عنوان پایان‌نامه
بررسی عددی خواص روئولوژی گل حفاری بر کارکرد موتورهای حفاری
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3347;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76758;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3347;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76758
- تاریخ دفاع
- ۱۵ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمد شیبانی
- استاد راهنما
- علیرضا ریاسی
- چکیده
- موتورهای جابجایی مثبت در سالیان اخیر و مخصوصا در صنعت نفت و گاز، به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. آشنایی با عمل‌کرد این موتورها برای حفاری موثر، از اهمیت زیادی برخوردار است. این موتور شامل یک استاتور و یک روتور داخل آن می‌باشد که هر دو به شکل مارپیچی می‌باشند. مولفه‌های عمل‌کردی که معمولا مورد بررسی قرار می‌گیرند شامل سرعت دورانی روتور، اختلاف‌فشار دو سر موتور و هم‌چنین دبی خروجی می‌باشند. در تحقیق حاضر، مدل خاصی از این نوع موتور با هندسه تک‌لوب مورد استفاده قرار گرفته است. شبیه‌سازی مدل در نرم‌افزار ANSYS Fluent به صورت سه بعدی و ناپایا انجام می‌گردد. نکته‌ای که در شبیه‌سازی این مدل اهمیت دارد وجود شبکه‌بندی پویا می‌باشد. در ابتدای امر، نتایج تحقیق حاضر با نتایج به دست آمده از مدل‌های آزمایشگاهی گامبوآ و عددی پالادینو اعتبارسنجی گردیده است و حاکی از معتبر بودن نمونه‌ی تحقیق حاضر می‌باشد. در مرحله‌ی بعد، سیال غیر نیوتونی گل حفاری مورد بررسی قرار گرفته است. برای مدل‌سازی این نوع سیال، مدل غیرنیوتونی هرشل‌بالکلی در نظر گرفته می‌شود. تاثیرات خواص رئولوژی گل شامل n ، ?_y و k بر عمل‌کرد موتور بررسی خواهد شد. نتایج مدل سیال نیوتونی تاییدگر وجود نشتی در موتور است که به سرعت دورانی وابسته نیست. لقی که بخش چالش‌انگیز نمونه، مخصوصا برای سیالات با لزجت کم است، دارای بیش‌ترین تنش برشی و ورتیسیته می‌باشد. در این مکان، گرادیان فشار زیاد موجب ایجاد اختلاف‌فشار در طول موتور می‌گردد. نحوه‌ی عمل‌کرد موتور برای سیال غیرنیوتونی، شبیه سیال نیوتونی می‌باشد. خواص رئولوژی گل بر گشتاور و نشتی اثر دارد. افزایش مولفه‌ی n از مقدار 0.4 به 0.8 موجب افزایش %15 درصدی گشتاور و کاهش %42 نشتی و افزایش مولفه‌ی k از مقدار 0.2 به 0.6 موجب افزایش %6 گشتاور و کاهش %82 نشتی می‌شود. تغییر مولفه‌ی ?_y از مقدار 0.5 پاسکال به 4 پاسکال موجب افزایش %2 گشتاور خواهد شد که نشان از کم‌اثر بودن تغییرات این مولفه دارد. تاثیر تغییرات n بیش‌تر از تغییرات k می‌باشد. روند تغییرات مولفه‌های عمل‌کردی موتور نسبت به مولفه‌های رئولوژی گل، غیرخطی می‌باشد. نتایج رقیق‌شونده بودن مدل هرشل‌بالکلی را نیز تایید می‌کنند. در لقی‌ها که تنش برشی حداکثر است، لزجت ظاهری کم‌ترین مقدار خود را دارد. واژه‌های کلیدی: موتور جابجایی مثبت، تحلیل عددی، شبکه‌بندی پویا، سیال غیرنیوتونی، مدل هرشل‌بالکلی
- Abstract
- Positive displacement motors are being used extensively in the recent years, especially in the oil and gas industry. Knowing the performance of these motors has a great importance to ensure an effective drilling. This motor includes a rotor and a stator inside the rotor which are made up in helical gear. Performance parameters which are usually studied consist of rotational speed, differential pressure along the motor and flow rate. In this work, a particular model with mono-lobe geometry is employed. Simulation has been implemented for 3D-transient model in ANSYS-FLUENT. Moving mesh is one of the main contributions of the present work. In the first step, the model is validated against the results from experimental model of Gamboa and numerical model of Paladino. The results show the applicability of the model. Next step is the investigation of the drilling mud which is a non-Newtonian fluid. The Herschel–Bulkley model is selected to estimate this fluid. The rheological parameters of drilling mud and their effect on the motor’s performance are analyzed. The results for a Newtonian fluid confirm the presence of slippage which is not dependent on the rotational speed. Clearance which is a challenging part of the model, especially for the fluids with low viscosity, has the highest shear stress and vorticity. The differential pressure along the motor is attributed to the high magnitude of gradient pressure in clearance. The performance of the motor for the non-Newtonian fluids is similar to the Newtonian ones. Rheological parameters of mud can affect the torque and slippage in the motor. Increasing the parameter n from 0.4 to 0.8 will rise the torque 15% and will reduce the slippage 42%. Changing the parameter k from 0.2 Pa to 0.6 Pa will rise the torque 6% and reduce the slippage 82%. Changing parameter ???? from 0.5 Pa to 4 Pa will increase the torque just 2% which shows that this parameter has a low effect. Motor performance parameters have a non-linear behavior when the rheological parameters change. The results also demonstrate that the mud is a shear thinning fluid. Elsewhere, in the clearances where the shear is maximum, the apparent viscosity has its lowest value. Key words: Positive displacement motor, Numerical simulation, Moving mesh, non-Newtonian fluid, Herschel–Bulkley
