شبیه­ سازی تمیزسازی چاه در اطراف رشته حفاری به کمک روش های CFD

تزریق کربن دی اکسید به منظور افزایش بهره وری در مخازن خاورمیانه و آمریکا
دی ۱۰, ۱۳۹۶
سنتز هیدروکربن با استفاده از آب دریا، از تئوری تا عمل
دی ۱۰, ۱۳۹۶

شبیه­ سازی تمیزسازی چاه در اطراف رشته حفاری به کمک روش های CFD

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 اینرو بررسی این پارامترها بسیار مهم است. به همین علت قسمتی از چاه که دارای تغییر قطر می­باشد توسط یکی از نرم­افزارهای جدید و بسیار قوی به نام کامسول ­مالتی ­فیزیکس[۱] به روش­های دینامیک سیالات محاسباتی[۲] 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) تأثیرشان 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 تأثیر هر پارامتر در کنار پارامتر دیگر بر خروجی شبیه­سازی در شرایط مختلف، از نرم­افزار مینی­تب[۳] و طراحی آزمایشات به روش تاگوچی[۴] استفاده شده است.

کلمات کلیدی: سیال حفاری، کنده­های حفاری، دینامیک سیالات محاسباتی، سرعت، تاثیر پارامترها، طراحی آزمایشات.

۱ روش و مراحل تحقیق

۱-۱- معرفی نرم­ افزار کامسول­ مالتی­ فیزیکی

نرم­افزار کامسول به آسانی قادر به گسترش مدل­های تک فیزیکه به چند فیزیکه و حل 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.(۲)

مراحل شبیه­ سازی توسط نرم­افزار کامسول را می­توان به پنج مرحله کلی تقسیم­بندی کرد:

۱- تعریف معادلات حاکم بر فرآیند و انتخاب بعد فضای سیستم مورد بررسی، ۲- تعریف هندسه سیستم در محیط نرم­افزار، ۳- تعیین شرایط مرزی مناسب (با توجه به شرایط محیطی که در سیستم مورد بحث وجود دارد)، ۴- تعیین خصوصیات فیزیکی و شرایط عملیاتی سیستم، ۵- ساخت شبکه و انتخاب یک روش حل مناسب.

۱-۲- فرضیات و معادلات حاکم بر فرآیند شبیه سازی

۱- جریان آرام و سیال تراکم ناپذیر فرض شده است، ۲- سیال غیرنیوتنی و مدل رئولوژیکی آن پاورلا و سیال شبه­ پلاستیک فرض گردیده است.

۱-۳- هندسه و دامنه حل

در این پروژه، شبیه­سازی پروفایل سرعت و تمیز­سازی چاه درمقطع ۳۱ اینچی صورت گرفته و هندسه دارای یک استوانه خارجی به قطر ۵/۸ اینچ که نشان دهنده قطر چاه و قطعه­ای از رشته حفاری که تغییر قطر را در چاه نشان می­دهد (هندسه دلخواه از رشته حفاری می­تواند باشد)، می­باشد.

۱-۴- 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 کنده­های 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.(۳)

در جدول (۱) مقادیر پارامترها آمده (فشار در قسمت خروجی سیال از هندسه psia 1000 و دانسیته کنده حفاری  [kg/m3 ]2300 فرض گردیده است).

جدول ۱:  مقادیر پارامترهای ورودی.

مقدار ۳ مقدار ۲ مقدار ۱                پارامتر
۱۰۰ ۸۰ ۶۰ k [eq cp]
۸۵/۰ ۷۵/۰ ۶۵/۰ n
۲۰۰۰ ۱۶۰۰ ۱۳۰۰
۱۲۰ ۹۰ ۶۰ Rpm(دور بر دقیقه)
۱۵/۰ ۱/۰ ۰۵/۰ (in) قطر کنده
* ۱۱ ۵/۸ (   ) دانسیته

پس از انتخاب مقادیر هر پارامتر، با استفاده از نرم­افزار مینی­تب و روش تاگوچی تعداد هجده حالت شبیه­سازی جهت آنالیز حساسیت پارامترها در مقادیر مختلف بدست آمد که باید تمام هجده حالت شبیه­سازی شود و خروجی مناسب جهت تحلیل اثر پارامترها بدست آید.

۱-۵- مش بندی حل و همگرایی سیستم

پس از تعریف هندسه مورد بررسی، تعیین خصوصیات، شرایط مرزی و بدست آمدن تعداد مراحل شبیه­سازی قبل از حل مدل باید هندسه مورد نظر شبکه­بندی یا مش­بندی شود تا نرم­افزار به روش المان محدود به حل مدل در هر حالت بپردازد.

