عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی عددی جریان دوفاز نیوتنی - ویسکو پلاستیک در محیط متخلخل
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3304;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76097;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3304;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 76097
- تاریخ دفاع
- ۲۴ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- علی صالحی شبستری
- استاد راهنما
- کیوان صادقی, مهرداد رئیسی دهکردی
- چکیده
- جریان سیالات غیرنیوتنی در محیط متخلخل کاربردهای متعددی در صنعت نفت دارد. با وجود این که در بیشتر موارد این کاربردها، با جریان دوفاز رو به رو هستیم، تاکنون پژوهش های کمی بر روی جریان دوفاز این سیالات صورت پذیرفته است. به علاوه در زمینه شبیه سازی جریان سیالات وابسته به زمان (که برای مدل سازی برخی از انواع نفت خام مناسب اند) در محیط متخلخل نیز بررسی چندانی صورت نگرفته است. با توجه به این موارد، در رساله حاضر جریان دوفاز سیالات غیرنیوتنی (از نوع ویسکوپلاستیک) در محیط متخلخل با استفاده از روش عددی (و بعضاً تحلیلی) مورد مطالعه قرار گرفت. در این مطالعات بر روی شبیه سازی نفت خام موم دار در قالب سه مسئله سیلاب زنی یک بعدی (باکلی ـ لورت)، سیلاب زنی دوبعدی (پنج چاه) و مخروطی شدن آب تمرکز شده است. مهمترین شاخصه این نوع نفت خام رفتار ویسکوپلاستیک و پس از آن رفتار تیکسوتروپی است. برای شبیه سازی این رفتارها، از دو مدل غیرنیوتنی بینگهام (ویسکوپلاستیک) و هوسکا (ویسکوپلاستیک و تیکسوتروپ) استفاده شده است. نتایج حاصل نشان داد وجود تنش تسلیم در نفت خام چه در مسئله سیلاب زنی و چه در مسئله مخروطی شدن عاملی منفی است و باعث افزایش مقاومت نفت در برابر جاری شدن می گردد. ویسکوزیته پلاستیک نیز به لحاظ کیفی اثری مشابه با تنش تسلیم دارد. مطالعه اثرات تیکسوتروپی نشان داد هر چه نسبت تخریب ریزساختارهای درونی سیال به تشکیل آن ها بزرگتر باشد، تحرک سیال بیشتر می شود. به همین دلیل، افزایش این پارامتر، بر خلاف افزایش تنش تسلیم، اثر مثبتی بر کارایی فرآیند سیلاب زنی دارد. همچنین نتایج مسئله مخروطی شدن نشان داد که اگر بتوان با استفاده از راهکارهایی نظیر تزریق ژل و پلیمر به لایه آبده، تنش تسلیم یا ویسکوزیته پلاستیک لایه آبده را به حد کافی افزایش داد، زمان لازم برای نفوذ آب به چاه تا چند برابر حالت اولیه افزایش می یابد که بیان گر برطرف شدن مشکلات مربوط به مخروطی شدن است. واژه‌های کلیدی: سیلاب زنی، مخروطی شدن، نفت خام موم دار، سیال ویسکوپلاستیک، جریان دوفاز
- Abstract
- Flow of non-Newtonian fluids in porous media is encountered in many branches of oil industry. One can mention, for example, the oil recovery process, water production management, modeling the behavior of some kinds of crudes (like waxy crude or heavy crude), and hydraulic fracturing. Although most of these applications involve two-phase flow, there are few researches about two-phase flow simulation of non-Newtonian fluids. Furthermore, the study of the flow of time-dependent fluids (which can be used to model some kinds of crudes) in porous media is very rare. In this thesis, the two-phase flow of non-Newtonian viscoplastic fluids in porous media is studied numerically. Attention is focused on modeling the flow of waxy crude oils in three bechmark problems: Buckley-Leverett water flooding problem, 2D five-spot water flooding problem, and water coning problem. The most important rheological behavior of waxy crude oils is their viscoplasticity, which means for these fluids to flow, a certain pressure gradient (shear stress) is needed to exceed. Another important behavior of waxy crude oils is their thixotropy (viscosity decay over time). In this theis, the effect of these non-Newtonian behaviors on the fluid flow in mentioned benchmark problems is studied. To model the waxy crude, two non-Newtonian fluid models were used: The Bingham model (as a viscoplastic model) and the Houska model (as representing both viscoplasticity and thixotropy). Based on the results, it was concluded that waxy crude oil’s viscoplasticity decreases the oil’s mobility and has a negative effect on both water flooding and water coning problems. Similar effects were found for the oil’s plastic viscosity. Studying the thixotropic behavior of waxy crude oil revealed that by increasing the break-down to build-up ratio of the oil’s microstructures, the oil’s mobility increases. Consequently it has a positive effect on water flooding process, especially when the ratio is high. One of the methods for preventing water coning or delaying it during oil extraction is creating a barrier via injection of gels or polymers into the aquifer layer below the oil layer. It was found increasing the aquifer’s plastic viscosity or its yield stress, using this method, may lead in significant rise of water brealthrouth time. This means that the problems arising from water coning can be avoided. Keywords: water flooding, water coning, waxy crude oil, viscoplastic fluid, two-phase flow
