在高温气体井套管应用

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在高温气体井套管应用

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    近年来，随着数量的减少容易开采的石油和天然气井，它为石油和天然气井去更深的地下和水下成为必要。和，油管和套管串经受更高的温度和更高的压力在这些孔中，这将很可能导致在高压/高温（HPHT）井套管损坏或气体泄漏。因此，越来越受到人们的重视，以在石油和天然气行业井筒完整性近years.1,2井筒完整性的关键因素是套管柱连接，这预计可提供恶劣环境下结构和泄漏完整性。作为负载条件与更深，更高的温度和压力气体的井相关联的，很多运营商使用的溢价连接标准美国石油学会（API）的连接进行切换。图1显示收费的连接和它的气体密封机构的外壳。所述密封面也被称为金属对金属的密封件，其提供通过所述干涉配合的接触压力。乐动app下载安装更重要的是，密封表面上的接触压力比气乐动app下载安装井压力高，与壳体连接可以防止气体泄漏efficiently.3,4

    图1.气体密封溢价连接的机制。

    近年来，气体密封连接一些额外的高温气体中未能很好，但对密封面设计的接触压力比气体压力高。乐动app下载安装在南中国海在一些试探气井的温度可高达240℃C.5精心设计的高档连接可能在早期阶段井下承受高压气体。However, the gas leakage problem could be detected after 2 years of gas production in some wells, which is far less than the expected service life of gas wells. At the extra-high temperatures, the sealing surface of casing connections will experience creep strain, which will lead to the reduction in the sealing surface’s contact pressure. When the contact pressure is lower than the gas well pressure, the gas will leak from the casing connection, which will reduce the service life of the gas well. Furthermore, it would bring a sustained casing gas pressure, casing collapse, or abandonment well, causing a huge economic loss. Therefore, it is significant to study the viscoelasticity of the casing connection’s material and find out the relaxation of contact pressure on sealing surface, which could be helpful for the exploration and development of high-temperature gas wells.

    在壳体连接的研究都主要集中在螺纹连接结构设计和安全评价，在过去几年。分析方法，6,7有限元（FE）方法，8,9和实验method10,11的研究作品被普遍采用。一些研究人员调查了优质的连接，12,13的密封机构和一些研究人员开发了高温/高压高性能溢价连接（高温高压）气体well.14,15However，这些研究工作都在开展稳定状态，不考虑时间的变化。而且，高温气体在高档的连接的密封机构以及尚未完全研究，尤其是在外壳材料的粘弹性行为。

    在本文中，壳材料的蠕变试验相同的张力应力，但在不同温度下进行的。然后，壳体材料的粘弹行为进行了研究。此外，对于外壳材料的WLF（威廉-Landel的-码头）方程。最后，有限元模型用于研究密封壳体连接，这可以预测其寿命的高温气体在孔的表面的接触压力的松弛。乐动app下载安装

    实验材料测试

    实验装置和步骤

    根据ISO 204：2009，在测试的张力方法的金属材料单轴蠕变试验，蠕变实验不同的高温下进行的估计的基础上viscoelasticity.16理论材料松弛的机械性能如在所示图2时，蠕变实验装置是由炉，温度传感器，位移SENOR，张力测试仪，和标本。实验原理所示图2（b）。试样的底部是固定的，并且顶部被加载。实验温度是通过烘箱和温度传感器来控制。同时，蠕变应变由位移传感器记录。试样外壳材料是P110T，其化学组成列于表1中列出作为金属蠕变实验费时，一组恒定的张力载荷试验在120℃，200℃下进行，并且300℃，分别。

    图2的（a）蠕变实验装置和（b）的实验原理。

    实验结果

    Ťable 2 shows the creep experimental conditions, which include a constant tension load of 680 MPa, three different temperatures, and consuming experimental time. Moreover, the loaded tensile stress is under the elastic limit of the P110T material. In test #1, the specimen was broken after 570 h experiment under 300°C, as shown in图3。它表明，试样的断裂属于颈缩现象。However, at a lower temperature and after 630 h of creep testing, the specimen did not fracture. It proves that the material creep behavior at 300°C is more obvious than at lower temperatures. The creep experiment results are shown in图4。在300℃下的应变 - 时间曲线包括整机3个蠕变阶段组成：伯，仲和叔胺。并且，应变速率定义为应变与时间的比值。在初级阶段，应变率比较高，但随着时间减慢。然后，应变率最终达到最小值，并成为在次级阶段恒定的，作为应变 - 时间曲线是在该阶段的直线。最后，在第三阶段中，应变速率呈指数随时间增加直到试样断裂，这主要是由在试样的颈缩现象。然而，对于在120℃和200℃下的蠕变试验试样，有在630小时的测试仅仅两个阶段：初级阶段和第二阶段。

