شناخت دقیق از تاثیر پارامترهای مختلف بر سیال حفاری همواره یکی از ضرورت¬های صنعت حفاری می¬باشد. سیال حفاری از طریق رشته¬حفاری وارد چاه می¬شود و از طریق دالیز به سطح باز می¬گردد. در این مسیر، سیال تحت تاثیر دما و فشار بالا قرار می¬گیرد. دمای بالا موجب انبساط سیال و فشار بالا موجب فشرده شدن سیال می-شوند. در نظر نگرفتن تاثیر این دو پارامتر موجب ایجاد خطا در محاسبه فشار کف چاه می¬شود. در این پایان¬نامه تاثیر دما و فشار محاسبه شده روی خواص مهم فیزیکی سیال مورد بررسی قرار گرفته¬است. مدل سیال بینگهام پلاستیک برای شبیه سازی سیال حفاری و وابستگی خواص رئولوژی سیال به دما و فشار استفاده شده¬است. یک کد عددی برای شبیه سازی سیال در حال گردش در چاه در نرم افزار متلب تهیه شده¬است. این شبیه ساز می-تواند پروفیل توزیع دما و فشار را در طول چاه بدست¬آورد و همچنین فشار ته چاه و چگالی گردشی معادل را با در نظر گرفتن تاثیرات دما و فشار محاسبه کند. در این شبیه¬سازی تاثیر تغییرات نرخ چرخش سیال، شیب گرمایی زمین و ظرفیت گرمایی سیال بر توزیع دمای سیال درون چاه برای سیالات حفاری پایه نفتی و پایه آبی مورد بررسی قرار گرفته¬اند. همچنین تاثیرات افت فشار اصطکاکی درون چاه، افت فشار مته و تاثیر چرخش رشته¬¬حفاری به صورت چشمه¬ حرارتی درون چاه در نظر گرفته شده¬اند. نتایج حاصل شده نشان می¬دهند که با افزایش دبی سیال و ظرفیت گرمایی سیال دمای سیال در کف چاه کاهش می¬یابد و با افزایش شیب گرمایی زمین دمای سیال در ته چاه افزایش می¬یابد. همچنین در نظر گرفتن تاثیرات دما و فشار بر خواص سیال موجب کاهش فشار سیال در ته چاه می¬شود که این کاهش در سیالات پایه آبی محسوس¬تر می¬باشد. برای صحت سنجی مدل، نتایج حاصل از حل عددی با پژوهش¬های پیشین مقایسه شده که تطابق خوبی را نشان می¬دهد.

یکی از انواع جداکننده¬های کوچک‌ و کم‌هزینه‌ جداکننده¬ سیکلونی-استوانه¬ای گاز-مایع، نوعی از جداکننده¬های سیکلونی است که توسط تیم تحقیقاتی دانشگاه تولسا و گروه صنعتی چورن ابداع شده¬است. مساله¬ حاضر مدل¬سازی و شبیه¬سازی عددی جریان تک-فازمایع و دوفاز مایع-گاز در این نوع جداکننده¬ها با هدف شناخت بهتر ویژگی¬های جریان و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد این جداکننده¬ها است. ابتدا برای دستیابی به مشخصات هیدرودینامیکی جریان در این هندسه خاص، به شبیه¬سازی جریان تک فاز(مایع) چرخان در این جداکننده¬ها پرداخته¬شد. مدلهای آشفتگی مختلف از جمله اسپالارت¬آلماراس، RMS، و مدلهای k-Ԑ همراه با مدلسازی¬های مختلف برای جریان نزدیک دیواره به¬ کار گرفته¬شد. با مقایسه نتایج مشخص شد که مدلهای k-Ԑ نزدیکترین مطابقت، با داده¬های آزمایشگاهی ارائه¬شده توسط محققین پیشین را دارا هستند. در مرحله بعد با بررسی انواع