled relationships between cutting and friction stresses related to the drag bits excavation mechanism. These models are implemented in order to evaluate cutting efficiency and to estimate wear of the diamond insert. Phase analysis by XRD and finite element simulations were performed to explain the role of physicochemical parameters on the calculated quality factor values. Four main properties of PDC material were studied to explain quality results obtained in this study: cobalt content in samples that characterizes hardness/fracture toughness compromise, undesired phase as tungsten carbide weakening diamond structure, diamond grains sizes and residual stresses distribution affecting abrasion resistance

Experimental investigation on the effect of wear flat inclination on the cutting response of a blunt tool in rock cutting

A vast majority of experimental researches focuses on the cutting action of a sharp cutter, while there has been limited experimental work devoted to the study of the contact process at the wear flat-rock interface. The specific objective of this study is to determine the effect of the wear flat inclination angle ( β ) with respect to the cutter velocity vector ( vv ) on both the contact stress ( σ ) and friction coefficient ( μ ) mobilized at the wear flat-rock interface. An extensive and comprehensive set of cutting experiments was carried out on thirteen different sedimentary quarry rock samples using a state-of-the-art rock cutting equipment. A unique cutter holder was purposely designed and manufactured along with a precise experimental protocol implemented in order to change the back rake angle and therefore the inclination β by steps of 0.10∘ . The experimental observations confirm the existence of three regimes of frictional contact (identified as elastic, elasto-plastic and plastic) for all rock samples. Further, the results suggest that the scaled contact stress is predominantly controlled by a dimensionless number η=E∗tanβq with E∗ the plane strain elastic modulus and q the rock strength

Ropa niesczerpana pionowym odwiertem ze stożkiem wodnym - ocena, prognoza, remediacja

