هاچ كيلورديه

هيدروليك چاه

مفاهيم اساس ي رئولوژي: ويسكوزيته تنش برش ي: كرنش: )مطالعه خواص ي از مواد كه بر روابط بين تنش و كرنش حاكم مي باشند( )گرانروي(:مقاومت سياالت در برابر جاري شدن. T= F/A (N/m 2 ) or (lb/ft 2 ) نسبت تغيير طول به طول اوليه )بدون واحد( شدت برش: S.F= du/dr

واحدهاي ويسكوزيته: μ=(f/a) / (du/dr) MKS: kg f.s/m 2 CGS: dyne.s/cm 2 SI: N.s/m 2 1 Poise=100 cp=1 dyne.s/cm 2 =1 gr/cm.s 1 dyne= 1 gr cm/ sec

μ = μ 0 (1/(1+ αt + βt 2 )) رابطه ويسكوزيته با دما براي مايعات:) با افزايش دما ويسكوزيته كاهش مي يابد( براي آب: μ 0 ويسكوزيته در دماي صفر درجه سانتيگراد برحسب پويز : μ = 1.79 10-3 poise α= 0.03368, β= 0.000221 μ = μ 0 + αt - βt 2 μ = 0.000017 poise α= 5.6 10-8, β= 0.1189 10-9 براي گازها:)با افزايش دما ويسكوزيته افزايش مي يابد( براي هوا :

اندازه گيري ويسكوزيته قيف مارش گرانروي سنج موئينه گرانروي سنج دوار meter) (fann VG.1.2.3

قيف مارش( funnel (marsh ظرفيت قيف: 1500 س ي س ي زمان الزم براي خالي شدن 3/2 از قيف )معادل يك كوارت( بر حسب ثانيه بعنوان ويسكوزيته مارش فانل عنوان مي شود. يك كوارت: 35/946 س ي س ي داخل كپ گل خطي وجود دارد كه اندازه يك كوارت را نشان مي دهد. ويسكوزيته آب درحدود 25 تا 26 ثانيه است. ويسكوزيته گل از نظر عددي بايد تقريبا معادل 4 برابر وزن گل به ppg باشد.) يا نصف وزن گل به.)pcf

گرانروي سنج موئينه براي تعيين ويسكوزيته سيال را درمحفظه مخصوص ي قرار داده و فشار هوا به آن اعمال مي شود تا سيال از لوله مويين باال رود. سرعت باال رفتن سيال را برحسب ميلي ليتر بر دقيقه اندازه گيري مي كنند سپس فشار هوا را اندكي باالتر برده و سرعت باالرفتن سيال را مجددا اندازه مي گيرند. اين روش در حفاري كاربردي ندارد.

گرانروي سنج دوار گرانروي سنج fann كه نوعي گرانروي سنج دوار مي باشد از دو ظرف استوانه اي با اندازه هاي مختلف و هم محور تشكيل شده. گل حفاري مورد آزمايش در فضاي حلقوي بين دو استوانه هم محور قرار داده مي شود. استوانه توخالي بيروني (rotor) با سرعت دوراني ثابت به گردش درمي آيدو گشتاور ناش ي از آن روي استوانه توپر دروني( bob ) اعمال مي شود. مقدار گشتاور منتقل شده به استوانه دروني به ويسكوزيته سيال بستگي دارد. اين گشتاور به يك فنر حلزوني كه به يك عقربه متصل است وارد مي شود و از روي ميزان انحراف عقربه (dial ( readingمي توان گرانروي را تعيين كرد.

گرانروي سنج فن گرانروي را برحسب سانتي پويز اندازه گيري مي كند و مقاومت ژالتيني( strength (gel را نيز اندازه گيري مي كند. θ= YP+ PV (ω/300) μ= 300 ( dial reading/ rpm) PV= θ 600 θ 300 YP= θ 300 -PV μ a = (θ 600 )/2 معموال با اين نوع گرانروي سنج مي توان در شش سرعت 3 و 6 و 100 و 200 و 300 و 600 دور در دقيقه مشخصات گل را بررس ي نمود.

