EP0677641A1 - Method for optimizing the characteristics of an axial fluid flow in a variable annular space around the string - Google Patents

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EP0677641A1
EP0677641A1 EP95400663A EP95400663A EP0677641A1 EP 0677641 A1 EP0677641 A1 EP 0677641A1 EP 95400663 A EP95400663 A EP 95400663A EP 95400663 A EP95400663 A EP 95400663A EP 0677641 A1 EP0677641 A1 EP 0677641A1
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EP
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tubular element
annular space
fluid
rod
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Ulysse Cartalos
Mustafa Haciislamoglu
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/08Controlling or monitoring pressure or flow of drilling fluid, e.g. automatic filling of boreholes, automatic control of bottom pressure

Definitions

  • the present invention relates to a method for optimizing the characteristics of a circulation of fluid which is established in an annular space around a tubular element and in particular of a rotating tubular element, such as a long rod or a train of rods, dynamically taking into account the deformations undergone in operation by this tubular element and therefore the variation of the annular space around it.
  • the method according to the invention is particularly suitable in the case of narrow annulars where the ratio between the diameter of the internal tubular element and the diameter of the external duct is greater than 0.5.
  • the method according to the invention finds applications in particular in the context of oil drilling or in geotechnics, where it makes it possible to determine the speed field of a drilling fluid circulating in space around a drill string as well that the pressure losses resulting from friction, for complex geometries of this space, consecutive to the movements and deformations of the rods.
  • the method is particularly suitable for optimizing the circulation conditions of fluids in boreholes carried out in narrow wells according to the so-called "slim hole” technique where, due to the reduced annular dimensions, pressures can be generated, which endanger stability of the crossing training.
  • the resolution method generally used to model the behavior of a fluid circulating in an eccentric annular consists in assimilating the space around the rod to a juxtaposition of slots. It has hitherto been considered either that the rod was centered in the duct, or that its eventual eccentricity was uniform throughout this rod. Under this assumption, the slots are considered to be parallel and of constant thickness over their entire length.
  • the respective axes of the drilled hole and the drill string are offset from one another due to the deviations of one and / or bending of the other. On this offset which varies along the drill string, depends the eccentricity of the annular space between them.
  • the object of the method according to the invention is to construct a representative model of the velocity field of a fluid circulating in a conduit around a tubular rod with variable eccentricity, both in laminar and turbulent conditions, as well as in the distribution annular pressure losses as a function of flow rates.
  • the method according to the invention is characterized in that it includes the modeling of the flow in the annular space considering that its shape is variable all along the tubular element and taking into account real rheological properties of the fluid (variation of the viscosity with the shear rate for example), so as to determine the value of the velocity field and the value of the pressure at any point along this annular space.
  • the method can also include the application to these values obtained for a tubular element with variable eccentricity, of an adimensional corrective factor depending on the Reynolds number (Re) and the Taylor number (Ta) of the fluid used, to take account of the variations in pressure losses in the annular generated by the speed of rotation of the tubular element.
  • A, c and d are parameters whose values can be chosen within defined ranges.
  • the method according to the invention takes good account of the two essential factors which govern the evolution of the pressures in the narrow annulars: the variable eccentricity and the rotation of the tubular element. It therefore makes it possible to reliably relate the annular pressure to the operating parameters: geometry, flow rate, rotation speed, as well as to the rheology of the fluid in circulation.
  • the annular space 3 is assimilated to a series of juxtaposed slots of variable thickness as a function of the real eccentricity.
  • the annular space around the stem is de- ployed 9 (Fig 4, 5) and it is considered that the fluid flows between a number of variable spacer plates in the axial direction (Fig. 9).
  • the dimensionless viscosity ⁇ D is equal to 1 for Newtonian fluids.
  • the flow velocity and the transverse length scale are taken into account to calculate this dimensionless viscosity.
  • P D P / P 0
  • P o which represents the pressure losses of the fluid circulating in a concentric annular similarly reduced to a slit, is calculated by the relationships established by Reed et al in the publication already cited.
  • the Markatos model which was applied to Newtonian fluids, is improved as will be seen below, to take into account all of the rheological laws to which drilling fluids obey.
  • the model initially considers a linear variation profile of the pressure and an average velocity field based on a certain flow rate for each slot.
  • the Reynolds Re number, the coefficient of friction (f) and the viscosity are calculated.
  • the modeling method according to the invention makes it possible to extend the field of application of the previous model to non-laminar flow regimes of any fluids whose rheo-fluidification index is generally less than 1, which better correspond to the circulations that we have to model in practice.
  • the method according to the invention however makes it possible to model the speed field and the pressure drop distributions around a rod of great length in rotation.
  • the distribution of the pressure drops is determined by integrating into the model defined by relations 6 to 8, the analytical expressions of the variation of l thickness of the slots corresponding to the real shape of the rod, and for example equations (4, 5) if the deformation of the rod is of sinusoidal or linear type. This leads to complex calculations.
  • the method according to the invention provides a much simpler solution in the case where the sinuosity of the rod is low (factor 1 / S higher).
  • a corrective factor R is defined as the ratio, for the same flow rate, between the pressure drops per unit length (AP / AL) e, generated by an eccentric rod and the corresponding pressure drops (AP / AL) c generated by the same centered rod.
  • the calculation can be generalized for the case of non-Newtonian fluids, whatever their degree of rheo-fluidification.
  • the variation of the corrective factor R which must be introduced when the rod is eccentric but slightly sinuous (1 / S important) as a function of the rheohluidification index n is shown in FIG. 7 for the case of a sinuosity of linear type or sinusoidal.

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Abstract

A method of optimising fluid circulation characteristics in a pref. narrow annular space around a tubular element, e.g. a rod length or string with variable eccentricity caused by deformation, involves creating a flow model taking into account the varying shape of the annular space along the rod length and the actual rheological properties of the fluid, e.g. variation of viscosity with shear, in order to evaluate the velocity field and pressure at any point along the annular space. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une méthode pour optimiser les caractéristiques d'une circulation de fluide que l'on établit dans un espace annulaire autour d'un élément tubulaire et notamment d'un élément tubulaire tournant, tel qu'une longue tige ou un train de tiges, en tenant compte de façon dynamique des déformations subies en opération par cet élément tubulaire et donc de la variation de l'espace annulaire autour de lui.The present invention relates to a method for optimizing the characteristics of a circulation of fluid which is established in an annular space around a tubular element and in particular of a rotating tubular element, such as a long rod or a train of rods, dynamically taking into account the deformations undergone in operation by this tubular element and therefore the variation of the annular space around it.

