مطالعه عددي جريان سيال حفاري كف در فضاي حلقوي چاه‌هاي نفت

Numerical investigation of foam drilling fluid flow in the oil wells annulus

تخمين صحيح افت‌هاي فشار سيالات حفاري غيرنيوتني در داخل فضاي حلقوي براي تعيين دبي جريان و انتخاب سيستم‌هاي پمپاژ گل در طي عمليات حفاري، ضروري است. هدف اين مطالعه، شبيه‌سازي جريان سيال كف و تخمين افت فشار در فضاي حلقوي چاه در شرايط حفاري زيرتعادلي با استفاده از روش عددي حجم محدود است. سيال كف به عنوان سيال غيرنيوتني قانون توان و هرشل بالكلي در نظر گرفته شده است و نتايج افت فشار با هم مقايسه مي‌شوند. همچنين تاثير پارامترهاي مختلف عملياتي از قبيل ريولوژي سيال كف، سرعت سيال كف، كيفيت كف، چرخش لوله حفاري و عدم هم‌مركزي لوله و چاه، بر افت فشار بررسي مي‌شوند. نتايج حل عددي با نتايج آزمايشگاهي مطالعات قبلي مقايسه شده است. متوسط خطاي نسبي بين نتايج روش عددي با نتايج آزمايشگاهي براي تخمين افت فشار، كمتر از 5% است. نتايج روش عددي با در نظر گرفتن مدل ريولوژيكي هرشل بالكلي براي كف، به نتايج آزمايشگاهي نزديك‌تر است. نتايج نشان مي‌دهند كه با افزايش سرعت و كيفيت سيال كف، افت فشار افزايش، و با افزايش عدم هم مركزي افت فشار كاهش مي‌يابد، ولي چرخش لوله تاثير چشم‌گيري در افت فشار ندارد.

Accurate estimation of the pressure losses for non-Newtonian drilling fluids inside annulus is quite important to determine pump rates and select mud pump systems during wellbore drilling operation. The aim of this study is to simulate non-Newtonian (power law and Herschel-Bulkly) foam flow in underbalanced drilling condition through wellbore annulus using finite volume method. The effect of various operational parameters on pressure loss such as fluid rheology, foam fluid velocity, foam quality, drillpipe rotation and wellbore eccentricity, have been considered. Simulation results were compared with the previously published experimental data. The agreement was close with an average relative error less than 5%. The results of numerical method are closer to experimental data for Herschel Bulkly model for foam fluid. Also, the results of numerical method, showed that pressure drop increases with increasing the foam fluid velocity and quality and it decreases with increasing eccentricity, but drillpipe rotation don’t have noticeable effect on pressure drop.