    图4.蠕变不同温度下的实验结果。

    黏弹性模型

    在本文中，外壳材料被选择为线性粘弹性。本构关系可通过线性粘弹性叠加原理和使用松弛和蠕变模量function.17,18从广义Maxwell模型开始，增加一个多个弹簧术语导致称为维谢尔模型的模型来表示，根据图5。使用维谢尔模型，蠕变和粘弹性材料的松弛可以很好地描述，并且该模型可以由松弛模量函数E（t）的表示如下

    E(t)=E∞+∑i=1nEiexp(−tτi)">Ë（Ť）=Ë∞+Σ一世=1ñË一世EXP（-Ťτ一世）E（T）=E∞+ΣI= 1nEiexp（-tτi）
    		（1）

    哪里τi">τ一世τi是弛豫时间，Ei">Ë一世荣是松弛模量，E∞">Ë∞E∞是平衡模量，和n是普罗尼级数项的总数。等式（1）表示一系列指数项的总和和可以被解释为一机械元件模型，也称为普罗尼系列。

    图5.维谢尔材料模式。

    Note that, from equation (1), if t = 0

    E(0)=E0=E∞+∑Ei">Ë（0）=Ë0=Ë∞+ΣË一世E（0）= E 0 = +E∞ΣEi
    		（2）

    其中E0是瞬时的松弛模量。而且，等式（1）可以如下重写

    E(t)=E∞+∑i=1nmiE0exp(−tτi)">Ë（Ť）=Ë∞+Σ一世=1ñ米一世Ë0EXP（-Ťτ一世）E（T）=E∞+ΣI= 1nmiE0exp（-tτi）
    		（3）

    哪里mi=Ei/E0">米一世=Ë一世/Ë0MI = EI / E0被定义为的Prony系列参数。

    P110T材料表征

    对于蠕变试验中，应用拉伸载荷是恒定的，并且松弛模量可以通过另一种形式来表示

    E(t)=σ[ε]">Ë（Ť）=σ[ε]E（T）=σ[ε]
    		（4）

    哪里σ">σσ是应用张力负载;[ε]">[ε][ε]为蠕变试验的应变矩阵，[ε1,ε2,ε3,…]">[ε1，ε2，ε3，...][ε1，ε2，ε3，...]，对应于在实验时间矩阵[t]">[Ť][T]要么[t1,t2,t3,…]">[Ť1，Ť2，Ť3，...][T1，T2，T3，...]。因此，松弛模量E（t）的以矩阵形式是

    E(t)=E0+∑i=1nmiE0[1−exp([t]τi)]">Ë（Ť）=Ë0+Σ一世=1ñ米一世Ë0[1-EXP（[Ť]τ一世）]E（T）= E 0 +ΣI= 1nmiE0 [1-EXP（[T]τi）]
    		（5）

    结合等式（5）等式（4），该时间与应变之间的关系被建立，如等式（6）

    ∑i=1nmiE0[1−exp(−[t]τi)]=E0−σ[ε]">Σ一世=1ñ米一世Ë0[1-EXP（-[Ť]τ一世）]=Ë0-σ[ε]ΣI= 1nmiE0 [1-EXP（ - [T]τi）] = E0-σ[ε]
    		（6）

    由线性矩阵方程的方法求解方程式（6）而代时间矩阵[t]">[Ť][T]和应变矩阵[ε]">[ε][ε]使用蠕变实验数据，可以得到的Prony系列参数英里。

    至于普罗尼系列函数的计算复杂性，MATLAB软件应用于找到的Prony系列参数。对于200℃的环境温度下，P110T壳体材料的普罗尼系列参数在表3中被列出，并且可以获得其松弛模量方程如下

