بخشی از مقاله
چکیده:
افت فشار در حفاری دورانی یکی از مهمترین مسائل می باشد. نتایج بررسی ها نشان داده است، بیشترین افت فشار در عملیات حفاری مربوط به نازل مته های حفاری می باشد. افت فشار در نازل بدلیل کاهش ناگهانی سطح مقطع بوجود می آید. در این مقاله به بررسی گرادیان اختلاف فشار ورودی و خروجی در یک نازل 18/32 اینچ پرداخته شده است. برای محاسبه گرادیان اختلاف فشار ورودی و خروجی، جریان سیال در نازل مورد نظر شبیه سازی شده است. با توجه به اینکه سیال مورد بررسی غیر نیوتنی می باشد، در شبیه سازی جریان از مدل رئولوژیک توانی استفاده می شود. از روش حجم محدود به منظور شبیه سازی و حل عددی جریان سیال غیرنیوتنی تراکم ناپذیر در نازل استفاده میشود. جریان سیال بصورت جریان دائم و آشفته در نظر گرفته می شود. نتایج بدست آمده با نتایج تجربی ارائه شده در مقالات مقایسه میشود تا میزان دقت شبیه سازی مشخص شود. نتایج نشان میدهند با افزایش دبی جریان، گرادیان اختلاف فشار ورودی و خروجی در نازل کاهش مییابد.
واژه های کلیدی: مدل رئولوژیک توانی، افت فشار، نازل مته حفاری، شبیه سازی جریان.
مقدمه
افت فشار در حفاری دورانی یکی از مهمترین مسائل می باشد. نتایج بررسی ها نشان داده است، بیشترین افت فشار در عملیات حفاری مربوط به نازل مته های حفاری می باشد. افت فشار در نازل بدلیل کاهش ناگهانی سطح مقطع بوجود می آید.ایکل و بیلستین با استفاده از لوله پیتوت افت فشار در دو طرف نازل مته را اندازهگیری کرده و تاثیر ضریب طرحهای مختلف بر راندماننازل را بررسی کردند .[1] آنها نازلی با هندسه جدید طراحی کردند که موجب افزایش سرعت جت سیال و افزایش نرخ حفاری شد.سوتکو و مایرس به بررسی اثر اندازه نازل، تعداد نازل و موقعیت آن بر توزیع فشار در ته چاه پرداخت .[2] این بررسی برای آب به عنوان گل حفاری انجام شد. آن ها نشان دادند اندازه و تعداد نازلها اثر مستقیمی بر تمیزکاری چاه دارد. نتایج نشان میدهند با کاهش تعداد نازلها - از سه به دو نازل - طول نازل باید افزایش یابد تا فرآیند حفاری به نحو مطلوب انجام شود.
کولی و همکاران به بررسی حرکت سیال در یک نازل جت پرداختند .[3] این بررسی ابتدا بر روی یک نازل جت با فشار تراکم ناپذیر و سپس حرکت سریع سیال در طول یک نازل جت انجام شده است. نتایج نشان می دهد که اثرات تراکم پذیری باعث استفاده از تیغه های متفاوت حفاری شده است.رامسی و همکاران به بررسی فشار پایین نازل های حفاری پرداختند، و این فشار های پایین در محیط های دایروی حدود 30 تا - psi - 40 در نظر گرفته شده است . [4] در حالی که این فشار اندازه گیری شده در طول نازل بالاتر از 30 تا 400 - psi - اندازه گرفته شده است. این بدان معنا می باشد که مقدار محاسبات لوله ها نادرست بوده است. نتایج نشان می دهد که این میزان فشار به نسبت جریان ها و ضریب تاثیر و تیغه های حفاری بستگی دارد.
سیم و همکاران یک راه کار برای کمتر کردن ارتعاشات و بارهای ضربه ای نازل حفاری چاه های نفت ارائه کردند .[5] در این بررسی بار های ضربه ای به شکل و نوع تیغه ی حفاری و کاربرد نازل و استفاده از این نازل های جدید بسیار آسان می باشد. نتیجه نشان می دهد که شکل نازل صنعتی و ساختار تیغه حفاری مناسب کیفیت بار ضربه ای حرکت جت بهتر می باشد. و در این نوع نازل با بار ضربه ای در حین حرکت در سرعت های لحظه ای و ضربه فشار جت توانایی برش را افزایش می دهد.ورسان و تولگا به بررسی اثر دو نوع پلیمر بر خواص رئولوژیک نوعی سیال حفاری پلیمری پرداختند .[6] آنها از مدلهای رئولوژیک بینگهام پلاستیک، توانی، کیسون، هرشل – بالکلی و رابرتسون - استیف برای تعیین خواص رئولوژیک سیال حفاری استفاده کردند. نتایج نشان میدهند افزایش غلظت سیال حفاری باعث افزایش ضریب ثابت مدل رئولوژیک توانی - m - میشود.
