تعیین و توزیع سرعت گل حفاری در چاه و رشته حفاری

تعیین و توزیع سرعت گل حفاری در چاه و رشته حفاری

اسلاید 1: عنوان پروژه : تعیین وتوزیع سرعت گل حفاری در چاه ورشته حفاریاستاد: جناب آقای مهندس حسینیگردآورنده : عباس دلاور 84535863رشته : مهندس نفت – بهره برداریدانشگاه آزاد اسلامي واحداميديه

اسلاید 2: وزن گل معادل : عمليات حفاري اغلب شامل چندين سيال سنگين ، فشار گردش سيال و شايد فشار سطحي كاربردي درطول عمليات كنترل ضربه (kick) مي شود . كاربردهاي عملي كه مجموعه فشار و چگالي سيال را روي منشاهاي عمومي بحث مي كند ، مفيد است . در چنين محدوده وسيعي از تبديل همه فشارها به وزن گل معادل استفاده مي شود كه فشاري مشابه در سيستم استاتيكي بدون فشار سطحي توليد مي شود . فرض كنيد يك چاه ده هزار فوتي دو وزن گل دارد . اين چاه شامل 5000 ft گل 5000 ft , 9lb/gal گل 11 lb/gal است . وزن گل معادل در 10000 ft برابر 10 lb/gal است ، در صورتي كه در هيچ نقطه اي از چاه وزن گل واقعي 10 lb/gal نيست

اسلاید 3: معمولاً در مراحل ديگر براي تشريح وزن گل معادل ECD يا چگالي گردشي معادل استفاده مي شود معمولاً ECD فشار هيدرواستاتيكي و فشار اصطكاكي ناشي از حركت سيال را در نظر مي گيرد.برخي مهندسان حفاري در اين مورد به ECD مراجعه مي كنند . انواع بازه ها براي ضريب افزايشي ECD بين 0.1 ppg تا 0.5 ppg هستند . وزن گل معادل توسط تنظيم مجدد معادله 18.1 در شكل نشان داده شده در معادله 18.2 محاسبه شده است . كه در اين معادله EMW = وزن گل معادله بر حسب PPG يا lb/gal عدد 19.23= معكوس ثابت 0.052 در معادله 18.1 بر حسب lb/gal/psi

اسلاید 4: رژيم هاي جريان : اگر چه سيالات حفاري در چاه جريان دارند ، با اين حال چگونگي رفتار سيال فرق مي كند . اين رفتار اغلب رژيم جريان ناميده مي شود.بيشتر رژيم ها جريان آرام ، آشفته و گذار هستند . متاسفانه تعريف روشن هر يك از اين رژيم ها در چاه غير ممكن است . براي مثال جريان گل ممكن است داراي نفوذ آرامي باشد . اگر چه جريان نزديك ديواره لوله در حين چرخش لوله ممكن است آشفته باشد

اسلاید 5: جريان آرام : بيشتر رژيم جريان طبيعي در فضاي حلقوي آرام است . اين رژيم در پمپ با دبي هاي كم تا دبي هايي كه در آن شروع به آشفتگي مي كند وجود دارد . از مشخصات خوب و مفيد جريان آرام در مهندسي حفاري ، فشارهاي اصطكاكي پايين و كمترين فرسايش چاه است .

اسلاید 6: جريان آرام

اسلاید 7: جريان آشفته : آشفتگي زماني رخ مي دهد كه سرعت بين لايه ها افزايش مي يابد و تنش برشي بوجود آمده از توانايي گل براي باقي ماندن در جريان آرام متجاوز مي كند .ساختار لايه اي بي نظم و آشفته شروع مي شود (شكل 3-18) معمولاً آشفتگي در رشته حفاري و اساساً در اطراف لوله هاي وزنه اتفاق مي افتد .

اسلاید 8: شكل 3-18 جريان آشفته

اسلاید 9: جريان گذار : متاسفانه تخمين دبي جريان در جاييكه آشفتگي اتفاق مي افتد ، مشكل است . علاوه بر اين آشفتگي ممكن است در مراحل مختلفي اتفاق افتد . تشريح اين منطقه خاكستري به عنوان مرحله گذار مناسب است .

