Вбылыевремена,суменьшениемчислалегкоэксплуатируемыхнефтяныхигазовыхскважин,этосталонеобходимымдлянефтяныхигазовыхскважинуглубитьсянаобоихподземныхиподводных。И,НКТиобсадныеструныподвергаютсяболеевысокойтемпературеивысокомдавлениивэтихскважинах,который,вероятно,привестикповреждениюкорпусаилиутечкигазаввысокомдавлении/высокойтемпературеуглубления(НРНТ)。Такимобразом,большевниманияуделяетсяскважиннымцелостностивнефтянойигазовойпромышленностивпоследнеевремя年。1,2Ключевым фактором целостности ствола скважины обсадной колонны соединения, которые, как ожидается, чтобы обеспечить как структурную и утечки целостность при неблагоприятных условиях окружающей среды. Поскольку условия погрузки связаны с глубже, более высокие температуры и давления газовых скважин, многие операторы перешли от использования стандартного Американского нефтяного института (API) Соединения с премиальными резьбовыми соединениями.фигура1показываеткорпуспремиальныхсоединенийиегоуплотняющегогазамеханизма。Уплотнительнаяповерхностьтакженазываютметалл-металлуплотнения,которыеобеспечиваютконтактноедавлениечерезнатяг。Большетого,контактноедавлениенауплотняющейповерхностивыше,чемдавлениегазовойскважины,исоединенияобсадныхтрубможетпредотвратитьутечкугазаefficiently.3,4
фигура1。уплотняющийгазмеханизмпремиумсвязи。
Вбылыевремена,соединениегерметизациигазанеудалосьвнекоторойскважинесверхвысокоготемпературыгаза,хотяпроектированиеконтактноедавлениенауплотняющейповерхностибылавыше,чемдавлениегаза。ВЮжномКитаеМоре,температуравнекоторыхразведочныхгазовыхскважинахможетдостигатьдо240°С.5хорошоразработанныхпремиальныхсоединенийможетиметьгазавысокогодавлениявскважиненараннейстадии。Однако,проблемаутечкигазаможетбытьобнаруженапосле2летдобычигазавнекоторыхскважинах,чтогораздоменьше,чеможидаемыйсрокслужбыгазовыхскважин。Вэкстра-высокихтемпературах,уплотнительнаяповерхностьсоединенийобсадныхбудетиспытыватьползучестиприрастяжении,чтоприведеткснижениюконтактногодавленияуплотнительнойповерхностив。Когдаконтактноедавлениениже,чемдавлениегазовойскважины,газбудетвытекатьизсоединениякорпуса,чтопозволитсократитьсрокслужбыгазовойскважины。болеетого,этопринесетустойчивоедавлениепопутногогаза,смятиеобсаднойколонны,илиоставлениехорошо,вызываяогромныйэкономическийущерб。Следовательно,этоимеетбольшоезначениедляизучениявязкоупругостиматериаласоединительногообсаднойколонныивыяснитьрелаксациюконтактногодавлениянаповерхностиуплотняющей,которыемогутбытьполезныдляразведкииразработкигазовыхскважинвысокотемпературных。
Исследованиянасоединенияхобсадныхбыливосновномсосредоточенынапроектированииибезопасностиоценкиструктурырезьбовоесоединениевпоследниегоды。Аналитическийметод6 7заключительныйэлемент(FE)метод,8、9иэкспериментальныеmethod10, 11былиширокопринятывнаучно-исследовательскихработах。Некоторыеисследователиисследовалиуплотнительныймеханизмпремиальныхсоединений12 13инекоторыеисследователиразработалисоединениепремиумавысокойпроизводительностиввысокотемпературном/высокомдавлениигаз(高温高压)。然而,14、15этиисследовательскиеработыпроводятсявсевстационарномсостоянии,несчитаявременименяющийся。И,уплотнительныймеханизмпремиальныхсоединенийвскважиневысокотемпературногогазанебылполностьюисследован,особенновязкоупругогоповеденияматериалаоболочки。
