تأثیر حرکت مداری لوله حفاری بر بهبود انتقال غلظت قلمه‌ها  در چاه‌های مایل و افقی: مطالعه‌ای عددی با رویکرد CFD

چکیده

این پژوهش به توسعه و اعتبارسنجی یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی انتقال غلظت قلمه‌ها  در فضای حلقوی چاه‌های حفاری جهت‌دار پرداخت. هدف اصلی بررسی تأثیر ترکیبی پارامترهای عملیاتی شامل سرعت چرخش لوله حفاری (۰ تا ۲۰۰ دور بر دقیقه)، دبی جریان (۰٫۳۶ تا ۰٫۶۶ متر بر ثانیه)، نرخ نفوذ (۴ تا ۸ درصد)، شیب چاه (۰°، ۴۵° و ۹۰°) و رئولوژی سیال (دو سیال غیرنیوتنی از نوع قانون توانی) بر کارایی پاک‌سازی چاه بود. مدل دوفازی اویلری در نرم‌افزار ANSYS FLUENT پیاده‌سازی شد و با داده‌های تجربی هان و همکاران (۲۰۱۰) اعتبارسنجی گردید که خطای نسبی میانگین ۴٫۲۴ درصد را نشان داد. یافته‌های کلیدی حاکی از آن است که چرخش لوله حفاری از طریق القای حرکت مداری، کسر حجمی غلظت قلمه‌ها  را در محدوده سرعت‌های چرخش ۵۰ تا ۲۰۰ دور بر دقیقه به‌طور میانگین ۱۲ تا ۳۸ درصد کاهش می‌دهد؛ این اثر در چاه‌های افقی (۹۰°) به‌دلیل تمایل غلظت قلمه‌ها  به ته‌نشینی در ناحیه تحتانی فضای حلقوی، حیاتی‌تر است. همچنین، افزایش سرعت جریان کارایی انتقال غلظت قلمه‌ها  را بهبود می‌بخشد، اما در چاه‌های افقی کسر حجمی غلظت قلمه‌ها  حتی در بالاترین دبی جریان، به‌طور متوسط ۲۲ درصد بالاتر از چاه‌های عمودی باقی می‌ماند. سیال با شاخص ثبات بالاتر(K =22/52 Pa·sⁿ)   در سرعت‌های جریان پایین عملکرد بهتری داشت، در حالی‌که در شیب ۴۵° و سرعت‌های چرخشی بالا (>۱۵۰ دور بر دقیقه)، سیال با شاخص جریان پایین‌تر  ۱ (n=0.135) به‌دلیل رقیق‌شوندگی برشی تشدیدشده، کارایی برتری نشان داد. علاوه بر این، چرخش لوله حفاری اتلاف فشار را تا ۱۴٫۳ درصد کاهش داد که مزیت عملیاتی قابل‌توجهی در کاهش بار پمپاژ محسوب می‌شود. این یافته‌ها راهکارهای کمّی برای تنظیم بهینه پارامترهای عملیاتی در حفاری چاه‌های افقی و شدیداً مایل ارائه می‌دهند.