بخشی از مقاله
چکیده
بررسی مکانیزم انتقال کنده های حفاری و چگونگی ته نشینی آن ها برای طراحی سیستم های انتقال موثر و بهینه، ضروری است. عدم انتقال مناسب کنده های حفاری از درون چاه منجر به تجمع کنده های حفاری درون فضای حلقوی می شود.
این پدیده ممکن است موجب به وجود آمدن مشکلات زیادی از جمله نیاز به نیروی کشش اضافی جهت بالا و پایین کردن لوله ها، گیر افتادن لوله های حفاری درون چاه، کاهش سرعت حفاری، هرزروی گل حفاری، سایش دیواره لولهها، افزایش ECD، سایش پیش از موعد مته حفاری، افزایش سختی در راندن لوله جداری و ابزار نمودارگیری و غیره در عملیات حفاری شود. موارد ذکر شده ناگزیر ما را به سمت پیشگیری و ارائه راه کارهایی جهت کاستن تبعات و مشکلات ناشی از این پدیده سوق می دهند.
لذا مطالعه و بررسی عوامل تاثیر گذار بر روی انتقال کنده حفاری و استفاده از آن ها در جهت هر چه بهینه کردن تمیز سازی چاه ضروری می باشد. با توجه به بالا بودن هزینه های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از انواع دستگاه های اندازه گیری،استفاده از روش های عددی و شبیه سازی کامپیوتری بیش از پیش مورد اهمیت قرار گرفته است.
یکی از ابزار هایی که معمولا در این زمینه به کار می رود روش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - می باشد. در این مقاله با استفاده از یکی از قویترین نرم افزارهای موجود به نام STAR CCM به روش دینامیک سیالات محاسباتی به مطالعه انتقال کنده های حفاری و اثر عوامل تاثیر گذار بر روی آن شامل اثر میزان دبی گل حفاری، سرعت چرخش لوله حفاری، اندازه کنده ها، میزان دبی کنده های تولید شده، دانسیته و ویسکوزیته گل حفاری و اثر خروج از مرکزیت لوله حفاری در چاه افقی پرداخته شده است.
.1 مقدمه
سال های زیادی است که صنعت نفت با مساله جابجایی کنده های حفاری1 از درون چاه مواجه است. عدم انتقال مناسب کنده های حفاری از درون چاه منجر به تجمع کنده های حفاری در فضای حلقوی2 می شود . ته نشین کنده های حفاری در چاه موجب به وجود آمدن مشکلات زیادی از جمله نیاز به نیروی کشش اضافی3 جهت بالا و پایین کردن لوله ها، گیر افتادن لوله های حفاری درون چاه، کاهش سرعت حفاری4، هرزروی گل حفاری، سایش دیواره لولهها، افزایش ECD5، سایش پیش از موعد مته حفاری، افزایش سختی در راندن لوله جداری و ابزار نمودارگیری و غیره در عملیات حفاری بشود. بالا بودن هزینه های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از انواع دستگاه های اندازه گیری تمایل استفاده از روش های عددی و شبیه سازی کامپیوتری را بیشتر کرده است.
یکی از ابزار هایی که معمولا در این زمینه به کار می رود روش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - 1 می باشد. Yilmaz در سال 2012 به منظور بررسی اثر انحراف چاه، خواص سیالات، پارامترهای ذرات و سرعت چرخش لوله حفاری بر روی انتقال کنده ها از یک برنامه محاسباتی استفاده کرد و مدل گسسته فازی که از روش اویلری-لاکرانژی2 پیروی میکرد را نیز به کار برد. او متوجه شد که نقطه واروی3 پارامتر غالب در رژیم جریان می باشد. همچنین تغییر در رئولوژی سیال اثر ناچیزی بر روی ویژگی های جریانی سیال های با نقطه واروی پایین داشت
Rooki و همکارانش در سال 2014 به منظور مشاهده اثر خواص سیالات و انحراف دهانه چاه بر روی انتقال کنده های حفاری در فضای حلقوی توسط جریان آرام کف به شبیه سازی عددی انتقال کنده ها با استفاده از یک مدل دو فازی اولرینی پرداختند.
Dykes و همکارانش در سال 2014 روشی را جهت استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای مدلسازی انتقال کنده های حفاری در فضای حلقوی بنا نهادند. نتایج شامل بررسی اثرات پارامترها به صورت مجزا و همچنین به صورت ترکیبی می باشد
Zhang در سال 2015 به شبیه سازی عددی و آزمایشگاهی انتقال کنده های حفاری در چاه های با شیب متوسط پرداخت .[4] در مقاله حاضر برای اولین بار با استفاده از نرم افزار STAR CCM به روش دینامیک سیالات محاسباتی به مطالعه انتقال کنده های حفاری و عوامل اثر گذار جدید بر روی آن در چاه افقی پرداخته شده است.