La méthode selon l'invention convient particulièrement dans le cas d'annulaires étroits où le rapport entre le diamètre de l'élément tubulaire intérieur et le diamètre du conduit extérieur est supérieur à 0,5.The method according to the invention is particularly suitable in the case of narrow annulars where the ratio between the diameter of the internal tubular element and the diameter of the external duct is greater than 0.5.

La méthode selon l'invention trouve des applications notamment dans le cadre de forages pétroliers ou en géotechnique, où elle permet de déterminer le champ de vitesses d'un fluide de forage circulant dans l'espace autour d'un train de tiges de forage ainsi que les pertes de charge résultant des frictions, pour des géométries complexes de cet espace, consécutives aux mouvements et déformations des tiges.The method according to the invention finds applications in particular in the context of oil drilling or in geotechnics, where it makes it possible to determine the speed field of a drilling fluid circulating in space around a drill string as well that the pressure losses resulting from friction, for complex geometries of this space, consecutive to the movements and deformations of the rods.

La méthode convient particulièrement bien pour optimiser les conditions de circulation des fluides dans les forages effectués en puits étroits selon la technique dite de "slim hole" où, en raison des dimensions annulaires réduites, des pressions peuvent être générées, qui mettent en danger la stabilité de la formation traversée.The method is particularly suitable for optimizing the circulation conditions of fluids in boreholes carried out in narrow wells according to the so-called "slim hole" technique where, due to the reduced annular dimensions, pressures can be generated, which endanger stability of the crossing training.

Il existe un certain nombre de publications rendant compte d'études théoriques ou pratiques sur la circulation de fluides dans des puits autour d'un train de tiges immobiles ou en rotation et les variations sur les paramètres d'écoulement dues à l'excentricité d'un train de tiges et ses déformations, et notamment dans des puits étroits.There are a number of publications reporting theoretical or practical studies on the circulation of fluids in wells around a stationary or rotating drill string and variations in flow parameters due to the eccentricity of a drill string and its deformations, particularly in narrow wells.

On peut citer par exemple :

  • - Vaughn, R.D., 1965, "Axial Laminar Flow of non Newtonian Fluids in Narrow Eccentric Annuli," S.P.E., Vol.5, Dec.;
  • - Bourgoyne, A.T et al, 1986, "Applied Drilling Engineering," in SPE Text Book Series, Vol.2;
  • - Markatos N.C.G.et al, "Flow in an annulus of non-uniform gap" in Trans. IChemE, vol. 56;
  • - Reed, T.D et al, 1993, "A new model for laminar, Transitional and Turbulent Flow in Drilling Fluids," in SPE 25456, Proceedings of the Prod. Operations Symposium, Oklahoma City, OK
  • - Marken, C. D. et al, 1992, "The influence of drilling conditions on annular pressure losses, article SPE 24598
  • - Dodge D.W. and Metzner A.B., 1959, "Turbulent flow of Non-Newtonian Systems, AIChE Journal, vol 5, p33.
We can quote for example:
  • - Vaughn, RD, 1965, "Axial Laminar Flow of non Newtonian Fluids in Narrow Eccentric Annuli," SPE, Vol.5, Dec .;
  • - Bourgoyne, AT et al, 1986, "Applied Drilling Engineering," in SPE Text Book Series, Vol.2;
  • - Markatos NCGet al, "Flow in an annulus of non-uniform gap" in Trans. IChemE, vol. 56;
  • - Reed, TD et al, 1993, "A new model for laminar, Transitional and Turbulent Flow in Drilling Fluids," in SPE 25456, Proceedings of the Prod. Operations Symposium, Oklahoma City, OK
  • - Marken, CD et al, 1992, "The influence of drilling conditions on annular pressure losses, article SPE 24598
  • - Dodge DW and Metzner AB, 1959, "Turbulent flow of Non-Newtonian Systems, AIChE Journal, vol 5, p33.

La méthode de résolution généralement utilisée pour modéliser le comportement d'un fluide circulant dans un annulaire excentré, consiste à assimiler l'espace autour de la tige à une juxtaposition de fentes. On a jusqu'ici considéré soit que la tige était centrée dans le conduit, soit que son excentricité éventuelle était uniforme tout au long de cette tige. Dans le cadre de cette hypothèse, les fentes sont considérées comme parallèles et d'épaisseur constante sur toute leur longueur.The resolution method generally used to model the behavior of a fluid circulating in an eccentric annular, consists in assimilating the space around the rod to a juxtaposition of slots. It has hitherto been considered either that the rod was centered in the duct, or that its eventual eccentricity was uniform throughout this rod. Under this assumption, the slots are considered to be parallel and of constant thickness over their entire length.

La circulation de fluides de forage dans un puits étroit (slim hole) où tourne un train de tiges, est un phénomène complexe difficile à modéliser. Parmi les facteurs importants influant sur les pertes de charge, pour un type et un débit de boue donnés, on peut citer la vitesse de rotation du train de tiges, ainsi que la géométrie de l'espace annulaire autour et tout le long du train de tiges du fait notamment de l'excentricité de celui-ci dans le trou, de ses mouvements, de ses flexions etc.The circulation of drilling fluids in a narrow hole (slim hole) where a drill string turns, is a complex phenomenon difficult to model. Among the important factors influencing the pressure losses, for a given type and flow of mud, one can cite the speed of rotation of the drill string, as well as the geometry of the annular space around and all along the gear train. rods due in particular to the eccentricity of the latter in the hole, its movements, its flexions, etc.

Le plus souvent, en effet, les axes respectifs du trou foré et du train de tiges sont décalés l'un par rapport à l'autre en raison des déviations de l'un et/ou des flexions de l'autre. De ce décalage qui varie le long du train de tiges, dépend l'excentricité de l'espace annulaire entre eux.Most often, in fact, the respective axes of the drilled hole and the drill string are offset from one another due to the deviations of one and / or bending of the other. On this offset which varies along the drill string, depends the eccentricity of the annular space between them.