مختلف ورودی و مقایسه نتایج مشخص¬شد که جداکننده دارای ورودی با مقطع مربعی، عملکرد بهتری نسبت به ورودی با مقطع دایروی خواهد-داشت. در بخش شبیه¬سازی جریان دوفاز گاز-مایع، سیال¬های آب و هوا به عنوان سیال کاری به کار گرفته¬شدند. با توجه به نتایج بخش تک¬فاز و دست یافتن به بهترین نتیجه شبیه¬سازی آشفتگی با مدلهای k-Ԑ، از این مدلها برای شبیه¬سازی آشفتگی استفاده¬شد. از مدلهای دوفاز مختلف از جمله مخلوط، حجم سیال و اولرین برای شبیه¬سازی جریان دوفاز استفاده شد و مشخص شد مدل حجم سیال بهترین نتایج را به نسبت زمان موردنیاز بدست می¬دهد. با توجه به نتایج بخش تک¬فاز و دست¬یافتن به پاسخ بهتر با مقطع مربعی برای ورودی، این نوع هندسه برای ورودی انتخاب شد. همچنین نتایج این پژوهش نشان داد هندسه ی ورودی و زاویه قرارگیری آن تاثیر به سزایی در عملکرد این نوع جداکننده دارد. درنهایت بررسی عملکرد جداکننده تحت شرایط مختلف ورودی از جمله ورودی با مقطع ثابت، مقطع همراه نازل و ورودی دوگانه، همینطور زوایای مختلف ورودی نسبت به سطح افق صورت گرفت

 حفاری زیر تعادلی و حفاری با فشار کنترل شده با فوم به علت مزایای زیاد آن مورد توجه شرکت¬های نفتی جهان قرار گرفته است. از مزایای این روش، تولید نفت و گاز از سازند در حین حفاری، سرعت بالای حفاری، طولانی تر شدن عمر مته، انتقال بهتر کنده ها و کاهش آسیب به سازند است. در این پژوهش حمل کنده‌ها در حفاری با فوم مورد بررسی قرار گرفته است که در آن فوم به صورت یک سیال تک فاز، همگن، تراکم پذیر و غیرنیوتنی قانون توانی در نظر گرفته شده و فرضیات و معادلات حاکم بر مدل دو سیالی گذرا در دستگاه اویلر-اویلر برای جریان سیال-ذره (فوم و کنده ها) بیان شده است. برای حل معادلات حاکم از روش کرو که توسعه یافته‌ی روش سیمپل پتنکار برای مدل دو سیالی است، با تغییرات جزیی برای افزایش همگرایی استفاده شده است. نتایج حاصل از حل عددی در قالب تغییرات فشار، سرعت، غلطت کنده ها، کیفیت و چگالی فوم در طول چاه بیان شده اند. تاثیر سرعت حفاری، میزان تزریق گاز و مایع، شکل و اندازه¬ی کنده ها و پس فشار بر غلظت کنده ها و فشار ته چاه نیز بررسی شده است. فشار ته چاه با افزایش پارامترهایی مانند، پس فشار، اندازه ی کنده ها، سرعت حفاری، افزایش دبی تزریق گاز و مایع، افزایش یافته و با کاهش آن‌ها کاهش می یابد. غلظت کنده‌ها در طول چاه با افزایش دبی تزریق گاز و مایع کاهش یافته و با افزایش اندازه‌ی کنده‌ها، سرعت حفاری و پس‌فشار، افزایش می‌یابد. برای صحت سنجی مدل، نتایج حاصل از حل عددی با مدل های قبلی مقایسه شده که تطابق خوبی را نشان می دهد. نتایج مدل با داده های میدانی حاصل از حفاری چاه FR-1 واقع در ایالت سانتاکاترینای برزیل نیز مقایسه شده که حدود 16/5 درصد خطا داشته است.