انواع سياالت 1. سياالت نيوتني: 2. سياالت غير نيوتني سياالت بينگهام پالستيك سياالت شبه پالستيك( plastic (pseudo سياالت دايالتانت( dilatant ) سياالت رئوپكتيك( rheopectic ) سياالت تيكسوتروپيك( thixitropic ) سياالت ويسكواالستيك( visco-elastic ) سياالت پيچيده( complex )

سياالت نيوتني: Τ= μ(du/dy) Τ= shear stress = SS (du/dy) = shear rate = γ = SR SS= μ(sr) هر تنش برش ي كوچك هم باعث حركت سيال مي شود. شيب منحني SS برحسب SR ثابت است و از مركز مي گذرد. آب- گليسيرين روغن موتور و نفت سفيد از سياالت نيوتني هستند.

سياالت غير نيوتني سياالت غيرنيوتني در فشار و حرارت معين گرانروي ثابتي ندارند و بين SSو SR نسبت خطي مستقيم وجود ندارد و رابطه آنها بصورت منحني است.

سياالت بينگهام پالستيك بين تنش برش ي و شدت برش رابطه مستقيم وجود دارد ولي منحني SS بر حسب SF از مبدا نمي گذرد و سيال تحت تنش خاص ي تسليم مي شود. روابط حاکم: PV= θ 600 θ 300 YP= θ 300 PV = 2 θ 300 θ 600 μ a = (θ 600 )/2 در شدت برش کم YP= 2 θ 3 θ 6 :(low shear rate)

روابط حاکم برای قاعده توانی( law (power در شدت برش باال: n= 3.322 log (θ 600 /θ 300 ) k= 510 θ 300 /(511) n = 510 θ 600 /(1022) n روابط حاکم برای قاعده توانی در شدت برش پايين: n= 0.657 log (θ 100 /θ 3 ) = 0.5 log (θ 300 /θ 3 ) k= 510 θ 300 /(511) n

سياالت شبه پالستيک در اين سياالت 1>n است و با افزايش تنش برش ی ويسکوزيته ظاهری کاهش میيٱبد و رابطه بين SRوSS آنها بصورت زير است: SS= k (SR) n, n<1 ويسکوزيته موثر اين نوع سياالت با افزايش SR کاهش میيٱبد.

منحنی غلظت سياالت شبه پالستيک

سياالت دايالتانت در اين گونه سياالت 1<n است و با افزايش تنش برش ی ويسکوزيته ظاهری افزايش پيدا می کند. رفتار اين سياالت نيز مستقل از زمان است. SS= k (SR) n, n>1

منحنی غلظت سياالت دايالتانت

سياالت رئوپکتيک ويسکوزيته آنها وابسته به زمان است و به سياالت شبه پالستيک تبديل می شوند مثل جوهر مرکب. اين سياالت در SR های پايين ايجاد بافتهای سنگين می کنند اما اين بافتها در شدت برشهای باال کم می شوند. گچ از اين نمونه سياالت است که اگر درآب ريخته شود بعد از مدتی سفت شده و ديگر به حالت اول برنمی گردد.

سياالت تيکسوتروپيک ويسکوزيته آنها وابسته به زمان است. اين سياالت در شدت برشهای زياد تمايل به ايجاد بافت در درون خود دارند. در شدت برشهای کم سفت می شوند اما در شدت برشهای زياد به حالت اول برمی گردند. رنگها از اين نمونه سياالت هستند.

سياالت ويسکواالستيک اين سياالت هم خواص ارتجاعی و هم خواص ويسکوز )روان بودن( دارند. قير و مايعات پليمری از اين نوع سياالت هستند. سياالت پيچيده fluids) (complex اين سياالت عالوه بر وابستگی خاص به ويسکوزيته يک خاصيت ارتجاعی هم دارند و تغييرات شدت برش و تنش برش ی آنها از قاعده خاص ی پيروی نمی کند.