    E(t)=79,827+61,991[1−e−t10]+7367[1−e−t100]+49,615[1−e−t1000]">Ë（Ť）=79，827+61，991[1-Ë-Ť10]+7367[1-Ë-Ť100]+49，615[1-Ë-Ť1000]E（T）= 79827 + 61991 [1-E-T10] 7367 [1-E-T100] 49615 [1-E-T1000]

    根据虎克定律的理论，蠕变应变是恒定的张力应力和松弛模量E（t）的比率。此外，蠕变应变随时间的变化的关系曲线中被绘制图6。与在200℃下试验结果应变 - 时间曲线进行比较，如图图6中，普罗尼系列模型曲线拟合很好地与蠕变实验数据，该验证P110T材料的构模型。因此，在120℃下和分别300℃也可衍生于相同的方式，如公式（8）和（9）中，壳体材料P110T的普罗尼系列方程

    E(t)=125,986+875[1−e−t]+43,314[1−e−t12]+2956[1−e−t100]+38,942[1−e−t1000]">Ë（Ť）=125，986+875[1-Ë-Ť]+43，314[1-Ë-Ť12]+2956[1-Ë-Ť100]+38，942[1-Ë-Ť1000]E（T）= 125986 + 875 [1-E-T] 43314 [1-E-T12] 2956 [1-E-T100] 38942 [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]">Ë（Ť）=53，560+66，362[1-Ë-Ť五]+6985[1-Ë-Ť10]+4802[1-Ë-Ť200]+三十，015[1-Ë-Ť800]E（T）= 53560 + 66362 [1-E-T5] 6985 [1-E-T10] 4802 [1-E-T200] 30015 [1-E-T800]
    		（9）

    图6.蠕变实验数据和普罗尼系列拉力相对于在200℃下。

    壳体材料的热流变行为

    松弛模量是温度dependent.19,20在较低温度下，该材料的松弛速率非常慢，这可以被模型化为弹性行为。在较高的温度下，材料的衰减率变得非常快，这是纯粹的粘性行为。松弛模量，由普罗尼系列方法获得时，在三种不同的温度下绘制在对数时间尺度，如图图7。可以发现，所有的地块具有几乎相同的形状，但只能水平移动。这是包装材料的特性而被称为热流变行为。水平距离的两条曲线之间的平均，在顶部，中部和底部，被定义为移位因子，αT">αŤαT和曲线之间的关系可以由以下等式来描述

    E(log(t),T)=E(log(t)−logαT,T1)">Ë（日志（Ť），Ť）=Ë（日志（Ť）-日志αŤ，Ť1）E（日志（T），T）= E（日志（t）的-logαT，T1）
    		（10）

    其中，E（T，T）是在温度T和时间t时的松弛模量。

    壳体材料P110T的图7.热流变行为。

    等式（10）可以如下重写

    E(t,T)=E(tαT,T1)">Ë（Ť，Ť）=Ë（ŤαŤ，Ť1）E（T，T）= E（tαT，T1）
    		（11）

    这种转变的因素αT">αŤαT可以通过WLF方程获得

    logαT=−C1(T−T0)C2+(T−T0)">日志αŤ=-C1（Ť-Ť0）C2+（Ť-Ť0）logαT= -C1（T-T0）C2 +（T-T0）
    		（12）

    其中，T是所述松弛弹性模量计算出的温度，T0">Ť0T0是参考温度。C1和C2是WLF公式的常数。

    基于蠕变实验数据和普罗尼系列方法中图6，和200℃作为参考温度，移位因素，从200℃至120℃和200℃下设定为300℃，可以在图中缩放。By substituting the shift factors in the WLF equation, the constants C1 and C2 can be solved: C1 = 45.03 and C2 = 4640. Therefore, the WLF equation for the casing material P110T is

    logαT=−45.03(T−200)4640+(T−200)">日志αŤ=-45。03（Ť-200）4640+（Ť-200）logαT= -45.03（T-200）4640+（T-200）
    		（13）

    有限元模拟及其应用

    有限元模型

    使用商用有限元软件ABAQUS进行试样拉伸蠕变试验的数值模拟。基础上外壳材料P110T蠕变实验加载时，FE力学模型成立，如图图8。Ťhe elastic properties, including elastic modulus and Poisson’s ratio, 1.99 × 105 MPa and 0.3, respectively, are defined in ABAQUS. Besides, the viscous properties, including the relaxation time and Prony series, as shown in Table 3, are also defined in ABAQUS. What is more, the thermo-rheological simple (TRS) parameters, C1 and C2, obtained by the WLF equation, are also included in this simulation, and *VISCO type of analysis was applied for the viscoelastic behavior.

