8
Coiled Tubing System The coiled tubing workover system primarily supplies a means of running small and medium diameter tubing through the well production tubing (or larger diameter tubing into the casing), thus providing a circulating path to the bottom of the well and similar to other concentric tubing systems. The following advantages are apparent with coiled tubing: o Coiled tubing can be run in the well against reasonable surface pressure, thus the well can be controlled with a low‐density, clean fluid, or not controlled at all; for many applications, a high‐pressure well does not have to be killed with a damaging fluid o Weight and size of the various coiled tubing components are such that transportation to an offshore platform is facilitated since platforms and semi‐subs are designed with cranes and facilities to suit coiled tubing operations lift requirements o Tubing can be run at relatively high speeds of 150‐200 feet per minute, however, this is a maximum rate and is not recommended for routine operations o Circulation is possible while running and pulling and there are no collared connections in the string. o In highly deviated (> 70°) wells, the inherent flexibility and strength of the coiled tubing permits it to be pushed some distance into the deviated section to do servicing and tubing‐conveyed perforating, or, with an electric cable inside the coiled tubing, production logging operations (the synergy between high tensile strength pipes, chemicals, friction reducers, and downhole tools makes it possible to reach hydraulic unit depths in wells with long horizontal sections o New materials and the experience and innovation learned from applications suitable for coiled tubing mean that it is currently common to find coiled tubing applications as part of the final well completion either as a velocity string or equipment placement running tool Figure 7‐10 shows a typical rig‐up for an electric line job, on a highly deviated or horizontal well. Figure 7‐10 Coiled tubing rig up for electric line jobs on a highly deviated well. Courtesy Halliburton Design Process for Completion and Workovers – Coiled Tubing Systems ═════════════════════════════════════════════════════════════════════════ © PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________ 1 COPYRIGHT

Design Process for Completion and Workovers – Coiled

  • Upload
    others

  • View
    11

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Microsoft Word - PCE-DEC-1-PC1Coiled Tubing System 
The coiled tubing workover system primarily supplies a means of running small and medium diameter tubing 
through the well production tubing (or larger diameter tubing into the casing), thus providing a circulating 
path to the bottom of the well and similar to other concentric tubing systems. The following advantages are 
apparent with coiled tubing: 
  
o Coiled tubing can be run in the well against reasonable surface pressure, thus the well can be controlled 
with a lowdensity, clean fluid, or not controlled at all; for many applications, a highpressure well does 
not have to be killed with a damaging fluid 
o Weight and size of the various coiled tubing components are such that transportation to an offshore 
platform is facilitated since platforms and semisubs are designed with cranes and facilities to suit coiled 
tubing operations lift requirements 
o Tubing can be run at relatively high speeds of 150200 feet per minute, however, this is a maximum rate 
and is not recommended for routine operations  
o Circulation is possible while running and pulling and there are no collared connections in the string. 
o In highly deviated (> 70°) wells, the inherent flexibility and strength of the coiled tubing permits it to be 
pushed some distance into the deviated section to do servicing and tubingconveyed perforating, or, with 
an electric cable inside the coiled tubing, production logging operations (the synergy between high 
tensile strength pipes, chemicals, friction reducers, and downhole tools makes it possible to reach 
hydraulic unit depths in wells with long horizontal sections 
o New materials and the experience and innovation learned from applications suitable for coiled tubing 
mean that it is currently common to find coiled tubing applications as part of the final well completion 
either as a velocity string or equipment placement running tool 
Figure 710 shows a typical rigup for an electric line job, on a highly deviated or horizontal well. 
Figure 710   Coiled tubing rig up for electric line jobs on a highly 
deviated well. Courtesy Halliburton   
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
1
COPYRIG HT
  
Services  Variety of 
Pipe Conveyed  Fair  No 2  Excellent  No 2  90 
Coiled Tubing  Excellent  Yes  Good 3  Yes  90 
LWD  Limited  Yes  Excellent  No  90 
Wireline & 
CT with Tractor  Excellent  Yes  Excellent 4  Yes  90 
1The hole deviation of 65 – 70 degrees for wireline is only achievable in cased holes. In open hole, the 
number is more like 45 degrees.  2Pipe conveyed logging cannot be done at constant speed and there is no way to log under pressure.  3Pipe conveyed logging outperforms coiled tubing in extended reach horizontal wells. Buckling of the 
coiled tubing limits its capability to push far out into horizontal wells. Software can help predict how far 
out it will reach.  4Different tractor types are available with different advantages and disadvantages. Not all are capable of 
operating in open hole sections. 
 
Some of these characteristics are inherent to the standard applications of coiled tubing, thus it is 
  
Primary coiled tubing unit components are the injector hoist unit, well control stack, continuous tubing, 
and the storage reel. 
Coiled Tubing 
The tubing itself is usually of several common working outside diameter sizes such as 11/4in, 11/2in, 
13/4in, or 23/8in. pipe (noting that, in certain areas, 27/8in. or larger pipe is available).  Tubing is 
milled from 80,000 to 120,000 psi minimum yield alloy steel (noting that 70,000 psi minimum yield alloy 
steel is still available for some specific applications). 
  