۲- ارائه و تحلیل نتایج

هر حالت شبیه­سازی در این پروژه از دو مرحله تشکیل می­شود، مرحله اول، شبیه­سازی پروفایل سرعت گل حفاری از قسمت ورودی تا خارج شدن گل حفاری از قسمت خروجی هندسه مورد نظر در حالت پایا و مرحله دوم، از مرحله اول به عنوان شرایط اولیه برای حل در مرحله دوم استفاده شده و کنده­های حفاری به پروفایل سرعت اضافه می­گردد و رفتار کنده­ها مورد مطالعه قرار می­گیرد. این مرحله به صورت وابسته به زمان حل شده و سرعت و حرکت کنده­ها در زمان­های متفاوت بررسی می­شود و در نهایت تمامی هجده حالت در زمان ۵ ثانیه که کنده­ها به یک پایداری رسیده اند بررسی می­شوند. اشکال (۱) و (۲)  نشان دهنده خروجی مدل در حالت اول شبیه­سازی است.

در بررسی اثر پارامترهای ورودی بر متغیر پاسخ به روش تاگوچی احتیاج به تعیین دقیق پاسخ سیستم می­باشد. همانطور که اشاره شد متغیر پاسخ، سرعت خروجی کنده­های حفاری در جهت z  با در نظر گرفتن درصد خروج کنده­ها (۲۵ کنده از قسمت ورودی به مدل اضافه شده­اند و هر کنده معرف۴% است) است. اما به دلیل سرعت متفاوت کنده­ها احتیاج به محاسبه سرعت میانگین خروجی آن‌ها می­باشد و برای محقق شدن این امر باید خروجی سرعت هر ۲۵ کنده (فقط کنده­هایی که در ۵ ثانیه از هندسه خارج شده­اند مورد بررسی قرار می­گیرد) را در تمامی حالت­ها از نرم افزار کامسول استخراج، و سرعت میانگین را محاسبه نمود.

در تحلیل آماری بهتر است بر روی داده­های خروجی یک بی­­مقیاس­­سازی صورت بگیرد و داده­ها از وابستگی به رنج رهایی یابند، روش­های متعددی برای بی­مقیاس­سازی وجود دارد که در این تحقیق از روشRPD[5]  استفاده می­شود و در این روش احتیاج است که بهترین خروجی در هجده حالت شبیه سازی انتخاب گردد، که با توجه به این­که در بحث تمیزسازی، هر چقدر سرعت و درصد خروج کنده­ها بیش­تر باشد بازدهی افزایش می­یابد، لذا در این تحقیق حالت سوم با ۱۰۰ درصد خروج کنده­های حفاری با بیشترین میانگین سرعت به عنوان بهترین حالت انتخاب می­گردد.(۳)

با وارد کردن اطلاعات خروجی هجده حالت شبیه­سازی پس از بی­مقیاس­سازی به نرم افزار مینی­تب و آنالیز به روش تاگوچی، دو شکل (۳) و(۴)  ارائه می­گردد. این دو شکل همیشه تحلیلی عکس هم دارند به طوری که هر چقدر مقادیر هر پارامتر در نمودار SNR بیش­تر باشد به هدف انتخابی در نوع تحلیل­ نزدیک­تر می شویم و این حالت در مقدار میانگین بهتر دقیقاً برعکس بوده و مقداری که در حداقل میزان خود است باعث ایجاد کمترین انحراف از هدف می­گردد.(۳)

یک نکته حائز اهمیت در این قسمت، یکی نبودن تحلیل نمودارهای هر دو شکل  است. یعنی هنگامی که یک سطح از یک پارامتر در مقدار میانگین بهتر و SNR دارای حداقل میزان بوده (در صورتی که در SNR باید در حداکثر مقدار خود باشد) و نمودارها عکس یکدیگر نیستند، در این صورت شبیه­سازی و سطوح پارامتر مورد نظر برای گرفتن جواب بهتر بایستی تغییر داده شود.

 

 
شکل۳: آنالیز مقادیر SNR.

 
شکل۴: آنالیز مقدار میانگین بهتر.

