بخشی از مقاله
چکیده
هیدرولیک سیال عمدتا به بررسی تمیزسازی چاه، خنک کردن و روانکاری مته وغیره می پردازد. رئولوژی سیال کاملا متاثر از نرخ برش وجریان سیال می باشد. برای تمیز سازی بهتر چاه و بالا آوردن خرده های حفاری به صورت منظم باید برنامه رئولوژی و هیدرولیک سیال به صورت همزمان بررسی شود. در این پروژه هدف ما بررسی تغییرات غلظت حجمی ذرات در پاشنه فضای حلقوی برای سرعت های تزریقی مختلف در یکی از میادین نفتی جنوب غربی کشور می باشد.
-1 مقدمه
سانسون و همکاران - - 1990 و ساسن وهمکاران - - 1995 از اولین محققانی بودند که به بررسی ته نشست ذرات باریت در لوله های زاویه دار پرداختند. در مطالعه آنها بیان شده است که ته نشینی ذرات باریت همانند ته نشست گلبول های خون که توسط بایکوت بیان شد می باشد.
اقای برن و همکاران در سال 1998 یک مدل آزمایشگاهی برای پیشبینی میزان ته نشست ذرات باریت ارایه دادند. در مدل پیشنهادی برای پیشبینی میزان ته نشینی در یک سیال با خصوصیات مشخص باید یک سری از پارامتر ها را به صورت آزمایشگاهی تعیین کرد. به عبارت دیگر این مدل به تنهایی قادر به پیشبینی میزان ته نشینی ذرات باریت نمی باشد. همچنین مدل ارایه شده قادر به توصیف این پدیده در حالت های وجود چرخش رشته حفاری و یا جریان دینامیک سیال نمی باشد.
آزمایشات پال اسکال و همکاران - - 1999نشان می دهد که پدیده باریت سگ تحت هردو شرایط دینامیک و استاتیک می تواند رخ دهد. آنها همچنین نشان دادند که میزان باریت سگ در حالت دینامیک و جریان آرام می تواند قابل توجه باشد. نگویان و همکاران - - 2007توسط یک حلقه جریانی1 با سطح مقطع حلقوی چندین آزمایش را انجام دادند و نشان دادند که پدیده باریت سگ با سرعت پایین چرخش رشته حفاری می تواند کاهش داده شود.
مدیریت و بهینه سازی عملیات حفاری نیازمند مدلسازی و شبیه سازی دقیق پدیده ته نشست ذرات و خرده سنگهای ناشی از عمل حفر مته می باشد. چرا که عدم کنترل آن همانطور که بیان شد می تواند سبب اعمال هزینه های سنگینی به عملیات حفاری شود. علیرغم اهمیت موضوع مطالعات مدل سازی و شبیه سازی تمیز ساز ی چاه با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
کاوشال و همکاران - 2012 - جریان دوغابی منو ذرات با غلظت بالا را در لوله های افقی مدل سازی و بیه سازی کرده اند. در سال های اخیر آقای هاشمیان و همکاران - - 2014 در دانشگا تالسا به شبیه سازی آن پرداخته اند. به هرحال تاثیر جریانات ورتکس بر ته نشست میکرو ذرات در حالت چرخش رشته حفاری و همچنین ایجاد لایه مرزی مارپیچ در اثر انطباق جریان محوری سیال با جریان شعاعی ناشی از چرخش رشته حفاری در مطالعه این محقاق به صورت کامل مطالعه نشده است.
-2 متن اصلی
برای حل عددی معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر جریان سیال نیازمند به استفاده از شبکه نقاط هستیم تا بتوانیم معادلات را در فضای فیزیکی حل تقریب زده و به معادلات تفاضل محدود یا حجم محدود تبدیل کنیم. این شبکه نقاط بر دو نوع می باشند. -1 شبکه سازمان یافته - یعنی خطوط شبکه و نقاط آن دارای ترتیب خاصی باشد - . -2 شبکه بی سازمان - یعنی خطوط شبکه و نقاط آن دارای ترتیب خاصی نباشد - . از حل های بدست آمده در شبکه های بی سازمان مشاهده شده که در نزدیکی دیواره ها خطای بیشتری نسبت به حل های بدست آمده از شبکه هی باسازمان ایجاد می شود. -
روش های حل CFDعبارتند از: تفاضل محدود، المان محدود، حجم محدود و روش طیفی:
روش تفاضل محدود:
در این روش معادلات دیفراسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت را به همان صورت دیفرانسیلی در نظر می گیریم و با استفاده از بسط تیلور این معادلات را تقریب می زنیم تا تبدیل به یک سری از معادلات جبری بنام معادلات تفاضل محدود شوند. در قسمت قبلی مدل سازی تغییرات غلظت توسط مدل تک ذره ای به این روش حل شد.
روش المان محدود:
در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت انتگرالی نوشته می شوند و برای تبدیل فرم انتگرالی به فرم معادلاتی جبری از توابع پیوسته چند تکه ای همجوار - خطی یا درجه دوم - برای تقریب کمیت های مجهول استفاده می گردد
روش حجم محدود:
در واقع نوعی از روش المان محدود است که در آن روش تقریب این انتگرال ها با روش المان محدود متفاوت است. این روش بیشتر برای سیالات وانتقال حرارت مناسب است. نرم افزار فلوئنت از این روش پیروی می کند.
روش طیفی:
در روش طیفی مجهولات با استفاده از سری های منقطع فوریه و یا سری های چند جمله ای چبیشف تقریب می زند. این تقریب ها محلی نیستند ولی برای تمام ناحیه محاسباتی معتبر اند.
در حالت کلی روش های تفاضل محدود برای هندسه ها و قلمروهای پیچیده ذاتا ضعیف هستند و فقط باید از شبکه های با سازمان برای حل به وسیله آنها استفاده کرد. اما روش های حجم محدود یا المان محدود دارای چنین ضعفی نیستند و قابلیت حل در دامنه های پیچیده را افزایش می دهند. در ضمن چون در این روش ها معادله های انتگرالی مستقیما در قلمروی فیزیکی بکار می روند، لذا نیازی به تبدیل های ریاضی برای تغییر مختصات - تبدیل فضای فیزیکی به محاسباتی - نمی باشد در حالیکه برای استفاده از روش تفاضل محدود به این مساله زیاد بر می خوریم.
البته در روش حجم محدود هم از شبکه با سازمان و هم بی سازمان استفاده می شود. در هر حال گفتنی است که اگر بتوانیم دامنه مساله را بصورت شبکه با سازمان در آوریم. روش تفاضل محدود به علت راندمان بهتر آن در مقایسه با روش های حجم محدود والمان محدود برتر است.
حل معادلات جبری با استفاده از روش تکرار:
انتگرالگیری از حجم کنترل، روش حجم محدود را از سایر روشهای CFD متمایز میکند. دیدگاه حجم محدود بقاء محلی هر خاصیت از سیال را برای هر حجم کنترل تضمین میکند. در این رابطه الگوریتم عددی و قاعده کلی بقاء اصل فیزیکی، یکی از جاذبههای اصلی روش حجم محدود را تشکیل میدهد و درک مفاهیم آن خیلی سادهتر از روشهای المان محدود و طیفی برای بقاء یک متغیر جریانی مهیا می باشد.
در ادامه نحوه کاربرد روش حل حجم محدود در یک هندسه بی سازمان و غیر منتظم تشریح می شود.
یکی از مهمترین مزایای روش های حجم محدود و المان محدود در مقایسه با روش اختلاف محدود قابلیت حل در هندسه های غیر منتظم و پیچیده یا بی سازمان می باشد.
شکل:1 تغییرات غلظت در طول لوله برای زمان های مختلف
