Involucro applicazione tubo in pozzi di gas ad alta temperatura

Proprietà di Acciaio zincato Tubo saldature
gennaio 4, 2019
Resistenza alla corrosione di API 5L Pipeline acciaio con rivestimento di protezione
gennaio 7, 2019

Involucro applicazione tubo in pozzi di gas ad alta temperatura

In recent years, con la diminuzione del numero di facilmente sfruttabili scavi petroliferi, si è reso necessario per i pozzi di petrolio e gas di andare più a fondo su entrambi sotterraneo e sottomarino. E, tubi e involucro stringhe sono sottoposti a temperatura più alta e più alta pressione in questi pozzetti, che probabilmente causare guasti involucro o perdite di gas in alta pressione / alta temperatura (HPHT) pozzi. Da qui, 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, che dovrebbero fornire sia integrità strutturale e perdite in ambiente severo. Come condizioni di carico sono associate più profondo, pozzi di gas di temperatura e pressione elevate, molti operatori passati da utilizzare American Petroleum Institute di serie (API) collegamenti con le connessioni premium.figura 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. La superficie di tenuta è anche chiamato metallo-metallo guarnizioni, che forniscono pressione di contatto attraverso l'accoppiamento con interferenza. Inoltre, la pressione di contatto sulla superficie di tenuta è superiore alla pressione del gas ben, e le connessioni involucro potrebbe impedire la perdita del gas efficiently.3,4

figura 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

In recent years, il collegamento di tenuta del gas non è riuscita in qualche pozzo di gas ad altissima temperatura, anche se la pressione di progettazione di contatto sulla superficie di tenuta è superiore alla pressione del gas. Nel sud della Cina Mare, 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. però, il problema della dispersione del gas potrebbe essere rilevata dopo 2 anni di produzione di gas in alcuni pozzi, che è di gran lunga inferiore alla durata di vita prevista di pozzi di gas. Alle extra-alte temperature, la superficie di tenuta delle connessioni involucro sperimenterà da scorrimento, che porterà alla riduzione della pressione di contatto del superficie di tenuta. Quando la pressione di contatto è inferiore alla pressione del gas ben, il gas fuoriuscirà dalla connessione involucro, che ridurrà la durata di vita del gas ben. Inoltre, porterebbe una pressione di gas involucro sostenuta, collasso involucro, o l'abbandono bene, provocando un enorme perdita economica. Perciò, è significativo per studiare la viscoelasticità del materiale della connessione carcassa e scoprire il rilassamento della pressione di contatto sulla superficie di tenuta, che potrebbe essere utile per l'esplorazione e lo sviluppo di pozzi di gas ad alta temperatura.

Studi di ricerca sui collegamenti involucro sono state opera nella progettazione e sicurezza valutazione filo struttura di collegamento negli anni passati. metodo analitico,6,7 finite element (FE) Metodo.,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Alcuni ricercatori hanno studiato il meccanismo di sigillatura dei giunti premium,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) well.14,15However gas, questi lavori di ricerca sono tutti condotti in stato stazionario, non considerando il tempo che cambia. E, il meccanismo di sigillatura dei giunti premium nel pozzo di gas ad alta temperatura non è stato completamente studiato, in particolare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro.

In questo articolo, un esperimento scorrimento del materiale di rivestimento è stata condotta a parità di sollecitazione tensione ma differenti temperature. E poi, il comportamento viscoelastico del materiale di involucro è studiato. Inoltre, il WLF (William-Landel-Ferry) equazione per il materiale di involucro deriva. Finalmente, un modello FE viene utilizzato per studiare il rilassamento della pressione di contatto della superficie di tenuta del collegamento dell'involucro, che può prevedere la sua durata nel pozzo di gas ad alta temperatura.

