تعیین و توزیع سرعت گل حفاری در چاه و رشته حفاری

صفحه 1:
تعیین وتوزیع سرعت گل حفاری در چاه ورشته حفاری استاد: جناب آقای مهندس حسینی گردآورنده : عباس دلاور ۸4۵۳5۸۳ رشته : مهندس نفت - بهره برداری 

صفحه 2:
وزن گل معادل : عملیات حفاری اغلب شامل چندین سیال سنگین » فشار گردش سیال و شاید فشار سطحی کاربردی درطول عملیات کنترل ضربه (161016) می شود . کاربردهای عملی که مجموعه فشار و چگالی سیال را روی منشاهای عمومی بحث می کند » مفید است . در چنین محدوده وسیعی از تبدیل همه فشارها به وزن گل معادل استفاده می شود که فشاری مشابه در سیستم استاتیکی بدون فشار سطحی تولید می شود . فرض كنيد يك چاه ده هزار فوتی دو وزن گل دارد . اين چاه شامل ۰۰۰۰ 11 گل ۰۰۰۰ 910/01 , 1] كل ۱۱ 10/061 است . وزن گل معادل ادر ۱۰۰۰۰ ] برابر ۱۰ 110/0121 است » در صورتی که در هیچ نقطه ای اژ چاه وزن گل واقعی ۱۰ 10/01 نیست 

صفحه 3:
معمولاً در مراحل ديكر برلى تشريح وزن كل معادل ( یا چگالی گردشی معادل استفاده مى شود معمولاً 10010 فشار هيدرواستاتيكى و فشار اصطكاكى ناشى از حركت سیال را در نظر می گیرد. برخی مهندسان حفاری در اين مورد به ‎tne» ECD‏ می کنند . انواع بازه ها برای ضریب )23( ‎ECD‏ بين ۰۰۱ 0 تا ۰.۰ 1000 هستد . وزن گل معادل توسط تنظیم مجدد معادله ۱۸۰۱ در شکل نشان داده شده در معادله ۲ محاسبه شده است . total pressured 923 EMVW= trueverticadepth که در اين معادله 171۷]۷۷ - وزن كل معادله بر حسب ۳۶ یا 11/021 عدد ‎2۱٩۰۲۳‏ معکوس ثابت ۰.۰6۲ در معادله ۱۸۰۱ بر حسب 10/051/061 

صفحه 4:
اگر چه سیالات حفاری در چاه جریان دارند » با این حال چگونگی رفتار سيال فرق مى كند . اين رفتار اغلب ريم جریان ناميده مى شود. بيشتر رؤيم ها جريان آرام » آشفته و كذار هستند . متاسفانه تعريف روشن هر يك از اين رزيم ها در چاه غير ممكن است . براى مثال جريان كل ممكن است داراى نفوذ آرامى باشد . اگر چه جریان نزدیک دیواره لوله در حین چرخش لوله ممکن است آشفته باشد 

صفحه 5:
بیشتر رژیم جریان طبیعی در فضای حلقوی آرام است . اين رژیم در پمپ با دبی های کم تا دبی هایی که در آن شروع به آشفتگی می کند وجود دارد . از مشخصات خوب و مفید جریان آرام در مهندسی حفاری » فشارهای اصطکاکی پایین و کمترین فرسایش چاه است . 

صفحه 6:


صفحه 7:
آشفت زمانى رخ مى دهد كه سرعت بين لايه ها افزايش مى يابد و تنش برشى بوجود آمده از توانايى كل براى باقى ماندن در جريان آرام متجاوز می کند .ساختار لایه ای بی نظم و آشفته شروع می شود (شکل ۳ -۱۸) معمولاً آشفتگی در رشته حفاری و اساسا در اطراف لوله های وزنه اتفاق می افتد . 

صفحه 8:


صفحه 9:
متاسفانه تخمین دبی جریان در جاییکه آشفتگی اتفاق می افتد » مشکل است . علاوه بر اين آشفت ممکن است در مراحل مختلفی اتفاق افتد . تشریح این منطقه خاکستری به عنوان مرحله گذار مناسب است . 