Вэтойстатье,Экспериментползучестиматериалаоболочкипроводилипритомженапряжениирастяжения,носразнымитемпературами。Апотом,поведениевязкоупругогоматериалаоболочкиизучается。болеетогоWLF(Уильям-Landel-Ферри)Уравнениедляматериалаоболочкипроисходит。взаключение、модель铁используетсядляизучениярелаксацииконтактногодавленияуплотняющейповерхностивсоединениикорпуса,которыйможетпредсказатьегосрокслужбывскважиневысокотемпературногогаза。
ВсоответствиисISO 204:2009одноосноеиспытаниеползучестиметаллическихматериаловвспособенатяжениятеста,Экспериментывыполненынаползучестьприразличныхвысокихтемпературах,чтобыоценитьматериалрелаксациимеханическихсвойств,основанныенатеории粘弹性。16Какпоказанывфигура2,устройствоползучестиэкспериментсостоитизпечи,Датчиктемпературы,сеньорсмещение,Испытательноенапряжение,иобразец。Принципэкспериментапоказаннафигура2(b)中。Нижняячастьобразцафиксируется,ивершиназагружается。Экспериментальнаятемператураконтролируетсяпечиидатчикомтемпературы。междутем,деформацияползучестирегистрируетсядатчикомсмещения。МатериалобразцаКорпусP110Tиегохимическийсоставприведенвтаблице1。Вкачествеэкспериментаметаллаползучестиотнимаетмноговремени,набориспытанийподнагрузкойпостоянногонатяженияпроводитпритемпературе120°C, 200°С,и300 &度;Ссоответственно。
фигура2。(一)Ползучестьэкспериментприборыи(b)экспериментальныйпринцип。
Таблица2показываетусловияползучестиэкспериментальные,которыевключаютвсебяпостояннуюнагрузкунатяжения680МПатриразличныхтемпературы,ипотребляявремяэксперимента。Крометого,загруженноерастягивающеенапряжениенаходитсяподпределомупругостиматериалаP110T。Втесте# 1,образецбылнарушенпосле570чэкспериментапри300°C,какпоказановфигура3。Этопоказывает,чторазрушениеобразцаотноситсякявлениямутонения。Однако,приболеенизкойтемпературеипосле630чиспытанийнаползучесть,образецнесломаться。Этодоказывает,чтоповедениематериалаползучестипри300℃болееочевидно,чемприболеенизкихтемпературах。Результатыползучестиэкспериментапоказанынафигура4。Штаммвременикривойна300°Ссостоитизцелыхтрехстадийползучести:первичный,вторичный,итретичный。И,скоростьдеформацииопределяетсякакотношениенапряженияктомувремени,。Вначальнойстадии,скоростьдеформацииотносительновысока,нозамедляетсясовременем。затем,скоростьдеформациивконцеконцов,достигаетминимальноезначениеистановитсяпостояннымпривторичномэтапе,вкачествекривойдеформациивременипредставляетсобойпрямуюлинию,наданномэтапе。взаключение,втретичнойстадии,скоростьдеформациивгеометрическойпрогрессиинеувеличиваетсясовременемдотехпор,трещинобразца,чтовосновномобусловленосужениемявлениявобразце。Однако,дляобразцапритемпературе120°Cи200°Cползучестиэксперимента,былитолькодваэтапавовремя630тестированиячасов:начальнаястадияивторичнаястадия。
фигура4。Ползучестьрезультатовэкспериментаприразличнойтемпературе。
Вэтойстатье,материалкорпусавыбранвкачествелинейнойвязкоупругой。Материальныеотношениямогутбытьвыраженылинейнымпринципомсуперпозициивязкоупругостьииспользованиерелаксациииползучестимодуляупругости函数。17、18НачинаясобобщенноймоделиМаксвеллаидобавивещеодинчленпружиныприводиткмодели,известнойкакмодельвихертовского,всоответствиисфигура5。ИспользуямодельВихерта,ползучестиирелаксациивязкоупругогоматериаламогутбытьописаныхорошо,иэтамодельможетбытьпредставленаспомощьюфункциимодулярелаксацииE(Т)如下
|
(1) |
在哪里
фигура5。РежимВИХЕРТматериала。
Обратитевнимание、чтоизуравнения(1)ЕслиT = 0