Dans bien des cas donc et notamment pour le forage de puits, les modèles existants basés sur l'hypothèse que le positionnement relatif de la tige par rapport au conduit est uniforme sur toute sa longueur, ne rendent pas bien compte de la complexité des phénomènes. En outre, les modèles existants ne tiennent pas compte des modifications importantes sur la circulation de boue apportées par le couplage entre les effets de la rotation de la tige et son excentrement variable par rapport au conduit ou au trou.In many cases therefore, and in particular for drilling wells, existing models based on the assumption that the relative positioning of the rod relative to the conduit is uniform over its entire length, do not properly account for the complexity of the phenomena. In addition, the existing models do not take account of the significant modifications to the mud circulation brought about by the coupling between the effects of the rotation of the rod and its variable eccentricity with respect to the conduit or the hole.

Les modèles existants ne permettent donc pas au foreur de prédire en toute sécurité les pertes de charge et le champ de vitesses réels résultant de l'ensemble de ces paramètres: rotation de la tige, propriétés rhéologiques effectives des fluides utilisés dans la pratique, excentrement variable non uniforme etc, et donc d'optimiser la circulation de fluide à établir: débit, rhéologie, compte-tenu de la vitesse de rotation.The existing models therefore do not allow the driller to safely predict the pressure losses and the actual speed field resulting from all of these parameters: rotation of the rod, effective rheological properties of the fluids used in practice, variable offset non-uniform etc, and therefore to optimize the circulation of fluid to be established: flow rate, rheology, taking into account the speed of rotation.

La méthode selon l'invention a pour objet de construire un modèle représentatif, du champ de vitesses d'un fluide circulant dans un conduit autour d'une tige tubulaire à excentrement variable, aussi bien en régime laminaire que turbulent, ainsi que de la distribution des pertes de charge annulaires en fonction des débits.The object of the method according to the invention is to construct a representative model of the velocity field of a fluid circulating in a conduit around a tubular rod with variable eccentricity, both in laminar and turbulent conditions, as well as in the distribution annular pressure losses as a function of flow rates.

Elle permet ainsi d'optimiser les caractéristiques d'une circulation de fluide que l'on établit dans un espace annulaire autour d'un élément tubulaire dont l'excentrement est variable, tel qu'une longue tige ou un train de tiges, soumis à des déformations, notamment dans le cas où cet espace annulaire est relativement étroit.It thus makes it possible to optimize the characteristics of a circulation of fluid which is established in an annular space around a tubular element whose eccentricity is variable, such as a long rod or a train of rods, subjected to deformations, especially in the case where this annular space is relatively narrow.

La méthode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte la modélisation de l'écoulement dans l'espace annulaire en considérant que la forme de celui-ci est variable tout le long de l'élément tubulaire et en tenant compte de propriétés rhéologiques réelles du fluide (variation de la viscosité avec le taux de cisaillement par exemple), de façon à déterminer la valeur du champ de vitesses et la valeur de la pression en tout point le long de cet espace annulaire.The method according to the invention is characterized in that it includes the modeling of the flow in the annular space considering that its shape is variable all along the tubular element and taking into account real rheological properties of the fluid (variation of the viscosity with the shear rate for example), so as to determine the value of the velocity field and the value of the pressure at any point along this annular space.

La méthode peut comporter aussi l'application à ces valeurs obtenues pour un élément tubulaire à excentrement variable, d'un facteur correctif adimensionnel dépendant du nombre de Reynolds (Re) et du nombre de Taylor (Ta) du fluide utilisé, pour tenir compte des variations des pertes de charge dans l'annulaire engendrées par la vitesse de rotation de l'élément tubulaire.The method can also include the application to these values obtained for a tubular element with variable eccentricity, of an adimensional corrective factor depending on the Reynolds number (Re) and the Taylor number (Ta) of the fluid used, to take account of the variations in pressure losses in the annular generated by the speed of rotation of the tubular element.

Quand les rapports respectifs des effets inertiels et visqueux, suivant la direction axiale et la direction azimutale respectivement, sont supérieurs à une valeur déterminée, par exemple, on peut déterminer le facteur correctif adimensionnel à appliquer par la relation:

Figure imgb0001
When the respective ratios of the inertial and viscous effects, in the axial direction and the azimuthal direction respectively, are greater than a determined value, for example, one can determine the dimensionless corrective factor to be applied by the relation:
Figure imgb0001

A, c et d sont des paramètres dont les valeurs peuvent être choisies dans des fourchettes définies.A, c and d are parameters whose values can be chosen within defined ranges.

Suivant un mode de mise en oeuvre de la méthode, utilisable quand la sinuosité de l'élément tubulaire est relativement faible, on tient compte des modifications dynamiques possibles de la forme de l'élément tubulaire, par application d'un autre facteur correctif sensiblement constant et indépendant de la forme de l'élément tubulaire, compris par exemple dans un intervalle

Figure imgb0002
According to an embodiment of the method, usable when the sinuosity of the tubular element is relatively low, account is taken of possible dynamic modifications of the shape of the tubular element, by application of another substantially constant corrective factor. and independent of the shape of the tubular element, included for example in a range
Figure imgb0002

La méthode selon l'invention tient bien compte des deux facteurs essentiels qui régissent l'évolution des pressions dans les annulaires étroits: l'excentrement variable et la rotation de l'élément tubulaire. Elle permet par conséquent de relier de façon fiable la pression annulaire aux paramètres opératoires: géométrie, débit, vitesse de rotation, ainsi qu'à la rhéologie du fluide en circulation.The method according to the invention takes good account of the two essential factors which govern the evolution of the pressures in the narrow annulars: the variable eccentricity and the rotation of the tubular element. It therefore makes it possible to reliably relate the annular pressure to the operating parameters: geometry, flow rate, rotation speed, as well as to the rheology of the fluid in circulation.

