مدل‌سازی عددی پدیده‌ی تولید ماسه به کمک همبسته‌سازی روش‌های اجزای مجزا و شبکه بولتزمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

پدیده تولید ماسه سالانه هزینه‌ی گزافی را به ‏صنعت نفت تحمیل می‌کند و در این پژوهش، به شبیه‌سازی عددی این پدیده پرداخته شده است. هدف از این پژوهش، علاوه بر شناخت ‏کامل‌تر سازوکار ریزمقیاس تولید ماسه در توده‌های ماسه‌ای تحکیم‌نیافته (فاقد چسبندگی)، بررسی اثرگذاری دو عامل تنش ‏همه‌جانبه و فشار سیال است. از روش های اجزای مجزا برای مدل‌سازی توده و روش شبکه‌ی بولتزمن جهت شبیه‌سازی رفتار جریان سیال از میان محیط متخلخل خاکی استفاده شد. اندرکنش جریان سیال و محیط دانه‌ای با ‏استفاده از روش مرز متحرک مستغرق همبسته گردید. با توسعه یک برنامه رایانه ای، پدیده‌ی تولید ماسه تحت جریان شعاعی سیال در دو بُعد شبیه‎سازی شد. نتایج نشان داد با افزایش مقدار تنش همه‌جانبه، مقدار ماسه‌ی تولیدی ‏و نرخ تولید ماسه افزایش می‌یابد. همچنین، پس از شروع تولید ماسه و افزایش تعداد سیکل‌های محاسباتی، بدلیل ‏تشکیل کمان ماسه‌ی پایدار در اطراف حفره‌ی مرکزی چاه، نرخ تولید ماسه در تمام نمونه‌ها کاهش می‌یابد. کمان‌های ماسه‌ای مستعد ‏فروپاشی بوده و پس از ناپایداری هریک از آن‌ها، کمان جدید با قطری بزرگ‌تر جایگزین کمان قبل می‌شود. با بررسی چگونگی تولید ماسه با مقادیر گوناگون افت فشار سیال، مشخص گردید علی‌رغم تأثیر اندک مقدار فشار سیال بر تولید ماسه در تنش‌های کم، در سطوح تنش بالا افزایش اختلاف فشار سیال سبب افزایش فرسایش ذرات (بیش از دو برابر، با افزایش 50 درصدی فشار ‏سیال) می‌شود. این ‏مطالعه نشان داد مدل همبسته‌ی اجزای مجزا - شبکه‌ی بولتزمن در حالت دوبُعدی، می تواند سازوکار حاکم بر پدیده‌ی ‏تولید ماسه را بخوبی بیان ‌کند.‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling of Sand Production Using Coupled DEM-LBM

نویسندگان [English]

  • siavosh Hohari
  • Ehsan Seyedi Hosseininia
Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad
چکیده [English]

Sand production, which is a critical phenomenon in the oil and gas well walls, is numerically investigated in this research. The main goal is to study the particulate mechanism of sand ‎‎production in unbonded assemblies and examine the effects of stress level and pressure drawdown on the ‎model. Discrete Element Method (DEM) in combination with the Lattice-Boltzmann Method (LBM) is selected to simulate the fluid flow ‎through porous media. The Immersed Moving ‎Boundary method is used to couple the DEM and LBM methods. After developing a computer ‎program, a 2D model of sand production is simulated under radial flow. The simulation results show that as the confining stress ‎increases, the number of produced particles and sand production rate increases. After the initiation of sand production, the sanding rate decreases in all models ‎due to the formation of sand arches around the central hole. These sand arches are weak and ‎usually unstable, and after the collapse of every arch, the new arch is formed and replaces the ‎previous one with a larger diameter. The results also show that the pressure drawdown has a negligible effect on sand production at low stress levels. However, at high stress levels, the increase of pressure drawdown significantly increases the number of produced particles (a 50% increase in pressure led to more than twice produced particles). It is also found that the 2D coupled DEM-LBM is a ‎promising tool to predict the mechanism that governs sand production and its main influencing ‎factors‎.

کلیدواژه‌ها [English]

  • discrete element method
  • Lattice-Boltzmann Method
  • Radial flow
  • Sand arch
  • Sand production