Involucro applicazione tubo in pozzi di gas ad alta temperatura

Proprietà di Acciaio zincato Tubo saldature

gennaio 4, 2019

Resistenza alla corrosione di API 5L Pipeline acciaio con rivestimento di protezione

gennaio 7, 2019

In anni recenti, con la diminuzione del numero di facilmente sfruttabili scavi petroliferi, si è reso necessario per i pozzi di petrolio e gas di andare più a fondo su entrambi sotterraneo e sottomarino. E, tubi e involucro stringhe sono sottoposti a temperatura più alta e più alta pressione in questi pozzetti, che probabilmente causare guasti involucro o perdite di gas in alta pressione / alta temperatura (HPHT) pozzi. Da qui, negli ultimi anni è stata prestata maggiore attenzione all'integrità dei pozzi nell'industria petrolifera e del gas.1,2 Il fattore chiave dell'integrità dei pozzi sono le connessioni delle stringhe dell'involucro, che dovrebbero fornire sia integrità strutturale e perdite in ambiente severo. Come condizioni di carico sono associate più profondo, pozzi di gas di temperatura e pressione elevate, molti operatori passati da utilizzare American Petroleum Institute di serie (API) collegamenti con le connessioni premium.Figura 1 mostra l'involucro delle connessioni premium e il suo meccanismo di tenuta del gas. La superficie di tenuta è anche chiamato metallo-metallo guarnizioni, che forniscono pressione di contatto attraverso l'accoppiamento con interferenza. Inoltre, la pressione di contatto sulla superficie di tenuta è superiore alla pressione del gas ben, e le connessioni involucro potrebbe impedire la perdita del gas efficiently.3,4

Figura 1. Meccanismo di tenuta del gas della connessione premium.

In anni recenti, la connessione di tenuta del gas non è riuscita in qualche extra-alta temperatura bene il gas, anche se la pressione di progettazione di contatto sulla superficie di tenuta è superiore alla pressione del gas. Nel sud della Cina Mare, la temperatura in alcuni pozzi di gas esplorativi può raggiungere i 240°C.5 Le connessioni premium ben progettate potrebbero sopportare gas ad alta pressione nel pozzo di fondo nella fase iniziale. tuttavia, il problema della dispersione del gas potrebbe essere rilevata dopo 2 anni di produzione di gas in alcuni pozzi, che è di gran lunga inferiore alla durata di vita prevista di pozzi di gas. Alle extra-alte temperature, la superficie di tenuta delle connessioni involucro sperimenterà da scorrimento, che porterà alla riduzione della pressione di contatto del superficie di tenuta. Quando la pressione di contatto è inferiore alla pressione del gas ben, il gas fuoriuscirà dalla connessione involucro, che ridurrà la durata di vita del gas ben. inoltre, porterebbe una pressione di gas involucro sostenuta, collasso involucro, o l'abbandono bene, provocando un enorme perdita economica. Perciò, è significativo per studiare la viscoelasticità del materiale della connessione carcassa e scoprire il rilassamento della pressione di contatto sulla superficie di tenuta, che potrebbe essere utile per l'esplorazione e lo sviluppo di pozzi di gas ad alta temperatura.

Studi di ricerca sui collegamenti involucro sono state opera nella progettazione e sicurezza valutazione filo struttura di collegamento negli anni passati. metodo analitico,6,7 elemento finito (FE) Metodo.,8,9 e metodo sperimentale10,11 sono stati comunemente adottati nei lavori di ricerca. Alcuni ricercatori hanno studiato il meccanismo di sigillatura dei giunti premium,12,13 e alcuni ricercatori hanno sviluppato una connessione premium ad alte prestazioni nell'alta temperatura/alta pressione (HTHP) well.14,15However gas, questi lavori di ricerca sono tutti condotti in stato stazionario, non considerando il tempo che cambia. E, il meccanismo di sigillatura dei giunti premium nel pozzo di gas ad alta temperatura non è stato completamente studiato, in particolare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro.

