К проблеме установления продолжительности бурения скважин в условиях отсутствия вращения бурильной колонны

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью детального моделирования эволюции динамической структуры вязкой смеси, изменений объёмной концентрации пробуренного шлама в кольцевом межтрубном пространстве скважины, которая постоянно накапливается в процессе бурения, а также контроля ее критических значений, приводящих к проблемам функционирования специального оборудования. Цель работы состоит в численном моделировании в рамках методов вычислительной гидродинамики (computational fluid dynamics - CFD) развивающегося по времени и пространству процесса накопления шлама во внутренних системах с эксцентричным неподвижным ядром (трубах, каналах) при различных условиях течения буровых растворов типа Гершеля-Балкли, отличающихся произвольным изменением их реологических свойств, уяснении особенностей процесса накопления шлама, а также определении интенсивности засорения и момента времени для очистки скважин. Методы исследования рассматриваемых процессов основаны на комплексном подходе к физико-математическому и компьютерному моделированию гидродинамики и конвективного массопереноса в гетерогенных неоднородных сплошных средах, осложненных реологическими неньютоновскими эффектами, и комбинированном прямом и опосредованном анализе возможностей построенной модели к прогнозу сути процессов очистки и бурения скважин путем сопоставления результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными. Результаты демонстрируют особенности влияния реологических параметров на скорость накопления шлама в кольцевом межтрубном пространстве и закономерности выноса/осаждения частиц пробуренной породы при изменении режимов течения смеси. Оценены возможности метода исследования гидротранспорта в рамках ПО ANSYS ЭЛ - подхода посредством CFD-DEM модели при прогнозе перепада поля давления в скважине, эволюции динамической структуры смеси в зависимости от интенсивности загромождения межтрубного пространства шламом, изменений среднемассовой скорости на входе в скважину в сравнении с имеющимися экспериментальными данными. Численно определены и рекомендованы в практику условия для расчета максимальной рекомендуемой продолжительности бурения при произвольных комбинациях значений технологических и реологических параметров бурового раствора.

The relevance of the research is determined by the need for detailed modeling the evolution of viscous mixture dynamic structure, changes in the volumetric concentration of drilled cuttings in the annular annulus of the well, which is constantly accumulated during drilling, as well as monitoring its critical values, leading to problems with the functioning of special equipment. The purpose of the research is the numerical modeling within the framework of computational fluid dynamics (CFD) of cuttings accumulation developing in time and space in internal systems with an eccentric fixed core (pipes, channels) under various conditions of flow of Herschel-Bulkley type drilling fluids, characterized by an arbitrary change in their rheological properties; understanding the features of cuttings accumulation, as well as determining clogging intensity and the time for cleaning wells. Methods for studying the processes under consideration are based on integrated approach to physical, mathematical and computer modeling of hydrodynamics and convective mass transfer in heterogeneous inhomogeneous continuous media complicated by rheological non-Newtonian effects; combined direct and indirect analysis of the capabilities of the constructed model to predict the essence of cleaning and drilling wells by comparing the simulation results with the available experimental data. Results demonstrate the features of the influence of rheological parameters on cuttings accumulation rate in the annulus and patterns of removal/deposition of particles of drilled rock when changing the flow regimes of the mixture. The possibilities of the method for studying hydraulic transport within the framework of the ANSYS software EL approach using the CFD-DEM model in predicting the pressure drop in the well, the evolution of the dynamic structure of the mixture depending on the intensity of the annulus clutter with cuttings, changes in the average mass velocity at the well inlet in comparison with the available experimental data. The conditions for calculating the maximum recommended drilling time for arbitrary combinations of values of technological and rheological parameters of the drilling fluid are numerically determined and recommended for practice.