Water invasion mechanism - called water coning - affects vertical wells completed above the Oil-Water contact (OWC) in oil reservoirs with bottom water. The objective of this study was to quantify the amount of by-passed oil for a variety of the bottom water well-reservoir systems with water invasion to wells and to assess feasibility of downhole water sink completions to reduce oil by-passing. A large statistical population of possible reservoirs with bottom-water has been created using databases of actual reservoir properties worldwide. Dimensional analysis coupled with Monte Carlo method allowed converting statistics of reservoir properties into dimensionless group distributions. Then, the amount of by-passed oil was correlated with the dimensionless groups using three--level full-factorial designed experiments conducted with a reservoir simulator. A reservoir - well system with bottom water was modelled using a commercial black oil simulator with two concentric radial layers of oil pay and the aquifer zone having different sizes and properties. The resulting dimensionless correlations determine the expected value of by-passed oil at the end of well's operation. The correlations are general as they cover a wide range of reservoir-well systems. When the correlations are coupled with the reservoirs' population the results show that, for example, more than 25 percent of movable oil volume could be by-passed in one half of all the bottom-water reservoirs. The study also identifies dimensionless groups that mostly control water invasion - the end-point mobility ratio and well spacing. The results also reveal two mechanism of water invasion: coning or uniform OWC advancement. Numerical reservoir simulation is also used to investigate the well completion's length and placement that would minimize oil bypassing and optimize recovery. Single completions of different penetration (length) are compared to dual well completions with Downhole Water Drainage/Sink (DWS), for new wells and marginal (watered-out) wells. The results show that the best completion strategy for both the new and the marginal wells is the use of (or intervention with) DWS completions. DWS would delay water breakthrough, stimulate oil inflow by reducing water saturation around the well, and maximize Net Present Value by accelerating recovery.Mechanizm napływu wody, zwany tworzeniem się stożka wodnego, wpływa na otwory wiertnicze wykonane powyżej kontaktu ropa-woda w złożach ropy naftowej z podścielającą wodą złożową. Celem badań było określenie ilości przepuszczanej bocznym obiegiem ropy naftowej w różnych układach denno-złożowych z napływem wód do otworu, oraz ocena możliwości takiego wykonania dna otworu, by ograniczyć tego typu przepływ ropy naftowej. Stworzono statystycznie istotną liczbę złóż z wodą podścielającą na podstawie baz danych istniejących na świecie złóż. Stosując analizę przestrzenną oraz metodę Monte Carlo, przetworzono dane złożowe na bezwymiarowe rozkłady grupowe. Następnie ilość rozchodzącej się ropy naftowej została skorelowana z bezwymiarowymi grupami na podstawie trójpoziomowych, pełnych badań prowadzonych w symulatorze złożowym. Modelowano układ złoże-otwór z wodą podścielającą, wykorzystując przemysłowy symulator naftowy z dwoma koncentrycznymi, promienistymi warstwami ropnymi oraz warstwą wodonośną o różnych rozmiarach i różnych właściwościach. Uzyskane bezwymiarowe korelacje określają przewidywaną wartość przepływającej ropy pod koniec okresu działania otworu. Korelacje są ogólne, gdyż obejmują szeroki zakres układów złoże-otwór. Badania korelacyjne wykonywane z uwzględnieniem dużej liczby złóż wskazują między innymi, że ponad 25% objętości ruchomej ropy naftowej mogło przedostać się do połowy wszystkich złóż wody podścielającej. Badania określają również bezwymiarowe grupy, które w większości przypadków kontrolują napływ wody: stosunek końcowego współczynnika ruchliwości ropy i wody oraz odległości między otworami. Wyniki wskazują również na występowanie dwóch mechanizmów napływu wód: tworzenie się stożka wodnego lub przemieszczającego się kontaktu woda-ropa. Numeryczne symulacje złożowe wykorzystuje się również do badania długości wykonanego otworu oraz jego umiejscowienia w celu zminimalizowania ucieczek ropy i zoptymalizowania wydobycia. Metoda pojedynczego udostępnienia na różnych głębokościach została porównana z udostępnieniem dwoma otworami z wgłębnym systemem drenażowym, dla otworów nowych i marginalnych. Wyniki wskazują, że najlepszą strategią w przypadku otworów nowych i marginalnych jest zastosowanie (lub pojedyncza interwencja) metody drenażu wgłębnego. Opóźni ona przebicie wody, będzie stymulować dopływ ropy naftowej przez ograniczenie nasycenia wodą w warstwach wokół otworu i maksymalizować bieżącą wartość netto przez przyspieszenie produkcji

Loss and restoration of water coning control - field case history and prediction

It is well known that water coning is a difficult-to-solve problem in heavy oil reservoirs with bottom water. A promising solution is offered by the downhole water sink (DWS) technology – a dual well completion technique for water coning control in reservoirs with bottom aquifer. In the field case addressed in this study, a DWS well was installed in a heavy oil reservoir underlined by thin water zone – notorious for severe water coning problem. Initially, the two well’s completions had no separating packer; Later, the well was recompleted with packer and displayed much improved oil productivity and water coning control. However, after accidental shutdown of the bottom (water sink) completion and continuing production from the top (oil pay) completion the well was rapidly watered out and shut down. In this study, the well’s production history is analyzed to better understand dynamics of water coning control with packer-less DWS and the effect of temporary water sink shut-down. The analysis is performed with a radial grid-based simulation model using the reservoir properties and well production data. An adequate history match is achieved by tweaking reservoir properties within their uncertainty range – mostly the relative permeability and capillary pressure curves. The packer-less completion displays steady invasion of water to the top oil completion through the gravel pack with no separating packer. The analysis also confirms detrimental effect of sole temporary shutdown of the water sink (bottom) production that caused rapid buildup of water saturation in the oil pay zone around the well. This work also evaluates possible restoration of oil productivity by putting the well back on production after a dormant period of time (when water cone might subside) and the contribution of the bottom water drive (aquifer strength) to the restored productivity. A 25-year production performance forecast is performed for three scenarios of well’s operation after the water sink completion’s shut-down for one month: (a) no shut-down and continuing production as DWS well; (b) one-month shut down and conversion to a conventional single-completed well; (c) one-month shut down and continuing production as DWS well. The results reveal that the watered-out well could be revived as an oil producer only by restoring its DWS operation [scenario (c)] as the conventional well operation [scenario (b)] would produce only water. Moreover, detrimental effect of temporary water-sink shut down would irreversibly reduce well's productivity by more than 10 percent. It is also shown that stronger aquifer stimulates DWS well productivity improvement of up to 20 percent in case of strong bottom water drive

