Semi analytical pressure surge model for Extended Herschel-Bulkley fluids
Extended Herschel-Bulkley akışkanlar için yarı analitik basınç dalgalanması modeli
- Tez No: 560116
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜRŞAT ALTUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Petrol ve doğal gaz endüstrisinde, sondaj maliyetlerinin çok fazla olmasından dolayı sondaj hızı çok önemlidir. Ne kadar hızlı sondaj yapılırsa maliyet o kadar düşer. Petrol fiyatlarının düşük olduğu zamanlar ise hızın önemi daha da artar. Bunun yanı sıra, ilk petrol üretim tarihinin 100 yıldan fazla olduğunu göz önüne alırsak, dünyadaki çoğu sondajı kolay olan kuyuların yapıldığını ve geriye çoğunlukla sondajı zor ve maliyeti fazla olan, yüksek teknoloji kullanılarak üretimin yapılabildiği kuyular kaldığını söyleyebiliriz. Zamandan kazanmak şimdiye kadar hiç bu kadar önemli olmamıştı. Petrol ve doğal gaz sondajlarında en çok zaman harcanan operasyonlardan birisi de manevra operasyonlarıdır. Diziye boru eklenmesi, kuyu içerisinde sıkışmış parçaların dışarı çıkarılması, aşınmış matkabın değiştirilmesi ve kuyu bilgilerinin alındığı kuyu ölçüm aletlerinin kuyuya indirilmesi ve çıkarılması, bu manevra operasyonlarından bazılarıdır. Sondaj dizisinin, bu manevra operasyonları gerçekleştirmek için, kuyu içerisine veya kuyudan yukarıya doğru hareketinde basınç dalgalanmaları oluşur. Sondaj dizisinin kuyuda aşağı indirilmesi sonucu diziye bitişik durumdaki akışkanı da beraberinde aşağı sürükler. Orta kısımda ki akışkan ise tam tersi yönde yukarı doğru yükselir ve“surge”olarak adlandırılan kuyu içi hidrostatik basıncın artmasına neden olur. Sondaj dizisinin kuyudan yukarı çekilmesi durumunda ise, diziye bitişik olan akışkanı da yukarıya doğru sürükler. Diziden uzak olan akışkan ise tam tersi yönde aşağıya doğru yönelir ve“swab”olarak adlandırılan kuyu içi hidrostatik basıncının azalmasına neden olur. Bu hidrostatik basınç değişiminden sonra basınç dengesi sağlanamazsa çok ciddi sorunlara neden olabilir. Manevra hızını maksimum seviyeye getirebilmek için bu basınç dalgalanmalarının doğru bir şekilde hesaplanması gerekir. Bahsi geçen sondaj sorunlarını minimuma indirmek için formasyon basıncı ile formasyon çatlatma gradyanı arasında güvenlik sınırı vardır. Ancak derindeniz, yüksek eğimli ve yatay kuyularda bu marjin oldukça dardır. O yüzden, basınç dalgalanmalarının en doğru yöntemle hesaplanması hem maliyeti düşürür hem de basınç değişiminden kaynaklanabilecek sorunlarının da önüne geçer. Basınç dalgalanmalarının bulunmasında seçilen reolojik model çok önemli bir yere sahiptir. Reolojik modeller akışkanın kayma gerilimi (shear stress) ile kayma hızı (shear rate) ilişkisini kullanarak akışkanlarının davranışını tanımlar. Akışkanlar bu davranışlarına göre ideal ve ideal olmayan akışkanlar olmak üzere ikiye ayrılır. Newtonian akış gösteren sistemlerde kayma gerilimi (shear stress) kayma deformasyonunun değişme hızı ile (shear rate) orantılı olarak artmaktadır. Newtonian olmayan sıvıların akış davranışları geniş bir aralıkta olabilir. Temel karakteristikleri, viskozitenin kayma hızı (shear rate) ile doğrudan orantılı olmamasıdır. Diğer bir deyişle, viskozite kayma hızı ile değişir. Newtonian akış göstermeyen bazı sıvılar, zamana bağlı olarak da değişiklik gösterirler. Modern reolojinin araştırıcılarından olan Bingham'ın adına izafeten Bingham plastik akış olarak adlandırılan akışkanın, plastik akış eğrisi orijinden geçmez. Bu tip sıvılar hemen akmazlar ve kayma gerilimi belli bir eşik değerine (yield value) ulaşınca akış görülür. En çok kullanılan ideal olmayan akışkanlar Bingham plastic, Power-law ve Herschel-Bulkley akışkanlarıdır. Sondaj akışkanlarının davranışı bu ideal olmayan modellerle tanımlanabilir. Ancak sondaj akışkanları birçok akışkanın karışımı olduğu için tek bir model kullanılarak reolojik davranışını tanımlamak yerine bu modellerin birleşimini kullanarak akışkanın reolojik davranışını tanımlamak daha doğru sonuç verir. Basınç dalgalanmalarını öngörebilmek için yapılan çalışmalar çoğunlukla Bingham plastic ve Power-law