حفاری چاه، جداسازی گل و ماسه، شبه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (حفاری چاه)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی حفاری چاه (well drilling) و جداسازی گل و ماسه (mud and sand) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در این شبیه‌سازی، یک حفره استوانه‌ای به عنوان یک چاه در نظر گرفته می‌شود که درون آن یک جسم دوار به شکل استوانه قرار می‌گیرد. در داخل حفره، یک ماده غیرنیوتنی (non-newtonian) برای عملیات حفاری جریان دارد؛ به طوری که ذرات گل داخل آن مخلوط شوند. این بدنه استوانه‌ای دوار با حرکت چرخشی خود در 100 دوربردقیقه می‌تواند ذرات گل مخلوط شده در سیال غیرنیوتنی را جدا کرده و آنها را بالا ببرد.

مدل حاضر را به صورت سه بعدی با استفاده از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design Modeler) طراحی کردیم. مدل مربوط به دو دیواره استوانه‌ای غیرهم‌مرکز است. طول این دو استوانه برابر با 10 متر و قطر استوانه داخلی برابر با 0.128 متر و قطر استوانه خارجی برابر با 0.444 متر است.

سپس مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 179820 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای این شبیه سازی، از مدل چندفازی اویلرین (eulerian multiphase) برای تعریف جریان درون چاه استفاده شده است. فاز اولیه (primary phase) این جریان چندفازی مربوط به سیال غیرنیوتنی به نام CMC و فاز ثانویه (secondary phase) آن مربوط به ذرات گل به نام حفاری است.

مدل چندفازی اویلرین در مواردی مانند غلظت بیش از 10 درصد از ذرات پراکنده در یک سیال پایه، انتقال پنوماتیکی (pneumatic) برای جریان‌های مایع و جامد، جریان دوغابی (slurry) در مایع و جامد، رسوب به صورت جریان‌های دوفازی مایع و جامد و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این شبیه سازی، سیال پایه در ناحیه محاسباتی دارای کسر حجمی (volume fraction) برابر با 0.87 و ذرات محلول گل دارای کسر حجمی برابر با 0.13 هستند.

همان‌طور که گفته شد، از یک سیال غیرنیوتنی در این مدلسازی استفاده شده است. سیالات غیرنیوتنی سیالاتی هستند که از قانون سیالات نیوتنی پیروی نمی‌کنند و با اعمال نیرو، ویسکوزیته آنها تغییر می‌کند. ماده CMC به عنوان فاز اولیه دارای چگالی 1271.477 kg/m³ است و ویسکوزیته آن به صورت غیرنیوتنی تعریف می‌شود که طبق قانون هرشل-بالکلی (Herschel-Bulkley) است. درحالی که ذرات محلول گل در سیال غیرنیوتنی نیز دارای چگالی برابر با 2000 kg/m³ و ویسکوزیته برابر با 0.00111 kg/m.s هستند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، سرعت CMC، سرعت حفاری، کسر حجمی CMC، کسر حجمی حفاری، ویسکوزیته گردابه‌ای (vortex viscosity)، انرژی جنبشی آشفتگی (turbulence kinetic energy) و دبی جرمی به دست می‌آیند.