بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک مدل تحلیلی دینامیکی بهمنظور پیشبینی تأثیر چرخش رشته حفاری و نرخ برشی حاصل از آن بر میزان هرزروی و ضخامت سله سیال حفاری ارائه شده است. در توسعه معادلات مربوطه، مدل توانی به عنوان یکی از مدلهای متداول توصیفکننده رفتار رئولوژیکی سیال حفاری در نظر گرفته شدهاست. نهایتاً، معادلات حاصلشده در یک مدل دینامیکی بهمنظور شبیهسازی فرایند هرزروی و تشکیل سله سیال حفاری در مختصات شعاعی بهمنظور بررسی اثر نرخ برشی ناشی از چرخش رشته حفاری بر فرایند هرزروی و تشکیل سله گل بر روی دیواره چاه پیادهسازی شده و نتایج شبیهسازی ارائه شدهاند. همانگونه که نتایج شبیهسازی نشان میدهند، هنگامیکه قطر خارجی رشته حفاری و قطر داخلی چاه به یکدیگر نزدیک باشند، تأثیر نرخ برشی بر ضخامت سله سیال حفاری قابلتوجه خواهد بود.
کلمات کلیدی: آسیب سازند، سیال حفاری، رشته حفاری، نرخ برشی، هرزروی دینامیک، سله گل.
نکات برجسته پژوهش
·ارائه یک مدل تحلیلی دینامیکی بر پایه مدل رئولوژیکی توانی بعنوان یکی ازمدل های متداول توصیف کننده سیال
·آنالیز حساسیت بر روی پارامتر نرخ برشی ناشی از چرخش رشته حفاری
·اعمال معادلات حاصلشده بر یک شبیهساز دینامیک در مختصات شعاعی
-1 مقدمه
با توسعه صنعت حفاری، محققان همواره بر روی بهینهسازی پارامترهای عملیاتی حفاری بهمنظور کاهش هزینهها و حداقل سازی زمان عملیات تمرکز داشتهاند. در این میان، هیدرولیک بهعنوان یکی از مهمترین سیستمها در عملیات حفاری نقشی اساسی را در کاهش بهینه هزینهها و زمان عملیات بازی میکند .[1] عملکرد این سیستماساساً به خواص سیال حفاری وابسته است. درواقع میتوان گفت که سیستم هیدرولیک و خواص رئولوژیکی سیال حفاری به یکدیگر وابسته هستند و از یکدیگر تأثیر میپذیرند .[2]حداقل سازی آسیب سازند و گیرکردن رشته حفاری در عملیات حفاری فراتعادلی با کنترل مناسب هرزروی توسط سیال حفاری به ارمغان میآید. حجم سیال هرز رفته نهتنها به خواص رئولوژیکی سیال، بلکه به انواع افزودنیهایی که استفاده میشوند نیز وابسته است.
فراهانی و همکاران [3] یک مدل ریاضی را در مختصات شعاعی بهمنظور تخمین دبی نفوذ سیال فیلتراسیون در یک سازند همگن و نیز ضخامت سله سیال حفاری1 تشکیلشده بر روی دیواره چاه در یک فرایند هرزروی دینامیکی پیشنهاد کردند. آنها نشان دادند که سله گل تشکیلشده بر روی دیواره چاه در فرایند دینامیکی به یک مقدار معین و نهایی میرسد. قابلیت تزریق و تراوایی پایین سازند آسیبدیده نیز توسط بنین [4] مطالعه شد. ضخامت و کیفیت سله گل نیز دیگر خواص مهم سیال حفاری هستند. بری و همکاران [5] خواص رئولوژیکی و هرزروی سیالات حفاری حاوی بنتونیت را که توسط ذرات نانو بهبود پیدا کردهبودند، بررسی کردند. در عملیات حفاری، چرخش رشته حفاری موجب میشود تا سیال حفاری که به همراه خردههای حفاری در ناحیه دالیز به سمت بالا در حرکت است، در اثر تنش برشی وارده به گردش درآید.
گردش سیال در اطراف رشته حفاری موجب پرتاب سیال و خردهها به سمت دیواره چاه میگردد.این موضوع همچنین میتواند موجب کاهش ضخامت سله سیال حفاریشده که نتیجه آن تشدید میزان هرزروی و آسیب سازند خواهد بود. در این مقاله، چرخش رشته حفاری بهعنوان یکی از مهمترین عوامل در تعیین میزان هرزروی و ضخامت سله سیال حفاری مطالعه شده و نیز یک مدل تحلیلی ریاضی ارائه شده است که در آن تأثیر نرخ برشی منتج از چرخش رشته حفاری لحاظ گردیده است. لازم به ذکر است که با توجه به متداول بودن مدل رئولوژیکی توانی2، این مدل در مطالعه حاضر در نظر گرفتهشدهاست. با توسعه معادلات مربوطه و لحاظ کردن این معادلات در مدل ارائهشده توسط فراهانی و همکاران [3]، تأثیر این پدیده در فرایند هرزروی بهصورت دینامیک و در مختصات شعاعی بررسی گردیده است.
-2 مبانی نظری
همانگونه که در بخش قبل بیان شد، چرخش رشته حفاری موجب اعمال تنش برشی بر سیال حفاری میشود و موجب میگردد تا سیال حفاری به چرخش درآید. در این مطالعه فرض بر هممرکز بودن لوله حفاری و حفره چاه است. لوله حفاری با قطر خارجی rdp با سرعت زاویهای ω1 در حال چرخش است. این چرخش باعث به چرخش درآمدن سیال در فضای دالیز شده و در دیواره چاه موجب وارد آمدن تنش برشی به سطح دیواره میشود. با در نظر گرفت مختصات استوانهای و فرض جریان لایهای، لایه مجاور لوله حفاری دارای سرعت زاویهای معادل سرعت زاویهای لوله حفاری و نیز لایه مجاور به تبعیت از دیواره چاه، دارای سرعت زاویهای صفر میگردد. با در نظر گرفتن شرایط عدم لغزش در هر دو دیواره، رابطه زیر را میتوانیم بهمنظور یافتن گشتاور درهر شعاعی استفاده نماییم:
همچنین سرعت چرخشی در هر شعاعی از رابطه زیر محاسبه میشود:
لذا تغییرات سرعت برحسب شعاع برابر خواهد بود با:
درصورتیکه فرض کنیم لایههای سیال بر روی هم نمیلغزند و بهصورت یک جسم صلب عمل کنند، معادله فوق بهصورت زیر خواهد بود:
بنابراین میزان نرخ برشی ناشی از لغزش لایههای سیال بر روی هم برابر خواهد بود با:
با توجه به اینکه در حین چرخش رشته حفاری، هر چه به سمت دیواره چاه نزدیکتر شویم، مقدار سرعت زاویهای کاهش مییابد و با توجه به اینکه نرخ برشی همواره کمیتی مثبت است، لذا عبارت فوق نیاز به یک علامت منفی خواهد داشت:
