Sarung permohonan paip dalam telaga gas suhu tinggi

Sifat-sifat Galvanized Steel paip kimpalan
januari 4, 2019
Kakisan Rintangan API 5L Pipeline karat dengan Perlindungan Coating
januari 7, 2019

Sarung permohonan paip dalam telaga gas suhu tinggi

Dalam beberapa tahun kebelakangan, dengan pengurangan bilangan telaga minyak dan gas mudah dieksploitasi, ia telah menjadi perlu untuk telaga minyak dan gas untuk pergi lebih mendalam di kedua-dua bawah tanah dan air. Dan, tiub dan sarung tali adalah tertakluk kepada suhu yang lebih tinggi dan tekanan yang lebih tinggi dalam telaga ini, yang mungkin akan menyebabkan kegagalan sarung atau kebocoran gas dalam tekanan tinggi / suhu tinggi (HPHT) telaga. Oleh yang demikian, 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, yang dijangka akan menyediakan kedua-dua integriti struktur dan kebocoran di bawah persekitaran yang teruk. Sebagai keadaan pembebanan yang berkaitan dengan lebih mendalam, suhu dan tekanan telaga gas yang lebih tinggi, ramai pengusaha beralih daripada menggunakan Institut Petroleum Amerika standard (API) sambungan ke sambungan premium.Rajah 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. Permukaan kedap juga dikenali sebagai logam-logam meterai, yang memberikan tekanan sentuhan melalui gangguan patut oleh. Apa yang lebih, tekanan hubungan pada permukaan kedap adalah lebih tinggi daripada tekanan gas dengan baik, dan sambungan selongsong boleh menghalang efficiently.3,4 kebocoran gas

Rajah 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

Dalam beberapa tahun kebelakangan, sambungan kedap gas gagal di beberapa baik gas suhu yang lebih tinggi, walaupun tekanan sentuhan mereka bentuk pada permukaan kedap adalah lebih tinggi daripada tekanan gas. Di China Selatan 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. Walau bagaimanapun, masalah kebocoran gas boleh dikesan selepas 2 tahun pengeluaran gas di beberapa telaga, yang jauh kurang daripada hayat perkhidmatan dijangka telaga gas. Pada suhu yang tinggi tambahan, permukaan kedap sambungan selongsong akan mengalami terikan rayapan, yang akan membawa kepada pengurangan dalam tekanan sentuhan permukaan kedap yang. Apabila tekanan sentuhan adalah lebih rendah daripada tekanan gas dengan baik, gas akan bocor dari sambungan selongsong, yang akan mengurangkan hayat perkhidmatan gas perigi. tambahan pula, ia akan membawa tekanan gas sarung yang dialami, sarung runtuh, atau peninggalan baik, menyebabkan kerugian ekonomi yang besar. Oleh itu, ia adalah penting untuk mengkaji kelikatkenyalan bahan sambungan selongsong dan mengetahui kelonggaran tekanan sentuhan pada permukaan kedap, yang boleh membantu untuk penerokaan dan pembangunan telaga gas suhu tinggi.

kajian penyelidikan pada sambungan selongsong telah terutamanya memberi tumpuan kepada reka bentuk dan keselamatan penilaian thread sambungan struktur pada tahun-tahun yang lalu. kaedah analisis,6,7 finite element (FE) kaedah,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Sesetengah penyelidik telah menjalankan kajian mekanisme kedap sambungan premium,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) well.14,15However gas, ini kerja-kerja penyelidikan yang dijalankan di semua keadaan mantap, tidak mengambil kira masa yang berubah-ubah. Dan, mekanisme kedap sambungan premium dalam telaga gas suhu tinggi tidak sepenuhnya disiasat, terutamanya tingkah laku viscoelastic bahan selongsong.

Dalam artikel ini, percubaan rayapan bahan sarung telah dijalankan di bawah tekanan ketegangan yang sama tetapi suhu yang berbeza. dan kemudian, kelakuan viscoelastic bahan selongsong dikaji. tambahan pula, yang WLF (William-Landel-Ferry) persamaan untuk bahan selongsong berasal. akhirnya, model FE digunakan untuk mengkaji kelonggaran tekanan sentuhan permukaan kedap yang sambungan selongsong, yang boleh meramalkan hayat perkhidmatan dalam telaga gas suhu tinggi.

ujian bahan eksperimen

radas eksperimen dan prosedur

Menurut ISO 204:2009, ujian rayapan ekapaksi bahan logam 'dalam kaedah ketegangan ujian, 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 Rajah 2, radas rayapan eksperimen terdiri daripada oven, Pengesan suhu, anjakan senor, ujian voltan, dan spesimen. The experiment principle is shown in Rajah 2(b). Bahagian bawah spesimen adalah tetap, dan bahagian atas dimuatkan. suhu eksperimen dikawal oleh sensor oven dan suhu. Sementara itu, terikan rayapan dirakamkan oleh sensor anjakan. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Sebagai percubaan logam rayap memakan masa, satu set ujian beban ketegangan yang berterusan dijalankan pada 120 ° C, 200° C, dan 300 ° C, masing-masing.

Rajah 2. (yang) Creep radas eksperimen dan (b) prinsip eksperimen.

hasil eksperimen

Jadual 2 shows the creep experimental conditions, termasuk ketegangan beban malar 680 MPa, tiga suhu yang berbeza, dan memakan masa eksperimen. Lebih-lebih lagi, tegasan tegangan dimuatkan adalah di bawah had kenyal bahan P110T yang. dalam ujian #1, spesimen rosak selepas 570 h eksperimen di bawah 300 ° C, as shown in Rajah 3. Ia menunjukkan bahawa patah spesimen tergolong dalam fenomena perleheran. Walau bagaimanapun, pada suhu yang lebih rendah dan selepas 630 h ujian rayapan, spesimen tidak patah. Ia membuktikan bahawa kelakuan rayapan bahan pada 300 ° C adalah lebih jelas berbanding pada suhu yang lebih rendah. The creep experiment results are shown in Rajah 4. Keluk ketegangan masa di 300 ° C terdiri daripada keseluruhan tiga peringkat rayapan: utama, menengah, dan pengajian tinggi. Dan, kadar terikan yang ditakrifkan sebagai nisbah tekanan untuk masa yang. Di peringkat sekolah rendah, kadar terikan yang agak tinggi, tetapi melambatkan dengan masa. kemudian, kadar terikan akhirnya mencapai nilai minimum dan menjadi malar pada peringkat menengah, sebagai terikan masa ialah garis lurus pada peringkat ini. akhirnya, di peringkat pengajian tinggi, kadar terikan yang pesat meningkat dengan masa sehingga patah spesimen, yang sebahagian besarnya disebabkan oleh necking fenomena dalam spesimen. Walau bagaimanapun, untuk spesimen pada 120 ° C dan 200 ° C rayapan eksperimen, hanya terdapat dua peringkat semasa 630 jam ujian: peringkat rendah dan peringkat menengah.

Rajah 4. Creep experiment results under different temperature.

model juzuk viscoelastic

Dalam artikel ini, bahan selongsong dipilih sebagai viscoelastic linear. 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 Rajah 5. Menggunakan model Wiechert yang, rayapan dan kelonggaran bahan viscoelastic boleh dihuraikan dengan baik, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) seperti berikut

E(t)=E+Σi=1nEiexp(-tti)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

where tiτi is the relaxation time, Eitidak is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. persamaan (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, juga dikenali sebagai siri Prony.

Rajah 5. Wiechert material mode.

ambil perhatian bahawa, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEiE(0)= E0 = + E∞ ΣEi
(2)

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

E(t)=E+Σi=1nmiE0exp(-tti)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

where mi=Ei/E0mee = Ei / E0 is defined as Prony series parameter.

bahan P110T pencirian

Bagi eksperimen rayapan, beban permohonan ketegangan adalah pemalar, dan modulus kelonggaran boleh diwakili oleh bentuk yang lain

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] atau [t1,t2,t3,...][t1, t2 t3, ...]. So the relaxation modulus E(t) dalam bentuk matriks adalah

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

Combining equation (4) with equation (5), hubungan antara masa dan tekanan yang ditubuhkan, as shown in equation (6)

Σi=1nmiE0[1-exp(-[t]ti)]=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.

Bagi kerumitan pengkomputeran fungsi siri Prony, perisian MATLAB yang digunakan untuk mencari siri parameter Prony. Untuk 200 ° C suhu persekitaran, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, dan persamaan bersantai modulus boleh diperolehi seperti berikut

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]

Menurut teori hukum Hooke, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). Lebih-lebih lagi, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in Rajah 6. Berbanding dengan terikan masa dalam eksperimen itu menyebabkan pada 200 ° C, as shown in Rajah 6, keluk model siri Prony bersesuaian dengan data eksperimen rayapan, yang mengesahkan model juzuk bahan P110T yang. Oleh itu, persamaan siri Prony daripada P110T bahan sarung pada 120 ° C dan 300 ° C boleh juga diperolehi dengan cara yang sama, as shown in equations (8) dan (9), masing-masing

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)

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

kelakuan Thermo-reologi bahan sarung

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, Kadar kelonggaran bahan ini adalah sangat perlahan, yang boleh dimodelkan sebagai kelakuan anjal. Pada suhu yang lebih tinggi, Kadar kelonggaran bahan ini menjadi lebih cepat, yang merupakan sifat viskos yang tulen. Kelonggaran modulus, diperolehi oleh kaedah siri Prony, diplotkan pada skala masa log bawah tiga suhu yang berbeza, as shown in Rajah 7. Ia boleh didapati bahawa semua plot mempunyai hampir bentuk yang sama tetapi hanya beralih secara mendatar. Ini adalah sebuah bahan selongsong dan dipanggil tingkah laku thermo-reologi. Purata jarak mendatar antara dua lengkung, di bahagian atas, tengah-tengah, dan bawah, ditakrifkan sebagai faktor peralihan, yangTαT, dan hubungan antara keluk boleh digambarkan oleh persamaan berikut

E(log(t),T)=E(log(t)-logyangT,T1)E(log(t),T)= E(log(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

persamaan (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor yangTαT can be obtained by the WLF equation

logyangT=-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 Rajah 6, dan menetapkan 200 ° C suhu rujukan, faktor peralihan, daripada 200 ° C hingga 120 ° C dan 200 ° C hingga 300 ° C, boleh dipertingkatkan dalam plot. Dengan menggantikan faktor perubahan dalam persamaan WLF yang, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Oleh itu, persamaan WLF bagi P110T bahan sarung adalah

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

simulasi FE dan aplikasinya

model FE

Simulasi berangka ujian tegangan rayapan spesimen dilakukan dengan menggunakan perisian Abaqus FE komersial. Mendasarkan pada bahan sarung P110T rayapan eksperimen loading, model mekanikal FE telah ditubuhkan, as shown in Rajah 8. Sifat-sifat elastik, termasuk modulus elastik dan nisbah Poisson, 1.99× 105 MPa dan 0.3, masing-masing, diberikan di dalam Abaqus. Selain daripada, sifat-sifat likat, termasuk masa kelonggaran dan siri Prony, as shown in Table 3, turut dijelaskan di Abaqus. Apa yang lebih, mudah thermo-reologi yang (TRS) parameter, C1 and C2, diperolehi dengan persamaan WLF yang, juga termasuk di dalam simulasi ini, dan * Jenis Visco analisis telah digunakan bagi kelakuan viscoelastic.

Rajah 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 Rajah 9(yang)–(c), masing-masing. Pada suhu 200 ° C, hasil simulasi sepadan dengan data eksperimen rayapan baik. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Tetapi untuk suhu 120 ° C dan 300 ° C, tingkah laku thermo-reologi, terdapat perbezaan kecil di antara eksperimen dan keputusan simulasi, dan perbezaan yang paling besar adalah kurang daripada 8%. Sebab bagi perbezaan ini adalah kerana bahawa, untuk analisis FE, parameter thermo-reologi digunakan ke dalam simulasi, yang diperolehi daripada persamaan WLF yang. Dalam persamaan WLF yang, 200 ° C diambil sebagai suhu rujukan, supaya, dalam Rajah 7, lengkung merah beralih kepada kedudukan lengkung biru dan keluk hitam. Dan, keluk beralih baru mewakili kelakuan thermo-reologi bahan selongsong dan digunakan untuk menyelesaikan persamaan WLF yang. Kerana keluk beralih tidak boleh 100% sepadan dengan baik dengan yang asal, yang diperolehi dengan keputusan eksperimen, sisihan wujud di antara eksperimen dan simulasi. Lebih-lebih lagi, sebagai 200 ° C diambil sebagai suhu rujukan, keputusan simulasi adalah lebih tepat daripada yang lain, as shown in Rajah 9. Oleh itu, keputusan simulasi menunjukkan kesahihan teori viscoelastic dan kaedah TRs dalam artikel ini. Sebagai tambahan, model FE boleh digunakan untuk menganggarkan tingkah laku viscoelastic bahan sarung P110T pada keadaan mekanikal dan haba yang berbeza.

Rajah 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (yang) 120° C, (b) 200° C, dan (c) 300° C.

tekanan sentuhan pada permukaan kedap

Berdasarkan geometri 5.5 "SL-Apox jenis sambungan bersama, model FE paksi simetri untuk permukaan kedap dibina pada Abaqus, as shown in Rajah 10. Dinding dalaman adalah di bawah tekanan gas yang dipohon. Garis merah dalam rajah mewakili permukaan kedap. Jika tekanan gas adalah lebih tinggi daripada tekanan hubungan pada permukaan kedap, sambungan bersama akan lebih cenderung bocor.

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

Di persekitaran suhu yang tinggi, tekanan hubungan pada permukaan kedap akan berkurangan dengan masa kerana kelikatkenyalan bahan. Tekanan gas di dinding dalaman ditetapkan kepada 75 MPa. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in Rajah 11. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa purata tekanan sentuhan awal adalah 116 MPa pada 160 ° C dan 230 ° C. kemudian, tekanan sentuhan purata berkurangan dengan masa. Tekanan kenalan purata jatuh kepada 76 MPa. tambahan pula, kadar tekanan berkurangan pada 230 ° C adalah lebih cepat daripada yang di persekitaran 160 ° C. Ia menunjukkan bahawa dalam 4000 h (166hari), tekanan sentuhan jatuh kepada 76 MPa pada 230 ° C. Walau bagaimanapun, di persekitaran suhu yang lebih rendah, ia akan mengambil masa 9000 h (375hari) menurun kepada 76 MPa.

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

Menurut hasil simulasi, nisbah tekanan sentuhan awal dan tekanan sentuhan finial adalah 1.56, yang cara, di persekitaran suhu yang tinggi, tekanan sentuhan akhir pada permukaan kedap akan jatuh sebanyak hampir satu pertiga. Berdasarkan persamaan faktor keselamatan

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 untuk pertimbangan keselamatan.

Conclusion

  1. Kelonggaran tekanan hubungan pada permukaan kedap sambungan premium adalah sebab utama untuk kebocoran gas dari selongsong di suhu tinggi juga gas asli.

  2. Pada suhu yang tinggi, rayapan eksperimen ketegangan telah digunakan untuk mengkaji tingkah laku viscoelastic daripada P110T bahan sarung. Kelakuan mekanikal bahan selongsong adalah sangat bergantung kepada suhu. persekitaran suhu yang lebih tinggi adalah, kadar lebih cepat rayapan adalah.

  3. Model juzuk untuk P110T bahan sarung diperoleh melalui data eksperimen rayapan, dan siri parameter Prony dikira. Kelakuan thermo-reologi juga disiasat, dan faktor-faktor peralihan bahan antara suhu persekitaran 120 ° C hingga 300 ° C diperolehi.

  4. Model FE viscoelastic untuk P110T bahan telah ditubuhkan, dan keputusan simulasi sesuai dengan baik dengan data eksperimen.

  5. Model FE daripada permukaan kedap dalam sambungan premium telah dibina pada Abaqus, dan bersantai tekanan sentuhan yang disiasat. Ia adalah disyorkan bahawa tekanan sentuhan mereka bentuk pada permukaan kedap perlu dua kali ganda tekanan kedap gas yang bercadang pada suhu tinggi telaga gas asli.

pengendalian Editor: Michal Kuciej

Pengisytiharan kepentingan yang bercanggah
Pengarang(S) diisytiharkan tiada konflik kepentingan berkenaan dengan penyelidikan, pengarang, dan / atau penerbitan artikel ini.

Rujukan

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

Paul 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, toleransi pemesinan, dan beban yang dikenakan. In: Idelsohn, S, Oñate, E, Dvorkin, E (ed) Computational mechanics. Barcelona: CIMNE, 1988, pp.1–19.

Ong, G, Nizam Ramli, M, Ahmad, 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, Malaysia, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

Sugino, M, Yamaguchi, S, Ugai, S. VAM 21, premium berprestasi tinggi inovatif diulirkan sambungan bagi OCTG. Nippon Steel & Sumitomo Metal laporan teknikal tidak. 107, Februari 2015, pp.10–17, http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

Takano, J, Yamaguchi, M, Kunishige, H. Pembangunan sambungan premium "KSBEAR" untuk menahan mampatan yang tinggi, tekanan luaran yang tinggi, dan memutuskan lentur. Kawasaki Steel laporan teknikal tidak. 47, 2002, http://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

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

Lopes, J, Alberto, C, Tomas, 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. Bahagian I-kaedah berangka berdasarkan siri 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

Ruangan komen telah ditutup.