Various wall thicknesses are available from the pipe suppliers with different pressure drop (loss) for 
each size. 
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
2
Table 715 shows typical specifications for smaller OD pipes. 
Table 715 
psi, Elongation, 20% min 2 in. 
Hardness22 Rc max   
OD  OD  OD 
Weight, lbs/ft  0.848  1.081  1.836 
Wall area, sq in.  0.250  0.318  0.540 
Load capacity, lbs  (below)  (below)  (below) 
Yield (min)  17,500  22,260  37,800 
Ultimate (min)  20,000  25,440  43,200 
Press. capacity2, 
Torque, yield, ft lbs 306  504  1,001 
Internal capacity  (below)  (below)  (below) 
Bbls/1000 ft  0.663  1.124  1,518 
Ext. displacement  (below)  (below)  (below) 
Bbls/1000 ft  0.971  1.518  2.186 
  
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
3
COPYRIG HT
The weak point in coiled tubing is the tubetotube butt weld and can be eliminated by using the bias 
weld technique.   
  
Taper and trutaper pipes allow thinner wall thickness, therefore lighter pipe sections on the downhole 
end of the coiled tubing and thicker, heavier wall thickness on the pipe core (reel) end. Using this 
concept, the depth for coiled tubing intervention has increased from initial tubing designs. Additionally, 
new technology uses a slightly modified injector heads to run the tapered OD string in order to increase 
intervention depth. Figure 714 compares the different pipe diameter designs and their approximate 
rated depths. 
  
 
  
The tubing reel, normally 810 ft in diameter, is powered by hydraulic drive to maintain tension on the 
tubing and uses a "level wind" mechanism to reel the tubing uniformly. A manifold built into the reel 
inlet connects the fluid pumping system to the tubing; the fluid from storage tanks connects to the reel 
axis at the fluid head connection.  With the coiled tubing having been run to a well’s working depth, well 
circulation involves pumping fluids through all of the tubing on the reel as well as the tubing actually in 
the well. An operating advantage for consideration is that the well can be circulated while running 
tubing into or pulling tubing from the well.   
  
Working with the friction pressure loss in smaller 100 in. OD x 0.095 in. wall thickness tubing is a 
challenge as a 375 psi/1000 ft of tubing pressure loss will occur when pumping fresh water at 0.5 
bbl/min; about 70% less friction loss will occur when the water is treated with friction reduction 
chemicals in the fluids. Using a 11/4 in. OD x 0.095 in. wall thickness, tubing pressure loss with water at 
1 bbl/min is 359 psi/1,000 ft. With 11/2 in. OD x 0.109 in. wall thickness, tubing pressure loss drops to 
138 psi/1,000 ft at 1 bbl/min with fresh water. With 200 in. OD x 0.125 in. wall thickness tubing, loss 
  
Table 716 compares circulating rates and times for 1 in. (original design tubing size not presently used 
today for downhole applications), 11/4in., and 11/2in. coiled tubing inside 51/2in., 17 lb/ft casing. 
This table shows the limitation of low annulus velocity, due to low rate or a big annular flow area, or, a 
Design Process for Completion and Workovers – Coiled Tubing Systems
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
4
COPYRIG HT
combination of both. Such design specification becomes an important issue when removing / lifting 
solids from the well in the tubing / coiled tubing annulus. Such is an incentive for larger OD coiled tubing 
or for reverse circulation. Reverse circulating fluids upward through coiled tubing in the well and on the 
reel is a technique that must be carefully considered as this pumping method (a) exerts pressure on the 
formation that could exceed fracture pressure, and, (b) exerts annulus pressure that could possibly 
collapse the coiled tubing. Published collapse strength data on coiled tubing applies to new, round pipe. 
However, due to regular wear and tear, every new coiled tubing pipe has its ovalilty reduced by as much 
as 1% under each pass of the stresses exerted by the continuous gripper action of the injector during the 
useful life of the coiled tubing string. Therefore, the predicted or calculated collapse pressure will 
decrease dramatically from new coiled tubing conditions to older tubing that is worn. In earlier usage of 
coiled tubing, a working collapse pressure of 1,000 to 1,500 psi was considered an upper limit. Today, 
with new metallographic structures/compositions for coiled tubing manufacturing, knowledge of 
materials behavior, simulation software, careful monitoring of the coiled tubing and prudent field 
practices, the limit has been raised significantly. 
  
