Simulação numérica de escoamentos  turbulentos particulados no fundo de poços em perfuração

Puelles, Sammy Cristopher Paredes

Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39769

ORCID:	http://orcid.org/0000-0001-9827-6934
Document type:	Tese
Access type:	Acesso Aberto
Title:	Simulação numérica de escoamentos turbulentos particulados no fundo de poços em perfuração
Alternate title (s):	Numerical simulation of particulate turbulent flows at the bottom holes in drilling Simulación numérica de flujos turbulentos particulados en fondo de pozos en perforación
Author:	Puelles, Sammy Cristopher Paredes
First Advisor:	Padilla, Elie Luis Martínez
First member of the Committee:	Morales, Rigoberto Eleazar Melgarejo
Second member of the Committee:	Camacho, Ramiro Gustavo Ramirez
Third member of the Committee:	Guimarães, Gilmar
Fourth member of the Committee:	Vedovoto, João Marcelo
Summary:	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.
Keywords:	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
Area (s) of CNPq:	CNPQ::ENGENHARIAS CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject:	Engenharia mecânica
Language:	por
Country:	Brasil
Publisher:	Universidade Federal de Uberlândia
Program:	Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote:	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.
Document identifier:	http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.554
URI:	https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/39769
Date of defense:	23-Nov-2023
Sustainable Development Goals SDGs:	ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:	TESE - Engenharia Mecânica

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