Yüksek sıcaklıklı gaz kuyularında muhafaza borusu uygulaması

Galvaniz boru kaynaklarının özellikleri
Ocak 4, 2019
Kaplama Koruma API 5L Boru Hattı Çeliğin Korozyon Direnci
Ocak 7, 2019

Yüksek sıcaklıklı gaz kuyularında muhafaza borusu uygulaması

Son yıllarda, kolaylıkla yararlanılabilir petrol ve gaz kuyularının azalan sayıda, petrol ve gaz kuyuları hem yeraltı ve sualtı üzerinde derin gitmek için gerekli hale gelmiştir. Ve, boru ve kılıf şeritler bu kuyuların daha yüksek sıcaklık ve yüksek basınca maruz, Muhtemelen yüksek basınç / yüksek sıcaklık muhafaza yetmezliği ya da gaz sızmasını neden olacak (HPHT) kuyular. Bu nedenle, daha fazla dikkat dize bağlantılarını Çakma olan son years.1,2 içinde kuyu bütünlüğünün önemli faktör petrol ve gaz sektöründe bütünlüğünü kuyunun açılması için ödendi, Şiddetli ortamda hem yapısal hem de sızıntı bütünlük sağlamak için beklendiği. yükleme koşulları daha derin ilişkili olarak, Daha yüksek sıcaklık ve basınç gaz kuyusu, birçok operatör standart American Petroleum Institute kullanarak açık (API) prim bağlantıları bağlantıları.şekil 1 shows the casing of premium connections and its gas sealing mechanism. sızdırmazlık yüzeyi de bir metal-metal contalar olarak adlandırılır, sıkı geçme yoluyla temas basıncı sağlayan. Dahası, sızdırmazlık yüzeyi ile bir temas basıncı gaz kuyusu basıncından daha yüksektir, ve gövde bağlantıları gaz kaçağı efficiently.3,4 önlenebilmektedir

şekil 1. Gas sealing mechanism of premium connection.

Son yıllarda, Gaz sızdırmazlık bağlantısı bazı ekstra yüksek sıcaklık gaz kuyuda başarısız, Sızdırmazlık yüzeyi üzerinde tasarımı temas basıncı gaz basıncından daha yüksek olmasına rağmen. Güney Çin'de Deniz, 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. ancak, Gaz kaçağı problemi bazı kuyularda gaz üretiminin 2 yıl sonra saptanabilir, hangi gaz kuyuları beklenen ömrü çok daha azdır. Ekstra yüksek sıcaklıklarda, mahfaza bağlantılarının sızdırmazlık yüzeyi sünme suşu karşılaşacaklardır, hangi sızdırmazlık Yüzeyin temas basıncındaki azalmaya yol açacaktır. Temas basıncı gaz kuyusu basıncından daha düşük olduğunda, Gaz gövde bağlantısından sızıntı, hangi iyi gaz kullanım ömrünü azaltacaktır. ayrıca, Bu sürekli bir kılıf gaz basıncının getirecek, mahfaza çöküşü, veya iyi Vazgeçme, büyük ekonomik kayıplara neden. bu nedenle, kovan bağlantının malzemenin viskoelastikliğe çalışma ve sızdırmazlık yüzeyinde temas basıncının rahatlama öğrenmek için önemlidir, Yüksek sıcaklıklı gaz kuyularının araştırma ve geliştirme için yararlı olabilir ki.

kasa bağlantılarında Araştırma çalışmaları ağırlıklı olarak geçtiğimiz yıllarda iplik bağlantısı yapısı tasarımı ve güvenlik değerlendirmesinde üzerinde yoğunlaşmış bulunmaktadır. Analitik metod,6,7 finite element (FE) yöntemi,8,9 and experimental method10,11 were commonly adopted in the research works. Bazı araştırmacılar prim bağlantılarının sızdırmazlık mekanizması araştırdık,12,13 and some researchers developed high-performance premium connection in the high-temperature/high-pressure (HTHP) gaz well.14,15However, Bu araştırma çalışmaları tüm sabit halde yapılmaktadır, zaman değişiyor düşünmediğini. Ve, Yüksek sıcaklık gaz kuyusundan prim bağlantılarının sızdırmazlık mekanizması tam olarak araştırılmamıştır, mahfaza malzemesinin özellikle viskoelastik davranış.

