demande de tuyau enveloppe dans des puits de gaz à haute température

Propriétés de tuyaux en acier galvanisé Soudures

janvier 4, 2019

Résistance à la corrosion de l'API 5L Pipeline en acier avec protection de revêtement

janvier 7, 2019

Dans les années récentes, avec la diminution du nombre de puits de pétrole et de gaz facilement exploitables, il est devenu nécessaire pour les puits de pétrole et de gaz pour aller plus loin à la fois souterrain et sous-marin. Et, tubage et cordes boîtier sont soumises à une température plus élevée et une pression plus élevée dans ces puits, ce qui serait probablement entraîner une défaillance du boîtier ou une fuite de gaz dans la haute pression / haute température (HPHT) puits. C’est pourquoi, plus d'attention a été accordée à l'intégrité dans l'industrie puits de forage pétrolier et gazier dans ans1,2 récent Le facteur clé de l'intégrité du boîtier est des connexions puits de chaîne, qui devraient fournir à la fois l'intégrité structurelle et une fuite dans un environnement sévère. Les conditions de chargement sont associées à plus profondes, supérieur puits de gaz température et de pression, de nombreux opérateurs sont passés de l'utilisation norme American Petroleum Institute (API) connexions aux connexions premium.Chiffre 1 montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz. La surface d'étanchéité est également appelé joints d'étanchéité métal-métal, qui fournissent une pression de contact par l'intermédiaire du joint à ajustement serré. De plus, la pression de contact sur la surface d'étanchéité est supérieure à la pression de puits de gaz, et les connexions de boîtier peuvent empêcher les efficiently.3,4 de fuite de gaz

Chiffre 1. montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz.

Dans les années récentes, La connexion d’étanchéité au gaz a échoué dans un délai supplémentaire-haute température Puits de gaz, bien que la pression de contact de conception sur la surface d'étanchéité est supérieure à la pression de gaz. Dans la Chine du Sud Mer, montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz. toutefois, le problème de fuite de gaz pourrait être détectée après 2 années de production de gaz dans certains puits, qui est beaucoup moins que la durée de vie prévue des puits de gaz. Aux températures extra-haute, la surface d'étanchéité de connexions de boîtier connaîtra souche fluage, ce qui conduira à la réduction de la pression de contact de la surface d'étanchéité. Lorsque la pression de contact est inférieure à la pression de puits de gaz, le gaz de fuite à partir de la connexion du boîtier, ce qui permettra de réduire la durée de vie du gaz bien. en outre, il apporterait une pression de gaz de boîtier durable, effondrement de boîtier, ou abandon de puits, provoquant une énorme perte économique. Donc, il est important d'étudier la viscoélasticité du matériau de la connexion du boîtier et découvrir la détente de pression de contact sur la surface d'étanchéité, ce qui pourrait être utile pour l'exploration et le développement des puits de gaz à haute température.

Les études de recherche sur les connexions du boîtier ont été principalement axées sur l'évaluation de la conception et de la sécurité de la structure de connexion de fil au cours des dernières années. Méthode analytique,6,7 montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz (FE) méthode,8,9 montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz. Certains chercheurs ont étudié le mécanisme d'étanchéité des connexions premium,12,13 montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz (HTHP) well.14,15However de gaz, ces travaux de recherche sont menées tous dans l'état d'équilibre, sans tenir compte du temps de changement. Et, le mécanisme d'étanchéité des connexions premium dans le puits de gaz à haute température n'a pas été complètement étudiée, en particulier le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe.

Dans cet article, une expérience de fluage du matériau d'enveloppe a été effectuée sous la même contrainte de traction, mais des températures différentes. Et alors, le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe est étudiée. en outre, la WLF (William-Landel-Ferry) équation de la matière d'enveloppe est dérivée. finalement, un modèle FE est utilisé pour étudier la relaxation de la pression de contact de la surface d'étanchéité de la connexion du boîtier, qui peut prédire sa durée de vie dans le puits de gaz à haute température.

essais de matériaux expérimentaux

Dispositif expérimental et procédure

Selon ISO 204:2009, essai de fluage uniaxial de matériaux métalliques dans la méthode d'essai de tension, montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz Chiffre 2, l'appareil d'essai de fluage est composé de four, capteur de température, déplacement senor, montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz, et spécimen. montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz Chiffre 2(b). Le fond de l'échantillon est fixe, et la partie supérieure est chargé. température expérimentale est contrôlée par le capteur et la température du four. entre-temps, la contrainte de fluage est enregistrée par le capteur de déplacement. montre le boîtier des connexions premium et son mécanisme d'étanchéité au gaz 1. Comme l'expérience de fluage métallique est du temps, un ensemble de tests de charge de tension constante est effectuée à 120 ° C, 200° C, et 300 ° C, respectivement.