اسلاید 10: مدل هاي (رياضي ) جريان : از مدل رياضي براي تشريح رفتار سيال تحت وضعيت هاي ديناميكي استفاده مي شود . اين مدل براي محاسبه فشارهاي اصطكاكي ، فشارهاي موجي و سرعت لغزش كنده هاي حفاري در سيالات استفاده مي شود . معمولاً بيشتر مدلهاي استفاده شده در صنعت حفاري نيوتني ، پلاستيك بينگهام و پاور لاو هستند . ترمهاي استفاده شده در مدلهاي گل تنش برشي و سرعت برشي هستند . آنها مي توانندتوسط دو صفحه جدا شده با فاصله ويژه با يك سيال تشريح شوند .

اسلاید 11: اگر بر روي صفحه بالايي نيرو اعمال شود،صفحه پاييني كه ساكن است داراي سرعت مي شود و تابعي از نيرو ، فاصله بين صفحات ، منطقه در معرض گذار و گرانروي سيال خواهد شد:

اسلاید 12: پلاستيك بينگهام : مدل بينگهام براي تشريح تاثير گلهاي حفاري كه به تازگي مورد استفاده قرار مي گيرد توسعه داده شده است . تئوري بينگهام به مقدار كمي تنش براي ساختار ژله اي گلها براي حركت اوليه نياز دارد .

اسلاید 13: كه در اين معادله تنش تسليم و گرانروي سيال است . در مراحل عملي ، حالتهاي معادله اي كه يك فشار خاص در آنها به كاربرده شده به گل حركت اوليه مي دهد . فشار گل جرياني تابعي از فشار تسليم اوليه و گرانروي سيال است . معمولاً سرعتهاي تنشي بين 300-600 rpm روي ويسكومتر اتفاق مي افتد . ويسكوزيته سيال و تنش تسليم به صورت زيرمحاسبه مي شوند :

اسلاید 14: كه به ترتيب در 300 rpm , 600 rpm خوانده مي شود . گرانروي سيال ، ويسكوزيته پلاستيكي (PV) ، ناشي از طبيعت پلاستيكي سيال ناميده مي شود و با واحد سنتي پويز اندازه گيري مي شود . ويسكوزيته پلاستيكي بر روي اندازه ، شكل و تجمع ذرات در سيستم گل تاثير گذار است .در اثر افزايش مواد جامد گل ، ويسكوزيته پلاستيكي نيز افزايش مي يابد . ويسكوزيته پلاستيكي خاصيتي از گل است كه بر روي بيشتر رقيق كننده هاي شيميايي تاثيرنمي گذارد و فقط با تغييردادن وضعيت يا تعداد جامدات موجود در گل كنترل مي شود.

اسلاید 15: پاور لاو: مدل پاور لاو بيان رياضي استانداردي است كه براي تشريح منحني هاي غير خطي استفاده مي شود . معادله سيالات حفاري در معادله 17-18 و 7-18 نشان داده شده است . كه در اين معادله k: شاخص استحكام و n : شاخص رفتار جريان مي باشد .

اسلاید 16: شاخص رفتار جريان براي سيال غير نيوتني ، تشريحي مي باشد . رفتار جريان و استحكام به ترتيب از معادلات 8-18 و 9-18 محاسبه مي شوند : (معادله 19-18 براي استفاده در تنظيم سرعت لغزش مود اندكي اصلاح مي شود )

اسلاید 17: تعيين فشار اصطكاك : پمپاژسيال حفاري به چيره شدن بر نيروهاي كششي اصطكاكي كه ناشي از لايه هاي سيال و ذرات جامد است نياز دارد . فشار پمپ به عنوان جمع نيروهاي اصطكاكي در سيستم تشريح گل تشريح مي شود : كه دراين معادله : Pp : فشار پمپ برحسب psi PDS : فشار اصطكاك رشته حفاري برحسب psi PB : افت فشار مته برحسب Psi PA : فشار فضاي حلقوي برحسب psi

اسلاید 18: افت فشار مته نه فقط از نيروي اصطكاك ، بلكه از شتاب سيال نيز نتيجه مي شود . در نتيجه اين قسمت به صورت مجزا در بخش ديگري بحث خواهد شد . معادلات تعيين فشارهاي اصطكاك بر طبق رژيم هاي جريان متفاوت است . علاوه بر اين مدل پلاستيك بينگهام ومدل پاور لاو دراين شكل فرق مي كنند . اين مدلها در بخش هاي زير توضيح داده مي شوند چون مكرراً در كاربردهاي حفاري استفاده مي شوند .در حال حاضر معادلات بر پايه سيالات نيوتني دردسترس نيستند .

