پوشش برنامه لوله در چاه های گاز در دمای بالا

خواص فولاد گالوانیزه لوله جوش
ژانویه 4, 2019
مقاومت در برابر خوردگی خط لوله API 5L فولادی با پوشش حفاظتی
ژانویه 7, 2019

پوشش برنامه لوله در چاه های گاز در دمای بالا

در سال های اخیر, با کاهش تعداد به راحتی بهره برداری از چاه های نفت و گاز, لازم است برای چاه های نفت و گاز برای رفتن عمیق تر در هر دو زیرزمینی و زیر آب. و, لوله و پوشش رشته به درجه حرارت بالاتر و فشار بالاتر در این چاه قرار, که احتمالا باعث نارسایی پوشش و یا نشت گاز در فشار بالا / دمای بالا (HPHT) چاه. از این رو, 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, که انتظار می رود به ارائه هر دو تمامیت ساختاری و نشت در محیط شدید. به عنوان شرایط بارگذاری با عمیق تر در ارتباط, چاه های گاز دما و فشار بالاتر, بسیاری از اپراتورهای روشن از با استفاده از استاندارد موسسه نفت آمریکا (API) اتصال به اتصالات حق بیمه.شکل 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. سطح آب بندی نیز فلز به فلز مهر و موم به نام, است که ارائه دهنده فشار از طریق مناسب تداخل. چه تر است, فشار تماسی در سطح آب بندی بالاتر از فشار گاز است, و اتصالات پوشش می تواند efficiently.3،4 نشت گاز جلوگیری

شکل 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

در سال های اخیر, اتصال آب بندی گاز در برخی از گاز حرارت فوق العاده بالا شکست خورده, هرچند که فشار طراحی تماس با ما در سطح آب بندی بالاتر از فشار گاز بود. در جنوب چین Sea, 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. با این حال, مشکل نشت گاز می تواند پس از 2 سال از تولید گاز در برخی از چاه تشخیص داده, که به مراتب کمتر از عمر انتظار می رود از چاه های گاز. در دماهای فوق العاده بالا, سطح آب بندی اتصالات پوشش خواهد کرنش خزشی تجربه, که به کاهش فشار سطح آب بندی منجر خواهد. هنگامی که فشار کمتر از فشار گاز است, گاز از اتصال پوشش نشت, که زندگی از گاز را کاهش می دهد. علاوه بر این, آن را یک فشار گاز پوشش پایدار را, فروپاشی پوشش, و یا به خوبی رها, باعث از دست دادن بزرگ اقتصادی. از این رو, آن را به مطالعه ویسکوالاستیسیته از مواد اتصال پوشش و پیدا کردن آرامش از فشار بر روی سطح آب بندی قابل توجه است, که می تواند برای اکتشاف و توسعه چاه های گاز در دمای بالا مفید.

تحقیقات انجام شده روی اتصالات پوشش عمدتا در طراحی و ایمنی موضوع ساختار اتصال ارزیابی در سال گذشته متمرکز شده است. روش تحلیلی,6,7 finite element (FE) روش,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. برخی از محققان مکانیسم آب بندی اتصالات حق بیمه را بررسی کرده اند,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) well.14،15However گاز, این آثار تحقیقات همه در حالت پایدار انجام, با توجه به زمان تغییر نمی کند. و, مکانیسم آب بندی اتصالات حق بیمه در گاز با درجه حرارت بالا به طور کامل مورد بررسی قرار نمی, به خصوص رفتار ویسکوالاستیک مواد پوشش.

در این مقاله, یک آزمایش خزش مواد پوشش تحت استرس تنش همان اما دماهای مختلف انجام شد. و پس از آن, رفتار ویسکوالاستیک مواد پوشش مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این, WLF (ویلیام-Landel-فری) معادله برای مواد پوشش مشتق شده است. سرانجام, یک مدل FE استفاده شده است به مطالعه آرامش از فشار سطح آب بندی از اتصال پوشش, که می تواند عمر خود را در گاز با درجه حرارت بالا پیش بینی.