 

 

۳- نتیجه گیری

در این تحقیق اثر تمامی پارامتر­ها در حضور یکدیگر بررسی می­شود و ممکن است اثرات منفرد برخی از پارامترها متفاوت باشد. برای مثال با توجه به پیشینه تحقیق و مطالعات انجام شده افزایش دانسیته و کاهش مقدار شاخص رفتاری باعث تمیزسازی بیش­تر چاه می­شود. اما در تحلیل تاگوچی و بررسی تمام پارامترها در حضور یکدیگر با توجه به تأثیر این دو پارامتر بر سرعت ورودی سیال در مدل پاورلا، کاهش دانسیته و افزایش مقدار شاخص رفتاری باعث کاهش انحراف از بهترین حالت و افزایش بازدهی تمیزسازی چاه می‌گردد.(۴-۵-۸)

عدد رینولدز و پارامترهای رئولوژیکی در مدل پاورلا (شاخص رفتاری و شاخص سازگاری) در مقادیر بیشینه خود باعث افزایش سرعت و درصد خروج کنده­ها می­شود. هر چه جریان به سمت آشفتگی پیش می­رود انتقال کنده­ها بهتر صورت می­گیرد اما این امر نیز باعث افزایش افت فشار می­شود.

پارامتر چرخش رشته حفاری در حضور دیگر پارامتر­ها دقیقا رفتاری را نشان داده است که در حالت منفرد نشان می­دهد و در حالت میانی بهترین بازدهی را داشته است زیرا افزایش بیش از حد آن، باعث پرتاب کنده­ها به دیواره چاه شده که باعث کاهش سرعت یا سقوط کنده­ها می­شود.(۷-۸)

دانسیته سیال و اندازه کنده­ها در مقادیر کم، باعث افزایش بازدهی تمیزسازی چاه می­شود. هرچه اندازه کنده­ها کوچک­تر باشد نیروی گرانش تأثیر کمتری بر انتقال کنده­ها می­گذارد. پس از شبیه‌سازی قسمت مورد مطالعه با مقادیر بهینه سرعت خروجی کنده­های حفاری حدود۱۰% بیشتر از بهترین حالت (حالت شماره سوم) شده است.

۴- منابع

]۱[ اندرسون، جان دیوید؛ (۱۳۸۰). دینامیک سیالات محاسباتی اصول و کاربرد.ترجمه مظفر علی مهرابیان. کرمان: دانشگاه شهید باهنر کرمان

]۲[ ثقه الاسامی، ناصر؛اخوت، احمد؛حاج عسگرخانی، محمد علی؛ تنهایی، بهاره؛ (۱۳۹۰). مرجع کامل نرم­افزار کامسول مالتی فیزیکس. تهران: آتی­نگر

]۳[ روی، رانجیت؛ (۱۳۸۶). آشنایی روش طراحی آزمایشات تاگوچی. مترجمان داود مرادخانی و فرشید تقوی. زنجان: دانشگاه زنجان

[۴] Bilgesu H. I., Ali M. W., Aminan K., Ameri S., October (2002)., “Computational Fluid Dynamics (CFD) as a Tool to Study Cutting Transport”, SPE Eastern Regional Meeting Held in Lexington, Kentucky.

[۵] Bourgoyne, A.T., Chenevert, M.E., Millheim, K.K. and Young, F.S., (1985).,“Applied Drilling Engineering, SPE Textbook Series.

[۶] Hussain H. Al-Kayiem, Nadia Mohd Zaki, Muhamad Z., (2010).,“Simulation of the Cuttings Cleaning During the Drilling Operation, Asyraf and Mahir Elya Elfeel University Technology PETRONAS, Bandar Seri Iskandar, 31750 Tronoh, Perak, Malaysia.

[۷] Jiimaa, Girmaa. (2013). “Cutting transport models and parametric studies in vertical and deviated wells. Master’s Thesis of Science in Petroleum Technology, Drilling Specialization. University of Stavanger.

 [۸] Sifferman T.R., Becker T.E., (1992).,“Hole Cleaning in Full Scale Inclined Wellbores”, SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in New Orleans, Louisiana, September.

 

[۱]– Comsol Multiphysics Software

[۲]– Computational Fluid Dynamic(CFD)

[۳] – Minitab Software

۴- Taguchi Design

[۵]– Relative Percent Deviation

شبیه­سازی تمیزسازی چاه در اطراف رشته حفاری به کمک روشهایCFD

علی امیری، کارشناسی ارشد حفاری و استخراج نفت، مدرس دانشگاه آزاد اسلامی واحد قشم،aliamiri.pe67@yahoo.com

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *