بخشی از مقاله
چکیده
انتقال کندههای حفاری به سطح یک فاکتور مهم برای حفر چاه های نفت وگاز میباشد.×به طوری که موفقیت عملیات حفاری وابستگی مستقیم به کیفیت تمیزی سوراخ چاه دارد. عدم انتقال مناسب خردههای حفاری شده منجر به بروز مشکلاتی نظیر گیر افتادن لولهها در چاه، کاهش سرعت حفاری، سایش پیش از موعد مته، صرف وقت و هزینه اضافی به علت نیاز به عملیاتهای کمکی و مشکلات دیگر میشود.
این پدیده به ویژه در چاههای جهتدار و افقی حادتر است. در این مقاله جریان رو به بالای مایع - جامد در داخل دالیز هممرکز و غیر هممرکز درون چاه حفاری 30 درجه و جریان در چاه افقی با استفاده از مدل دو فازی اویلری در حالت آشفته مدلسازی شده است و سپس با استفاده از روش عددی تحلیل شده است.×شبیه سازی عددی برای جریان مایع؛ جامد با یک سیال نیوتنی - آب - انجام شده و پارامترهایی همچون چرخش لوله حفاری و خروج از مرکزیت در یک دبی خاص بر عملیات حفاری بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که چرخش لوله حفاری و خروج از مرکزیت سبب بهبود انتقال کندهها به خصوص در حفاری مایل شده و تاثیر چرخش لوله در چاه افقی کم است.
-1 مقدمه و مبانی نظری
اخیراً، مسئله حفاری جهتدار چاه های نفت و گاز به سبب کارایی آن و همچنین گسترش شهرها و تاسیسات مختلف مناطق نفتخیز و به تبع آن محدودیت در احداث چاهها و حفاری عمودی، حفر چند حلقه چاه از یک سکوی دریایی، حفاری از خشکی به دریا، عملیات اطفای حریق در چاه و ... مورد توجه و استفاده شرکت های حفاری قرار گرفته است.
تمیزکاری نادرست چاه های جهتدار و افقی میتواند صدمات و خسارات زیادی را به چاه و هزینههای گزافی را به شرکتها وارد آورد؛ گیر کردن رشته حفاری در چاه، نیاز به گشتاور بیشتر برای چرخاندن رشته، نیاز به نیروی درگ بیش از حد برای بالا آوردن لوله، کاهش نرخ حفاری و ایجاد بستر در دیواره چاه و کاهش قطر موثر حفاری و ... از جمله این مشکلات است. بسل [1] مطالعاتی بر روی چرخش لوله ها انجام داد و دریافت که چرخش رشته در حالتی که خارج از مرکز باشد، باعث بهبود انتقال کندهها به بیرون و عدم تهنشینی آنها میشود.
اوزبایوقلو و همکارانش [2] اثر چرخش رشته را در چاههای افقی و جهتدار مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که در شرایط معین، استفاده از آب خالص بجای گل در چاههایی تا زاویه 50 درجه بسیار موثرتر است. آنها همچنین دریافتند [3] که چرخش رشته نقش بسزایی در حمل کندهها به خصوص بستر ایجاد شده دارد. سورگان [4] یک شبیه سازی عددی در زمینه تمیزکاری چاه جهتدار برای سیال نیوتنی انجام داد و دریافت که سرعت، متغیر حاکم بر حفاری است و چرخش رشته نقش قابل ملاحظهای در تمیزکاری کنده ها دارد. همچنین نتایج با مدل آزمایشگاهی ساخته شده توسط او، تایید شد.
توبنا [5] مطالعات خود بر روی هیدرولیک و تمیزکاری چاه های جهت دار با زاویه بیشتر از 25 درجه و چاه افقی را انجام داد و پارامترهایی موثر در انتقال کندههای چاه نظیر چرخش و خارج از مرکز بودن لوله، را مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که چرخش و خارج از مرکز بودن لوله باعث بهبود انتقال کندهها شده و همچنین لوله هم مرکز با چاه باعث افزایش ارتفاع بستر و افزایش سرعت مورد نیاز جهت انتقال کندهها میشود.