آزمون مواد تجربی

دستگاه تجربی و روش

بر اساس استاندارد ISO 204:2009, تست خزش تک محوره مواد فلزی در روش تنش از آزمون, 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 شکل 2, دستگاه آزمایش خزش از فر تشکیل شده, حسگر دما, سنور جابجایی, تست ولتاژ, و نمونه. The experiment principle is shown in شکل 2(ب). پایین نمونه ثابت است, و بالای لود است. دمای تجربی توسط حسگر فر و درجه حرارت کنترل شده. در همین حال, کرنش خزشی توسط سنسور جابجایی ثبت. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. عنوان آزمایش خزش فلز وقت گیر است, مجموعه ای از آزمایش های بارگذاری تنش ثابت هستند در 120 درجه سانتی گراد انجام, 200°C, و 300 درجه سانتی گراد, به ترتيب.

شکل 2. (a) دستگاه آزمایش خزش و (ب) اصل تجربی.

نتیجه تجربی

جدول 2 shows the creep experimental conditions, که شامل یک بار تنش ثابت از 680 مگاپاسکال, سه دمای مختلف, و مصرف هم تجربی. علاوه بر این,, تنش کششی لود شده است در زیر حد الاستیک مواد P110T. در آزمون #1, نمونه پس از آزمایش 570 ساعت تحت 300 درجه سانتی گراد شکسته شد, as shown in شکل 3. این نشان می دهد که شکست نمونه متعلق به پدیده گلویی. با این حال, در دمای پایین تر و بعد از 630 ساعت تست خزش, نمونه بود شکست نمی. این ثابت می کند که رفتار خزشی مواد در دمای 300 ° C واضح تر از در دمای پایین تر است. The creep experiment results are shown in شکل 4. منحنی فشار وقت در 300 درجه سانتی گراد شامل طیف سه مرحله خزش: اولیه, ثانوی, و سوم. و, نرخ کرنش به عنوان نسبت فشار به زمان تعریف شده. در مرحله اولیه, نرخ کرنش نسبتا بالا است, اما بدن با زمان. سپس, نرخ کرنش در نهایت حداقل مقدار می رسد و یک ثابت در مرحله ثانویه می شود, به عنوان کرنش زمان یک خط مستقیم در این مرحله است. سرانجام, در مرحله سوم, نرخ کرنش نمایی با زمان تا شکستگی نمونه را افزایش می دهد, که به طور عمده توسط گلویی پدیده در نمونه باعث. با این حال, برای نمونه در 120 درجه سانتی گراد و 200 آزمایش خزش ° C, در طول تنها دو مرحله وجود دارد 630 ساعت تست: مرحله اولیه و مرحله دوم.

شکل 4. Creep experiment results under different temperature.

مدل ساختاری ویسکوالاستیک

در این مقاله, مواد پوشش به عنوان ویسکوالاستیک خطی انتخاب. 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 شکل 5. با استفاده از مدل Wiechert, خزش و آرامش از مواد ویسکوالاستیک می تواند به خوبی توصیف, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) به شرح زیر است

E(t)=E+Σمن=1NEمندرصد این سطح(-tتیمن)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

که در آن تیمنτi is the relaxation time, Eمننه is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. معادله (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, همچنین به عنوان شناخته شده سری Prony.

شکل 5. Wiechert material mode.

توجه داشته باشید که, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEمنE(0)= E0 = + E∞ ΣEi
(2)

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

E(t)=E+Σمن=1NmمنE0درصد این سطح(-tتیمن)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

که در آن mمن=Eمن/E0مایل = EI / E0 is defined as Prony series parameter.

