پروژه شبیه‌سازی و بررسی اثر تغییرات دبی جریان سیال حفاری بر تمیزکاری اطراف مته‌های مخروطی

توضیحات:

پروژه،پایان نامه مهندسی مکانیک با عنوان: شبیه‌سازی و بررسی اثر تغییرات دبی جریان سیال حفاری بر تمیزکاری اطراف مته‌های مخروطی ، در 100 صفحه بصورت کامل

نکته: ««« این پروژه بصورت انحصاری فقط در وبسایت fileok.ir به فروش می رسد. »»»

چکیده:

اولین و مهمترین مرحله در انتقال کنده‌ها تمیز کاری ته چاه، توسط نازل‌های مته است. در این پژوهش با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و نرم‌افزار تجاری فلوئنت و پس از انتخاب مدل اویلر- اویلر برای حل جریان دوفازی مایع-جامد، به بررسی اثر تغییرات دبی جریان سیال حفاری بر تمیز کاری اطراف مته‌های مخروطی پرداخته شد. نتایج نشان می‌دهد که افزایش دبی جریان سیال حفاری منجر به پاک‌سازی بهتر سطوح رولرها می‌شود اما روند پاک‌سازی سطوح رولرها نسبت به میزان افزایش دبی، روندی کاهنده است به عنوان مثال با صرف هزینه و ا نرژی و افزایش 20 درصدی دبی جریان از 500 به 600 گالن بر دقیقه 30 درصد بهبود تمیزکاری داریم اما با افزایش 80 درصدی دبی جریان از 500 به 900، 65 درصد بهبود تمیزکاری داریم و این بدان معناست که در افزایش دبی جریان به منظور تمیزکاری بهتر رولرهای مته باید ملاحظات اقتصادی لحاظ گردد.

فهرست مطالب:

