Vis enkel innførsel

dc.contributor.advisorPradhan, Srutarshi
dc.contributor.authorToresen, Martin Alexander
dc.date.accessioned2021-10-05T17:42:41Z
dc.date.available2021-10-05T17:42:41Z
dc.date.issued2021
dc.identifierno.ntnu:inspera:84424552:6438688
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11250/2787940
dc.description.abstractDenne masteroppgaven har som hovedmål å lage en enkel modell for å utforske svelling av leirepartikler i skifer. Modellens oppførsel og numeriske resultater vil også sammenlignes med eksperimentelt arbeid utført på nettopp svelling av leire. Fordelen med numeriske beregninger fremfor eksperimentelle studier på området, er at numeriske simuleringer kan utføres betraktelig raskere. Eksempelvis kan eksperimentelle leiresvelling-studier ta flere uker på laboratorium, mens man kan oppnå tilsvarende resultater på bare noen minutters modellkjøring. Likevel er det viktig å påpeke at datamodeller kun oppnår gode resultater dersom de er kalibrert hensiktsmessig, samt at modellparameterne har realistiske verdier. Skifer er en av de vanligste bergartene på jorda. Av den grunn så er skifer ofte å finne i forbindelse med oljeutvinning. En av de viktigste komponentene i skifer er leire, som har den karakteristiske egenskapen at den under de riktige omstendighetene kan svelle og øke mye i størrelse. For visse leiretyper så kan økningen være på opptil flere ganger original størrelse. Denne egenskapen kan være veldig problematisk i et oljefelt, hvor det kan det ha en stor innvirkning på utvinningsgraden til oljefeltet. Dette kan være veldig kostbart. Dersom det oppnås bedre forståelse av leiresvelling, kan det tenkes at dette for eksempel kan utnyttes for å sikre casing'en i et borehull, som igjen potensielt kan være kostnadsreduserende. Av denne grunn er det essensielt å få en bedre forståelse av svelling av leirepartikler i skifer. En discrete element method ble valgt etter undersøkelse av eksperimentelle resultater og tidligere arbeid gjort innenfor feltet. Denne formen for modellering er lett å forstå, samtidig som man kan holde modellens kjøretid på et akseptabelt nivå. Samtidig antok man at viktige svelling-drivere kunne inkluderes i denne type modell. Modellen har blitt utviklet i språket Julia, et relativt nytt programmeringsspråk. Julia vil for mange fremstå som en slags moderne arvtager til Fortran og C for numeriske simuleringer, ved å både være raskt og lettanvendelig. En sirkelring, lignende et borehull, har blitt brukt som geometrien i modellen, og har blitt implementert både for to og tre dimensjoner. Formen har blitt valgt nettopp for å etterstrebe likhet med en brønn i et oljefelt. Partiklene blir plassert på et grid, og vil være enten leire, tomrom eller inert kvarts. To hovedprosesser har blitt identifisert som nøkkelprosesser, svelling av leirepartikler og masseflyt, og begge disse prosessene har derfor blitt implementert i modellen. Flere parametere, blant annet temperatur og trykk er med på å påvirke simuleringene. Analyser av klyngestrukturer som oppstår i sirkelringen blir sammenlignet med teoretiske verdier fra perkolasjonsteori, spesielt klyngefordeling og kritiske terskelverdier. Klyngestrukturene og kanalene som oppstår er vesentlige for de sammensatte egenskapene til prøven med tanke på svelling. Simuleringer av svelling og av masseflyt har blitt kjørt for forskjellige parameterverdier, samt for å undersøke om modellkjøringene ville klare å fange noen av egenskapene som har blitt funnet eksperimentelt. Til slutt ble svelling- og masseflyt-modulene koblet sammen og det totale svelletrykket inn mot den indre ringen ble undersøkt. Hensikten var her å simulere tilsvarende trykk mot casing'en som man vil oppleve å finne i en oljebrønn. Modellkjøringsresultatene ga mange av de samme resultatene som ble observert eksperimentelt.
dc.description.abstractThis master thesis will focus on creating a simple numerical model to explore clay swelling in shale. The secondary objectives will be to benchmark the behaviour of the model and numerical results with experimental work on swelling in shale. The advantage of creating a numerical model, over experimental studies, is that one is able to much more quickly try new ideas. As an example, some swelling experiments may take several weeks in the laboratory, while the model will finish in a few minutes. This though will require one to be able to calibrate the model with experiments for it to return sensible results. Shale is one of the most common rocks on the planet. As such it is commonly encountered as part of petroleum extraction. One of the main components of shale is clay, which has the characteristic property that under the right circumstances it can swell and expand greatly in size. For certain clay types it may swell and grow several times its original size. This property can be very problematic at a drill site, where it can severely affect the output of extraction. This can be very costly. On the other hand, swelling of clay, if better understood, could be taken advantage of to for example aid in the fastening of the casing, which in turn might provide cost-saving opportunities. For this reason it is crucial to understand more about how the swelling happens. A Discrete Element Method was chosen for the model, after looking at experimental results and some previous work done in the area. It is computationally tractable, intuitive and easily explained. It was also believed that the important drivers of the swelling could be captured in the model. The model was developed in Julia, a relatively new programming language designed to be both fast and easy to use, and a modern successor to Fortran and C for numerical simulations. A wellbore annulus was chosen for the problem geometry, with the option to either model it in two or three dimensions. This was, as mentioned, motivated by its similarity to the situation in a borehole. Particles are placed on a regular grid, either as clay, pores or inert quartz particles. Two processes, swelling of clay particles and mass transport, were identified as important and have been implemented. Several parameters such as temperature and stress have also been included to affect the simulations. An analysis of the cluster structures that appear in the annulus was compared to known results from percolation theory, such as critical percolation threshold and cluster distributions. The apparent clusters and channels that manifest themselves are important to understand the bulk properties of the entire sample. Simulations of both swelling and mass transport were run for different sets of parameters, to see if they capture some of the behaviour that has been observed experimentally. To end with both were included to look at total swelling pressure on the inner ring, which can be compared to the pressure felt by a casing in a wellbore. The results of the model simulations are in line with experimental results and we recognize some of the same behaviours.
dc.languageeng
dc.publisherNTNU
dc.titleSimulation of Clay Swelling Behavior and Mass Transport Utilizing a Discrete Element Method
dc.typeMaster thesis


Tilhørende fil(er)

Thumbnail

Denne innførselen finnes i følgende samling(er)

Vis enkel innførsel