اسلاید 19: فشار اصطكاك پلاستيك بينگهام : در ابتدا مدل پلاستيك بينگهام با محاسبه فشار اصطكاك همراه با جريان آرام استفاده مي شود . اين محدوديت ناتواني تنش هاي برشي همراه با سرعت هاي برشي بالا را بدرستي تشريح مي كند . محاسبات جريان آرام و آشفته موجود مي باشد ، زيرا به تكرار در صنعت حفاري استفاده مي شوند . سرعت سيال در رشته حفاري در معادله 21-18 تشريح شده است :

اسلاید 20: كه در اين معادله : V : سرعت سيال بر حسب ft/sec Q : دبي جريان بر حسيب gal/min D : قطر لوله بر حسبin فشارهاي اصطكاك براي جريان آرام به صورت زير محاسبه مي شود :

اسلاید 21: كه در اين معادله : L : طول قسمت مورد نظر بر حسب ft است . سرعت بحراني (VC) براي تعيين آرام و آشفتگي ازمعادله 23-18 محاسبه مي شود :

اسلاید 22: كه در اين معادله : VC : سرعت بحراني بر حسبft/sec PV : ويسكوزيته پلاستيكي بر حسب CP Yp : نقطه تسليم بر حسب lb/100ft2 : وزن گل بر حسب lb/gal جريان آشفته طبق معادله 24-18 محاسبه مي شود :

اسلاید 23: در فضاي حلقوي ، سريهاي مشابه عمليات تشكيل شده اما با اندكي معادلات مختلف براي هندسه چاه محاسبه مي شوند : كه در اين معادله :DH : قطر دروني چاه يا رشته جداري ، in Dp : قطر بيروني لوله يا لوله وزنه براي جريان آرام : براي جريان آشفته :

اسلاید 24: فشار اصطكاك پاورلاو : محاسبات پاور لاو به صورت مشابهي از مدل بينگهام پيروي مي كند . سرعتهاي واقعي و بحراني قبل از محاسبه افت فشار براي تعيين رژيم جريان با هم مقايسه مي شوند . اگرvc , va با هم اختلاف قابل توجهي داشته باشند، معادله جريان بدرستي انتخاب مي شود . وقتي در نتيجه هم محاسبه افت فشار و هم انتخاب دشوارتر مي شود . درنقاطي كه وابسته به معادلات بينگهام و پاورلاو هستند ، پيش بيني انجام مي شود، بيشتر مشكلهاي اين معادلات در صنعت به همراه اندكي اختلاف وجود دارد . سرعت مي تواندبا واحدهاي ft/min , ft/s بيان شود كه به صورت آشكار خطاي قابل توجهي در محاسبات پديدار مي گردد .

اسلاید 25: مخصوصاً زماني كه V به صورت نمايي بيان مي شود . مدلپاور لاو به توجه بيشتري نياز دارد زيرا چندين روش براي محاسبه پارامترهاي اصلي k,n موجود است . اين مورد براي مدل بينگهام صدق نمي كند ، زيرا فقط يك روش براي محاسبات yp , pv پذيرفته شده است . معادلات موجود در اين مقاله توسط مود و همكارانش تهيه شده است . محاسبه فشار اصطكاك در رشته حفاري با استفاده از معادلات پاور لاو براي جريان آرام و آشفته به ترتيب با معادلات 29-18 و 30-18 به انجام رسيده است :

اسلاید 26: براي سادگي محاسبات در معيار آشفتگي NRe=3000 فرض شده است . اساس فرضيات براي دسته بندي فاكتور اصطكاك نتيجه معادله سرعت بحراني است .

