해양 유정의 시추를 위한 드릴링이 진행되는 동안 원활한 드릴링 작업을 진행하기 위하여 드릴링 시스템을 순환하는 머드에 벌크가 Shear mixer을 통하여 첨가된다. 이러한 벌크 투입으로 조절된 머드의 물성치는 드릴링시스템 전반의 안정성에 영향을 주며, 머드와의 혼합이 이루어지는 Shear mixer의 성능개선은 전체 드릴링 시스템의 성능향상과 관계된다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Shear mixer내 혼상유동의 특징을 알아보기 위해 파이프형상의 관내 고체-액체 혼상유동 실험에서 측정된 고체 침전도결과(Gilles et al., 2004)를 시뮬레이션 결과와 비교검증을 수행한 후, 이를 통해 얻어진 관내 액체-고체 혼상유동 시뮬레이션 조건을 바탕으로 Shear mixer의 혼합효율을 개선시킬 수 있는 최적형상에 관한 시뮬레이션 기반 설계를 수행하였다.
해양 유정의 시추를 위한 드릴링이 진행되는 동안 원활한 드릴링 작업을 진행하기 위하여 드릴링 시스템을 순환하는 머드에 벌크가 Shear mixer을 통하여 첨가된다. 이러한 벌크 투입으로 조절된 머드의 물성치는 드릴링시스템 전반의 안정성에 영향을 주며, 머드와의 혼합이 이루어지는 Shear mixer의 성능개선은 전체 드릴링 시스템의 성능향상과 관계된다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Shear mixer내 혼상유동의 특징을 알아보기 위해 파이프형상의 관내 고체-액체 혼상유동 실험에서 측정된 고체 침전도결과(Gilles et al., 2004)를 시뮬레이션 결과와 비교검증을 수행한 후, 이를 통해 얻어진 관내 액체-고체 혼상유동 시뮬레이션 조건을 바탕으로 Shear mixer의 혼합효율을 개선시킬 수 있는 최적형상에 관한 시뮬레이션 기반 설계를 수행하였다.
When drilling operation is being performed, many physical and chemical changes are occurred near wellbore. To handle various changes of well condition and keep drilling process safe, additives of bulk, such as bentonite for increasing density of drilling mud, barite for increasing viscosity of drill...
When drilling operation is being performed, many physical and chemical changes are occurred near wellbore. To handle various changes of well condition and keep drilling process safe, additives of bulk, such as bentonite for increasing density of drilling mud, barite for increasing viscosity of drilling mud, polymer for chemical control, or surfactant, are added into drilling mud through a mud shear mixer. Because the achievement of the required material property through mud mixing system is essential to stabilize drilling system, it is of importance to analyze multi-phase flow during mud mixing process, which is directly related to increase mixing performance of the system and guarantee the safety of the whole drilling system. In this study, a series of liquid-solid flow simulation based on a computational fluid dynamics (CFD) are performed with comparing to solid concentration in experiment by Gilles et al. [2004] to understand the characteristics of liquid-solid mixing in a mud shear mixer. And then, the simulation-based design of shear mixer are carried out to improve mixing performance in a mud handling system.
When drilling operation is being performed, many physical and chemical changes are occurred near wellbore. To handle various changes of well condition and keep drilling process safe, additives of bulk, such as bentonite for increasing density of drilling mud, barite for increasing viscosity of drilling mud, polymer for chemical control, or surfactant, are added into drilling mud through a mud shear mixer. Because the achievement of the required material property through mud mixing system is essential to stabilize drilling system, it is of importance to analyze multi-phase flow during mud mixing process, which is directly related to increase mixing performance of the system and guarantee the safety of the whole drilling system. In this study, a series of liquid-solid flow simulation based on a computational fluid dynamics (CFD) are performed with comparing to solid concentration in experiment by Gilles et al. [2004] to understand the characteristics of liquid-solid mixing in a mud shear mixer. And then, the simulation-based design of shear mixer are carried out to improve mixing performance in a mud handling system.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 Mud mixing system에서 사용되는 Shear mixer 내 액체-고체 혼상유동에 관한 시뮬레이션을 수행하여 유동 특성을 파악하고, 이덕터(Eductor)의 형상변화에 따른 유동장의 변화를 통해 혼합효율 개선을 위한 최적 형상 파라미터를 연구하였다. 이 때, 액체-고체 시뮬레이션에 사용되는 물질은 모두 점성이 있는 유체로 가정하였으며, 혼상유동 해석에는 상용 소프트웨어인 STARCCM+를 이용하였다.
이에 본 연구에서는 Mud mixing system에서 사용되는 Shear mixer 내 액체-고체 혼상유동에 관한 시뮬레이션을 수행하여 유동 특성을 파악하고, 이덕터(Eductor)의 형상변화에 따른 유동장의 변화를 통해 혼합효율 개선을 위한 최적 형상 파라미터를 연구하였다. 이 때, 액체-고체 시뮬레이션에 사용되는 물질은 모두 점성이 있는 유체로 가정하였으며, 혼상유동 해석에는 상용 소프트웨어인 STARCCM+를 이용하였다.
서로 다른 물질의 인터페이스에서 운동량 교환을 고려하기 위하여, 본 연구에서는 혼상유동의 항력과 양력 및 난류확산에 의한 힘을 고려하였다.
가설 설정
이에 본 연구에서는 Mud mixing system에서 사용되는 Shear mixer 내 액체-고체 혼상유동에 관한 시뮬레이션을 수행하여 유동 특성을 파악하고, 이덕터(Eductor)의 형상변화에 따른 유동장의 변화를 통해 혼합효율 개선을 위한 최적 형상 파라미터를 연구하였다. 이 때, 액체-고체 시뮬레이션에 사용되는 물질은 모두 점성이 있는 유체로 가정하였으며, 혼상유동 해석에는 상용 소프트웨어인 STARCCM+를 이용하였다.
[2004])에 관한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. Fig. 2에 보이는 바와 같이, 실험에 사용된 관의 직경은 103 mm이며, 직선구간은 총 10 m로 입구에서는 규일한 분포도를 가지는 액체와 고체입자가 혼합되어 유입된다고 가정하였다. 속도 및 고체입자의 분포도 측정에 사용된 계측 구간은 출구로부터 1 m 구간(x=9~10 m)이다.
시뮬레이션에 사용된 머드와 벌크는 균일한 상태로 가정하였으며, 머드의 밀도는 2194.6 kg/m3, 점성계수는 0.02238 kg/m·s, 벌크의 밀도는 2300 kg/m3, 평균 입자 크기는 10 μm로 가정하였다.
제안 방법
Shear mixer의 시뮬레이션에 앞서 유사한 입자거동을 가지는 수평관내의 액체-고체 수송에 따른 액체-고체 분포도 실험(Gillies et al. [2004])에 관한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. Fig.
한편, 고체입자의 밀도는 2650 kg/m3로 설정하였다. 관내의 액체-고체 혼상유동 시뮬레이션을 위해 관내의 내벽을 점성을 고려한 no-slip wall로 처리하였으며, 유입 조건은 STAR-CCM+에서 유량에 관한 유입조건을 지원하지 않기 때문에 실험에서 사용한 유량 조건으로부터 관의 입구면적을 고려한 유입속도를 산출하여 부여하였다. 또한 관의 출구는 압력출구조건을 사용하였으며, 그 개요도를 Fig.
또한 난류모델로는 Standard k-ε 난류모델을 사용하였으며, 서로 다른 3가지 격자밀도에 대하여 격자 수렴도 테스트를 수행하였다.
또한 적합한 항력 모델 선정을 위하여 Gidaspow의 모델과 Syamlal & O’Brien의 모델을 비교하였다.
최소 격자 크기는 y+≈30으로, 사용된 총 격자수는 약 100만개이다. 또한 관내 혼상유동의 검증에서는 STAR-CCM+에서 제공하는 원통 전용 정렬기능을 사용하여 Fig. 4에 보이는 바와 같이 연속적인 형태의 격자를 생성하였다.
입자간 상호작용 모델로 Granular pressure 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 ANSYS-CFX와 STAR-CCM+를 사용한 선행 연구자들의 시뮬레이션 결과 및 실험과 비교하며 모델 테스트 및 격자 수렴도 테스트를 진행하였다. Granular pressure 모델의 경우 고체입자의 분포도가 100%에 가까운 Shear mixer에의 적용에는 한계가 있지만 검증문제에서는 최적 수치기법을 찾기 위하여 모델의 적용 유무에 따른 테스트를 동시에 진행하였다.
입자간 상호작용 모델로 Granular pressure 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 ANSYS-CFX와 STAR-CCM+를 사용한 선행 연구자들의 시뮬레이션 결과 및 실험과 비교하며 모델 테스트 및 격자 수렴도 테스트를 진행하였다. Granular pressure 모델의 경우 고체입자의 분포도가 100%에 가까운 Shear mixer에의 적용에는 한계가 있지만 검증문제에서는 최적 수치기법을 찾기 위하여 모델의 적용 유무에 따른 테스트를 동시에 진행하였다.
다음으로 실험값과의 비교를 위하여 타 연구자들이 사용한 항력 모델 및 양력과 난류확산모델의 기본 값 및 Granular pressure 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 고체입자의 분포도를 Fig. 9(a)에 나타낸다. 실험의 경우 수직선상에 고체입자의 집중도는 불규칙하지만 기울기가 가파르게 분포한다.
이전 수행된 타 연구자들의 시뮬레이션 결과(Ekambara et al.[2009]; Kubicki et al.[2012])는 모두 Gidaspow의 모델을 사용한 결과이며, 본 연구에서는 Syamlal & O’Brien의 모델을 추가로 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 타 연구자의 연구결과 및 실험과 비교하였다.
다음으로, 혼상유동 상호작용 모델 중 유동에 가장 큰 영향을 주는 항력모델에 대하여 테스트를 수행하였다. 이전 수행된 타 연구자들의 시뮬레이션 결과(Ekambara et al.
이에 본 연구에서는 앞서 조사한 형상정보를 바탕으로 Fig. 13과 같이 기본형상을 설계하였으며, 이덕터의 최적형상 설계를 위해 시뮬레이션 기반 설계를 수행하였다. 노즐의 끝단은 호퍼의 중심에 위치하게 하고 디퓨저의 직경은 노즐과 같은 2inch를 사용하였다.
Shear mixer의 머드-벌크에 관한 혼상유동 시뮬레이션을 수행하기 위하여, Fig. 14와 같이, 머드와 벌크가 들어오는 각각의 유입구에는 Velocity inlet 경계조건을, 혼합된 머드가 빠져나가는 유출구에는 Pressure outlet 경계조건을 각각 적용하였다.
15~16은 시뮬레이션에 사용한 격자계를 나타낸다. 격자생성은 STAR-CCM+내 알고리즘을 이용하였으며, Trimmer mesh와 Prism layer을 혼용하였으며, 노즐에 의해 유동이 가속되어 서로 다른 상의 혼합이 진행되는 Mixing chamber에 보다 높은 밀도의 격자를 분포시켰다. 사용된 총 격자수는 약 110만개 이다.
1 및 난류 확산에 의한 힘을 고려하였다. 또한 중력에 의한 효과를 고려하였으며, 수치적 안정성을 위하여 투여되는 각 상은 순도 95%로 5%의 다른 상을 포함하도록 설정하였다.
