Mô hình hóa quá trình vận chuyển mùn khoan trong giếng khoan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ NGUYỄN HẢI NAM MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG GIẾNG KHOAN Chuyên ngành: Kỹ Thuật Dầu Khí Mã số: 60520604 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, Tháng 1/2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ NGUYỄN HẢI NAM MSHV: 1570780 Ngày, tháng, năm sinh: 06/04/1992 Nơi sinh: Bình Định Chun ngành: Kỹ thuật Dầu khí Mã số : 60520604 I TÊN ĐỀ TÀI : MÔ HÌNH HĨA Q TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG GIẾNG KHOAN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Hệ thống hóa sở lý thuyết vận chuyển mùn khoan giếg khoan ngang Mô tả chất vật lý trình vận chuyển lắng đọng mùn khoan giếng khoan ngang Mơ hình hóa q trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan Áp dụng mơ hình để mơ tả q trình vận chuyển lắng đọng giếng khoan ngang thí nghiệm có III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) i Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực Bộ môn Khoan – Khai thác, Khoa KT Địa chất & dầu khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM Em xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn tận tình thầy TS Mai Cao Lân suốt thời gian làm việc, nghiên cứu thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, chuyên gia Viện Nghiên Cứu Khoa Học Thiết Kế Dầu Khí Biển (NIPI) – Vietsovpetro nhiệt tình giúp đỡ em thời gian thực luận văn Luận văn đƣợc hoàn thành nhờ phần lớn tình cảm ngƣời thầy, ngƣời anh q trình cơng tác Bộ mơn Khoan – Khai thác Cảm ơn gia đình ln bên cạnh hỗ trợ tinh thần, vật chất cho suốt thời gian qua Sự giúp đỡ giúp em suốt thời gian học tập làm việc sau Học viên thực Lê Nguyễn Hải Nam Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 TÓM TẮT LUẬN VĂN Cơng tác khoan giếng ngang, giếng có góc nghiêng lớn gặp phải nhiều khó khăn làm ảnh hƣởng đến tính hiệu giếng khoan, gây nhiều tổn thất thời gian chi phí Một khó khăn việc vận chuyển mùn khoan đƣợc tạo đáy giếng khoan lên bề mặt nhƣ làm mùn khoan giếng tránh xảy tai biến nhƣ kẹt cần, sập lở thành hệ,…Q trình tuần hịan dung dịch giếng, vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang thực tế phức tạp chịu ảnh hƣởng nhiều yếu tố Việc nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng, khảo sát lắng đọng mùn khoan, hiệu loại dung dịch khoan làm giếng khoan đƣợc tiến hành Việt Nam giới Các nghiên cứu dung dịch khoan đƣợc thực với yêu cầu sở vật chất, điều kiện thí nghiệm cao, Liên Doanh Việt-Nga Vietsovpetro tiến hành thực thí nghiệm, nghiên cứu có liên quan Tại Trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM, nghiên cứu trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan dầu khí hạn chế, đặc biệt cho giếng khoan ngang Các khảo sát trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang nhƣ sở lý thuyết dung dịch khoan đƣợc hệ thống phần đầu luận văn Trong phần tiếp theo, mơ hình số đƣợc xây dựng nhằm mô tả chất vật lý trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang thơng qua định luật bảo tồn khối lƣợng bảo toàn động lƣợng Các giả thiết tính liên tục pha bên khoảng khơng vành xuyến đƣợc áp dụng nhằm đơn giản hóa việc tính tốn nhƣng giữ đƣợc chất vật lý tƣợng Tƣơng tác pha đƣợc mơ tả thơng qua thành phần mơ hình Một cấu trúc hình học đại diện cho khoảng khơng vành xuyến đƣợc giới hạn thành giếng cần khoan đƣợc xây dựng, với điều kiện mơ hình hình học khơng gian ba chiều đƣợc thiết lập cho phù hợp với thực tế Kết đạt