معادالت رئولوژی انواع سياالت نوع سيال سيال نيوتنی (newtonian) سيال تابع قاعده توانی (power law) بينگهام پالستيک (bingham plastic) معادله رئولوژی T= μγ T= μγ n T=T y +μ p γ T=T y +kγ n سيال قاعده توانی با واروی (herschel and buckley)

که در آنها: : تنش برش ی بر حسب lb f /100 ft 2 T : ويسکوزيته پالستيک بر حسب cp μp : نرخ برش ی بر حسب 1/sec γ : تنش نقطه تسليم گل بر حسب lb f 100/ ft 2 Ty : شاخص رفتار سيال : شاخص هماهنگی k n

V s = d 2 (γ m -γ w )/ 45μ سرعت انتقال کنده های حفاری برای جريان خطی: برای جريان غير خطی يا متالطم: V s =3.6 d (γ m -γ w )/ γ w

V: s سرعت سقوط ذرات غيرکروی بر حسب فوت بر ثانيه d: قطر ذرات بر حسب فوت مخصوص ذرات بر حسبpcf γ :وزن w pcf مخصوص گل حفاری بر حسب γ :وزن m μ :گرانروی بر حسب پوند بر فوت - ثانيه سرعت انتقال گل حفاری برای ذرات کروی: V t = V s /3 سرعت انتقال گل حفاری برای ذرات غير کروی: V t = 1.1 V s

تانک ذخيره گل حفاری پمپهای گل خرطومی گل hose) (mud لوله ايستا pipe) (stand Rotary hose کيلی و اتصاالت رشته حفاری مته داليز خط جريان line) (flow. الکهای لرزان مسير گردش گل حفاری

معادله اصلی افت فشار p spp = p surf + p pipe + p dc + p bit + p ac p spp : مقدار فشاری که روی استند پايپ خوانده می شود.)بر حسب p : surf مقدار افت فشار در تجهيزات سطحی p : pipe مقدار افت فشار در لوله های حفاری p : dc مقدار افت فشار در لوله های وزنی + p ap )psi : p bit افت فشار در مته p : ac افت فشار درداليز لوله های وزنی : p ap افت فشار در داليز لوله های حفاری

سرعت گل در داليز )سرعت داليزی(: V annulus =24.51 Q/(dh 2 -dp 2 ) V annulus = Q/ 2.45 (dh 2 -dp 2 ) ft/min ft/sec gpm دبی خروجی پمپ بر حسب Q: dh :قطر حفره بر حسب اينچ dp :قطر لوله های حفاری بر حسب اينچ

مراحل جريان رژيم جريان هيچ حرکتی وجود ندارد. فشار پمپ برای به جريان درآوردن گل کافی نيست. فشار پمپ از مقدار تسليم گذشته و سيال بصورت خميری که از لوله خميردندان خارج می شود به حرکت درمی آيد. به اين جريان جريان قالبی گفته می شود. (plug flow) فشار بيشتر شده درنتيجه سرعت حرکت سيال بيشتر می شود و سيال مانند اليه های فرض ی که روی يکديگر حرکت می کنند به حرکت درمی آيد. )جريان المينار يا اليه ای( جريان در حال انتقال از حالت اليه ای به حالت درهم و نامنظم.) جريان انتقالی( سرعت جريان بيشتر شده و حرکت مولکولهای سيال بصورت غير منظم ومتالطم در می آيد. flow) (turbulant.1.2.3.4.5

معيار تشخيص رژيم جريان Re= 928 D V MW /μ عدد بدون بعد رينولدز: که درآن: :Re عدد رينولدز )بدون واحد - بدون بعد( D: تفاضل قطر خارجی و قطر لوله های حفاری بر حسب اينچ )قطر موثر داليز( (ft/sec) سرعت گل V: (ppg) وزن مخصوص گل :MW cp سيال برحسب μ :ويسکوزيته

هرگاه عدد رينولدز از 2000 کوچکتر باشد جريان آرام و چنانچه از 3000 بيشتر باشد جريان مغشوش است و مابين اين دو عدد جريان درحال گذر است. (ft/min) سرعت بحرانی در مدل بينگهام پالستيک ) c v): V c = 97 (PV)+97 (PV) 2 +8.2(MW)D 2 Yp (MW) D e جريان مغشوش: جريان آرام : V>V c V<V c : Pv بر حسب سانتی پويز MW برحسب ppgو yp برحسب lb/100 و ft 2 برحسب اينچ D e

از: D e يا قطر موثر: برای محاسبه سرعت بحرانی درون لوله ها معادل قطر داخلی لوله درنظر گرفته می شود. اما در هنگام محاسبه سرعت بحرانی در فضای حلقوی )داليز( عبارت است D e = D h OD dp (or OD dc )

محاسبه افت فشار در لوله های حفاری : )مدل بينگهام پالستيک( برای جريان آرام: p=l(pv) V/(90000 D 2 )+L(Yp)/(225 D)

ويسکوزيته موثر ) e :(μ μ e =pv+400 Yp (D/V) محاسبه افت فشار در داليز :(psi) )مدل بينگهام پالستيک ) p=l(pv) V/6000(D h -D p )2+L(Yp)/200(D h -D p )

محاسبه افت فشار در نازل مته: p=mw V n2 /1113 psi ppg برحسب MW V n = 0.3208 Q / TFA ft/sec

فرمول ديگر: p=mw Q 2 / 10858 (TFA) 2 psi که در رابطه باال MW برحسب pcf وTFA شود: n تعداد نازل و d سايز نازل است. نيز بصورت زير محاسبه می TFA = n π (d/32) 2 /4

محاسبه افت فشار در تجهيزات سطحی: p=e MW 0.8 Q 1.8 (pv) 0.2 psi ppg وزن گل برحسب :MW gpm دبی بر حسب Q: :E ثابتی که بستگی به نوع تجهيزات سطحی مورد استفاده دارد. cp ويسکوزيته پالستيک بر حسب :Pv

چهار نوع وسايل سطحی موجود: Surface equipment type Stand pipe Length ID (ft) (in) Rotary hose Length ID (ft) (in) swivel Length (ft) ID (in) kelly Length (ft) ID (in) 1 40 3 40 2 4 2 40 2.25 2 40 3.5 55 2.5 5 2.5 40 3.25 3 45 4 55 3 5 2.5 40 3.25 4 45 4 55 3 6 3 40 4

ضريب ثابت E: Surface equipment type 1 2 3 4 E 2.5 10-4 9.6 10-5 5.3 10-5 4.2 10-5

محاسبه سرعت بحرانی : )مدل پاورال( داخل لوله ها: Vc=[5.82 10 4 K / MW] 1/2n [1.6 (3n+1)/ D (4n)] n/(2-n) جريان داليزی: Vc=[5.82 10 4 K / MW] 1/2n [2.4 (2n+1)/(d h -d p )(3n)] n/(2-n)

محاسبه افت فشار در لوله های حفاری : )مدل پاورال( p= [ kl (3n+1) V ] / (750 D 2 n) برحسب ft/min و افت فشار بر حسب psi است. که V

محاسبه افت فشار در داليز: )مدل پاورال( p= [ kl (3n+1) V ] / (750 D 2 n)

محاسبه افت فشار در لوله ها در جريان متالطم : )مدل بينگهام پالستيک و پاورال( p= 8.91 10-5 MW 0.8 Q 1.8 (pv) 0.2 L D 4.8

محاسبه افت فشار در داليز در جريان متالطم : )مدل بينگهام پالستيک و پاورال( p= 9.91 10-5 MW 0.8 V 1.8 (pv) 0.2 L (D h -D p ) 3 (D h +D p ) 1.8

معيارهای بهينه سازی هيدروليک: 1. ماگزيمم توان هيدروليکی مته( power (bit hydraulic horse.2 ماگزيمم نيروی برخورد force) (maximum impact Bit HHP= P spp Q /1714 ماگزيمم توان هيدروليکی زمانی اتفاق می افتد که: P bit = 0.65 P spp

ماگزيمم نيروی برخورد زمانی است که: P bit = n n+1 P spp P spp حداکثر فشار مجاز لوله ايستا می باشد.

وزن مخصوص معادل گردش ي: )ECD( ECD= MW + P ann /0.052 Z Z ppg MW