O invólucro aplicação tubo em poços de gás de alta temperatura

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Nos últimos anos, com a diminuição do número de poços de petróleo e de gás facilmente exploráveis, tornou-se necessário para poços de petróleo e gás para ir mais fundo em ambos subterrânea e subaquática. E, tubagem e revestimento cordas são submetidos a uma temperatura superior e uma pressão mais elevada nesses poços, o que provavelmente iria causar falha invólucro ou fuga de gás no de alta pressão / alta temperatura (HPHT) poços. Portanto, mais atenção tem sido dada ao poço integridade na indústria de petróleo e gás nos últimos years.1,2 O fator chave de integridade do poço está invólucro conexões de cordas, que são esperados para proporcionar tanto a integridade estrutural e vazamento em ambiente severo. Conforme as condições de carga estão associados com mais profunda, poços de gás mais elevados de temperatura e pressão, muitos operadores mudaram de usar Institute norma American Petroleum (API) conexões para as conexões premium.Figura 1 mostra o invólucro de conexões premium e o seu mecanismo de vedação de gás. A superfície de vedação é também chamado de vedações de metal contra metal, que proporcionar a pressão de contacto através do ajuste de interferência. O que é mais, a pressão de contacto sobre a superfície de vedação é maior do que a pressão de gás bem, e as ligações de revestimento pode impedir as fugas de gás efficiently.3,4

Figura 1. mecanismo de vedação de gás de ligação prémio.

Nos últimos anos, a conexão de vedação de gás falhou em algum extra-e encontrei o acima poço de gás, Embora a pressão de contacto concepção sobre a superfície de vedação era mais elevada do que a pressão do gás. No Sul da China Mar, a temperatura em alguns poços exploratórios gás pode atingir até 240 ° C.5 As conexões premium bem concebidos podia suportar gás de alta pressão no fundo do poço, numa fase precoce. No entanto, o problema de fuga de gás pode ser detectada após 2 anos de produção de gás em alguns poços, que é muito menos do que a vida útil esperada de poços de gás. Nas extra-altas temperaturas, A superfície de vedação das ligações de invólucro vai experimentar estirpe fluência, que vai conduzir à redução da pressão de contacto da superfície de vedação. Quando a pressão de contacto é menor do que a pressão de gás bem, o gás irá vazar a partir da conexão invólucro, o que irá reduzir a vida útil do gás serviço bem. além disso, isso traria uma pressão de gás da embalagem sustentada, colapso invólucro, ou abandono bem, causando uma perda econômica enorme. Assim sendo, ela é significativa para estudar a viscoelasticidade de material do invólucro de ligação e descobrir o relaxamento da pressão de contacto sobre a superfície de vedação, que poderia ser útil para o desenvolvimento e exploração de poços de gás de alta temperatura.

Os estudos sobre as conexões da carcaça têm sido focados principalmente no design e segurança avaliação da estrutura conexão de rosca nos últimos anos. Método Analítico,6,7 elemento finito (FE) método,8,9 e method10,11 experimentais eram comumente adotada nos trabalhos de pesquisa. Alguns pesquisadores têm investigado o mecanismo de vedação das conexões premium,12,13 e alguns pesquisadores desenvolveram conexão premium de alta performance na alta temperatura / alta pressão (HTHP) well.14,15However gás, estes trabalhos de pesquisa são todos conduzidos no estado estacionário, não considerando o tempo de mudança. E, o mecanismo de vedação das ligações de prémio no poço de gás de alta temperatura ainda não foi completamente investigada, especialmente o comportamento visco-elástico do material de invólucro.

Neste artigo, Numa experiência de fluência do material de revestimento foi realizado sob a mesma tensão tensão mas diferentes temperaturas. E depois, o comportamento visco-elástico do material de revestimento é estudada. além disso, o WLF (William-Landel-Ferry) equação para o material de revestimento é derivado. Finalmente, um modelo de FEC é usado para estudar o relaxamento da pressão de contacto da superfície de vedação do invólucro de conexão, que pode prever a sua vida útil no poço de gás de alta temperatura.

ensaios de materiais experimentais

aparelho e procedimento experimental

De acordo com a norma ISO 204:2009, ensaio de fluência uniaxial materiais metálicos no método de teste de tensão, experiências de fluência são realizadas sob diferentes temperaturas elevadas para estimar o relaxamento das propriedades mecânicas de material com base na teoria de viscoelasticity.16 Como mostrado na Figura 2, o aparelho de ensaio de fluência é composto de forno, sensor de temperatura, senor deslocamento, teste de tensão, e espécime. O princípio da experiência é mostrado na Figura 2(b). A parte inferior da amostra é fixa, e o topo é carregado. temperatura experimental é controlado pelo sensor de forno e a temperatura. enquanto isso, a estirpe de fluência é registada pelo sensor de deslocamento. O material amostra de invólucro é P110T e a sua composição química é apresentado na Tabela 1. Como o experimento de metal fluência é demorado, um conjunto de ensaios de carga de tensão constante, são levadas a cabo a 120 ° C, 200° C, e 300 ° C, respectivamente.