Bu makalede, mahfaza malzemesinin bir sürünme deneyi olarak aynı gerilme, gerilme, ancak farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Ve sonra, mahfaza maddesi viskoelastik davranış incelenmiştir. ayrıca, WLF (William-Landel-Ferry) gövde malzemesi için denklem türetilmiştir. En sonunda, FE modeli mahfaza bağlantının sızdırmaz yüzeyin temas basıncının gevşeme incelemek için kullanılır, hangi yüksek sıcaklık gaz kuyuda ömrünü tahmin edebilirsiniz.

Deneysel malzeme testleri

Deneysel düzenek ve işlem

ISO göre 204:2009, Testin gerilim yöntemde metalik malzemelerin tek eksenli sünme testi, 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 şekil 2, sürünme deneyi cihazı fırın oluşmaktadır, Sıcaklık sensörü, deplasman senor, gerilim test cihazı, ve numune. The experiment principle is shown in şekil 2(b). numunenin alt sabittir, ve en yüklendiğinde. Deneysel sıcaklık fırın ve sıcaklık sensörü ile kontrol edilir. o esnada, Sürünme suşu yer değiştirme sensörü tarafından kaydedilir. The specimen casing material is P110T and its chemical composition is listed in Table 1. Metal sürünme deneyi olarak zaman alıcıdır, Sabit gerilim yükü bir küme deney 120 ° C sıcaklıkta gerçekleştirilmektedir, 200° C, ve 300 ° C, sırasıyla.

şekil 2. (bir) Sürünme deney cihazı ve (b) deneysel ilkesi.

Deneysel sonuç

tablo 2 shows the creep experimental conditions, olan 680 MPa sabit bir gerilme yükü içerir, Üç farklı sıcaklıklar, ve deneysel zaman alıcı. Dahası, yüklü çekme gerilimi P110T materyalin elastik sınırının altındadır. testte #1, Numune, 300 ° C'nin altında 570 saat deneyden sonra kırılmış, as shown in şekil 3. Bu numunenin kırılma Daraltma fenomenlerin ait olduğunu gösterir. ancak, daha düşük bir sıcaklıkta ve sürünme test 630 saat sonra, Numune kırığı yoktu. Bu, 300 ° C'de malzeme sürünme daha düşük sıcaklıklarda daha bariz olduğunu kanıtlar. The creep experiment results are shown in şekil 4. 300 ° C 'de baskı-zaman eğrisi bütün üç sürünme aşamadan oluşmaktadır: birincil, ikincil, ve üçüncül. Ve, Gerilme hızı zaman suşun oranı olarak tanımlanır. ilk aşamada, Gerilme hızı nispeten yüksektir, ancak zamanla yavaşlar. Sonra, Gerilme hızı, sonunda bir minimum değere ulaştığında ve ikinci aşamada bir sabit değer haline gelir, baskı-zaman eğrisi olarak, bu aşamada bir düz çizgidir. En sonunda, üçüncü aşamada, Gerilme hızı katlanarak numune kırılana dek zamanla artar, temel olarak örnek olarak fenomeni boyun neden olduğu. ancak, 120 ° C ile 200 ° C sürünme deneyi de numune için, Sadece iki aşamaları sırasında vardı 630 test saatleri: ilk aşama ve ikinci aşama.

şekil 4. Creep experiment results under different temperature.