چکیده    1

فصل اول : کلیات تحقیق

1-1 مقدمه         4

1-2 انواع روش حفاری       4

1-2-1 حفاری ضربه‌ای       4

1-2-2 حفاری دورانی        4

1-2-3 حفاری لیزری          4

1-3 حفاری دورانی           4

1-4 اجزای دستگاه حفاری دورانی   7

1-4-1 سیستم تولید نیرو   8

1-4-2 سیستم بالابر         8

1-4-3 سیستم دورانی      9

1-4-4 سیستم گردش گِل  9

1-4-5 سیستم کنترل چاه  10

1-4-6 سیستم اندازه‌گیری و ثبت پارامترهای حفاری   10

1-5 ساق حفاری 11

1-5-1 لوله‌های حفاري      13

1-5-2 لوله‌های وزنه         15

1-5-3 ابزار درون چاهي حفاري       17

1-5-3-1 طوق مته            17

1-5-3-2 تبدیل‌ها  18

1-5-3-3 پايدار كننده         18

1-5-3-4 تراشنده (چاه تراش)         19

1-5-3-5 جار        19

1-5-3-6 ضربه گير 19

1-6 مته 20

1-6-1 ساختمان مته‌های دوراني    22

1-6-2 مته‌های كاجي       24

1-6-3 طبقه‌بندی مته‌های كاجي براساس مشخصات سازند    26

1-6-4 مته‌های دندانه‌ای و دکمه‌ای  27

1-6-4-1 انواع مجاري سيال در متههاي كاجي            28

1-6-5 ساختار هیدرولیکی مته‌های کاجی    28

1-6-5-1 نازل‌ها و مجراهای جریان    28

1-6-5-2 ترکیب نامتقارن نازل‌ها       29

1-6-5-3 تمیزکاری چاه در حین عملیات حفاری           30

1-6-5-6 عوامل مؤثر بر تمیزکاری چاه            31

1-7 گل حفاری     33

1-7-1 معرفی مختصر گل حفاری      33

1-7-1-1 گل حفاری پایه آبی           33

1-7-1-2 گل حفاری پایه روغنی       34

1-7-1-3 گل حفاری پایه‌گازی          34

1-7-2 وظایف گل‌های حفاری          34

1-7-2-1 تمیز کردن ته چاه و انتقال کنده‌های حفاری به سطح زمین       35

1-7-2-2 خنک کردن مته و لوله‌های حفاری   36

1-7-2-3 روان کردن مته و لوله‌های حفاری     37

1-7-2-4 اندود کردن دیواره چاه و جلوگیری از ریزش آن  37

1-7-2-5 کنترل فشارهای زیرزمینی  37

1-7-2-6 معلق نگه داشتن کنده‌ها و مواد وزن افزای گل بهنگام خاموشی پمپ‌ها  38

1-7-2-7 ترخیص شن و کنده‌های حفاری روی الک لرزان           39

1-7-2-8 تحمل بخشی از وزن لوله‌های حفاری و لوله‌های جداری          39

1-7-2-9 بحداقل رسانیدن ضایعات وارد بر سازندهای مجاور چاه و ارائه حداکثر اطلاعات پیرامون آن‌ها            39

