Two-Phase Flow Investigations of Gas-Kick Scenarios, Application of Computational Fluid Dynamics to Kick Analysis in Wellbores

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertationForschung

Abstract

Bei der Modellierung von plötzlichen Gaseintritten in Bohrlöchern wird oftmals von der Annahme ausgegangen, dass sich das eingetretene Gas nach Verschluss des Bohrlochs wie eine zusammenhängende Blase verhält während ihres Aufstiegs im Ringspalt. Für eine rein volumetrische Betrachtungsweise ist diese Annahme ausreichend, allerdings werden hierbei der Transport chemischer Spezies und mögliche chemische Reaktionen welche zu Korrosionsschäden am Bohrstrang führen nicht berücksichtigt. Vor allem wenn Sauergas bei der Bohrung angetroffen wird, ist es wesentlich den möglichen Schaden bedingt durch Spannungsrisskorrosion am aus hoch-festen Stählen bestehenden Bohrgestänge abzuschätzen. Folglich ist klares Verständnis der Strömungsverhältnisse, und damit verbundenen Vorgänge während eines Gaseintritts, zur besseren Einschätzung eines etwaigen Korrosionsrisikos notwendig. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein besseres Verständnis für die gegenständliche Zweiphasenströmung anhand ausgewählter Kick-Szenarien zu vermitteln. Mittels numerischer Strömungssimulation wird die Phasenverteilung und Löslichkeit des Gases berechnet. Grundsätzlich erfolgt die Auswahl eines geeigneten Zweiphasen-Modellierungsansatzes basierend auf einer a-priori Annahme der Strömungsverhältnisse. Da es sich bei einem plötzlichen Gaseintritt allerdings um ein fundamental transientes Ereignis begleitet von diversen Unbekannten handelt ist von einer Vorwegnahme oder Einschränkung des Strömungsbildes abzusehen. Der Einsatz eines hoch-auflösenden Berechnungsgitters in Verbindung mit der Volume of Fluid Methode ermöglicht eine detailreiche und uneingeschränkte Nachbildung beliebiger Strömungsmuster. Allerdings verlangt der damit verbundene erhöhte Berechnungsaufwand eine Einschränkung in der Modellgröße auf den unmittelbaren Bereich ab Bohrlochsohle. Dieser Abschnitt des Bohrlochs zeigt besondere Strömungscharakteristika aufgrund des Gaseintritts sowie der Strömungsmuster bedingt durch die Umlenkung der Bohrspülung. Verschiedene Gaseintrittsszenarien werden untersucht und Methoden zur Charakterisierung korrosionsrelevanter Strömungsparameter beschrieben. Die Bestimmung der Phasengrenzfläche zwischen Bohrspülung und Gas stellt dabei die größte Herausforderung dar. Eine möglichst genaue Bestimmung der Phasengrenzfläche ist deshalb so bedeutend, da mit ihrer Ausdehnung wesentliche Mechanismen wie Stoffübergang und chemische Reaktionen korrelieren. Die Simulationsergebnisse illustrieren das Erscheinungsbild der Zweiphasenströmung, sowie die damit verbundene Phasengrenzfläche, die lokalen Stoffaustauschkoeffizienten und die Verteilung des gelösten Gases. Die zeitliche und örtliche Änderung der Strömungsmuster im Bohrloch während eines plötzlichen Gaseintritts wird diskutiert. Der Einfluss der Dichteänderung der aufsteigenden Gases sowie der Gaslöslichkeit auf das Erscheinungsbild der Strömung wird beschrieben. Basierend auf den Erkenntnissen der Detailstudien wird ein möglicher Ansatz zur Modellierung des gesamten Bohrlochs vorgeschlagen.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Zweiphasenströmung von Gaseintrittsszenarien in Bohrlöchern mittels numerischer Strömungssimulation
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2016