|
(2) |
гдеE0мгновеннамодульрелаксации。Иуравнение(1)можнопереписатьследующимобразом
|
(3) |
在哪里
Чтокасаетсяэкспериментаползучести,нагрузканатяженияприложенияявляетсяпостоянной,имодульрелаксацииможетбытьпредставлендругойформой
|
(4) |
在哪里
|
(5) |
Комбинируяуравнения(4)суравнением(5),соотношениемеждувременемидеформацииустанавливается,какпоказановуравнении(6)
|
(6) |
Порешениюуравнения(6)методлинейногоматричногоуравненияиподставиввременнуюматрицу
ЧтокасаетсявычислительнойсложностифункциисерииПрони,программноеобеспечениеMATLABприменяется,чтобынайтипараметрсерииПрони。Для200°Cтемпературыокружающейсреды,параметрсерииПрониматериалаP110Tобсаднойколонныприведенывтаблице3,иегомодульрелаксацииуравнениеможнополучитьследующимобразом
|
СогласнотеорииГуказакон,деформацияползучестипредставляетсобойотношениепостоянногонатяжениянапряжениякмодулюрелаксацииE(Т)。Крометого,отношениекривойдеформацииползучестивзависимостиотвременипоказананафигура6。Посравнениюсштаммом-кривоевремявэкспериментеприводитпри200°C,какпоказановфигура6,модельсериикривойПронихорошосогласуетсясэкспериментальнымиданнымиползучести,которыйпроверкиконститутивноймоделиP110Tматериала。Следовательно,серияуравнениеПрониизматериалакорпусаP110Tпри120°Cи300°Cмогутбытьтакжеполученытакимжеобразом,,какпоказановуравнениях(8)атакже(9),соответственно
|
(8) |
|
(9) |
фигура6。ПолзучестьэкспериментальныеданныеипрочностьнаразрывсерииПронивсравнениисоскоростью200 &度;С。
Модульрелаксацииоттемпературыdependent.19,20Приболеенизкихтемпературах,скоростьрелаксацииматериалаявляетсяоченьмедленным,которыйможетбытьсмоделированакакупругоеповедение。Приболеевысокихтемпературах,скоростьрелаксацииматериаластановитсянамногобыстрее,которыйявляетсячистымвязкимповедением。Модульрелаксации,полученныйметодомсерииПрони,нанесеннавременнойшкалежурналаврамкахтрехразличныхтемператур,какпоказановфигура7。Егоможнонайти,чтовсеучасткиимеютпочтиодинаковуюформу,нолишьсмещаютсяпогоризонтали。Этосвойствоматериалаоболочкииназываетсятермо-реологическиесвойства。Среднеезначениегоризонтальногорасстояниямеждудвумякривыми,навершине,средний,иснизу,определяетсякакфакторсдвига,
|
(10) |
гдеE(Т,T)этомодульрелаксациипритемпературеТивремяТ.
фигура7.Термо-реологическиесвойстваматериалаоболочкиP110T。
Уравнение(10)можнопереписатьследующимобразом
|
(11) |
Факторсдвига
|
(12) |
гдеТпредставляетсобойтемпературу,прикоторойрассчитываетсямодульрелаксации,
НаосновеэкспериментальныхданныхползучестииметодаПронивсериифигура6,иустановка200°Cвкачествеэталоннойтемпературы,факторысдвига,от200°Cдо120°Cи200°Cдо300°C,можномасштабироватьнаучастке。ПодставляяфакторысдвигавуравненииWLF,константыC1иC2могутбытьрешены:С1 = 45,03иС2 = 4640。Следовательно,уравнениеВЛФдляматериалаоболочкиP110Tявляется
|
(13) |
Численноемоделированиеиспытанияобразцанапряженияползучестипроводилисиспользованиемкоммерческогопрограммногообеспечения有限元有限元分析。НаосновематериалкорпусаP110Tползучестьэкспериментзагрузки,былаустановленамеханическаямодель铁、какпоказановфигура8。Упругиесвойства,втомчислемодуляупругостиикоэффициентаПуассона,1.99×105МПаи0.3,соответственно,определеныв有限元分析。Крометого,вязкиесвойства,включаявремярелаксацииисериюПрони,какпоказановтаблице3такжеопределеныв有限元分析。Большетого,термо-реологическойпростой(ТРС)параметрыC1иC2,полученоуравнениеWLF,такжевключенывэтойсимуляции,и*粘типанализабылприменендлявязкоупругогоповедения。