La distribution des pertes de charge que l'on détermine par application de la méthode selon l'invention, telle qu'elle est définie ci-dessus, dans les cas complexes où un fluide quelconque circule dans un annulaire étroit autour d'une tige tournante soumise à des déformations, en particulier quand l'espace annulaire autour d'elle est étroit, est bien en accord avec les résultats pratiques que l'on a pu mesurer.The distribution of the pressure drops which are determined by application of the method according to the invention, as defined above, in complex cases where any fluid circulates in a narrow annular around a rotating rod subject to deformations, especially when the annular space around it is narrow, is in good agreement with the practical results that we have been able to measure.

Dans le cadre d'opérations de forage notamment, on peut donc définir par application de la méthode, la rhéologie du fluide optimale pour maintenir un débit élevé permettant d'obtenir une bonne évacuation des déblais sans que les pressions annulaires sortent d'une plage de sécurité et endommagent le trou. La méthode permet ainsi de définir des règles sur la rhéologie et donc sur la composition des fluides et notamment des fluides sans particules solides utilisés en "slim hole".In the context of drilling operations in particular, it is therefore possible to define, by application of the method, the optimal rheology of the fluid to maintain a high flow rate making it possible to obtain good removal of the cuttings without the annular pressures leaving a range of safety and damage the hole. The method thus makes it possible to define rules on rheology and therefore on the composition of fluids and in particular fluids without solid particles used in "slim hole".

D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après, en se référant aux dessins annexés où :

  • - les Fig.1 et 2 montrent schématiquement un élément tubulaire allongé soumis à des déformations respectivement à variation sinusoïdale et linéaire;
  • - la Fig.3 montre schématiquement en coupe transversale, un tube excentré dans un conduit tel qu'un puits;
  • - les Fig.4 et 5 représentent schématiquement un annulaire sinueux respectivement en position refermée et déployée;
  • - la Fig.6 montre schématiquement la variation en fonction de la sinuosité d'un élément tubulaire, d'un facteur correctif à appliquer aux pertes de charge obtenues en supposant un excentrement nul ou invariable, prédite par la méthode et corroborées expérimentalement;
  • - la Fig.7 montre schématiquement la variation en fonction de l'indice de rhéo-fluidification du fluide, du même facteur correctif;
  • - la Fig.8 montre comment la contrainte de cisaillement τ varie avec le taux de cisaillement y , dans le cas de fluides newtoniens et de fluides non-newtoniens; et
  • - la Fig.9 montre la distribution des vitesses V et les iso-valeurs de pression dans un annulaire dont la configuration varie d'une façon sinusoïdale le long de son axe.
Other characteristics and advantages of the method according to the invention will appear on reading the description below, with reference to the accompanying drawings in which:
  • - Fig.1 and 2 schematically show an elongated tubular element subjected to deformations with sinusoidal and linear variation respectively;
  • - Fig.3 shows schematically in cross section, an eccentric tube in a conduit such as a well;
  • - Fig.4 and 5 schematically show a sinuous annular respectively in the closed and deployed position;
  • - Fig.6 schematically shows the variation as a function of the sinuosity of a tubular element, of a corrective factor to be applied to the pressure losses obtained by assuming zero or unchanging eccentricity, predicted by the method and corroborated experimentally;
  • - Fig.7 schematically shows the variation as a function of the rheo-fluidification index of the fluid, of the same corrective factor;
  • - Fig.8 shows how the shear stress τ varies with the shear rate y, in the case of Newtonian fluids and non-Newtonian fluids; and
  • - Fig.9 shows the distribution of velocities V and the pressure iso-values in a ring finger whose configuration varies in a sinusoidal fashion along its axis.

Dans un puits 1, la forme du train de tiges 2 entraînant l'outil varie en général d'un emplacement à un autre (Fig.1 à 3). Elle dépend de la déviation du trou foré, de la tension ou compression exercée sur la tige etc. On définit la configuration réelle d'un train de tiges par trois paramètres géométriques:

  • - l'excentricité qui est un nombre sans dimension valant 0 quand la tige et le conduit sont concentriques et 1 quand la tige touche la paroi intérieure du conduit, est définie par la relation:
    Figure imgb0003
    • Ro et R sont respectivement les rayons du conduit et de la tige (Fig.1), et 0 est l'écartement de leurs axes respectifs.
  • - l'excentricité maximale: qui est inférieure à 1 si la tige est pourvue de centreurs (de rayon RJ qui l'empêchent de toucher la paroi du conduit;
    Figure imgb0004
  • - la sinuosité (skewness) S, qui est le rapport entre le diamètre moyen de l'espace annulaire davg=2ravg et l'intervalle entre deux inflexions successives de la tige AL,
    Figure imgb0005
In a well 1, the shape of the drill string 2 driving the tool generally varies from one location to another (Fig. 1 to 3). It depends on the deviation of the drilled hole, the tension or compression exerted on the rod etc. We define the actual configuration of a drill string by three geometric parameters:
  • - the eccentricity which is a dimensionless number equal to 0 when the rod and the conduit are concentric and 1 when the rod touches the interior wall of the conduit, is defined by the relation:
    Figure imgb0003
    • R o and R are respectively the radii of the conduit and the rod (Fig. 1), and 0 is the spacing of their respective axes.
  • - the maximum eccentricity: which is less than 1 if the rod is provided with centralizers (of radius RJ which em avoid touching the wall of the duct;
    Figure imgb0004
  • - the sinuosity (skewness) S, which is the ratio between the mean diameter of the annular space d avg = 2r avg and the interval between two successive inflections of the rod AL,
    Figure imgb0005

Pour les calculs, suivant un formalisme connu, l'espace annulaire 3 est assimilé à une série de fentes juxtaposées d'épaisseur variable en fonction de l'excentrement réel. L'espace annulaire autour de la tige est dé- 9 ployé (Fig 4, 5) et l'on considère que le fluide s'écoule entre un certain nombre de plaques d'écartement variable suivant la direction axiale (Fig. 9).For the calculations, according to a known formalism, the annular space 3 is assimilated to a series of juxtaposed slots of variable thickness as a function of the real eccentricity. The annular space around the stem is de- ployed 9 (Fig 4, 5) and it is considered that the fluid flows between a number of variable spacer plates in the axial direction (Fig. 9).

