Modelling and Optimization of Geothermal Drilling Parameters. A case study of well MW-17 in Menengai Kenya

Abstract

Several factors come into play when a drill bit is crushing the rock at the bottom of the hole. To effectively drill geothermal wells, these factors must be carefully considered and combined in an optimum manner. The characteristic of geothermal formations is such that it is composed of different layers of rocks alternating from the surface to the final depth. Some rocks are highly temperature altered while others are highly fractured and unconsolidated. A careful approach has to be devised while drilling through the different sections to avoid problems which lead to delays in drilling. At the same time drilling parameters have to be applied according to the rock types in such a way that the well is drilled in the shortest time possible and in the most cost effective manner. The following factors have been mathematically modelled by Multiple Linear Regression and shown how they affect the overall drilling rate: Formation strength, Depth, Formation compaction, Pressure differential, Bit diameter and Weight on bit (WOB), Bit rotation (RPM), and Bit hydraulics. This modelling approach has been adapted for geothermal drilling from the Oil and Gas drilling as first applied by Bourgoyne and Young. Optimization of WOB and RPM showed most of these parameters are in some cases applied too low and in others too high. Data captured while drilling of well MW-17 in Menengai geothermal field was used in making the drilling model. A combination of Excel and Matlab was used in the data analysis.

Það eru margir þættir sem koma við sögu þegar borkróna er að mylja bergið í botninum á jarðhitaholum. Til að ná sem bestum árangri við borunina verður að greina þessa þætti og stilla til að ná fram hámarks afköstum. Eiginleikar jarðvegsmyndana á jarðhitasvæðum einkennast af mismunandi bergi sem liggja í lögum frá yfirborði niður í botn borholunnar við jarðhitageyminn. Í sumu lögum hefur bergið þést vegna áhrifa hita og í öðrum hefur það sprungið og gliðnað. Til að koma í veg fyrir vandamál sem geta komið upp þegar borað er í gegnum mismunandi lög þarf að setja fram nákvæma verkáætlun. Jafnframt þarf að ákvarða helstu kennistærðir með tillit til þessar berglaga þannig að bortíminn verði sem stystur og hagkvæmastur. Í þessu verkefni hefur verið sett fram borhraðalíkan sem inniheldur breytistærðir eins og styrk bergs, dýpi, bergþjöppun, þrýstifall og vökvaflæði borholuvökva, þvermál borkrónu, snúningshraða (RPM) og þyngd á krónu (WOB). Fastar líkansins eru síðan ákvarðaðir með aðhvarfsgreiningu út frá mældum gögnum. Líkanið var fyrst sett fram af Bourgoyne og Young og þróað fyrir borun á olíu og gasi en í þessu verkefni hefur það verið aðlagað að borun á jarðhitasvæðum. Borhraðalíkanið var stillt af og prófað með gögnum sem hefur verið safnað við borun á holu MW-17 á Menengai jarðhitasvæðinu í Kenía. Niðurstöður bestunar á tveimur ákvörðunarbreytunum þ.e. snúningshraða (RPM) og þyngd á krónu (WOB) sýndu að stillingar á þessum ákvörðunarbreytum voru stundum of háar og stundum of lágar. Forritin Matlab og Excel eru notuð til að greina gögnin og setja fram líkanið.