غلاف تطبيق الأنابيب في آبار الغاز وارتفاع درجة الحرارة

خصائص المجلفن أنابيب الصلب اللحامات
كانون الثاني 4, 2019
المقاومة للتآكل من API 5L خط أنابيب الصلب مع حماية طلاء
كانون الثاني 7, 2019

غلاف تطبيق الأنابيب في آبار الغاز وارتفاع درجة الحرارة

فى السنوات الاخيرة, مع تناقص عدد آبار النفط والغاز يمكن استغلالها بسهولة, أصبح من الضروري للآبار النفط والغاز للذهاب أعمق على حد سواء تحت الأرض وتحت الماء. و, ويتعرض الأنبوب وغلاف السلاسل إلى ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي في هذه الآبار, والتي من المحتمل أن يسبب فشل غلاف أو تسرب الغاز في ارتفاع ضغط / درجة الحرارة العالية (HPHT) الآبار. ومن ثم, more attention has been paid to wellbore integrity in oil and gas industry in recent years.1,2 The key factor of wellbore integrity is casing string connections, والتي من المتوقع أن توفر كلا السلامة الهيكلية والتسرب تحت بيئة شديدة. كما ترتبط ظروف التحميل مع أعمق, ارتفاع درجة الحرارة والضغط آبار الغاز, تحولت العديد من المشغلين من استخدام معهد البترول الأمريكي القياسية (API) اتصالات لاتصالات قسط.الشكل 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. ويطلق على سطح الختم أيضا الأختام المعدنية إلى المعادن, التي توفر ضغط الاتصال من خلال التدخل صالح. ماذا لديك أيضا, الضغط الاتصال الموجودة على سطح الختم هو أعلى من الضغط بئر للغاز, وصلات غلاف يمكن منع efficiently.3،4 تسرب الغاز

الشكل 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

فى السنوات الاخيرة, فشل الاتصال ختم الغاز في بعض خارج ارتفاع في درجة الحرارة بئر للغاز, على الرغم من أن الضغط تصميم الاتصال الموجودة على سطح الختم كان أعلى من ضغط الغاز. في جنوب الصين بحر, the temperature in some exploratory gas wells can reach up to 240°C.5 The well-designed premium connections could bear high-pressure gas in the downhole at early stage. ومع ذلك, يمكن الكشف عن مشكلة تسرب الغاز بعد 2 سنوات من إنتاج الغاز في بعض الآبار, وهو أقل بكثير من مدة الخدمة المتوقعة من آبار الغاز. عند درجات الحرارة خارج عالية, فإن سطح الختم اتصالات غلاف تجربة سلالة زحف, الأمر الذي سيؤدي إلى انخفاض في ضغط اتصال سطح الختم ل. عند الضغط الاتصال هو أقل من الضغط بئر للغاز, فإن الغاز تسرب من اتصال غلاف, الأمر الذي سيقلل خدمة الحياة من الغاز بشكل جيد. علاوة على ذلك, انه سيؤدي الى ضغط الغاز غلاف مستمرة, انهيار الغلاف, أو التخلي جيدا, مما تسبب في خسائر اقتصادية ضخمة. وبالتالي, من الأهمية بمكان دراسة زوجة مطاطية المواد اتصال غلاف ومعرفة تخفيف من الضغوط الاتصال على سطح الختم, والتي قد تكون مفيدة لاستكشاف وتطوير حقول الغاز وارتفاع درجة الحرارة.

وقد ركزت الدراسات البحثية على الاتصالات غلاف أساسا على تصميم والسلامة تقييم موضوع هيكل الاتصال في السنوات الماضية. المنهج التحليلي,6,7 finite element (FE) طريقة,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. حققت بعض الباحثين آلية ختم الاتصالات قسط,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) well.14،15However الغاز, وتجري كل هذه الأعمال البحثية في حالة مستقرة, لا تفكر في وقت التغيير. و, آلية ختم الاتصالات قسط في بئر الغاز درجات الحرارة العالية لم يتم التحقيق فيها بشكل كامل, وخاصة السلوك اللزجة من المواد غلاف.

