Sirkulasjonstrykk

Sentralt i emnet:

• Hydrodynamisk trykk er friksjonstrykket som kommer fra væske i bevegelse.
• Friksjonstrykk skal logges etter hvert som endringer kan påvirke trykket.
• Pumpetrykk, drill-pipe-trykk og sirkulasjonstrykk er betegnelser som brukes om friksjonstrykket.
• Bunnhullstrykk i brønnen består av hydrostatisk trykk pluss friksjonstrykk fra ringrommet.

Hydrodynamisk trykk kommer av det greske «hydro» som betyr ‘vann’, og «dynamisk» som betyr ‘bevegelse’. Det er trykket som oppstår når væsken er i bevegelse.

Hydrodynamisk trykk oppstår på grunn av den motstand (friksjon) som væsken møter på sin vei framover i rørsystemet (for eksempel borerørene og brønnen). Det kreves energi for å holde væskens bevegelse i gang, og den energien kommer fra pumpen som leverer væsken gjennom systemet. Vi kaller friksjonstrykket pumpetrykk eller sirkulasjonstrykk til daglig. Offshore omtales det ofte som drill-pipe-trykk, det har samme betydning.

Friksjonstrykket varierer med

• væskens hastighet og strømningsmønster
• væskens viskositet
• væskens densitet
• innvendig overflate og retningsendringer i rør
• lengden på sirkulasjonssløyfen

Friksjonstrykket kan beregnes på ulike steder i systemet. Nærmest pumpens utgang leses hele friksjonen i systemet, underveis er det mindre sirkulasjonstrykk, og i slutten av systemet faller friksjonen til null når væsken går ut i retursystemet som er åpent til atmosfærisk trykk.

I en brønn går væsken fra pumpen, gjennom fleksible slanger og standpipe til top drive i boretårnet og inn i borerørene. Væsken føres gjennom borerør og BHA med en ru indre overflate og varierende indre diameter til den kommer til dysene i borekronen. Dysene har vesentlig mindre åpning enn den indre diameteren i borerørene og skaper derfor stor friksjon når væsken skal gjennom.

Etter dysene stiger væsken i brønnen på utsiden av borerørene der det er stor indre diameter i en ru overflate i brønnen (nyboret hull). Den store diameteren gjør at hastigheten på væsken faller. Når væsken kommer inn i området som har casing, er overflaten glatt og skaper mindre friksjon. I riseren som har større indre diameter enn brønnen, faller hastigheten enda mer, før væsken ender opp i retursystemet på overflaten.

Alle disse fysiske forholdene i sirkulasjonssløyfen sammen med lengden av brønnen og borerørene, væskens densitet og viskositet, væskens hastighet og strømningsmønster, er med på å skape friksjon. Det totale trykket vises som drill-pipe-trykk på borerens kontrollpanel.

Friksjonen vil være stor inni borestrengen, der det er en liten diameter. Det vil også være mye friksjon gjennom dysene, men i ringrommet vil det være lite friksjon da det er et stort volum som strømmer der. Når vi pumper væske med veldig lav hastighet, regner vi friksjonen i ringrommet som ubetydelig, nærmest null.

Vi regner med at ca. 60 prosent av friksjonen er i borerørene, ca. 30 prosent er gjennom dysene, og de resterende 10 prosent er i ringrommet og overflateutstyret. Når brønnen og borestrengen blir ekstra lang, øker prosentandelen i borestrengen.

Når rørsystemet går vertikalt, som i en brønn, må vi også tenke på det hydrostatiske trykket som virker på bunnen av brønnen.

Som illustrasjon tegner vi brønnen om til en U. Den består av to rørgreiner, der første rørgrein forestiller borestrengen (drill pipe), mens andre rørgrein forestiller ringrommet, altså utsiden av borestrengen (casing). Dysene er mellom rørgreinene.

Pumpens skyvkraft overvinner total friksjon i systemet og skaper bevegelse i væsken. Når væsken sirkulerer i brønnen, består trykket i brønnsystemet av to uavhengige trykk; friksjonstrykket og det hydrostatiske trykket. Summen av disse to trykkene er det reelle trykket i brønnen når vi sirkulerer med bore- eller kompletteringsvæske.