đƣợc lắng đọng mùn khoan dọc theo thân giếng khoan đƣợc ghi nhận cách trực quan hình ảnh Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 không gian ba chiều, nhƣ thay đồi lắng đọng hiệu vận chuyển mùn khoan thay đổi thông số ảnh hƣởng Luận văn cơng trình nghiên cứu mơ hình hóa q trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang đƣợc thực Khoa KT Địa chất & Dầu khí, tạo tiền đề cho nghiên cứu việc mơ hình hóa q trình vận chuyển mùn khoan nói riêng, cơng tác khoan nói chung Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG GIẾNG KHOAN NGANG 16 1.1 Vận chuyển mùn khoan giếng khoan dầu khí 16 1.2 Vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang 18 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến khả vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang 20 1.4 Kết luận 25 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG GIẾNG KHOAN NGANG 26 2.1 Lý thuyết chuyển động dung dịch khoan 26 2.2 Vấn đề liên quan đến hạt rắn 31 2.3 Mơ hình lắng đọng dung dịch khoan giếng ngang 33 CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN 52 3.1 Mơ tả tính liên tục pha khoảng không vành xuyến 52 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 3.2 Mô tả chuyển động pha lỏng (dung dịch) 54 3.3 Mô tả chuyển động pha rắn 55 3.4 Tƣơng tác pha vấn đề khác có liên quan 56 CHƢƠNG 4: ÁP DỤNG MƠ HÌNH CHO QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN MÙN KHOAN TRONG GIẾNG KHOAN NGANG 62 4.1 Quy trình tiến hành 62 4.2 Tạo cấu trúc hình học 63 4.3 Chia lƣới cho cấu trúc hình học 66 4.4 Thiết lập mô hình 69 4.5 Kết nhận xét 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 101 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1-1 Hệ thống tuần hồn dung dịch thơng thƣờng [8] 16 Hình 1-2 Mùn khoan lắng đọng giếng khoan ngang [4] 18 Hình 1-3 Những yếu tố ảnh hƣởng đến trình vận chuyển mùn khoan [5] 21 Hình 1-4 Ảnh hƣởng góc nghiêng lên vận tốc vành xuyến tới hạn [6] 22 Hình 2-1 Các mơ hình lƣu biến thƣờng đƣợc sử dụng cho dung dịch khoan 29 Hình 2-2 Mùn khoan di chuyển khoảng không vành xuyến [18] 34 Hình 2-3 Hình mơ tả hình dạng mơ hình lớp đƣờng ống ngang [16] 36 Hình 2-4 Mơ tả mùn khoan lắng đọng giếng khoan [10] 42 Hình 2-5 Các yếu tố mơ hình học ba lớp [10] 43 Hình 2-6 Các lực tác động lên hạt giếng ngang [10] 48 Hình 4-1 Quy trình tiến hành xây dựng mơ hình 62 Hình 4-2 Cấu trúc hình học khoảng khơng vành xuyến 63 Hình 4-3 Cấu trúc hình học đoạn ống khơng gian 64 Hình 4-4 Mặt vào khoảng không vành xuyến 64 Hình 4-5 Mặt khoảng khơng vành xuyến 65 Hình 4-6 Thành ngồi khoảng khơng vành xuyến 65 Hình 4-7 Thành khoảng không vành xuyến 66 Hình 4-8 Mặt vào khoảng không vành xuyến sau chia lƣới 67 Hình 4-9 Tồn cấu trúc khoảng khơng vành xuyến đƣợc chia lƣới 67 Hình 4-10 Thông số tọa độ khoảng không vành xuyến khơng gian 68 Hình 4-11 Thơng số ô lƣới 68 Hình 4-12 Các thơng số mơ hình 69 Hình 4-13 Xây dựng mơ hình cho trình vận chuyển mùn khoan khoảng không vành xuyến 70 Hình 4-14 Thiết lập pha 72 Hình 4-15 Thiết lập pha rắn 73 Hình 4-16 Điều kiện biên mơ hình khoảng khơng vành xuyến 74 Hình 4-17 Vận tốc mặt vào pha 75 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 Mật độ tập trung tối đa mùn khoan 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 ft/s ft/s RPM ft/s 50 RPM ft/s 100 RPM Hình 4-40 Biểu đồ thể ảnh hưởng vận tốc vào tốc độ quay cần đến mật độ mùn khoan tối đa Khi vận tốc vào tăng tốc độ quay cần tăng, mật độ mùn khoan tập trung đáy giếng giảm, dẫn đến hiệu làm giếng tăng 92 