MECHANICAL MODELING AND CFD SIMULATION TO EVALUATE CUTTING TRANSPORT IN DEVIATED WELLS

Abstract

يُعتبر نقل فتات الحفر من قاع البئر النفطي إلى السطح واحدة من الوظائف الأساسية التي يقوم بها سائل الحفر، ولأن توقع كفاءة سائل الحفر في نقل فتات الحفر أمر معقد جدًا بسبب تأثير خصائص سائل الحفر والعوامل المتعددة التي تؤثر عليه عند عمليات الحفر.

يقدم هدا العمل دراسة تأثير بعض هذه العوامل بطريقتين مختلفتين، الأولى باعتماد نموذج نافييه-ستوكس المتوسط للاضطراب و ونموذج القوة للزوجية غير نيوتونية، مع معادلات نافييه-ستوكس ومعادلة الاستمرارية لإنشاء نموذج رياضي لعملية نقل القطع في فجوة البئر، أما الطريقة الثانية فتقوم على تنفيذ محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية CFD باستخدام برنامج ANSYS (FLUENT) لحل المعادلات الحاكمة، حيث تمت محاكاة مقطع مشترك بين التجويف وأنابيب الحفر لمراقبة نقل الفتات بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء حساباتCFD لمعرفة تأثير سلوك التدفق الحلقي وسلوك سائل الحفر عند تقليل اللزوجة، وحجم وشكل الفتات في زوايا توجيه بئر الحفر المختلفة، في الحفر الاتجاهي يحدث تراكم لفتات الحفر في زوايا معينة من فجوة الحفر حيث تكون سرعة نقل الفتات أقل.

نظرًا لأن جريان سائل الحفر المضطرب يميل إلى قمع مثل هذا التراكم، فإن معرفة سرعة فتات الحفر في الفجوة أمر ضروري في تصميم وتشغيل هذا النوع من الحفر. يقوم هذا العمل بتقييم أداء محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية المستخدمة، من خلال مقارنة النتائج المحصّلة مع النموذج الميكانيكي المستخدم في الجزء الأول من هذا العمل.

Cuttings transportation in the annulus from the bottom to the surface is one of the essential functions performed by drilling fluid. Predicting the efficiency of drilling fluid in transporting cuttings in the annulus is very complicated due to the numerous parameters that affect drilling operations. To better understand the effects of some of the parameters affecting cutting transportation, the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (k-epsilon) turbulent model, the Navier-Stokes equations, the continuity equation, and the power law of the non-Newtonian viscosity model were adopted to establish the mathematical model of the cutting transport process in the annulus of the well. The CFD simulation to solve the governing equations was carried out using the ANSYS (FLUENT) student academic version. A combination of the hole-drill pipe annulus section was simulated, and a model called the “Discrete Phase Model” was used to observe the transportation of cuttings in the annulus. CFD computations were conducted to determine the effects of annular flow behavior, drilling fluid shear-thinning behavior, and cutting size and shape on cutting transportation in various orientations of a wellbore. In directional drilling, where an eccentric annulus is often used, there is a tendency for the cuttings to accumulate in the narrowest gap where the velocity is lowest. Since turbulence tends to suppress such accumulation, knowledge of the velocity profiles in the annulus is essential in the design and operation of these drills. This work evaluates the performance of the numerical method used, comparing the results obtained with the mechanical model used in the first part of this work.