On peut montrer que, pour 0 ≦ x 0≦ AL, et 02 y Z 2πravg, les équations donnant en coordonnées cartésiennes, l'épaisseur des fentes dans le cas d'un annulaire sinueux à variation sinusoïdale (Fig.1) ou rectiligne (Fig.2), ont pour expression :

Figure imgb0006
Figure imgb0007

avec emax défini par (2) et ravg = 0.5davg. We can show that, for 0 ≦ x 0 ≦ AL, and 02 y Z 2πr avg , the equations giving in Cartesian coordinates, the thickness of the slots in the case of a sinuous annular with sinusoidal variation (Fig. 1) or rectilinear (Fig. 2), have as an expression:
Figure imgb0006
Figure imgb0007

with e max defined by (2) and rav g = 0.5dav g.

Pour modéliser l'écoulement du fluide dans un espace annulaire relativement mince, dont l'excentrement est variable, on utilise l'équation de mouvement suivante :

Figure imgb0008

qui relie entre eux la pression P, la vitesse axiale u, la vitesse azimutale v, la viscosité η, les coordonnées x (axiale) et y (azimutale), le rapport S défini par (3), le coefficient de frottement f et le nombre de Reynolds Re.To model the flow of the fluid in a relatively thin annular space, whose eccentricity is variable, the following equation of motion is used:
Figure imgb0008

which connects the pressure P, the axial speed u, the azimuthal speed v, the viscosity η, the coordinates x (axial) and y (azimuthal), the ratio S defined by (3), the coefficient of friction f and the Reynolds Re number.

On utilise aussi deux relations reliant la pression et les composantes de la vitesse moyennées suivant une direction radiale:

Figure imgb0009
Figure imgb0010
We also use two relations connecting the pressure and the components of the speed averaged in a radial direction:
Figure imgb0009
Figure imgb0010

Tous les paramètres sont rendus adimensionnels. Ainsi:

Figure imgb0011
All parameters are made dimensionless. So:
Figure imgb0011

La viscosité adimensionnelle ηD vaut 1 pour les fluides newtoniens. Pour les fluides non-newtoniens, on tient compte de la vitesse débitante et de l'échelle de longueur transverse pour calculer cette viscosité adimensionnelle. PD=P/P0 où Po qui représente les pertes de charge du fluide circulant en annulaire concentrique réduit pareillement à une fente, se calcule par les relations établies par Reed et al dans la publication déjà citée.The dimensionless viscosity ηD is equal to 1 for Newtonian fluids. For non-Newtonian fluids, the flow velocity and the transverse length scale are taken into account to calculate this dimensionless viscosity. P D = P / P 0 where P o which represents the pressure losses of the fluid circulating in a concentric annular similarly reduced to a slit, is calculated by the relationships established by Reed et al in the publication already cited.

Modèle numérique:Numerical model:

On applique les relations précédentes, à un modèle numérique de type à différences finies tel que celui défini par Markatos et al, dans la publication déjà citée, où l'espace annulaire est divisé en grilles, chacune représentant une fente telle qu'on les a définies précédemment, dont l'épaisseur est déterminée par résolution des équations (4) ou (5).We apply the previous relationships, to a numerical model of finite difference type such as that defined by Markatos et al, in the publication already cited, where the annular space is divided into grids, each representing a slit as we have them. defined above, the thickness of which is determined by solving equations (4) or (5).

Le modèle de Markatos, qui était appliqué à des fluides newtoniens, est amélioré comme on le verra ci-après, pour tenir compte de l'ensemble des lois rhéologiques auxquelles obéissent les fluides de forage.The Markatos model, which was applied to Newtonian fluids, is improved as will be seen below, to take into account all of the rheological laws to which drilling fluids obey.

Pour un AP donné, à l'abscisse x = 0, le modèle considère initialement un profil de variation linéaire de la pression et un champ de vitesses moyen basé sur un certain débit pour chaque fente. Le nombre de Reynolds Re, le coefficient de frottement (f) et la viscosité sont calculés.For a given AP, at the abscissa x = 0, the model initially considers a linear variation profile of the pressure and an average velocity field based on a certain flow rate for each slot. The Reynolds Re number, the coefficient of friction (f) and the viscosity are calculated.

Pour un fluide newtonien en régime laminaire par exemple, le produit f.Re est égal à 24 et la viscosité est indépendante du cisaillement. Dans ce cas, les équations (6) à (8) sont simplifiées.For a Newtonian fluid in laminar regime for example, the product f.Re is equal to 24 and the viscosity is independent of the shear. In this case, equations (6) to (8) are simplified.

La méthode de modélisation selon l'invention permet d'étendre le champ d'application du modèle précédent à des régimes d'écoulement non laminaires de fluides quelconques dont l'indice de rhéo-fluidification n'est généralement inférieur à 1, qui correspondent mieux aux circulations que l'on a à modéliser dans la pratique.The modeling method according to the invention makes it possible to extend the field of application of the previous model to non-laminar flow regimes of any fluids whose rheo-fluidification index is generally less than 1, which better correspond to the circulations that we have to model in practice.

Pour un fluide non-newtonien, cette relation doit être modifiée. Il faut tout d'abord intégrer dans les équations (6) à (8) du modèle, le produit f.Re du facteur correctif f par le nombre de Reynolds Re, ceci pour des fluides quelconques. La viscosité des fluides varie en général avec le taux de cisaillement y (Fig.8). Ils obéissent à la loi rhéologique:

Figure imgb0012

ou Test la contrainte de cisaillement et K' et n' sont les paramètres définis dans la publication de Dodge, D.W et al déjà citée.For a non-Newtonian fluid, this relation must be modified. It is necessary first of all to integrate into equations (6) to (8) of the model, the product f.Re of the corrective factor f by the Reynolds number Re, this for any fluids. The viscosity of fluids generally varies with the shear rate y (Fig. 8). They obey the rheological law:
Figure imgb0012

or Test the shear stress and K 'and n' are the parameters defined in the publication of Dodge, DW et al already cited.

Pour tenir compte de ce type de fluide, on modifie la définition du nombre de Reynolds Re et on utilise la méthode décrite par Reed, T.D. et al, dans la publication déjà citée, entre ce nombre Re modifié et le coefficient de frottement f, pour la résolution du modèleTo take account of this type of fluid, the definition of the Reynolds number Re is modified and the method described by Reed, TD et al, in the publication already cited, is used between this modified Re number and the friction coefficient f, for model resolution

La méthode dite GNM décrite par Reed et al dans la publication déjà citée, est utilisée pour évaluer le terme de diffusion z3 D,fReηD dans l'équation (6). Ce terme de diffusion étant connu pour chaque grille, on résoud la forme discrétisée de l'équation (6) pour obtenir un nouveau champ de pression. Un nouveau champ de vitesses est calculé à partir des mêmes équations (7) à (8). On répète les calculs jusqu'à obtenir une convergence des champs de vitesses calculés. Un exemple de champ de vitesses obtenu avec un excentrement sinusoïdal est montré à la Fig.9.The so-called GNM method described by Reed et al in the publication already cited, is used to evaluate the diffusion term z 3 D , fRe ηD in equation (6). This diffusion term being known for each grid, the discretized form of equation (6) is solved to obtain a new pressure field. A new velocity field is calculated from the same equations (7) to (8). The calculations are repeated until a convergence of the calculated speed fields is obtained. An example of a velocity field obtained with a sinusoidal eccentricity is shown in Fig. 9.

Dans tous les cas où l'écoulement devient turbulent dans les parties plus larges de l'espace annulaire en restant laminaire dans les parties étroites, en raison d'une variation rapide du terme de diffusion, d'une grille à une autre, une méthode de relaxation connue en soi, est utilisée. Elle permet d'accroître la stabilité mais elle diminue la vitesse de convergence.In all cases where the flow becomes turbulent in the wider parts of the annular space while remaining laminar in the narrow parts, due to a rapid variation of the diffusion term, from one grid to another, a method relaxation known per se, is used. It increases stability but it decreases the speed of convergence.

Quand la convergence est atteinte, l'intégration numérique du champ de vitesse axiale, donne le débit.When convergence is reached, the digital integration of the axial velocity field gives the flow.

Par des modifications simples des équations (4) et (5), on adapte le modèle aux cas d'excentricité nulle ou uniforme de la tige.By simple modifications of equations (4) and (5), we adapt the model to cases of zero or uniform eccentricity of the rod.

Corrections d'excentricitéEccentricity corrections

L'estimation du champ de vitesses et de la distribution des pertes de charge dans un annulaire étroit est très complexe en raison de la diversité possible de la sinuosité et de l'excentrement de la tige dans des conditions réelles de fonctionnement.Estimating the velocity field and the distribution of pressure drops in a narrow ring is very complex because of the possible diversity of the winding and the eccentricity of the rod under real operating conditions.

La méthode selon l'invention permet cependant de modéliser le champ de vitesses et les distributions de pertes de charge autour d'une tige de grande longueur en rotation.The method according to the invention however makes it possible to model the speed field and the pressure drop distributions around a rod of great length in rotation.

Dans le cas général d'une tige dont le coefficient de sinuosité (1/S) est faible, on détermine la distribution des pertes de charge en intégrant dans le modèle défini par les relations 6 à 8, les expressions analytiques de la variation de l'épaisseur des fentes correspondant à la forme réelle de la tige, et par exemple les équations (4, 5) si la déformation de la tige est de type sinusoïdal ou linéaire. Ceci conduit à des calculs complexes.In the general case of a rod whose sinuosity coefficient (1 / S) is low, the distribution of the pressure drops is determined by integrating into the model defined by relations 6 to 8, the analytical expressions of the variation of l thickness of the slots corresponding to the real shape of the rod, and for example equations (4, 5) if the deformation of the rod is of sinusoidal or linear type. This leads to complex calculations.

La méthode selon l'invention fournit une solution beaucoup plus simple dans le cas où la sinuosité de la tige est faible (facteur 1/S plus élevé).The method according to the invention provides a much simpler solution in the case where the sinuosity of the rod is low (factor 1 / S higher).

Un facteur correctif R est défini comme le rapport, pour un même débit, entre les pertes de charge par unité de longueur (AP/AL)e, engendrées par une tige excentrée et les pertes de charge correspondantes (AP/AL)c engendrées par la même tige centrée.A corrective factor R is defined as the ratio, for the same flow rate, between the pressure drops per unit length (AP / AL) e, generated by an eccentric rod and the corresponding pressure drops (AP / AL) c generated by the same centered rod.

Les courbes de la Fig.6, déterminées par modélisation en accord avec la méthode, montrent que le facteur correctif R varie de façon asymptotique, et reste pratiquement invariable quelle que soit la forme réelle (en forme de ligne brisée ou en forme de sinusoïde) prise par la tige, quand le coefficient de sinuosité 1/S atteint des valeurs assez élevées (1/S >10), ce qui correspond à une faible déformation de la tige.The curves in Fig. 6, determined by modeling in accordance with the method, show that the corrective factor R varies asymptotically, and remains practically invariable regardless of the actual form (in the form of a broken line or in the form of a sinusoid) taken by the rod, when the sinuosity coefficient 1 / S reaches fairly high values (1 / S> 10), which corresponds to a slight deformation of the rod.

Des essais de circulation de fluide ont été effectués au laboratoire avec une installation comportant un conduit dont le diamètre intérieur était de 24 mm et une tige intérieure courbée sinusoidalement, dont le diamètre extérieur était de 18 mm. Sur la Fig.6 le point a de coordonnées 1/S = 12, R = 0,66 et le point b de coordonnées 1/S = 18, R = 0,64, correspondent respectivement à des valeurs obtenues au cours des essais. La comparaison montre que l'accord entre les prédictions du modèle et les résultats expérimentaux, est excellent.Fluid circulation tests were carried out in the laboratory with an installation comprising a conduit whose internal diameter was 24 mm and an internal rod curved sinusoidally, whose external diameter was 18 mm. In Fig. 6 point a with coordinates 1 / S = 12, R = 0.66 and point b with coordinates 1 / S = 18, R = 0.64, respectively correspond to values obtained during the tests. The comparison shows that the agreement between the model predictions and the experimental results is excellent.

