Behuizingspijp toepassing bij hoge temperatuur gasputten

Eigenschappen van gegalvaniseerd staal Pipe lassen
januari- 4, 2019
Corrosiebestendigheid van API 5L Pipeline staal met coating Protection
januari- 7, 2019

Behuizingspijp toepassing bij hoge temperatuur gasputten

In recente jaren, met het dalende aantal eenvoudig te exploiteren olie- en gasputten, is het noodzakelijk geworden voor de olie en gas putten dieper in te gaan op zowel ondergronds als onderwater. En, slangen en bekistingsstrengen worden onderworpen aan hogere temperatuur en hogere druk in deze putten, die waarschijnlijk zou leiden behuizing storing of gaslek in de hoge-druk / hoge temperatuur (HPHT) Wells. Vandaar, 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, die naar verwachting zowel structurele integriteit en lekkages onder zware omgeving te bieden. Zoals beladingen worden geassocieerd met diepere, hogere temperatuur en druk gasputten, veel exploitanten overgestapt op standaard American Petroleum Institute (API) aansluitingen op de premie aansluitingen.Figuur 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. Het afdichtvlak wordt ook metaal-op-metaal afdichtingen, waarbij contactdruk door perspassing. Wat is meer, de contactdruk op de afdichtoppervlak hoger is dan de druk gasbron, en de behuizing verbindingen kan verhinderen dat de gaslekkage efficiently.3,4

Figuur 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

In recente jaren, het gas afdichtende verbinding niet in extra-hoge temperatuur gasbron, Hoewel de ontwerpen contactdruk op de afdichtoppervlak hoger dan de gasdruk. In de Zuid-Chinese Zee, 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. Echter, het gaslek probleem kan worden gedetecteerd na 2 jaar gaswinning in sommige putjes, dat is veel minder dan de verwachte levensduur van gasputten. Bij de extra-hoge temperaturen, het afdichtoppervlak van de behuizing aansluitingen schuifbelasting ervaren, die zal leiden tot de vermindering van contactdruk het afdichtingsvlak van. Wanneer de contactdruk kleiner is dan de druk gasbron, het gas lekt uit het huis verbinding, die de levensduur van het gas goed zal verminderen. voorts, zou een aanhoudende behuizing gasdruk brengen, behuizing collapse, of goed verlating, veroorzaakt een enorme economische schade. Daarom, Het is belangrijk om de visco-elasticiteit van het materiaal van de omhulling verbinding bestuderen en vinden van de relaxatie van de contactdruk op afdichtingsvlak, die nuttig zijn voor de exploratie en ontwikkeling van hoge-temperatuur gasbronnen zou kunnen zijn.

Onderzoeken op het huis verbindingen zijn vooral gericht op de schroefdraadverbinding structuurontwerp en veiligheidsevaluatie in de afgelopen jaren. Analytische methode,6,7 finite element (FE) methode,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Sommige onderzoekers hebben het sluitmechanisme van de premie verbindingen onderzocht,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) gas well.14,15However, Deze onderzoek werken zijn allemaal uitgevoerd in de steady state, niet gezien de tijd veranderen. En, het afdichtmechanisme van de extra verbindingen in het gas op hoge temperatuur en is nog niet volledig onderzocht, met name de visco-elastische gedrag van het omhulselmateriaal.

In dit artikel, een kruipexperiment van dekaarde werd uitgevoerd onder dezelfde trekspanning maar verschillende temperaturen. En dan, het visco-elastische gedrag van het mantelmateriaal wordt bestudeerd. voorts, de WLF (William-Landel-Ferry) vergelijking voor het omhulselmateriaal wordt verkregen. Tenslotte, een FE model wordt gebruikt om de relaxatie van afdichtoppervlak de contactdruk van de omhulling verbinding bestuderen, die zijn levensduur in de hoge-temperatuur gasbron kan voorspellen.

Proefmateriaal proeven

Proefinrichting en werkwijze

Volgens ISO 204:2009, uniaxiale frictie testgegevens metalen onder spanning Beproevingsmethode, 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 Figuur 2, het kruipexperiment inrichting bestaat uit oven, temperatuursensor, verplaatsing mijnheer, spanningsproef, en specimen. The experiment principle is shown in Figuur 2(b). De bodem van het monster wordt vastgesteld, en de top is geladen. Experimentele temperatuur wordt geregeld door de oven en temperatuursensor. Ondertussen, de schuifbelasting wordt geregistreerd door verplaatsingssensor. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Als het metaal kruipexperiment tijdrovend, een set constante spanningsbelasting tests uitgevoerd bij 120 ° C, 200° C, en 300 ° C, respectievelijk.

Figuur 2. (een) Kruipexperiment inrichting en (b) experimentele beginsel.

experimentele resultaat

Tabel 2 shows the creep experimental conditions, die een constante trekbelasting van 680 MPa omvatten, drie verschillende temperaturen, en consumeren experimentele tijd. Bovendien, belaste trekspanning onder de elasticiteitsgrens van het materiaal P110T. bij proef #1, het monster werd afgebroken na 570 uur experiment onder 300 ° C, as shown in Figuur 3. Daaruit blijkt dat de breuk van het monster deel uit van de insnoering verschijnselen. Echter, bij een lagere temperatuur en na 630 uur frictie testgegevens, het monster niet breken. Het bewijst dat het materiaal kruipgedrag bij 300 ° C is duidelijker dan bij lagere temperaturen. The creep experiment results are shown in Figuur 4. De stam tijdcurve bij 300 ° C gevormd door de gehele kruip drie fasen: primair, tweede, en tertiaire. En, de spanning wordt gedefinieerd als de verhouding van spanning tot de tijd. In de eerste fase, de spanning relatief hoog, maar vertraagt ​​met de tijd. Dan, de vervormingssnelheid bereikt uiteindelijk een minimumwaarde en wordt een constante in het tweede stadium, de stam-tijdcurve een rechte lijn in dit stadium. Tenslotte, in de tertiaire stadium, de reksnelheid exponentieel toeneemt met tijd totdat het monster breuken, die vooral wordt veroorzaakt door insnoering verschijnselen in het specimen. Echter, van het monster bij 120 ° C en 200 ° C kruipexperiment, er waren slechts twee fasen van het 630 testing uur: eerste fase en tweede stadium.

Figuur 4. Creep experiment results under different temperature.

Visco-elastische constitutieve model

In dit artikel, het mantelmateriaal wordt geselecteerd als lineaire viscoelastische. 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 Figuur 5. Met behulp van de Wiechert model, de kruip en relaxatie van visco-elastisch materiaal zou wel worden omschreven, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) als volgt

E(t)=E+Σik=1nEikexp(-ttik)E(t)= E∞ + EI = 1nEiexp(-tτi)
(1)

waar tikτi is the relaxation time, Eikniet is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. Vergelijking (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, ook bekend als Prony series.

Figuur 5. Wiechert material mode.

Let daar op, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEikE(0)= E0 + = E∞ ΣEi
(2)

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

E(t)=E+Σik=1nmikE0exp(-ttik)E(t)= E∞ + EI = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

waar mik=Eik/E0mi = Ei / E0 is defined as Prony series parameter.

P110T materiaalkarakterisatie

Wat betreft de kruip experiment, de toepassing spanningsbelasting een constante, en relaxatiemodulus kan worden weergegeven met een andere vorm

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

waar 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] of [t1,t2,t3,...][t1, t2, t3, ...]. So the relaxation modulus E(t) in matrixvorm is

E(t)=E0+Σik=1nmikE0[1-exp([t]tik)]E(t)= E0 + EI = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), de relatie tussen de tijd en de stam wordt vastgesteld, as shown in equation (6)

Σik=1nmikE0[1-exp(-[t]tik)]=E0-p[e]EI = 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.

Wat de rekencomplexiteit van de Prony serie functie, de MATLAB software wordt toegepast op de Prony serie parameter vinden. Voor de 200 ° C omgevingstemperatuur, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, en relaxatiemodulus vergelijking kan als volgt worden verkregen

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]

Volgens de Hooke wet theorie, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). Bovendien, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in Figuur 6. Vergeleken met doorvoer tijdcurve in het experiment resultaten bij 200 ° C, as shown in Figuur 6, de Prony series model curve past goed bij de kruip experimentele data, waarbij het constitutief model van het P110T materiaal valideren. Daarom, de Prony series vergelijking van het omhullingsmateriaal P110T bij 120 ° C en 300 ° C kan worden verkregen op dezelfde manier, as shown in equations (8) en (9), respectievelijk

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)

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

Thermo-reologisch gedrag van dekaarde

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, het materiaal ontspanning rate is erg traag, die kan worden gemodelleerd als elastisch gedrag. Bij hogere temperaturen, het materiaal ontspanning tarief wordt veel sneller, dat is de pure viskeuze gedrag. De relaxatiemodulus, verkregen volgens de werkwijze Prony serie, is uitgezet op een log tijdschaal onder de drie verschillende temperaturen, as shown in Figuur 7. Het kan worden gevonden dat alle percelen hebben nagenoeg dezelfde vorm, maar worden alleen horizontaal verschoven. Dit is een eigenschap van het mantelmateriaal en heet thermo-rheologisch gedrag. De gemiddelde horizontale afstand tussen twee krommen, op de top, Midden, en bottom, wordt gedefinieerd als verschuivingsfactor, eenTaT, en de relatie tussen de curves kan worden beschreven door de volgende vergelijking

E(logboek(t),T)=E(logboek(t)-logboekeenT,T1)E(logboek(t),T)E =(logboek(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

Vergelijking (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor eenTaT can be obtained by the WLF equation

logboekeenT=-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 Figuur 6, en die 200 ° C als referentietemperatuur, de verschuivingsfactoren, van 200 ° C tot 120 ° C en 200 ° C tot 300 ° C, kan worden geschaald in de plot. Door substitutie van de verschuiving tussen de WLF vergelijking, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Daarom, de WLF vergelijking voor het omhulselmateriaal is P110T

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

FE simulatie en de toepassing daarvan

FE model

De numerieke simulatie van het monster spanning kruiptest werd uitgevoerd met het commerciële software FE ABAQUS. Op basis van het mantelmateriaal P110T kruipexperiment loading, FE mechanisch model werd vastgesteld, as shown in Figuur 8. De elastische eigenschappen, zoals elasticiteitsmodulus en Poisson, 1.99× 105 MPa en 0.3, respectievelijk, gedefinieerd in ABAQUS. behalve, de viskeuze eigenschappen, met inbegrip van de ontspanning tijd en Prony series, as shown in Table 3, Ook gedefinieerd in ABAQUS. Wat is meer, de thermo-rheologische eenvoudig (TRS) parameters, C1 and C2, verkregen door de WLF vergelijking, Ook in deze simulatie, en * VISCO type analyse werd toegepast voor het visco-elastische gedrag.

Figuur 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 Figuur 9(een)-(c), respectievelijk. Bij 200 ° C, de simulatie resultaat overeenkomt met de kruip experimentele data goed. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Maar de temperatuur 120 ° C en 300 ° C, als thermo-rheologische gedrag, Er zijn kleine verschillen tussen de experimentele en gesimuleerde resultaten, en het grootste verschil is minder dan 8%. De reden voor dit verschil is omdat dat, de FE analyse, de thermo-rheologische parameters worden toegepast in de simulatie, die wordt verkregen uit de vergelijking WLF. In de WLF vergelijking, 200 ° C wordt genomen als de referentietemperatuur, zodat, in Figuur 7, de rode curve wordt verschoven naar de positie van de blauwe curve en zwarte curve. En, de nieuwe verschoven krommen stellen de thermo-rheologische gedrag van het mantelmateriaal en wordt gebruikt om de WLF vergelijking op te lossen. Omdat de verschoven krommen niet kan 100% goed overeenkomen met het origineel, die wordt verkregen door de experimentele resultaten, de afwijking bestaat tussen experimentele en simulatie. Bovendien, de 200 ° C wordt genomen als een referentietemperatuur, het simulatieresultaat is nauwkeuriger dan anderen, as shown in Figuur 9. Daarom, de simulatie resultaten blijkt de geldigheid van de visco-elastische theorie en TR methode in dit artikel. Bovendien, FE model kan worden gebruikt om het visco-elastische gedrag van dekaarde P110T schatten op verschillende mechanische en thermische omstandigheden.

Figuur 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (een) 120° C, (b) 200° C, en (c) 300° C.

Contactdruk op de afdichtoppervlak

Op basis van de geometrie van 5,5 "SL-APOX joint verbindingstype, een axiale symmetrie FE model van het afdichtvlak werd in ABAQUS, as shown in Figuur 10. De binnenwand is onder de toegepaste gasdruk. De rode lijn in de figuur geeft het afdichtingsvlak. Wanneer de gasdruk hoger is dan de contactdruk op de afdichtoppervlak, de gezamenlijke verbinding zal meer kans op lekkage te zijn.

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

Bij hoge-temperatuur-omgeving, de contactdruk op de afdichtoppervlak neemt af met de tijd als gevolg van het materiaal viscoelasticiteit. De gasdruk op de binnenwand is ingesteld op 75 MPa. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in Figuur 11. Simulaties tonen aan dat de initiële gemiddelde contactdruk 116 MPa bij 160 ° C en 230 ° C. Dan, de gemiddelde contactdruk tijd afneemt. De gemiddelde contactdruk daalt tot 76 MPa. voorts, de snelheid van de afnemende druk bij 230 ° C is sneller dan die bij 160 ° C milieu. Er wordt aangetoond dat binnen 4000 h (166dagen), de contactdruk daalt tot 76 MPa bij 230 ° C. Echter, bij een lagere omgevingstemperatuur, het zal 9000 h te nemen (375dagen) te laten dalen tot 76 MPa.

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

Volgens het simulatieresultaat, de verhouding van de aanvankelijke contactdruk en kruisbloem contactdruk 1.56, wat betekent, bij hoge temperatuur wordt gebruikt, de laatste contactdruk op de afdichtoppervlak zal dalen met bijna een derde. Op basis van de veiligheidsfactor vergelijking

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 voor de veiligheid overweging.

Conclusie

  1. De relaxatie van de contactdruk op het afdichtoppervlak van de extra verbinding is de belangrijkste reden voor de gaslekkage uit de behuizing bij hoge temperatuur aardgasput.

  2. Bij hoge temperaturen, kruip spanning experiment werd gebruikt om het visco-elastische gedrag van het omhulselmateriaal P110T bestuderen. Het mechanische gedrag van het mantelmateriaal sterk temperatuursafhankelijk. Hoe hoger de temperatuur milieu, hoe sneller de kruipsnelheid.

  3. De constitutieve model van het omhulselmateriaal P110T werd verkregen door middel kruip proefgegevens, en de reeks parameter Prony werd berekend. De thermo-rheologische gedrag werd ook onderzocht, en de verschuiving factoren van het materiaal tussen omgevingstemperatuur van 120 ° C tot 300 ° C verkregen.

  4. Een visco-elastisch FE model van het materiaal P110T vastgesteld, en de simulatieresultaten past goed bij de experimentele data.

  5. FE model van een afdichtvlak van de extra verbindingen werd in ABAQUS, en relaxatie contactdruk onderzocht. Het verdient aanbeveling het ontwerpen contactdruk op de afdichtoppervlak dubbele van de aanstaande gas afdichtende druk bij hoge temperatuur aardgasbronnen moet.

handling Editor: Michal Kuciej

Verklaring van tegenstrijdige belangen
De auteur(s) verklaarde geen mogelijke belangenconflicten met betrekking tot het onderzoek, auteurschap, en / of publicatie van dit artikel.

Verwijzingen

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

Paul Černocký, 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, bewerkingstoleranties, en toegepaste belastingen. In: Idelsohn, S, Oñate, E, Dvorkin, E (eds) 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, Maleisië, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

Sugino, M, Yamaguchi, S, Ugai, S. VAM 21, een innovatieve high-performance premie schroefdraad aansluiting voor OCTG-BUIZEN. Nippon Steel & Sumitomo Metal technisch verslag nr. 107, Februari 2015, pp.10–17, http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

Takano, J, Yamaguchi, M, Kunishige, H. Ontwikkeling van premium verbinding “KSBEAR” voor het weerstaan ​​van hoge compressie, hoge externe druk, en verbreken buigen. Kawasaki Steel technisch verslag nr. 47, 2002, http://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

Kim, J, luwte, 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. Deel I-a numerieke methode gebaseerd op Prony serie. 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

Reacties zijn gesloten.