Experimental and Numerical Study of Newtonian and Non-Newtonian Fluid Flow in Concentric and Eccentric Annulus

Effiziente Verdrängung von Flüssigkeiten in ringförmigen Geometrien ist in der Öl- und Gasindustrie, insbesondere während der primären Zementierungsarbeiten, bei denen eine Isolierung der Zonen von entscheidender Bedeutung für die Bohrlochintegrität ist, unverzichtbar. Eine gute Verdrängung zu erreichen kann in horizontalen oder stark abgelenkten Abschnitten, in denen die Exzentrizität des Innenrohrs tendenziell hoch ist, eine Herausforderung darstellen. Denn Exzentrizität führt zu asymmetrischen Geschwindigkeitsprofilen und zu breiten und schmalen Ringraumabständen, welche den Verdrängungsvorgang signifikant beeinträchtigen und zu einer unzureichenden Entfernung der verbleibenden Bohrflüssigkeiten während des Zementiervorgangs führen können. Solche Bedingungen führen oft zu ungenauen Vorhersagen für den Druckabfall, was zu einer Überschreitung des äquivalenten Zirkulationsdichtefensters (ECD), zu Schäden an der Formation, Problemen bei der Bohrlochkontrolle oder Problemen mit der Bohrlochintegrität aufgrund einer schwachen Zementhülle durch unzureichende Entfernung der Flüssigkeit führen kann. Diese Arbeit untersucht die Druckabfallcharakteristiken und Verdrängungsvorgänge von nicht newtonschen Flüssigkeiten in konzentrischen und exzentrischen Ringräumen durch einen kombinierten experimentellen und numerischen Ansatz. Ein Labor-Flow-Loop wird verwendet, um experimentelle Daten zu vier verschiedenen Flüssigkeiten zu sammeln, welche ein Potenzgesetz und ein Herschel-Bulkley-Verhalten aufweisen. Die Ergebnisse wurden mit einer numerischen Strömungsmechanik (CFD) Replik des Flow-Loops, welche auf der bekannten Ansys Fluent Plattform entwickelt wurde, verglichen. Zusätzlich wurde ein einfach zu bedienender Rechner für den laminaren Druckabfall von Flüssigkeiten, welche durch das Herschel-Bulkley-Modell dargestellt werden können, entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Vergleichbarkeit für den laminaren Druckabfall einer einzelnen Flüssigkeit, zwischen den experimentellen Ergebnissen und den numerisch simulierten Daten. Während die Ergebnisse des Verdrängungsvorgangs eine starke Übereinstimmung hinsichtlich der Verdrängungseffizienz aufweisen, unterstreichen die Ergebnisse die Empfindlichkeit der Frontform gegenüber Abweichungen in der Exzentrizität.