Цеви кућишта примена у гасним базенчиће са високим температурама

Особине поцинкованог челика Пипе варова
January 4, 2019
Корозије на АПИ 5Л Пипелине Стеел са облогом заштиту
January 7, 2019

Цеви кућишта примена у гасним базенчиће са високим температурама

У последњих неколико година, са мањег броја лако експлоатисати бунара нафте и гаса, постало је неопходно за нафтне и гасне бушотине дубље на оба подземна и под водом. И, цеви и кућишта жице подвргнуте вишу температуру и повишеног притиска у овим бунарима, што би вероватно изазвати квар кућиште или цурења гаса у високог притиска / високим температурама (ХПХТ) веллс. Otuda, 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, које се очекује да обезбеди и структурне и цурења интегритета под тешком окружењу. Као услови лоадинг су повезане са дубље, температуре и притиска више гас веллс, многи оператери укључен користе стандардне Америцан Петролеум Институте (АПИ за) везе између премијум везе.Фигура 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. Површина за заптивање се такође назива метал-то-метал заптивке, који пружају контакт притисак кроз пресованог склопа. Оно што је још, притисак контакт на заптивну површину је већа од притиска гаса и, а кућиште везе може да спречи цурење гаса еффициентли.3,4

Фигура 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

У последњих неколико година, гас заптивање веза није у неком гаса базенчићу екстра високим температурама, иако притисак пројектовање контакт на заптивну површину био је виши од притиска гаса. У Јужној Кини море, 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. Međutim, проблем цурење гаса може детектовати после 2 године производње гаса у неким бунарима, што је далеко мање од очекиваног рока трајања гаса бунара. На екстра-високим температурама, површина за заптивање кућишта прикључака доживећете пузање сој, што ће довести до смањења контакт притиска површина за заптивање је. Када је контакт притисак је нижи од притиска гаса и, гас ће цури из кућишта везе, што ће смањити век трајања гаса и. у наставку, то би довело и трајни притисак кућишта гаса, kućište колапс, или напуштање добро, узрокује велики економски губитак. Zbog toga, битно је да проучава вискоеластичност материјала кућишта везу и сазнајте опуштање контакт притиском на заптивном површином, која би могла бити од помоћи за истраживање и развој гасне базенчиће са високим температурама.

Истраживачке студије на кућишту везе су углавном усмерена на дизајн и безбедност процену навој прикључак структура у последњих неколико година. аналитичка метода,6,7 finite element (ФЕ) metod,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Неки истраживачи су испитивали механизам заптивање премијум везе,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (ХТХП) гаса велл.14,15Ховевер, Ови истраживачки радови се сви проводе у стабилном стању, не узимајући у обзир време мења. И, механизам заптивање премије прикључака на гасној бунара високо температурне није у потпуности истражена, посебно вискоеластични понашање кућишта материјала.

У овом чланку, наказа експеримент кућишта материјала је изведена под истим затезног стреса али различитим температурама. И онда, Вискоеластична понашање кућишта материјала студирао. у наставку, ВЛФ (Виллиам-Ландел-Трајект) једначина за кућишта материјал потиче. коначно, ФЕ модел се користи за проучавање релаксацију контактне притиска заптивна површина је цевастог везе, који може предвидети свој радни век у гасној бунару високе температуре.

Експериментални материјал тестови

Експериментални апарат и поступак

У складу са ИСО 204:2009, униаксијалне тестирање црееп металних материјала "у методу затезања тестова, 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 Фигура 2, апарат црееп експеримент се састоји од рерне, сензор температуре, дисплацемент сенор, tension tester, и узорак. The experiment principle is shown in Фигура 2(b). На дну узорка је фиксна, а врх је напуњена. Екпериментал температура се контролише пећнице и температуру сензора. у међувремену, Тхе Црееп сој бележе померања сензора. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Као метала пузања експеримента је дуготрајан, скуп тестова оптерећења сталној напетости се изводи на 120 ° Ц, 200° Ц, и 300 ° Ц, редом.

Фигура 2. (a) Црееп експеримент апарати и (b) експериментални принцип.

експериментални резултат

Сто 2 shows the creep experimental conditions, који укључују сталну затегнутост гомилу 680 МПа, три различите температуре, и конзумирање експериментални време. Pored toga, уметнут затезне чврстоће под еластичног границе П110Т материјала. u тесту #1, Узорак је разбијен после 570 х експеримента под 300 ° Ц, as shown in Фигура 3. Она показује да је прелом узорка припада нецкинг феномене. Međutim, на нижој температури и након 630 часова тестирања пузања, се узорак није слом. То доказује да је материјал кретен понашање на 300 ° Ц је очигледније него на нижим температурама. The creep experiment results are shown in Фигура 4. страин-временска кривуља на 300 ° Ц, чине целих три пузања фазе: Примарни, сецондари, и терцијарне. И, стопа сој се дефинише као однос соја са временом. У примарној фази, стопа сој је релативно висока, али успорава с временом. Онда, Стопа сој крају достигне минималну вредност и постаје стални у секундарни стадијум, као страин-временска кривина је права линија у овој фази. коначно, у терцијарном стадијуму, стопа сој експоненцијално расте са временом до узорака прелома, што је углавном проузроковано нецкинг феномена у узорку. Međutim, за узорак на 120 ° Ц и 200 ° Ц пузања експеримента, било је само две фазе током 630 тестинг хоурс: Примарна фаза и секундарна фаза.

Фигура 4. Creep experiment results under different temperature.

Вискоеластични Конститутивни модел

У овом чланку, чаура материјал изабран као линеарну вискоеластичних. 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 Фигура 5. Коришћење Виецхерт модел, кретен и релаксација вискоеластично материјала може бити добро описана, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) као што следи

E(t)=E+Σја=1nEјаекс(-ttја)E(t)= Е∞ + Σи = 1нЕиекп(-тτи)
(1)

where tјаτи is the relaxation time, Eјане is the relaxation modulus, EЕ∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. једначина (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, такође познат као Прони серија.

Фигура 5. Wiechert material mode.

Напоменути да, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEјаE(0)= Е0 = + Е∞ ΣЕи
(2)

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

E(t)=E+Σја=1nмјаE0екс(-ttја)E(t)= Е∞ + Σи = 1нмиЕ0екп(-тτи)
(3)

where мја=Eја/E0ми = ЕИ / Б0 is defined as Prony series parameter.

П110Т материал карактеризација

Што се тиче пузања експеримент, апликација напетост оптерећење је константна, а релаксација модул могу бити представљени другој форми

E(t)=стр[e]E(t)= с[e]
(4)

where стрстр is the application tension load; [e][e] is a strain matrix for the creep experiment, [e1,e2,e3,...][Е1, Е2, Е3, ...], corresponding to the experiment time matrix [t][t] ili [t1,t2,t3,...][Т1, Т2, Т3, ...]. So the relaxation modulus E(t) у облику матрице је

E(t)=E0+Σја=1nмјаE0[1-екс([t]tја)]E(t)= Е0 + Σи = 1нмиЕ0[1-екп([t]τи)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), однос између времена и напора је успостављена, as shown in equation (6)

Σја=1nмјаE0[1-екс(-[t]tја)]=E0-стр[e]Σи = 1нмиЕ0[1-екп(-[t]τи)]= Е0-п[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.

Што се тиче рачунарске комплексности Прони серије функције, софтвер МАТЛАБ примењује пронаћи Прони серије параметар. За 200 ° Ц температуре окружења, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, и његова релаксација модул једначина може се добити на следећи начин

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-е-Т10]+7367[1-е-Т100]+49,615[1-е-Т1000]

Према теорији Хооке закона, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). Pored toga, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in Фигура 6. У поређењу са страин-временска кривина у експерименту резултирати на 200 ° Ц, as shown in Фигура 6, Прони серија модел крива уклапа добро са пузања експерименталним подацима, која потврдите конститутивну модел П110Т материјала. Zbog toga, Прони серија једначина кућишта материјалног П110Т на 120 ° Ц и 300 ° Ц може се такође извести на исти начин, as shown in equations (8) и (9), редом

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-е-Т]+43,314[1-е-Т12]+2956[1-е-Т100]+38,942[1-е-Т1000]
(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-е-Т5]+6985[1-е-Т10]+4802[1-е-Т200]+30,015[1-е-Т800]
(9)