لزانو و همکاران به بررسی تاثیر عبور سیال از نازل مته بر خواص رئولوژیک سیال پرداختند . [7] این بررسی برای سه نوع سیال حفاری پلیمری و سه اندازه برای نازل مته صورت گرفت. آنها از مدل رئولوژیک توانی برای بیان خواص رئولوژیک گل حفاری استفاده کردند. در این بررسی با اندازهگیری فشار در بالادست و پایین دست نازل، گرادیان اختلاف فشار در نازل مته اندازهگیری شد. همچنین خواص رئولوژیک سیال قبل از ورود به نازل و بعد از خروج از نازل اندازه گیری شد. نتایج نشان میدهند تنش برشی سیال ورودی به نازل بیشتر از تنش برشی سیال خروج از نازل است. همچنین با افزایش قطر نازل، تنش برشی سیال خروجی از نازل افزایش مییابد.
رامسی و رابینسون با بررسی هیدرولیک مته نشان دادند، بیش از 30 درصد فشار استند پایپ در نازل مته رخ میدهد که این میزان با افزایش دبی جریان سیال، افزایش مییابد .[8] این بررسی برای نوعی گل حفاری پایه آبی و مته مخروطی کاجی با نازلهای 24/32، 18/32و 12/32 اینچ صورت گرفت. نتایج نشان می دهند با افزایش دبی جریان، اتلافات انرژی و افت فشار در نازل مته افزایش مییابد. آن ها همچنین رابطهای برای افت فشار بهینه در سیستم گردش گل حفاری ارائه کردند که با استفاده از این رابطه فشار کل در سیستم گردش گل بر اساس فشار استندپایپ محاسبه میشود.روبینسون افت فشار در نازل مته را اندازهگیری کرد و به بررسی ضریب نازل مته - Cd - پرداخت .[9] این بررسی وی برای دو نوع مته با نازلهای مختلف صورت گرفت.
نتایج نشان میدهند برای دبیهای بالاتر از 300 gpm ضریب نازل 1/03 و برای دبیهای کمتر از آن ضریب نازل 0/95 مناسبتر است.وانگ و سو بصورت عددی افت فشار در نازل مته پی.دی.سی را محاسبه کردند .[10] این بررسی برای چند نوع نازل با اندازههای مختلف انجام شد. آن ها برای بدست آوردن هیدرولیک بهینه نازل مته، تاثیر زاویه نازل، اندازه نازل و تعداد نازل ها را بر سرعت جریان خروجی از نازل مته بررسی کردند. در این بررسی سیال بصورت نیوتنی در نظر گرفته شد. همچنین چهار زاویه نازل 35، 40، 45 و 50 درجه در نظر گرفته شد.
نتایج نشان میدهند با افزایش زاویه نازل احتمال برگشت جریان درون نازل کاهش مییابد، اما در زاویه 50 درجه احتمال دارد جت سیال مستقیم به دیواره چاه برخورد نماید و قطر چاه بزرگتر از حد متعادل شود، بنابراین آن ها زاویه 45 درجه را برای خروج جریان از نازل مته پیشنهاد کردند.در این مقاله با اندازهگیری فشار در بالادست و پایین دست نازل، گرادیان اختلاف فشار در یک نازل 18/32 اینچ بررسی شده است. گرادیان اختلاف فشار در نازل با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه شده و با نتایج تجربی موجود در مقالات [7] مقایسه شده است. محاسبه گرادیان اختلاف فشار برای دبیهای مختلف انجام شده است.
.2 مدل هندسی نازل 18/32اینچ و خواص سیال
در شکل 1 شماتیک نازل 18/32 اینچ نشان داده شده است. این نازل از دو استوانه و یک ناحیه مخروطی تشکیل شده است. سیال مورد نظر داخل این نواحی جریان مییابد. در این شکل هر یک از بخشهای نازل نامگذاری شده است.
در جدول 1 اندازه بخش های مختلف نازل نشان داده شده است. در این جدول اندازه ها در سیستم واحد متریک و انگلیسی نشان داده شده است.در این پروژه گرادیان اختلاف فشار سیالی با چگالی 1/427 کیلوگرم بر متر مکعب لزجت ظاهری 1/7018 نیوتن ثانیه بر متر مربع، ضریب رفتار n =0/58 و ضریب ثابت m =0/046 محاسبه شده است.
.3 مدل رئولوژیک توانی
مدل رئولوژیک توانی مدلی دو پارامتری و ساده است که کاربرد زیادی در صنعت حفاری دارد. این مدل به صورت رابطه - 1 - بیان میشود .[6]
.4 شبیه سازی جریان سیال در نازل 18/32 اینچ
در این مقاله جریان در نازل 18/32 اینچ شبیه سازی شده است. شبکه تولید شده بر روی هندسه نازل، به صورت باسازمان و شش وجهی می باشد. مراحل مدلسازی نازل و تولید شبکه در فضای محاسباتی توسط نرم افزار گمبیت2 انجام شده است. از روش حجم محدود و نرم افزار تجاری فلوئنت3 برای حل معادلات حاکم بر جریان استفاده شده است. در ورودی نازل شرط مرزی دبی ورودی و در خروجی آن شرط مرزی فشار خروجی اعمال شده است. در این تحلیل جریان آشفته و پایا فرض شده است.یکی از مهمترین مراحل تحلیل عددی، بررسی عدم وابستگی نتایج به شبکه ایجاد شده است. برای این منظور با افزایش تعداد سلول ها بخصوص در نزدیکی دیواره، افت فشار به دست آمده مقایسه شده است.