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Quá trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang phức tạp chịu ảnh hƣởng nhiều yếu tố Việc nghiên cứu nhiều hạn chế đòi hỏi sở vật chất điều kiện thực tế Luận văn đã: - Mô tả chất vật lý tƣợng mùn khoan di chuyển khoảng không vành xuyến tác động lực lên hạt thông qua định luật vật lý Sử dụng cách tiếp cần Euler-Euler mơ hình hóa chuyển động hai pha khoảng không vành xuyến - Dung dịch khoan di chuyển với vận tốc khác có khả mang hạt mùn khoan khác Mùn khoan di chuyển khoảng không vành xuyến có xu hƣớng lắng xuống tác động trọng lực - Lớp lắng đọng mùn khoan thân giếng đƣợc thể trực quan thơng qua mơ hình không gian ba chiều, thể đƣợc bề dày lớp lắng đọng, nhƣ lớp mùn khoan khác nhau, thay đổi vận tốc dung dịch thay đổi Vận tốc dung dịch cao hiệu làm mùn khoan vận chuyển mùn khoan tốt - Mơ hình thể đƣợc độ nhớt dung dịch giúp mùn khoan lơ lửng khoảng không vành xuyến, giá trị vận tốc dung dịch vào thấp, lớp lơ lửng hơn, mùn khoan chủ yếu tập trung dƣới - Bên cạnh đó, mơ hình thể đƣợc ảnh hƣởng tốc độ quay cần hiệu làm mùn khoan thân giếng, tăng tốc độ quay khả làm cho mùn khoan lơ lửng tăng, lớp lắng đọng mùn khoan giảm Điều phù hợp với điều kiện thực tế cần khoan phải quay nhằm tránh tƣợng kẹt cần mùn khoan - Mật độ tập trung mùn khoan lƣợng mùn khoan lắng đọng đáy giếng giảm tăng tốc độ dung dịch tốc độ quay cần 93 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 KIẾN NGHỊ Từ trình nghiên cứu thực luận văn, số kiến nghị đƣợc đề suất: - Nghiên cứu, khảo sát cấu trúc giếng sát với thực tế Kết hợp với việc thực thí nghiệm thực tế phịng thí nghiệm nhằm khảo sát độ nhớt, tính chất loại dung dịch khác Giúp xây dựng mơ hình xác - Trong thực tế, tâm cần khoan tâm lỗ khoan khơng trùng nhau, cần xem xét ảnh hƣởng lệch tâm đếnh hiệu vận chuyển mùn khoan thân giếng - Khi khoan giếng khoan dầu khí, mùn khoan đƣợc tạo với hình dạng kích thƣớc khác nhau, điều cần đƣợc nghiên cứu mơ hình hóa kỹ mơ hình - Mơ hình cho phép việc mơ hình hóa ảnh hƣởng nhiệt độ ứng xử chất lƣu mơ hình, điều cần đƣợc quan tâm nghiên cứu sau để giúp mơ hình hóa q trình vận chuyển mùn khoan điều kiện thực tế - Mơ hình sử dụng luận văn mơ hình hai loại vật liệu dung dịch mùn khoan dƣới dạng hai chất lƣu, phát triển theo hƣớng mơ tả mùn khoan dƣới dạng hạt rắn, xác 94 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J J , P J O E Z R Ford, "Experimental Investigation of Drilled Cuttings Transport in Inclined Boreholes," in the 65 Annual Technical Conference, New Orleans, 1990 [2] T B T.R SIHerman, "Hole Cleaning in Full·Scale Inclined Wellbores," SPE Drilling Engineering, 1992 [3] P H I A W & A J J Tomren, "Experimental study of cuttings transport in directional wells.," SPE Drilling Engineering, vol 1(1), no doi:10.2118/12123-PA, pp 43-56, 1986 [4] S M M Y N T a R A Mingqin Duan, "Critical Conditions for Effective SandSized Solids Transport in Horizontal and High-Angle Wells," SPE Drilling & Completion, vol 24, no SPE 106707-PA, 2009 [5] J F a M O J.M Peden, "Comprehensive Experimental Investigation of Drilled Cuttings Transport in Inclined Wells Including the Effects of Rotation and Eccentricity," Society of Petroleum Engineers, no SPE 20925, 1990 [6] D Nguyen and S.S Rahman, "A Three-Layer Hydraulic Program for Effective Cuttings Transport and Hole Cleaning in Highly Deviated and Horizontal Wells," in IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference, Kualalumpur, Malysia, 1996 [7] P Đ Thiên, Nghiên cứu dòng chất lƣu giếng để nâng cao hiệu khoan, Hà Nội: Đại học Mỏ - Địa chất, 2012 [8] D V A N C J M H.H Rodriguez J.B Ramirez, "Annular flow analysis by tracers in drilling operations," Journal of Petroleum Science and Engineering, vol 41, no 95 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 4, pp 287-296, 2004 [9] K M M C & F Y J A.T Bourgoyne Jr, Applied Drilling Engineering, SPE Textbook Series Vol.2 [10] T N a G Hareland, "Review of cuttings transport in Directional well drilling: Systematic Approach," in SPE Western Regional Meeting, California, USA, 2010 [11] P S S J A Ramadan, "A mechanistic model to determine the critical low velocity required to initiate the movement of spherical bed particals in inclined channels," Chemical Engineering Science , vol 58, pp 2153-2163, 2003 [12] I F Larsen, A study of critical fluid velocity in cuttings transport for inclined wellbores, MSc Thesis, 1990 [13] S Chien, "Settling velocity of irregulary shaped particles," SPE Drilling Completion, vol 9, pp 281-289, 1994 [14] L Moore, Drilling Practices Manual, Tulsa, OK: petroleum Publishing Co., 1974 [15] A I J A P.H Tomren, "Experimental Study of Cuttings Transport in Directional Wells," SPE Drilling Engineering, 1986 [16] J M , F J a O M B Peden, "Comprehensive Experimental Investigation o f Drilled Cuttings Transport in Inclined Wells Including the Effects o f Rotation and Eccentricity," in The Europec 90, Hague, Netherlands, 1990 [17] U C Tobena, Hole cleaning and hydraulics, Master thesis, University of Stavanger, 2010 [18] S N S a S O O Huyn Cho, "A Three-Layer Modeling for Cuttings Transport with Coiled Tubing Horizontal Drilling," in SPE Annual Technical Conference and Exhibition , Dallas, Texas, USA, 2000 96 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 [19] A A J J S S A Pilehvari, "State-of-the-art cuttings transport in horizontal wellbores.," in SPE Drilling & Completion, 14 (3), doi:10.2118/57716-PA, 1999, pp 196-200 [20] Y B N K E Li, "Numerical modelling of cuttings transport in horizontal wells using conventional drilling fluids," Journal of Canadian Petroleum Technology, vol 7, no doi: 10.2118/07-07-TN, p 46, 2007 [21] N P B P A W A Brown, "leaning deviated holes: New experimental and theoretical studies.," in SPE/IADC Drilling Conference, New Orleans, Louisiana, 1989 [22] L J W I C Leising, "Cuttings-Transport Problems and Solutions in Coiled-Tubing Drilling," SPE Drilling & Completion, Vols 17(SPE 77261-PA), no doi: 10.2118/77261-PA, pp 54-66, 2002 [23] V C M G E Kelessidis, "Hydraulic parameters affecting cuttings transport for horizontal coiled tubing drilling.," in The 7th National Congress on Mechanics, Chania, Greece, 2004 [24] L J Walker S, "The effects of particles size, fluid rheology and pipe eccentricty on cutting transport," 2000 [25] C A & R M C Shook, Slurry flow : principles and practice, Boston: ButterworthHeinemann., 1991 [26] N B Egenti, Understanding Drill-cuttings Transportation in Deviated and Horizontal Wells., 2014 [27] A T R W & S A Rabenjafimanantsoa, "Flow regimes over particle beds : experimental studies of particle transport in horizontal pipes.," [S.l.]: The Nordic Theology Society, 2005 97 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 [28] J & K R Best, "An experimental study of turbulent flow over a low‐ angle dune," Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), vol 107(C9), pp 18-11-1819., 2002 [29] C T S J D S M & T Y Crowe, Multiphase Flows