фигура8。菲механическаямодель,используемаядлямоделированияиспытаниянарастяжениеползучести。
Сравнениеползучестиэкспериментальныхданныхирезультатовмоделированияпритрехразличныхтемпературахпоказановфигура图9(a) - (с),соответственно。Притемпературе200°С,результатмоделированиясоответствуетползучестиэкспериментальныхданных。Этопроисходитпотому,чтотемпература200°Сбылоустановленовкачествеопорнойтемпературывуравнении(13)。Нодлятемператур120°Си300°С,атермо-реологическимповедением,Естьнебольшиеразличиямеждуэкспериментальнымирезультатамимоделирования,исамаябольшаяразницаменьше8%。Причинаэтогоразличия,потомучтоэто,дляанализа铁、термо-реологическихпараметровприменяютсявмоделировании,котороеполучаетсяизуравненияWLF。ВуравненииWLF 200°Спринимаетсявкачествеопорнойтемпературы,чтобы,вфигура7,краснаякриваясдвигаетсявположениесинейкривойичернойкривой。И,новыесдвинутыекривыепредставляюттермо-реологическоеповедениематериалаоболочкиииспользуютсядлярешенияуравненияWLF。Посколькусдвинутыекривыенемогут100%хорошосогласуютсясисходной,которыйполученэкспериментальныерезультаты,отклонениесуществуетмеждуэкспериментальнойимоделирования。Крометогокак200°Сберетсявкачествеэталоннойтемпературы,результатмоделированияявляетсяболееточным,чемдругие,какпоказановфигура9。Следовательно,РезультатымоделированияпоказываютобоснованностьтеориивязкоупругихиметодаТРСвэтойстатье。Ктомуже,модельИПАможетбытьиспользованадляоценкивязкоупругогоповеденияматериалакорпусаP110Tприразличныхмеханическихитермическихусловиях。
фигура9。Сравнениеэкспериментальныхданныхимоделированиярезультатаприразличныхтемпературах:(一)120°С,(b) 200°С,атакже(с)300°С。
Наосновегеометрии5.5 SL-APOXсовместноготипасоединения”,осеваясимметрияFEмодельдляуплотняющейповерхностибылапостроенавABAQUS,какпоказановфигура10。Внутренняястенканаходитсяподдействиемприложенногодавлениягаза。Краснаялиниянарисункепредставляетсобойуплотняющуюповерхность。Еслидавлениегазавыше,чемконтактноедавлениенауплотняющейповерхности,совместноеподключениебудетбольшешансовпросочиться。
фигура10。МетодконечныхэлементовмоделиуплотнительнойповерхностиотшарнирногосоединенияSL-APOX。
Привысокойтемпературеокружающейсреды,контактноедавлениенауплотняющейповерхностибудетуменьшатьсясовременемиз-заматериалвязкоупругости。Давлениегазанавнутреннейстенкеустановленодо75МПа。Результатмоделированияусредненнойрелаксацииконтактногодавлениянауплотнительнойповерхностивзависимостиотвременипоказаннафигура11。Результатымоделированияпоказывают,чтоначальноесреднееконтактноедавлениесоставляет116МПапритемпературе160°Си230°С。затем,среднеедавлениеконтактауменьшаетсясовременем。Среднеедавлениеконтактападаетдо76МПа。болеетого,скоростьуменьшениядавленияпри230°Спроисходитбыстрее,чемтот,при160°Cокружающейсреды。Показано,чтовтечение4000ч(166дней),контактноедавлениепадаетдо76МПапритемпературе230°c .Однакоприболеенизкойтемпературеокружающейсреды,этозаймет9000ч(375дней)снизитсядо76МПа。
фигура11Расслаблениеконтактногодавлениянаповерхностиуплотнительногоизменениясовременем。
Согласнорезультатаммоделирования,отношениеначальногоконтактногодавленияидавлениефлеронаконтакта1.56,чтозначит,привысокойтемпературеокружающейсреды,конечныйконтактноедавлениенауплотняющейповерхностиупадетпочтинатреть。Основываясьнауравнениикоэффициентазапаса