Dans des conditions normales d'utilisation, la déformation d'une tige dans un conduit ou trou étroit, notamment d'un train de tiges de forage dans un puits pétrolier, est en général peu accentuée. C'est le mode de fonctionnement le plus courant dans la pratique. Les pertes de charge résultant d'un excentrement de la tige (AP/AL)e, peuvent donc être calculées simplement, de façon sensiblement indépendante du coefficient de sinuosité 1/S dans le cas d'annulaires de longueur importante.Under normal conditions of use, the deformation of a rod in a narrow pipe or hole, in particular of a drill string in an oil well, is generally little accentuated. This is the most common mode of operation in practice. The pressure losses resulting from an eccentricity of the rod (AP / AL) e, can therefore be calculated simply, in a manner substantially independent of the sinuosity coefficient 1 / S in the case of ring fingers of large length.

Le calcul peut se généraliser pour le cas des fluides non-newtoniens, quel que soit leur degré de rhéo-fluidification. La variation du facteur correctif R qu'il faut introduire quand la tige est excentrée mais faiblement sinueuse (1/S important) en fonction de l'indice de rhéohluidification n est montrée sur la figure 7 pour le cas d'une sinuosité de type linéaire ou sinusoïdale.The calculation can be generalized for the case of non-Newtonian fluids, whatever their degree of rheo-fluidification. The variation of the corrective factor R which must be introduced when the rod is eccentric but slightly sinuous (1 / S important) as a function of the rheohluidification index n is shown in FIG. 7 for the case of a sinuosity of linear type or sinusoidal.

L'introduction de ce facteur correctif R permet donc d'obtenir facilement, pour les sinuosités faibles, les résultats en configuration excentrée à partir des résultats obtenus dans le cas d'une tige centrée, pour toute loi rhéologique du type donné par la relation (9).The introduction of this corrective factor R therefore makes it easy to obtain, for weak sinuosities, the results in an eccentric configuration from the results obtained in the case of a centered rod, for any rheological law of the type given by the relation ( 9).

Corrections de rotationRotation corrections

Les valeurs obtenus par la modélisation, doivent être modifiées ensuite pour tenir compte des effets engendrés par la rotation de la tige.The values obtained by modeling, must then be modified to take into account the effects generated by the rotation of the rod.

Des essais portant sur l'écoulement d'u fluide rhéo-fluidifiant autour d'une tige centrée dans un conduit, ont montré que l'évolution de la perte de charge en fonction de la vitesse de rotation W, dépend du régime d'écoulement engendré par le couplage du mouvement axial et du mouvement tangentiel.Tests relating to the flow of a rheo-fluidizing fluid around a rod centered in a duct, have shown that the evolution of the pressure drop as a function of the rotation speed W, depends on the flow regime generated by the coupling of the axial movement and the tangential movement.

Les spécialistes savent que l'écoulement tangentiel entre deux cylindres coaxiaux est caractérisé par la grandeur du nombre de Taylor défini par

Figure imgb0013

où W est la vitesse de rotation et 11, la viscosité.Specialists know that the tangential flow between two coaxial cylinders is characterized by the magnitude of the Taylor number defined by
Figure imgb0013

where W is the speed of rotation and 11 , the viscosity.

En l'absence de mouvement axial, l'écoulement tangentiel est gouverné par le nombre de Taylor Ta. Quand Ta < 41,3, l'écoulement est laminaire. Pour des nombres de Taylor compris entre 41,3 et environ 400, on constate que des tourbillons stables dits tourbillons de Taylor, se superposent aux lignes de courant circulaires. L'écoulement devient turbulent pour des valeurs de Ta > 400.In the absence of axial movement, the tangential flow is governed by the Taylor Ta number. When Ta <41.3, the flow is laminar. For Taylor numbers between 41.3 and about 400, we find that stable vortices, called Taylor vortices, are superimposed on the circular current lines. The flow becomes turbulent for values of Ta> 400.

On sait aussi que, superposé à un écoulement tangentiel, un écoulement axial modifie les valeurs de Ta correspondant aux limites de la zone de transition. De même, un écoulement tangentiel, superposé à un écoulement axial, peut affecter les valeurs de Re correspondant à une transition laminaire-turbulent suivant la direction axiale.We also know that, superimposed on a tangential flow, an axial flow modifies the values of Ta corresponding to the limits of the transition zone. Likewise, a tangential flow, superimposed on an axial flow, can affect the Re values corresponding to a laminar-turbulent transition in the axial direction.

Pour dégager les tendances globales des effets de la rotation de la tige et la valeur des facteurs correctifs à apporter aux résultats précédents, pourtenir compte du type d'écoulement, il est utile de mettre les différents paramètres sous une forme adimensionnelle.To identify the overall trends of the effects of rod rotation and the value of the corrective factors to bring to the previous results, to take account of the type of flow, it is useful to put the different parameters in an adimensional form.

Ainsi, on utilise le nombre de Reynolds définit par Dodge et al pour un fluide non-newtonien dans la publication déjà citée.Thus, we use the Reynolds number defined by Dodge et al for a non-Newtonian fluid in the publication already cited.

Le nombre de Taylor caractérisant le rapport des effets inertiels aux effets visqueux suivant la direction azimutale, est donné par la relation (10) à condition d'étendre sa définition de façon à inclure les effets de rhéo-fluidification. Il faut pour cela remplacer dans cette relation, la viscosité newtonienne par la viscosité d'un fluide en loi de puissance, calculée à la valeur du taux de cisaillement à la paroi interne (contre la tige) correspondant à la vitesse de rotation W.The Taylor number characterizing the ratio of inertial effects to viscous effects along the azimuthal direction is given by relation (10) provided that its definition is extended to include the effects of rheofluidification. It is necessary for that to replace in this relation, the Newtonian viscosity by the viscosity of a fluid in law of power, calculated at the value of the rate of shearing in the internal wall (against the rod) corresponding to the speed of rotation W.

On définit aussi le rapport Rp de la pression annulaire pour une vitesse de rotation donnée W, rapportée à la pression annulaire à rotation nulle au même débit, par la relation:

Figure imgb0014
We also define the ratio Rp of the annular pressure for a given speed of rotation W, related to the annular pressure with zero rotation at the same flow rate, by the relation:
Figure imgb0014

A partir des nombres de Taylor et de Reynolds, on construit un autre paramètre adimensionnel:

Figure imgb0015

où Um la vitesse débitante. Rw est une mesure du rapport des taux de cisaillement respectivement suivant les directions azimutale et axiale.From the Taylor and Reynolds numbers, we construct another dimensionless parameter:
Figure imgb0015

where U m the flow rate. R w is a measure of the ratio of the shear rates respectively along the azimuthal and axial directions.