سایش ناشی از برخورد ذرات جامد در صنایع مختلف حوزه‌ی انرژی از جمله نفت و گاز و پتروشیمی همواره مطرح بوده است. حضور اجتناب‌ناپذیر ماسه در چاه‌هایی که از لایه‌های ماسه‌سنگی تولید می‌نمایند، آسیب لوله‌های چاه و تجهیزات آن را محتمل می‌کند. در این راستا، هدف این پژوهش بررسی سایش در لوله‌های چاه‌های نفت و تشخیص آسیب‌پذیری چاه تحت شرایط تولید مختلف است. دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان ابزاری کارآمد در حل پدیده‌های مربوط به جریان و انتقال حرارت سیالات به کار گرفته شد. در پژوهش حاضر، به طور کلی محاسبه‌ی سایش در سه گام صورت می‌گیرد که شامل حل جریان سیال، تعیین حرکت ذرات در میدان حل سیال و محاسبه‌ی سایش در اثر برخورد ذرات با دیواره‌های هندسه است. اعتبارسنجی سایش برای دو دسته جریان سیال تک‌فاز و چندفاز، توانایی‌ها و ضعف‌های مدل‌های عددی مورد استفاده را مشخص نمود؛ که در این میان، مدل‌سازی جریان سیال دوفازی به دلیل پیچیدگی‌های ذاتی آن نقش زیادی در تعیین دقت کلی محاسبه‌ی سایش دارد. سپس، این مدل‌ها برای محاسبه‌ی سایش در چاه به کار گرفته شدند. محاسبه‌ی سایش در چاه، خود در دو گام انجام می‌شود. در ابتدا، جریان نفت و گاز از دهانه‌ی چاه تا پایین‌دست تاج چاه به صورت یک‌بعدی با نرم‌افزار اُلگا حل گردید و شرایط جریان برای دو ناحیه‌ی برگزیده از چاه تعیین شد. در گام دوم، جریان نفت، گاز و ماسه در ناحیه‌های برگزیده به صورت تفصیلی با نرم‌افزار فلوئنت حل شد و سایش برای بخش‌های مختلف دیواره‌های هر ناحیه محاسبه گردید. برای تمامی شرایط بررسی‌شده، میزان سایش در ناحیه‌ی نزدیک به سطح زمین حدود یک مرتبه بزرگ‌تر از سایش در ناحیه‌ی دیگر در نزدیکی دهانه‌ی چاه بود. علاوه بر این، بیشینه‌ی سایش در میان شرایط بررسی شده برای مقادیر متداول تولید ماسه، سایش کم‌تر از میزان مجاز را نتیجه داد.

یکی از مشکلات موجود در پره‌های توربین بخار، پیدایش ترک در آن‌ها می‌باشد. برای شناخت این مشکل لازم است که تحلیل جریان و انتقال حرارت بر روی پره‌ها صورت گیرد. در این پژوهش جریان و انتقال حرارت در پره توربین فشار متوسط بخار (ردیف 27 واحد فشار متوسط نیروگاه رامین اهواز) شبیه‌سازی شده است. تحلیل انتقال حرارت بر روی پره و سیال به صورت همزمان (انتقال حرارت مزدوج) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. شبیه‌سازی شامل سه قسمت عمده مدل‌سازی هندسی، تولید شبکه و حل جریان در حالت سه‌بعدی می‌باشد. ردیف 27 توربین بخار مورد بررسی شامل 62 پره ‏‏ی ثابت و 134 پره‏ ی متحرک است. مدل هندسی پره ‏ی ثابت با استفاده از اندازه‏ گیری تجربی و مدل هندسی پره‏ی متحرک با استفاده از تکنیک اسکن لیزری تهیه شده است. شبکه محاسباتی باید با کمترین تعداد سلول‌ و بهترین کیفیت ممکن، توانایی در بر گرفتن هندسه پیجیده پره‌ها را داشته باشد. ناحیه محاسباتی جریان اطراف پره‌ها، توسط شبکه با‏سازمان سه‏ بعدی با سلول‏های هگزاهدرال گسسته ‏سازی شده است و برای در نظر گرفتن اثر انتقال حرارت مزدوج، جان هندسی