Criteria and risk of integrity loss for wells with sustained casing pressure

Sustained casing pressure (SCP) represents a major issue because of its large scale occurrence and risks to health, safety, and the environment. Present regulatory assessment of sustained casing pressure is mostly qualitative with implicit risk formulation. It currently holds that wells with casing head pressure that can be bled-down to zero and is followed by slow 24-hour pressure buildup are below acceptable level of risk. This study introduces new quantitative metrics of well integrity loss risk - the instant cement sheath leak rate of 15 scf/min (barrier integrity), and the total annual environmental gas discharge of 6 tons of volatile organic compounds (VOC) per year. Field data from 19 wells reportedly affected by sustained casing pressure (SCP) are examined with a SCP testing software to assess whether or not wells with pressure that is able to bleed to zero would meet the proposed criteria. Using modeling and software tools developed by Xu and Wojtanowicz (2001) and Kinik and Wojtanowicz (2011), it is determined that three of the 19 wells (15.8) examined would fail the instant leak rate criterion. On the total discharge criterion, assuming the wells' annuli above the cement top filled out with seawater, it was also found, again, that 15.8 percent of the wells would fail the total environmental discharge criterion. Moreover, for the worst-case scenario of absolute open gas flow (empty annulus above the cement top), five of 19 wells (26.3) would fail the criterion. It is shown that - statistically, the bleed-down of casing pressure to zero gives a 90-percent confidence of the well passing the proposed criteria. Furthermore, no clear correlation was observed between pressure build-up and the barrier integrity or the environmental gas discharge criteria, thus questioning the 24-hour pressure buildup relevance as a risk indicator

Ryzyko zanieczyszczeń środowiska przez otwory naftowe z migracją gazu w przestrzeni międzyrurowej

Considerable number of producing and abandoned wells with sustained casing head pressure (SCP) constitutes a potential new source of continuous natural gas emission from failed casing heads due to leaching cement sheath and external gas migration. Present regulations require assessment of SCP severity based upon a testing procedure that involves casing pressure bleed-off followed with pressure buildup. The test analysis, however, is qualitative and risk qualification - arbitrary, with no insight of the gas migration process. The objective of this work is to consider SCP an environmental hazard and analyze the Bleed-off/Buidup (B-B) tests quantitatively to determine maximum possible emissions and their probabilistic risk. The maximum SCP is directly related to the potential failure of the well's containment and breaching of the gas outside the well. Probabilistic approach is used to analyze the uncertainty of the maximum casing shoe pressure resulting from SCP and the uncertainty in determination of casing shoe strength determined by Leak-off test (LOT). The study contributes in the area of SCP well testing methodology and the environmental analysis of wells with small SCP that may be of no concern to operator but may have environmental consequences.Stosunkowo duża ilość otworów produkcyjnych i wycofanych z produkcji ma nieusuwalne ciśnienie w jednej lub wielu przestrzeniach pierścieniowych. Sytuacja taka jest potencjalnym zagrożeniem skażenia środowiska naturalnego poprzez wypływ gazu do atmosfery w przypadku awarii szczelności otworów. Przepisy wymagają testowania takich otworów poprzez upust i odbudowę ciśnienia między rurami. Niestety, wymagana analiza takich testów jest jedynie jakościowa i nie daje możliwości określenia ryzyka związanego z odbudową ciśnienia. Celem tej pracy jest usprawnienie takiej analizy w kierunku określenia ryzyka skażenia poprzez analizę tych testów przy użyciu rachunku prawdopodobieństwa. Nowa metoda pozwala określić maksymalnie możliwą prędkość wypływu gazu do atmosfery w wypadku awarii zagłowiczenia przestrzeni pierścieniowej otworu. Daje ona także możliwość obliczenia zakresu błędu przy obliczaniu warunków krytycznych utraty szczelności na dnie zacementowanych rur okładzinowych spowodowanego maksymalnym ciśnieniem w wyniku migracji gazu w przestrzeni pierściowej. Rezultatem tej pracy badawczej jest nowa metoda oceny zagrożenia środowiska naturalnego oparta na testowaniu otworów z migracją gazu i nieusuwalnym (choć czasem niewielkim) ciśnieniem rejestrowanym na szczycie przestrzeni międzyrurowej

