Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29466
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-8047-9810
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem e Simulação Numérica de Escoamentos Simplificados no Fundo de Poço em Perfuração
Alternate title (s): Modeling and Numerical Simulation of a Simplified Downhole Flow
Author: Borges, Jonatas Emmanuel
First Advisor: Souza, Francisco José de
First coorientator: Padilla, Elie Luis Martínez
First member of the Committee: Souza, Leandro Franco de
Second member of the Committee: Cunha, Francisco Ricardo da
Third member of the Committee: Santos, Daniel Dall'Onder dos
Fourth member of the Committee: Santos, Marcelo Braga dos
Summary: Na presente tese apresenta-se a modelagem e simulação de escoamentos turbulentos no fundo de poço, utilizando o método de fronteira imersa para modelar a geometria proposta. Neste escoamento o fluido de perfuração é bombeado através da coluna de perfuração e ejetado pelo bocal, representado por uma contração abrupta. O jato proveniente do bocal impacta o fundo de poço, escoa radialmente sobre a superfície do fundo do poço e retorna pelo canal anular. Uma estrutura toroidal característica do problema é formada no fundo do poço. Como ferramenta de estudo, foi empregada uma plataforma numérica em desenvolvimento com estrutura de dados paralela para solução das equações de Navier-Stokes. As equações foram discretizadas espacialmente pelo método de volumes finitos, com as derivadas dos termos difusivos aproximadas por diferenças-centradas (segunda ordem). A discretização temporal empregou o esquema de Adams-Bashforth de segunda ordem (explícito). O acoplamento pressão-velocidade foi realizado através do método do passo fracionado composto de dois passos. A metodologia de simulação das grandes escalas foi também empregada para simulação numérica de escoamentos turbulentos, considerando o modelo sub-malha dinâmico. Partículas foram adicionadas ao fundo de poço através da abordagem euleriana-lagrangiana considerando o acomplamento de uma via. Foram analisadas a influência da vazão volumétria e da rotação no escoamento de fundo de poço. Os resultados evidenciaram que no domínio interno o perfil característico da velocidade overshoot é encontrado no plano da contração e a jusante deste plano, sendo este perfil modificado com o aumento da rotação e deixando de existir para maiores valores de rotação. A estrutura toroidal no fundo do poço tem sua dimensão aumentada com o incremento de Reynolds e devido a essa estrutura, o escoamento encontra-se limitado a canais estreitos sobre a superfície do fundo do poço e paredes laterias. Houve incremento do pico da pressão sobre a superfície impactada e da força de impacto com o aumento da vazão volumétria. O aumento da rotação não traduziu em um aumento do pico de pressão e da força de impacto, pois as linhas de corrente se expandem rapidamente quando o jato é ejetado.
Abstract: In the present thesis the modeling and simulations of turbulent in downhole flow are presented, using the immersed boundary method to model immersed bodies. In this work, the fluid is injected through the drill pipe and then acclerated by the nozzle. As the fluid discharges from the nozzle, a high speed jet is generated in the downhole region, the fluid then impinges the bottomhole surface and finally flows out the downhole region through the annulus. The nozzle is represented by a sudden contraction. Due to the geometry of the problem, a toroidal vortex takes place. The numerical platform which has a parallel distributed-memory implementation to solve the Navier-Stokes equations. The equations are discretized using the finite volume method. Both advective and diffusive terms are advanced explicitly using and Adams-Bashorth scheme, and the spatial derivatives are discretized using central differencing scheme in a staggered arrangement. The pressure and velocity are coupled using an explicit fractional time-step method. The dynamic subgrid-scale used in large-eddy simulation was implemented. Particles were added in the sidewall near bottomhole surface through the euler-lagrange approach considering one-way coupling. The influence of the flow rates and rotational speeds was evaluated. The characteristic velocity overshoot was found in the contraction plane and immediately downstream. In the rotating cases, the velocity profiles at the contraction plane changes; additionally, for high rotational speeds, the characteristic velocity overshoot does not exhibit neither at the contraction plane nor immediately downstream of it. Due to the geometry of the problem, a toroidal vortex takes place and it grows as the Reynolds number increases and narrow channels are formed on bottomhole surface and near the sidewall; The impact force and the peak pressure on the impacted surface increases with increasing flow rates. As the fluid approaches the bottomhole the streamlines are overlapping and the impact force decreases with increasing rotational speeds.
Keywords: Escoamento no fundo de poço
Downhole flow
Método de fronteira imersa
Immersed boundary method
Simulação de grandes escalas
Large eddy simulation
Abordagem euleriana−lagrangiana
Euler−lagrange approach
Acomplamento de uma via
One-way coupling
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: BORGES, Jonatas Emmanuel. Modelagem e simulação numérica de escoamentos simplificados no fundo de poços de perfuração. 2020. 185 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2020. Disponível em: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.162.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2020.162
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29466
Date of defense: 24-Apr-2020
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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