Viskoelastik kurucu modeli

Bu makalede, kılıf malzemesi lineer viskoelastik olarak seçilir. 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 şekil 5. Wiechert modeli kullanarak, viskoelastik materyalin sünme ve gevşeme de tanımlanabilir, and this model could be represented by the relaxation modulus function E(t) as follows

E(t)=E+Σben=1nEbenexp(-ttben)E(t)= E∞ + Σi = 1nEiexp(-tτi)
(1)

where tbenτi is the relaxation time, Ebendeğil is the relaxation modulus, EE∞ is the equilibrium modulus, and n is the total number of Prony series terms. Denklem (1) represents the sum of a series of exponential terms and could be interpreted as a mechanical element model, Ayrıca Prony dizisi olarak da bilinen.

şekil 5. Wiechert material mode.

Bunu not et, from equation (1), if t = 0

E(0)=E0=E+ΣEbenE(0)= E0 = + E∞ ΣEi
(2)

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

E(t)=E+Σben=1nmbenE0exp(-ttben)E(t)= E∞ + Σi = 1nmiE0exp(-tτi)
(3)

where mben=Eben/E0mil = Ei / E0 is defined as Prony series parameter.

P110T malzeme karakterizasyonu

sürünme deneyi için olduğu gibi, Uygulama gerilim yükü bir sabittir, ve dinlenme modülü başka bir formda ile temsil edilebilir:

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] veya [t1,t2,t3,...][t1, t2, t3, ...]. So the relaxation modulus E(t) matris biçimindedir

E(t)=E0+Σben=1nmbenE0[1-exp([t]tben)]E(t)= E0 + Σi = 1nmiE0[1-exp([t]τi)]
(5)

Combining equation (4) with equation (5), Zaman ve zorlanma arasındaki ilişki kurulur, as shown in equation (6)

Σben=1nmbenE0[1-exp(-[t]tben)]=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.

Prony dizi işlevinin işlem karmaşıklığına gelince, MATLAB yazılımı Prony serisi parametreyi bulmak için uygulanır. 200 ° C, çevre sıcaklığı için, the Prony series parameter of the P110T casing material is listed in Table 3, aşağıdaki gibi ve gevşeme modülü denklemi elde edilebilir

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]

Hooke kanunu teorisine göre, the creep strain is the ratio of the constant tension stress to the relaxation modulus E(t). Dahası, the relationship curve of the creep strain versus time is plotted in şekil 6. Deneyde baskı-zaman eğrisi ile karşılaştırıldığında, 200 ° C 'de neden, as shown in şekil 6, Prony serisi modeli eğrisi sürünme deneysel verilerle iyi uyum, ki P110T malzemesinin kurucu modeli doğrulamak. bu nedenle, 120 ° C ve 300 ° C 'de muhafaza malzemesi P110T arasında Prony dizi denklem de aynı şekilde elde edilebilir, as shown in equations (8) ve (9), sırasıyla

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)

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

mahfaza maddesi termo reolojik davranışı

The relaxation modulus is temperature dependent.19,20 At lower temperatures, malzemenin gevşeme oranı çok yavaş, esnek bir davranış modellenebilecegi. Daha yüksek sıcaklıklarda, malzemenin gevşeme oranı çok daha hızlı olur, bu, saf viskoz davranış. gevşeme modülü, Prony dizi yöntem ile elde edilen, Üç farklı sıcaklıklarda bir günlük bir zaman ölçeğinde çizilir, as shown in şekil 7. Tüm araziler hemen hemen aynı şekle sahip ama sadece yatay olarak kaydırılır olduğu bulunabilir. Bu kaplama malzemesinin bir özelliğidir ve termo-reolojik davranış denir. iki eğri arasındaki yatay uzaklık ortalama, zirvede, Orta, ve alt, aT kaydırma faktörü olarak tanımlanmaktadır, birTaT, ve eğriler arasındaki ilişki aşağıdaki denklem ile tanımlanabilir

E(kütük(t),T)=E(kütük(t)-kütükbirT,T1)E(kütük(t),T)E =(kütük(t)-logαT,T1)
(10)

