La carcasa aplicación de canalización en pozos de gas de alta temperatura

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La carcasa aplicación de canalización en pozos de gas de alta temperatura

En años recientes, con la disminución del número de pozos de petróleo y gas fácilmente explotables, se ha hecho necesario para los pozos de petróleo y gas para ir más profundo en tanto subterráneos y submarinos. Y, sartas de tubería y la carcasa están sometidos a mayor temperatura y presión más alta en estos pozos, lo que probablemente causar insuficiencia carcasa o fuga de gas en el de alta presión / alta temperatura (HPHT) pozos. Por lo tanto, más atención se ha prestado a la integridad del pozo en la industria del petróleo y del gas en los últimos años1,2 El factor clave de la integridad del pozo se carcasa conexiones de cuerda, que se espera que proporcione la integridad estructural y las fugas bajo ambiente severo. Como condiciones de carga están asociados con más profunda, pozos de gas más elevadas de temperatura y presión, muchos operadores cambiaron el uso Petroleum Institute estándar americano (API DE) conexiones a las conexiones premium.Figura 1 muestra la carcasa de conexiones premium y su mecanismo de sellado de gas. La superficie de sellado también se llama sellos de metal a metal, que proporcionan presión de contacto mediante el ajuste de interferencia. Qué es más, la presión de contacto en la superficie de sellado es mayor que la presión del pozo de gas, y las conexiones de la carcasa podrían prevenir los efficiently.3,4 de fuga de gas

Figura 1. mecanismo de sellado de gas de conexiones premium.

En años recientes, la conexión de sellado de gas falló en algunos pozos de gas extra-alta temperatura, Aunque la presión de contacto de diseño en la superficie de sellado fue más alta que la presión de gas. En el sur de China Mar, la temperatura en algunos pozos de gas de exploración puede alcanzar hasta 240 ° C.5 Las conexiones premium bien diseñados podía soportar gas a alta presión en el fondo del pozo en una etapa temprana. sin embargo, el problema de la fuga de gas podría ser detectada después de 2 años de la producción de gas en algunos pozos, que es mucho menor que la vida útil esperada de los pozos de gas. En los extra-altas temperaturas, La superficie de sellado de las conexiones de la carcasa experimentará deformación por fluencia, lo que conducirá a la reducción de la presión de contacto de la superficie de sellado. Cuando la presión de contacto es menor que la presión del pozo de gas, el gas se escape desde la conexión de la carcasa, lo que reducirá la vida útil del pozo de gas. además, que traería una presión de gas carcasa sostenida, colapso carcasa, o abandono de pozos, causando una gran pérdida económica. Por lo tanto, es significativo para estudiar la viscoelasticidad de material de la conexión de la caja y averiguar la relajación de la presión de contacto en la superficie de sellado, que podría ser útil para la exploración y desarrollo de pozos de gas de alta temperatura.

Los estudios de investigación sobre las conexiones de la carcasa se han centrado principalmente en el diseño y evaluación de la seguridad de la estructura de conexión de rosca en los últimos años. Método analítico,6,7 Elemento finito (FE) método,8,9 y method10,11 experimentales fueron adoptados comúnmente en los trabajos de investigación. Algunos investigadores han investigado el mecanismo de sellado de las conexiones premium,12,13 y algunos investigadores desarrollaron conexiones premium de alto rendimiento en la alta temperatura / alta presión (ATAP) well.14,15However de gas, estos trabajos de investigación se llevan a cabo todos en el estado estacionario, no teniendo en cuenta el tiempo de cambio. Y, el mecanismo de sellado de las conexiones premium en el pozo de gas de alta temperatura que no ha sido completamente investigada, especialmente el comportamiento viscoelástico del material de envoltura.