Figura 2. (um) aparelho de experiência e fluência (b) princípio experimental.

resultado experimental

Mesa 2 mostra as condições experimentais de fluência, que incluem uma carga de tensão constante de 680 MPa, três temperaturas diferentes, e demorado experimental. Além disso, a tensão de tracção é colocado abaixo do limite elástico do material P110T. no teste #1, o espécime foi quebrado depois de 570 h expericia inferior a 300 ° C, como mostrado em Figura 3. Ele mostra que a fratura do espécime pertence aos fenômenos Estiramento. No entanto, a uma temperatura inferior e depois de 630 h de ensaio de fluência, a amostra não fracturar. Isto prova que o comportamento de fluência de material a 300 ° C é mais evidente do que a temperaturas mais baixas. Os resultados da experiência são mostrados na fluência Figura 4. A curva de tempo da estirpe no 300 ° C consiste em todas as três fases de fluência: primário, secundário, e terciária. E, a taxa de tensão é definida como a relação entre a deformação com o tempo. Na fase primária, a taxa de deformação é relativamente alta, mas diminui com o tempo. Então, a taxa de deformação, eventualmente, atinge um valor mínimo e torna-se uma constante na fase secundária, como a curva de tempo da estirpe é uma linha recta, nesta fase. Finalmente, na fase terciária, a taxa de deformação aumenta exponencialmente com o tempo até as fracturas espécime, que é causada principalmente por carícias fenômenos na amostra. No entanto, para a amostra a 120 ° C e experimento fluência 200 ° C, havia apenas duas fases durante o 630 horas de teste: primário e secundário fase.

Figura 4. os resultados da experiência de fluência sob temperatura diferente.

modelo constitutivo viscoelástico

Neste artigo, o material de revestimento é seleccionado como viscoelástica linear. As relações constitutivas pode ser expressa pelo princípio viscoelasticity superposição linear e o uso do relaxamento e os function.17,18 fluência módulo a partir do modelo Maxwell generalizado e adicionando mais um período da primavera leva a um modelo conhecido como modelo Wiechert, de acordo com Figura 5. Usando o modelo Wiechert, o deslizamento e a relaxação do material viscoelástico pode ser descrito bem, e este modelo pode ser representado pela função de relaxamento módulo E(t) do seguinte modo

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

(1)

Onde $τ_{i}$ é o tempo de relaxamento, $E_{i}$ é o módulo de relaxação, $E_{\infty}$ é o módulo de equilíbrio, e n é o número total de termos de séries Prony. Equação (1) representa a soma de uma série de termos exponenciais e poderia ser interpretado como um modelo de elementos mecânicos, também conhecido como série Prony.

Figura 5. Modo de material de Wiechert.

Observe que, a partir da equação (1), se t = 0

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

(2)

onde E0 é instantânea módulo de relaxação. E, equação (1) pode ser reescrita como se segue

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

(3)

Onde $m_{i} = E_{i} / E_{0}$ é definido como parâmetro série Prony.

caracterização dos materiais P110T

Tal como para a experiência de fluência, a carga de tensão de aplicação é uma constante, e o módulo de relaxação pode ser representado por outra forma

E (t) = \frac{σ}{[ε]}

(4)

Onde $σ$ é a carga de tensão de aplicação; $[ε]$ é uma matriz de estirpe para o experimento fluência, $[ε_{1}, ε_{2}, ε_{3}, \dots]$ , correspondente à matriz do tempo de experiência $[t]$ ou $[t_{1}, t_{2}, t_{3}, \dots]$ . Assim, o relaxamento módulo de E(t) sob a forma de matriz é

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

(5)

combinando a equação (4) com a equação (5), a relação entre o tempo e a estirpe é estabelecida, como se mostra na equação (6)

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

(6)

Pela equação resolvendo (6) pelo método da equação de matriz linear e substituindo a matriz de tempo $[t]$ e a matriz estirpe $[ε]$ utilizando os dados experimentais de fluência, o parâmetro série Prony mi podem ser obtidas.