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

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

Denklem (10) can be rewritten as follows

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

The shift factor birTaT can be obtained by the WLF equation

kütükbirT=-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 şekil 6, ve referans sıcaklık olarak 200 ° C ayar, vardiya faktörleri, 200 ° C ila 120 ° C ve 300 ° ila 200 ° C C, arsa içinde ölçeklenebilir. WLF denklemi vites faktörleri ile değiştirilmesiyle, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. bu nedenle, kılıf malzemesi P110T için WLF denklemi olan

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

FE simülasyon ve uygulama

FE modeli

numune gerilim sünme testin sayısal simülasyon ticari FE yazılım AbaQus'ü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. kılıf malzemesi P110T sürünme deneyi yükleme baz alarak, FE mekanik modeli kurulmuştur, as shown in şekil 8. elastik özellikler, elastik modül ve Poisson oranı dahil olmak üzere, 1.99105 Mpa × ve 0.3, sırasıyla, ABAQUS tanımlandığı gibidir. dışında, viskoz özellikleri, gevşeme zamanı ve Prony serisi dahil, as shown in Table 3, Ayrıca ABAQUS tanımlandığı gibidir. Dahası, termo-reolojik basit (TRS) parametreler, C1 and C2, WLF denklemi ile elde edilen, Ayrıca bu simülasyonda dahildir, ve * analiz visko tipi viskoelastik davranış için uygulanmıştır.

şekil 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 şekil 9(bir)-(c), sırasıyla. sıcaklıkta 200 ° C, Simülasyon sonuçları da sürünme deneysel veri ile eşleşen. This is because temperature 200°C was set as reference temperature in equation (13). Ancak sıcaklıklar 120 ° C ile 300 ° C, termo-reolojik davranış, Deneysel ve simüle sonuçlar arasında küçük farklılıklar vardır, ve en büyük fark daha azdır 8%. Bu farkın nedeni, çünkü, FE analizi için, termo-reolojik parametreler simülasyon içine uygulanır, WLF denklemi elde edilir. WLF denklemde, 200 ° C referans sıcaklık olarak alınır, Böylece, içinde şekil 7, Kırmızı eğri mavi eğri ve siyah eğrisinin pozisyonuna kaydırılır. Ve, Yeni kaymış eğriler kılıf malzemenin ısıyla reolojik davranışı temsil eder ve WLF denklemi çözmek için kullanılır. kaymış eğriler Çünkü olmaz 100% Orijinal biriyle de maç, Deneysel sonuçlar elde edildiği, sapma deneysel ve simülasyon arasında var. Dahası, 200 ° C bir referans sıcaklık olarak alınır gibi, simülasyon sonucu diğerlerinden daha doğru, as shown in şekil 9. bu nedenle, Simülasyon sonuçları bu makalede viskoelastik teori ve TRler yönteminin geçerliliğini göstermek. ek olarak, FE modeli farklı mekanik ve termal koşullar altında gövde malzemesi P110T viskoelastik davranışı tahmin etmek için de kullanılabilir.

şekil 9. Comparison of experimental data and simulation result under different temperatures: (bir) 120° C, (b) 200° C, ve (c) 300° C.

sızdırmazlık yüzeyindeki İletişim basıncı

5.5 "SL-APOX ortak bağlantı türü geometrisine göre, sızdırmazlık yüzeyi, eksenel simetri FE modeli ABAQUS inşa edilmiş, as shown in şekil 10. İç duvar uygulanan gaz basıncı altında olan. Şekilde kırmızı çizgi sızdırmazlık yüzeyi temsil. Gaz basınç sızdırmazlık yüzeyi ile bir temas basıncı daha yüksek olması halinde, eklem bağlantı sızıntı olasılığı daha yüksektir olacak.