Chiffre 2. (une) Appareil d'expérimentation et Creep (b) principe expérimental.

résultat expérimental

Table 2 montre les conditions expérimentales de fluage, qui comprennent une charge de tension constante de 680 MPa, trois températures différentes, et prend beaucoup de temps expérimental. En outre, la contrainte de traction chargé est inférieure à la limite élastique du matériau de P110T. dans l'essai #1, l'échantillon a été cassé après 570 h sous test 300 ° C, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 3. Elle montre que la fracture de l'échantillon appartient aux phénomènes de striction. toutefois, à une température inférieure et après 630 h d'essai de fluage, l'échantillon n'a pas fracture. Cela prouve que le comportement au fluage matériau à 300 ° C est plus évident que des températures plus basses. montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 4. La courbe en temps de déformation à 300 ° C est constitué de l'ensemble des trois étapes de fluage: primaire, secondaire, et tertiaire. Et, le taux de déformation est défini comme le rapport de la déformation à la fois. Dans le stade primaire, la vitesse de déformation est relativement élevée, mais ralentit avec le temps. alors, la vitesse de déformation atteint finalement une valeur minimale et devient une constante à l'étage secondaire, que la courbe en temps de déformation est une ligne droite, à ce stade. finalement, dans le stade tertiaire, la vitesse de déformation augmente de façon exponentielle avec le temps jusqu'à ce que les fractures d'échantillons, qui est principalement causée par striction phénomènes dans l'échantillon. toutefois, pour l'échantillon à 120 ° C et l'expérience de fluage à 200 ° C, il n'y avait que deux étapes au cours de la 630 heures d'essai: stade primaire et secondaire stade.

Chiffre 4. montre les conditions expérimentales de fluage.

modèle constitutif viscoélastiques

Dans cet article, le matériau d'enveloppe est choisie comme viscoélastique linéaire. montre les conditions expérimentales de fluage, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 5. En utilisant le modèle Wiechert, le fluage et la relaxation des matériaux viscoélastiques pourrait être décrit bien, montre les conditions expérimentales de fluage(t) comme suit

E (t) = E_{\infty} + \sum_{i = 1}^{n} E_{i} \exp (\frac{- t}{τ_{i}})

(1)

montre les conditions expérimentales de fluage $τ_{i}$ montre les conditions expérimentales de fluage, $E_{i}$ montre les conditions expérimentales de fluage, $E_{\infty}$ montre les conditions expérimentales de fluage, montre les conditions expérimentales de fluage. Équation (1) montre les conditions expérimentales de fluage, également connu sous le nom série Prony.

Chiffre 5. montre les conditions expérimentales de fluage.

Notez que, montre les conditions expérimentales de fluage (1), montre les conditions expérimentales de fluage

E (0) = E_{0} = E_{\infty} + \sum E_{i}

(2)

où E0 est le module de relaxation instantané. Et, où E0 est le module de relaxation instantané (1) où E0 est le module de relaxation instantané

E (t) = E_{\infty} + \sum_{i = 1}^{n} m_{i} E_{0} \exp (\frac{- t}{τ_{i}})

(3)

montre les conditions expérimentales de fluage $m_{i} = E_{i} / E_{0}$ où E0 est le module de relaxation instantané.

la caractérisation des matériaux de P110T

Quant à l'expérience de fluage, la charge de tension d'application est une constante, et le module de relaxation peut être représenté par une autre forme

E (t) = \frac{σ}{[ε]}

(4)

montre les conditions expérimentales de fluage $σ$ où E0 est le module de relaxation instantané; $[ε]$ où E0 est le module de relaxation instantané, $[ε_{1}, ε_{2}, ε_{3}, \dots]$ , où E0 est le module de relaxation instantané $[t]$ ou $[t_{1}, t_{2}, t_{3}, \dots]$ . où E0 est le module de relaxation instantané(t) sous la forme de matrice est

E (t) = E_{0} + \sum_{i = 1}^{n} m_{i} E_{0} [1 - \exp (\frac{[t]}{τ_{i}})]

(5)

où E0 est le module de relaxation instantané (4) où E0 est le module de relaxation instantané (5), la relation entre le temps et la déformation est établie, où E0 est le module de relaxation instantané (6)

\sum_{i = 1}^{n} m_{i} E_{0} [1 - \exp (- \frac{[t]}{τ_{i}})] = E_{0} - \frac{σ}{[ε]}

(6)

où E0 est le module de relaxation instantané (6) où E0 est le module de relaxation instantané $[t]$ où E0 est le module de relaxation instantané $[ε]$ où E0 est le module de relaxation instantané, où E0 est le module de relaxation instantané.