صفحه 10:
از مدل ریاضی برای تشریح رفتار سیال تحت وضعیت های دینامیکی استفاده می شود . اين مدل برای محاسبه فشارهای اصطکاکی » فشارهای موجی و سرعت لغزش کنده های حفاری در سیالات استفاده می شود . معمولا بیشتر مدلهای استفاده شده در صنعت حفاری لیوتتی » پلاستیک بینگهام و پاور لاو هستند . ترمهای استفاده شده در مدلهای كل تنش برشى و سرعت برشی هستند . آنها می توانندتوسط دو صفحه جدا شده با فاصله ویژه با یک سیال تشریح شوند . 

صفحه 11:
اگر بر روی صفحه بالایی نیرو اعمال شود»صفحه پایینی که ساکن است دارای سرعت می شود و تابعی از نیرو » فاصله بین صفحات » منطقه در معرض گذار و گرانروی سیال خواهد شد: Vv 2 ‏ا‎ iey 

صفحه 12:
مدل بینگهام برای تشریح تاثیر گلهای حفاری که به تازگی مورد استفاده قرار می گیرد توسعه داده شده است . تتوری بینگهام به مقدار کمی تتش برای ساختار ژله ای گلها برای حرکت اولیه نيا دارد . مر ولا 1 

صفحه 13:
كه در اين معادله :51 تنش تسلیم وم" گرانروی سیال است . در مراحل عملی » حالتهای معادله ای که یک فشار خاص در آنها کاربرده شده به گل حرکت اولیه می دهد . فشار گل جریانی تابعی از فشار تسلیم اولیه و گرانروی سیال است ۰ معمولا سرعتهای تتشی بین ۱۰۰-۳۰۰ 110112 روی ویسکومتر اتفاق می افتد . ویسکوزیته سیال و تتش تسلیم به صورت زیرمحاسبه می شوند : 000 72007 ما 

صفحه 14:
گرانروی سیال » ویسکوزیته پلاستیکی (۷ ۳) » ناشی از طبیعت پلاستب سیال نامیده می شود و با واحد سنتی پویز اندازه گیری می شود . ویسکوز پلاستیکی بر روی اندازه » شکل و تجمع ذرات در سیستم گل تاثیر گذار است .در اثر افزايش مواد جامد گل » ویسکوزیته پلاستیکی نیز افزایش مى يابد . ويسكوزيته بلاستيكى خاصيتى از كل است كه بر روى بيشتر رقيق كننده هاى شيميايى تاثيرنمى كذارد و فقط با تغييردادن وضعيت يا تعداد جامدات موجود در كل كنترل مى شود. 

صفحه 15:
مدل پاور لاو بیان ریاضی استانداردی است که برای تشریح منحنی های غیر خطی استفاده می شود . معادله سیالات حفاری در معادله ۱۸-۱۷ و ۱۸-۷ نشان داده شده است .۰ ....817 که در اين معادله :ا: شاخص استحکام و « : شاخص رفتار جریان می باشد . 

صفحه 16:
شاخص رفتار جربان برای سیال غیر نیوتتی » تشریحی می باشد . رفتار جریان و استحکام به ترتیب از معادلات ۱۸-۸ و ۱۸-۹ مجاضبه می شولد : 1-832 fren A 200 ‎ee are (er)‏ لل رن فير ‏(معادله ‎۱۸-۱٩‏ برای استفاده در تتظیم سرعت لغزش مود اندکی اصلاح می شود ) ‎ 

صفحه 17:
‎SG eel iy Me Ae GY Ss‏ . فشار پمپ به عنوان جمع ‎oe eee : ‏که دراین معادله‎ ‏سس یط فرط + یط < ط‎ 20 3 ‏,2 : فشار پمپ برحسب ۳51 ور : فشار اصطکاک رشته حفاری برحسب 151 و : افت فشار مته برحسب ‎Psi‏ ‏,۳ : فشار فضای حلقوی برحسب 051 ‎ 

صفحه 18:
افت فشار مته نه فقط از نیروی اصطکاک ‏ بلکه از شتاب سیال نیز تیجه می شود . در تیجه اين قسمت به صورت مجزا در بخش دیگری ب خواهد شد . معادلات تعیین فشارهای اصطکاک بر طبق ریم های جریان متفاوت استا - علاوه بر اين مدل پلاستیک بینگهام ومدل پاور لاو دراین شکل فرق می کنند . اين مدلها در بخش های زیر توضیح داده می شوند چون مکررا در کاربردهای حفاری استفاده می شوند .در حال حاضر معادلات بر پایه سیالات نیوتی دردسترس نیستند . 

