مدل‌سازی انتقال خرده‌های حفاری توسط فوم در شرایط یک چاه افقی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

انتقال مطلوب خرده‌های ‌حفاری یکی از پارامترهای تاثیرگذار در سرعت عملیات حفاری می‌باشد. فوم به‌دلیل ویژگی‌های منحصر‌ به‌فردی از‌جمله چگالی پایین و گرانروی بالا، می‌تواند منجر به کاهش مشکلات عملیاتی در مقایسه با سیالات معمول حفاری شود. در این مقاله، انتقال خرده‌های‌حفاری توسط فوم در محیط دینامیک سیالات محاسباتی بررسی گردید. بدین منظور، جریان چندفازی خردهسیال با استفاده از مدل ‌اویلرین توصیف و رئولوژی فوم نیز توسط مدل غیرنیوتنی قانون‌توان ارائه گردید. همچنین تاثیر پارامترهای کیفیت و سرعت تزریق فوم، اندازه خرده‌ها، شرایط خروج ‌از ‌مرکزی لوله‌ها و نیز سرعت چرخش لوله‌های‌حفاری بر عملکرد فوم در تمیزسازی چاه مطالعه شد. نتایج حاصله از مدل نیز با داده‌های آزمایشگاهی صحت‌سنجی گردید. براساس نتایج، افزایش کیفیت فوم منجر به بهبود انتقال خرده‌های‌حفاری به‌علت افزایش ویسکوزیته فوم گردید. همچنین افزایش سرعت تزریق فوم به‌واسطه تخریب بستر ساکن خرده‌ها سبب کاهش غلظت خرده‌های درون چاه شد. نتایج نشان داد که خارج شدن لوله‌ها از شرایط هم‌مرکزی باعث تجمع خرده‌ها در محیط چاه می‌شود. با این‌حال، اعمال سرعت چرخشی به لوله‌های حفاری سبب بهبود تمیزسازی چاه گردید، به‌طوری‌که افزایش سرعت چرخش لوله‌ها به‌میزان 40 دور بر دقیقه در حضور فوم موجب کاهش 1.8 و 1.4 برابری غلظت خرده‌ها در شرایط چاه هم‌مرکز و خارج ‌از‌ مرکز شد.

Modeling of Drilling Cuttings Transport by Foam in Horizontal Well Condition Using Computational Fluid Dynamics

Efficient cuttings transport is one of the most important parameters affecting the drilling rate of wells. Foam has a great potential to reduce drilling problems compared to conventional drilling fluids due to its unique properties such as low density and high viscosity. In this paper, cuttings transport with foam was studied using a computational fluid dynamics approach. In this study, the Eulerian multiphase model was used to describe cuttingsfluid mixture flow. Foam rheology was expressed by the nonNewtonian powerlaw model. Effects of foam quality and injection velocity, cuttings size, pipe eccentricity and rotational speed of drill pipes were studied. Modeling results were also compared with experimental data. Results showed that the increase of foam quality improved holecleaning operation mainly due to the enhanced foam viscosity. The increase in foam injection velocity led to a reduction in insitu cuttings concentration. This was due to the foam capability to destruct stationary cuttings bed. It was found that pipe eccentricity resulted in the accumulation of cuttings in the annulus. But, an increase of the drill pipe rotational speed provided a better holecleaning, so that by increasing the rotational speed to 40 RPM, cuttings concentration decreased by 1.8 and 1.4 times in concentric and eccentric pipe, respectively.