with Droplets and Particles, Second Edition (2nd ed ed.), Hoboken: Taylor and Francis., 2011 [30] A a R M Kamp, "Layer Modeling for Cuttings Transport in Highly Inclined Wellbores," in the 1999 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Caracas, 1999 [31] P a B D Doron, "A Three-Layer Model for Solid-Liquid Flow in Horizontal Pipes," Int J Multiphase Flow , vol 19 (6), pp 1029-1043 [32] A a T H lyoho, "odeling Unstable Cuttings Transport in Horizontal, Eccentricl Wellbores," SPE Paper 27416, 1993 [33] P G D , a B D Doron, "Slurry Flow in Horizontal Pipes Experimental and Modeling," International Journal o f Multiphase Flow, vol 13, pp 535-547, 1987 [34] H K & M W Versteeg, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method, Pearson Education Ltd, 2007 [35] I Ansys, Ansys Fluent Theory Guide Ver 16, 2014 [36] D B R & D J Gidaspow, "1992," in The 7th international conference on fluidization, Gold Coast, Australia, Hydrodynamics of circulating fluidized beds: kinetic theory approach [37] C K K S S B J D J & C N Lun, "Kinetic theories for granular flow: inelastic particles in Couette flow and slightly inelastic particles in a general flow field.," Journal of Fluid Mechanics, vol 140, no doi: 10.1017/S0022112084000586, pp 98 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 223-256, 1984 [38] C & Y Y H Wen, "Mechanics of fluidization," in Chem Eng Prog Symp Ser, 1966 [39] S Ergun, "Fluid flow through packed columns.," Chem Eng Prog., vol 48(2), pp 89-94, 1952 [40] Y a S S Zhou, "Fluid Flow in Coiled Tubing: CFD Simulation.," in The Canadian International Petroleum Conference, Calgary, Alberta, Canada,, 2003 [41] B C Alliance, "Drilling Smarter: Using Directional Drilling to Reduce Oil and Gas Impacts in the Intermountain West," 2003 [42] T Inglis, Directional Drilling Vol 2, Springer Science & Business Media, 1988 [43] T X Đào, Tuyển tập cơng trình khoa học kỷ niệm 40 năm thành lập Vietsovpetro, 2006 [44] L L a M R.F., Petroleum Engineering Handbook Volume II, Society of Petroleum Engineers, 2006 [45] B Rishi, M Stefan, K Ergun, B Peter and S Arild, "Selecting Drilling Fluid Properties and Flow Rates for Effective Hole Cleaning in High-Angle and Horizontal Wells.," in SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dalas, Texas, USA, 2000 [46] I F d P M Martin, S E A C Georges, P B Total-CFP and G d F and O Konirsch, "Transport of Cuttings in Directional Wells," in SPEIIADC 1987 Drilling Conference, New Orleans, LA, 1987 [47] M Kamyab, Cuttings Transportation in Coiled Tubing Drilling for Mineral Exploration, PhD Thesis, Perth, AUS: Curtin University, 2014 99 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 [48] R A Tersa, Improvements of cuttings transport models through physical experiments and numerical investigations of solid-liquid transport, ISBN 978-386948-498-3, 2015 [49] M R W & O T J Syamlal, MFIX documentation: Theory guide Technical Note, DOE/METC-94/1004, NTIS/DE94000087, Springfield, VA: National Technical Information Service, 1993 [50] T N a G Harland, "Review of cuttings transport in directional well drilling: Systematic Approach," in SPE Western Regional Meeting, California, USA, 2010 100 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 PHỤ LỤC MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CFD – COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS Khái niệm CFD CFD-Computational Fluid Dynamics: Đây lĩnh vực khoa học sử dụng phƣơng pháp số kết hợp với công nghệ mô máy