في هذه المقالة, وقد أجريت تجربة زحف المواد غلاف تحت نفس الضغط التوتر ولكن درجات حرارة مختلفة. وثم, ودرس السلوك اللزجة من المواد غلاف. علاوة على ذلك, وWLF (وليام لانديل فيري) يشتق معادلة للمواد غلاف. أخيرا, يتم استخدام نموذج FE لدراسة تخفيف من الضغوط الاتصال ختم السطح للاتصال غلاف, والتي يمكن التنبؤ خدمة الحياة في بئر الغاز وارتفاع درجة الحرارة.

اختبارات المواد التجريبية

جهاز التجريبية والإجراءات

ووفقا لISO 204:2009, المواد المعدنية "اختبار زحف أحادي المحور في طريقة التوتر الاختبار, creep experiments are performed under different high temperatures to estimate the material relaxation mechanical property based on the theory of viscoelasticity.16 As shown in الشكل 2, ويتكون الجهاز زحف تجربة الفرن, جهاز استشعار درجة الحرارة, النزوح سينور, اختبار التوتر, وعينة. The experiment principle is shown in الشكل 2(ب). الجزء السفلي من العينة غير ثابت, والجزء العلوي هو تحميل. يتم التحكم في درجة الحرارة بواسطة جهاز استشعار التجريبية الفرن ودرجة الحرارة. وفى الوقت نفسه, يتم تسجيل سلالة زحف بواسطة جهاز استشعار النزوح. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. وبما أن التجربة زحف المعدن هو مضيعة للوقت, يتم تنفيذ مجموعة من اختبارات الحمل توتر دائم بها في 120 ° C, 200° C, و 300 ° C, على التوالي.

الشكل 2. (أ) جهاز التجربة زحف و (ب) المبدأ التجريبي.

نتيجة تجريبية

الطاولة 2 shows the creep experimental conditions, التي تشمل حمولة توتر دائم من 680 ميجا باسكال, ثلاث درجات حرارة مختلفة, وتستغرق وقتا طويلا التجريبي. علاوة على ذلك, وإجهاد الشد تحميل هو تحت الحد مرونة من المواد P110T. في اختبار #1, تم كسر عينة بعد 570 ساعة التجربة أقل من 300 درجة مئوية, as shown in الشكل 3. فإنه يدل على أن كسر عينة ينتمي إلى الظواهر معانقة. ومع ذلك, في انخفاض درجة الحرارة وبعد 630 ساعة من الاختبار زحف, لم العينة ليس كسر. وهذا يثبت أن سلوك زحف المادي في 300 ° C أكثر وضوحا مما كانت عليه في درجات حرارة منخفضة. The creep experiment results are shown in الشكل 4. منحنى الوقت سلالة في 300 ° C يتكون من ثلاث مراحل زحف كاملة: ابتدائي, ثانوي, والعالي. و, يتم تعريف معدل سلالة كنسبة من سلالة إلى الوقت. في المرحلة الابتدائية, معدل الضغط مرتفع نسبيا, ولكن مع مرور الوقت يبطئ. ثم, معدل الضغط في نهاية المطاف تصل إلى قيمة الحد الأدنى ويصبح ثابتا في المرحلة الثانوية, كما منحنى الوقت سلالة هو خط مستقيم في هذه المرحلة. أخيرا, في المرحلة الثالثة, معدل سلالة يزيد أضعافا مضاعفة مع مرور الوقت حتى كسور عينة, الذي ينجم أساسا عن معانقة الظواهر في العينة. ومع ذلك, لعينة عند 120 ° C و 200 ° C التجربة زحف, لم يكن هناك سوى مراحل خلال 630 ساعة اختبار: المرحلة الابتدائية والمرحلة الثانوية.

الشكل 4. Creep experiment results under different temperature.