.2 شبیه سازی
با توجه به اینکه جریان داخل چاه از نوع جریانهای مغشوش میباشد، در کنار مجموعه معادلات ناویراستوکس، معادلات توربولانسی نیز در نظر گرفته شد، تا نتایج بدست آمده، به واقعیت فیزیکی نزدیکتر باشد.
دامنه حل عددی به شکل دو استوانه هممرکز - و غیر هممرکز - با قطرهای مختلف که نماینده قطر چاه و قطر لوله حفاری هستند، در نظر گرفته شد. بطوریکه از یک سو ذرات کندهها که نماینده فرآیند کندهکاری توسط مته حفاری است، به داخل فضای حلقوی بین دو استوانه وارد میشوند و از سوی دیگر از فضای حلقوی خارج میگردند. از آنجاییکه عملیات تمیزکاری و انتقال کندهها به صورت گذرا می باشد، حل مسئله تا زمانی که به حالت پایا برسد ادامه پیدا می کرد. با توجه به اینکه هدف این تحقیق بررسی پاکسازی فضای حلقوی چاه توسط سیال حفاری میباشد، لذا پارامتر بسیار مهم میزان تمرکز ذرات کندهها در درون لوله حفاری میباشد. براین اساس توسط معادله زیر با تقسیم مقدار وزن کندهها در حالت پایا بر وزن سیال حفاری، پارامتر بدون بعد "غلظت حجمی کندهها" درون چاه محاسبه شد.
به منظور اعتبارسنجی نتایج بدست آمده از شبیهسازی، نتایج با دادههای آزمایشگاهی مراجع [ 6,5] مورد مقایسه قرار گرفت. مقایسه نتایج موید دقت روش به کار برده شده برای پیشبینی رفتار سیال حفاری درون چاه می باشد.
.3 نتایج
در این بخش نتایج شبیه سازی به طور خلاصه مورد تحلیل قرار می گیرد. در شکل - 1 - اثر سرعت چرخشی لوله حفاری بر روی پاک سازی کنده ها درون چاه نشان داده شده است. میزان انباشت و تهنشینی ذرات بر روی دیواره چاه، با افزایش سرعت دورانی لوله حفاری بصورت خیلی آرام کاهش پیدا میکند. در شکل - 2 - اثر قطر کنده های حفاری بر انتقال کنده ها مورد بررسی قرار گرفته است. همان طور که دیده می شود با بزرگ شدن اندازه کنده ها انتقال کنده ها به شدت کاهش و ته نشینی افزایش می یابد.
شکل :2 اثر اندازه ذرات کنده ها بر روی پاک سازی کنده ها در چا شکل :1 اثر سرعت چرخشی لوله حفاری بر روی پاک سازی کنده ها
در شکل - 3 - اثر دبی تولید کنده ها که در واقع معادل اثر سرعت حفاری و نرخ نفوذ - ROP - میباشد را نشان می دهد. با ثابت بودن پارارمترهای دیگر و افزایش دبی تولید کندهها، میزان انباشت ذرات کندهها در درون دالیز چاه حفاری افزایش مییابد.
از آنجایی که در عملیاتحفاری چاه، به دلیل حضور عامل گرانش و وزن تجهیزات از جمله لوله حفاری و مته، عموماً لوله حفاری به سمت پایین منحرف می شود لذا در شکل - 4 - اثر خروج از مرکزیت لوله حفاری به سمت پایین و در راستای امتداد نیروی ثقل - محور - Z نشان داده شده است. خروج از مرکزیت به کمک پارامتر e بیان می شود که تعریف آن به صورت زیر می باشد:
شکل :4 اثر میزان خروج از مرکزیت لوله حفاری بر پاکسازی ذرات شکل :3 اثر دبی تولید کنده ها بر روی پاک سازی ذرات کنده ها در چاه
دانسیته و ویسکوزیته گل حفاری از پارامترهای مهم تاثیر گذار بر انتقال کنده های حفاری می باشند. همان طور که در شکل - - 5 دیده می شود، در اثر افزایش دانسیته سیال حفاری، وزن آن بالاتر رفته و در نتیجه انتقال سیال مشکلتر بوده که در نتیجه میزان انباشت ذرات کندهها در درون دالیز چاه حفاری نیز بیشتر می باشد. اثر ویسکوزیته گل حفاری بر روی میزان انباشت ذرات کندهها در داخل دالیز چاه حفاری اثر معکوس میباشد که در شکل - 6 - نشان داده شده است.
شکل :6 اثر ویسکوزیته گل حفاری بر روی پاک سازی کنده ها
شکل :5 اثر دانسیته گل حفاری بر روی پاک سازی کنده ها در چاه