tính để giải tốn liên quan đến yếu tố chuyển động môi trƣờng, đặc tính lý hóa q trình mơi trƣờng xét, đặc tính sức bền mơi trƣờng, đặc tính nhiệt động, đặc tính động học, hay đặc tính động lực học khí động lực học, đặc tính lực, đặc tính lực moment tƣơng tác môi trƣờng với phụ thuộc vào đối tƣợng phạm vi cụ thể vấn đề, lĩnh vực khoa học mà CFD ứng dụng đƣợc Những khía cạnh vật lý dịng lƣu chất đƣợc kiểm sốt ba nguyên lý sau: Bảo toàn khối lƣợng F = ma (định luật Newton) Bảo toàn lƣợng Những nguyên lý biểu thị dƣới dạng số hạng phƣơng trình tốn học, mà dạng tổng qt chúng phƣơng trình đạo hàm riêng Tính tốn động lực học lƣu chất thuật thay phƣơng trình đạo hàm riêng chủ đạo dịng lƣu chất số đƣa số vào không gian thời gian để nhận đƣợc mô tả số cuối trƣờng dòng chảy đầy đủ cần quan tâm Vai trò ứng dụng CFD kỹ thuật Vai trò CFD dự báo kĩ thuật công nghiệp trở nên mạnh đến mức ngày đƣợc nhìn nhận nhƣ “hƣớng thứ ba” động lực học lƣu chất, hai hƣớng khác trƣờng hợp cổ điển thực nghiệm túy lý thuyết túy Từ năm 1687, với công bố Principia Isaac Newton năm 1960, tiến lƣu chất đƣợc thực cách kết hợp với thực nghiệm tiên 101 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 phong phân tích lý thuyết bản- phân tích mà hầu nhƣ yêu cầu sử dụng mô hình dịng đơn giản đề nhận đƣợc lời giải dạng khép kín phƣơng trình chủ đạo Những lời giải dạng khép kín có lợi bật đồng vài tham số toán cho, thể rõ câu trả lời cho toán bị ảnh hƣởng biến đổi tham số nhƣ Tuy nhiên chúng có bất lợi khơng đƣa đƣợc q trình vật lý cần thiết dịng Với khả kiểm sốt phƣơng trình chủ đạo dạng xác với việc xem xét tƣợng vật lý chi tiết nhƣ phản ứng hóa học mức độ hạn chế, CFD nhanh chóng trở thành cơng cụ phổ biến phân tích kỹ nghệ Ngày nay, CFD hỗ trợ bổ sung thực nghiệm túy lần lý thuyết túy, quan điểm nhà nghiên cứu, CFD đƣợc coi hƣớng thứ ba động lực lƣu chất, có dáng vóc tầm quan trọng nhƣ thực nghiệm lý thuyết Nó có vị trí cố định tất khía cạnh động lực học lƣu chất, từ nghiên cứu đến thiết kế kỹ nghệ Ứng dụng CFD: CFD đƣợc phát triển, ứng dụng mang lại hiệu cao lĩnh vực học môi trƣờng chất lƣu (khí, lỏng, plasma, ) mơi trƣờng biến dạng, đàn hồi Trên thực tế, CFD đƣợc ứng dụng rộng rãi vào nghành khoa học tiên tiến công nghệ cao nhƣ nghành khoa học phục vụ dân sinh Chẳng hạn, CFD đƣợc ứng dụng mô chuyển động tàu vũ trụ với vận tốc siêu dòng chảy bao nhƣ yếu tố khí động tác dụng lên vật thể bay nói chung CFD đƣợc úng dụng vào nghành đại dƣơng học để mơ tìm quy luật dịng biển nóng , lạnh tác động chúng lên khí hậu tồn cầu, CFD đƣợc ứng dụng y tế để mơ q trình hồn lƣu máu hai vịng tuần hồn, ảnh hƣởng yếu tố bên trong, bên lên nhịp đập nhƣ sức khỏe nội tạng nói riêng, tồn thể nói chung Thật khó kể hết phạm vi ứng dụng CFD, dƣới ta liệt kê lĩnh vực mà CFD đóng vai trị nhƣ cơng cụ hữu hiệu khơng thể thiếu để nghiên cứu, ứng dụng, nhƣ phát triển chung lên cấp độ công nghiệp, mang lại nhiều thành tựu rực rỡ Đó là:  Cơ học chất lƣu thủy khí động lực học; 102 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780  Vật liệu học sức bền vật liệu;  Cơng nghiệp chế tạo máy, đóng tàu;  Năng lƣợng nguyên tử;  Công nghiệp ô tô, máy bay;  Công nghệ composite;  Xây dựng;  Cơng nghiệp dầu khí;  Ống dẫn;  Va chạm phá hủy;  Y học;  Sinh học;  Khí tƣợng thủy văn;  Thể tích kiểm sốt hữu hạn (quan điểm Euler) Xét trƣờng dịng tổng quát nhƣ đƣợc thể đƣờng dòng hình Ta tƣởng tƣợng thể tích khép kín vẽ khu vực hữu hạn dịng Thể tích xác định thể tích kiểm sốt V bề mặt kiểm soát S, xác định bề