نموذج التأسيسي اللزجة

في هذه المقالة, يتم تحديد المواد غلاف كما اللزجة الخطية. The constitutive relations can be expressed by the linear viscoelasticity superposition principle and the use of the relaxation and the creep modulus function.17,18 Starting from the generalized Maxwell model and adding one more spring term leads to a model known as Wiechert model, according to الشكل 5. باستخدام نموذج Wiechert, يمكن وصف زحف والاسترخاء من المواد اللزجة جيدا, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) وفيما يلي

E(t)=E+Σأنا=1نEأناإكسب(-tتيأنا)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

where تيأناτi is the relaxation time, Eأناليس is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. معادلة (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, المعروف أيضا باسم سلسلة بروني.

الشكل 5. Wiechert material mode.

لاحظ أن, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEأناE(0)= E0 = + E∞ ΣEi
(2)

where E0 is instantaneous relaxation modulus. و, equation (1) can be rewritten as follows

E(t)=E+Σأنا=1نمأناE0إكسب(-tتيأنا)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

where مأنا=Eأنا/E0ميل = المنظمة الدولية للتعليم / E0 is defined as Prony series parameter.

توصيف المواد P110T

أما بالنسبة للتجربة الزحف, الحمل التوتر التطبيق هو ثابت, ومعامل الاسترخاء يمكن أن يمثله شكل آخر

E(t)=ص[البريد]E(t)= ص[البريد]
(4)

where صص is the application tension load; [البريد][البريد] is a strain matrix for the creep experiment, [البريد1,البريد2,البريد3,...][E1، E2، E3، ...], corresponding to the experiment time matrix [t][t] أو [t1,t2,t3,...][T1، T2، T3، ...]. So the relaxation modulus E(t) في شكل مصفوفة هو

E(t)=E0+Σأنا=1نمأناE0[1-إكسب([t]تيأنا)]E(t)= E0 + Σi = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), يتم تأسيس العلاقة بين الوقت والضغط, as shown in equation (6)

Σأنا=1نمأناE0[1-إكسب(-[t]تيأنا)]=E0-ص[البريد]Σi = 1nmiE0[1-exp(-[t]τi)]= E0 ف[البريد]
(6)

By solving equation (6) by the method of linear matrix equation and substituting the time matrix [t][t] and the strain matrix [البريد][البريد] using the creep experimental data, the Prony series parameter mi can be obtained.

أما بالنسبة للتعقيد الحوسبة وظيفة سلسلة بروني, يتم تطبيق برنامج MATLAB للعثور على سلسلة المعلمة بروني. لحرارة 200 درجة مئوية درجة الحرارة البيئية, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, والمعادلة الاسترخاء معامل لها ويمكن الحصول على النحو التالي

E(t)=79,827+61,991[1-البريد-t10]+7367[1-البريد-t100]+49,615[1-البريد-t1000]E(t)= 79827 + 61991[1-e-T10]+7367[1-e-T100]+49,615[1-e-T1000]

وفقا لنظرية القانون هوك, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). علاوة على ذلك, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in الشكل 6. مقارنة مع منحنى الوقت السلالة في التجربة ينتج في 200 ° C, as shown in الشكل 6, وبروني منحنى نموذج سلسلة يناسب بشكل جيد مع البيانات التجريبية زحف, التي تحقق من صحة النموذج التأسيسي للمادة P110T. وبالتالي, سلسلة معادلة بروني من P110T المواد غلاف عند 120 ° C و 300 ° C يمكن استخلاصها أيضا في نفس الطريق, as shown in equations (8) و (9), على التوالي

E(t)=125,986+875[1-البريد-t]+43,314[1-البريد-t12]+2956[1-البريد-t100]+38,942[1-البريد-t1000]E(t)= 125986 + 875[1-e-ر]+43,314[1-e-T12]+2956[1-e-T100]+38,942[1-e-T1000]
(8)
E(t)=53,560+66,362[1-البريد-t5]+6985[1-البريد-t10]+4802[1-البريد-t200]+30,015[1-البريد-t800]E(t)= 53560 + 66362[1-e-T5]+6985[1-e-T10]+4802[1-e-T200]+30,015[1-e-T800]
(9)

الشكل 6. Creep experimental data and Prony series tensile versus at 200°C.

سلوك الحرارية الانسيابية المواد غلاف

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, معدل الاسترخاء المواد هو بطيء جدا, والتي يمكن أن تكون على غرار كسلوك مرنة. عند ارتفاع درجات الحرارة, يصبح معدل الاسترخاء المواد بشكل أسرع بكثير, وهو السلوك اللزج النقي. معامل الاسترخاء, التي حصل عليها طريقة سلسلة بروني, يتم رسم على نطاق ووقت سجل تحت درجات حرارة مختلفة ثلاثة, as shown in الشكل 7. ويمكن جدت أن جميع المؤامرات لها تقريبا نفس الشكل ولكن تحولت فقط أفقيا. هذا هو خاصية من المواد غلاف ويسمى السلوك الحرارية الريولوجية. متوسط ​​المسافة الأفقية بين منحنيين, في القمة, الأوسط, وأسفل, يعرف بأنه عامل التحول, لTαT, والعلاقة بين منحنيات يمكن وصفها بالمعادلة التالية

E(سجل(t),T)=E(سجل(t)-سجللT,T1)E(سجل(t),T)= E(سجل(t)-logαT,T1)
(10)

where E(t, T) is the relaxation modulus at temperature T and time t.

الشكل 7. Thermo-rheological behavior of casing material P110T.

معادلة (10) can be rewritten as follows

E(t,T)=E(tلT,T1)E(t,T)= E(tαT,T1)
(11)

The shift factor لTαT can be obtained by the WLF equation

سجللT=-ج1(T-T0)ج2+(T-T0)logαT = -C1(T-T0)C2 +(T-T0)
(12)

where T is the temperature at which the relaxation modulus is calculated, T0T0 is the reference temperature. C1 and C2 are constants of the WLF equation.

Based on the creep experimental data and Prony series method in الشكل 6, ووضع 200 درجة مئوية كما في درجة الحرارة المرجعية, العوامل تحول, من 200 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية و 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية, يمكن زيادتها في المؤامرة. عن طريق استبدال عوامل التحول في المعادلة WLF, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. وبالتالي, المعادلة WLF لP110T المواد الغلاف هي

سجللT=-45.03(T-200)4640+(T-200)logαT = -45.03(T-200)4640+(T-200)
(13)

محاكاة FE وتطبيقه

نموذج FE

تم إجراء المحاكاة العددية للعينة اختبار التوتر زحف استخدام التجاري FE ABAQUS البرمجيات. مستندة على المادة غلاف P110T زحف تجربة تحميل, تم إنشاء النموذج الميكانيكي FE, as shown in الشكل 8. خصائص المرونة, بما في ذلك معامل المرونة ونسبة بواسون, 1.99× 105 ميجا باسكال و 0.3, على التوالي, تم تعريفها في ABAQUS. بالإضافة إلى, الخصائص اللزجة, بما في ذلك وقت الاسترخاء وسلسلة بروني, as shown in Table 3, وتعرف أيضا في ABAQUS. ماذا لديك أيضا, والحرارية الريولوجية بسيطة (TRS) المعلمات, C1 and C2, التي حصل عليها المعادلة WLF, كما تشمل في هذه المحاكاة, و* تم تطبيق نوع فيسكو التحليل للسلوك اللزجة.

الشكل 8. FE mechanical model used for simulation of the tension creep test.

The comparison between the creep experimental data and the simulation results at three different temperatures is shown in الشكل 9(أ)-(ج), على التوالي. في درجة حرارة 200 ° C, نتيجة المحاكاة تطابق البيانات التجريبية زحف جيدا. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). ولكن لدرجات حرارة 120 ° C و 300 ° C, كما سلوك الحرارية الريولوجية, هناك اختلافات صغيرة بين التجريبية ونتائج المحاكاة, وأكبر الفرق هو أقل من 8%. والسبب في هذا الاختلاف هو بسبب أن, لتحليل FE, يتم تطبيق المعايير الحرارية الانسيابية في محاكاة, التي يتم الحصول عليها من المعادلة WLF. في المعادلة WLF, يتم أخذ 200 ° C مثل درجة الحرارة المرجعية, لهذا السبب, في الشكل 7, يتم إزاحة المنحنى الأحمر إلى موقف المنحنى الأزرق والأسود منحنى. و, تمثل منحنيات تحول جديدة سلوك الحرارية الريولوجية للمادة غلاف ويستخدم لحل المعادلة WLF. لأن منحنيات تحول لا يمكن 100% المباراة بشكل جيد مع نسخة أصلية واحدة, التي يتم الحصول عليها من خلال النتائج التجريبية, يوجد انحراف بين التجريبية والمحاكاة. علاوة على ذلك, كما يتم أخذ 200 ° C باعتباره درجة الحرارة المرجعية, نتيجة المحاكاة هي أكثر دقة من غيرها, as shown in الشكل 9. وبالتالي, أظهرت نتائج المحاكاة على صحة نظرية اللزجة وطريقة TRS في هذه المقالة. بالاضافة, نموذج FE يمكن استخدامها لتقدير السلوك اللزجة من P110T المواد غلاف في الظروف الميكانيكية والحرارية المختلفة.

الشكل 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (أ) 120° C, (ب) 200° C, و (ج) 300° C.

ضغط الاتصال على سطح الختم

واستنادا إلى هندسة 5.5 "SL-APOX نوع الاتصال المشترك, تم بناء نموذج FE التماثل المحوري لسطح الختم في ABAQUS, as shown in الشكل 10. الجدار الداخلي تحت ضغط الغاز تطبيقها. الخط الأحمر في الشكل يمثل سطح الختم. إذا كان ضغط الغاز أعلى من ضغط الاتصال على سطح الختم, وسوف تكون أكثر عرضة للتسرب اتصال مشترك.

الشكل 10. Finite element model of the sealing surface from the SL-APOX joint connection.

في ارتفاع درجة الحرارة البيئة, فإن الضغط الاتصال الموجودة على سطح الختم تنخفض مع الوقت نظرا لزوجة مطاطية المادية. تم تعيين ضغط الغاز على الجدار الداخلي إلى 75 ميجا باسكال. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in الشكل 11. وتبين نتائج المحاكاة أن متوسط ​​ضغط الاتصال الأولي هو 116 ميجا باسكال في 160 ° C و 230 ° C. ثم, انخفاض متوسط ​​ضغط اتصال مع الوقت. قطرات متوسط ​​الضغط الاتصال إلى 76 ميجا باسكال. علاوة على ذلك, معدل ضغط انخفاض في 230 ° C أسرع من واحد في 160 ° C بيئة. وتبين أن في 4000 ح (166أيام), انخفاض الضغط الاتصال إلى 76 ميجا باسكال عند 230 ° C. ومع ذلك, في بيئة درجة حرارة أقل, سوف يستغرق 9000 ساعة (375أيام) أن تنخفض إلى 76 ميجا باسكال.

الشكل 11. Relaxation of contact pressure on the sealing surface varying with time.

وفقا لنتيجة المحاكاة, نسبة الضغط الاتصال الأولي والضغط اتصال محسوما هو 1.56, وهو ما يعني, في ارتفاع درجة الحرارة البيئة, فإن الضغط الاتصال النهائي على سطح الختم تنخفض بمقدار الثلث تقريبا. وبناء على المعادلة عامل الأمان

ن=[ص]صسباق الجائزة الكبرىن =[ص]σgp
(14)

where n is the safety factor, [ص][ص] is the designing contact pressure, صسباق الجائزة الكبرىσgp is the intending sealing gas pressure. The safety factor n must be more than 2 للنظر السلامة.