Shear mixer의 기본형상에 대한 기초적인 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 유입구를 통해서 들어오는 머드와 벌크의 유량을 확인하였다. Fig.
다음은, 이덕터의 형상을 최적화하기 위한 시뮬레이션을 수행하기 위해, Fig. 19과 같이 노즐의 위치와 Diffuser의 폭에 따른 9가지 조건을 산출하였다. 즉, 노즐의 위치는 호퍼의 중심으로부터 0, 25, 50 mm, 그리고 디퓨저의 폭은 50, 75, 100 mm의 각각 세 가지 조건이다.
먼저, 상부의 벌크를 흡입하는 역할을 하는 챔버에 작용하는 음압을 산출하였다. 그 결과 Fig.
다음으로, 선진사의 자료조사를 통해 Shear mixer의 기초형상을 설계하였고, Mud-bulk 혼상유동의 CFD 시뮬레이션을 통해 혼합효율 개선에 기여하는 이덕터의 최적 형상을 제안하였다. 노즐의 위치와 디퓨저의 직경을 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행한 결과, 음압생성의 측면에서는 노즐의 끝단이 호퍼에서 멀어질수록 유리하였고, 75 mm 직경의 디퓨저를 사용한 경우 가장 유리하였다.
먼저, 관내 액체-고체 혼상유동에 대한 시뮬레이션의 정확도 검증을 위하여 수평관의 고체입자 분포에 대한 CFD 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 Gillies et al.(2004)의 실험 및 타 연구자의 CFD 결과와 비교하였다.
대상 데이터
시뮬레이션에 사용한 액체는 물로서 997.6 kg/m3의 밀도를 가지며, 점성계수는 8.8871e-4Pa-s이다. 한편, 고체입자의 밀도는 2650 kg/m3로 설정하였다.
최소 격자 크기는 y+≈30으로, 사용된 총 격자수는 약 100만개이다.
격자생성은 STAR-CCM+내 알고리즘을 이용하였으며, Trimmer mesh와 Prism layer을 혼용하였으며, 노즐에 의해 유동이 가속되어 서로 다른 상의 혼합이 진행되는 Mixing chamber에 보다 높은 밀도의 격자를 분포시켰다. 사용된 총 격자수는 약 110만개 이다.
먼저, Shear mixer에 대한 기본 형상을 선정하기 위해, 유럽 및 북미지역 7개사의 제품정보 및 중국의 회사들의 제품정보를 수집하였으며, 이들 제품 모두에서 일정부분 규격화된 형상을 사용 중인 것으로 확인되었다. 먼저 Shear mixer로 연결되는 Mud pipe line의 직경인 6인치에맞추어 Shear mixer의 입구 및 출구직경 또한 6inch인 것을 확인하였다.
이론/모형
먼저, 항력을 고려하기 위하여 고체 입자를 고려한 Gidaspow의 모델(Gidaspow, 1994)과 Syamlal & O’Brien의 모델(Syamlal and O’Brien[1987])을 사용하였다.
고체상의 내부에는 고체의 분포도에 따라 최대 분포도에 도달하면 고체상간의 압력힘이 작용한다. 본 연구에서는 고체압력을 고려하기 위하여 지수 형태의 모델과 고체의 분포도 별 거동특성을 나누어 묘사하는 Granular pressure model을 사용하였다.
또한 고체입자의 분포가 최대분포기준에 가까운 Frictional regime의 경우 Schaeffer et al.[1987]의 공식을 사용하였으며, 그 경우 Solid pressure 및 유효 Granular 점성은 아래와 같다. 이때 Φ는 Schaffer et al.
격자 생성에는 STAR-CCM+내 자동격자 생성 알고리즘을 사용하였으며, 격자계는 Polyhedral mesh와 Prism layer로 구성하였다. 최소 격자 크기는 y+≈30으로, 사용된 총 격자수는 약 100만개이다.
