Analisi fluidodinamica di pompe fango innovative per applicazioni drilling

The aim of this thesis is the design, through the CFD technique, of the fluid-end of a six pistons pump used in the Oil & Gas drilling operations. After an introduction of the drilling process and of the plant components, a pump sectorial analysis will be carried out, with the aim of identifying the placement of the Drillmec S.p.A. product on the market. This analysis, together with the new technological trends of the leading pumps manufacturer, will be used to explain the need of a new pump design. The study of the drilling fluids will lead to the introduction of the rheological models used to describe the behavior of the non-Newtonian fluids. After the explanation of the choices made for the setting of the fluid-dynamic analysis, conducted using Ansys Fluent, a preliminary analysis on a pump that is currently on the market will be carried out; the results of this study will be used as a benchmark for the following analysis. Eventually, four new configurations will be presented and analyzed and a comparison both among them and with the benchmark will be carried out, getting the optimal configuration for the new pump. Among the proposed configurations , the V3 will be the best; this geometry of the fluid-end leads to an increase of both volumetric efficiency and cycle efficiency, with consequent decrease of the absorbed power . Thanks to the increase in the performance it is possible to install on the new pump electric motors with lower power than expected.

Lo scopo di questa tesi è la progettazione, con l’utilizzo della tecnica CFD, del fluid-end di una pompa volumetrica a sei pistoni usata nell’ambito della perforazione di pozzi petroliferi. Dopo un’introduzione del processo di perforazione e dei vari componenti di un impianto, verrà condotta un’analisi settoriale sulla pompe con lo scopo di individuare la collocazione sul mercato del prodotto Drillmec S.p.A.. Tale analisi, unita alle nuove tendenze in ambito tecnologico dei principali produttori di pompe, verrà usata per spiegare la necessità di progettare una nuova pompa. Lo studio dei fanghi di perforazione ci porterà all’introduzione dei modelli reologici che descrivono il comportamento dei fluidi non-Newtoniani. Dopo la spiegazione della scelte prese per il settaggio delle analisi fluidodinamiche, condotte con il software Ansys Fluent, verrà condotta un’analisi preliminare su una pompa attualmente in commercio; i risultati di questo studio verranno presi come metro di paragone per le analisi successive. Verranno infine proposte quattro diverse configurazioni che saranno analizzate e confrontate sia tra di loro che con la pompa già in commercio ottenendo la configurazione ottimale per la nuova pompa. Tra le configurazioni proposte, la V3 risulterà la migliore; tale geometria del fluid-end porta ad un incremento sia dell’efficienza volumetrica che di quella ciclo, con conseguente diminuzione della potenza assorbita. Grazie a questo incremento delle prestazioni sarà possibile installare sulla nuova pompa dei motori elettrici con potenza inferiore di quella prevista.