Simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados no fundo de poços em perfuração
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFU |
Texto Completo: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39769 http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.554 |
Resumo: | The current work focuses on modeling and numerical simulation of turbulent particulate flows in drilling processes, specifically in the bottom hole region. In this process, drilling fluid is pumped through the rotating drill string and ejected through the bit nozzles. The jets impact the well’s bottom, aiding in dispersing the particles generated during cutting. The particulate flow continues through the annular region to the surface. To represent this problem, we employ a simplified system that encompasses both the well and the drill string, modeled using the immersed boundary method. We utilize a numerically develop parallel platform, with a focus on solving the Navier-Stokes equations. The derivatives of the diffusive and advective terms are approximated by centered second-order differences. Spatial discretization was performed using the finite-volume method, while temporal discretization was handled using the second-order (explicit) Adams-Bashforth scheme. The Large Eddy Simulation methodology is employed to address the turbulence phenomenon, incorporating the dynamic sub-grid model. In the treating the dispersed phase, we employ the immersed boundary method in conjunction with the Euler Lagrange approach in the point-particle framework. One-way and two-way couplings were explored. For the main problem, a Reynolds number of 3500 was considered, and the particle cloud was positioned between the drill bit and the semi-spherical wellbore bottom. The influence of particle concentration was investigated, ranging from volumetric fractions between 0.001% and 0.0045%, as well as the influence of the rotation of the drill string for Taylor number values of 0, 267.1, and 534.2 in the wellbore flow. The results indicated that the dynamics of the particles are directly influenced by the flow velocity field and the characteristics of the turbulent structures present. It was observed that the two-way coupling approach showed better agreement with experimental data. Through statistical analyses, such as probability density function and calculation of the mean square displacement, we were able to explore the distribution and behavior of the particles in systems with multiple degrees of freedom (turbulent flow). Particle-wall collisions affected parameters such as particle rotation speed, amplifying the magnitude of the rotational lift force. However, the most influential force was the drag force. As the rotation speed increased, turbulent kinetic energy and fluctuations also increased, directly influencing the increase in particle transport velocity through the annular region. |
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Simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados no fundo de poços em perfuraçãoNumerical simulation of particulate turbulent flows at the bottom holes in drillingSimulación numérica de flujos turbulentos particulados en fondo de pozos en perforaciónEscoamentos turbulentos particulados no fundo de poçoBottom hole particulate flowMétodo de Fronteira ImersaImmersed Boundary MethodSimulação de grandes estruturasLarge Eddy SimulationAbordagem Euler-LagrangeEuler-Lagrange approachAcoplamento de uma e duas viasOne-way and two-way couplingColisão partícula-paredeParticle-wall collisionCNPQ::ENGENHARIASCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICACNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTECNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEngenharia mecânicaODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.The current work focuses on modeling and numerical simulation of turbulent particulate flows in drilling processes, specifically in the bottom hole region. In this process, drilling fluid is pumped through the rotating drill string and ejected through the bit nozzles. The jets impact the well’s bottom, aiding in dispersing the particles generated during cutting. The particulate flow continues through the annular region to the surface. To represent this problem, we employ a simplified system that encompasses both the well and the drill string, modeled using the immersed boundary method. We utilize a numerically develop parallel platform, with a focus on solving the Navier-Stokes equations. The derivatives of the diffusive and advective terms are approximated by centered second-order differences. Spatial discretization was performed using the finite-volume method, while temporal discretization was handled using the second-order (explicit) Adams-Bashforth scheme. The Large Eddy Simulation methodology is employed to address the turbulence phenomenon, incorporating the dynamic sub-grid model. In the treating the dispersed phase, we employ the immersed boundary method in conjunction with the Euler Lagrange approach in the point-particle framework. One-way and two-way couplings were explored. For the main problem, a Reynolds number of 3500 was considered, and the particle cloud was positioned between the drill bit and the semi-spherical wellbore bottom. The influence of particle concentration was investigated, ranging from volumetric fractions between 0.001% and 0.0045%, as well as the influence of the rotation of the drill string for Taylor number values of 0, 267.1, and 534.2 in the wellbore flow. The results indicated that the dynamics of the particles are directly influenced by the flow velocity field and the characteristics of the turbulent structures present. It was observed that the two-way coupling approach showed better agreement with experimental data. Through statistical analyses, such as probability density function and calculation of the mean square displacement, we were able to explore the distribution and behavior of the particles in systems with multiple degrees of freedom (turbulent flow). Particle-wall collisions affected parameters such as particle rotation speed, amplifying the magnitude of the rotational lift force. However, the most influential force was the drag force. As the rotation speed increased, turbulent kinetic energy and fluctuations also increased, directly influencing the increase in particle transport velocity through the annular region.