En ce qui concerne la complexité de calcul de la fonction de série Prony, le logiciel Matlab est appliqué pour trouver le paramètre série Prony. Pour la température ambiante à 200 ° C, où E0 est le module de relaxation instantané 3, et son équation de module de relaxation peut être obtenu de la manière suivante

\begin{matrix} E (t) = 79, 827 + 61, 991 [1 - e^{\frac{- t}{10}}] \\ + 7367 [1 - e^{\frac{- t}{100}}] + 49, 615 [1 - e^{\frac{- t}{1000}}] \end{matrix}

Selon la théorie du droit Hooke, où E0 est le module de relaxation instantané(t). En outre, où E0 est le module de relaxation instantané Chiffre 6. Par rapport à la courbe de contrainte-temps dans l'expérience aboutir à 200 ° C, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 6, la courbe de modèle de série Prony cadre bien avec les données expérimentales de fluage, qui valident le modèle constitutif du matériau de P110T. Donc, l'équation de la série Prony du matériau d'enveloppe P110T à 120 ° C et 300 ° C peut également être dérivée de la même manière, où E0 est le module de relaxation instantané (8) et (9), respectivement

\begin{matrix} E (t) = 125, 986 + 875 [1 - e^{- t}] + 43, 314 [1 - e^{\frac{- t}{12}}] \\ + 2956 [1 - e^{\frac{- t}{100}}] + 38, 942 [1 - e^{\frac{- t}{1000}}] \end{matrix}

(8)

\begin{matrix} E (t) = 53, 560 + 66, 362 [1 - e^{\frac{- t}{5}}] + 6985 [1 - e^{\frac{- t}{10}}] \\ + 4802 [1 - e^{\frac{- t}{200}}] + 30, 015 [1 - e^{\frac{- t}{800}}] \end{matrix}

(9)

Chiffre 6. Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C.

Comportement thermo-rhéologique du matériau d'enveloppe

Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C, le taux de relaxation de matériau est très lent, qui peut être modélisé comme un comportement élastique. A des températures plus élevées, le taux de relaxation de matériau devient beaucoup plus rapide, ce qui est le comportement visqueux pur. Le module de relaxation, obtenu par la méthode de Prony série, est tracée sur une échelle de temps de journal dans les trois températures différentes, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 7. Il peut être constaté que toutes les parcelles ont presque la même forme mais sont décalées horizontalement. Ceci est une propriété du matériau du boîtier et est appelé comportement thermo-rhéologique. La moyenne de la distance horizontale entre les deux courbes, au sommet, moyen, et en bas, est défini comme facteur de décalage, $α_{T}$ , et la relation entre les courbes peut être décrite par l'équation suivante

E (\log (t), T) = E (\log (t) - \log α_{T}, T_{1})

(10)

Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C(t, T) Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C.

Chiffre 7. Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C.

Équation (10) où E0 est le module de relaxation instantané

E (t, T) = E (\frac{t}{α_{T}}, T_{1})

(11)

Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C $α_{T}$ Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C

\log α_{T} = - \frac{C_{1} (T - T_{0})}{C_{2} + (T - T_{0})}

(12)

Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C, $T_{0}$ Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C. Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C.

Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C Chiffre 6, et réglage 200 ° C comme température de référence, les facteurs de décalage, à partir de 200 ° C à 120 ° C et 200 ° C à 300 ° C, peut être mis à l'échelle dans l'intrigue. En remplaçant les facteurs de décalage de l'équation WLF, Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C: Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C. Donc, l'équation WLF pour le matériau d'enveloppe est P110T

\log α_{T} = - \frac{45.03 (T - 200)}{4640 + (T - 200)}

(13)

simulation et son application FE

FE modèle

La simulation numérique de l'essai de fluage de tension échantillon a été réalisée à l'aide du logiciel FE commercial ABAQUS. Se basant sur le matériau d'enveloppe P110T fluage expérience chargement, le modèle mécanique FE a été établi, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 8. Les propriétés élastiques, y compris le module d'élasticité et le coefficient de Poisson, 1.99× 105 MPa et 0.3, respectivement, sont définis dans ABAQUS. D’ailleurs, les propriétés visqueuses, y compris le temps de relaxation et de la série Prony, Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C 3, sont également définis dans ABAQUS. De plus, le simple thermo-rhéologique (TRS) paramètres, Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C, obtenu par l'équation WLF, sont également inclus dans cette simulation, et * type d'analyse Visco a été appliquée pour le comportement viscoélastiques.

Chiffre 8. Données expérimentales de fluage et traction série de Prony versus à 200°C.

