Geri Dön

A method for correcting parameters of rheological models facilitating couette type viscometers

Couette tipi viskometrelerden elde edilen reolojik model parametrelerini düzeltmek için bir yöntem

PDF İndir

  1. Tez No: 608409
  2. Yazar: MAJED SABBAGH
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜRŞAT ALTUN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği, Petroleum and Natural Gas Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 141

Özet

Bir kuyunun sondajında operasyonel başarı iki şeyle ölçülür; iyi tasarlanmış bir mühendislik tasarımı ve operasyonel parametrelerin etkin bir şekilde izlenmesi. Bu işlemsel parametreler bir çerçeve oluşturmalarına rağmen birbirlerine oldukça bağımlıdırlar. Örneğin sondaj akışkanı özelliklerini kontrol edememek, kuyu temizliğini sınırlayabilir, tork ve sürtünmeyi artırabilir, sondaj dizisinin sıkışmasına veya nihayetinde kontrolsüz bir akışa (blowout) neden olabilir. Sondaj sıvıları bu yapının ayrılmaz bir parçasıdır ve reolojik özelliklerini kontrol etmek, güvenli ve düşük maliyetli bir sondaj işlemi sağlamak için hayati öneme sahiptir. Her ne kadar, teknik donanım tedarik şirketleri her zaman sondaj akışkanlarının reolojik özelliklerini test etmek için hangi şirketin daha iyi test ekipmanı piyasaya sürebileceğini ortaya koymak için her zaman rekabet halindedirler. Bununla birlikte, ileri teknoloji ürünleri olan reometreler yüksek hassasiyet ve doğrulukta ölçüm yapabilmesine rağmen, basit saha tipi döner viskometreler sondaj sıvılarının sahada rutin testlerinde öncü konumdadırlar. Bu sayısız sebeplerden kaynaklanmaktadır. Reometrelerle karşılaştırıldığında, saha viskometreleri daha dayanıklı, kullanımı kolay, taşınabilir, ucuz ve hepsinden öte, sondaj akışkanının parametrelerinin izlenmesi ve ayarlanması için hayati olan sondaj akışkanları reolojisinin gerçek zamanlı olarak ölçülmesine izin verir. Fann 35 viskometre sondaj endüstrisinde en çok kullanılan Couette tip viskometredir, bu nedenle bu tezde prototip model olarak kullanılmıştır. Couette tipi viskometreler kullanılarak sondaj akışkanları test edildiğinde, düşük kayma hızlarında bir tapa akışı meydana gelir. Akışkanın özelliklerine bağlı olarak, elde edilen kadran okuma değerleri üzerinde bu durum önemli bir etkiye sahip olabilir, çünkü bu verileri yorumlamak için kullanılan reolojik modeller tam gelişmiş bir tabakalı (laminer) akış varsaymaktadır. Birkaç araştırmacı, Bingham Plastik reolojik modelini kullanarak tapa akışının sona erdiği viskometre hızını belirlemek için bir yöntem önermiştir. Ancak, bu konuda tapa akışını göz önüne alan pek fazla araştırma yapılmamıştır. Tapa akışının oluşumu ve sınırlarının belirlenmesi gri bir konu olarak kalmasına rağmen, bu konu inşaat mühendisliği ve gıda mühendisliği alanlarında yakın zamanlarda daha fazla dikkat çeken bir durumdadır. Bununla birlikte, geleneksel saha viskometresi ölçümlerine bağlı veri yorumlama yöntemleri günümüze kadar uygulanan bir yaklaşımdır. Öte yandan, özellikle artan çeşitlilikte katkı maddeleri içeren ve zorlu sondaj koşullarında kullanılan sondaj akışkanlarının relojik özelliklerini son derece yanlış bir şekilde tanımladığı veya tanımlayamadığı gözlemlenen geleneksel iki parametreli Bingham Plastik ve Power Law modelleri yerine üç parametreli Herschel-Bulkley reolojik modeli sondaj akışkanlarının testinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Amerikan Petrol Enstitüsü (API), Fann 35 viskometre okumalarından bazılarını kullanarak reolojik model parametrelerini belirleyen basit denklemler önermiştir. Ancak, araştırmalar bu parametrelerin tahmininde regresyon analizinin kullanılmasının daha iyi sonuçlar verdiğini göstermiştir. Bununla birlikte, Herschel-Bulkley modelinin doğrusal olmayan regresyonunun, akma noktası için anlamsız değerler verdiği fark edilmiştir. Yakın dönemde yapılan özgün bir araştırma, südoplastik (pseudoplastic) davranışı hesaba katarak reolojik parametreleri daha doğru bir şekilde belirlenmesinde yeni bir yaklaşımın kullanılmasını önermiştir. Bu tezde, Fann 35 viskometre verilerini kullanılarak tahmin edilen reolojik parametreleri düzeltmek için basit bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemde, daha önce bahsedilen düzeltilmiş regresyon yaklaşımı kullanılarak hem Bingham Plastik hem de Herschel-Bulkley modelleri için tapa akış etkisinin sona erdiği kritik hızı belirleyerek parametrelerin bulunması gerçekleştirilmiştir. Kritik hızın altına düşen viskometre okumaları çıkarılmıştır ve daha sonra geriye kalan veriler kullanılarak düzeltilmiş regresyon bir kez daha gerçekleştirilmiştir. Hipotezin kontrolü için üç farklı çamur örneği; su bazlı çamur, sentetik bazlı çamur ve petrol bazlı çamur test edilmiştir. Yöntem her üç örnek için de pozitif sonuçlar vermiştir ve bu yöntemin uygulanmasının yüksek verimli (high yield) ve yüksek yoğunluklu (thick) sondaj akışkanları için daha çekici olduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra, tapa akışının gelişimini etkileyen faktörler araştırılmıştır. Bingham Plastik modelini kullanarak, akma noktası-plastik viskozite oranı ile orantılı olarak kritik hızın arttığı bulunmuştur. Herschel-Bulkley modelinde, akış davranışı parametresinin etkisinin akma noktası-kıvamlılık indeksi oranından daha baskın bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. Önceki bulgu ile aynı uygunlukta olarak; akışkan ne kadar yüksek akma noktalı ve yoğunsa, tapa akışı sonucunun o kadar belirgin olacaktır. Daha sonra, sepiyolit temelli bir sondaj sıvısı üzerinde sıcaklık etkisi çalışılmıştır ve bu çamur türleri için kritik hızın sıcaklıkla arttığı gözlenmiştir. Ayrıca, flokülasyon sıcaklıklarında kritik hızın 150 dev/dak.'ya kadar yükseldiği ve deflokülasyon sıcaklığına ulaşıldığında ise tekrar düştüğü belirlenmiştir. Bu tip çamurlar için, Bingham Plastik modelini kullanırken R3 ve R6 hız okumalarının ve Herschel-Bulkley modelini kullanırken çoğunlukla R3 hız okumasının model parametrelerini belirlerken belirsizliği azaltması için hesaplamalarda kullanılmaması ve veri setinden çıkarılması gerektiği sonucuna varılmıştır. İnceleme bir adım daha ileri götürülerek, çamur kompozisyonu etkisi de incelenmiştir. Numunenin kritik hızının artan yoğunlukla arttığı ve artan tuz konsantrasyonunu ile azaldığı belirlenmiştir. Bu çalışmada önerilen yöntemin doğrulaması ve pratik uygulaması için İtalya'da Po Vadisinde açılmış olan bir kuyuda sondaj çamurunun sirkülasyonu sırasında kuyudan ölçülen sürtünme basınç kayıpları hesaplanmıştır. Bingham Plastik (BP) model kullanılarak yapılan hesaplamalarda bu çalışmada önerilen yöntemin kullanılmasıyla elde edilen sürtünme basınç kayıplarının kuyuda ölçülen basınç kayıplarına daha yakın değerler verdiği ve hata payının klasik yöntemden hesaplanan sonuçlara göre önemli oranda düşük olduğu gösterilmiştir. Diğer taraftan, bu kuyuda kullanılan çamurun Herschel Bulkley (HB) model kullanılarak kritik hızının viskometreden elde edilen en düşük hız değerinden daha düşük olması nedeniyle HB modelinin kullanılmasına gerek kalmamıştır. Analiz sonucunda, BP modelinden hesaplanan sürtünme basınç kayıplarının kuyuda gözlemlenene basınç kayıplarından daha yüksek sonuçlar verdiği, diğer taraftan HB model sonuçlarının ise gözlemlenenden daha düşük değerler verdiği belirlenmiştir. Bununla birlikte, gözlemlenen veya ölçülen sürtünme basınç kayıplarına en yakın sonuçların bu çalışmada önerilen ve BP modeline uygulanan yöntemden elde edildiği gösterilmiştir. Aynı zamanda, her iki yöntemden elde edilen sürtünme basınç kayıplarının çamur sirkülasyon debisinin artmasıyla kuyudan ölçülen değerlere ıraksama gösterdiği, hata payının arttığı gözlenmektedir. Bu gözlem çok önemlidir çünkü günümüzde PDC matkaplarının yaygın bir şekilde kullanılması nedeniyle sirkülasyon debileri oldukça yüksek olmak zorundadır ve klasik yöntemlerden elde edilen hesaplama sonuçlarının doğru değerden daha fazla ıraksadığını ve daha fazla hata değeri oluşturduğu çıkarımı yapılmaktadır. Bu nedenle, önerilen yöntem (model parametrelerini düzeltmek) bu hata payını önemli ölçüde düşürmektedir. Düzeltilmiş HB model parametrelerinin etkisini göstermek amacıyla çalışmada literatürden elde edilen su bazlı çamur viskometre ölçüm değerleri kullanılmış ve Po Vadisi kuyusuna uygulanmıştır. Diğer bir ifadeyle, bu kuyuda kullanılan çamur yerine başka bir çamur kullanılsaydı HB model sonuçları nasıl değişirdi incelenmiştir. Literatürde uygulanan klasik HB model parametreleri ve bu çalışmada önerilen düzeltilmiş HB model parametrelerinin kullanılmasıyla elde edilen sonuçlar arasında önemli farklılık elde edilmiştir. Bu çalışmada önerilen yöntemden elde edilen sonuçların doğrulaması bu analiz ile gösterilmiştir. Bu sonuç son derece önemlidir, çünkü sürtünme basınç kayıpları eşdeğer sondaj sirkülasyon yoğunluğunu (equivalent circulation density, ECD) doğrudan etkilemektedir ve bu yoğunluk değişimi ise kuyu temizliği, matkap hidroliği, dizi hareketi nedeniyle kuyu içi basınç dalgalanması, daha da önemlisi çamur penceresi aralığının göreli olarak dar (sınırlı) olduğu derin su sondajı üzerine doğrudan etki edecektir. Bu çalışmadan elde edilen diğer önemli bir sonuç ise çamur türünden bağımsız olarak hem Bingham Plastik hem de Herschel Bulkley modelleri için model sabitlerine bağlı olarak kritik hız değerlerini veren genelleştirilmiş grafikler verilmektedir. Bu grafikler kullanılarak, klasik yöntemlerden hesaplanan model sabitleri hesaplanarak kritik hızlar belirlenebilir ve bu hız değeri altındaki viskometre okumaları kullanılmadan model sabitleri düzeltilebilir. Sonuçta, bu tezde sunulan yaklaşımın kullanılmasıyla, çamurun cinsi ve sıcaklığa bakılmaksızın, reolojik modellerin parametrelerinin belirlenmesindeki hata şüphesiz bir şekilde azaltacaktır.