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorTese (Doutorado)O presente trabalho concentra-se na modelagem e simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados em processos de perfuração, mais especificamente na região do fundo de poço. Nesse processo, o fluido de perfuração é bombeado através da coluna rotativa de perfuração e ejetado pelos bocais da broca. Os jatos impactam o fundo de poço, auxiliando na dispersão das partículas geradas durante o corte. O escoamento particulado prossegue pela região anular até a superfície. Para representar o problema, foi utilizado um sistema simplificado poço-coluna de perfuração, modelado por meio do método de fronteira imersa. Foi empregada uma plataforma numérica em desenvolvimento paralelizado, focada na resolução das equações de Navier-Stokes. As derivadas dos termos difusivos e advectivos foram aproximadas por diferenças centradas de segunda ordem. A discretização espacial foi realizada com o método dos volumes finitos, enquanto a discretização temporal foi tratada com o esquema de Adams-Bashforth de segunda ordem (explicito). A metodologia de Simulação de Grandes Estruturas foi empregada para o tratamento do fenômeno de turbulência, incorporando o modelo sub-malha dinâmico. No tratamento da fase dispersa, utilizamos o método de fronteira imersa em conjunto com a abordagem Euler-Lagrange no enfoque ponto-partícula. Foram explorados os acoplamentos de uma e duas vias. Para o problema principal, considerou-se um número de Reynolds de 3500, a nuvem de partículas foi posicionada entre a broca e fundo de poço semiesférico. Foi investigada a influência da concentração das partículas, variando de frações volumétricas entre 0,001% e 0,0045%, bem como a influência da rotação da coluna de perfuração para os valores de número de Taylor de 0, 267,1 e 534,2 nos escoamentos do fundo de poço. Os resultados indicaram que a dinâmica das partículas é diretamente influenciada pelo campo de velocidades do escoamento e pelas características das estruturas turbilhonares presentes. Observou-se que a abordagem de acoplamento de duas vias apresentou melhor concordância com dados experimentais. Através de análises estatísticas, como a função de densidade de probabilidade e o cálculo do deslocamento quadrático médio, pôde-se explorar a distribuição e o comportamento das partículas em sistemas com múltiplos graus de liberdade (escoamento turbulento). As colisões partícula-parede afetaram parâmetros como a velocidade de rotação das partículas, amplificando a magnitude da força de sustentação por rotação. No entanto, a força mais influente foi a força de arrasto. À medida que a velocidade de rotação aumentava, a energia cinética turbulenta e as flutuações também aumentavam, influenciando diretamente o aumento na velocidade do transporte das partículas pela região anular.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaPadilla, Elie Luis Martínezhttp://lattes.cnpq.br/1525969231971828Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejohttp://lattes.cnpq.br/5156573817670917Camacho, Ramiro Gustavo Ramirezhttp://lattes.cnpq.br/6194277568885657Guimarães, Gilmarhttp://lattes.cnpq.br/8168905928139438Vedovoto, João MarceloPuelles, Sammy Cristopher Paredes2023-12-07T15:19:52Z2023-12-07T15:19:52Z2023-11-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfPUELLES, Sammy Cristopher Paredes. Simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados no fundo de poços em perfuração. 2023. 210 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.554.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39769http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.554porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2023-12-08T06:39:47Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/39769Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2023-12-08T06:39:47Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false |
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The current work focuses on modeling and numerical simulation of turbulent particulate flows in drilling processes, specifically in the bottom hole region. In this process, drilling fluid is pumped through the rotating drill string and ejected through the bit nozzles. The jets impact the well’s bottom, aiding in dispersing the particles generated during cutting. The particulate flow continues through the annular region to the surface. To represent this problem, we employ a simplified system that encompasses both the well and the drill string, modeled using the immersed boundary method. We utilize a numerically develop parallel platform, with a focus on solving the Navier-Stokes equations. The derivatives of the diffusive and advective terms are approximated by centered second-order differences. Spatial discretization was performed using the finite-volume method, while temporal discretization was handled using the second-order (explicit) Adams-Bashforth scheme. The Large Eddy Simulation methodology is employed to address the turbulence phenomenon, incorporating the dynamic sub-grid model. In the treating the dispersed phase, we employ the immersed boundary method in conjunction with the Euler Lagrange approach in the point-particle framework. One-way and two-way couplings were explored. For the main problem, a Reynolds number of 3500 was considered, and the particle cloud was positioned between the drill bit and the semi-spherical wellbore bottom. The influence of particle concentration was investigated, ranging from volumetric fractions between 0.001% and 0.0045%, as well as the influence of the rotation of the drill string for Taylor number values of 0, 267.1, and 534.2 in the wellbore flow. The results indicated that the dynamics of the particles are directly influenced by the flow velocity field and the characteristics of the turbulent structures present. It was observed that the two-way coupling approach showed better agreement with experimental data. Through statistical analyses, such as probability density function and calculation of the mean square displacement, we were able to explore the distribution and behavior of the particles in systems with multiple degrees of freedom (turbulent flow). Particle-wall collisions affected parameters such as particle rotation speed, amplifying the magnitude of the rotational lift force. However, the most influential force was the drag force. As the rotation speed increased, turbulent kinetic energy and fluctuations also increased, directly influencing the increase in particle transport velocity through the annular region. |
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