      Table 716 
Comparison of 1in., 11/4in., and 11/2in. OD Coiled Tubing Circulation at 11,000 ft 
51/2in., 17 lb/ft casing 
Tubing 
11/4  45  4911  15.8    0.82  0:15  3:43  3:58 
11/2  78  4968  17.9    1.47  0:12  2:17  2:29 
  
A key to success in coiled tubing operations is having a healthy respect for the forces exerted on the 
tubing in well operations, particularly in highly deviated holes. In a more or less vertical well, the surface 
weight indicator, with small corrections for residual bending and buoyancy, gives an accurate indication 
of downhole forces acting on the tubing (noting that a 13/4in. coiled tubing string weighs about 2 
lb/ft). With a highly deviated hole, however, the surfaceindicated weight decreases as the tubing is 
"pushed" into the deviated section; there is no correlation between surface load or movement and 
downhole movement. Several forces and effects must be taken into account including buoyancy, 
  
The buoyant weight of each element in the coiled tubing exerts a tensile effect on other elements. This 
weight is affected by the density of internal and external fluids and contributes to the friction force on 
  
A residual bend (radius of curvature of about 20 feet) remains in the tubing after it passes through the 
wellhead assembly. This accentuates the tendency for the tubing to form a helical configuration as it is 
Design Process for Completion and Workovers – Coiled Tubing Systems
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
5
COPYRIG HT
pushed into a straight hole. The period of the helix increases (tubing straightens) as tension increases, 
but as tubing tension decreases, the helical buckling becomes tighter, thus causing additional friction 
against the side of the hole which further tightens the helix. At some point, the frictional forces equal 
the forces pushing the tubing, lockup occurs, and, with these existing conditions, the tubing cannot be 
pushed further into the deviated hole. Chemical friction reducers and mechanical tubing ‘tractors’ are 
  
Hole profile affects the total effective tubing load, first, because the friction of the tubing moving on the 
low side of the hole depends on the deviation angle, and second, because of the "belt effect" that 
occurs as tubing is pulled against the inside of a curved hole while trying to withdraw it from a deviated 
section. 
  
Wellhead pressure tries to force the coiled tubing out of the hole, and, with larger tubing and higher 
wellhead pressures, this can be a significant effect. A phenomenon known as ‘catastrophic buckling’ 
could occur when the force needed to move the coiled tubing downward is higher than its resistance to 
column failure. 
  
Reel backtension, necessary to keep the tubing under control on the spool, affects the load cell 
indication located under the injector head. Thus, it must be accounted for, even though it does not 
  
Stripper friction depends on wellhead pressure and the force applied to the stripper element to prevent 
leakage. In some situations, lubricant can reduce this effect.  
  
Fluid friction caused by flow in the tubing or annulus affects tubing stress although vibrations caused by 
flow may actually reduce helical buckling frictional effects. Jetting applies a force at the end of the 
tubing, opposing that of the fluid. This dragging effect is usually important on pinpoint jobs with high 
annular pump rates. 
  
Models are available to predict forces acting on the coiled tubing and an example is illustrated in Figure 
715. Pre planning and modeling are a necessary component of any planned operation, especially those 
that will test the limits of the tubing and associated equipment. Answers must always be made available 
for the following questions: 
  
o What is the apparent weight (surface load cell read out) of coiled tubing running in or pulling 
out of hole? 
o What are the maximum stresses acting on the tubing running in or pulling out? 
o Over what distance can the coiled tubing can be safely pushed into a highly deviated wellbore? 
o What force can be exerted, push or pull, at the end of the coiled tubing? (This question is quite 
important because some tools will only work on a certain force range; examples are  mud 
motors, hydraulic jars on fishing BHA, and others. 
   
  
  
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
6
 
  
Coiled Tubing Failures 
Coiled tubing life is a function of the record of the work performed by a tubing string. It can be quite 
short, varying from 20 trips where high pulls and pressures are involved, to 100 trips when working 
under lowtensile stress, lowburst conditions. Factors that contribute to the failure of coiled tubing 
include: 
o Pump pressure applied 
o Corrosivity and abrasiveness of fluids in well bore or pumped through tubing 
o Tubing ovality condition and mechanical damage 
The key factor determining pipe life is known as ‘fatigue' and is illustrated in Figure 716.  It is primarily 
the cumulative effect of cold work on the coiled tubing pipe cycling over the reel and the injector head. 
Every time the pipe bends, regardless of the pressure, fatigue will increase. If the bending occurs in the 
presence of pressure, the fatigue increase will be directly proportional. Fatigue is quite important, 
because it affects the physical properties of the tubing. Therefore, the tensile strength for a totally used 
tubing will be lower than for new pipe with the same characteristics. A fatigued pipe will be more likely 
to fail than a newer, less fatigued pipe, under the same working conditions moving forward. There are 
different approaches on how to calculate fatigue but all of them use statistical models based on tests 
and experience. Fatigue will be calculated (usually in real time) using variables collected and recorded 
during the job in order to keep track of the useful life still available on every pipe. In any case, this is the 
primary indicator of pipe suitability for a particular job. 
Design Process for Completion and Workovers – Coiled Tubing Systems
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
7
  
  
 
  
Additionally, some inspection devices mounted on the work reel can be used to monitor pipe 
dimensions and superficial damage that cannot be simulated/tracked by fatigue algorithms. Such is not 
  
A database should be maintained on each coiled tubing pipe describing its historical record of service so 
that it can be retired when it can no longer be safely run in the well. 
Design Process for Completion and Workovers – Coiled Tubing Systems
© PetroSkills, LLC. All rights reserved. _____________________________________________________________________________________________
8