پره‌ها به‌خاطر هندسه پیچیده، توسط شبکه بی‌سازمان با سلول‌های تتراهدرال شبکه‌بندی شده است. جهت مدل‌سازی آشفتگی از مدل k-ω استفاده شده و معادلات حاکم به روش حجم محدود و با استفاده از کد تجاری Ansys CFX حل شده‌اند. شبیه ‏سازی جریان و انتقال حرارت در ردیف 27 توربین شامل پره‏های ثابت و متحرک با در نظرگرفتن یک شبکه‏ ی لغزشی در فصل مشترک بین پره‏ ها انجام شده است. نتایج شبیه‏ سازی جریان در ردیف 27 توربین‌بخار با نتایج تجربی نیروگاه رامین اهواز مقایسه شده و همخوانی مناسب به‏ دست آمده است. نتایج حاصل به‏ صورت توزیع فشار کل و استاتیک، آنتالپی کل و استاتیک، توزیع سرعت، دما کل و استاتیکی، توزیع دمایی در جان پره‌ها ارائه شده و مشاهده می‏شود که فشار در خروجی پره ثابت با افزایش ارتفاع از سمت ریشه به نوک افزایش پیدا می‌کند و دما تغییراتی مشابه با تغییرات فشار دارد. سرعت سیال در خروجی مقطع ریشه پره ثابت بیشترین مقدار را دارد و با افزایش ارتفاع کاهش پیدا می‌کند. دما در مقاطع نزدیک به نوک و در لبه حمله بیشترین مقدار را نسبت به سایر مقاطع دارد لذا می‌تواند عاملی برای شروع ترک ایجاد شده در پره باشد.

 با توجه روند اقتصاد جهانی و رقابت شدید شرکت های نفتی برای بدست آوردن سود بیشتر در بازه ی زمانی کمتر و با سرمایه گذاری کمتر، شبیه سازی مخزن در دهه های اخیر شتاب زیادی گرفته است. این تحقیقات روی پیش بینی سناریوی برداشت از چاه و برآورد عمر مفید چاه قبل از نیاز به سرمایه گذاری دوباره برای تعمیر چاه تمرکز دارد. در این راستا هر کدام از شرکت های بزرگ نفتی تیم های پژوهش و تحقیق و توسعه خود را در زمینه شبیه سازی مخزن تشکیل داده و به توسعه نرم افزار اختصاصی برای خود پرداخته اند. در این پژوهش جریان سه فازی شعاعی در یک مخزن نفتی که دارای کلاهک گازی است و از لحاظ هندسی استوانه ای شکل است و یک چاه در مرکز آن قرار دارد، مدل شده است. مجموع دبی تولیدی فازها ثابت در نظر گرفته شده است و مرز بیرونی بدون جریان در نظر گرفته شده است. با استفاده از نتایج بدست آمده جریان سه فازی شعاعی برای یک مخزن با شرایط اولیه زیراشباع و یک مخزن با شرایط اولیه اشباع با هم مقایسه شده است. در هر دو حالت دبی فازهای نفت و آب در مدت بهره برداری کاهش ولی دبی گاز تولیدی افزایش می یابد. برای مخزن با شرایط اولیه زیر اشباع، درصد اشباع نفت در مدت کوتاهی در ابتدا بهره برداری افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد. علت آنست چون در شرایط اولیه، گاز تولیدی فقط در اثر گاز آزاد موجود در مخزن است. پس از مدتی که فشار مخزن به فشار حباب می رسد، گاز محلول در نفت جدا می شود. در مدت زمان تولید قبل از رسیدن مخزن به فشار حباب درصد اشباع گاز کاهش می یابد و بتبع آن درصد اشباع نفت افزایش می یابد. در حالتی که مخزن در شرایط اولیه اشباع است در تمام مدت بهره برداری درصد اشباع نفت کاهش می یابد و درصد اشباع گاز افزایش می یابد. در این حالت علت این است که با کاهش فشار مخزن میزان گاز آزاد شده از نفت افزایش می یابد.

 

 کنترل دمای سطح شمش در طول ریخته‌گری مداوم به‌خصوص در ناحیه خنک‌کاری ثانویه از مهم‌ترین عواملی است که می‌تواند بر کیفیت محصول نهایی تاثیر بگذارد؛ زیرا تغییرات ناگهانی دما از یک ناحیه خنک‌کاری به ناحیه دیگر خنک‌کاری یا ناحیه تابشی موجب بازگرم سطحی قابل توجه و افزایش چشم‌گیر در ایجاد ترک‌ها می‌شود. در تحقیق حاضر مدل سه‌بعدی فرآیند انتقال حرارت و انجماد شمش در حال تولید ماشین ریخته‌گری مداوم گروه ملی فولاد ایران به کمک نرم‌افزارهای گمبیت و فلوئنت شبیه‌سازی شده است. در این پژوهش با استفاده از یکی از امکانات نرم‌افزار فلوئنت به نام توابع تعریف توسط کاربر (UDF) شرایط مرزی با دقت بسیار بالایی شبیه‌سازی شدند. در این شبیه‌سازی تغییرات طول متالورژیکی و توزیع دما در طول سطح و مرکز شمش در سرعت‌های مختلف ریخته‌گری و دماهای مختلف فوق‌گداز مذاب ورودی به قالب و همچنین ‌دبی‌های مختلف پاشش آب بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که با افزایش سرعت ریخته‌گری در دبی آب ثابت (نرخ انتقال حرارت ثابت)، طول هسته مذاب در شمش، زیاد و ضخامت پوسته جامد در هر مقطع خاص کاهش می‌یابد که در این صورت اگر طول هسته مذاب از طول ناحیه خنک‌کاری ثانویه خیلی بیشتر شود و وارد ناحیه تشعشعی شود به دلیل کم بودن نرخ انتقال حرارت تشعشعی در این ناحیه پدیده بازگرم سطحی رخ می‌دهد. در نهایت با توجه به نتایج، با بهینه‌سازی نرخ پاشش آب برای نواحی مختلف خنک‌کاری ثانویه در هر سرعت ریخته‌گری می‌توان پدیده بازگرم سطحی در شمش را به‌طور چشم‌گیری کاهش داد. همچنین مشاهده شده است که تغییرات دمای فوق‌گرم مذاب تاثیرات کمی روی توزیع دمای شمش و طول متالورژیکی دارد در حالی که تغییرات سرعت ریخته‌گری تاثیرات قابل ملاحظه‌ای به دنبال دارد. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی با داده‌های پژوهش‌های پیشین نیز صحت سنجی شده است.

در این تحقیق، جریان دو فازی گاز-مایع در عملیات حفاری زیرتعادلی (UBD) چاه‌های نفت و گاز با استفاده از حفاری جهتدار (افقی و مایل) به صورت عددی شبیه‌سازی شده است. حفاری جهتدار، حفاری تحت کنترل در مسیر معین و تعریف شده از قبل تا رسیدن به هدف می‌باشد. معادلات حاکم بر جریان دو فازی گذرا در عملیات حفاری زیرتعادلی، شامل دو معادله یک بعدی بقای جرم برای دو جزء مایع و گاز و یک معادله مومنتوم مخلوط می‌باشد که براساس مدل شار-رانشی نوشته می‌شود. این معادلات با استفاده از طرح پادبادسوی ضمنی مرتبه اول گسسته‌سازی شده و سپس جواب دستگاه معادلات حاصل با استفاده از روش نیوتن به‌دست آمده است. همچنین مدل‌سازی جریان در حالت دائم، با استفاده از مدل مکانیستیک بر اساس مدل شار-رانشی و اصلاح شده برای در نظر گرفتن انحراف چاه انجام شده است. به‌منظور اعتبارسنجی مدل جریان حالت دائم در حفاری زیرتعادلی، نتایج شبیه‌سازی با داده‌های عملی برای چاه ماسپک 53 (عمودی) و چاه پارسی 074 (جهتدار) مقایسه شده است. مقایسه جواب‌های بدست آمده با داده‌های عملی نشان می‌دهد که مدل حالت دائم دارای خطای 5 درصدی است. اعتبارسنجی مدل جریان گذرا نیز برای چاه لوپز (عمودی) و یک لوله افقی با دو دسته ورودی مختلف انجام شده است. سپس تاثیر تغییرات دبی حجمی گاز، دبی حجمی مایع و فشار خروجی از دالیز (فشار شیر کاهنده) به عنوان تابعی از زمان برروی فشار ته چاه در عملیات حفاری زیرتعادلی برای مسئله اصلی مورد نظر (عمودی، مایل و افقی) در دو حالت مختلف بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که مدل ارائه شده می‌تواند بطور مناسب فشار ته چاه در عملیات حفاری زیرتعادلی در حالت گذرا را پیش‌بینی نماید.

 در این پایان ‏نامه، تحلیل و امکان‌سنجی چند طرح پیشنهادی جهت بازیابی انرژی‏‏ های هدررفت در تاسیسات نفتی کریت اهواز مدنظر قرار گرفته است. در این راستا ابتدا واحدها و بخش‏ هایی از فرآیند که هدررفت انرژی در آن‏ ها زیاد بوده و یا پتانسیل بالایی برای کاهش مصرف انرژی به کمک انرژی ‏های حرارتی بازیابی شده را دارند، شناسایی و معرفی شده ‏اند. در ادامه فعالیت ‏های انجام شده در این پژوهش، چهار طرح پیشنهادی جهت بازیابی انرژی ‏های هدررفت و بکارگیری مجدد آن ها در فرآیند ارائه گشته است. در طرح ‏های اول، دوم و سوم هدف بر آن بود تا با طراحی سیستم‏های CHP، انرژی حرارتی مورد نیاز جهت پیش ‏گرمایش نفت خام ورودی به واحد نمک‏زدایی را فراهم کرده و هیترهای این واحد را حذف نمود. لازم به ذکر است که تفاوت سه طرح نخست در منبع حرارتی بوده که انرژی مورد نیاز از آن تامین می ‏شود. در طرح چهارم نیز برای یک سیستم CCHP، چیلر جذبی آمونیاک-آب و مجموعه ای از مبدل ‏های حرارتی مناسب طراحی شد تا بدین ‏ترتیب از انرژی حرارتی بازیابی شده در چیلر جذبی مذکور جهت سرمایش گاز طبیعی بهره گرفته شود. همچنین در بخش دیگری از این طرح به کمک مبدل ‏های طراحی شده انرژی حرارتی مورد نیاز جهت حذف هیترهای نمک‏ زدایی فراهم گردید. در نهایت نیز با ارزیابی طرح‏ ها و انجام محاسبات اقتصادی، کارایی هریک از طرح ‏ها مشخص شد. لازم به ذکر است که دوره بازگشت سرمایه محاسبه شده برای هر چهار طرح به ترتیب در حدود 7، 12، 11 و 6 ماه بوده و در این بین طرح شماره چهار با صرفه ‏جویی حدود m3/h 1157.5 گاز طبیعی و در حدود kW 3290.8 انرژی الکتریسیته و همچنین با سود سالانه در حدود 6.206.228.610 تومان، کارآمدترین طرح پیشنهادی در این پژوهش می‏ باشد.

در این مطالعه، جریان چندفاز غیر هم‌دمای نفت، گاز و آب درون چاه به صورت عددی شبیه‌سازی شده ‌است. معادلات حاکم بر جریان درون چاه شامل سه معادله یک‌بعدی بقای جرم برای سه جزء نفت، گاز و آب، یک معادله مومنتوم مخلوط و یک معادله انرژی مخلوط می‌باشد. این معادلات با استفاده از طرح پادبادسوی ضمنی مرتبه اول گسسته‌سازی شده و سپس جواب دستگاه معادلات حاصل با استفاده از روش نیوتن به دست آمده است. به منظور در نظر گرفتن لغزش بین فاز گاز و فاز مایع، از مدل شار-رانشی استفاده شده است. همچنین خواص سیال درون چاه و مخزن با استفاده از مدل نفت سیاه محاسبه شده‌اند. یکی از مشکلاتی که در حل جریان چندفاز بخصوص در آزمایش رشد فشار (بسته شدن دهانه چاه) به وجود می‌آید، پیدایش و ناپدید شدن فاز گاز در هر المان از چاه می‌باشد. فرمول‌بندی معادلات بقای جرم هر جزء بر اساس کسر حجمی، موجب ایجاد مشکلات عددی به هنگام رخ دادن این دو پدیده می‌گردد. به همین دلیل، در این پایان‌نامه، معادلات بقای جرم بر اساس کسر جرمی هر جزء نوشته شده‌اند. علاوه بر این، در بسیاری از مدل‌های ارائه شده از یک مدل چاه مستقل در کنار یک رابطه شبه‌پایای مخزن برای شبیه‌سازی جریان سیال درون چاه استفاده شده است. به دلیل اینکه رفتار گذرایی چاه وابستگی قابل‌توجهی به رفتار گذرایی مخزن دارد، استفاده از مدل شبه‌پایای مخزن مستقل موجب می‌شود نتایج به دست آمده رفتار غیر واقعی داشته باشند. از این رو، در کنار مدل چاه یک مخزن سه‌فازی شعاعی یک‌بعدی نیز به صورت عددی مدل شده است که با استفاده از روش ضمنی به مدل چاه متصل می‌گردد. محاسبه دقیق دمای سیال درون چاه از اهداف اصلی این پروژه می‌باشد، لذا لازم است که نحوه انتقال حرارت بین چاه و محیط اطراف به درستی شبیه‌سازی گردد. بدین منظور، تبادل حرارتی سیال درون چاه با محیط اطراف شامل لوله مغزی، سیال درون دالیز، لوله جداری، لوله آستری، سیمان و سازند به دو روش تحلیلی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. پس از بیان معادلات حاکم، چندین مسئله جریان چندفازی به منظور اطمینان از جواب‌های مدل ارائه شده حل ‌و نتایج آنها با نتایج سایر محققان و همچنین نتایج نرم‌افزار الگا مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که مدل ارائه شده توانایی بالایی در پیش‌بینی دما و فشار چاه بخصوص در آزمایش‌های رشد فشار و افت فشار دارد.