En este articulo, un experimento de fluencia de material de la cubierta se llevó a cabo bajo la misma tensión de tracción pero diferentes temperaturas. Y entonces, el comportamiento viscoelástico del material de la envoltura se estudia. además, la WLF (William-Landel-Ferry) ecuación para el material de la envoltura se deriva. Finalmente, un modelo de FE se utiliza para estudiar la relajación de la presión de contacto de la superficie de sellado de la conexión de la carcasa, que puede predecir su vida útil en el pozo de gas de alta temperatura.

ensayos de materiales experimentales

aparato experimental y procedimiento

De acuerdo con ISO 204:2009, las pruebas de fluencia uniaxial materiales metálicos en el método de la tensión de prueba, experimentos de fluencia se realizan bajo diferentes temperaturas altas para estimar la propiedad mecánica relajación material basado en la teoría de viscoelasticity.16 Como se muestra en Figura 2, el aparato experimento creep se compone de horno, sensor de temperatura, señor desplazamiento, prueba de tensión, y muestras. El principio experimento se muestra en Figura 2(b). La parte inferior de la muestra es fijo, y la parte superior es cargado. temperatura Experimental es controlado por sensor horno y la temperatura. mientras tanto, la deformación por fluencia es registrada por sensor de desplazamiento. El material de envoltura espécimen es P110T y su composición química está en la lista en la Tabla 1. A medida que el experimento creep metal es que consume tiempo, un conjunto de pruebas de carga constante de tensión se lleva a cabo a 120 ° C, 200DO, y 300 ° C, respectivamente.

Figura 2. (una) aparato experimento fluencia y (b) principio experimental.

Resultado experimental

Mesa 2 muestra las condiciones experimentales de fluencia, que incluyen una carga de tensión constante de 680 MPa, tres temperaturas diferentes, y consumir tiempo de experimentación. Por otra parte, la tensión de tracción cargado es por debajo del límite elástico del material P110T. en la prueba #1, la muestra se rompió después de 570 h experimento bajo 300 ° C, como se muestra en Figura 3. Esto demuestra que la fractura de la muestra pertenece a los fenómenos de formación de cuellos. sin embargo, a una temperatura más baja y después de 630 h de las pruebas de fluencia, el espécimen no se fracture. Esto demuestra que el comportamiento de fluencia de material a 300 ° C es más evidente que a temperaturas más bajas. Los resultados del experimento se muestran en la fluencia Figura 4. La curva de tiempo-tensión en el 300 ° C consiste en que todas las tres etapas de fluencia: primario, secundario, y terciaria. Y, la velocidad de deformación se define como la relación de la cepa a la vez. En la etapa primaria, la velocidad de deformación es relativamente alto, pero disminuye con el tiempo. Entonces, la velocidad de deformación, finalmente, alcanza un valor mínimo y se convierte en una constante en la etapa de secundaria, como la curva de tiempo de deformación es una línea recta en esta etapa. Finalmente, en la etapa terciaria, la velocidad de deformación aumenta exponencialmente con el tiempo hasta las fracturas de muestras, que es causada principalmente por la formación de cuellos fenómenos en el espécimen. sin embargo, para la muestra a 120 ° C y 200 experimento creep ° C, sólo había dos etapas durante el 630 horas de pruebas: etapa primaria y etapa secundaria.

Figura 4. los resultados del experimento fluencia bajo diferentes temperaturas.

modelo constitutivo viscoelástico

En este articulo, el material de la envoltura se selecciona como viscoelástica lineal. Las relaciones constitutivas pueden ser expresadas por el principio viscoelasticidad superposición lineal y el uso de la relajación y los function.17,18 módulo de fluencia A partir del modelo Maxwell generalizada y la adición de uno más término resorte conduce a un modelo conocido como modelo Wiechert, de acuerdo a Figura 5. Usando el modelo de Wiechert, la fluencia y la relajación del material viscoelástico podrían describirse bien, y este modelo podría ser representada por la función de módulo de relajación E(t) como sigue

mi(t)=mi+Σyo=1nortemiyoexp(-ttyo)mi(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

dónde tyoτi es el tiempo de relajación, miyono es el módulo de relajación, miE∞ es el módulo de equilibrio, y n es el número total de términos de la serie Prony. Ecuación (1) representa la suma de una serie de términos exponenciales y podría interpretarse como un modelo de elemento mecánico, también conocido como serie Prony.