اسلاید 27: افت فشار مته : درصد اعظم فشار نرمال گردش گل توسط پمپاژ درون نازل از دست مي رود . افت فشار ، فشار اصطكاكي ندارد اما قدري نيروهاي شتابي دارد . در كل فرضيات به صورت زير هستند : 1.تغييرات در فشار نتيجه تغيير در ارتفاع است كه ناچيز مي باشد . 2.سرعت جريان بالا دست نسبت به جريان پايين دست ناچيز است (شكل 10-18) اين فرضيات منشا محاسبه افت فشار مته طبق معادله 36-18 قرار داده مي شوند .

اسلاید 28: براي حل سرعت نازل VN : شكل 10-18 جريان جت مته

اسلاید 29: مطالعات آزمايشگاهي نشان مي دهد كه افت فشار درون نازل طبق معادلات 36-18 و 37-18 دقيقاً برابر نيستند . در نتيجه ضريب تخليه Cd براي برابر ساختن نتايج آزمايشگاهي و افت فشار تئوري به كار برده مي شود.چون ضريب تخليه به اندازه و نوع سازند بستگي دارد ، درنتيجه تفاوت خواهد داشت ، گرچه براي بيشتر وضعيتهاي ميداني مقدار 0.95 نمايش داده مي شود . كاربرد Cd در معادله 37-13 از معادله 38-18 حاصل مي شود :

اسلاید 30: سرعت در نازل معادل دبي جريان تقسيم بر سطح مقطع است : در واحدهاي ميداني سرعت نازل از رابطه زير بدست مي آيد :

اسلاید 31: كه در اين معادله : AT : مساحت كل نازل ، in2 Q : دبي جريان ، gpm VN : سرعت نازل ، ft/s با استفاده از معادلات 40-18 و 38-18 معادله 41-18 بدست مي آيد :

اسلاید 32: قدرت اسب بخار هيدروليكي (HHP) و نيروي فشاري (Fi) در مته از روابط زير بدست مي آيند :

اسلاید 33: فشار موجي : فشار موجي به صورت تغييرات فشار در فضاي حلقوي كه ناشي از حركت لوله است ، تشريح مي شود . همچنانكه لوله ازچاه بيرون كشيده مي شود، جريان گل قسمتهايي از لوله كه فضاي حلقوي را ترك كرده ، پر مي كند . همچنانكه لوله به داخل چاه فرستاده مي شود ، به مسير جريان گل نيرو اعمال مي شود . تغييرات فشار ايجاد شده توسط فرستادن لوله به داخل چاه فشار موجي ناميده مي شود ومعمولاً فشار هيدرواستاتيك اضافه شده به آن در نظرگرفته مي شود . بلند كردن لوله از چاه فشار جارويي (swab) را به وجود مي آورد كه منفي مي باشد ، نتيجه اين عمل ايجاد فشار خالص در چاه مي باشد .

اسلاید 34: شكل 12-18 جريان سيال در فضاي حلقوي كه نتيجه حركت لوله است .

اسلاید 35: بيشتر مشكلات توسط فشار جارويي و فشار موجي ايجاد شده است . بالا كشين لوله دردبي هايي كه فشار جارويي بالايي به وجود مي آورد ، مي تواند باعث ايجاد ضربه شود كه دليل آن كمتر بودن فشار ديواره چاه نسبت به فشار سازند است . فشار موجي ، فشار ديواره چاه را افزايش مي دهد و مي تواند باعث شكاف سازند و هرزروي گل حفاري شود . محاسبه فشارهاي موجي و جارويي مشكل است . زيرا در روشي كه سيال در لوله جريان دارد، در چاه نيز حركت كرده است . همچنانكه در شكل 12-18 نشان داده شده است . حركت لوله به سمت پايين فضاي حلقوي سبب مي شود گل مجاور لوله آنرا به سمت پايين بكشاند . چون فضاي حلقوي حجم فيكس شده اي دارد ، مكانيك با پمپاژ متفاوت است ، زيرا جريان سيال مورد نظر فقط در يك مسير مستقيم حركت مي كند .