Conclusion

  1. تخفيف الضغط الاتصال الموجودة على سطح الختم للاتصال قسط هو السبب الرئيسي لتسرب الغاز من الغلاف في درجات حرارة عالية بئر للغاز الطبيعي.

  2. في درجات حرارة عالية, كان يعمل التجربة التوتر زحف لدراسة السلوك اللزجة من P110T المواد غلاف. السلوك الميكانيكي للمواد الغلاف هو بقوة درجة الحرارة تعتمد. وارتفاع درجة الحرارة والبيئة هي, ومعدل زحف أسرع هو.

  3. وقد اشتق نموذج التأسيسي للP110T المواد غلاف من خلال البيانات التجريبية زحف, وحسبت المعلمة سلسلة بروني. وكان التحقيق في سلوك الحرارية الريولوجية أيضا, ويتم الحصول على عوامل التحول من المواد بين درجات حرارة البيئة من 120 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية.

  4. تم إنشاء نموذج FE اللزجة لP110T المواد, ونتائج المحاكاة تنسجم تماما مع البيانات التجريبية.

  5. تم بناء نموذج FE من سطح الختم في الاتصالات قسط في ABAQUS, وكان التحقيق الاسترخاء الضغط اتصالاتها. فمن المستحسن أن الضغط تصميم الاتصال الموجودة على سطح الختم يجب أن يكون مرتين بقدر ما تنوي الضغط ختم الغاز في درجات حرارة عالية آبار الغاز الطبيعي.

محرر التعامل مع: ميشال Kuciej

إعلان تضارب المصالح
المؤلف(الصورة) أعلن أي تضارب محتمل في المصالح فيما يتعلق البحوث, تأليف, و / أو نشر هذا المقال.

مراجع

Teodoriu, ج, Kosinowski, ج, أماني, M. Wellbore integrity and cement failure at HPHT conditions. Int J Eng Appl Sci 2013; 2: 1–13.

بول Cernocky, E, Valigura, GA, Scholibo, FC. A standardized approach to finite element analysis of casing-tubing connections to establish relative sealing performance as a function of design geometry, التحمل بالقطع, والأحمال المطبقة. في: Idelsohn, S, Oñate, E, دفوركين, E (محرران) Computational mechanics. Barcelona: CIMNE, 1988, pp.1–19.

أونج, ز, نزام الرملي, M, أحمد, ح. Evaluation of fatigue performance on semi premium connection for casing drilling application to prevent connection fatigue failure. في: Proceedings of the off shore technology conference Asia, Kuala Lumpur, ماليزيا, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

SUGINO, M, ياماغوتشي, S, Ugai, S. VAM 21, الخيوط قسط عالية الأداء المبتكرة للاتصال أوكتج. نيبون ستيل & التقرير الفني سوميتومو ميتال لا. 107, شهر فبراير 2015, pp.10–17, HTTP://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

تاكانو, J, ياماغوتشي, M, Kunishige, ح. تطوير اتصال قسط "KSBEAR" لتحمل ضغط عال, الضغوط الخارجية عالية, وقطع الانحناء. التقرير الفني كاواساكي الصلب لا. 47, 2002, HTTP://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

كيم, J, لي, HS, كيم, N. Determination of shear and bulk moduli of viscoelastic solids from the indirect tension creep test. J Eng Mech 2010; 136: 1067–1075. 3

لوبيز, J, ألبيرتو, ج, توماس, J. Viscoelastic relaxation modulus characterization using Prony series. Lat Am J Solids Stru 2015; 12: 420–445.

Park, SW, Schapery, RA. Methods of interconversion between linear viscoelastic material functions. الجزء I-طريقة عددية على أساس سلسلة بروني. Int J Solids Struct 1999; 26: 1653–1675.

Ananthsynm, ب. Computional modeling of precision molding of aspheric glass optics. All Dissertations 326, 2008, HTTP://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/326

التعليقات مغلقة.