In questo articolo, un esperimento scorrimento del materiale di rivestimento è stata condotta a parità di sollecitazione tensione ma differenti temperature. E poi, il comportamento viscoelastico del materiale di involucro è studiato. inoltre, il WLF (William-Landel-Ferry) equazione per il materiale di involucro deriva. Finalmente, un modello FE viene utilizzato per studiare il rilassamento della pressione di contatto della superficie di tenuta del collegamento dell'involucro, che può prevedere la sua durata nel pozzo di gas ad alta temperatura.

prove materiali sperimentali

apparato sperimentale e procedura

Secondo la norma ISO 204:2009, uniassiale test scorrimento materiali metallici nel metodo di prova di tensione, gli esperimenti di scorrimento sono eseguiti a diverse alte temperature per stimare la proprietà meccanica di rilassamento del materiale in base alla teoria della viscoelasticità.16 Come mostrato in Figura 2, l'apparato esperimento scorrimento è composto da forno, termometro, spostamento senor, tester di tensione, e campioni. Il principio dell'esperimento è mostrato in Figura 2(b). La parte inferiore del campione è fissa, e la parte superiore è caricata. temperatura sperimentale è controllata dal sensore di temperatura del forno e. nel frattempo, il ceppo scorrimento viene registrata dal sensore di spostamento. Il materiale dell'involucro del campione è P110T e la sua composizione chimica è elencata in Tabella 1. Come l'esperimento di metallo scorrimento è in termini di tempo, una serie di prove di carico tensione costante vengono effettuate a 120 ° C, 200° C, e 300 ° C, rispettivamente.

Figura 2. (un) apparato esperimento Creep e (b) principio sperimentale.

risultato sperimentale

tavolo 2 mostra le condizioni sperimentali di scorrimento, che includono un carico di tensione costante di 680 MPa, tre temperature diverse, e che richiede tempo sperimentale. Inoltre, la tensione di trazione caricata è sotto il limite elastico del materiale P110T. nella prova #1, il campione è stato rotto dopo 570 h esperimento di sotto dei 300 ° C, Come mostrato in Figura 3. Essa mostra che la frattura del provino appartiene ai fenomeni necking. tuttavia, ad una temperatura inferiore e dopo 630 h di test scorrimento, il campione non ha frattura. Ciò dimostra che il comportamento di scorrimento materiale a 300 ° C è più evidente che a temperature più basse. I risultati dell'esperimento di scorrimento sono mostrati in Figura 4. La curva sforzo-tempo a 300 ° C è costituito da tutti e tre i livelli di creep: primario, secondario, e terziario. E, la velocità di deformazione è definito come il rapporto di tensione al momento. Nella fase primaria, la velocità di deformazione è relativamente elevato, ma rallenta con il tempo. Poi, la velocità di deformazione infine raggiunge un valore minimo e diventa una costante nella fase secondaria, come la curva sforzo-tempo è una linea retta, in questa fase. Finalmente, nella fase terziaria, la velocità di deformazione aumenta esponenzialmente con il tempo fino a quando le fratture campione, che è causata principalmente da necking fenomeni nel campione. tuttavia, per il campione a 120 ° C e 200 ° C esperimento scorrimento, c'erano solo due fasi durante la 630 ore di test: fase primaria e stadio secondario.

Figura 4. Risultati dell'esperimento di scorrimento a temperature diverse.

modello costitutivo viscoelastico

In questo articolo, il materiale di involucro è selezionato come viscoelastico lineare. Le relazioni costitutive possono essere espresse dal principio di sovrapposizione della viscoelasticità lineare e dall'uso della funzione di rilassamento e modulo di scorrimento.17,18 Partendo dal modello di Maxwell generalizzato e aggiungendo un altro termine primaverile si arriva a un modello noto come modello di Wiechert, secondo Figura 5. Utilizzando il modello Wiechert, lo scorrimento e il rilassamento del materiale viscoelastico potrebbe essere descritto bene, e questo modello potrebbe essere rappresentato dalla funzione del modulo di rilassamento E(t) come segue

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

(1)

dove $τ_{i}$ è il momento del relax, $E_{i}$ è il modulo di rilassamento, $E_{\infty}$ è il modulo di equilibrio, e n è il numero totale di termini della serie Prony. Equazione (1) rappresenta la somma di una serie di termini esponenziali e potrebbe essere interpretato come un modello di elemento meccanico, conosciuto anche come serie Prony.

Figura 5. Modalità materiale Wiechert.

Nota che, dall'equazione (1), se t = 0

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

(2)

dove E0 è il modulo di rilassamento istantaneo. E, equazione (1) può essere riscritto come segue

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

(3)

dove $m_{i} = E_{i} / E_{0}$ è definito come parametro della serie Prony.

Caratterizzazione materiale P110T

Per quanto riguarda l'esperimento scorrimento, il carico di trazione applicazione è una costante, e il modulo di rilassamento può essere rappresentato da un altro modulo

E (t) = \frac{σ}{[ε]}

(4)

dove $σ$ è il carico di tensione dell'applicazione; $[ε]$ è una matrice di deformazione per l'esperimento di scorrimento, $[ε_{1}, ε_{2}, ε_{3}, \dots]$ , corrispondente alla matrice del tempo dell'esperimento $[t]$ o $[t_{1}, t_{2}, t_{3}, \dots]$ . Quindi il modulo di rilassamento E(t) in forma matriciale è

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

(5)

Equazione combinata (4) con equazione (5), il rapporto tra il tempo e lo sforzo è stabilito, come mostrato nell'equazione (6)

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

(6)

Risolvendo l'equazione (6) con il metodo dell'equazione della matrice lineare e sostituendo la matrice temporale $[t]$ e la matrice di deformazione $[ε]$ utilizzando i dati sperimentali di creep, si può ottenere il parametro mi della serie Prony.

Per quanto riguarda la complessità di calcolo della funzione di serie Prony, il software MATLAB è applicata per trovare il parametro serie Prony. Per il 200 ° C temperatura ambiente, il parametro della serie Prony del materiale dell'involucro P110T è elencato nella tabella 3, e la sua equazione modulo di rilassamento può essere ottenuta come segue

\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}

Secondo la teoria legge di Hooke, la deformazione di scorrimento è il rapporto tra la tensione di tensione costante e il modulo di rilassamento E(t). Inoltre, viene tracciata la curva di relazione della deformazione di scorrimento rispetto al tempo Figura 6. Rispetto curva sforzo-tempo nell'esperimento provocare a 200 ° C, Come mostrato in Figura 6, la curva modello Prony serie adatta bene con i dati sperimentali scorrimento, che convalidano modello costitutivo del materiale P110T. Perciò, l'equazione serie Prony del P110T materiale di involucro a 120 ° C e 300 ° C possono essere anche derivati nello stesso modo, come mostrato nelle equazioni (8) e (9), rispettivamente

\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)

Figura 6. Dati sperimentali di creep e trazione della serie Prony rispetto a 200°C.

comportamento termo-reologico del materiale di involucro

Il modulo di rilassamento dipende dalla temperatura.19,20 A temperature più basse, velocità di rilassamento del materiale è molto lenta, che può essere modellato come un comportamento elastico. A temperature più elevate, velocità di rilassamento del materiale diventa molto più veloce, che è il comportamento viscoso puro. Il modulo di rilassamento, ottenuto con il metodo serie Prony, è tracciata su una scala temporale di registro sotto le tre diverse temperature, Come mostrato in Figura 7. Si può trovare che tutte le piazzole hanno quasi la stessa forma, ma sono spostati solo orizzontalmente. Questa è una proprietà del materiale di involucro e si chiama comportamento termomeccanico reologico. La media della distanza orizzontale tra due curve, in cima, mezzo, e in basso, è definito come fattore di spostamento, $α_{T}$ , e il rapporto tra le curve può essere descritto dalla seguente equazione

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

(10)

dove E(t, T) è il modulo di rilassamento alla temperatura T e al tempo t.