خصوصیات مواد P110T

همانطور که برای آزمایش خزش, بار نرم افزار تنش ثابت است, و مدول آرامش را می توان با شکل دیگری نشان

E(t)=ص[الکترونیکی]E(t)P =[الکترونیکی]
(4)

که در آن صص is the application tension load; [الکترونیکی][الکترونیکی] is a strain matrix for the creep experiment, [الکترونیکی1,الکترونیکی2,الکترونیکی3,...][E1، E2، E3، ...], corresponding to the experiment time matrix [t][t] یا [t1,t2,t3,...][T1، T2، T3، ...]. So the relaxation modulus E(t) به صورت ماتریسی است

E(t)=E0+Σمن=1NmمنE0[1-درصد این سطح([t]تیمن)]E(t)= E0 + Σi = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), رابطه بین زمان و فشار ایجاد شده است, as shown in equation (6)

Σمن=1NmمنE0[1-درصد این سطح(-[t]تیمن)]=E0-ص[الکترونیکی]Σi = 1nmiE0[1-exp(-[t]τi)]= E0-P[الکترونیکی]
(6)

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

همانطور که برای پیچیدگی محاسبات از تابع سری Prony, از نرم افزار MATLAB استفاده شده است برای پیدا کردن پارامتر سری Prony. برای 200 درجه سانتی گراد دمای محیط, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, و معادله مدول آرامش آن را می توان به شرح زیر به دست آمده

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

با توجه به نظریه قانون هوک, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). علاوه بر این,, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in شکل 6. در مقایسه با کرنش زمان در آزمایش نتیجه در 200 درجه سانتی گراد, as shown in شکل 6, منحنی مدل سری Prony به خوبی متناسب با داده های تجربی خزش, که اعتبار مدل ساختاری از مواد P110T. از این رو, معادله سری Prony از P110T مواد پوشش 120 درجه سانتی گراد و 300 درجه سانتی گراد را می توان همچنین در همان راه به دست آمده, as shown in equations (8) و (9), به ترتيب

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

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

رفتار حرارتی رئولوژیکی مواد پوشش

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, میزان آرامش ماده بسیار کند است, است که می تواند به عنوان رفتار الاستیک مدل. در دماهای بالاتر, میزان آرامش مواد بسیار سریع تر می شود, که رفتار چسبناک خالص است. مدول آرامش, دست آمده با روش سری Prony, است در مقیاس زمان ورود به سیستم تحت سه دمای مختلف رسم, as shown in شکل 7. این را می توان یافت که تمام توطئه تقریبا به همان شکل اما تنها به صورت افقی منتقل. این یک ویژگی از مواد پوشش است و رفتار حرارتی رئولوژیکی نام. متوسط ​​فاصله افقی بین دو منحنی, در بالای, میانه, و پایین, به عنوان عامل تغییر تعریف, αTαT, و ارتباط بین منحنی را می توان با معادله زیر

E(ورود به سیستم(t),T)=E(ورود به سیستم(t)-ورود به سیستمαT,T1)E(ورود به سیستم(t),T)= E(ورود به سیستم(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

معادله (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor αTαT can be obtained by the WLF equation

ورود به سیستمαT=-C1(T-T0)C2+(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 شکل 6, و تنظیم 200 درجه سانتی گراد به عنوان درجه حرارت مرجع, عوامل شیفت, از 200 درجه سانتی گراد به 120 درجه سانتی گراد و 200 درجه سانتی گراد تا 300 درجه سانتیگراد, را می توان در طرح کوچک. با جایگذاری عوامل تغییر را در معادله WLF, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. از این رو, معادله WLF برای P110T مواد پوشش است

ورود به سیستمαT=-45.03(T-200)4640+(T-200)logαT = -45.03(T-200)4640+(T-200)
(13)

شبیه سازی FE و کاربرد آن

مدل FE

شبیه سازی عددی آزمایش خزش تنش نمونه با استفاده از تجاری FE ABAQUS نرم افزار انجام شد. پایگاه در مواد پوشش P110T بارگذاری آزمایش خزش, مدل مکانیکی FE تاسیس شد, as shown in شکل 8. خواص الاستیک, از جمله مدول الاستیک و نسبت پواسون, 1.99× 105 MPa و 0.3, به ترتيب, در ABAQUS تعریف. بعلاوه, خواص چسبناک, از جمله زمان آرامش و سری Prony, as shown in Table 3, نیز در ABAQUS تعریف. چه تر است, حرارتی رئولوژیکی ساده (TRS) مولفه های, C1 and C2, به دست آمده با استفاده از معادله WLF, همچنین در این شبیه سازی شامل, و * نوع VISCO از تجزیه و تحلیل برای رفتار ویسکوالاستیک استفاده شد.

شکل 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 شکل 9(a)–(ج), به ترتيب. در دمای 200 درجه سانتی گراد, نتیجه شبیه سازی منطبق بر داده های تجربی خزش خوبی. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). اما برای دمای 120 درجه سانتی گراد و 300 درجه سانتی گراد, به عنوان رفتار حرارتی رئولوژیکی, تفاوت کوچک بین تجربی و نتایج شبیه سازی شده وجود دارد, و بزرگترین تفاوت کمتر از است 8%. دلیل این کار این تفاوت در این است که به دلیل, برای تجزیه و تحلیل FE, پارامترهای حرارتی رئولوژیکی ها را به شبیه سازی اعمال, که از معادله WLF به دست آمده. در معادله WLF, 200 ° C به عنوان دمای مرجع گرفته شده, به طوری که, که در شکل 7, منحنی قرمز به موقعیت از منحنی آبی و منحنی سیاه و سفید تغییر. و, منحنی جدید منتقل نشان دهنده رفتار حرارتی رئولوژیکی مواد پوشش استفاده شده است و برای حل معادله WLF. از آنجا که منحنی منتقل نمی تواند 100% خوبی مطابقت با یکی از اصلی, است که توسط نتایج تجربی به دست آمده, انحراف بین تجربی و شبیه سازی وجود دارد. علاوه بر این,, به عنوان 200 درجه سانتی گراد به عنوان یک دمای مرجع گرفته شده, نتیجه شبیه سازی دقیق بیش از دیگران است, as shown in شکل 9. از این رو, نتایج شبیه سازی نشان دادن اعتبار نظریه ویسکوالاستیک و روش TRS در این مقاله. علاوه بر این, مدل FE می توان برای تخمین رفتار ویسکوالاستیک P110T مواد پوشش در شرایط مختلف مکانیکی و حرارتی.

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

تماس با فشار بر سطح آب بندی

بر اساس هندسه 5.5 "SL-APOX نوع اتصال مشترک, مدل FE تقارن محوری برای سطح آب بندی در نرم افزار ABAQUS ساخته شد, as shown in شکل 10. دیواره داخلی تحت فشار گاز اعمال. خط قرمز در شکل نشان داده سطح آب بندی. اگر فشار گاز بالاتر از فشار در سطح آب بندی است, اتصال مشترک خواهد بود به احتمال زیاد به نشت.

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

در دمای بالا محیط زیست, فشار تماسی در سطح آب بندی با زمان با توجه به ویسکوالاستیسیته مواد کاهش خواهد یافت. فشار گاز در دیواره داخلی به 75 مگاپاسکال مجموعه. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in شکل 11. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که اولیه متوسط ​​فشار 116 مگاپاسکال در 160 درجه سانتی گراد و 230 درجه سانتی گراد است. سپس, فشار تماسی متوسط ​​با زمان کاهش می یابد. فشار تماسی متوسط ​​قطره به 76 مگاپاسکال. علاوه بر این, نرخ فشار کاهش در دمای 230 درجه سانتیگراد سریعتر از یکی از محیط زیست در 160 درجه سانتی گراد است. آن را در درون 4000 ساعت نشان داده شده است که (166روزها), فشار قطره به 76 مگا پاسکال در دمای 230 درجه سانتیگراد. با این حال, در یک محیط دمای پایین تر, آن را 9000 ساعت را (375روزها) به افت به 76 مگاپاسکال.

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

با توجه به نتیجه شبیه سازی, نسبت فشار اولیه و فشار گلدسته است 1.56, که به معنی, در دمای بالا محیط زیست, فشار تماسی نهایی در سطح آب بندی خواهد تقریبا یک سوم کاهش. بر اساس معادله ضریب ایمنی

N=[ص]صGPنفر[ص]σgp
(14)

where n is the safety factor, [ص][ص] is the designing contact pressure, صGPσgp is the intending sealing gas pressure. The safety factor n must be more than 2 برای در نظر گرفتن ایمنی.

نتیجه

  1. آرامش از فشار بر روی سطح آب بندی اتصال حق بیمه دلیل اصلی نشت گاز از پوشش در درجه حرارت بالا نیز گاز طبیعی است.

  2. در درجه حرارت بالا, آزمایش تنش خزش به مطالعه رفتار ویسکوالاستیک از P110T مواد پوشش استفاده شد. رفتار مکانیکی مواد پوشش است که به شدت وابسته به دما. بالاتر درجه حرارت محیط است, سریع تر نرخ خزش است.

  3. مدل ساختاری برای P110T مواد پوشش از طریق داده های تجربی خزش مشتق شده بود, و پارامتر سری Prony محاسبه شد. رفتار حرارتی رئولوژیکی نیز مورد بررسی قرار گرفت, و عوامل تغییر مواد بین دمای محیطی 120 درجه سانتی گراد تا 300 درجه سانتیگراد به دست آمده.

  4. مدل FE ویسکوالاستیک برای P110T مواد تاسیس شد, و نتایج شبیه سازی مناسب به خوبی با داده های تجربی.

  5. مدل FE یک سطح آب بندی در اتصالات حق بیمه در ABAQUS ساخته شد, و تمدد اعصاب فشار آن مورد بررسی قرار گرفت. توصیه می شود که فشار طراحی تماس با ما در سطح آب بندی باید دو بار به عنوان به عنوان قصد فشار آب بندی گاز در چاه های گاز طبیعی در دمای بالا می شود.

سیستم های انتقال مواد ویرایشگر: میکال Kuciej

اعلامیه منافع متضاد
نویسنده(بازدید کنندگان) هیچ تعارضات منافع است که با توجه به پژوهش, نویسندگی, و / یا انتشار این مقاله.

مراجع

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

پل 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, تحمل ماشینکاری, و بارهای اعمال. In: Idelsohn, S, اوناته, E, Dvorkin, E (EDS) Computational mechanics. Barcelona: CIMNE, 1988, pp.1–19.

اونگ, G, نظام رملی, M, احمد, H. Evaluation of fatigue performance on semi premium connection for casing drilling application to prevent connection fatigue failure. In: Proceedings of the off shore technology conference Asia, Kuala Lumpur, مالزی, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

Sugino, M, یاماگوچی, S, Ugai, S. شما 21, حق بیمه با عملکرد بالا نوآورانه رشته اتصال برای OCTG. نیپون فولاد & گزارش فنی سومیتومو فلزی هیچ. 107, فوریه 2015, pp.10–17, http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

تاکانو, J, یاماگوچی, M, Kunishige, H. توسعه ارتباط حق بیمه "KSBEAR" برای تحمل فشرده سازی بالا, فشار خارجی زیاد, و قطع خم. گزارش فنی کاوازاکی فولادی بدون. 47, 2002, http://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

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

لوپز, J, آلبرتو, C, توماس, J. Viscoelastic relaxation modulus characterization using Prony series. Lat Am J Solids Stru 2015; 12: 420–445.

پارک, SW, Schapery, RA. Methods of interconversion between linear viscoelastic material functions. قسمت اول-یک روش عددی بر اساس سری Prony. Int J Solids Struct 1999; 26: 1653–1675.

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

دیدگاه ها بسته شده است