1-7-2-10 انتقال توان هیدرولیک پمپ‌ها به مته          40

1-7-3 هیدرولیک گل‌های حفاری     40

1-7-3-1 سرعت در فضای حلقوی    41

1-7-3-2 ظرفیت حمل گل‌های حفاری           42

1-8 تبیین مساله 47

فصل دوم:  مروری بر تحقیقات گذشته و گستره‌ی نظری موضوع

2-1- مقدمه        50

2-2- تحقیقات انجام شده در داخل کشور      50

2-3- تحقیقات انجام شده در خارج از کشور   52

فصل سـوم: مواد و روشها

3-1- مقدمه        59

3-2- رئولوژی گل‌های حفاری          57

3-2-1- تنش برشی و نرخ برش       58

3-2-2- انواع سیالات         59

3-2-2-1- سیال‌های نیوتونی          59

3-2-2-2- سیال‌های غیر نیوتونی     60

3-3- مدل‏های چندفازی برای جریان‏های سیال – ذره   77

3-3-1- دیدگاه اویلر-لاگرانژ  78

3-3-1-1- خلاصه روش‏های مدل‌سازی فاز گسسته     79

3-3-1-1-الف- انتقال مومنتوم         79

3-3-1-1-ب- محاسبات براساس فاز پیوسته ثابت       80

3-3-1-1-ج- محاسبات دیدگاه کوپل شده       80

3-3-1-1-د- برخورد ذره به دیوار       81

3-3-2- دیدگاه اویلر- اویلر    82

3-3-2-1- مدل VOF           83

3-3-2-2- مدل مخلوط        83

3-3-2-3- مدل اویلری        83

3-3-3- مقایسه مدل‌ها     84

3-3-4- مدل اویلری           84

3-3-4-1- مرور و محدودیت‌های مدل اویلری    84

3-3-4-2- محدودیت‌ها       85

3-3-4-3- کسرهای حجمی            86

3-3-4-4- معادلات بقاء       86

3-3-4-5- بقای جرم          86

3-3-4-6- بقای مومنتوم     87

3-3-4-7- معادله‌ی پیوستگی         87

3-3-4-8- معادلات مومنتوم سیال- سیال      88

3-3-4-9- معادلات مومنتوم سیال- جامد       88

3-3-4-10- ضرایب تبادل بین فازی    89

3-3-4-10-الف- ضریب تبادل سیال- سیال      89

3-3-4-10-ب- ضریب تبادل سیال- جامد        89

3-3-4-10-ج- ضریب تبادل جامد- جامد          90

3-3-4-11- تابع توزیع شعاعی         90

3-3-5- مدل‌های اغتشاش 90

3-3-5-1- مدل اغتشاش k-ε           91

3-3-5-1-الف- مدل اغتشاش مخلوط k-ε       91

3-3-5-1-ب- مدل درهم پراکنده k-ε  92

3-3-5-1-ج- مدل اغتشاش k-ε برای هر فاز    95

3-3-6- انتخاب مدل چندفازی مناسب           96

فصل چهارم: مدل‌سازی مته

4-1- مقدمه        97

4-2- مدل‌سازی و تولید شبکه        97

4-2-1- مدل مته کاجی      97

4-3- شبکه‌بندی و اعمال شرایط مرزی          99

4-4- تعیین پارامترهای کنترل کننده حل        101

4-5- بررسی استقلال جواب از شبکه          102

4-6- شرایط جریان            105

4-7-معیار همگرایی          106

4-8- توزیع فشار  107

4-9- تجمع کنده‌های حفاری           110

فصل پنجم: تحلیل نتایج و پیشنهادات

5-1- مقدمه        120

5-2- نتیجه‌گیری   120

5-3- پیشنهادات  122

منابع     122

پیوست  127

فهرست جدول‌ها

جدول (4-1) برخی از اندازه‌های نمونه اصلی  98

جدول (4-2) تعیین پارامترهای کنترل کننده حل           102

فهرست نمودارها

نمودار (4-1) متوسط تراکم ذرات در ناحیه محاسباتی  102

نمودار (4-2) کسر حجمی کنده‌ها در مرز ورودی کنده‌ها           103

نمودار (4-3) سرعت سیال حفاری در مرز ورودی کندهها          103

نمودار (4-4) توزیع فشار بر روی دایره‌ای به شعاع 14/0 متر (مکان هندسی محل برخورد جت‌های نازل به ته چاه) در زیر کاجهای مته استاندارد به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری       108

نمودار (4-5) دبی جرمی سیال حفاری از زیر رولرها به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری            109

نمودار (4-6) توزیع کنده‌ها بر روی دایره‌ای به شعاع 14/0 متر (مکان هندسی محل برخورد جت‌های نازل به ته چاه) در زیر کاج‌های مته استاندارد به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری       111

نمودار (4-7) انباشت کنده‌ها در روی رولر شماره 1 مته کاجی به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری           112

نمودار (4-8) انباشت کنده‌ها در روی رولر شماره 2 مته کاجی به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری           113

نمودار (4-9) انباشت کنده‌ها در روی رولر شماره 3 مته کاجی به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری           113

نمودار (4-10) انباشت کنده‌های حفاری بر روی رولرهای مته به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری            114

نمودار 4-11 انباشت کنده‌های حفاری در فضای اطراف مته به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری   115

نمودار (4-12) انباشت کنده‌های حفاری بر روی مقطع عمود بر جریان عرضی عبوری از زیر هریک از رولرها به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری   116

نمودار (4-13) انباشت کنده‌های حفاری بر روی سطوح زیرین رولرها به ازای دبی‌های مختلف سیال حفاری   117

نمودار (5-1) نرخ کاهشی انباشت کنده‌ها بر روی سطوح رولرها به ازای افزایش دبی جریان            121

نمودار (5-2) نرخ کاهشی انباشت کنده‌ها در فضای اطراف مته  121

فهرست شکل‌ها

شکل (1-1) اولین چاه نفت جهان در ایالت پنسیلوانیای آمریکا در سال 1859        3

شکل (1-2) اولین چاه نفت خاورمیانه در مسجد سلیمان سال 1287 هجری شمسی       3

شکل (1-3) دکل خودفراز چاقویی    5

شکل (1-4) دکل سیار       5

شکل (1-5) دستگاه حفاری نیمه‌شناور ایران خزر       6

شکل (1-6) کشتی حفاری            6

شکل (1-7) دستگاه حفاری دریایی شهید رجایی (جک آپ)     7

شکل (1-8) مجموعه دیزل ژنراتور مدل کاترپیلار (3516)            8

شکل(1-9) سیستم بالابری دستگاه حفاری دورانی    9

شکل (1-10) سیستم گردش گل    9

شکل (1-11) فورانگیرهای سر چاهی           10

شکل (1-12) وزن نما        10

شکل (1-13) حفاری نگار چند قلم   10

شکل (1-14) نمونه یک ساق حفاری           12

شکل (1-15) لوله‌های حفاری        13

شکل (1-16) انواع افزار پیوند          14

شکل (1-17) لوله‌های وزنه در کنار لوله حفاری چیده شده بر روی دکل حفاری     15

شکل (1-18) الف- تأثیر وزن مناسب لوله‌های وزنه، ب- اثر وزن نامناسب لوله‌های وزنه     16