mặt khép kín bao quanh thể tích Thể tích kiểm sốt cố định khơng gian với lƣu chất chuyển động vịng qua nó, nhƣ hình a Tƣơng tự, thể tích kiểm sốt chuyển động với lƣu chất, cho hạt lƣu chất ln nó, nhƣ hình b 103 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 Trong trƣờng hợp, thể tích kiểm sốt vùng đủ lớn, hữu hạn dòng Những nguyên lý vật lý đƣợc áp dụng cho lƣu chất nằm thể tích kiểm soát, với lƣu chất cắt qua bề mặt kiểm sốt (nếu thể tích kiểm sốt cố định khơng gian) Bởi vậy, thay xem xét tồn trƣờng dịng lúc, với mơ hình thể tích kiểm soát giới hạn ý với lƣu chất vùng hữu hạn thể tích Những phƣơng trình dịng lƣu chất mà nhận đƣợc trực tiếp việc áp dụng nguyên lý vật lý cho thể tích kiểm sốt hữu hạn có dạng tích phân Những dạng tích phân phƣơng trình chủ đạo thao tác gián tiếp để nhận đƣợc phƣơng trình đạo hàm riêng Những phƣơng trình nhƣ nhận đƣợc từ thể tích kiểm sốt hữu hạn cố định khơng gian dạn tích phân dạng đạo hàm riêng, đƣợc gọi dạng bảo toàn phƣơng trình chủ đạo Những phƣơng trình nhận đƣợc từ thể tích kiểm sốt hữu hạn chuyển động với lƣu chất dạng tích phân đạo hàm riêng, đƣợc gọi dạng khơng bảo tồn phƣơng trình chủ đạo Phần tử lƣu chất vô bé (quan điểm Lagrange) Xét trƣờng dòng tổng quát nhƣ đƣợc thể đƣờng dịng hình Ta tƣởng tƣợng phần tử lƣu chất vô bé dịng, với thể tích vi phân dV Phần tử lƣu chất vô bé theo khái niệm phép tính vi phân; nhiên đủ lớn để chứa số khổng lồ phần tử để nhìn nhận nhƣ mơi trƣờng liên tục Phần tử lƣu chất cố định khơng gian với lƣu chất chuyển động vịng qua nó, nhƣ hình a Tƣơng tự, chuyển động dọc theo dịng chảy với vận tốc vector thể tích ⃗ vận tốc dịng điểm nhƣ hình b 104 Lê Nguyễn Hải Nam 1570780 Thay xét tồn dịng lúc, nguyên lý vật lý ứng dụng cho phần tử lƣu chất Ứng dụng trực tiếp dẫn tới phƣơng trình dạng phƣơng trình đạo hàm riêng Hơn nữa, phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng đặc biệt nhận đƣợc trực tiếp từ phần tử lƣu chất cố định khơng gian dạng bảo tồn phƣơng trình Những phƣơng trình nhận đƣợc trực tiếp từ phần tử lƣu chất chuyển động dạng không bảo tồn phƣơng trình chủ đạo 105 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÊ NGUYỄN HẢI NAM Ngày, tháng, năm sinh: 06/04/1992 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 332 Ngô Gia Tự, TX An Nhơn, Bình Đinh Q TRÌNH ĐÀO TẠO - Tháng 8/2010 đến tháng 4/2015 : Sinh viên quy ngành Kỹ thuật Dầu khí Bộ mơn Khoan khai thác dầu khí, Khoa KT Địa chất & Dầu khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM - Tháng 10/2015 đến nay: Học viên cao học ngành Kỹ thuật Dầu khí Bộ mơn Khoan khai thác dầu khí, Khoa KT Địa chất & Dầu khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CÔNG TÁC - Tháng 9/2015 đến : Nghiên cứu viên Bộ mơn Khoan khai thác dầu khí, Khoa KT Địa chất & Dầu khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM ... nhằm mơ hình hóa q trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang Chương 3: Mơ hình hóa q trình vận chuyền mùn khoan Trình bày cách xây dựng mơ hình mơ tả chất vật lý trình vận chuyên mùn khoan khoảng... trình vận chuyển lắng đọng mùn khoan giếng khoan ngang Mơ hình hóa trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan Áp dụng mơ hình để mơ tả q trình vận chuyển lắng đọng giếng khoan ngang thí nghiệm có... vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang Nội dung nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết dung dịch khoan vận chuyển mùn khoan giếng khoan ngang - Mơ tả chất vật lý q trình vận chuyển mùn khoan giếng khoan