بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله با در نظر گرفتن شرایط مرز ي واقعی مربوط به یک موتور درون چاهی حلزونی، به بررسی رفتار هیدرولیک و دینامیک سیال در حین گذر از موتور درون چاهی حفاري پرداخته شده است. مرجع مختصات انتخاب شده براي حل معادلات جریان هم سرعت با چرخش سیال میچرخد. از مدل k - ε استاندارد براي مدلسازي آشفتگی جریان استفاده شده است.
جریان در وتور درون چا هی حفاري انتخ اب شده در چهار اختلاف فشار مختلف شبیهسازي شده است. پروفیل فشار و همچنین بردارهاي سرعت ذرات سیال و گشتاور ایجاد شده توسط سیال و نرخ تغییرات گ شتاور بر حسب اختلاف فشار دو سمت موتور به دست آمده است. نتایج نشان میدهد که با افزایش اختلاف فشار دو سمت موتور مقدار گشتاور، سرعت ماکزیمم سیال و تنش برشی دیواره افزایش مییابد.
-1 مقدمه
براي حفاري در اعماق زیاد و حفاريهاي زاویهدار از روش حفاري درونچ اهی استفاده میشود. در این روش سیال حفاري که گ ل حفاري1 نیز نامیده میش ود، به درون چ اه پمپاژ میگردد. سیال توسط لوله به انتهاي چاه فرستا ده میشود. سیال وارد موتور درون چاهی حفاري شده و روتور را میچرخاند. موتور درون چاهی حفاري یک مو تور هیدرولیک جابجایی مثبت2 است.
در این موتورها سیال انرژي دینامیکی را از پمپ دریافت کرده و آن را به روتور منتقل میکند و باعث چرخش روتور میگردد. سیال حفاري پس از خارج شدن از موتور از انتهاي چاه خارج شده و کندههاي حفاري را با خود به سطح چاه منتقل میکند. در شکل 1 شماتیک مسیر جریان سیال حفاري نمایش داده شده است. کنده هاي ته چاه با سیال به سیال با عبور از درون موتور سیال با فشار پمپ به انتهاي بالاي چاه منتقل میشود با عث چرخش روت ر میشود چاه فرستاده میشود
شکل :1 شماتیک مسیر جریان سیال حفاري
موتورهاي درون چاهی حفاري همانند توربینهاي هیدرولیکی، انرژي خود را از حرکت پیوستهي سیال گذرنده از روتور دریافت میکنند. موتور مورد تحلیل در این مقاله از نوع حلزونی است . بخش محرك در این موتوره ا که واحد قدرت3 نامیده میشود، از یک روتور و یک استاتور که چرخدندههاي ح لزونی داخلی و خارجی هستند تشکیل شده است. تعداد دندانههاي استاتور یکی بیشتر از روتور است و به این ترتیب روتور درون استاتور میچرخد. در شکل 2 نماي دوبعدي و سه بعدي واحد قدرت یک موتور حلزونی ن مایش داده ش ده است.
شکل :2 نماي دوبعدي و سهبعدي واحد قدرت یک موتور حلزونی 5/6
بیشتر کارها ي تحقیقاتی انجام شده در زمینهي موتور هاي درون چاهی به بررسی علل خرابی استاتور بر اثر تن شهاي وارده، شبیهسازي رفتار روتور و ا ستاتور در تنش هاي ناشی از چرخش روتور و پارامترهاي موثر بر طراحی و ساخت موتورهاي حفار ي پرداختهاند. به عنوان نمونه موسسه ي رابینز و مییرز با شبیهسازي مدل دو بعد ي روتور و اس تاتور واحد قدرت موتور درون چاهی حفاري حلزونی تاثیر پارامترهاي طراحی شامل دما، سیال حفاري، خوا ص الاستیکی استاتور، سرعت روتور و اختلاف فشار دو سر موتور را بر کارکرد روتور بررسی نموده است.
ساندرس5 و همکاران ضمن آنالیز و طراحی یک موتور حفاري حلزونی به ساخت یک نمونه واقعی از این نوع موتور پردا ختهاند. در این تحقیق هد ف اصلی بهبود بازدهی و افزایش گشتاور منتقل شده به مته با استفاده از آنالیز اجز اي مختلف موتور حفاري است. با توجه به تازگی موض وع و با توجه به اینکه شناخت رفتار سیال در حین عبور از موتور، در طراحی، بهینهسازي و ساخت آن میتواند موثر باش د. در این مقاله ضمن شبیهس ازي رفتار سیال گذرنده ا ز موتور درونچاهی به بررس ی تاثیر تغییر فشار بر پارامترهاي مهم ی از قبیل گشتاور، سرعت سیال و تنش برشی دیواره پرداخته شده است .
در این مقاله براي اولین بار جریان سیال در حین عب ور از واحد قدرت موتور حفاري شبیه سازي شده و
پارامترهاي اساسی جریان - سرعت و فشار - و گش تاور وارده بر روتور محاسبه گردیده است.
- 2 شرایط ح ل مسئله
موتور مورد تحلیل یک موتور حلزونی 5/6 است. یعنی روتور آن داراي 5 دندانه و استاتور داراي 6 دندانهي داخلی است . ناحیهي محاسباتی حجم مح صور میان روتور و استاتور است. با توجه به اینکه کلیهي پارامترها را بر اساس اختلاف فشار ورودي و خروجی مورد بررسی قرار گرفتهاند ، شرط مرزي ورودي و خروجی بهصورت فشار ثابت تعریف شده است. مرجع مختصات سیال و دیواره روتور چ رخان تعریف شده است.
سرعت نسبی روتور نسبت به سیال مجاور صفر تعریف شده است. در جدول 1 شرایط مرزي در نظر گرفته شده براي حل مسئله نشان داده شده است