    用于张力蠕变试验的模拟图8. FE力学模型。

    蠕变实验数据和在三个不同温度的模拟结果之间的比较示出在图9的（a） - （c）中， 分别。在温度200℃，仿真结果蠕变试验数据匹配良好。这是因为，温度200℃下，设定为在等式（13）的基准温度。但对于温度120℃和300℃，如热流变学行为，存在的实验和模拟的结果之间的差异小，并且最大的区别是小于8％。这样做的原因是差，因为，对于FE分析，热流变参数被应用到模拟，其从WLF方程获得。在WLF公式中，200℃下被取为基准温度，使得在图7中，红色曲线偏移到蓝色曲线和黑色曲线的位置。并且，新的转移曲线代表在壳体材料的热流变行为，并且用于解决WLF方程。因为与原来的，这是由实验结果得到的移位曲线不能100％匹配良好，偏差的实验和仿真之间存在。此外，由于200℃作为基准温度，模拟结果是比其他人更准确，如图图9。因此，仿真结果表明本文中的粘弹性理论和TRS方法的有效性。此外，该有限元模型可被用于估计在不同的机械和热条件壳体材料P110T的粘弹性行为。

    的实验数据和模拟结果图9.比较不同温度下：（1）120℃，（B）200℃，和（c）300℃。

    乐动app下载安装密封表面上的接触压力

    根据5.5“SL-APOX关节连接类型的几何形状，密封表面的轴向对称有限元模型建于ABAQUS，如图图10。内壁是所施加的气体压力下。该图中的红线代表的密封面。如果气体压力比密封表面上的接触压力时，接头连接将更加可能泄漏。乐动app下载安装

    从SL-APOX关节连接密封表面的图10的有限元模型。

    在高温环境下，在密封表面上的接触压力将随时间而减少由于材料的粘弹性。乐动app下载安装Ťhe gas pressure on the inner wall is set to 75 MPa. The simulation result of the averaged contact pressure relaxation on the sealing surface versus time is shown in图11。Simulation results show that the initial average contact pressure is 116 MPa at 160°C and 230°C. Then, the average contact pressure decreases with time. The average contact pressure drops to 76 MPa. Furthermore, the rate of decreasing pressure at 230°C is faster than the one at 160°C environment. It is shown that within 4000 h (166 days), the contact pressure drops to 76 MPa at 230°C. However, at a lower temperature environment, it will take 9000 h (375 days) to drop to 76 MPa.

    图11.松弛密封表面随时间的变化上的接触压力。乐动app下载安装

    根据模拟结果，初始接触压力和所述比率的顶尖接触压力为1.56，该装置，在高温环境下，在密封表面上的最终接触压力将通过几乎下乐动app下载安装降三分之一。基于安全系数公式

    n=[σ]σgp">ñ=[σ]σGPN = [σ]σgp
    		（14）

    其中n是安全系数，[σ]">[σ][σ]是设计接触压力，乐动app下载安装σgp">σGPσgp是打算密封气体的压力。安全系数n必须是安全的考虑超过2。

    结论

    1. 溢价连接的密封表面上的接触压力的松弛是用于从乐动app下载安装壳体在高温天然气的气体泄漏孔的主要原因。

    2. 在高温下，蠕变拉伸试验来研究在壳体材料P110T的粘弹性行为。壳体材料的机械行为强烈依赖于温度的。温度环境越高，更快的蠕变率。

    3. 对于外壳材料P110T本构模型通过蠕变实验数据得出的，并且计算的Prony系列参数。热 - 流变行为也研究，并且获得120℃至300℃的环境温度之间的材料的移位因子。

    4. 建立了一种粘弹性有限元模型的材料P110T，和模拟结果吻合较好与实验数据。

    5. 在高档连接的密封面的有限元模型建于ABAQUS，其接触压力放松了研究。乐动app下载安装建议在密封表面上的设计接触压力应两倍于高温天然气井的意图气体密封压力。乐动app下载安装

    处理编辑：米哈尔Kuciej

    利益冲突声明
    作者（S）宣布没有利益的潜在冲突方面的研究，作者，和/或这篇文章的发表。

    参考

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