Figura 5. modalidad material Wiechert.

Tenga en cuenta que, de la ecuación (1), si t = 0

mi(0)=mi0=mi+Σmiyomi(0)= E0 = + E∞ ΣEi
(2)

donde E0 es el módulo relajación instantánea. Y, ecuación (1) puede ser reescrita como sigue

mi(t)=mi+Σyo=1nortemetroyomi0exp(-ttyo)mi(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

dónde metroyo=miyo/mi0mi = Ei / E0 se define como parámetro serie Prony.

caracterización de materiales P110T

Como para el experimento creep, la carga de tensión aplicación es una constante, y el módulo de relajación puede ser representado por otra forma

mi(t)=p[e]mi(t)p =[e]
(4)

dónde pp es la carga de tensión aplicación; [e][e] es una matriz de cepa para el experimento creep, [e1,e2,e3,...][E1, E2, E3, ...], correspondiente a la matriz de tiempo de experimento [t][t] o [t1,t2,t3,...][t1, t2, t3, ...]. Por lo que la relajación módulo E(t) en forma de matriz se

mi(t)=mi0+Σyo=1nortemetroyomi0[1-exp([t]tyo)]mi(t)= E0 + Σi = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

combinando la ecuación (4) con la ecuación (5), se establece la relación entre el tiempo y la cepa, como se muestra en la ecuación (6)

Σyo=1nortemetroyomi0[1-exp(-[t]tyo)]=mi0-p[e]Σi = 1nmiE0[1-exp(-[t]τi)]= E0-p[e]
(6)

Por resolución de ecuaciones (6) por el método de ecuación matricial lineal y sustituyendo la matriz de tiempo [t][t] y la matriz cepa [e][e] utilizando los datos experimentales de fluencia, el parámetro de serie Prony mi puede obtenerse.

En cuanto a la complejidad de cálculo de la función de series de Prony, el software MATLAB se aplica para encontrar el parámetro de serie Prony. Para el 200 ° C temperatura ambiental, el parámetro de serie Prony del material de carcasa P110T aparece en la Tabla 3, y su ecuación módulo de relajación se puede obtener como sigue

mi(t)=79,827+61,991[1-mi-t10]+7367[1-mi-t100]+49,615[1-mi-t1000]mi(t)= 79 827 + 61 991[1-e-T10]+7367[1-e-t100]+49,615[1-e-T1000]

De acuerdo con la teoría de la ley de Hooke, la tensión de deformación es la relación de la tensión de tracción constante a la módulo de relajación E(t). Por otra parte, la curva de la relación de la tensión de deformación en función del tiempo se representa gráficamente en Figura 6. En comparación con la curva de tiempo de la tensión en el experimento resultar a 200 ° C, como se muestra en Figura 6, la curva modelo de serie Prony encaja bien con los datos experimentales de fluencia, que validan el modelo constitutivo del material P110T. Por lo tanto, la ecuación serie Prony de la P110T material de envoltura a 120 ° C y 300 ° C puede ser también deriva de la misma manera, como se muestra en las ecuaciones (8) y (9), respectivamente

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

Figura 6. Fluencia datos experimentales y la tracción de la serie Prony frente a 200 ° C.

comportamiento Thermo-reológico de material de envoltura

El módulo de relajación es dependent.19,20 temperatura A temperaturas más bajas, velocidad de relajación del material es muy lento, que puede ser modelado como comportamiento elástico. A temperaturas más altas, velocidad de relajación del material se vuelve mucho más rápido, que es el comportamiento viscoso pura. El módulo de relajación, obtenido por el método de series de Prony, se grafica en una escala de tiempo de registro en las tres temperaturas diferentes, como se muestra en Figura 7. Puede ser encontrado que todas las parcelas tienen casi la misma forma, pero sólo se desplazan horizontalmente. Esta es una propiedad del material de la cubierta y se llama comportamiento termo-reológico. El promedio de la distancia horizontal entre dos curvas, en la cima, medio, y la parte inferior, se define como factor de desplazamiento, unaTαT, y la relación entre las curvas se puede describir por la ecuación siguiente

mi(Iniciar sesión(t),T)=mi(Iniciar sesión(t)-Iniciar sesiónunaT,T1)mi(Iniciar sesión(t),T)E =(Iniciar sesión(t)-logαT,T1)
(10)

donde E(t, T) es el módulo de relajación a la temperatura T y el tiempo t.