I bunnen av brønnen, på utsiden av borekronen, består det samlede trykket av hydrostatisk trykk og friksjonstrykket i ringrommet. Dette trykket kalles bunnhullstrykk (pBH).

$$ {\mathbf{p}}_{\mathbf{BH}}$$= $$ {\mathbf{p}}_{\mathbf{hyd}}$$ + $$ {\mathbf{p}}_{\mathbf{fr}}$$

• $$ {\mathrm{p}}_{\mathrm{BH}}$$ er samlet bunnhullstrykk.
• $$ {\mathrm{p}}_{\mathrm{hyd}}$$ er det hydrostatiske trykket i brønnen.
• $$ {\mathrm{p}}_{\mathrm{fr}}$$ er friksjonstrykket i ringrommet fra bunnen av brønnen til overflaten.

Bunnhullstrykket er viktig å holde under kontroll, da det må være lavere enn det trykket som formasjonen tåler før den sprekker, men høyere enn poretrykket i formasjonen for å unngå innstrømning til brønnen.

Friksjonstrykket i ringrommet beregnes i forkant av bore- eller brønnoperasjonen og sjekkes underveis i brønnoperasjonen. Man kjenner til friksjonsfaktoren (pk) som gjelder for overflateruhet i hullet og i casingen ut fra mange års erfaring. Disse tallene brukes til å lage en oversikt over forventet friksjon.

Når operasjonen begynner, kan man sjekke hvor stor friksjonen er, ved å sirkulere væsken med ulike hastigheter gjennom systemet.

Friksjonstrykket sammen med det hydrostatiske trykket utgjør det samlede trykket når væsken sirkuleres i brønnen. Det samlede trykket kan uttrykkes som en verdi i densitet, som kalles effektiv sirkulasjonsdensitet (ECD – Equivalent Circulating Density). Denne størrelsen viser hvilken densitet vi måtte hatt på slammet for oppnå samme trykk i hydrostatisk tilstand.

ECD inkluderer friksjonstrykket i ringrommet over det punktet som blir vurdert, enten det er bunnen av brønnen eller høyere oppe ved casing-skoen.

For beregne ECD i bunnen av brønnen d(ECD) snur vi formelen for bunnhullstrykk:
$$ {\mathrm{p}}_{\mathrm{BH}}$$= 0,0981 ∙ d · h

$$ {\mathit{d}}_{\mathbf{\left(}\mathbf{E}\mathbf{C}\mathbf{D}\mathbf{\right)}}$$ = $$ {\mathbf{p}}_{\mathbf{BH}}$$/ (0,0981 ∙ h)

ECD er en viktig verdi under boring. Den brukes som et mål på hvor stor belastning vi utsetter formasjonen for, slik at vi passer oss for å unngå å frakturere formasjonen. ECD kan justeres ved å redusere på sirkulasjonshastigheten slik at friksjonstrykket reduseres, men vi må likevel sirkulere med høy nok hastighet slik at vi renser brønnen godt nok.

Når det har skjedd endringer i brønnen eller med væsken, må friksjonstrykket sjekkes og noteres på ny. I forbindelse med brønnkontroll er det bestemt at man til enhver tid skal kjenne til sirkulasjonsfriksjonen i systemet. Friksjonstrykket brukes til beregninger dersom man er nødt til å sirkulere ut et kick fra brønnen.

Friksjonstesten kalles Slow Circulating Rate test på engelsk (SCR) og gjøres ved at man sirkulerer væske gjennom systemet ved to eller flere lave pumperater. Årsaken til at man bruker lave pumperater i testen, er at det ved utsirkulering av kick også brukes lav pumperate for å ha god kontroll.

Endringer som gjør at man må sjekke friksjonstrykket på ny, er:

• ny densitet eller viskositet på væsken som sirkuleres
• når hullet er isolert med ny casing eller liner
• når brønnen har blitt vesentlig lengre
• dersom man har skiftet BHA eller borerør i strengen

Dersom det ikke nylig er gjennomført sjekk av friksjonen, skal det gjøres en friksjonstest ved skiftbytte slik at det er minst to tester i døgnet.

Man tester også friksjonen gjennom choke line for å se hvor mye friksjon den tilfører systemet, og sammenligner med friksjonen når væskene går den lange (vanlige) veien opp ringrommet.

For flytende rigger med BOP på havbunnen er friksjonen i choke line betydelig på grunn av lengden fra havbunnen til riggdekk.