یکی از روش های نوین حفاری چاه‏ های نفت و گاز که به دلیل ویژگی‏ های مثبت، توجه زیادی به آن شده است، حفاری زیر تعادلی (Underbalanced Drilling) یا به اختصار UBD می باشد. در این روش با کم کردن وزن هیدرواستاتیک سیال حفاریاز طریق تزریق سیال دو فاز، فشار ته چاهی کمتر از فشار مخزن نگه داشته می شود. کاربرد این روش در حفاری افقی و مایل کمتر مورد توجه قرار گرفته است. لذادر تحقیق حاضر، شبیه سازی عددی جریان های دو فازی غیر دائم هم دما با استفاده از مدل  دوسیالی تراکم پذیر چهار معادله ای، در چاه های افقی، مایل و عمودی انجام می شود. پس از بیان معادلات حاکم و آنالیز هایپربولیکی آنها، روش عددی ترکیبی تجزیه بالا دست فرارفت (AUSM) که برای حل معادلات نیاز به محاسبه ماتریس ژاکوبین سیستم ندارد، معرفی خواهد شد. شبیه سازی عددی نشان می دهد که این روش عددی قابلیت بالایی در تحلیل جریان‏های دو فازی دارد. به منظور اعتبارسنجی کد نوشته شده برای لوله های افقی، مایل و عمودی، چندین مسئله جریان دو فازی مورد بررسی قرار گرفته است و در ادامه چندین حلقه چاه نمونه شبیه سازی می شود. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که در تمام شرایط جریانی درون دالیز، به دلیل افت فشاری ناشی از اصطکاک و گرانش، در جهت جریان همواره کسر حجمی گاز و سرعت‏های دو فاز افزایش و فشار کاهش می‏یابد. همچنین درون لوله حفاری افقی، به دلیل افت اصطکاکی، فشار همواره کاهش و سرعت دو فاز و کسر حجمی گاز افزایش می‏یابد. ولی در جهت جریان درون لوله حفاری در نواحی شیبدار، به دلیل وزن ستون سیال، فشار افزایش و کسر حجمی فاز گاز و سرعت‏های دو فاز کاهش می‏یابد.

 در عملیات حفاری فراتعادلی به‌علت اختلاف فشار سیال حفاری و سازند، فیلتراسیون گل صورت می‌پذیرد که در اثر آن برروی دیواره سازند فیلتر کیک تشکیل می‌شود. تشکیل فیلتر کیک روی دیواره سازند باعث کاهش آسیب دیدگی سازند شده ولی از طرف دیگر ممکن است سبب گیر مته حفاری و اصطکاک بیش از حد شود. تشکیل فیلتر‌کیک نتیجه سه فرآیند مرتبطِ جریان درون دالیز، نفوذ سیال به درون سازند و تشکیل کیک بر روی دیواره سازند است. در این پژوهش از یک رویه عددی برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی رشد فیلتر کیک استفاده شده ‌است که در آن ابتدا میدان جریان گل حفاری در فضای حلقوی چاه و پس از آن سرعت نفوذ صافاب به درون سازند و نرخ رشد فیلتر کیک محاسبه شده است. برای این منظور ابتدا با فرض جامد بودن دیواره چاه، معادلات حرکت سیال حفاری (که خواص رئولوژیکی آن توسط مدل توانی بیان شده است) در دو حالت دالیز هم‌مرکز و غیرهم‌مرکز استخراج و با روش‌های عددی حل‌شده است. از معادله دارسی برای محاسبه سرعت نفوذ صافاب به درون سازند و برای محاسبه نرخ رشد فیلتر کیک از احتمال رسوب ذره - که از آنالیز نیروهای وارد بر ذره در سطح کیک محاسبه می‌شود – استفاده شده است. برای اعتبار بخشی به نتایج ابتدا حل جریان در هر دوحالت هم‌مرکز و غیرهم‌مرکز با نتایج عددی و تجربی مقایسه شده و سپس برای اعتبار سنجی محاسبات کیک، ضخامت کیک در حالت نامتقارن با مرجع مربوطه (عددی) مقایسه شده است. در نهایت تاثیر سرعت متوسط سیال، چرخش رشته حفاری، شاخص توانی سیال حفاری، خروج از مرکزیت و اندازه ذرات بر ضخامت فیلتر کیک و سرعت نفوذ صافاب بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش شاخص توانی سیال باعث افزایش ضخامت فیلترکیک و کاهش سرعت نفوذ صافاب می‌شود. هم چنین افزایش خروج از مرکزیت رشته حفاری نه تنها باعث افزایش بیشینه ضخامت کیک می‌شود، بلکه اختلاف بین ضخیم‌ترین و نازک‌ترین ناحیه کیک نیز افزایش می‌یابد.