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

Тхермо-реолошка понашање кућишта материјала

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, релаксација стопа је материјал је веома спор, који се могу моделовати као еластично понашање. На вишим температурама, релаксација стопа је материјал постаје много брже, што је чиста вискозна понашање. Релаксација Модул, добијен Прони методом серија, се приказује на временској скали дневник под три различите температуре, as shown in Фигура 7. Може се наћи да све парцеле имају скоро исти облик, али се померају само хоризонтално. Ово је власништво кућишта материјала и зове термо-реолошких понашање. Просек хоризонтално растојање између две криве, на врху, srednje, и дно, је дефинисан као смена фактор, αTαТ, а однос између криве се може описати следећом једначином

E(Пријава(t),T)=E(Пријава(t)-ПријаваαT,T1)E(Пријава(t),T)= е(Пријава(t)-логαТ,T1)
(10)

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

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

једначина (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor αTαТ can be obtained by the WLF equation

ПријаваαT=-C1(T-T0)C2+(T-T0)логαТ = -Ц1(Т Т0)Ц2 +(Т Т0)
(12)

where T is the temperature at which the relaxation modulus is calculated, T0Т 0 is the reference temperature. C1 and C2 are constants of the WLF equation.

Based on the creep experimental data and Prony series method in Фигура 6, и постављање 200 ° Ц као референтни температуру, фактори схифт, од 200 ° Ц до 120 ° Ц и 200 ° Ц до 300 ° Ц, може бити увећана на парцели. Заменом факторе смене у ВЛФ једначине, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Zbog toga, ВЛФ једначина за кућишта материјалне П110Т је

ПријаваαT=-45.03(T-200)4640+(T-200)логαТ = -45,03(Т-200)4640+(Т-200)
(13)

ФЕ симулација и његова примена

ФЕ модела

Нумеричка симулација узорка теста напетост пузања је изведена уз помоћ комерцијалног софтвера ФЕ Абакус. Заснива на кућишта материјалног П110Т црееп екперимент лоадинг, ФЕ механички модел је успостављен, as shown in Фигура 8. Еластична својства, укључујући модул еластичности и однос Поасонове, 1.99× 105 МПа и 0.3, редом, су дефинисани у Абакус. Осим тога, Вискозни својства, укључујући време релаксације и Прони серије, as shown in Table 3, су такође дефинисани у Абакус. Оно што је још, термо-реолошких једноставна (ТРС) parametri, C1 and C2, добијен ВЛФ једначине, су такође укључени у овој симулацији, анд * ВИСЦО врста анализе је примењена за вискоеластично понашање.

Фигура 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 Фигура 9(a)–(c), редом. На температури 200 ° Ц, резултат симулација одговара пузања експерименталних података и. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Али за температуре 120 ° Ц и 300 ° Ц, ас термо-реолошких понашања, постоје мале разлике између експерименталних и симулираних резултата, а највећа разлика је мања од 8%. Разлог за ову разлику је зато што, за анализу ФЕ, Термо-реолошких параметара се примењују у симулацију, који се добија из ВЛФ једначине. У ВЛФ једначине, је 200 ° Ц се узима као референтне температуре, тако да, u Фигура 7, црвена крива се помера на позицију плавог криве и црне криве. И, нови промениле криве представља термо-реолошких понашање цевастог материјала и користи се реши ВЛФ једначине. Јер су промениле криве не могу 100% добро се уклапа са оригиналним, који се добија експерименталним резултатима, девијација постоји између експерименталне и симулације. Pored toga, као 200 ° Ц узима као референтну температуру, резултат симулација је прецизнија од других, as shown in Фигура 9. Zbog toga, резултати симулације показују исправност теорије вискоеластично и ТРС метод у овом чланку. u dodatku, ФЕ модел се може користити за процену Вискоеластична понашање омотач П110Т на различитим механичким и термалним условима.

Фигура 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (a) 120° Ц, (b) 200° Ц, и (c) 300° Ц.

Контакт притисак на површина за заптивање

На основу геометрије 5.5 "МДР-Апок заједничке тип везе, аксијални симметри ФЕ модел за заптивне површине изграђена је Абакус, as shown in Фигура 10. Унутрашњи зид је под примењеним притиском гаса. Црвена линија на слици представља хидроизолације. Ако је притисак гаса већи од притиска контакт на заптивну површину, заједничка веза ће бити вероватно да цури.

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

Ат високе температуре амбијента, притисак контакт на заптивну површину смањиће с временом због материјалног вискоеластичности. Притисак гаса на унутрашњем зиду подешен на 75 МПа. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in Фигура 11. резултати симулације показују да је почетна просечна контактни притисак је 116 МПа на 160 ° Ц и 230 ° Ц. Онда, просечна контакт притисак опада са временом. Просечна контактни притисак пада на 76 МПа. у наставку, стопа смањења притиска на 230 ° Ц је бржи од оног у 160 ° Ц животне средине. Показало се да у року од 4000 часова (166дани), контакт притисак пада на 76 МПа при 230 ° Ц. Međutim, на нижој температури окружења, биће потребно 9000 х (375дани) да падне на 76 МПа.

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

Према резултатима симулације, однос почетног контакт притиском и финиал контакт притисак 1.56, што значи, ат високе температуре амбијента, коначни контакт притисак на заптивну површину ће пасти за скоро трећину. На основу безбедносног фактора једначине

n=[стр]стрГПн =[стр]σгп
(14)

where n is the safety factor, [стр][стр] is the designing contact pressure, стрГПσгп is the intending sealing gas pressure. The safety factor n must be more than 2 за безбедност разматрање.

закључак

  1. Попуштање притиска контактног на заптивном површини премије конекције је главни разлог за гас цурења из кућишта на високим температурама природног гаса бунара.

  2. На високим температурама, црееп напетост експеримент је коришћен за проучавање Вискоеластична понашање кућишта материјалног П110Т. Механичка Понашање цевастог материјала снажно зависи од температуре. Што је температуре средине виша је, брже стопа наказа је.

  3. Конститутивни модел за кућишта материјалну П110Т је изведено преко пузања експерименталних података, а Прони серија параметар је израчунат. Термо-реолошких понашања је такође испитиван, а су добијени фактори померања материјала између температури од 120 ° Ц еколошких до 300 ° Ц.

  4. Неко вискоеластично ФЕ модел за материјалну П110Т основана, а резултати симулације уклапају добро са експерименталним подацима.

  5. Испитивач модел заптивне површине у премијум везама је изграђен Абакус, и његова релаксација контактни притисак је испитиван. Препоручује се да се притисак пројектовање контакт на заптивну површину бити дупло колико које покушава да гас заптивне притисак на високе температуре природног гаса бунара.

rukovanje Уредник: мицхал Куциеј

Декларација сукобљених интереса
Аутор(и) проглашен нема потенцијалне сукобе интереса у вези са истраживањем, ауторство, и / или објављивање овог чланка.

Референце

Теодориу, C, Косиновски, C, амани, м. Wellbore integrity and cement failure at HPHT conditions. Int J Eng Appl Sci 2013; 2: 1–13.

паул Черноцкы, E, Валигура, ПГ, Сцхолибо, FC. A standardized approach to finite element analysis of casing-tubing connections to establish relative sealing performance as a function of design geometry, машинске толеранције, и примењена оптерећења. у: Иделсохн, S, Онате, E, Дворкин, E (ур) Computational mechanics. Barcelona: CIMNE, 1988, pp.1–19.

онг, Г, низам Рамли, м, ахмад, В. Evaluation of fatigue performance on semi premium connection for casing drilling application to prevent connection fatigue failure. у: Proceedings of the off shore technology conference Asia, Kuala Lumpur, Малезија, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

Сугино, м, иамагуцхи, S, Угаи, S. VAM 21, иновативни премије високих перформанси навојем прикључак за OCTG. ниппон čelik & Сумитомо метал технички извештај не. 107, Februara 2015, pp.10–17, http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

такано, J, иамагуцхи, м, Кунисхиге, В. Развој премијум везе "КСБЕАР" да издржи високе компресију, Висок спољни притисак, и север савијање. Кавасаки Челик технички извештај не. 47, 2002, http://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

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

лопес, J, алберто, C, томас, J. Viscoelastic relaxation modulus characterization using Prony series. Lat Am J Solids Stru 2015; 12: 420–445.

парк, ЈЗ, Сцхапери, RA. Methods of interconversion between linear viscoelastic material functions. Део И-нумерички метод заснован на Прони серији. Int J Solids Struct 1999; 26: 1653–1675.

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

Comments are closed.