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demande de tuyau enveloppe dans des puits de gaz à haute température

Dans les années récentes, avec la diminution du nombre de puits de pétrole et de gaz facilement exploitables, il est devenu nécessaire pour les puits de pétrole et de gaz pour aller plus loin à la fois souterrain et sous-marin. Et, tubage et cordes boîtier sont soumises à une température plus élevée et une pression plus élevée dans ces puits, ce qui serait probablement entraîner une défaillance du boîtier ou une fuite de gaz dans la haute pression / haute température (HPHT) puits. C’est pourquoi, plus d'attention a été accordée à l'intégrité dans l'industrie puits de forage pétrolier et gazier dans ans1,2 récent Le facteur clé de l'intégrité du boîtier est des connexions puits de chaîne, qui devraient fournir à la fois l'intégrité structurelle et une fuite dans un environnement sévère. Les conditions de chargement sont associées à plus profondes, supérieur puits de gaz température et de pression, de nombreux opérateurs sont passés de l'utilisation norme American Petroleum Institute (API) connexions aux connexions premium.Figure 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. La surface d'étanchéité est également appelé joints d'étanchéité métal-métal, qui fournissent une pression de contact par l'intermédiaire du joint à ajustement serré. De plus, la pression de contact sur la surface d'étanchéité est supérieure à la pression de puits de gaz, et les connexions de boîtier peuvent empêcher les efficiently.3,4 de fuite de gaz

Figure 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

Dans les années récentes, la liaison étanche au gaz a échoué dans certains puits de gaz à haute température supplémentaire, bien que la pression de contact de conception sur la surface d'étanchéité est supérieure à la pression de gaz. Dans la Chine du Sud Mer, 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. toutefois, le problème de fuite de gaz pourrait être détectée après 2 années de production de gaz dans certains puits, qui est beaucoup moins que la durée de vie prévue des puits de gaz. Aux températures extra-haute, la surface d'étanchéité de connexions de boîtier connaîtra souche fluage, ce qui conduira à la réduction de la pression de contact de la surface d'étanchéité. Lorsque la pression de contact est inférieure à la pression de puits de gaz, le gaz de fuite à partir de la connexion du boîtier, ce qui permettra de réduire la durée de vie du gaz bien. en outre, il apporterait une pression de gaz de boîtier durable, effondrement de boîtier, ou abandon de puits, provoquant une énorme perte économique. Donc, il est important d'étudier la viscoélasticité du matériau de la connexion du boîtier et découvrir la détente de pression de contact sur la surface d'étanchéité, ce qui pourrait être utile pour l'exploration et le développement des puits de gaz à haute température.

Les études de recherche sur les connexions du boîtier ont été principalement axées sur l'évaluation de la conception et de la sécurité de la structure de connexion de fil au cours des dernières années. Méthode analytique,6,7 finite element (FE) méthode,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Certains chercheurs ont étudié le mécanisme d'étanchéité des connexions premium,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) well.14,15However de gaz, ces travaux de recherche sont menées tous dans l'état d'équilibre, sans tenir compte du temps de changement. Et, le mécanisme d'étanchéité des connexions premium dans le puits de gaz à haute température n'a pas été complètement étudiée, en particulier le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe.

Dans cet article, une expérience de fluage du matériau d'enveloppe a été effectuée sous la même contrainte de traction, mais des températures différentes. Et alors, le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe est étudiée. en outre, la WLF (William-Landel-Ferry) équation de la matière d'enveloppe est dérivée. finalement, un modèle FE est utilisé pour étudier la relaxation de la pression de contact de la surface d'étanchéité de la connexion du boîtier, qui peut prédire sa durée de vie dans le puits de gaz à haute température.

essais de matériaux expérimentaux

Dispositif expérimental et procédure

Selon ISO 204:2009, essai de fluage uniaxial de matériaux métalliques dans la méthode d'essai de tension, 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 Figure 2, l'appareil d'essai de fluage est composé de four, capteur de température, déplacement senor, tension tester, et spécimen. The experiment principle is shown in Figure 2(b). Le fond de l'échantillon est fixe, et la partie supérieure est chargé. température expérimentale est contrôlée par le capteur et la température du four. Meanwhile, la contrainte de fluage est enregistrée par le capteur de déplacement. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Comme l'expérience de fluage métallique est du temps, un ensemble de tests de charge de tension constante est effectuée à 120 ° C, 200° C, et 300 ° C, respectivement.