Como para a complexidade computacional da função série Prony, o software MATLAB é aplicado para encontrar o parâmetro série Prony. Para a 200 ° C de temperatura ambiental, o parâmetro série Prony do material P110T invólucro está listado na Tabela 3, e a sua equação relaxamento módulo pode ser obtido como se 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}

De acordo com a teoria da lei Hooke, a estirpe deformação é a razão entre o esforço de tensão constante para o relaxamento módulo E(t). Além disso, a curva de relação entre a tensão de fluência em função do tempo está traçada na Figura 6. Em comparação com a curva de tensão-tempo no experimento resultar a 200 ° C, como mostrado em Figura 6, a curva modelo série Prony se encaixa bem com os dados experimentais de fluência, que validar o modelo constitutivo do material P110T. Assim sendo, a equação série Prony do P110T material de cobertura a 120 ° C e 300 ° C podem também ser derivados da mesma maneira, como se mostra nas equações (8) e (9), respectivamente

\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. Creep dados experimentais e à tracção da série Prony contra a 200 ° C.

comportamento Thermo-reológico de material de invólucro

O módulo de relaxação é a temperatura dependent.19,20 A temperaturas mais baixas, taxa de relaxação do material é muito lenta, que pode ser modelado como um comportamento elástico. A temperaturas mais altas, taxa de relaxação do material torna-se muito mais rápido, que é o comportamento viscoso puro. O módulo de relaxação, obtido pelo método de Prony série, é plotado em uma escala de tempo de registro sob os três diferentes temperaturas, como mostrado em Figura 7. Ele pode ser encontrado que todos os lotes têm quase a mesma forma, mas apenas são deslocadas horizontalmente. Esta é uma propriedade do material de revestimento e é chamado de comportamento termo-reológico. A média da distância horizontal entre duas curvas, no topo, meio, e inferior, é definida como factor de desvio, $α_{T}$ , e a relação entre as curvas pode ser descrita pela seguinte equação

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

(10)

onde E(t, T) é o módulo de relaxação à temperatura T e o tempo t.

Figura 7. comportamento reológico de Thermo-P110T material de invólucro.

Equação (10) pode ser reescrita como se segue

E (t, T) = E (\frac{t}{α_{T}}, T_{1})

(11)

O factor de desvio $α_{T}$ pode ser obtido pela equação WLF

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

(12)

em que T é a temperatura à qual o módulo de relaxação é calculado, $T_{0}$ é a temperatura de referência. C1 e C2 são as constantes da equação WLF.

Com base em dados experimentais e método de fluência em série Prony Figura 6, e definindo a 200 ° C como a temperatura de referência, os factores de desvio, a partir de 200 ° C a 120 ° C e 200 ° C a 300 ° C, pode ser escalado na trama. Substituindo-se os factores de desvio na equação WLF, as constantes de C1 e C2 pode ser resolvido: C1 = 45,03 e C2 = 4640. Assim sendo, a equação WLF para o material de revestimento é P110T

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

(13)

simulação FE e sua aplicação

modelo FE

A simulação computacional do teste de tensão de fluência espécime foi realizada utilizando o software comercial ABAQUS FE. Baseando-se no material de invólucro P110T experimento fluência carregamento, O modelo mecânico FE foi estabelecida, como mostrado em Figura 8. As propriedades elásticas, incluindo o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, 1.99× 105 MPa e 0.3, respectivamente, são definidos em ABAQUS. Além do mais, as propriedades viscosas, incluindo o tempo de relaxamento e séries Prony, como mostrado na Tabela 3, também são definidos em ABAQUS. O que é mais, o simples termo-reológico (TRS) parâmetros, C1 e C2, obtido pela equação WLF, Também estão incluídos nesta simulação, e * Tipo de VISCO de análise foi aplicado para o comportamento viscoelástico.

Figura 8. FE modelo mecânico utilizado para a simulação do teste de tensão de fluência.

