Modelling and simulating the thermal interaction between the wellbore fluids and rock formation during drilling operations

Abdelhafiz, Mostafa Magdy Elsayed

In dieser Arbeit wird eine umfassende Studie über das instationäre thermische Verhalten des Bohrlochs unter verschiedenen Bohrbedingungen vorgestellt. Dazu gehören die Modellierung des Wärmeübertragung zwischen verschiedenen Teilen des Bohrlochsystems, die Untersuchung des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten im ringförmigen Abschnitt während der Rohrdrehung und die Entwicklung eines Computercodes, der die dynamische thermische Reaktion des Bohrlochsystems während verschiedener Bohrvorgänge simuliert. Basierend auf den grundlegenden Gesetzen der Thermodynamik und der Wärmeübertragung wird ein neuartiges numerisches Lösungs und Diskretisierungsschemata verwendet, um ein umfassendes thermisches Modell des Bohrlochs zu formulieren. Die Wärmebilanzgleichungen beschreiben die Wärmeübertragung zwischen den verschiedenen Komponenten des Bohrlochsystems, einschließlich der Bohrspülung, des Bohrgestänges, der Verrohrung, des Zements und der Gesteinsformation mit unterschiedlichen physikalischen und thermischen Eigenschaften. Es werden verschiedene Modellierungsverfahren für die Bohrlochtemperatur vorgestellt. Zunächst wird eine instationäre numerische Modellierung der Bohrlochtemperatur unter Verwendung einer vorgegebenen Formation durchgeführt. Zweitens wird das thermische Verhalten des Bohrlochs modelliert, indem die Wärmeleitung in der Formation berücksichtigt wird, anstatt sie mit einer konstanten Temperatur zu betrachten. Es werden mehrere Validierungs- und Verifizierungsverfahren für die vorgestellten Modelle durchgeführt. Dazu gehören theoretische, rechnerische und experimentelle Validierung einschließlich Temperaturmessungen aus Felddaten. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung in jedem der Validierungsverfahren. Außerdem zeigt das vorgestellte Modell Verbesserungen gegenüber den in der Literatur vorhandenen Modellen. Zusätzlich wurde ein Computercode entwickelt, um die dynamischen Temperaturschwankungen während des Bohrvorgangs zu simulieren. Eine Kopplung zwischen dem entwickelten Modell und einem umfassenden virtuellen Bohrsimulator DrillSIM-600 über eine Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) wird erfolgreich durchgeführt. Dies ermöglicht die Kopplung des thermischen Modells mit anderen physikalischen Modellen, was zu realistischeren Simulationen führt. Außerdem wird eine numerische Untersuchung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (CHTC) in einem ringförmigen spalt mit einem inneren rotierenden Zylinder durchgeführt. Die Simulationsparameter sind so ausgelegt, dass sie die Spezifikation der tatsächlichen Bohrparameter erfüllen. Dazu gehören die Durchflussmenge, die Drehzahl und das Ringspaltverhältnis. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Rohrinnenrotation auf die CHTC oberhalb eines kritischen Wertes der Taylor-Zahl $(Ta)$. Das Modell zeigt auch eine breite Palette von Anwendungen, die über die Temperaturvorhersage beim Bohren hinausgehen. Es ist in der Lage, die Leistung eines koaxialen Erdwärmetauschers (CO-BHE) vorherzusagen. Ein direkter Vergleich zwischen den simulierten Ergebnissen und der gemessenen Temperatur des CO-BHE in Asker-Norwegen zeigte eine genaue Vorhersage der CO-BHE-Leistung. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse besteht ein gutes Potenzial für die Nutzung des vorgeschlagenen Modells für die Simulation komplexerer geothermischer Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die weiter entwickelt werden müssen. Die Kopplung zwischen dem thermischen Bohrlochmodell und der Strömung und dem Transport im Modell der porösen Medien ermöglicht die Untersuchung weiterer geothermischer Systeme wie des konventionellen offenen Doppelbrunnensystems und des erweiterten geothermischen Systems.

This work presents a comprehensive study on the transient thermal behaviour of a wellbore during different drilling conditions. This includes modelling the heat transfer between various parts in the wellbore system, investigation of the convective heat transfer coefficient in the annular section during pipe rotation, and developing a computer code that simulates the dynamic thermal response of the wellbore system during various drilling operations. Based on the basic laws of thermodynamics and heat transfer, a novel numerical solution and discretization scheme is utilized to formulate a comprehensive wellbore thermal model. The thermal balance equations describe the heat transfer between the various components of the wellbore system including the drilling fluid, drill string, casing strings, cement, and rock formation with different physical and thermal properties. Different modelling techniques of the wellbore temperature are presented. First, the transient heat transfer in the wellbore using a prescribed formation temperature is considered. Second, modelling of the thermal wellbore behaviour is performed by including the conduction in the formation instead of considering it with a constant temperature. Several validations and verification procedures for the presented models are performed. This includes theoretical, computational and experimental validation including temperature measurements from field data. The results show good agreement in each one of the validation procedures. Furthermore, the presented model shows improvement over the existing models in the literature. Additionally, a computer code is developed to simulate the dynamic temperature variations during drilling operations. A coupling between the developed model and a comprehensive virtual drilling simulator DrillSIM-600 through an application programming interface (API) is successfully performed. This allows the coupling of the thermal model with other physical models, which leads to more realistic simulations. Besides, a numerical investigation on the convective heat transfer coefficient (CHTC) in an annular cavity with an inner rotating cylinder are conducted. The simulation parameters are designed to meet the specification of actual drilling parameters. This included the flow rate, rpm and annular gap ratio. The results show a significant effect of the inner pipe rotation on CHTC above a critical value of Taylor Number $(Ta)$. The model also shows a wide range of applications, other than temperature prediction in the drilling operations. It is able to predict the performance of a coaxial borehole heat exchanger (CO-BHE). A direct comparison between the simulated results and the measured temperature from CO-BHE located in Asker-Norway showed an accurate prediction of the CO-BHE performance. Based on these results, there is a good potential to utilize the proposed model for the simulation of more complex closed-loop geothermal systems, which needs further development. Coupling between the borehole thermal model and flow and transport in the porous media model well allow the investigation of additional geothermal systems as the conventional double-well open system and the enhanced geothermal system.

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Abdelhafiz, Mostafa Magdy Elsayed: Modelling and simulating the thermal interaction between the wellbore fluids and rock formation during drilling operations. Clausthal-Zellerfeld 2022.

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