Analysis of the use of a down-hole mechanical cleaning device for efficient wellbore cleaning

Abstract

Field evidence indicates that in highly deviated and horizontal wells, cuttings tend to accumulate on the lower side of the annulus under the influence of gravity and eventually may form a non moving bed. This leads to considerable increase in equivalent circulating density (ECD) and drag/torque as well may result in a differential pipe sticking and wellbore stability problems. A good control of drilling fluid rhelogical properties, flow rate and drillpipe rotational speed may not be sufficient in some instances. Also, the commonly used techniques of circulation at high flow rates, using sweeps of high/low viscosity and high density may not be possible and, at times, prove to be ineffective. To overcome this difficulty, a down hole cleaning subs (mechanical cleaning devices - MCDs) are incorporated in the drill string to agitates the cuttings bed by bringing the cuttings into suspension for subsequent carrying out by the drilling fluid to the surface. These devices are furnished with "blades" which produce the desired hydrodynamic effects as the drill string is rotated and helps to dislodge the cuttings from the bed. The hole cleaning is thus governed primarily by the agitation created by the device, the rheological properties of the mud and the drilling fluid flow rate. Taking these factors into account, a study was conducted at Tulsa University Drilling Research Projects' (TUDRP) large scale wellbore simulator to experimentally determine the cleaning efficiency of a Mechanical Cleaning Device (MCD). From the database generated through the experiments, correlations were obtained by performing regression modeling to extend the results to field applications. These correlations are based on dimensionless parameters and predict reasonably accurately the in-situ cuttings concentration when the MCD is installed in the drill string. The results are useful for designing of the optimal hydraulic program for extended reach, high angle and horizontal wells. Z danych terenowych wynika, że w silnie odchylonych i poziomych otworach wiertniczych zwierciny gromadzą się w dolnej części przestrzeni pozarurowej pod wpływem siły grawitacji. Prowadzi to do znacznego wzrostu ECD oraz momentu; może również spowodować zablokowanie rury oraz problemy z zachowaniem stabilności otworu. Właściwa kontrola właściwości reologicznych, wielkości przepływu i prędkości obrotowej w niektórych przypadkach może okazać się niewystarczająca. Również powszechnie stosowane techniki intensywnej cyrkulacji, a także z wykorzystaniem cieczy o wysokiej/niskiej lepkości oraz dużej gęstości mogą okazać się niemożliwe lub nieskuteczne. Do pokonania tej trudności na przewodzie zastosowano mechaniczne wgłębne urządzenie czyszczące w celu pobudzenia zwiercin i utworzenia zawiesiny, która zostanie wyniesiona na powierzchnię wraz z płuczką wiertniczą. Urządzenia tego typu wyposażone są w ostrza, które wywołują pożądany efekt hydrodynamiczny w trakcie obrotu przewodu wiertniczego, i w wyniku czego zwierciny zostają podniesione z miejsca gromadzenia się. Główne mechanizmy związane z czyszczeniem otworu polegają na wzbiciu osadu, odpowiednich właściwościach reologicznych płuczki wiertniczej oraz hydrauliki.