Figure 2. (une) Appareil d'expérimentation et Creep (b) principe expérimental.

résultat expérimental

Table 2 shows the creep experimental conditions, qui comprennent une charge de tension constante de 680 MPa, trois températures différentes, et prend beaucoup de temps expérimental. de plus, la contrainte de traction chargé est inférieure à la limite élastique du matériau de P110T. dans l'essai #1, l'échantillon a été cassé après 570 h sous test 300 ° C, as shown in Figure 3. Elle montre que la fracture de l'échantillon appartient aux phénomènes de striction. toutefois, à une température inférieure et après 630 h d'essai de fluage, l'échantillon n'a pas fracture. Cela prouve que le comportement au fluage matériau à 300 ° C est plus évident que des températures plus basses. The creep experiment results are shown in Figure 4. La courbe en temps de déformation à 300 ° C est constitué de l'ensemble des trois étapes de fluage: primaire, secondaire, et tertiaire. Et, le taux de déformation est défini comme le rapport de la déformation à la fois. Dans le stade primaire, la vitesse de déformation est relativement élevée, mais ralentit avec le temps. Then, la vitesse de déformation atteint finalement une valeur minimale et devient une constante à l'étage secondaire, que la courbe en temps de déformation est une ligne droite, à ce stade. finalement, dans le stade tertiaire, la vitesse de déformation augmente de façon exponentielle avec le temps jusqu'à ce que les fractures d'échantillons, qui est principalement causée par striction phénomènes dans l'échantillon. toutefois, pour l'échantillon à 120 ° C et l'expérience de fluage à 200 ° C, il n'y avait que deux étapes au cours de la 630 heures d'essai: stade primaire et secondaire stade.

Figure 4. Creep experiment results under different temperature.

modèle constitutif viscoélastiques

Dans cet article, le matériau d'enveloppe est choisie comme viscoélastique linéaire. 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 Figure 5. En utilisant le modèle Wiechert, le fluage et la relaxation des matériaux viscoélastiques pourrait être décrit bien, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) as follows

E(t)=E+Σje=1nEjeexp(-ttje)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

where tjeτi is the relaxation time, Ejepas is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. Équation (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, également connu sous le nom série Prony.

Figure 5. Wiechert material mode.

Notez que, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEjeE(0)= = + E∞ E0 ΣEi
(2)

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

E(t)=E+Σje=1nmjeE0exp(-ttje)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

where mje=Eje/E0mi = Ei / E0 is defined as Prony series parameter.

la caractérisation des matériaux de P110T

Quant à l'expérience de fluage, la charge de tension d'application est une constante, et le module de relaxation peut être représenté par une autre forme

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

where pp is the application tension load; [e][e] is a strain matrix for the creep experiment, [e1,e2,e3,...][e1, e2, e3, ...], corresponding to the experiment time matrix [t][t] or [t1,t2,t3,...][t1, t2, t3, ...]. So the relaxation modulus E(t) sous la forme de matrice est

E(t)=E0+Σje=1nmjeE0[1-exp([t]tje)]E(t)= + Σi = E0 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), la relation entre le temps et la déformation est établie, as shown in equation (6)

Σje=1nmjeE0[1-exp(-[t]tje)]=E0-p[e]Σi = 1nmiE0[1-exp(-[t]τi)]= E0-p[e]
(6)

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

En ce qui concerne la complexité de calcul de la fonction de série Prony, le logiciel Matlab est appliqué pour trouver le paramètre série Prony. Pour la température ambiante à 200 ° C, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, et son équation de module de relaxation peut être obtenu de la manière suivante

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

Selon la théorie du droit Hooke, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). de plus, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in Figure 6. Par rapport à la courbe de contrainte-temps dans l'expérience aboutir à 200 ° C, as shown in Figure 6, la courbe de modèle de série Prony cadre bien avec les données expérimentales de fluage, qui valident le modèle constitutif du matériau de P110T. Donc, l'équation de la série Prony du matériau d'enveloppe P110T à 120 ° C et 300 ° C peut également être dérivée de la même manière, as shown in equations (8) et (9), respectivement

E(t)=125,986+875[1-e-t]+43,314[1-e-t12]+2956[1-e-t100]+38,942[1-e-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-e-t5]+6985[1-e-t10]+4802[1-e-t200]+30,015[1-e-t800]E(t)= 53560 + 66362[1-e-t5]+6985[1-e-t10]+4802[1-e-T200]+30,015[1-e-T800]
(9)

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

Comportement thermo-rhéologique du matériau d'enveloppe

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, le taux de relaxation de matériau est très lent, qui peut être modélisé comme un comportement élastique. A des températures plus élevées, le taux de relaxation de matériau devient beaucoup plus rapide, ce qui est le comportement visqueux pur. Le module de relaxation, obtenu par la méthode de Prony série, est tracée sur une échelle de temps de journal dans les trois températures différentes, as shown in Figure 7. Il peut être constaté que toutes les parcelles ont presque la même forme mais sont décalées horizontalement. Ceci est une propriété du matériau du boîtier et est appelé comportement thermo-rhéologique. La moyenne de la distance horizontale entre les deux courbes, au sommet, moyen, et en bas, est défini comme facteur de décalage, unTaT, et la relation entre les courbes peut être décrite par l'équation suivante

E(bûche(t),T)=E(bûche(t)-bûcheunT,T1)E(bûche(t),T)= E(bûche(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

Équation (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor unTaT can be obtained by the WLF equation

bûcheunT=-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 Figure 6, et réglage 200 ° C comme température de référence, les facteurs de décalage, à partir de 200 ° C à 120 ° C et 200 ° C à 300 ° C, peut être mis à l'échelle dans l'intrigue. En remplaçant les facteurs de décalage de l'équation WLF, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Donc, l'équation WLF pour le matériau d'enveloppe est P110T

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

simulation et son application FE

FE modèle

La simulation numérique de l'essai de fluage de tension échantillon a été réalisée à l'aide du logiciel FE commercial ABAQUS. Se basant sur le matériau d'enveloppe P110T fluage expérience chargement, le modèle mécanique FE a été établi, as shown in Figure 8. Les propriétés élastiques, y compris le module d'élasticité et le coefficient de Poisson, 1.99× 105 MPa et 0.3, respectivement, sont définis dans ABAQUS. D’ailleurs, les propriétés visqueuses, y compris le temps de relaxation et de la série Prony, as shown in Table 3, sont également définis dans ABAQUS. De plus, le simple thermo-rhéologique (TRS) paramètres, C1 and C2, obtenu par l'équation WLF, sont également inclus dans cette simulation, et * type d'analyse Visco a été appliquée pour le comportement viscoélastiques.

Figure 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 Figure 9(une)–(c), respectivement. A la température de 200 ° C, le résultat de la simulation correspond bien aux données expérimentales de fluage. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Mais pour les températures de 120 ° C et 300 ° C, comme comportement thermo-rhéologique, il existe de petites différences entre l'expérimental et les résultats simulés, et la plus grande différence est inférieure à 8%. La raison de cette différence est parce que, pour l'analyse FE, les paramètres thermo-rhéologique sont appliqués dans la simulation, qui est obtenu à partir de l'équation WLF. Dans l'équation WLF, 200 ° C est prise comme température de référence, pour que, dans Figure 7, la courbe rouge est déplacé vers la position de la courbe bleu et noir courbe. Et, les nouvelles courbes décalées représentent le comportement thermo-rhéologique du matériau d'enveloppe et est utilisé pour résoudre l'équation de WLF. Parce que les courbes décalées ne peut pas 100% correspondent bien avec l'original, qui est obtenu par les résultats expérimentaux, l'écart existant entre expérimentale et simulation. de plus, que la prise de 200 ° C comme température de référence, le résultat de la simulation est plus précis que d'autres, as shown in Figure 9. Donc, les résultats de la simulation montrent la validité de la théorie de viscoélastiques et méthode TRs dans cet article. en outre, le modèle FE peut être utilisé pour estimer le comportement viscoélastique du P110T de matériau d'enveloppe à différentes conditions mécaniques et thermiques.

Figure 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (une) 120° C, (b) 200° C, et (c) 300° C.

La pression de contact sur la surface d'étanchéité

Sur la base de la géométrie de 5.5 "type de connexion commune SL-APOX, un modèle de symétrie axial FE pour la surface d'étanchéité a été construit en ABAQUS, as shown in Figure 10. La paroi interne est sous la pression de gaz appliquée. La ligne rouge sur la figure représente la surface d'étanchéité. Si la pression du gaz est supérieure à la pression de contact sur la surface d'étanchéité, la connexion commune sera plus susceptible de fuir.

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

A l'environnement à haute température, la pression de contact sur la surface d'étanchéité diminue avec le temps en raison de la viscoélasticité matériau. La pression du gaz sur la paroi interne est réglée à 75 MPa. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in Figure 11. Les résultats de simulation montrent que la pression de contact moyenne initiale est de 116 MPa à 160 ° C et 230 ° C. Then, la pression de contact moyenne diminue avec le temps. La pression de contact moyenne chute à 76 MPa. en outre, le taux de diminution de la pression à 230 ° C est plus rapide que celle de l'environnement 160 ° C. Il est montré que dans les 4000 h (166journées), la pression de contact tombe à 76 MPa à 230 ° C. toutefois, dans un environnement à plus basse température, il faudra 9000 h (375journées) à déposer à 76 MPa.

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

Selon le résultat de la simulation, le rapport de la pression de contact initiale et la pression de contact est faîteau 1.56, ce qui signifie, à l'environnement à haute température, la pression de contact final sur la surface d'étanchéité baissera de près d'un tiers. Sur la base de l'équation du facteur de sécurité

n=[p]pgpn =[p]σgp
(14)

where n is the safety factor, [p][p] is the designing contact pressure, pgpσgp is the intending sealing gas pressure. The safety factor n must be more than 2 pour l'examen de la sécurité.

Conclusion

  1. Le relâchement de la pression de contact sur la surface d'étanchéité de la connexion de prime est la principale raison de la fuite de gaz à partir du boîtier à haute température et de gaz naturel.

  2. A des températures élevées, essai de tension de fluage a été utilisée pour étudier le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe P110T. Le comportement mécanique du matériau de l'enveloppe est fortement dépendante de la température. Le milieu de la température est plus élevée, plus le taux de fluage est.

  3. Le modèle de comportement pour le matériau d'enveloppe P110T a été dérivée par l'intermédiaire des données expérimentales fluage, et le paramètre de Prony série a été calculée. Le comportement thermo-rhéologique a également été étudiée, et les facteurs de décalage de la matière entre les températures ambiantes de 120 ° C à 300 ° C sont obtenues.

  4. Un modèle FE viscoélastique pour la P110T de matière a été établie, et les résultats de simulation cadrent bien avec les données expérimentales.

  5. Le modèle FE d'une surface d'étanchéité dans les connexions premium a été construit en ABAQUS, et sa détente de pression de contact a été étudiée. Il est recommandé que la pression de contact de conception sur la surface d'étanchéité doit être deux fois plus que la pression d'étanchéité de gaz à l'intention de température élevée puits de gaz naturel.

Editeur de manutention: Michal Kuciej

Déclaration d'intérêts contradictoires
L'auteur(S) a déclaré aucun conflit d'intérêts potentiel par rapport à la recherche, paternité, et / ou de la publication de cet article.

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