صفحه 19:
در ابتدا مدل پلاستیک بینگهام با محاسبه فشار اصطکاک همراه با جریان آرام استفاده می شود . اين محدوديت ناتوانى تنش های برشی همراه با سرعت های برشی بالا را بدرستی تشریح می کند . محاسبات جریان آرام و آشفته موجود می باشد » زیرا به تکرار در صنعت حفاری استفاده می شوند . سرعت سیال در رشته حفاری در معادله ۱۸-۲۱ تشریح شده است : 0 OSD) 

صفحه 20:
که در اين معادله : ۷ : سرعت سیال بر حسب ‎ft/sec‏ ‏© : دبى جريان بر حسیب 01/000 : قطر لوله بر حسب112 فشارهاى اصطكاك براى جريان آرام به صورت زير محاسبه مى شود : ‎YPp ne‏ 12346+ 1ط )/1.08+/اص1.08 ‎1 ‎fo pd ‎ 

صفحه 21:
که در اين معادله : ‎L‏ طول قسمت مورد نظر بر حسب نا است . سرعت بحرانی (۷/67) برای تعبین آرام و آشفتگی ازمعادله ۱۸-۲۳ محاسبه می شود : 0 4 وی ۱ 

صفحه 22:
که در اين معادله : ۷ : سرعت بحرانی بر حسب »۶1/56 ۳ : ویسکوزیته پلاستیکی بر حسب ۲ ,۷ : نقطه تسلیم بر حسب 12/100112 وزن گل بر حسب 1۳/021 جریان آشفته طبق معادله ۱۸-۲۶ محاسبه می شود : بر عم تتش 055 2... پا ی ‎Be‏ ‏608 180082 و 

صفحه 23:
829 ی )2 - ,244848 كه در اين معادله : ل : قطر درونی‌چاه با رشته جداری ‎An‏ ,(1 : قطر بیرونی‌لوله یا لوله وزند 1:08+1:08/)۳۲(2+ 9286 ‏بر‎ - d,)° ‏17ل[‎ ‏رن‎ ee son 826 ‘ 200-7 برای جریان آرام : 0 ‏تاد هه‎ ۸ 10008,- ۵ 20@d,,- d,) ۳ ee 

صفحه 24:
فشار اصطکاک پاورلاو : محاسبات پاور لاو به صورت مشابهی از مدل بینگهام پیروی می کند . سرعتهای واقعی و بحرانی قبل از محاسبه افت فشار برای تعیین رژیم جریان با هم مقایسه می شوند . اگرم۷ , ۷۰ با هم اختلاف قابل توجهی داشته باشند» معادله جریان بدرستی انتخاب می شود . وفتی:۲" :۲ در نتیجه هم محاسبه افت فشار و هم انتخاب دشوارتر می شود . درنقاطی که وابسته به معادلات بینگهام و پاورلاو هستند » پیش بینی انجام می شود بیشتر مشکلهای این معادلات در صنعت به همراه اندکی اختلاف وجود دارد . سرعت می تواندبا واحدهای 11/5 , ‎ft/min‏ بیان شود که به صورت آشکار خطای قابل توجهی در محاسبات پدیدار می گردد . 

صفحه 25:
مخصوصاً زمانى كه ۷ به صورت نمایی بیان می شود . مدلپاور لاو به توجه بیشتری نیاز دارد زیرا چندین روش برای محاسبه پارامترهای اصلی 6,13[ موجود است . اين مورد برای مدل بینگهام صدق نمی کند » زیرا فقط یک روش برای محاسبات ,0 « م۷ پذیرفته شده است . معادلات موجود در این مقاله توسط مود و همکارانش تهیه شده است . محاسبه فشار اصطکاک در رشته حذاری با استفاده از معادلات پاور لاو برای جریان آرا و آشفته به ترتیب با معادلات ۱۸-۲۹ و ۱۸-۳۰ به انجام رسیده است : 1:6۷ 3+1 KL 3 ES se |] ۳ 1829 _2.27107)p"V2 PV2L ۳.2 AEA = eee 14830 

صفحه 26:
برای سادگی محاسبات در معیار آشفتگی 30000 <,م ۱[ فرض شده است . اساس فرضیات برای دسته بندی فاکتور اصطکاک نتیجه معادله سرعت بحرانی است . 000 hOSD): 26 للخمة يلمك دي ‎4n‏ 0 م 