Les résultats obtenus varient en fonction des valeurs prises par les nombres de Reynolds et de Taylor:

  • 1) Faibles nombres de Reynolds (Re < 200):
    • Le rapport Rp diminue quand le paramètre Rw augmente et il devient significatif quand Rw devient supérieur à 2. La chute de la pression que l'on constate, est liée à la diminution de la viscosité du fluide liée à la superposition du cisaillement azimutal au cisaillement axial. La diminution des pertes de charge que l'on constate pour les valeurs faibles du nombre de Reynolds sont la conséquence de la chute de viscosité apportée par le mouvement tangentiel.
  • 2) Faibles nombres de Taylor (Ta < 200)
    • Le rapport de pression Rp tend asymptotiquement vers une limite Rp1 supérieure à 1 pour les valeurs du nombre de Taylor Ta < 200.
  • 3) Nombres de Taylor et de Reynolds supérieurs à 200
The results obtained vary according to the values taken by the Reynolds and Taylor numbers:
  • 1) Low Reynolds numbers (Re <200):
    • The ratio Rp decreases when the parameter Rw increases and it becomes significant when Rw becomes greater than 2. The drop in pressure which is observed, is linked to the decrease in the viscosity of the fluid related to the superimposition of the azimuth shear on the axial shear. The reduction in pressure losses which is observed for the low values of the Reynolds number are the consequence of the drop in viscosity brought about by the tangential movement.
  • 2) Weak Taylor numbers (Ta <200)
    • The pressure ratio Rp tends asymptotically towards a limit Rp 1 greater than 1 for the values of the Taylor number Ta <200.
  • 3) Taylor and Reynolds numbers greater than 200

Pour cette plage de variation, on a pu établir une une relation empirique de la forme

Figure imgb0016

où les coefficients A, c, d sont compris dans les fourchettes suivantes.
Figure imgb0017
Figure imgb0018
Figure imgb0019

avec des valeurs typiques suivantes: A = 0,29, c = 0,17 et d = 0,067.For this range of variation, we could establish an empirical relation of the form
Figure imgb0016

where the coefficients A, c, d are included in the following ranges.
Figure imgb0017
Figure imgb0018
Figure imgb0019

with the following typical values: A = 0.29, c = 0.17 and d = 0.067.

L'application aux résultats de ce deuxième facteur correctif dépendant de la vitesse de rotation et du type d'écoulement, permet donc d'obtenir les pertes de charge tout le long de la tige.The application to the results of this second corrective factor depending on the speed of rotation and the type of flow, therefore makes it possible to obtain the pressure drops all along the rod.

Claims (5)

1) Méthode pour optimiser les caractéristiques d'une circulation de fluide que l'on établit dans un espace annulaire (3), et notamment dans un annulaire relativement étroit, autour d'un élément tubulaire (2), tel qu'une longue tige ou un train de tiges dont l'excentrement varie en raison de déformations, caractérisée en ce qu'elle comporte la modélisation de l'écoulement dans l'espace annulaire en considérant que la forme de celui-ci est variable tout le long de l'élément tubulaire et en tenant compte de propriétés rhéologiques réelles du fluide telle que la variation de la viscosité avec le taux de cisaillement, de façon à déterminer la valeur du champ de vitesses et la valeur de la pression en tout point le long de cet espace annulaire.1) Method for optimizing the characteristics of a fluid circulation which is established in an annular space (3), and in particular in a relatively narrow annular, around a tubular element (2), such as a long rod or a drill string whose eccentricity varies due to deformations, characterized in that it includes the modeling of the flow in the annular space by considering that the shape of the latter is variable all along the tubular element and taking into account real rheological properties of the fluid such as the variation of the viscosity with the shear rate, so as to determine the value of the velocity field and the value of the pressure at any point along this annular space . 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte l'application auxdites valeurs obtenues pour un élément tubulaire à excentrement variable, d'un facteur correctif adimensionnel (Rp) dépendant du nombre de Reynolds (Re) et du nombre de Taylor (Ta) du fluide utilisé, pour tenir compte des variations des pertes de charge dans l'annulaire engendrées par la vitesse de rotation (W) de l'élément tubulaire.2) Method according to claim 1, characterized in that it comprises the application to said values obtained for a tubular element with variable eccentricity, of a dimensionless corrective factor (Rp) depending on the Reynolds number (Re) and the number of Taylor (Ta) of the fluid used, to take account of the variations in pressure losses in the ring finger caused by the speed of rotation (W) of the tubular element. 3) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on détermine le facteur correctif adimensionnel (Rp) par l'application de la relation:
Figure imgb0020
Figure imgb0021
Figure imgb0022

et
Figure imgb0023

quand les rapports respectifs des effets inertiels et visqueux, suivant la direction axiale et la direction azimutale respectivement, sont supérieurs à une valeur déterminée.
3) Method according to claim 2, characterized in that the dimensionless corrective factor (Rp) is determined by the application of the relation:
Figure imgb0020
Figure imgb0021
Figure imgb0022

and
Figure imgb0023

when the respective ratios of the inertial and viscous effects, in the axial direction and the azimuthal direction respectively, are greater than a determined value.
4) Méthode selon l'une des revendication précédentes, caractérisée en ce que l'on tient compte des modifications dynamiques possibles de la forme de l'élément tubulaire, par application d'un autre facteur correctif (R) sensiblement constant et indépendant de la forme de l'élément tubulaire, tant que la sinuosité (S) de celui-ci reste relativement faible.4) Method according to one of the preceding claim, characterized in that account is taken of possible dynamic modifications of the shape of the tubular element, by application of another corrective factor (R) substantially constant and independent of the shape of the tubular element, as long as the sinuosity (S) thereof remains relatively low. 5) Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'on choisit l'autre facteur correctif (R) dans l'intervalle
Figure imgb0024
5) Method according to claim 4, characterized in that one chooses the other corrective factor (R) in the interval
Figure imgb0024
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