Figura 7. comportamiento Thermo-reológico de P110T material de envoltura.

Ecuación (10) puede ser reescrita como sigue

mi(t,T)=mi(tunaT,T1)mi(t,T)E =(tαT,T1)
(11)

El factor de desplazamiento unaTαT puede ser obtenido por la ecuación WLF

Iniciar sesiónunaT=-C1(T-T0)C2+(T-T0)logαT = -C1(T-T0)C2 +(T-T0)
(12)

donde T es la temperatura a la que se calcula el módulo de relajación, T0T0 es la temperatura de referencia. C1 y C2 son constantes de la ecuación WLF.

Sobre la base de los datos experimentales a la fluencia y método de series de Prony en Figura 6, y el establecimiento de 200 ° C como la temperatura de referencia, los factores de desplazamiento, de 200 ° C a 120 ° C y 200 ° C a 300 ° C, se puede escalar en la trama. Mediante la sustitución de los factores de desplazamiento en la ecuación WLF, las constantes C1 y C2 se puede resolver: C1 = 45,03 y C2 = 4,640. Por lo tanto, la ecuación WLF para la P110T material de envoltura es

Iniciar sesiónunaT=-45.03(T-200)4640+(T-200)logαT = -45,03(T-200)4640+(T-200)
(13)

simulación con EF y su aplicación

modelo FE

La simulación numérica de la prueba de tensión de fluencia espécimen se realizó usando el software comercial ABAQUS FE. Basándose en el material de envoltura P110T experimento creep loading, Se estableció el modelo mecánico FE, como se muestra en Figura 8. Las propiedades elásticas, incluyendo módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson, 1.99× 105 MPa y 0.3, respectivamente, se definen en ABAQUS. Además, las propiedades viscosas, incluyendo el tiempo de relajación y series de Prony, como se muestra en la Tabla 3, También se definen en ABAQUS. Qué es más, la sencilla termo-reológico (TRS) parámetros, C1 y C2, obtenido por la ecuación WLF, También se incluyen en esta simulación, y * Tipo de VISCO de análisis se aplica para el comportamiento viscoelástico.

Figura 8. FE modelo mecánico utilizado para la simulación de la prueba de tensión de fluencia.

La comparación entre los datos experimentales de fluencia y los resultados de la simulación a tres temperaturas diferentes se muestra en la Figura 9(una)-(do), respectivamente. A temperatura 200 ° C, el resultado de la simulación se adapta muy bien los datos experimentales de fluencia. Esto se debe a la temperatura de 200 ° C se estableció como temperatura de referencia en la ecuación (13). Pero para las temperaturas de 120 ° C y 300 ° C, como un comportamiento termo-reológico, hay pequeñas diferencias entre el experimental y los resultados simulados, y la mayor diferencia es menos de 8%. La razón de esta diferencia se debe a que, para el análisis FE, los parámetros termo-reológico se aplican en la simulación, que se obtiene de la ecuación WLF. En la ecuación WLF, el 200 ° C se toma como la temperatura de referencia, así que eso, en Figura 7, la curva roja se desplaza a la posición de la curva azul y negro curva. Y, las nuevas curvas desplazadas representan el comportamiento termo-reológico del material de la cubierta y se utiliza para resolver la ecuación WLF. Debido a que las curvas desplazado no puede 100% adaptan bien a la original, que se obtiene por los resultados experimentales, existe la desviación entre experimental y simulación. Por otra parte, como el 200 ° C se toma como temperatura de referencia, el resultado de la simulación es más preciso que los demás, como se muestra en Figura 9. Por lo tanto, los resultados de la simulación demuestran la validez de la teoría y el método TR viscoelástico en este artículo. Además, el modelo de FE se puede utilizar para estimar el comportamiento viscoelástico de P110T material de envoltura en diferentes condiciones mecánicas y térmicas.

