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시추용 머드혼합탱크의 비뉴턴 유체 모델에 대한 교반성능의 수치해석적 연구
Numerical Study of Agitation Performance in a Drilling Mud Mixing Tank to Non-Newtonian Rheological Properties 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.6, 2014년, pp.29 - 37  

임효남 (삼성중공업 중앙연구소) ,  이희웅 (삼성중공업 중앙연구소) ,  이인수 (삼성중공업 중앙연구소) ,  최재웅 (삼성중공업 중앙연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Non-Newtonian fluid mechanics takes charge of an important role in the oil industries. Especially in the oil well drilling process, the drilling fluid such as mud keeps the drill bit cool and clean during drilling, with suspending drill cuttings and lubricating a drill bit. The purpose of this study...

주제어

#뉴턴 유체   #비뉴턴 유체   #시추용 머드 혼합 탱크   #빙햄 소성 유체   #전산유체역학   #시추설비   #교반기   #소요 동력   #토출 유용도  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 뉴턴 유체 및 비뉴턴 유체로 가정하는 경우의 소요동력의 차이, 유동 패턴, 토출 유용도와 혼합 시간 등의 교반기의 성능을 검토하였다. 이상의 검토결과, 동력 및 토크 등의 물리량과 운동량의 전달 패턴 및 분포가 다르게 계산되므로 시추 설비의 머드 탱크를 수치 시뮬레이션 하는 경우 머드 물성을 비뉴턴 유체로 모델링 할 필요가 있음을 알 수 있다.
  • 일반적으로 교반기의 교반 성능을 나타내는 지표로는 유동패턴, 동력, 펌핑, 전단력, 방해판 효과, 솔리드 유동화, 액적 확산 등이 있다. 본 논문에서는 머드 탱크의 주요한 교반 특성으로 동력특성, 혼합특성, 물질 이동특성을 비교 검토하였다. 각각 소요동력, 혼합시간, 물질이동 계수 및 액적 혹은 기포 직경으로 나타나는 특성이다.
  • 본 논문에서는 안전 및 효율을 중시하는 최근의 해양플랜트 사업의 경향에 따라 시추용 머드를 비뉴턴 유체로 모사하여 작동 유체의 모델링 방법에 따른 교반 특성의 차이를 비교 검토하고자 한다. 비교검토를 위하여 3가지 수치 시뮬레이션을 수행하였고 머드의 거동 및 머드 탱크 교반 특성을 검토하였다.

가설 설정

  • 1) 작동 유체의 모델링 방법에 따라 뉴턴 유체로 모델링하는 경우 임펠러 근방과 원방에서 운동량의 전달 패턴이 차이가 나기 때문에 소요동력을 과대평가하므로 엄밀한 해석을 위하여 시추설비의 머드는 비뉴턴 유체 모델로 가정하여 해석하여야 한다.
  • Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 논문에서 다루고자 하는 머드는 실선 사용가능한 물성으로 가정하였고 공기는 대기에 노출된 상태로 가정하였다.
  • Table 6에는 뉴턴 유체 및 비뉴턴 유체의 소요동력과 토크를 나타내었다. 동일한 밀도에 대해서 비뉴턴 유체로 모델링하는 경우 대비 뉴턴 유체로 가정한 케이스는 각각 case1이 case2에 비하여 19%, case3이 case4에 비하여 15% 높은 소요동력을 추정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시추 구조물은 어떤 시추 시스템들을 구비하고 있는가? 드릴쉽(Drillship), 반잠수식 시추선(Semi-submersible rig) 등의 시추 구조물에는 권상 시스템(Hoisting system), 파이프/라이저 핸들링 시스템(Pipe/Riser Handling system), 머드 순환 시스템(Mud circulating system) 및 회전 시스템(Rotating system)으로 구성되는 시추 시스템을 구비하고 있다. 여기서, 머드 순환 시스템은 벌크 시스템, 머드 혼합 시스템, 고압 머드 시스템, 솔리드 컨트롤 시스템으로 구성되며 재사용을 위한 순환 시스템으로 운영되는 것이 일반적이다.
해양시추 설비의 머드 탱크와 임펠러 사용 시 문제점은? (1,2) 해양시추 설비의 머드 탱크와 임펠러는 일반적인 교반기에 비하여 크기 때문에 교반 소요동력, 머드 주입구 및 배출구의 위치 등이 중요한 설계 요소이다. 또한 형상이 정형화되어 있지 않기 때문에 상관식으로 설계 및 평가하기가 어렵고 토크 측정 및 입자 주입 등의 실측 정보를 얻기가 곤란하다. 따라서 시스템의 설계 및 평가를 위하여 CFD 해석을 채용하는 경우가 많다.
머드 순환 시스템은 무엇으로 구성되는가? 드릴쉽(Drillship), 반잠수식 시추선(Semi-submersible rig) 등의 시추 구조물에는 권상 시스템(Hoisting system), 파이프/라이저 핸들링 시스템(Pipe/Riser Handling system), 머드 순환 시스템(Mud circulating system) 및 회전 시스템(Rotating system)으로 구성되는 시추 시스템을 구비하고 있다. 여기서, 머드 순환 시스템은 벌크 시스템, 머드 혼합 시스템, 고압 머드 시스템, 솔리드 컨트롤 시스템으로 구성되며 재사용을 위한 순환 시스템으로 운영되는 것이 일반적이다. 머드 순환 시스템은 시추공의 바닥 청소, 드릴 비트(Drill bit)와 드릴 스트링(Drill string)의 냉각 및 윤활, 커팅 제거 및 표면으로 이송, 압력조정 및 유정의 함몰이나 붕괴 방지 등의 목적으로 시추공으로 머드를 공급하기 위한 장치이며 사용이 끝난 머드를 재사용할 수 있도록 정제하기 위한 장치이다.
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참고문헌 (11)

  1. Guo, B. and Liu, G., 2011, "Applied Drilling Circulation System." HYDRAULICS, CALCULATIONS, and MODELS, Elsevier Inc., Oxford. 

  2. Edward, L. P., Victor, A. A. and Suzanne M. K., 2004, "Handbook of Industrial Mixing. Science and Practice," John Wiley & Sons, Inc., New Jersey. 

  3. Chhabra, R. P. and Richardson, J. F., 2008, "Non- Newtonian flow and applied rheology." 2nd Edition, Elsevier Inc., Oxford. 

  4. Kolev, N. I., 2011, "Multiphase Flow Dynamics 1 fundamentals." 4th edition, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. 

  5. Valachakis, V. N., 2007, "Turbulent Characteristics in Stirring Vessels," Virginia Polytechnic Institute and State Univ., Virginia. 

  6. Weidong Huang and Kun Li, 2013, "Nuclear Reactor Thermal Hydraulics and Other Applications Chapter 5," Intech, USA. 

  7. Mununga, L., Hourigan, K. and Thompson, M., 2003, "Numerical study of the effect of blade size on pumping effectiveness of a paddle impeller in an unbaffled mixing vessel, Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industires CSIRO," Melbourne, Australia. 

  8. ANSYS Inc., 2013, "ANSYS Fluent version 15.0 Documentation," ANSYS Inc, Pennsylvania. 

  9. Japan Society for Chemical Engineers, 2011, "Handbook of Chemical Engineering," Maruzen, Tokyo. 

  10. Drillingformulas.com, 2012, Effective Viscosity calculation, http://www.drillingformulas.com/effective-viscositycalculation. 

  11. Rachain, J. and Shyne C., 2010, Plastic viscosity, http://www.drilling-mud.org/plastic-viscosity-pv. 

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