مطالعه عددی و تحلیلی جریان گل حفاری در آنالوس با مدل سیال غیرنیوتنی کراس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، آزمایشگاه تحقیقاتی CFD

چکیده

در این مطالعه تغییرات ویسکوزیته گل حفاری بررسی گردیده و با استفاده از داده‌‎های آزمایشگاهی گزارش شده، پارامترهای مدل کراس و بینگهام پلاستیک تعیین شده است. سپس برای مدل کراس که نسبت به سایر مدل‌ها، رفتار غیرنیوتنی گل حفاری را بهتر پیش‌بینی می‌کند، حل تحلیلی انجام شد و کدی عددی ارائه گردید که معادلات مومنتوم و پیوستگی را به روش حجم محدود با در نظر گرفتن تمامی ترم‌ها در شرایط پایا حل می‌نماید. برای اعتبارسنجی کد، ابتدا پروفایل سرعت و ضریب اصطکاک برای سیال نیوتنی در لوله و آنالوس محاسبه شده و با نتایج حاصل از روابط نظری مقایسه گردید. سپس پروفایل سرعت سیال غیرنیوتنی با حل تحلیلی ارائه شده مقایسه شد که نتایج تطابق خوبی را نشان می‌دهد. طبق نتایج به دست آمده مدل کراس ویسکوزیته را به خوبی برآورد می‌کند و پروفایل سرعت محاسبه شده با استفاده از این مدل، هماهنگی بیشتری نسبت به مدل بینگهام دارد. در ادامه میدان جریان سیال غیرنیوتنی پیروی کننده از مدل کراس در آنالوس شبیه‌سازی و نتایج به صورت بی بعد ترسیم شده است. همچنین ضریب اصطکاک در ناحیه توسعه یافته جریان با دو مدل کراس و بینگهام پلاستیک محاسبه گردید که دقت مدل کراس با خطای حدود 5% نسبت به بینگهام (با خطای 12%) بالاتر بود. با توجه به دقت مناسب مدل کراس، برای پیش‌بینی ضریب اصطکاک از برازش منحنی، رابطه‌ای جدید برحسب رینولدز (بسته به پارامترهای مدل کراس) برای رژیم جریان آرام ارائه شده است
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and Analytical Study of Drilling Mud Flow through the Annulus with Cross non-Newtonian Model

نویسندگان [English]

  • Esmaeel GhasemiKafrudi
  • Seyed Hasan Hashemabadi
1. CFD Research Laboratory, School of Chemical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In this work, the changes of drilling mud viscosity have been studied and Cross and Bingham plastic model parameters were determined based on some reported experimental data. For the non-Newtonian behavior of drilling mud, Cross model has a better prediction than the other models. Moreover, an analytical solution was derived for fluid with Cross model and a 2D numerical code was developed to solve momentum and continuity equations with a finite volume method. For the validation of the code, the velocity profiles and friction coefficient of Newtonian and non-Newtonian fluids in pipes and annulus were calculated and compared with the results of theoretical relations and analytical solutions. The results show good agreement and the friction factor error for Cross model is 5%, while, for Bingham model, it is 12%. Additionally, the flow field for Cross non-Newtonian fluid through the annulus was simulated and the results were presented in dimensionless terms. The friction factor in fully developed region and the entrance length was calculated and for the prediction of these two quantities, two new correlations were presented as a function of Reynolds number.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-Newtonian Fluid
  • Drilling Mud
  • Cross Model
  • Friction Coefficient
  • Analytical and Numerical Solution
  • Entrance Length

[1]. Escudier M. P., Oliveira P. J. and Pinho F. T., “Fully developed laminar flow of purely viscous non-Newtonian liquids through annuli”, including the effects of eccentricity and inner-cylinder rotation, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 23, pp. 52–73, 2002.##

[2]. Al-Kayiem H. H., Zaki N. M., Asyraf M. Z. and Elfeel M. E., “Simulation of the Cuttings Cleaning During the Drilling Operation”, American Journal of Applied Sciences, Vol. 7, 800-806, 2010.##

[3]. Pereira F. A. R., Barrozo M. A. S. and Ataíde C. H., “CFD predictions of drilling fluid velocity and pressure profiles in laminar helical flow, Brazilian Journal of Chemical Engineering”, Vol. 24, Issue 4, pp. 587-595, 2007.##

[4]. Ahmed R. and Miska S., “Experimental Study and Modeling of Yield Power-Law Fluid Flow in Annuli with Drillpipe Rotation”, Presented at SPE 112604 and IADC/SPE Drilling Conference, Orlando, 2008.##

[5]. Pereira F. A. R., Barrozo M. A. S., and Ataíde C. H., “CFD approach using a discrete phase model for annular flow analysis, Latin American Applied Research”, Vol. 40, pp. 53 – 60, 2010.##

[6]. S. MokHan, Hwang Y. K., Woo N. S. and Kim Y. J., “Solid– liquid hydrodynamics in a slim hole drilling annulus”, Journal of Petroleum Science and Engineering 70, pp. 308–319, 2010.##

[7]. Ozbayoglu E. M. and Sorgun M., “Frictional pressure loss estimation of non-newtonian fluids in realistic annulus with pipe rotation”, Journal of Canadian Petroleum Technology, Vol. 49, No. 12, Dec. 2010.##

[8]. Wang Z. M., GUO X. l., and Hong Y., “Effect of drillpipe rotation cleaning for extended reach well”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 21, pp. 366-372, 2009.##

[9]. Gumati A. and Takahshi H., “Experimental study and modeling of pressure loss for foam-cuttings mixture flow in horizontal pipe”, Journal of Hydrodynamics, Vol. 23, pp. 431-438, 2011.##

[10]. Kelessidis V. C., Maglione R., Tsamantaki C., and Aspirtakis Y., “Optimal determination of rheological parameters for Herschel–Bulkley drilling fluids and impact on pressure drop”, Velocity Profiles and Penetration Rates During Drilling, Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 53, pp.203-224, 2006.##

[11]. Byron Bird R., Stewart W. E., and Lightfoot E. N., Transport Phenomena, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc, 2002.##

[12]. Versteeg H. K. and Malalasekera W., “An introduction to computational fluid dynamics The finite volume method”, Longman Scientific & Technical,1995.##

[13]. Patankar S. V., Numerical heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Series,1980.##

[14]. Escudier M. P., Oliveira P. J., Pinho F. T., and Smith S., “Fully developed laminar flow of non-Newtonian liquids through annuli: comparison of numerical calculations with experiments”, Experiments in Fluids Vol. 33, 101-11, 2002.##

[15]. Poole R. J. and Ridley B. S., “Development-Length Requirements for Fully Developed Laminar Pipe Flow of Inelastic Non-Newtonian Liquids”, Journal of Fluids Engineering Vol.129, pp. 1281-1287, 2007.##

[16]. Poole R. J. and Chhabra R. P., “Development Length Requirements for Fully Developed Laminar Pipe Flow of Yield Stress Fluids”, Journal of Fluids Engineering Vol.132, pp. 034501-1, 2010.##