Özet (Çeviri)

The success of a drilling operation is measured by two things; a well-engineered planning and experienced monitoring of operational parameters. Yet, these operational parameters form a framework and are incredibly dependent on each other. Failing to control the drilling fluid properties for instance, can limit hole cleaning, increase torque and drag, result in stuck pipe, or ultimately, an uncontrolled kick. The drilling fluids are an integral part of this framework, and controlling their rheological properties is vital to ensure a safe and cost efficient drilling operation. Although, technical supply companies have always been competing to reveal whom can put up better equipment to test the rheological properties of drilling fluids, and while that resulted in cutting edge rheometers that can measure to high-end accuracy and precision, the simple field rotational viscometers are, and will be the forerunner for routine field testing of drilling fluids. This is due to numerous reasons, when compared with rheometers, field viscometers are more durable, easy to use, portable, cheap, and above all, allow for real-time measurement of the drilling fluids' rheology, which is vital for monitoring and adjusting the drilling fluid's parameters. The Fann 35 viscometer is the most used Couette type viscometer in the drilling industry, hence it was used as the prototype model in this thesis. Upon testing drilling fluids using Couette type viscometers, a plug flow occurs at low rates of shear. Depending on the properties of the fluid, this incident can have a crucial impact on the dial reading values obtained, since the rheological models used to interpret these data assume a fully developed laminar flow. A few authors have suggested methods to determine the rpm at which the plug flow effect ends using the Bingham Plastic rheological model. However, not many researches have been conducted in this regard, and the plug flow occurrence have stayed a gray topic, until very recently, as it got more attention within the civil engineering and food engineering societies. Nonetheless, the traditional methods of field viscometer data interpretation are still being followed until today. On the other hand, the three-parameter Herschel-Bulkley rheological model is being increasingly employed in the testing of drilling fluids' rheology rather than the conventional two-parameter Bingham Plastic and Power-Law models that have been observed to drastically misestimate or fail to describe the rheological behavior of some drilling fluids, especially with the rising variety of mud additives and extreme drilling conditions. The American Petroleum Institute (API) have suggested simple equations to determine the rheological model parameters using some of the Fann 35 viscometer readings. However, research have shown that utilizing regression analysis to estimate those parameters yielded better results. Yet, non-linear regression of the Herschel-Bulkley model have been noticed to give meaningless values for the yield stress. A more recent research has advised the utilization of somewhat, a unique approach that rather takes into account the pseudoplastic behavior for determining those parameters more accurately. In this thesis, a straightforward method is proposed to correct the rheological parameters estimated using Fann 35 viscometer data. This has been done by determining the critical rpm at which the plug flow effect ends for both the Bingham Plastic and Herschel-Bulkley models using the parameters determined by the corrected regression approach mention earlier. The viscometer reading that falls below the critical rpm were then discarded, and the corrected regression is carried out once more using the remaining data. In order to hypothesize, three mud sample of different types, namely; water-based mud, synthetic based mud, and oil-based mud were tested. The method gave positive results for all three mud samples, and it was concluded that applying this method becomes more compelling for high-yield, and thick drilling fluids. Factors affecting the plug flow evolution have been then investigated. Employing the Bingham Plastic model, it was found that the critical rpm increases proportionally with the yield stress-to-plastic viscosity ratio. As for the Herschel-Bulkley model, the effect of the flow behavior parameter has been illustrated to have a more dominant impact than the yield stress-to-consistency index ratio. Which agrees with the previous finding; that the more high-yield and thicker the fluid is, the more pronounced the plug flow consequence becomes. The temperature effect was