La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans Chiffre 9(une)–(c), respectivement. A la température de 200 ° C, le résultat de la simulation correspond bien aux données expérimentales de fluage. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans (13). Mais pour les températures de 120 ° C et 300 ° C, comme comportement thermo-rhéologique, il existe de petites différences entre l'expérimental et les résultats simulés, et la plus grande différence est inférieure à 8%. La raison de cette différence est parce que, pour l'analyse FE, les paramètres thermo-rhéologique sont appliqués dans la simulation, qui est obtenu à partir de l'équation WLF. Dans l'équation WLF, 200 ° C est prise comme température de référence, pour que, dans Chiffre 7, la courbe rouge est déplacé vers la position de la courbe bleu et noir courbe. Et, les nouvelles courbes décalées représentent le comportement thermo-rhéologique du matériau d'enveloppe et est utilisé pour résoudre l'équation de WLF. Parce que les courbes décalées ne peut pas 100% correspondent bien avec l'original, qui est obtenu par les résultats expérimentaux, l'écart existant entre expérimentale et simulation. En outre, que la prise de 200 ° C comme température de référence, le résultat de la simulation est plus précis que d'autres, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 9. Donc, les résultats de la simulation montrent la validité de la théorie de viscoélastiques et méthode TRs dans cet article. en outre, le modèle FE peut être utilisé pour estimer le comportement viscoélastique du P110T de matériau d'enveloppe à différentes conditions mécaniques et thermiques.

Chiffre 9. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans: (une) 120° C, (b) 200° C, et (c) 300° C.

La pression de contact sur la surface d'étanchéité

Sur la base de la géométrie de 5.5 "type de connexion commune SL-APOX, un modèle de symétrie axial FE pour la surface d'étanchéité a été construit en ABAQUS, montre les conditions expérimentales de fluage Chiffre 10. La paroi interne est sous la pression de gaz appliquée. La ligne rouge sur la figure représente la surface d'étanchéité. Si la pression du gaz est supérieure à la pression de contact sur la surface d'étanchéité, la connexion commune sera plus susceptible de fuir.

Chiffre 10. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans.

A l'environnement à haute température, la pression de contact sur la surface d'étanchéité diminue avec le temps en raison de la viscoélasticité matériau. La pression du gaz sur la paroi interne est réglée à 75 MPa. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans Chiffre 11. Les résultats de simulation montrent que la pression de contact moyenne initiale est de 116 MPa à 160 ° C et 230 ° C. alors, la pression de contact moyenne diminue avec le temps. La pression de contact moyenne chute à 76 MPa. en outre, le taux de diminution de la pression à 230 ° C est plus rapide que celle de l'environnement 160 ° C. Il est montré que dans les 4000 h (166journées), la pression de contact tombe à 76 MPa à 230 ° C. toutefois, dans un environnement à plus basse température, il faudra 9000 h (375journées) à déposer à 76 MPa.

Chiffre 11. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans.

Selon le résultat de la simulation, le rapport de la pression de contact initiale et la pression de contact est faîteau 1.56, ce qui signifie, à l'environnement à haute température, la pression de contact final sur la surface d'étanchéité baissera de près d'un tiers. Sur la base de l'équation du facteur de sécurité

n = \frac{[σ]}{σ_{gp}}

(14)

La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans, $[σ]$ La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans, $σ_{gp}$ La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans. La comparaison entre les données expérimentales de fluage et les résultats de simulation à trois températures différentes est présentée dans 2 pour l'examen de la sécurité.

Conclusion

Le relâchement de la pression de contact sur la surface d'étanchéité de la connexion de prime est la principale raison de la fuite de gaz à partir du boîtier à haute température et de gaz naturel.
A des températures élevées, essai de tension de fluage a été utilisée pour étudier le comportement viscoélastique du matériau d'enveloppe P110T. Le comportement mécanique du matériau de l'enveloppe est fortement dépendante de la température. Le milieu de la température est plus élevée, plus le taux de fluage est.
Le modèle de comportement pour le matériau d'enveloppe P110T a été dérivée par l'intermédiaire des données expérimentales fluage, et le paramètre de Prony série a été calculée. Le comportement thermo-rhéologique a également été étudiée, et les facteurs de décalage de la matière entre les températures ambiantes de 120 ° C à 300 ° C sont obtenues.
Un modèle FE viscoélastique pour la P110T de matière a été établie, et les résultats de simulation cadrent bien avec les données expérimentales.
Le modèle FE d'une surface d'étanchéité dans les connexions premium a été construit en ABAQUS, et sa détente de pression de contact a été étudiée. Il est recommandé que la pression de contact de conception sur la surface d'étanchéité doit être deux fois plus que la pression d'étanchéité de gaz à l'intention de température élevée puits de gaz naturel.

Editeur de manutention: Michal Kuciej

Déclaration d'intérêts contradictoires
L'auteur(s) a déclaré aucun conflit d'intérêts potentiel par rapport à la recherche, paternité, et / ou de la publication de cet article.

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