prove materiali sperimentali

apparato sperimentale e procedura

Secondo la norma ISO 204:2009, uniassiale test scorrimento materiali metallici nel metodo di prova di tensione, 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 figura 2, l'apparato esperimento scorrimento è composto da forno, termometro, spostamento senor, tension tester, e campioni. The experiment principle is shown in figura 2(B). La parte inferiore del campione è fissa, e la parte superiore è caricata. temperatura sperimentale è controllata dal sensore di temperatura del forno e. nel frattempo, il ceppo scorrimento viene registrata dal sensore di spostamento. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Come l'esperimento di metallo scorrimento è in termini di tempo, una serie di prove di carico tensione costante vengono effettuate a 120 ° C, 200° C, e 300 ° C, rispettivamente.

figura 2. (un) apparato esperimento Creep e (B) principio sperimentale.

risultato sperimentale

tavolo 2 shows the creep experimental conditions, che includono un carico di tensione costante di 680 MPa, tre temperature diverse, e che richiede tempo sperimentale. Inoltre, la tensione di trazione caricata è sotto il limite elastico del materiale P110T. nella prova #1, il campione è stato rotto dopo 570 h esperimento di sotto dei 300 ° C, as shown in figura 3. Essa mostra che la frattura del provino appartiene ai fenomeni necking. però, ad una temperatura inferiore e dopo 630 h di test scorrimento, il campione non ha frattura. Ciò dimostra che il comportamento di scorrimento materiale a 300 ° C è più evidente che a temperature più basse. The creep experiment results are shown in figura 4. La curva sforzo-tempo a 300 ° C è costituito da tutti e tre i livelli di creep: primario, secondario, e terziario. E, la velocità di deformazione è definito come il rapporto di tensione al momento. Nella fase primaria, la velocità di deformazione è relativamente elevato, ma rallenta con il tempo. Then, la velocità di deformazione infine raggiunge un valore minimo e diventa una costante nella fase secondaria, come la curva sforzo-tempo è una linea retta, in questa fase. Finalmente, nella fase terziaria, la velocità di deformazione aumenta esponenzialmente con il tempo fino a quando le fratture campione, che è causata principalmente da necking fenomeni nel campione. però, per il campione a 120 ° C e 200 ° C esperimento scorrimento, c'erano solo due fasi durante la 630 ore di test: fase primaria e stadio secondario.

figura 4. Creep experiment results under different temperature.

modello costitutivo viscoelastico

In questo articolo, il materiale di involucro è selezionato come viscoelastico lineare. 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 figura 5. Utilizzando il modello Wiechert, lo scorrimento e il rilassamento del materiale viscoelastico potrebbe essere descritto bene, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) come segue

E(t)=E+Σio=1nEioexp(-ttio)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

where tioτi is the relaxation time, Eionon is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. Equazione (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, conosciuto anche come serie Prony.

figura 5. Wiechert material mode.

Nota che, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEioE(0)=E0=E∞+∑Ei
(2)

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

E(t)=E+Σio=1nmioE0exp(-ttio)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

where mio=Eio/E0mi = Ei / E0 is defined as Prony series parameter.

Caratterizzazione materiale P110T

Per quanto riguarda l'esperimento scorrimento, il carico di trazione applicazione è una costante, e il modulo di rilassamento può essere rappresentato da un altro modulo

E(t)=p[ε]E(t)= p[ε]
(4)

where pp is the application tension load; [ε][ε] is a strain matrix for the creep experiment, [ε1,ε2,ε3,...][E1, E2, E3, ...], corresponding to the experiment time matrix [t][t] o [t1,t2,t3,...][t1, t2, t3, ...]. So the relaxation modulus E(t) in forma matriciale è

E(t)=E0+Σio=1nmioE0[1-exp([t]tio)]E(t)= E0 + Σi = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), il rapporto tra il tempo e lo sforzo è stabilito, as shown in equation (6)

Σio=1nmioE0[1-exp(-[t]tio)]=E0-p[ε]Σi = 1nmiE0[1-exp(-[t]τi)]= E0-p[ε]
(6)

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

Per quanto riguarda la complessità di calcolo della funzione di serie Prony, il software MATLAB è applicata per trovare il parametro serie Prony. Per il 200 ° C temperatura ambiente, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, e la sua equazione modulo di rilassamento può essere ottenuta come segue

E(t)=79,827+61,991[1-e-t10]+7367[1-e-t100]+49,615[1-e-t1000]E(t)= 79.827 + 61.991[1-e-T10]+7367[1-e-t100]+49,615[1-e-T1000]

Secondo la teoria legge di Hooke, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). Inoltre, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in figura 6. Rispetto curva sforzo-tempo nell'esperimento provocare a 200 ° C, as shown in figura 6, la curva modello Prony serie adatta bene con i dati sperimentali scorrimento, che convalidano modello costitutivo del materiale P110T. Perciò, l'equazione serie Prony del P110T materiale di involucro a 120 ° C e 300 ° C possono essere anche derivati ​​nello stesso modo, as shown in equations (8) e (9), rispettivamente

E(t)=125,986+875[1-e-t]+43,314[1-e-t12]+2956[1-e-t100]+38,942[1-e-t1000]E(t)= 125.986 + 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)= 53.560 + 66.362[1-e-T5]+6985[1-e-T10]+4802[1−e−t200]+30,015[1-e-T800]
(9)

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

comportamento termo-reologico del materiale di involucro

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, velocità di rilassamento del materiale è molto lenta, che può essere modellato come un comportamento elastico. A temperature più elevate, velocità di rilassamento del materiale diventa molto più veloce, che è il comportamento viscoso puro. Il modulo di rilassamento, ottenuto con il metodo serie Prony, è tracciata su una scala temporale di registro sotto le tre diverse temperature, as shown in figura 7. Si può trovare che tutte le piazzole hanno quasi la stessa forma, ma sono spostati solo orizzontalmente. Questa è una proprietà del materiale di involucro e si chiama comportamento termomeccanico reologico. La media della distanza orizzontale tra due curve, in cima, mezzo, e in basso, è definito come fattore di spostamento, unTle vostre rilassanti, e il rapporto tra le curve può essere descritto dalla seguente equazione

E(ceppo(t),T)=E(ceppo(t)-ceppounT,T1)E(ceppo(t),T)E =(ceppo(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

Equazione (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor unTle vostre rilassanti can be obtained by the WLF equation

ceppounT=-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 figura 6, e impostazione 200 ° C come temperatura di riferimento, i fattori spostamento, da 200 ° C a 120 ° C e 200 ° C a 300 ° C, può essere scalata nella trama. Sostituendo i fattori spostamento nell'equazione WLF, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Perciò, l'equazione WLF per il materiale di involucro è P110T

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

simulazione FE e la sua applicazione

il modello FE

La simulazione numerica della prova di trazione scorrimento del campione è stata effettuata utilizzando il software commerciale FE ABAQUS. Basandosi sul materiale di involucro P110T esperimento scorrimento loading, il modello meccanico FE è stato istituito, as shown in figura 8. Le proprietà elastiche, compresi modulo elastico e il rapporto di Poisson, 1.99× 105 MPa e 0.3, rispettivamente, sono definiti in ABAQUS. inoltre, le proprietà viscose, compreso il tempo di rilassamento e la serie Prony, as shown in Table 3, sono anche definiti in ABAQUS. Inoltre, la semplice termo-reologico (TRS) parametri, C1 and C2, ottenuto dall'equazione WLF, sono inclusi anche in questa simulazione, e * VISCO tipo di analisi è stata applicata per il comportamento viscoelastico.

figura 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 figura 9(un)-(c), rispettivamente. Alla temperatura di 200 ° C, il risultato della simulazione corrisponde bene i dati sperimentali di creep. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Ma per le temperature di 120 ° C e 300 ° C, il comportamento termo-reologico, ci sono piccole differenze tra sperimentale ei risultati simulati, e la più grande differenza è inferiore 8%. La ragione di questa differenza è dovuto al fatto che, per l'analisi FE, i parametri termo-reologici sono applicati nella simulazione, che è ottenuto dall'equazione WLF. Nell'equazione WLF, 200 ° C viene presa come temperatura di riferimento, così che, in figura 7, la curva rossa è spostata alla posizione della curva blu e curva nera. E, nuove curve spostate rappresentano il comportamento termo-reologico del materiale di rivestimento e viene utilizzato per risolvere l'equazione WLF. Poiché le curve spostato non può 100% abbinare bene con quello originale, che è ottenuto dai risultati sperimentali, esiste la deviazione tra sperimentale e simulazione. Inoltre, come 200 ° C viene presa come temperatura di riferimento, il risultato della simulazione è più preciso rispetto ad altri, as shown in figura 9. Perciò, i risultati della simulazione mostrano la validità della teoria viscoelastica e il metodo TRS in questo articolo. Inoltre, il modello FE può essere utilizzato per stimare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro P110T a diverse condizioni meccaniche e termiche.

figura 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (un) 120° C, (B) 200° C, e (c) 300° C.

pressione di contatto sulla superficie di tenuta

In base alla geometria del 5,5 tipo di connessione comune "SL-apox, un modello FE simmetria assiale per la superficie di tenuta è stato costruito in ABAQUS, as shown in figura 10. La parete interna è sotto la pressione del gas applicata. La linea rossa in figura rappresenta la superficie di tenuta. Se la pressione del gas è superiore alla pressione di contatto sulla superficie di tenuta, la connessione congiunta sarà più probabile a perdere.

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

A alta temperatura ambiente, la pressione di contatto sulla superficie di tenuta diminuisce con il tempo a causa della viscoelasticità materiale. La pressione del gas sulla parete interna è impostato a 75 MPa. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in figura 11. I risultati della simulazione indicano che la pressione di contatto medio iniziale è 116 MPa a 160 ° C e 230 ° C. Then, la pressione media di contatto diminuisce nel tempo. La pressione media di contatto scende a 76 MPa. Inoltre, il tasso di diminuzione di pressione a 230 ° C è più veloce di quella a 160 ° C ambiente. Si dimostra che entro 4000 h (166giorni), la pressione di contatto scende a 76 MPa a 230 ° C. però, in un ambiente a temperatura più bassa, ci vorrà 9000 h (375giorni) a goccia a 76 MPa.

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

Secondo il risultato della simulazione, il rapporto tra la pressione di contatto iniziale e la pressione di contatto è pinnacolo 1.56, che significa, ad alta temperatura ambiente, la pressione di contatto finale sulla superficie di tenuta scenderà di quasi un terzo. Sulla base l'equazione fattore di sicurezza

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 per la considerazione di sicurezza.

Conclusione

  1. Il rilassamento della pressione di contatto sulla superficie di tenuta della connessione premio è la ragione principale per la perdita di gas dal carter ad alta temperatura pozzo di gas naturale.

  2. Alle alte temperature, esperimento tensione scorrimento è stato impiegato per studiare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro P110T. Il comportamento meccanico del materiale di involucro è fortemente dipendente dalla temperatura. La temperatura ambiente è superiore, il tasso di scorrimento più veloce è.

  3. Il modello costitutivo per il materiale di involucro P110T è stata derivata attraverso i dati sperimentali scorrimento, e il parametro serie Prony è stato calcolato. Il comportamento termo-reologico stato studiato anche, ei fattori di spostamento del materiale tra le temperature ambientali di 120 ° C e 300 ° C si ottengono.

  4. Un modello FE viscoelastico per la P110T materiale è stato istituito, ed i risultati della simulazione si adattano bene con i dati sperimentali.

  5. Il modello FE di una superficie di tenuta nei giunti premium stato costruito in ABAQUS, e il suo rilassamento pressione di contatto è stata studiata. Si raccomanda che la pressione di progettazione di contatto sulla superficie di tenuta dovrebbe essere due volte tanto quanto l'intenzione pressione di sigillatura gas nei pozzi di gas naturale ad alta temperatura.

Editor Handling: Michal Kuciej

Dichiarazione di interessi contrastanti
L'autore(S) dichiarato nessun potenziale conflitto di interessi per quanto riguarda la ricerca, paternità, e / o la pubblicazione di questo articolo.

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