صفحه 27:
درصد اعظم فشار نرمال گردش گل توسط پمپاژ درون نازل از دست می رود . افت فشار » فشار اصطکاکی ندارد اما قدری نیروهای شتابی دارد . در کل فرضیات به صورت زير هستند : ۱.تغییرات در فشار نتیجه تغییر در ارتفاع است که ناچیز می باشد . ۲.سرعت جریان بالا دست نسبت به جریان پایین دست ناچیز است (شکل 6۱۸-۱۰ اين فرضیات منشا محاسبه افت فشار مته طبق معادله ۱۸-۹ قرار داده می شوند 0839 وم 

صفحه 28:
شکل 18-10 جربان 

صفحه 29:
معادلات ۱۸-۳۲ و ۱۸-۳۷ دقی تخلیه ,6 برای برابر ساختن نتایج آزمایشگاهی و افت فشار تتوری به کار برده می شود.چون ضریب تخلیه به اندازه و نوع سازند برابر نیستند . در نتیجه ضریب بستگی دارد » درنتیجه تفاوت خواهد داشت » گرچه برای بیشتر وضعیتهای میدانی مقدار ۰.۹۰ نمایش داده می شود . کاربرد ,6 در معادله ۱۳-۳۷ از معادله ۱۸-۳۸ حاصل می شود : 12382 م 2 رد 1 

صفحه 30:
سرعت در نازل معادل دیی جریان تقسیم بر سطح مقطع است : ed 2:۰ ‏نس نس‎ B39 

صفحه 31:
که در اين معادله : ,۸ : مساحت کل نازل» 1102 © : دبى جريان » 910103 ,ل : سرعت نازل » 11/5 با استفاده از معادلات ۱۸-4۰ و ۱۸-۳۸ معادله ۱۸-4۱ بدست 

صفحه 32:
قدرت اسب بخار هیدرولیکی ‎(HHP)‏ و نیروی فشاری (۳1) در مته از روابط زیر بدست می آیند : PBQ 1714 ......) 843 سح ۳۷7 ۵15 ,20018230 جر 

صفحه 33:
فشار موجی به صورت تغییرات فشار در فضای حلقوی که ناشی از حرکت لوله است » تشریح می شود . همچنانکه لوله ازچاه بیرون کشیده می شود» جریان گل قسمتهایی از لوله که فضای حلقوی را ترک کرده » پر می کند . همچنانکه لوله به داخل چاه فرستاده می شود » به مسیر جریان گل نیرو اعمال می شود . تفییرات فشار ایجاد شده توسط فرستادن لوله به داخل چاه فشار موجی نامیده می شود ومعمولاً فشار هیدرواستاتیک اضافه شده به آن نظ رگرفته مى شود . بلند کردن لوله از چاه فشار جارویی (5۲۷310) را به وجود می آورد که منفی می باشد » نتيجه اين عمل ايجاد فشار خالص در چ می باشد . 

صفحه 34:
( و سح تج | سس سر محر مرح 

صفحه 35:
بیشتر مشکلات توسط فشار جاروبی و فشار موجی ایجاد شده است . بالا کشین لوله دردبی هایی که فشار جارویی بالایی به وجود می آورد » می تاد باعث ایجاد ضربه شود که دلیل آن کمتر بودن فشار دیواره چاه نسبت به فشار سازند است . فشار موجی » فشار دیواره چاه را افزایش می دهد و می تواند باعث شکاف سازند و هرزروی گل حفاری شود . محاسبه فشارهای موجی و جارویی مشکل است . زیرا در روشی که سیال در لوله جریان دارد» در چاه نیز حرکت کرده است . همچنانکه در شکل ۱۸-۲ نشان داده شده است . حرکت لوله به سمت پایین فضای حلقوی سبب می شود گل مجاور لوله آنرا به سمت پایین بکشاند . چون فضای حلقوی حجم فیکس شده ای دارد » مکانیک با پمپاژ متفاوت است » زيرا جریان سیال مورد نظر فقط در یک مسیر مستقیم حرکت می کند . 