Figura 9. Comparación de los experimental resultado datos y la simulación bajo diferentes temperaturas: (una) 120DO, (b) 200DO, y (do) 300DO.

La presión de contacto sobre la superficie de sellado

Basado en la geometría de 5,5 "SL-APOX tipo de conexión conjunta, un modelo FE simetría axial para la superficie de sellado fue construido en ABAQUS, como se muestra en Figura 10. La pared interna está bajo la presión de gas aplicada. La línea roja en la figura representa la superficie de sellado. Si la presión del gas es mayor que la presión de contacto sobre la superficie de sellado, la conexión conjunta será más probable escaparse.

Figura 10. modelo de elemento finito de la superficie de sellado de la conexión conjunta SL-APOX.

En entorno de alta temperatura, la presión de contacto en la superficie de sellado disminuirá con el tiempo debido a la viscoelasticidad de material. La presión del gas en la pared interior está ajustado a 75 MPa. El resultado de la simulación de la relajación presión de contacto promediado sobre la superficie de sellado frente al tiempo se muestra en la Figura 11. Los resultados de simulación muestran que la presión de contacto media inicial es 116 MPa a 160 ° C y 230 ° C. Entonces, la presión de contacto promedio disminuye con el tiempo. La presión de contacto media cae a 76 MPa. además, la tasa de disminución de la presión a 230 ° C es más rápido que el de 160 ° C entorno. Se muestra que dentro de 4,000 h (166dias), la presión de contacto se reduce a 76 MPa a 230 ° C. sin embargo, en un entorno de temperatura más baja, que se llevará a 9000 h (375dias) para caer a 76 MPa.

Figura 11. La relajación de la presión de contacto sobre la superficie de sellado que varía con el tiempo.

De acuerdo con el resultado de la simulación, la relación de la presión de contacto inicial y la presión de contacto florón es 1.56, lo que significa, en entorno de alta temperatura, la presión de contacto final sobre la superficie de sellado se reducirá en casi un tercio. Sobre la base de la ecuación de coeficiente de seguridad

norte=[p]pgpn =[p]σgp
(14)

donde n es el factor de seguridad, [p][p] es la presión de contacto de diseño, pgpσgp es la intención de la presión del gas de sellado. El factor de seguridad n debe ser más de 2 para la consideración de seguridad.

Conclusión

  1. La relajación de la presión de contacto en la superficie de sellado de la conexión prima es la razón principal de la fuga de gas de la carcasa en el pozo de gas natural a alta temperatura.

  2. A altas temperaturas, experimento tensión de fluencia fue empleado para estudiar el comportamiento viscoelástico de la P110T material de envoltura. El comportamiento mecánico del material de la envoltura es fuertemente dependiente de la temperatura. Cuanto mayor sea el ambiente de temperatura es, más rápida será la velocidad de fluencia es.

  3. El modelo constitutivo para el P110T material de la envoltura se deriva a través de los datos experimentales de fluencia, y se calculó el parámetro de serie Prony. También se investigó el comportamiento termo-reológico, y se obtienen los factores de desplazamiento del material entre las temperaturas ambientales de 120 ° C a 300 ° C.

  4. Se estableció un modelo FE viscoelástico para el material de P110T, y los resultados de la simulación se adaptan bien a los datos experimentales.

  5. El modelo FE de una superficie de sellado en las conexiones premium fue construido en ABAQUS, y su relajación presión de contacto se investigó. Se recomienda que la presión de contacto de diseño en la superficie de sellado debe ser dos veces más que la presión de sellado de gas intención en pozos de gas natural de alta temperatura.

Editor de manejo de: Michal Kuciej

Declaración de intereses en conflicto
El autor(s) declarado no tener ningún conflicto de intereses potencial con respecto a la investigación, paternidad literaria, y / o la publicación de este artículo.

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