|
(14) |
гдепфакторбезопасности,
Релаксациямиконтактногодавлениянауплотнительнойповерхностисоединенияпремиумаявляетсяосновнойпричинойутечкигазаизкорпусапривысокотемпературнойскважинеприродногогаза。
Привысокихтемпературах,ползучестиэкспериментнапряжениябылиспользовандляизученияповедениявязкоупругогоматериалавкорпусP110T。Механическоеповедениематериалаоболочкисильнозависитоттемпературы。Чемвышетемператураокружающейсредыявляется,тембыстреескоростьползучести。
КонститутивнаямодельдляматериалаоболочкиP110Tбылаполученаспомощьюэкспериментальныхданныхползучести,апараметрсерииПронибылрассчитан。Термо-реологическоеповедениетакжебылоисследовано,исдвигфакторыокружающейсредыматериаламеждутемпературой120°Cдо300°C,получают。
БыласозданавязкоупругогоFEмодельдляматериалаP110T,ирезультатымоделированияхорошосогласуютсясэкспериментальнымиданными。
МодельFEуплотнительнойповерхностивпремиальныхсоединенияхбылапостроенав有限元分析,иегорелаксацияконтактногодавлениябылаисследована。Рекомендуется,чтобыпроектированиеконтактноедавлениенауплотняющейповерхностидолжнобытьвдвоебольше,вступающихдавлениеуплотнительногогазапривысокотемпературныхгазовыхскважин。
Работасредактором:МихалKuciej
Декларацияконфликтующихинтересов
Автор(s)незаявилниодногопотенциальногоконфликтаинтересоввотношенииисследований,авторствои/илипубликацияэтойстатьи。
Teodoriu CКозиновскиCАмани,М。采用HPHTСтволцелостностииотказацементаприусловиях。Int J: EngНаучно2013;2:1-13。
ПолCernocky E Valigura、ДжорджияScholibo, FC。Стандартизированныйподходканализуконечногоэлементаизобсаднойколоннынасосно-компрессорныхсоединений,чтобыустановитьотносительнуюэффективностьуплотнениявзависимостиотгеометрииконструкции,допускимеханическойобработки,нагрузки,приложеннойк。В:Idelsohn,年代,奥,E,ДворкинE(ред)Вычислительнаямеханика。pp.1-19Барселона:CIMNE, 1988。
OngГ,НизамRamli,МЧАС艾哈迈德。Оценкапроизводительностиусталостинаполпремиумасоединениядлябурениякорпусприменениядляпредотвращенияусталостногоразрушениясоединения。В:МатериалыотберегатехнологическойконференцииАзии,Куала-Лумпур,Малайзия,22日至25日марта2016年,https://www.onepetro.org/conference paper/otc - 26807 ms
УгайСугино,М山口,S, S . VAM 21日инновационныйпремиумвысокоэффективногорезьбовогосоединениядляOCTG。新日铁与住友金属техническийотчетне。107、2015年февральpp.10-17 http://www.nssmc.com/en/tech/report/nssmc/pdf/107 - 03. - pdf
ТаканоJ山口,МKunishigeЧАС。Развитиесвязипремиум«KSBEAR»длявыдерживатьвысокуюстепеньсжатия,высокоевнешнеедавление,иотделитизгиб。川崎钢铁техническийотчет№。47岁的2002年,http://www.jfe steel.co.jp/archives/en/ksc_giho/no.47/e47 - 014 - 022. - pdf
Ким,J,подветренный,HS,Ким,N.Определениесдвигаиобъемныхмодулейвязкоупругихтвердыхчастицизиспытаниянаползучестьприрастяжениикосвенного。Ĵ主机Мех2010;136:1067年至1075年。3.
洛佩斯,J,阿尔贝托,C,托马斯J .ВязкоупругоемодульрелаксациихарактеристиксиспользованиемрядаПрони。Шир是JТвердыевещества结构2015;12:420 - 445。
西南,ПаркSchapery, RA。Методывзаимопревращениямеждуматериальнымифункциямилинейноговязкоупругих。ЧастьI-численныйметод,основанныйнасерииПрони。Int JСухойостатокStruct 1999;26日:1653 - 1675。
Ananthsynm, b .МоделированиеComputionalточноголитьяасферическойстекляннойоптики。Вседиссертаций326 2008,HTTP://tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/326