بخشی از مقاله
چکیده
هزینه همیشه امری مهم در عملیات حفاری بوده است، از این رو پیشرفت تکنولوژی باعث به وجود آمدن بسترهایی جهت کاهش هزینهها میشود. حلعددی و استفاده از نرمافزارهای شبیهساز به جای استفاده از آزمایشات هزینهبر و محدود یکی از بسترهای پیشرفت تکنولوژی میباشد.
در بحث عملیات حفاری، انتقال کندههای حفاری از ته چاه به سطح زمین بحثی حیاتی و بسیار حائز اهمیت است. سرعت سیال حفاری در فضای حلقوی به عنوان مهمترین عامل، و پارامترهای دیگر مانند نرخ حفاری، اندازه و دانسیته کندهها، چرخش رشته حفاری، خصوصیات گل و... در تمیزسازی چاه بسیار مؤثر میباشند، از این رو بررسی این پارامترها بسیار مهم است. به همین علت قسمتی از چاه که دارای تغییر قطر میباشد توسط یکی از نرم-افزارهای جدید و بسیار قوی به نام کامسولمالتیفیزیکس1 به روشهای دینامیک سیالات محاسباتی2 برای بدست آوردن پروفایل سرعت مورد مطالعه و شبیهسازی قرار گرفته است.
همچنین پس از شبیهسازی جریان و پروفایل سرعت با اضافه کردن کندههای حفاری به فرآیند و انجام آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای ورودی شبیهسازی - دانسیته سیال، چرخش رشته حفاری، اندازه کنده ها، خواص رئولوژی و عدد رینولدز که معرف سرعت و رژیم جریان است - تاثیرشان نسبت به میانگین سرعت و درصد خروجی کندهها بررسی میگردد. در این تحقیق برای انتخاب بهترین حالتهای انجام شبیهسازی از نظر تعداد شبیهسازی و طراحی چگونگی قرار گرفتن مقادیر هر پارامتر در هر یک از حالتهای شبیهسازی برای رسیدن به نتیجه بهتر و تحلیل تاثیر هر پارامتر در کنار پارامتر دیگر بر خروجی شبیهسازی در شرایط مختلف، از نرمافزار مینیتب3 و طراحی آزمایشات به روش تاگوچی4 استفاده شده است.
.1 مقدمه و مبانی نظر
نقش مهم جریان سیال حفاری در طراحی یک عملیات موفق حفاری بسیار مهم و تاثیرگذار میباشد. سالیانه مبالغ هنگفتی صرف تحقیقات و مطالعات بر روی جریان سیالات در خطوط انتقال - درحوزه مهندسی نفت جریان سیال حفاری در رشته حفاری و در فضای حلقوی، جریان نفت و گاز در خطوط لوله و... - و انواع جریان و عوامل تاثیر گذار بر این جریانها - وجود ذرات، چگالی، سرعت، ویسکوزیته، فشارپمپاژ و... - میشود.
امروزه بالا بودن هزینههای مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از آنها ضرورت استفاده از روشهای تحلیلی و آزمایشگاهی را در مقایسه با روشهای عددی و شبیهسازی کامپیوتری محدود میکنند. محققان بسیاری از جمله آقایان سیفرمن و بیکر - - 1992 عوامل مؤثر بر تمیزسازی چاه را در سه قسمت خصوصیات گل حفاری - سرعت گل، وزن گل، رئولوژیگل، نوع گل - خصوصیات چاه - مرکزیت رشته حفاری یا عدم آن، زاویه انحراف چاه، سرعت چرخش رشته حفاری، قطر رشته حفاری - و خصوصیات کنده - سایز کندهها و نرخ حفاری - مورد برسی قرار دادند که نتیجه این تحقیق نشان داد که پارامترهای سرعت گل حفاری، دانسیته گل حفاری، میزان چرخش رشته حفاری و انحراف چاه بیشترین تأثیر و پارامتر رئولوژی، سایز کندهها و محل قرار گرفتن رشته حفاری تاثیر متوسط و سایز رشته حفاری، نوع گل و نرخ حفاری تأثیر اندکی بر تمیز سازی چاه دارند.
در این تحقیق با استفاده از یکی از قویترین نرمافزارهای موجود شبیهسازی به نام کامسول مالتی فیزیکس به محاسبه پروفایل سرعت به عنوان یکی از عوامل تاثیرگذار بر جریان در اتصالاتی که در آنها تغییر قطر وجود دارد درحین چرخش رشته حفاری به کمک روشهای CFD پرداخته میشود و سپس با تعریف کنده های حفاری اثر پارامترهایی همچون سرعت گل به عنوان مهمترین پارامتر، دانسیته سیال، چرخش رشته حفاری، رئولوژی گل و اندازه ذرات بر تمیزسازی چاه و سرعت و درصد خروجی کندهها از هندسه، مورد بررسی قرار میگیرد.