Eksploatacja ciężkiej ropy z wodą pościelającą przy użyciu otworów z wgłębnym upustem wody

The paper presents a worldwide survey of heavy oil reservoirs and their production methods. The survey shows that one of the most important problems in heavy oil recovery is the presence of bottom water. Since the mobility of water drastically exceeds that of heavy oil, water breakthrough to oil wells occur very early causing dramatic loss of the wells' productivity due to rapid increase of the water cut. The study captures some the difference between heavy and light oil production in terms of mobility ratio effect, recovery dynamics prior to and after water breakthrough, and water cut control with production rate. The results also show that the controlling water breakthrough to wells in heavy oil is several-fold more important (in terms of well productivity and recovery rate) than that for conventional oil wells. Most of heavy oils with bottom water cannot be economically recovered using "cold" (non-thermal) method and conventional (single completed) wells. In these wells, operational range of production rates with variable water cut is very small comparing to light oils. Thus, heavy-oil wells would promptly (within days) switch from water free production to "all water" production. The paper also summarizes a feasibility study into potential application of downhole water sink (DWS) technology in shallow sand containing very significant deposit of heavy oil. Downhole water sink is a new technique for minimizing water cut in wells producing hydrocarbons from reservoirs with bottom water and strong tendencies to water coning. DWS technology controls water coning by employing a hydrodynamic mechanism of water drainage in-situ below the well's completion. This localized drainage is generated by a second completion - downhole water sink - installed at, above, or beneath the oil or gas-water contact. For the purpose of this study a DWS well has been modeled and compared with a conventional well using a commercial reservoir simulator. Results show that DWS technology has great potential to improve recovery in the oil sand with bottom water. All simulated predictions of DWS performance indicate a significant improvement of oil production rates and a several-fold increase of recovery factor. Also explained is the physical mechanism of the improvement that is not specific to the reservoir studied but applies to all heavy oil deposits with bottom water problem.W artykule omówiono rozmieszczenie i wielkość zasobów ciężkiej ropy naftowej na świecie, oraz typowe metody jej eksploatacji, która jest szczególnie trudna przy występowaniu wód podścielających. Trudność spowodowana jest dużą różnicą mobilności wody i ciężkiej ropy, co prowadzi do wczesnego przebicia się wody do otworów i gwałtowny spadek ich produkywności. Prezentowane badania symulacyjne pokazują różnice mechanizmów otworowej produkcji ropy ciężkiej i wyjaśniają dlaczego metody termiczne wydają się jedynym sposobem produkcji i dlaczego te metody także zawodzą w obecności wód podścielających. Omówiono także wyniki badań symulacyjnych użycia technologii otworów z wgłębnym upustem wody do nietermicznej eksploatacji ciężkiej ropy z wodą podścielającą na konkretnym polu naftowym. Wyniki pokazują wielokrotne zwiększenie stopnia sczerpania złoża w okresie 17 lat oraz znaczny wzrost dziennej wydajności otworu. Zidentyfikowano także mechanizm hydrauliczny, który daje otworom z dolnym upustem wody zdecydowaną wyższość nad konwencjonalną technologią w zastosowaniu do ciężkiej ropy z wodą podścielającą