akışkanları için olmuştur. Ama bu reolojik modeller sahada kullanılan sondaj akışkanın davranışını tanımlamada yetersizdir. Çoğu Sondaj akışkanının davranışını en doğru şekilde tanımlayan model Herschel-Bulkley modelidir. Herschel-Bulkley modelin sondaj akışkanının özelliklerini öngörmesindeki etkisine rağmen yüksek kayma hızlarındaki akışkan davranışını tanımlamada yetersizdir. Bazı sondaj akışkanlarının yüksek kayma hızlarında akışkan akmazlığı sabitlenir. En yüksek kayma hızının matkap uçlarında olmasından dolayı en çok etki orada gözlemlenebilir. Akışkanların yüksek kayma hızındaki bu davranışı genişletilmiş Herschel-Bulkley (HBE) model ile açıklanabilir. Basınç dalgalanmalarının öngörülmesi ile ilgili günümüze kadar birçok çalışma olmasına rağmen, genişletilmiş Herschel-Bulkley model kullanılarak basınç dalgalanmalarının öngörülmesi ile ilgili bir çalışma henüz yapılmamıştır. HBE akışkanları ile ilgili literatürde yeterli çalışma olmadığı gibi yeterli reolojik veri de bulunmamaktadır. Bu yüzden akmazlık okumaları kullanılarak model parametreleri Matlab kodu ile hesaplanmıştır. HBE akışkanları yüksek kayma hızlarında etkili olduğu için 6 kayma hızı kullanılarak hesaplanan parametrede negatif değer bulunmuştur. Bu nedenden dolayı 4 kayma hızı (100 rpm den 600 rpm) kullanılarak BP, HB ve HBE akışkanları için olan parametreler kullanılmıştır. Bir sistemin reolojik özelliklerinin başarılı bir şekilde ölçülmesi ve değerlendirilmesi, uygun yöntemin ve doğru bir viskometrenin seçilmesine bağlıdır. Viskometrelerin tasarımında, sıcaklık ve işlem parametreleri esas alınır. Bir viskometrenin de, kalite kontrolü için ürünün akış özelliklerini tayin etmesi ve ölçümü yapılacak, örneğin tüp, şişe ve kavanozdan kolaylıkla ve kısa zamanda doğru ölçümünü sağlaması gerekir. Reolojik ölçümlerde amaç, gerilim ve kayma hızı ve bazı durumlarda viskoelastisite arasındaki fonksiyonel ilişkiyi tayin etmektir. Newtonian akış gösteren sistemlerde hız gradyanı ile gerilim arasında doğrusal bir ilişki bulunmaktadır. Bu nedenle, bu tip sistemlerin akış özelliğini ve viskozitesini tayin etmek için tek noktalı viskometreler kullanılmaktadır. Bu aletler tek kayma hızı ile çalışırlar. Akış eğrisi üzerinde tek bir nokta elde dilir, bu noktadan yapılan bir uzatma (ekstrapolasyon) ile tam bir akış eğrisi elde edilir. Newtonian olmayan akış sistemlerinin viskozitesinin tek noktalı prensibe göre çalışan aletlerle ölçülmesi yanlış sonuçlar verir; ancak, değişik hız gradyanlarında çalışılarak ölçüm yapmak mümkün olabilir. Bu tip sistemlerin reogramı çok noktalı viskometreler kullanılarak çizilmelidir. Viskometreler iki temel prensibe göre ölçüm yaparlar:1) Bir tüp içindeki sıvının akışa karşı direncini ölçmek, 2) sıvının içindeki katı cismin hareketine gösterdiği direnci ölçmek. Saha ölçümlerine göre basınç dalgalanmaları güçlü bir şekilde manevra hızına, akışkan reolojisine, akışkan rejimine, kuyu geometrisine, dizinin açık veya kapalı durumda olmasına bağlıdır. Bu tezde, içteki dizinin eksenel hareketinden dolayı oluşan basınç dalgalanmalarını, dairesel diziyi dikdörtgene yakınlaştırarak saptamak için kararlı halde, kısmen analitik ve HBE akışkanları için yeni bir model sunulmuştur. Analitik çözüm lineer olmayan karmaşık denklemler içerir. Bu doğrusal olmayan denklemin çözümünde üs (n) 0.5 varsayılmıştır. Denklemi çözebilmek için HBE akışkanın hız profili üç farklı bölgeye ayrıldı. Her üç bölgeye sınır koşulları uygulanarak denklemler çözüldü. Matematiksel türetmelerin sonucunda üç bilinmeyenli 3 farklı denklem elde edilmiştir. Bu bilinmeyenlerden iki tanesi hız profilinde denklemi çözebilmek için ayrılmış bölgenin uzaklıklarıdır. Diğer bilinmeyen ise basınç dalgalanmalarının hesaplamasında kullanılan sürtünme basınç gradyanıdır. Bu üç denklem Trust Region optimizasyon algoritması kullanılarak bir Python kodu ile çözülmüştür. Son olarak, geliştirilmiş kısmen analitik yeni basınç dalgalanmaları modeli hem düzenli (ucu açık ve kapalı dizi) hem düzensiz kuyu geometrisine uygulanmıştır. İdeal olmayan Bingham plastik ve Herschel-Bulkley akışkanları ile kıyaslanarak sonuçlar doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