.2 روش و مراحل تحقیق
.1-2 معرفی نرمافزار کامسولمالتیفیزیکس نرمافزار کامسول به آسانی قادر به گسترش مدلهای تک فیزیکه به چند فیزیکه وحل همزمان آنها میباشد.
برای دسترسی به این ویژگی نیازی به داشتن اطلاعات بسیار عمیقی از ریاضیات و آنالیز عددی نمیباشد و در خود نرمافزار تمامی اطلاعات پیشبینی شده است.[2] مراحل شبیهسازی توسط نرمافزار کامسول را میتوان به پنج مرحله کلی تقسیمبندی کرد:
- 1 تعریف معادلات حاکم بر فرآیند و انتخاب بعد فضای سیستم مورد بررسی
- 2 تعریف هندسه سیستم در محیط نرمافزار
- 3 تعیین شرایط مرزی مناسب - با توجه به شرایط محیطی که در سیستم مورد بحث وجود دارد -
- 4 تعیین خصوصیات فیزیکی و شرایط عملیاتی سیستم - 5 ساخت شبکه و انتخاب یک روش حل مناسب
.2-2 فرضیات و معادلات حاکم بر فرآیند شبیه سازی این تحقیق بر پایه دو فرض بنا شده است و با استفاده از آن مسیر مشخصی برای انجام تحقیق مشاهده می-شود.
.1 جریان آرام و سیال تراکم ناپذیر فرض شده است و معادله ناویرستوکس حاکم بر آن به صورت زیر میباشد.
.2 سیال غیرنیوتنی و مدل رئولوژیکی آن پاورلا و سیال شبه پلاستیک فرض گردیده است
.3-2 هندسه و دامنه حل در این پروژه، شبیهسازی پروفایل سرعت و تمیزسازی چاه درمقطع 31 اینچی صورت گرفته و هندسه دارای یک استوانه خارجی به قطر 8,5[in] که نشان دهنده قطر چاه و قطعهای از رشته حفاری که تغییر قطر را در چاه نشان میدهد، میباشد.
قطعه دارای 31[in] ارتفاع و شامل سه قسمت میباشد که عبارتند از: قسمت تحتانی دارای قطر 6,75[in] و ارتفاع 11[in]، قسمت میانی که تغییر قطر را نشان میدهد، دارای قطر 4,5[in] و ارتفاع 16[in] و قسمت فوقانی دارای قطر 5[in] و ارتفاع 4[in] است. جریان سیال از قسمت تحتانی وارد و از قسمت فوقانی خارج میگردد، نوع شرایط مرزی در این قسمتها به صورت سرعت ورودی و فشار خروجی و همچنین چرخش رشته حفاری میباشد.
.4-2 تعیین پارامترهای مورد استفاده و مقادیر آنها در شبیهسازی - شرایط مرزی - باید توجه داشت که هدف پروژه تأثیر هر یک از پارامترها بر متغیر پاسخ که همان میانگین سرعت خروجی کنده های حفاری - با در نظر گرفتن درصد خروج کندهها - است، میباشد. به همین علت بحث آنالیز حساسیت پیش میآید و باید برای هر پارامتر مقادیری را مشخص کرد، تا بتوان با توجه به پارامترها و مقادیر هر پارامتر با استفاده از نرمافزار مینیتب و روش تاگوچی به طراحی چیدمان مناسب پرداخت و تأثیر هر پارامتر بر متغیر پاسخ را بررسی کرد.
در جدول - - 1 مقادیر پارامترهای رئولوژیکی مدل پاورلا، عدد رینولدز، سرعت چرخش رشته حفاری، دانسیته سیال و اندازه کندههای حفاری آمده است، لازم به ذکر است فشار در قسمت خروجی سیال از هندسه 1000 psia و دانسیته کنده حفاری 2300 [kg/m3 ] فرض گردیده است. برای انتخاب مقادیر شاخص رفتاری - - n و شاخص سازگاری - - k از نرمافزار Mud ware استفاده شده است.
جدول : 1 مقادیر پارامترهای ورودی
پس از انتخاب مقادیر هر پارامتر، از روش تاگوچی برای انجام تعداد مشخص شبیه سازی جهت آنالیز حساسیت پارامترها در مقادیر مختلف استفاده شده است. در جدول - - 2 چیدمان هجده حالت شبیهسازی به روش تاگوچی نشان داده شده است.