شکل (1-19) طوقه مته     17

شکل (1-20) انواع تبدیل‌ها            18

شکل(1-21) پایدار کننده    18

شکل (1-22) تراشنده       19

شکل (1-23) جار حفاری   19

شکل (1-24) انواع مته      22

شکل (1-25) الف- مته کاجی دندانه‌ای، ب- مته کاجی دگمه‌ای            25

شکل (1-26) نمایش برون مرکزی    27

شکل (1-27) اثر نامتقارن بودن اندازه نازل‌های مته     30

شکل (1-28) مقایسه پروفیل سرعت در جریان‌های آرام و آشفته           43

شکل (1-29) مقایسه پروفیل سرعت در جریان‌های آرام و آشفته           44

شکل (1-30) سکه‌های متوسط در جریان آرام (لوله مرکزی در حال دوران است)   46

شکل (1-31) نقطه انحراف چاه از زاویه عمودی          49

شکل (1-32) مته مخروطی            49

شکل (3-1) نمودار تنش - نرخ برش برای یک سیال غیرنیوتنی  61

شکل (3-2) پدیده SHEAR THINING در سیال‌های غیرنیوتنی  62

شکل (3-3) منحنی غلظت برای چند سیال غیرنیوتنی            62

شکل (3-4) رئوگرام سیالات پلاستیک بینگهام           63

شکل (3-5) محدوده مناسب قابل قبول برای PV گل‌های حفاری آبی در 115 فارنهایت        67

شکل (3-6) گراف تصحیح دما برای لزجت پلاستیک     69

شکل (3-7) مدل پاورلا       71

شکل (3-8) رابطه N و K با لزجت پلاستیک و نقطه تسلیم       73

شکل (3-9)مقایسه رئوگرام یک سیال واقعی با رئوگرام مدل‌های پاورلا و بینگهام  75

شکل (3-10) مدل هرشل – باکلی   75

شکل (3-11) تبادل جرم، مومنتوم و حرارت بین فازهای پیوسته و گسسته         79

شکل (3-12) محاسبات فاز پیوسته ثابت      80

شکل (3-13) محاسبات فاز گسسته کوپل شده         81

شکل (3-14) شرط مرزی دام برای فاز گسسته          81

شکل (3-15) شرط مرزی رهایی برای فاز گسسته     82

شکل (3-16) شرط مرزی انعکاس برای فاز گسسته    82

شکل (4-1-الف) نمای ایزومتریک از مدل مته کاجی 4/1 12 اینچ            98

شکل (4-1-ب) نما از بالای مدل مته کاجی 4/1 12 اینچ           98

شکل (4-2-الف) شرایط مرزی برای مدل مته  99

شکل (4-2-ب) شرایط مرزی برای ناحیه اطراف مته     100

شکل (4-3) شبکه محاسباتی        100

شکل (4-4) کانتور Y PLUS برای دیواره چاه در مدل مته           104

شکل (4-5) کانتور Y PLUS برای بدنه مته     105

شکل (4-6) کانتور Y PLUS برای کاج‌ها         105

شکل (4-7) تاریخچه میزان متوسط سرعت خروجی از ناحیه محاسباتی 106

شکل (4-8) باقیمانده‌ها     107

شکل (4-9) دایره‌ای به شعاع 14/0 متر بر روی مته کاجی        108

شکل (4-10) مقطع عمود بر جریان عرضی عبوری از زیر هریک از رولرها  109

شکل (4-11) تجمع کنده‌ها در قالب خطوط جریان در ناحیه زیر کاج‌های مته         110

شکل (4-12) ترسیم خطوط شعاعی روی کاج‌ها به منظور محاسبه توزیع کنده‌ها در راستای طول کاج‌ها       111

شکل (4-13) کانتور تجمع کنده‌ها در ناحیه زیرین مته  112

شکل (4-14) کاج‌های مته 114

شکل (4-15) ناحیه محاسباتی فضای اطراف مته       115

شکل (4-16) سطح زیرین رولرها (سطح مؤثر در حفاری)          117

شکل (4-17) کانتور تجمع کندهها در ناحیه زیرین مته 118