Математическое моделирование и методы исследования гидродинамической очистки горизонтальных скважин

Abstract

Актуальность исследования определяется потребностью: уяснения современных достижений в вопросах моделирования процессов транспорта шламов в реальных условиях выполнения буровых операций, способствующих увеличению скорости бурения, повышающих эффективность очистки скважин; установления преимуществ/недостатков существующих подходов, современных моделей и комплексных методов описания динамики систем с частицами для эффективного воздействия на реологические свойства промывочных жидкостей; устранения причин потери оборудования. Цель: уяснение современного опыта моделирования процессов очистки скважин со сложной образующей ее ствола, преимущественно лежащего в горизонтальной плоскости; изучение особенностей течения смесей в межтрубном пространстве с круглым ядром; выдача рекомендаций в практику моделирования и расчета гидродинамических процессов, интенсифицирующих очистку. Методы. Теоретические и практические методы исследования из смежных областей гидродинамики и тепломассопереноса в реофизически сложных системах; методы численного моделирования ламинарного и турбулентного потоков в условиях прямоточного и закрученного течений способом вращающейся стенки вокруг своей продольной оси и орбитального вращения эксцентричного ядра (внутренней трубы с подвижной/неподвижной стенкой) относительно продольной оси буровой колонны, влияющих на формирование слоя шламов и динамику частиц дисперсной смеси. Результаты. Представлены результаты современных численных исследований процессов очистки скважин с горизонтальными участками. Приведены сведения об аспектах детального гидродинамического и диффузионного моделирования сложных течений в скважинах с криволинейной образующей. Сформулированы популярные в практике приложений модели и методы, привлекаемые для изучения характеристик течения и тепломассопереноса гомогенных и гетерогенных сред во внутренних системах. Обсуждаются аспекты моделирования процессов транспорта шламов в рамках эйлерова/лагранжева подходов с учетом особенностей, вносимых эффектами межфазного взаимодействия/вращения и способов закрутки. Представлены данные о деталях прогноза дисперсных систем с характеристикой влияния изменений реологических свойств (модели степенной жидкости, Гершеля-Балкли), формы/размеров частиц, режимов течения смесей, инерционных сил на интенсивность образования шламов. Проанализированы проблемы повышения точности моделирования транспорта шламов, возможности новых технологий, оригинальных моделей турбулентности и их опорных двухпараметрических динамических баз, привлекаемых для интенсификации и эффективности процессов очистки. Даны рекомендации по их решению в рассматриваемых гидродинамических и геометрических конфигурациях. Представлены результаты и отмечены проблемы, имеющие фундаментально-прикладное значение, составляющие самостоятельный предмет перспективных исследований.

Relevance of the research is determined by the need to understand modern achievements in modeling the processes of sludge transport in real conditions of drilling operations that increase drilling speed and the efficiency of well cleaning; to establish the advantages/disadvantages of existing approaches, modern models and complex methods for describing the dynamics of systems with particles in order to effectively choose the rheological properties of drilling fluids and eliminate the reasons of equipment loss. The aim of this work is to understand the modern experience of modeling the processes of cleaning wells with complex geometries, mainly lying in the horizontal plane; to study the features of the flow of mixtures in the annular space with a circular core; providing recommendations for the practice of modeling and calculating hydrodynamic processes that increase hole cleaning efficiency. Methodology. Theoretical and practical research methods from related fields of hydrodynamics and heat and mass transfer in rheologically and physically complex systems; methods for numerical modeling of laminar and turbulent flows under conditions of direct-flow and swirling flows created by a co-axially or orbitally rotating wall, which affect the formation of a layer of cuttings and the dynamics of particles of a dispersed mixture. Results. The paper introduces the results of modern numerical studies of cleaning wells with horizontal sections and the information on aspects of detailed hydrodynamic and diffusion modeling of complex flows in inclined wells. The applied models and methods used to study the characteristics of flow and heat and mass transfer in homogeneous and heterogeneous media in internal systems are formulated. Aspects of modeling the processes of cuttings transport in the framework of Euler/Lagrangian approaches are discussed, taking into account the features introduced by the effects of interfacial interaction/rotation. The paper introduces the changes in cuttings concentration based on rheological properties (power-law or Herschel-Bulkley), different shapes/sizes of particles, flow regimes and inertial forces. The problems of improving the accuracy of cuttings transport modeling, the possibilities of new technologies, original turbulence models and their two-parameter dynamic bases used for increasing the intensification and efficiency of cleaning processes are analyzed. The authors have given the recommendations for their solution in the considered hydrodynamic and geometric configurations. The results and problems that are of fundamental and applied significance and constitute an independent subject of prospective research are indicated.