شبیه‌سازی عددی تشکیل لایه فیلتر کیک روی جداره چاه‌های نفتی با در نظر گرفتن اثر غیرنیوتنی سیال حفاری و خروج از مرکزیت رشته‌حفاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

در این مقاله از یک رویه عددی برای شبیه سازی رشد لایه فیلتر کیک استفاده شده که در آن ابتدا میدان جریان سه بعدی و غیرنیوتنی گل حفاری در فضای حلقوی چاه حفاریِ غیرهم مرکز و با در نظر گرفتن اثر چرخش رشته حفاری با استفاده از روش تفاضل محدود و با به کارگیری دستگاه مختصات دوقطبی محاسبه شده و پس از تعیین سرعت نفوذ صافاب به درون سازند با استفاده از معادله دارسی، معادله رشد لایه فیلتر کیک که بر اساس احتمال رسوب ذره به دست می آید با روش رانگ-کوتای مرتبه چهار حل شده است. در این پژوهش تاثیر چرخش، خروج از مرکزیت و شعاع رشته حفاری، شاخص توانی سیال و شعاع ذرات بر ضخامت فیلتر کیک و سرعت نفوذ صافاب بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که در حالت غیر
هم مرکز ضخامت کیک در سرعت های چرخش زیاد به علت گردابه به وجود آمده در جریان دالیز تقریباً ثابت می ماند. افزایش خروج از مرکزیت رشته حفاری نه تنها باعث تغییر در پروفیل های ضخامت فیلتر کیک و نفوذ صافاب میشود، بلکه اختلاف بین ضخیم ترین و نازک ترین ناحیه کیک نیز افزایش می یابد. همچنین با افزایش شاخص توانی سیال حفاری و کاهش شعاع ذرات، ضخامت فیلتر کیک افزایش و سرعت نفوذ کاهش می یابد. در نهایت افزایش شعاع رشته حفاری در یک افت فشار محوری ثابت، ضخامت فیلتر کیک را افزایش و سرعت نفوذ صافاب را کاهش می دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Filter Cake Formation on Borehole Walls Considering Effect of Non-Newtonian Drilling Fluid and Eccentricity

نویسندگان [English]

  • E. Hajidavalloo
  • S.M. Hashemzadeh
Department of Mechanical Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

In overbalanced drilling operation, due to the pressure difference between the drilling
fluid and formation mud filtration happens in which a layer of cake develops on the sides of a wellbore
wall. In this research a numerical procedure was used for modeling and simulation of the cake growth
in which at first, three-dimensional flow field of non-Newtonian drilling mud has been computed using
finite difference scheme and using bipolar coordinate. Next, permeation flux of the filtrate is evaluated
using the Darcy equation and the rate of cake growth has been calculated based on the probability of
particle adhesion and using an explicit 4th order Runge-Kutta method. In the present paper, the effects
of drill string rotation, eccentricity and particle radius on the cake thickness and permeate flux are
studied. The results show filter cake thickness and filtrate flux remains invariable by increasing drill
string rotation due to drilling fluid recirculation in the annulus. Increasing eccentricity not only changes
the profile of filter cake thickness and filtrate flux but also increases the difference between its maxima
and minima. Furthermore by decreasing particle size, the filter cake thickness increases and filtrate flux
decreases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Filter cake
  • Non-Newtonian fluid
  • Cross-flow filtration
  • Numerical procedure
  • Eccentric annulus

مراجع

[1] R. Caenn, H.C.H. Darley, G.R. Gray, Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, Gulf Professional Pub., 2011.
[2] M. Williams, Radial Filtration of Drilling Muds, (1939).
[3] C.L. Prokop, Radial Filtration of Drilling Mud, (1952).
[4] C.K. Ferguson, J.A. Klotz, Filtration From Mud During Drilling, (1954).
[5] N.v.d.T. Opedal, P. Cerasi, J.D. Ytrehus, Dynamic Fluid Erosion on Filter Cakes, in, Society of Petroleum Engineers, 2013.
[6] H.D. Outmans, Mechanics of Static and Dynamic Filtration In the Borehole, (1963).
[7] I. Ershaghi, Modeling of Filter Cake Buildup Under Dynamic-Static Conditions, in, Society of Petroleum Engineers, 1980.
[8] K. Stamatakis, C. Tien, A simple model of cross-flow filtration based on particle adhesion, AIChE Journal, 39(8) (1993) 1292-1302.
[9] F.F. Zinati, R. Farajzadeh, P.K. Currie, P.L.J. Zitha, Modeling of External Filter Cake Build-up in Radial Geometry, Petroleum Science and Technology, 27(7)(2009) 746-763.
[10] M.A.K.a.I.K. Gamwo, Filter cake formation on the vertical well at high temperature and high pressure:Computational fluid dynamics modeling and simulations,Journal of Petroleum and Gas Engineering, 7(2) (2011)146-164.
[11] K.A. Fisher, R.J. Wakeman, T.W. Chiu, O.F.J. Meuric,Numerical Modelling of Cake Formation and Fluid Loss from Non-Newtonian Muds During Drilling Using Eccentric/Concentric Drill Strings With/Without Rotation, Chemical Engineering Research and Design,78(5) (2000) 707-714.
[12] H.-q. Cui, X.-S. Liu, Research on Helical Flow of Non-Newtonian Fluids in Eccentric Annuli, in, Society of Petroleum Engineers, 1995.
[13] M. Escudier, P. Oliveira, F. Pinho, S. Smith, Fully developed laminar flow of non-Newtonian liquids through annuli: comparison of numerical calculations with experiments, Exp Fluids, 33(1) (2002) 101-111.
[14] O.F.J. Meuric, R.J. Wakeman, T.W. Chiu, K.A. Fisher, Numerical flow simulation of viscoplastic fluids in annuli, The Canadian Journal of Chemical Engineering,76(1) (1998) 27-40.
[15] K.A. Hoffmann, S.T. Chiang, Computational Fluid Dynamics for Engineers, Engineering Education System, 1993.
[16] B.Y. Ballal, R.S. Rivlin, Flow of a Viscoelastic Fluid Between Eccentric Rotating Cylinders, Transactions of The Society of Rheology, 20(1) (1976) 65-101.
[17] S.M. Hashemzadeh, Simulation of filter cake formation during oil well drilling, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran, 2014.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 3
آبان 1396
صفحه 521-534

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار