Settling and slip velocity evaluation in synthetic drilling fluid using real drilled cuttings

Synthetic-based drilling fluids (SBFs) are used because they provide the drilling-performance characteristic of a conventional oil-based drilling fluid while significantly reducing the environmental impact. Very limited studies are available about the settling of cuttings in SBFs. Consequently, a more detailed, precise and critical examination of the settling process in these new fluids is needed. Evaluating the cuttings settling and slip velocity is important for two critical reasons. First, the evaluation results in a more accurate estimation of the cuttings concentration profile, which improves control on the pressure profile along the well for better wellbore stability. Cuttings settling evaluation also enables an estimate of the depth from which the cuttings are appearing. These cuttings provide information about the lithology of the formation and properties such as porosity, permeability and pore pressure. Several authors have developed equations for the settling velocity of particles through a true fluid, but no measurements or predictions were made with actual drilled cuttings in real synthetic drilling fluids. The objectives of this study are 1) to develop a better insight of the settling process in Yield Power Law (YPL) fluids, 2) to experimentally measure and 3) model the effect of various parameters such as rheological properties, temperature, resting time drilled cuttings’ properties and flow conditions. By combining the theory of particle settling and a various rheological characterization of the YPL fluids, a guideline is proposed to estimate the settling and slip velocity of actual field cuttings in SBFs. In addition, a new method to determine the shape of the real drilled cuttings is proposed. Experimental observation and model results indicate that the settling process is highly influenced by the rheological properties of the fluid, especially yield stress and thixotropy, for no-flow conditions. The insight led to a better characterization of YPL fluids. For SBFs, a different rheological model is proposed to enable more accurate settling velocity predictions. A model was developed for static conditions that can estimate the settling velocities of drilled cuttings in SBFs for various temperatures and resting time with a high level of accuracy. With the consideration of the parameters relevant for the dynamic conditions, the model is suitable for evaluating the slip velocity for various flow rates, hole inclinations and cuttings bed existence. The paper shows results of a unique study of the settling process, analyzed for the first time performing experiment with SBF and cuttings retrieved from a drilled well. The settling and slip velocity of drilled cuttings in SBFs can be estimated, within conditions met in the field, by the introduced guideline. The developed guideline can be used as a design tool for drilling operation when utilizing SBFs.

Fluidi di perforazione a base sintetica (SBF) vengono utilizzati perché forniscono le prestazioni caratteristiche di un fluido di perforazione convenzionale a base d’olio, riducendo in modo significativo l'impatto ambientale. Studi molto limitati sono disponibili riguardo i processi di sedimentazione dei cuttings negli SBFs. Di conseguenza, è necessario un esame più dettagliato, preciso e critico del processo di sedimentazione in questi nuovi fluidi. Valutare la velocità di sedimentazione dei cuttings in condizioni statiche e dinamiche è importante per due ragioni fondamentali. In primo luogo, sarà possibile una valutazione più accurata del profilo di concentrazione dei cuttings. Di conseguenza migliorerà il controllo sul profilo di pressione lungo il pozzo, per una migliore stabilità dello stesso. L’analisi del processo di sedimentazione dei cuttings consente anche una stima della profondità da cui provengono i detriti. I detriti di perforazione forniscono informazioni sulla litologia della formazione rocciosa e le proprietà della roccia quali porosità, permeabilità e la pressione residua nei pori. Diversi autori hanno sviluppato le equazioni per la velocità di sedimentazione delle particelle attraverso un fluido, ma mai correlazioni e misure vennero effettuate utilizzando detriti reali provenienti dal campo e fluidi di perforazione sintetici di nuova generazione. Gli obiettivi di questo studio sono: 1) sviluppare una migliore comprensione del processo di sedimentazione in SBFs, 2) misurare, sperimentalmente e 3) modellizzare l'effetto di vari parametri come le proprietà reologiche del fluido, temperatura, tempo di riposo, proprietà fisiche dei detriti e condizioni di flusso. Combinando la teoria della sedimentazione delle particelle e una diversa caratterizzazione reologica dei fluidi SBFs, viene proposto un nuovo metodo per la stima delle velocità di settling e slip nei fluidi sintetici utilizzati dall’industria petrolifera. Le osservazioni sperimentali e i risultati del modello indicano che il processo di sedimentazione è fortemente influenzato dalle proprietà reologiche del fluido, in particolare yield stress e thixotropy, per condizioni di assenza di flusso. Questo ha portato ad una migliore caratterizzazione dei fluidi sintetici. Per SBFs, viene proposto un modello reologico alternativo in modo da ottenere previsioni più accurate della velocità di sedimentazione. Un modello semi empirico è stato sviluppato per condizioni statiche, capace di stimare le velocità di sedimentazione dei cuttings in SBFs per varie temperature e tempi di riposo del fluido, con un alto livello di precisione. Considerando i parametri rilevanti per le condizioni dinamiche, il modello è stato adattato per valutare la velocità di slip per varie portate, inclinazioni e presenza di un letto di detriti.