Figura 7. Comportamento termoreologico del materiale dell'involucro P110T.

Equazione (10) può essere riscritto come segue

E (t, T) = E (\frac{t}{α_{T}}, T_{1})

(11)

Il fattore di spostamento $α_{T}$ può essere ottenuto dall'equazione WLF

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

(12)

dove T è la temperatura alla quale viene calcolato il modulo di rilassamento, $T_{0}$ è la temperatura di riferimento. C1 e C2 sono costanti dell'equazione WLF.

Sulla base dei dati sperimentali di scorrimento e del metodo della serie Prony in Figura 6, e impostazione 200 ° C come temperatura di riferimento, i fattori spostamento, da 200 ° C a 120 ° C e 200 ° C a 300 ° C, può essere scalata nella trama. Sostituendo i fattori spostamento nell'equazione WLF, le costanti C1 e C2 possono essere risolte: C1 = 45,03 e C2 = 4640. Perciò, l'equazione WLF per il materiale di involucro è P110T

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

(13)

simulazione FE e la sua applicazione

il modello FE

La simulazione numerica della prova di trazione scorrimento del campione è stata effettuata utilizzando il software commerciale FE ABAQUS. Basandosi sul materiale di involucro P110T esperimento scorrimento loading, il modello meccanico FE è stato istituito, Come mostrato in Figura 8. Le proprietà elastiche, compresi modulo elastico e il rapporto di Poisson, 1.99× 105 MPa e 0.3, rispettivamente, sono definiti in ABAQUS. inoltre, le proprietà viscose, compreso il tempo di rilassamento e la serie Prony, come mostrato in Tabella 3, sono anche definiti in ABAQUS. Inoltre, la semplice termo-reologico (TRS) parametri, C1 e C2, ottenuto dall'equazione WLF, sono inclusi anche in questa simulazione, e * VISCO tipo di analisi è stata applicata per il comportamento viscoelastico.

Figura 8. Modello meccanico FE utilizzato per la simulazione del test di scorrimento in tensione.

Il confronto tra i dati sperimentali di scorrimento e i risultati della simulazione a tre diverse temperature è mostrato in Figura 9(un)–(c), rispettivamente. Alla temperatura di 200 ° C, il risultato della simulazione corrisponde bene i dati sperimentali di creep. Questo perché la temperatura 200°C è stata impostata come temperatura di riferimento nell'equazione (13). Ma per le temperature di 120 ° C e 300 ° C, il comportamento termo-reologico, ci sono piccole differenze tra sperimentale ei risultati simulati, e la più grande differenza è inferiore 8%. La ragione di questa differenza è dovuto al fatto che, per l'analisi FE, i parametri termo-reologici sono applicati nella simulazione, che è ottenuto dall'equazione WLF. Nell'equazione WLF, 200 ° C viene presa come temperatura di riferimento, così che, nel Figura 7, la curva rossa è spostata alla posizione della curva blu e curva nera. E, nuove curve spostate rappresentano il comportamento termo-reologico del materiale di rivestimento e viene utilizzato per risolvere l'equazione WLF. Poiché le curve spostato non può 100% abbinare bene con quello originale, che è ottenuto dai risultati sperimentali, esiste la deviazione tra sperimentale e simulazione. Inoltre, come 200 ° C viene presa come temperatura di riferimento, il risultato della simulazione è più preciso rispetto ad altri, Come mostrato in Figura 9. Perciò, i risultati della simulazione mostrano la validità della teoria viscoelastica e il metodo TRS in questo articolo. Inoltre, il modello FE può essere utilizzato per stimare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro P110T a diverse condizioni meccaniche e termiche.

Figura 9. Confronto di dati sperimentali e risultati di simulazione a diverse temperature: (un) 120° C, (b) 200° C, e (c) 300° C.

pressione di contatto sulla superficie di tenuta

In base alla geometria del 5,5 tipo di connessione comune "SL-apox, un modello FE simmetria assiale per la superficie di tenuta è stato costruito in ABAQUS, Come mostrato in Figura 10. La parete interna è sotto la pressione del gas applicata. La linea rossa in figura rappresenta la superficie di tenuta. Se la pressione del gas è superiore alla pressione di contatto sulla superficie di tenuta, la connessione congiunta sarà più probabile a perdere.

Figura 10. Modello agli elementi finiti della superficie di tenuta dalla connessione del giunto SL-APOX.

A alta temperatura ambiente, la pressione di contatto sulla superficie di tenuta diminuisce con il tempo a causa della viscoelasticità materiale. La pressione del gas sulla parete interna è impostato a 75 MPa. Viene mostrato il risultato della simulazione del rilassamento medio della pressione di contatto sulla superficie di tenuta rispetto al tempo Figura 11. I risultati della simulazione indicano che la pressione di contatto medio iniziale è 116 MPa a 160 ° C e 230 ° C. Poi, la pressione media di contatto diminuisce nel tempo. La pressione media di contatto scende a 76 MPa. inoltre, il tasso di diminuzione di pressione a 230 ° C è più veloce di quella a 160 ° C ambiente. Si dimostra che entro 4000 h (166giorni), la pressione di contatto scende a 76 MPa a 230 ° C. tuttavia, in un ambiente a temperatura più bassa, ci vorrà 9000 h (375giorni) a goccia a 76 MPa.

Figura 11. Rilassamento della pressione di contatto sulla superficie di tenuta variabile nel tempo.

Secondo il risultato della simulazione, il rapporto tra la pressione di contatto iniziale e la pressione di contatto è pinnacolo 1.56, che significa, ad alta temperatura ambiente, la pressione di contatto finale sulla superficie di tenuta scenderà di quasi un terzo. Sulla base l'equazione fattore di sicurezza

n = \frac{[σ]}{σ_{gp}}

(14)

dove n è il fattore di sicurezza, $[σ]$ è la pressione di contatto di progettazione, $σ_{gp}$ è la pressione del gas di tenuta prevista. Il fattore di sicurezza n deve essere maggiore di 2 per la considerazione di sicurezza.

Conclusione

Il rilassamento della pressione di contatto sulla superficie di tenuta della connessione premio è la ragione principale per la perdita di gas dal carter ad alta temperatura pozzo di gas naturale.
Alle alte temperature, esperimento tensione scorrimento è stato impiegato per studiare il comportamento viscoelastico del materiale di involucro P110T. Il comportamento meccanico del materiale di involucro è fortemente dipendente dalla temperatura. La temperatura ambiente è superiore, il tasso di scorrimento più veloce è.
Il modello costitutivo per il materiale di involucro P110T è stata derivata attraverso i dati sperimentali scorrimento, e il parametro serie Prony è stato calcolato. Il comportamento termo-reologico stato studiato anche, ei fattori di spostamento del materiale tra le temperature ambientali di 120 ° C e 300 ° C si ottengono.
Un modello FE viscoelastico per la P110T materiale è stato istituito, ed i risultati della simulazione si adattano bene con i dati sperimentali.
Il modello FE di una superficie di tenuta nei giunti premium stato costruito in ABAQUS, e il suo rilassamento pressione di contatto è stata studiata. Si raccomanda che la pressione di progettazione di contatto sulla superficie di tenuta dovrebbe essere due volte tanto quanto l'intenzione pressione di sigillatura gas nei pozzi di gas naturale ad alta temperatura.

Editor Handling: Michal Kuciej

Dichiarazione di interessi contrastanti
L'autore(S) dichiarato nessun potenziale conflitto di interessi per quanto riguarda la ricerca, paternità, e / o la pubblicazione di questo articolo.

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