In oil and gas industry, the estimation of surge and swab pressures is crucial since extensively high surge pressures are produced during tripping operations. During the activities that comprise tripping operation for instance pulling a worn-out bit or performing logging tools etc., pipe is run into wellbore or pulled out from wellbore. Since most“easy”wells have been drilled and only“difficult”wells are left, problems in conjunction with surge and swab pressures may cause some expensive drilling troubles for example fluid influx, lost circulation, and kick. Since these challenging wells have quite limited pressure margins, a precise model is required to design drilling applications. In these critical wells, the appropriate estimation of surge and swab pressure can decrease operation costs by saving time and preventing related problems. In the literature, presented surge and swab models have been developed for mostly Bingham plastic (BP) and Power-law fluids (PL). Still, these rheological models cannot sufficiently characterize the flow behavior of drilling fluids applied in the field. The Hershel-Bulkley (HB) model accurately characterizes the rheology of most drilling fluids. In spite of its great efficiency in predicting the drilling fluid properties, HB model cannot characterize some behavior of drilling fluids at high shear rates. That behavior of fluids can be explained by Extended Herschel-Bulkley (HBE) model. Even though great numbers of non-Newtonian model were conducted by researchers until now to determine surge/swab pressures, HBE has never been used to predict surge/swab pressures. Field analyses show that surge and swab pressures are greatly associated with fluid rheology, flow regime, wellbore geometry, and open-ended or closed-ended pipe. This study introduces a new steady-state semi analytical model in laminar flow regime by using narrow slot approximation to determine surge and swab pressures due to axial movement of inner pipe for HBE fluids. The analytical solution consists of dealing with a complex non-linear differential equations. That non-linearity has been treated by assuming exponent (n) is constant at 0.5. Mathematical development leads to three equations with three unknowns; the distance of region boundaries and the frictional pressure gradient. These three equations have been solved by Python code using Trust Region Reflective algorithm, particularly suitable for large sparse problems with bounds. Finally, developed new semi analytical surge and swab model has been tested with both uniform (open-ended) and non-uniform well geometry. The results are validated by comparing with the other models developed for other types of non-Newtonian fluids, particularly for BP and HB.
Benzer Tezler
- Modelling wellbore hydraulics through thermal rheological sepiolite mud properties
Sondaj kuyusu hidroliğinin sepiyolit çamuru ısıl reolojik özellikleriyle modellenmesi
ALI ETTEHADI
Doktora
İngilizce
2016
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜRŞAT ALTUN
- Nokta soğurucu tipi dalga enerjisi dönüştürücüsü dizilerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of point absorber type wave energy converter arrays
İLKAY ÖZER ERSELCAN
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- A Finite element simulation of frontogenesis by using the semi-implicit time integration scheme with a horizontal deformation field model
Başlık çevirisi yok
H.TURHAN TURHANGİL
- Kısmen veya tamamen akışkana daldırılmış sonsuz derin akışkan ortamındaki kabukların hidroelastik ve elastoakustik analizi
Hydroelastic and elastoacoustic analysis of partially and fully submerged shells in infinitely deep water
İBRAHİM TUĞRUL ARDIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ERGİN
- Göllerdeki hidrodinamik dengeye sismik salınımların etkisinin araştırılması
Investigation of the effects of seismic waves on hydrodynamic regime of lakes
MURAT AKSEL
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI