Improvements of cuttings transport models through physical experiments and numerical investigations of solid-liquid transport

Aragall Tersa, Roger

Wellbore drilling has experienced an increase in complexity due to the interest in reaching targets situated in High Pressure-High Temperature (HPHT) environments or construct- ing large sections of the well with high deviations from verticality. Established models for selecting operational flow rates or drilling fluid rheology and density are based on empirical correlations. These are only applicable for well defined ranges of conditions and for stationary assumptions not given in complex wellbores. In the last two decades, more flexible and transient models founded on causal mechanisms responsible of the system’s behavior are finding wider application. These rely on an accurate understanding of the phenomena taking place within the wellbore. High resolution numerical models can be used to increase this understanding. However, experimental data are still needed for their validation. This thesis provides such experimental data and evaluates high resolution numerical models able to predict cuttings transport relevant phenomena at the wellbore diameter scale. In the experimental part of this thesis, a solid-liquid vertical flow-loop designed and con- structed to generate experimental data for validation is presented. The setup consists of a 64 mm diameter and 2,000 mm length pipe, medicinal white oil and and glass spher- ical particles with diameters ranging from 2 to 6 mm providing a system with physical phenomena similar to the one found in cuttings transport. The particle image velocime- try (PIV) and particle tracking velocimetry (PTV) techniques are implemented to obtain liquid and particles velocity profiles as well as particle position histograms of solid-liquid mono- and bidisperse flows. This is accomplished through refractive index matching of the dispersed phase, the continuous phase and the conduct material. Results point out the relevancy of the lift force in configuring particles distribution across the pipe section. This force creates concentration accumulations at specific radial positions. Furthermore, a significant momentum transfer between the considered particles is observed in bidisperse systems. The computational part of the thesis considers the implementation of the two-fluid method and the discrete particle model (DPM) to simulate the experimental system and prove their validity for the prediction of cuttings transport relevant problems. The two-fluid method shows good agreement with experiments performed with monodisperse systems and supplies an explanation for the concentration accumulations observed in the experi- ments. However, this lacks predictive capacity when polydisperse systems are investigated. On the other hand, the DPM model implemented here is able to reproduce bidisperse ex- perimental results up to 3% concentrations. For higher ones, advanced models considering particle collisions in viscous fluids should be included. The DPM model is selected as the best alternative for cuttings transport problems. A sensitivity analysis focused on the ef- fect of eccentricity on vertical particle transport is finally conducted to demonstrate which information can be extracted. This one confirms faster transport in concentric systems.

Das Auffahren von Bohrlöchern ist anspruchsvoller geworden, da zunehmend unter Umgebungsbedingungen mit höheren Drücken und Temperaturen (High Pressure-High Temperature - HPHT) gearbeitet wird. Zusätzlich erschwerend werden große Teile der Bohrungen schräg oder vertikal ausgeführt. Die etablierte Modelle zur Bestimmung der Volumenströme und Bohrflüssigkeitseigenschaften basieren auf empirischen Annahmen. Sie sind nur für bestimmte Betriebsbedingungen geeignet und beruhen auf der Annahme stationärer Zustände. Damit vernachlässigen sie viele Bohrlochphänomene. In den letzten beiden Jahrzehnten haben transiente Modelle, die systemrelevante Wirkmechanismen beschreiben, eine Verbreitung erfahren. Diese Modelle erfordern ein genaues Verständnis der im Bohrloch auftretenden Phänomene. Mit hochauflösenden numerischen Modellen kann dieses Verständnis erreicht werden. In dieser Arbeit werden sowohl die zur Validierung nötigen experimentellen Daten als auch die Bewertungen hochauflösender numerischer Modelle des Bohrkleintransport erarbeitet. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird der Versuchsaufbau, eine vertikale “flow-loop” mit Bohrloch-Suspension zur Generierung von experimentellen Daten, vorgelegt. Der Versuchsaufbau besteht aus einem 64 mm dicken und 2.000 mm langen Rohr, medizinischem Weißöl- und kugelförmigen Glas-Partikel mit Durchmessern von 2 bis 6 mm. Das System stellt physikalische Phänomene ähnlich des Bohrkleintransport dar. Die “Particle Image Velocimetry” (PIV) und “Particle Tracking Velocimetry” (PTV) Techniken werden implementiert, um Geschwindigkeitsprofile von Fluid und Partikeln zu gewinnen sowie Histogramme der Partikelpositionen monound bidisperser Suspensionen. Dies wird durch den Abgleich des Brechungsindex von disperser und kontinuierlicher Phase sowie des Rohrmaterials erreicht. Die Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Auftriebskraft für die Konfiguration der Partikelverteilung über den Rohr-Querschnitt. Diese Kraft bewirkt Partikelansammlungen an spezifischen radialen Positionen. Darüber hinaus wird in bidispersen Systeme eine erheblicher Impulsaustausch zwischen den betrachteten Partikeln beobachtet. Der rechnerische Teil der Arbeit betrachtet die Simulation der “two-fluid”- Methode und des “Discrete Particle Model” (DPM) und überprüft ihre Gültigkeit für die Vorhersage des Bohrkleintransport. Die “two-fluid” Methode zeigt eine gute Übereinstimmung mit Experimenten mit monodispersen Systemen und liefert eine Erklärung für die in den Experimenten beobachteten Partikelansammlungen. Für polydisperse Systeme ist die “two-fluid”- Methode jedoch nicht geeignet. Auf der anderen Seite ist das hier implementierte DPM-Modell in der Lage experimentelle Ergebnisse bisdisperser Systeme für Volumenkonzentrationen bis zu 3% zu reproduzieren. Für höhere Konzentrationen sollten erweiterte Modelle mit der Betrachtung von Teilchenkollisionen in viskosen Flüssigkeiten aufgenommen werden. Das DPM-Modell wird ausgewählt als die beste Alternative für Bohrklein-Transportprobleme. Für den Einfluss der Exzentrizität auf den vertikalen Partikeltransport wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Die Analyse zeigt, dass die Auftriebskraft einen besseren Partikeltransport bewirkt, als den unter der Annahme homogener Partikelverteilung, die typischerweise in die Bohrtechnik angenommen wird, vorhergesagten.

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Aragall Tersa, Roger: Improvements of cuttings transport models through physical experiments and numerical investigations of solid-liquid transport. 2016.

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