اسلاید 36: مطالعات ميداني هيدرات شده بورك هارت براي ارزيابي فشارهاي موجي و جارويي مي باشد. كارش شامل راندن لوله جداري به داخل چاه بود كه با حسگرهاي فشار سازماندهي مي شدند. انواع پاسخ فشار در حركت لوله در شكل 13-18 نشان داده شده است . فشارهاي مثبت و منفي نيز براي لوله هاي نشان داده شده است . مدل پيچيده جريان سيال كه در شكل 10-18 نشان داده شده توسط بورك هارت ارزيابي شده است . او با استفاده از مدل رياضي اين ارزيابي را انجام داد . بورك هارت رابطه ي بين هندسه چاه ولوله و تاثير كشش گل مجاور روي لوله را توسعه داد .

اسلاید 37: مرحله cleaning constant اين رابطه را نشان مي دهد (شكل 14-18) سرعت گل در فضاي حلقوي بايد قبل از cleaning constant به كار برده شده ، محاسبه شود . دبي جريان پايدار رشته حفاري بسته شده داخل چاه توسط معادله 56-18 داده شده است :

اسلاید 38: كه : Q : دبي جريان ، gpm و VP : سرعت لوله ، ft/sec سرعت در فضاي حلقوي ، خارج قسمت دبي جريان و مساحت است :

اسلاید 39: اگر لوله ته باز باشد ،سرعت جريان با روشي مشابه حل مي شود : كاربرد k و تاثير آن روي سرعت فضاي حلقوي به صورت زير است :

اسلاید 40: بورك هارت يادداشت كرد كه k=450 فرض خوبي براي بيشتر انواع هندسي است : شكل 13-18 انواع ناحيه فشار موجي اندازه گيري شده است .

اسلاید 41: شكل 14-18 k به هندسه فضاي حلقوي وابسته است .

اسلاید 42: در عمليات حفاري ، سرعت لوله براي محاسبه جريان لوله داخل چاه استفاده مي شود . كه معادل جريان بيرون فرض شده است . cleaning constant به كار برده شده ، حاصل تاثير سرعت روي قسمتهاي پيچيده جريان در داخل فضاي حلقوي است . فشار موجي و جارويي توسط جانشيني سرعت موثر در هر كدام از معادلات فشار اصطاكي كه قبلاً تعريف شده محاسبه مي شوند . استفاده از معادلات جريان آرام معقول است ، زيرا سرعتهاي نرمال لوله به ندرت سبب بزرگتر شدن سرعتهاي بحراني مي شود .

اسلاید 43: رابطه مود : مور بيان كرد كه كنده هاي حفاري داراي لغزش خواهد بود (سيستم گلي كه با دبي مشخص توسط معادله 61-18 تشريح شده است )

اسلاید 44: كه در اين معادله : VS : سرعت لغزش ، ft/min DP : قطر كنده هاي حفاري ، in : چگالي كنده هاي حفاري ، PPG : وزن گل ، PPG CD : ضريب تخليه

اسلاید 45: شكل 17-18 ضريب تخليه كنده هاي حفاري

اسلاید 46: كه دراين معادله : Vg : نرخ مهاجرت گاز ، ft/sec : وزن گل ، ppg مثال 14-15 : ضربه اي در چاهي با وزن گل 11 ppg اتفاق افتاده است . با استفاده از رابطه آرام نرخ مهاجرت قابل انتظار را پيش بيني كنيد ؟ حل ، نرخ فوران گاز توسط معادله 72-18 محاسبه مي شود :

اسلاید 47: افزايش گاز در فضاي خالي به دليل فشارهاي سطحي زياد است .مثلاً حركت رو به بالاي گاز و كنترل فشار هيدروستاتيكي كاهش يافته است . حجم گاز بايد افزايش يابد . اگر گاز نتواند منبسط شود باعث ايجاد فشارها يبالاي سطحي خواهد شد .اين روابط در شكل 18-18 و 19-18 نشان داده شده اند . فاكتورهاي تغييرات دما ، تراكم پذيري و فشار هيدروستاتيك گازها شامل اين مثالها نمي شود .

اسلاید 48: THE END