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

yüksek sıcaklık ortamında en, sızdırmazlık yüzeyi ile bir temas basıncı nedeniyle malzeme viskoelastisite zamanla azalacaktır. iç duvarına gaz basıncı 75 MPa olarak ayarlanır. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in şekil 11. Simülasyon sonuçları ilk ortalama temas basıncı 116 ile 160 ° C MPa ile 230 ° C olduğunu göstermektedir. Sonra, Ortalama pres basıncı zamanla azalır. Ortalama temas basıncı 76 MPa'ya damla. ayrıca, 230 ° C'de azalan basınç oranı, 160 ° C'lik bir ortamda olandan daha hızlı. 4000 saat içinde olduğu gösterilmiştir (166günler), Temas basıncı 230 ° C 'de 76 MPa düşer. ancak, daha düşük bir sıcaklık ortamında, o 9000 h alacak (375günler) 76 MPa düşmesi.

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

simülasyon sonucuna göre, ilk temas basıncı oranı ve finial temas basıncıdır 1.56, bu vasıtalar,, yüksek sıcaklık ortamında, sızdırmazlık yüzeyinde son temas basıncı neredeyse üçte bir oranında düşecek. güvenlik faktörü denklem göre

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 Emniyet değerlendirilmek üzere.

Sonuç

  1. Premium bağlantısının conta yüzeyi ile bir temas basıncı gevşeme yüksek sıcaklık, doğal gaz kuyusundan de muhafazanın gaz sızıntısı için ana sebebidir.

  2. yüksek sıcaklıklarda, sünme gerilimi deney gövde malzemesi P110T viskoelastik davranışı incelemek için kullanılmıştır. mahfaza malzemenin mekanik davranışının oldukça bağlıdır sıcaklıktır. daha yüksek bir sıcaklık ortamı, Daha hızlı sürünme oranıdır.

  3. kılıf malzemesi P110T için yapısal modeli sürünme deneysel verilerle elde edilmiştir, ve Prony dizi parametre hesaplanmıştır. termo-reolojik davranışı araştırıldı, 300 ° C ve 120 ° C arasında çevre sıcaklıkları arasındaki malzemenin kayması faktörleri elde edilir.

  4. Malzeme P110T için bir viskoelastik FE modeli kurulmuştur, ve simülasyon sonuçları deneysel verilerle iyi uyum.

  5. premium bağlantılı bir sızdırmazlık yüzeyinin FE modeli ABAQUS inşa edildi, ve temas basıncı gevşeme araştırılmıştır. Sızdırmazlık yüzeyindeki tasarımı temas basıncı yüksek sıcaklık doğalgaz kuyularında niyetinde gaz sızdırmazlık basıncı iki katı kadar olması gerektiğini tavsiye edilir.

Taşıma Editör: Michal Kuciej

çatışan çıkarlar Bildirgesi
Yazar(s) Araştırmaya göre herhangi bir çıkar çatışması beyan, yazarlık, Bu maddenin ve / veya yayın.

Referanslar

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, işleme toleransları, ve uygulanan yüklere. İçinde: 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. İçinde: Proceedings of the off shore technology conference Asia, Kuala Lumpur, Malezya, 22–25 March 2016, https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-26807-MS

Sugino, M, Yamaguchi, S, Ugai, S. VAM 21, yenilikçi, yüksek performanslı prim için bağlantı dişli BAKINIZ. Nippon Steel & Sumitomo Metal teknik rapor yok. 107, Şubat 2015, pp.10–17, http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107-03.pdf

Takano, J, Yamaguchi, M, Kunishige, 'H. yüksek sıkıştırma dayanabilecek için prim bağlantısı Gelişimi “KSBEAR”, Yüksek dış baskı, ve bükme sever. Kawasaki Steel teknik rapor yok. 47, 2002, http://www.jfe-steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47-014-022.pdf

Kim, J, rüzgâraltı, 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, GB, Schapery, RA. Methods of interconversion between linear viscoelastic material functions. Prony serisi göre Bölüm I-sayısal bir yöntem. 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

yoruma kapalı.