관내 혼상유동의 시뮬레이션 정확도 확인을 위하여 STAR-CCM+의 Eulerian-Eulerian multiphase 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이 모델의 경우 유동화된 고체입자 해석에 적합하며, 개개의 고체입자를 추적하지 않고 전체 거동을 해석하는 것이 특징이다.
이 모델의 경우 유동화된 고체입자 해석에 적합하며, 개개의 고체입자를 추적하지 않고 전체 거동을 해석하는 것이 특징이다. 본 연구에서는 서로 다른 상의 상호작용 모델로서 항력, 양력, 난류확산모델을 사용하였다. 또한 적합한 항력 모델 선정을 위하여 Gidaspow의 모델과 Syamlal & O’Brien의 모델을 비교하였다.
하단 오차를 고려하더라도 Syamlal & O’Brien의 모델이 가장 실험값에 근접하다고 판단되며, 이후의 연구에서는 Syamlal & O’Brien의 모델을 사용하기로 한다.
시뮬레이션에는 앞서 관내 혼상유동 검증에 사용된 Eulerian-Eulerian multiphase 기법이 사용되었으며, 두 상의 상호작용에는 Syamlal & O’Brien의 항력모델, 항력계수 0.1 및 난류 확산에 의한 힘을 고려하였다.
Shear mixer의 기본형상에 대한 기초적인 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 유입구를 통해서 들어오는 머드와 벌크의 유량을 확인하였다.
성능/효과
6의 고체 입자 분포도의 경우 약 6m이후 거의 변화가 발견되지 않으며, 초기 균일한 분포로 들어온 고체입자가 유체와의 상호작용 및 자중에 의해 서서히 아래로 침전되어 가는 것을 볼 수 있다. 또한 속도장의 경우 본 시뮬레이션의 조건 하에서는 동심원상의 축대칭인 프로파일을 보이며, 고체상과 액체상의 유동속도가 거의 유사게 분포함을 알 수 있다. 이로부터 고체상의 수송에 액체상의 영향이 크게 기여한다는 사실을 알 수 있다.
끝으로, 격자에 따른 수렴성 확인을 위해 100만개, 200만개, 300만개의 총 3가지 격자에 대하여 시뮬레이션 하였으며, Fig. 11에 나타낸 바과 같이, 100만개의 격자로 본 유동을 구현하기에 충분함을 확인하였다.
먼저, Shear mixer에 대한 기본 형상을 선정하기 위해, 유럽 및 북미지역 7개사의 제품정보 및 중국의 회사들의 제품정보를 수집하였으며, 이들 제품 모두에서 일정부분 규격화된 형상을 사용 중인 것으로 확인되었다. 먼저 Shear mixer로 연결되는 Mud pipe line의 직경인 6인치에맞추어 Shear mixer의 입구 및 출구직경 또한 6inch인 것을 확인하였다. 필요에 따라 몇몇 제품에서 높거나 낮은 출력을 내기위하여 6inch이외의 직경을 사용하는 경우도 있었지만 대부분의 경우 6inch 직경의 관을 사용하였으며, 이 경우 노즐의 직경은 2inch가 일반적이었다.
먼저, 상부의 벌크를 흡입하는 역할을 하는 챔버에 작용하는 음압을 산출하였다. 그 결과 Fig. 20에 보이는 바와 같이 큰 차이는 아니지만 노즐의 끝단이 호퍼에서 멀어질수록 음압생성에 더 효과적임을 알 수 있다. 반면, 디퓨저 직경의 경우 75 mm의 경우 음압 생성에 탁월한 효과를 내는 것을 확인할 수 있으며, 디퓨저의 직경이 커지는 경우 최저압력의 발성지점이 디퓨저 입구에서 챔버쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 선진사의 자료조사를 통해 Shear mixer의 기초형상을 설계하였고, Mud-bulk 혼상유동의 CFD 시뮬레이션을 통해 혼합효율 개선에 기여하는 이덕터의 최적 형상을 제안하였다. 노즐의 위치와 디퓨저의 직경을 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행한 결과, 음압생성의 측면에서는 노즐의 끝단이 호퍼에서 멀어질수록 유리하였고, 75 mm 직경의 디퓨저를 사용한 경우 가장 유리하였다. 또한 머드 입출구에서의 압력차를 산출해 본 결과, 노즐이 호퍼에서 멀어질수록 더 큰 압력이 요구되었으며, 75 mm 직경의 디퓨저를 사용할 때 확연히 낮은 제어압력이 필요하였다.
노즐의 위치와 디퓨저의 직경을 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행한 결과, 음압생성의 측면에서는 노즐의 끝단이 호퍼에서 멀어질수록 유리하였고, 75 mm 직경의 디퓨저를 사용한 경우 가장 유리하였다. 또한 머드 입출구에서의 압력차를 산출해 본 결과, 노즐이 호퍼에서 멀어질수록 더 큰 압력이 요구되었으며, 75 mm 직경의 디퓨저를 사용할 때 확연히 낮은 제어압력이 필요하였다. 이는 디퓨저와 노즐의 최대간격을 조절하는 선진사의 Operating 조건과도 일치하는 경향이며, 이는 노즐의 끝단이 호퍼의 중심에 위치하고 75 mm의 디퓨저를 사용한 경우가 적절한 음압을 생성하면서 최소한의 제어만으로도 작동이 가능하다는 것을 의미한다.
액체-고체 혼상유동의 상호작용 모델 중 항력모델은 고체-액체 혼상유동에서 고체입자의 분포에 크게 기여하였으며, 특히 Syamlal & O’Brien의 항력모델은 Gidaspow의 항력모델에 비해 실험에 근접한 결과를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벌크 투입으로 인해 머드와 Shear mixer에는 어떠한 결과가 나타나는가?
해양 유정의 시추를 위한 드릴링이 진행되는 동안 원활한 드릴링 작업을 진행하기 위하여 드릴링 시스템을 순환하는 머드에 벌크가 Shear mixer을 통하여 첨가된다. 이러한 벌크 투입으로 조절된 머드의 물성치는 드릴링시스템 전반의 안정성에 영향을 주며, 머드와의 혼합이 이루어지는 Shear mixer의 성능개선은 전체 드릴링 시스템의 성능향상과 관계된다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Shear mixer내 혼상유동의 특징을 알아보기 위해 파이프형상의 관내 고체-액체 혼상유동 실험에서 측정된 고체 침전도결과(Gilles et al.
Shear mixer를 이용해 머드에 벌크를 첨가하여 드릴링 작업을 하는 이유는 어떠한 것을 제어하기 위함인가?
해양유정의 시추를 위한 드릴링이 진행되는 동안 유정에서는 많은 물리적 변화 및 화학적 변화가 발생한다. 이러한 변화들을 제어하며 원활한 드릴링 작업을 진행하기 위하여 드릴링 시스템을 순환하는 머드에 벌크라 불리는 첨가물이 Shear mixer을 통하여 첨가되게 된다.
벌크의 종류에는 어떠한 것이 있는가?
이러한 변화들을 제어하며 원활한 드릴링 작업을 진행하기 위하여 드릴링 시스템을 순환하는 머드에 벌크라 불리는 첨가물이 Shear mixer을 통하여 첨가되게 된다. 벌크의 종류로는 머드의 밀도를 높이는 물질인 벤토나이트, 점성을 높이는 물질인 바라이트, 화학적 성질을 바꾸는 고분자화합물 등이 있다. 이러한 벌크 투입으로 조절된 머드의 물성치는 드릴링시스템 전반의 안정성에 영향을 주며, 머드와의 혼합이 이루어지는 shear mixer의 성능개선은 전체 드릴링 시스템의 성능향상과 관계된다고 할 수 있다.
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