Mechanics of Bubbles in a Viscoplastic Fluid: A Study of Gas Kick/Migration from Oil Wells

• A correlation model for static yielding limit of bubbles in YSF will be developed as a function of rheology. • Understanding of coalescence and its relevance to cloud destabilization. • Dissemination of project results are planned through presentations at conferences by organizations such as ASME, SPE and Nordic Rheology Society, as well as in relevant journals within petroleum engineering. • Results for average slip-velocity of bubbles in a shear flow as a function of the rheology of the material and operational parameters. • Results for bubbles interactions in a shear flow. • Dissemination of project results are planned through papers in relevant journals within petroleum engineering and fundamental rheology. • Development of a 1-D compressible 2-phase simulator for both foamed cementing and well control. • The model can be introduced to the relevant industry and published in relevant journal or presented in conferences within petroleum engineering.

تشكل الركلات الغازية أثناء الحفر وزعزعة استقرار الأسمنت الرغوي خطرين يواجهان صناعة النفط والغاز في الكويت في توسيع عمليات الاستكشاف والحفر. يدور هذا المشروع حول التخفيف من هذه المخاطر. يؤدي كلا الحالتين إلى مواقف خطرة قد ترتفع فيها فقاعات الغاز بطريقة غير خاضعة للرقابة من خلال مائع إجهاد الخضوع ، أي سائل الحفر أو ملاط ​​الأسمنت. السمة الانسيابية الرئيسية لهذه السوائل هي إجهاد الخضوع: تتدفق المادة فقط إذا تجاوز الإجهاد المفروض إجهاد الخضوع. يثير هذا تساؤلات حول استقرار الفقاعات ، فضلاً عن آليات هجرة / انتشار الفقاعات في مائع إجهاد الخضوع. نحاول الإجابة على هذه الأسئلة باستخدام كل من الحسابات والتجارب. تم تطوير الكود الحسابي بناءً على طريقة حجم الموائع جنبًا إلى جنب مع تقنية تحسين الشبكة التكيفية وطريقة لاغرانج المعززة. بالنسبة للتجارب ، يتم استخدام نظام غرفة مفرغة للتحكم في تركيز وحجم الفقاعات المحاصرة في السائل. تُستخدم تقنيات تصور التدفق ومعالجة الصور لتحديد شكل وأحجام الفقاعات بالإضافة إلى مجال التدفق. الهدف من المرحلة الأولى من هذا البحث هو تحديد حد العائد للفقاعات كدالة لريولوجيا المادة وتركيز الغاز. خلال المرحلة الثانية من هذا البحث ، نركز على هجرة / انتشار الفقاعات في تدفق القص. على وجه الخصوص ، سوف نركز على تحديد متوسط ​​سرعة الانزلاق للفقاعات المتنقلة كدالة للمعلمات التشغيلية وريولوجيا السوائل. تم تخصيص المرحلة الأخيرة من هذا البحث لتطوير محاكاة ذات بعد واحد للركلات الغازية التي يمكن تنفيذها لكل من سيناريوهات تدعيم الرغوة والتحكم في الآبار. سيحسن الناتج النهائي من السلامة ويقلل من مخاطر عمليات الحفر والإنجاز الكويتية.

Gas kicks during drilling and destabilization of foamed cement are two risks facing the Kuwait oil and gas industry in expanding exploration and drilling operations. This project is about mitigating these risks. Both occurrences lead to dangerous situations in which gas bubbles may rise in an uncontrolled manner through a yield stress fluid (YSF), i.e. the drilling fluid or the cement slurry. The key rheological feature of these fluids is the yield stress: the material flows only if the imposed stress exceeds the yield stress. This raises questions regarding the stability of bubbles, as well as the mechanics of bubble migration/propagation in a YSF. We try to answer these questions using both computations and experiments. A computational code is developed based on a Volume of Fluid method combined with an adaptive mesh refinement technique and an augmented Lagrangian method. For the experiments, a vacuum chamber system is used to control the concentration and size of bubbles trapped in the fluid. Flow visualization and image processing techniques are used to determine the bubbles’ shape and sizes as well as the flow field. The objective of the first phase of this research is to determine the yielding limit for bubbles as a function of the material rheology and gas concentration. During the second phase of this research, we focus on bubble migration/propagation in a shear flow. In particular, we will focus on determining the average slip velocity for the mobile bubbles as a function of operational parameters and fluid rheology. The last phase of this research is dedicated to developing a 1-D simulator for gas kicks that can be implemented for both foam cementing and well control scenarios. The final deliverable will improve safety and reduce risk for Kuwaiti drilling and completion operations.