A comparação entre os dados experimentais de fluência e os resultados da simulação em três temperaturas diferentes é mostrado na Figura 9(um)–(c), respectivamente. À temperatura de 200 ° C, o resultado da simulação coincide com os dados experimentais de fluência bem. Isto é devido a uma temperatura de 200 ° C, foi definido como a temperatura de referência na equação (13). Mas para as temperaturas de 120 ° C e 300 ° C, como comportamento termo-reológico, há pequenas diferenças entre o experimental e os resultados simulados, ea maior diferença é inferior a 8%. A razão para esta diferença é porque isso, para a análise FE, os parâmetros termo-reológico são aplicados na simulação, que é obtida a partir da equação WLF. Na equação WLF, a 200 ° C é considerada como a temperatura de referência, de modo a, em Figura 7, a curva de vermelho é deslocada para a posição da curva de azul e preto curva. E, as novas curvas desviadas representam o comportamento termo-reológico do material de revestimento e é utilizada para resolver a equação WLF. Porque as curvas deslocado não pode 100% combinar bem com o original, que é obtida pelos resultados experimentais, existe o desvio entre experimental e simulação. Além disso, como a 200 ° C é considerada como uma temperatura de referência, o resultado da simulação é mais preciso do que outros, como mostrado em Figura 9. Assim sendo, os resultados das simulações mostram a validade da teoria viscoelástico e método TRs neste artigo. além do que, além do mais, o modelo de FEC pode ser utilizado para estimar o comportamento viscoelástico da P110T material de cobertura em diferentes condições mecânicas e térmicas.

Figura 9. Comparação dos dados e simulação resultado experimental sob diferentes temperaturas: (um) 120° C, (b) 200° C, e (c) 300° C.

pressão de contacto sobre a superfície de vedação

Com base na geometria do "tipo de conexão conjunta 5.5 SL-APOX, um modelo FE simetria axial para a superfície de vedação, construído em ABAQUS, como mostrado em Figura 10. A parede interior está sob a pressão do gás aplicada. A linha vermelha na figura representa a superfície de vedação. Se a pressão do gás é maior do que a pressão de contacto sobre a superfície de vedação, a ligação conjunta serão mais propensos a vazar.

Figura 10. modelo de elementos finitos da superfície de vedação a partir da conexão conjunta SL-APOX.

Em alta-temperatura ambiente, a pressão de contacto sobre a superfície de vedação irá diminuir com o tempo, devido à viscoelasticidade de material. A pressão de gás na parede interna é definida como 75 MPa. O resultado da simulação do relaxamento da pressão de contacto média sobre a superfície de vedação em função do tempo é mostrado na Figura 11. Os resultados obtidos mostram que a pressão de contacto inicial médio é de 116 MPa, a 160 ° C e 230 ° C. Então, a pressão média contacto diminui com o tempo. A pressão média em contacto cai para 76 MPa. além disso, a taxa de diminuição da pressão a 230 ° C é mais rápida do que a que está em ambiente de 160 ° C. Mostra-se que, dentro de 4000 h (166dias), a pressão de contacto cai para 76 MPa a 230 ° C. No entanto, a uma temperatura ambiente inferior, vai demorar 9000 h (375dias) cair para 76 MPa.

Figura 11. Relaxamento da pressão de contacto sobre a superfície de vedação variando com o tempo.

De acordo com o resultado da simulação, a razão entre a pressão de contacto inicial e a pressão de contacto é de remate 1.56, que significa, a alta-temperatura ambiente, a pressão de contacto final sobre a superfície de vedação vai cair por quase um terço. Com base na equação de fator de segurança

n = \frac{[σ]}{σ_{gp}}

(14)

onde n é o coeficiente de segurança, $[σ]$ é a pressão de contato concepção, $σ_{gp}$ representa a pressão de gás de vedação pretendendo. O fator de segurança n deve ser superior a 2 para a consideração de segurança.

Conclusão

O relaxamento da pressão de contacto sobre a superfície de vedação da ligação prémio é a principal razão para a fuga de gás a partir do invólucro a alta temperatura do gás natural bem.
A altas temperaturas, experimento tensão fluência foi utilizado para estudar o comportamento visco-elástico do material de revestimento P110T. O comportamento mecânico do material de revestimento é fortemente dependente da temperatura. Quanto mais elevada for a temperatura ambiente é, mais rápida a taxa de fluência é.
O modelo constitutivo para a P110T material de empacotamento foi derivada através de dados experimentais fluência, eo parâmetro série Prony foi calculado. O comportamento termo-reológico também foi investigada, e os factores de desvio do material entre as temperaturas ambientais de 120 ° C a 300 ° C são obtidos.
Um modelo FE viscoelástico para a P110T material foi estabelecida, e os resultados da simulação encaixar bem com os dados experimentais.
O modelo de FEC de uma superfície de vedação nas conexões premium foi construído em ABAQUS, e o seu relaxamento da pressão de contacto foi investigada. Recomenda-se que a pressão de contacto concepção sobre a superfície de vedação deve ser duas vezes, tanto quanto a pressão de vedação de gás com a intenção em poços de gás natural de alta temperatura.

editor de manipulação: Michal Kuciej

Declaração de interesses conflitantes
O autor(s) declarou não ter conflitos de interesse em potencial com relação à pesquisa, autoria, e / ou publicação deste artigo.

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