صفحه 36:
مطالعات میدانی هیدرات شده بورک هارت برای ارزیابی فشارهای موجی و جارویی می باشد. کارش شامل راندن لوله جداری به داخل چاه بود كه با حسگرهای فشار سازماندهی می شدند. انواع پاسخ فشار در حرکت لوله در شکل ۱۸-۱۳ نشان داده شده است . فشارهای مثبت و منفی نیز برای لوله های نشان داده شده است . مدل پیچیده جریان سیال که در شکل ۱۸-۱۰ نشان داده شده توسط بورک هارت ارزیابی شده است . او با استفاده از مدل ریاضی اين ارزيابى را انجام داد . بورك هارت رابطه ى بين هندسه چاه ولوله و تاثير كشش گل مجاور روی لوله را توسعه داد . 

صفحه 37:
مرحله 00۳05618101 0163101110 اين رابطه را نشان می دهد (شکل 6۸-۶ سرعت گل در فضای حلقوی باید قبل از ‎Cleaning‏ :۲ به کار برده شده » محاسبه شود . دیی جریان پایدار رشته حفاری بسته شده داخل چاه توسط معادله ۱۸-۵۰ داده شده است : - acd, ‎ABD‏ ات ده ‎ 

صفحه 38:
که : 0۵ : دبی جریان» 0010 و ,۷ : سرعت لوله» ‎ft/sec‏ ‏سرعت در فضای حلقوی » خارج قسمت دبی جریان و مساحت است : 4 ا يت دم 4 4 

صفحه 39:
اگر لوله ته باز باشد »سرعت جریان با روشی مشابه حل می شود : ‎Bah‏ یک را ‎aaa Baad Ce eS ‏کاربرد و تاثیر آن روی سرعت فضای حلقوی به صورت زير است : ‎cal 860‏ را خاک را ‎ 

صفحه 40:
شکل 0-10 انواع ناحیه فشار موجي اندازه گيري شده است . 

صفحه 41:
0 04 8 ‏وه‎ 07 ۵8 ۵ 1,0, - Ro o! pp caret te dant شکل 9-060 ‎fe‏ به هندسه فضاي حلقوي وابسته است . 

صفحه 42:
در عملیات حفاری » سرعت لوله برای محاسبه جریان لوله داخل چاه استفاده می شود . که معادل جریان بیرون فرض شده است . ‎Cleaning constant‏ به کار برده ‎cost‏ حاصل تاثیر سرعت روی قسمتهای پیچیده جریان در داخل فضای حلقوی است . فشار موجی و جارویی توسط جانشینی سرعت موثر در هر کدام از معادلات فشار اصطاکی که قبلا تعریف شده محاسبه می شوند . استفاده از معادلات جریان آرام معقول است » زیرا سرعتهای نرمال لوله به ندرت سیب بزرگتر شدن سرعتهای بحرانی می شود . 

صفحه 43:
مور بیان کرد که کنده های حفاری دارای لغزش خواهد بود (سیستم گلی که با دبی مشخص توسط معادله ۱۸-۲۱ تشریح است ) ‎een Pd‏ دير ‎CiP‏ ‎ 

صفحه 44:
که در اين معادله : ۷ : سرعت لغزش ۰ ‎ft/min‏ ‏,(1 : قطر کنده های حفاری » 1110 ۶ چگالی کنده های حفاری » 1212603 ‎gy 1 Pr‏ كل » ‎PPG‏ ‎C,‏ : ضریب تخلیه ‎ 

صفحه 45:
3 ع 1 3 4 

صفحه 46:
که دراین معادله : 0 : نرخ مهاجرت گاز ۰ ۶1/566 ۶ وزن گل ۰ ۳100 مثال ۱۵-۱۶ : ضربه ای در چاهی با وزن گل ۱ 101207۲ اتفاق افتاده است . با استفاده از رابطه ارام نرخ مهاجرت قابل انتظار را پیش بینی کنید ؟ حل » ترخ فوران گاز توسط معادله ۱۸-۷۲ محاسبه می شود : مماتقة 2122 1 037110 ور 1[ 502001256021 2 

صفحه 47:
افزایش گاز در فضای خالی به دلیل فشارهای سطحی زیاد است .مثلاً حرکت رو به بلای گاز و کنترل فشار هيدروستاي کاهش یافته است . حجم گاز بايد افزایش یابد . اگر گاز نتواند منبسط شود باعث ایجاد فشارها یبالای سطحی خواهد شد .این روابط در شکل ۱۸-۱۸ و ‎۱۸-۱٩‏ نشان داده شده اند . فاکتورهای تغییرات دما » تراکم پذیری و فشار هیدروستاتیک گازها شامل اين مثالها نمی شود . 

صفحه 48: