Publicação: Simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados no fundo de poços em perfuração
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Resumo
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.
Abstract
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.
Palavras-chave
Escoamentos turbulentos particulados no fundo de poço, Bottom hole particulate flow, Método de Fronteira Imersa, Immersed Boundary Method, Simulação de grandes estruturas, Large Eddy Simulation, Abordagem Euler-Lagrange, Euler-Lagrange approach, Acoplamento de uma e duas vias, One-way and two-way coupling, Colisão partícula-parede, Particle-wall collision
Citação
PUELLES, 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.