-1-1 معادلات حاکم
در این مطالعه بدلیل بالا بودن درصد حجمی ذرات جامد از دیدگاه اویلر- اویلر برای جریان دانهای استفاده شده است. فرض میشود که این کسرهای حجمی توابع پیوستهای از مکان و زمان بوده، و مجموع آنها برای کل فازها برابر یک است. معادلات حاکم بر این مدل برای جریان پایدار، غیرهمدما و سیال تراکم ناپذیر به شرح زیر میباشند.
-2 روش و مراحل تحقیق
برای مدلسازی عددی از دیدگاه اویلر-اویلر دانهای استفاده شده است. جریان مورد نظر در این مقاله جریان آشفته بوده و از مدل کا - اپسیلون برای مدلسازی استفاده شده است. سیال حفاری مورد نظر آب با چگالی 998.2 کیلوگرم بر متر مربع میباشد و برای فاز جامد مارل با چگالی 2500 کیلوگرم بر متر مربع و قطر ذرات 4 میلیمتر در نظر گرفته شده است . برای شبیه سازی قطر خارجی رشته حفاری 12/7 سانتیمتر 5 - اینچ - و قطر چاه 31/115 سانتیمتر 12/25 - اینچ - و طول ناحیه محاسباتی 10 متر در عمق 1500 متر از سطح برای ورودی چاه در نظر گرفته شده است.
برای مش بندی از نرم افزار گمبیت 2.3.16 استفاده شده است. شبیه سازی توسط نرم افزار انسیس فلوئنت 12 برای دالیز هم مرکز و غیر هم مرکز با خروج از مرکزیت 0/68 انجام شده است و برای چرخش لوله سرعت دورانی 100 دور در دقیقه مدنظر است. همچنین درصد کسر حجمی برای فاز جامد در ورودی 0/2 در نظر گرفته شده و به منظور شبیهسازی لوله حفاری و سازند شرط مرزی دیوار و برای ورودی از شرط مرزی سرعت ورودی و خروج از جریان خروجی استفاده شده است.
-3 ارائه و تحلیل نتایج
شکل 2 کانتور کسر حجمی جامد را برای سرعت ورودی 1 متر بر ثانیه در چاه 30 درجه و افقی را نشان میدهد و از نظر کیفی با نتایج به دست آمده توسط پریرا [7] همخوانی خوبی دارد. در این کانتورها با افزایش زاویه درصد کسر حجمی فاز جامد کاهش یافته و بستر ایجاد شده در پایین لوله نازک تر است و این به معنای انتقال بهتر کندهها به سطح و تمیزکاری موثرتر چاه 30 درجه نسبت به چاه افقی است.
همچنین در قسمت - ب - لوله با سرعت 100 دور بر دقیقه می چرخد. لازم به ذکر است که این تحلیل برای سرعت ورودی 1 متر بر ثانیه انجام شده است. نتایج نشان میدهد که خارج از مرکز بودن لوله به سمت پایین موجب می شود که بستر ایجاد شده فاز جامد بهم خورده و تشکیل آن کمتر باشد. در صورتی که چرخش لوله هم به این اثر اضافه شود، کسر حجمی یکنواختتر شده و از تجمع آن در کف کاسته میشود و انتقال کنده ها بیشتر و تمیزکاری چاه موفقیت آمیزتر خواهد بود.
نتایج حاصل حاکی از آن است که در زاویه 30 درجه این اثر بر کسر حجمی فاز جامد زیاد بوده و موجب تمیزکاری بهتر چاه میشود و انطباق خوبی با نتایج تجربی و تحلیلی [3] دارد. در شکل 4 برای چاه افقی در حالت خارج از مرکز، بستر ایجاد شده نسبت به حالت هم مرکز نازکتر است ولی بر خلاف چاه 30 درجه با چرخش لوله، بستر ایجاد شده تغییر زیادی نکرده و چرخش قادر به برهم زدن بستر ایجاد شده و انتقال آن به ناحیه بالای لوله، به اندازه چاه 30 درجه، نخواهد بود.