then studied on a sepiolite based drilling fluid, and it was observed that the critical rpm increases with temperature for such types of muds. Furthermore, at chemical alteration temperatures, the critical rpm spiked to as high as 150 rpm, and declined again upon reaching settling temperatures. It was concluded that for such types of muds, excluding the R3 and R6 when using the Bingham Plastic model, and often the R3 when using the Herschel-Bulkley model, should reduce the uncertainty while determining the model parameters. Taking the investigation one step further, the mud composition effect was inspected. The sample's critical rpm increased upon weighting the sepiolite mud, and decreased while increasing the salt concentration. As per practical validation and application, the proposed method was tested for the stand pipe pressure calculation of an actual mud circulation test carried out on a well in the Po Valley, Italy. Utilizing the Bingham Plastic model, the error in frictional pressure loss prediction was considerably decreased upon applying the proposed correction method. As for the Herschel-Bulkley model however, the critical speed determined was below the lowest viscometer reading, and hence correcting the parameters was deemed unnecessary. It was noticed that the Bingham Plastic model overestimated the stand pipe pressure, whereas the Herschel-Bulkley model underestimated it, with the corrected Bingham Plastic model giving the best fit for the frictional pressure loss to the field measured values. Both models showed decreased accuracy at high flow rates, with high flow rates being crucial in modern drilling applications such as deep drilling, use of PDC bits, directional and horizontal drilling. Yet, correcting the model parameter decreased the error substantially. To investigate the impact of correcting the Herschel-Bulkley model parameters, the water based mud used in this thesis was chosen to be the circulating fluid instead of the original mud. Notable pressure differences were observed subsequent to correcting the model parameters indicating that proposed method is also valid for Herschel-Bulkley fluids as well. This is absolutely important since the frictional pressure losses control the equivalent circulating density, which in turn affects almost every single aspect in the drilling application such as hole cleaning, bit hydraulics, surge and swab pressures, and most importantly, deep drilling applications (offshore drilling) where the mud window is relatively narrow. Ultimately, regardless of the type of the mud and the temperature applied, following the approach presented in this thesis, will undoubtedly decrease the error in parameter determination of rheological models.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    671472

    Marmara Denizi ve çevresinin üç boyutlu hız yapısının tomografik görüntülemesi

    Tomographic imaging of the three-dimensional velocity structure of the Marmara Sea and its surrounding

    ADİL TARANCIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARGUN KOCAOĞLU

  2. Tez No

    539280

    Experimental and numerical investigation of rubber whether strip extrusion

    Başlık çevirisi yok

    NAYYEF AHMED TALIB

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR ERTUNÇ

  3. Tez No

    540458

    Karbon esaslı nano katkılar ile elektrik iletken elastomer nanokompozitler geliştirilmesi: Statik ve tekrarlı dinamik yükler altında elektriksel, fiziksel ve mekanik karakterizasyonu ve algılama performansının belirlenmesi

    The development of conductive elastomer nanocomposite materials using carbon-based nano-filling materials: Progress on electrical, physical and mechanical characterization and sensing performance under static and cyclic dynamic loads

    HASAN KASIM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT YAZICI

  4. Tez No

    312997

    Optik görüntü bozulmalarının yazılımla düzeltilmesi için bir yöntem

    A method for correcting optical image distortion by the means of software

    ERDAL GÜVENOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTrakya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN MURAT ESİN

    YRD. DOÇ. DR. DENİZ TAŞKIN

  5. Tez No

    840192

    Ge dedektörünün zamana bağlı Monte Carlo yöntemi ve genetik algoritma ile gerçekçi modellenmesi

    Realistic modeling of germanium detector by using time dependent Monte Carlo method and genetic algorithm

    AYHAN YÜKSEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Nükleer MühendislikHacettepe Üniversitesi

    Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET TOMBAKOĞLU

Geri Dön