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Calcolo dei carichi dell'involucro e selezione dell'involucro appropriato sono componenti fondamentali di ben progettazione che influiscono direttamente sulla sicurezza, l'efficienza operativa e l'integrità a lungo termine dei pozzi del petrolio e del gas. Il design dell'involucro è un compito importante nella progettazione del pozzo del petrolio e del gas che comporta la valutazione dei fattori che contribuiscono al fallimento dell'involucro e alla corretta selezione dei gradi e pesi più adatti che sono sia sicuri che economici per un determinato lavoro.

Capire i carichi di incassi in ben progettazione

Il design delle involucri comporta la definizione di casi di carico che simulano le condizioni più severe che l'involucro può incontrare, e che rappresentano le varie forze e pressioni esercitate sulla corda dell'involucro durante l'intero ciclo di vita del pozzo, dall'installazione iniziale attraverso operazioni di perforazione, cementazione, produzione e eventuale abbandono.

Il design dell'involucro si basa sulla valutazione dei diversi carichi come la rottura, il collasso e la tensione. Ciascuno di questi tipi di carichi primari presenta sfide uniche e deve essere valutato attentamente in vari scenari operativi. Il design dell'involucro per ogni dimensione è fatto calcolando le condizioni peggiori che possono essere affrontate durante la perforazione e la produzione, e le proprietà meccaniche di tubi progettati come resistenza al collasso, pressione di rottura e resistenza alla trazione assiale devono essere sufficienti per le peggiori condizioni.

Tipi primari di carichi di incassi

Le tre categorie di carico fondamentali che governano il design dell'involucro sono carichi di scoppio, collasso e tensione (assiale) e ogni tipo di carico risponde a diverse condizioni operative e caratteristiche di formazione:

Burst Loads: Il carico di petto è la pressione interna da fluidi ben o calci di gas che potrebbero rompere l'involucro, che è fondamentale durante la perforazione o la produzione, soprattutto quando le condizioni di alta pressione si verificano durante le operazioni di controllo, test di integrità, compressione di cemento, o durante la produzione a causa di una fuga tubi.

Cariche di colata:[ Il carico di collasso si riferisce alla differenza tra pressione esterna, che deriva dalla formazione o dalle forze idrostatiche, e la pressione interna all'interno dell'involucro, e durante operazioni come il cemento, l'involucro è sottoposto ad alti carichi esterni.

I carichi di tensione (assiale) sono principalmente causati dal peso della corda dell'involucro stesso quando è sospesa nel pozzo. Quando si esegue l'involucro nei pozzi deviati, il corpo del tubo può essere sotto tensione e compressione simultaneamente.

Considerazioni aggiuntive sul carico

Oltre ai tipi di carico primario, diverse forze aggiuntive possono influenzare l'integrità dell'involucro:

Il carico di colpi può essere affrontato quando si imposta l'involucro su slittamenti ed è una forza applicata locale e per breve periodo di tempo che significa che non è come il peso sospeso o la forza di piegatura che può essere esercitata sull'intera lunghezza del corpo del tubo. L'involucro può essere ricambiato durante le operazioni che possono causare un carico assiale aggiuntivo a causa dell'attrito tra il tubo e il pozzo, ed è difficile stimare la forza di trascinamento dovuta molte ragioni:

Nelle operazioni sul campo non esiste una forma di carico sul corpo dell'involucro, una combinazione di carico diverso può essere esercitata sul corpo del tubo. Questa realtà richiede un'analisi completa del carico che rappresenta molteplici condizioni di carico simultanee, spesso indicate come scenari di carico biassiale o triassiale.

Passo 1: Raccogli dati completi bene

Molti fattori entrano nel design dell'involucro di produzione, compresi i pesi del fango necessari per perforare il pozzo e bilanciare le pressioni di formazione, i gradienti di frattura, le profondità del sedile dell'involucro, le dimensioni dell'involucro, il piano direzionale, il programma di cemento e i profili di temperatura.

Requisiti essenziali dei dati

Le seguenti informazioni devono essere raccolte e verificate prima di iniziare i calcoli di carico dell'involucro:

  • Formation Pressures:[] Sulla base della pressione del poro e della sfumatura di frattura, sarete in grado di determinare quante stringhe sono necessarie e dove ogni stringa deve essere impostata.
  • Gradienti di frattura:[] È importante condurre un'analisi completa dei gradienti di pressione del poro e della pressione della frattura delle formazioni che intendiamo trivellare, poiché queste pressioni vengono tracciate contro la profondità per identificare i punti in cui il peso del fango necessario per controllare la pressione del poro supera il gradiente frattura, rischiando frattura di formazione o soffiaggio.
  • Peso e densità:[] La densità di fluido di perforazione colpisce direttamente sia i profili di pressione interni che esterni sull'involucro.
  • Bene profondità e traiettoria:[[] Totale profondità misurata, vera profondità verticale e traiettoria benbore (verticale, deviata o orizzontale) impatto significativamente calcoli di carico, in particolare per carichi di tensione e piegatura.
  • Profili di temperatura:[[] Le temperature di scarico influiscono sulle proprietà materiali, sul comportamento del cemento e sull'espansione termica/contrazione della stringa di involucro.
  • Caratteristiche di formazione:[] Identificazione di zone problematiche tra cui zone di circolazione perdute, formazioni ad alta permeabilità, sezioni di scisto instabili, rischi di gas superficiale, aquile d'acqua dolce e ambienti corrosivi (H2S, CO2).
  • Parametri di produzione:[] Si deve considerare il tipo di liquido di frattura e proppanto da utilizzare, la massima concentrazione di proppant, e il calcolo per la massima pressione di superficie di frattura idraulica prevista, e devono essere valutati anche i tipi, la composizione e i volumi della produzione prevista.

Fase di progettazione preliminare

Il progetto preliminare stabilisce il piano generale di costruzione, compreso il numero di corde di involucro richiesto, le profondità di impostazione approssimative e le dimensioni generali. I casi di carico variano a seconda del tipo di involucro (superficie, intermedia, produzione) e della fase ben precisa.

La scelta delle adeguate profondità di impostazione dell'involucro è fondamentale per un'efficace progettazione, in quanto influisce significativamente sulla sicurezza, la stabilità e la protezione ambientale.

Passo 2: Calcola i carichi di Burst

Il carico per la rottura deve essere considerato prima, poiché il colpo detta il disegno per la maggior parte della stringa. I calcoli di carico Burst determinano il differenziale di pressione interno massimo che l'involucro deve resistere senza rotture.

Burst Load Fondamenti

Il carico di scoppio è calcolato come differenza tra pressione interna ed esterna. Più specificamente, il carico di scoppio a qualsiasi profondità verticale è la differenza tra la pressione interna e la pressione esterna a quella profondità. Questa pressione differenziale crea lo stress trazione nella parete di involucro che, se eccessiva, può causare la rottura del tubo.

Il carico di scoppio netto è la differenza tra la pressione all'interno dell'involucro e la pressione esterna, e il punto di carico massimo di scoppio in questo caso è quindi all'inizio (superficie) della stringa dell'involucro dove c'è una pressione alta del gas e zero back-up.

Scenari di carico per diversi tipi di incastro

Surface Casing Burst Design:[ La pressione interna massima utilizzata per il design della scoppia si basa su una condizione di controllo ben assunta mentre si sviluppa un grande calcio. Il disegno di scoppio dovrebbe assicurare che la pressione della frattura della formazione alla scarpa dell'involucro sarà superata prima che la pressione dell'involucro dell'involucro venga raggiunta, quindi, questo disegno utilizza la frattura di formazione come meccanismo di rilascio della pressione di sicurezza per assicurare che si verifissierà.

Il profilo di pressione interno per il design di scoppio dell'involucro di superficie assume tipicamente:

  • Involucro riempito a gas dalla superficie alla scarpa involucro
  • Pressione di formazione al sedile del corpo
  • Ben chiuso in superficie con piena pressione di formazione
  • Gradente minimo di gas (tipicamente 0,10 psi/ft per fonti basse, 0,15 psi/ft per fonti profonde)

Assumere un gradiente minimo di 0,10 psi/ft di gas per pressioni originariamente più basse di 10.000 ft e 0,15 psi/ft per fonti di pressione più profonde di 10.000 ft, e se le formazioni sotto l'involucro di superficie non hanno alcun gas, allora i gradienti dei fluidi di formazione (olio o acqua) devono essere utilizzati.

I calcoli intermedi di scoppio dell'involucro seguono principi simili, ma devono essere considerati come formazioni più profonde e più elevate. La profondità della zona fratturata è determinata dal gradiente frattura vs. profondità della trama per essere la profondità della formazione esposta più debole.

Produzione Involucro di Burst Design: Per il carico di rottura durante la fase di produzione, un guasto di tubatura con CITHP che agisce in cima al liquido di confezionamento viene utilizzato come peggiore caso di carico di progettazione. In questo scenario, durante il test bene o la produzione, le perdite possono verificarsi nella parte superiore del tubo e porta ad aumento di pressione nello spazio tra il tubo di produzione e la parte inferiore del tubo montato

Pressione esterna (pressione di riavvio)

La linea di carico posteriore è il carico esercitato all'esterno dell'involucro, in questo momento è la pressione idrostatica di una colonna di fluido di formazione, e questo carico esterno serve a eseguire il backup dell'involucro durante il carico di scoppio. La pressione esterna, o la pressione di back-up fuori dell'involucro che aiuta a resistere a scoppio, si presume sia uguale alla normale pressione del poro di formazione.

La pratica del design conservatore spesso ignora gli effetti benefici del cemento o del fango pesante fuori dall'involucro quando calcola la resistenza alla rottura, in quanto la qualità del cemento può variare e le proprietà del fango possono degradarsi nel tempo.

Metodi di calcolo della pressione del seno

API 5C3, "Calcolare le proprietà di prestazione del tubo utilizzato in industrie del petrolio e del gas naturale", fornisce metodi per calcolare le proprietà di prestazione (burst, collasso e tensione assiale) di involucro e tubazione. La formula di base di API di scoppio considera la resistenza di resa del tubo, lo spessore della parete e il diametro esterno.

Per ogni intervallo di profondità lungo la stringa dell'involucro, calcolare:

  • Pressione interna a quella profondità (basata su uno scenario peggiore)
  • Pressione esterna a quella profondità (pressione poro di formazione in modo manuale)
  • Pressione di scoppio netto = Pressione interna - Pressione esterna
  • Resistenza di scoppio richiesta = pressione di scoppio netto × Fattore di progettazione

When evaluating the burst capacity of a casing, a down rating because of wear, corrosion, temperature and applied compression is required before the design factor is introduced, and the uniaxial design factor for burst design is 1.1.

Passo 3: Determinare i carichi di colata

L'analisi del carico di colata determina la capacità dell'involucro di resistere alla pressione esterna senza collassare verso l'interno. Il carico di collasso deve essere valutato e le sezioni di stringa aggiornate, se necessario, è particolarmente critico durante le operazioni di cementazione e in situazioni in cui l'involucro può essere parzialmente o completamente evacuato.

Scenari di carico del collo

La custodia di carico per collasso si basa su un'evacuazione parziale della corda dell'involucro e per l'evacuazione parziale durante la fase di perforazione, il profilo di pressione interna si basa sulle perdite di fango alla pressione del poro.

Gli scenari comuni di carico del collasso includono:

  • Cementing Operations:[ Durante lo spostamento del cemento, l'involucro sperimenta un'alta pressione idrostatica esterna da liquami di cemento, mentre la pressione interna può essere ridotta.
  • Circolazione perduta:[] Se il fluido di perforazione viene perso alla formazione, la colonna del fluido interno può cadere in modo significativo, creando alta pressione differenziale.
  • Produzione con Gas Lift:[] Per l'involucro di produzione con impianti di sollevamento a gas, l'evacuazione completa sopra il packer viene utilizzata come peggiore custodia di carico di progettazione.
  • Valutazione parziale:[] Lo scenario di collasso più grave assume tipicamente che l'involucro sia vuoto (pressione interna zero) mentre la pressione esterna è uguale alla pressione idrostatica completa dei fluidi di cemento e formazione.

Profilo di pressione esterno per il crollo

Il profilo di pressione esterno per il collasso è costruito in due sezioni; quello per la colonna di cemento e quello per la colonna di liquido anulare. La colonna di cemento si estende tipicamente dalla scarpa involucro alla parte superiore del cemento (TOC), mentre il fango di perforazione o altri fluidi anulari occupano lo spazio sopra il cemento.

Calcola pressione esterna ad ogni profondità considerando:

  • Pressione idrostatica di liquami di cemento (tipicamente 15.8-16.5 ppg)
  • Pressione idrostatica del fango di perforazione sopra il cemento
  • Pressione del poro di formazione (se il cemento non è presente)

Calcoli di resistenza al crollo

Nello standard API 5C3, il calcolo della pressione del collasso dell'involucro include quattro regioni, cioè quattro formule che includono la pressione di collasso del rendimento minimo, la pressione del collasso di plastica, la pressione del collasso elastoplastico e la pressione del collasso elastico, e la formula della pressione del collasso di plastica è una formula empirica che è stata ottenuta con l'analisi di regressione di 2888 test.

Sia la rottura che il collasso sono una funzione di spessore della parete, diametro del tubo e resa del materiale. La resistenza al collasso è più sensibile alle tolleranze di ovalità del tubo e di produzione che alla resistenza alla rottura, rendendo il controllo di qualità particolarmente importante.

La corrosione, l'usura e la deformazione a causa della tensione viene trattata separatamente e il fattore di progettazione non assiale utilizzato per il progetto di collasso è 1.0. La capacità di collasso dovrebbe essere ridotta in base alla temperatura massima a cui l'involucro sarà esposto quando il carico di collasso può verificarsi.

Considerazioni speciali di ricaduta

Le formazioni in movimento lateralmente, come il sale, esercitano un carico di collasso sull'involucro, e il carico viene generalmente modellato come carico uniforme di pressione fluida con una pressione pari alla pressione sovraccarica.

Per le condizioni di progettazione del collasso peggiore, gli ingegneri spesso assumono:

  • Pressione interna zero (evacuazione completa)
  • Pressione idrostatica esterna completa da cemento e fango
  • Nessun beneficio di buoyancy
  • Temperatura massima anticipata

Passo 4: Calcolate Axial (Tension) Caricamenti

Una volta che i pesi, i gradi e le lunghezze della sezione sono stati determinati per soddisfare i carichi di scoppio e collasso, il carico di tensione può essere valutato, e il tubo può essere aggiornato come necessario, e i tipi di accoppiamento determinato.

Componenti del caricamento assiale

Il componente principale della tensione assiale è il peso sospeso della corda dell'involucro stesso, ma diversi fattori aggiuntivi contribuiscono al carico assiale totale:

Peso sospeso:[] Il peso di tutti i giunti di involucro sotto qualsiasi punto dato crea tensione a quel punto. Questo è il carico assiale fondamentale e aumenta linearmente con profondità per l'involucro uniforme.

Effetti di galleggiamento:[] Quando l'involucro è riempito di fluido di perforazione, la galleggiabilità riduce il peso effettivo. Il fattore di galleggiamento dipende dalla densità dei fluidi interni ed esterni.

Caricabatterie:[] Il carico di scarpa può essere affrontato quando si imposta l'involucro su slittamenti ed è una forza applicata locale e per breve periodo di tempo, e la combinazione sulla sospensione, piegatura e carichi di urto può portare a tubi di separazione.

Forze di trazione:[] L'involucro può essere ricambiato durante le operazioni che possono portare ad un carico assiale aggiuntivo a causa dell'attrito tra il tubo e il pozzo.

Cariche di attesa:[] Quando si esegue l'involucro nei pozzi deviati, il corpo del tubo può essere sotto tensione e compressione simultaneamente.

Scenari di carico di tensione

La condizione di carico max di tensione assiale si basa su su ipotesi di involucro bloccato mentre l'involucro viene eseguito nel foro prima delle operazioni di cementazione. Il design della tensione richiede una considerazione dello stress assiale presente quando l'involucro viene eseguito, durante le operazioni di cementazione, quando l'involucro viene caricato nelle slitte, e durante le successive operazioni di perforazione e produzione.

Gli scenari di tensione critici includono:

  • La tensione massima si verifica in superficie quando l'intera stringa di involucro viene sospesa. Per il design peggiore, non assumere nessuna galleggiabilità (involucro riempito dall'aria).
  • Più forte:[] Se l'involucro si blocca durante la corsa, le forze sovrapposizioni aggiungono al peso sospeso, creando la condizione massima di tensione.
  • Cementing:[ Durante lo spostamento del cemento, la pressione e le variazioni di temperatura possono creare ulteriori carichi assiali attraverso la mongolfiera e gli effetti termici.
  • Operazioni di produzione:[] Non solo la pressione di rottura (resa interna) del tubo deve essere considerata quando si effettua questo calcolo, ma anche l'effetto della pressione di frattura idraulica interna e della rottura idraulica della velocità di iniezione sulla tensione, e la pressione interna durante la frattura idraulica provoca un effetto di palloncino sull'involucro di produzione che aggiunge al carico di tensione.

Calcolazioni assiali del carico

Per ogni sezione di involucro, calcolare il peso cumulativo dal fondo della stringa al punto di interesse. La formula di base per il carico assiale è:

Carico assiale = Σ (Peso per piede × Lunghezza) - Forza di galleggiamento + Sovrapposizione + Forza di trascinamento

Il fattore di galleggiamento (BF) è calcolato come:

BF = 1 - (ρ mud / ρ steel)

Quando ρ mud è la densità del fango e ρ steel è la densità dell'acciaio (tipicamente 65.5 ppg).

Il fattore di progettazione uniaxial per il design della tensione è 1.3. Alcuni operatori utilizzano fattori di progettazione più elevati o aggiungono un valore overpull fisso (comune 100.000 lbf) per tenere conto degli scenari di tubazioni bloccate.

Considerazioni di forza comune

La maggior parte dei guasti dell'involucro si verificano alle connessioni, e questi guasti possono essere attribuiti a un design improprio o all'esposizione a carichi superiori alla capacità nominale. La connessione (coupling o giunto filettato) deve essere valutata separatamente dal corpo del tubo, poiché spesso ha una resistenza inferiore rispetto al tubo stesso.

L'efficienza comune è definita come il rapporto tra resistenza alla trazione congiunta e resistenza alla trazione del corpo del tubo. Le connessioni API standard hanno tipicamente efficienze articolari del 60-80%, mentre le connessioni premium possono raggiungere l'efficienza del 100%.

Passo 5: Valutare gli effetti di carico biassiale e triassiale

Il passo finale è un controllo sulle riduzioni biassiali della resistenza alla rottura e della resistenza al collasso causata da carichi di compressione e tensione, rispettivamente, e se queste riduzioni mostrano la forza di qualsiasi parte della sezione per essere inferiore al potenziale carico, la sezione dovrebbe essere nuovamente aggiornata.

Comprensione del carico combinato

I calcoli sui carichi di servizio sono fatti per garantire che le sollecitazioni incrementali triassiali nel corpo del tubo derivanti da cambiamenti di pressione, temperatura e carichi di punti applicati rispetto alla condizione "as-cemented", non causare il fallimento dell'involucro. In realtà, l'involucro è raramente sottoposto a un singolo tipo di carico in isolamento.

Gli effetti biassiali principali includono:

  • La tensione assiale riduce la capacità del tubo di resistere alla pressione esterna. Questo effetto deve essere quantificati in punti critici in cui il carico di collasso è alto.
  • La compressione assiale (che può verificarsi a causa di espansione termica o di effetti di pressione) riduce la capacità di scoppio.
  • Analisi dello stress combinato:[] I criteri di guasto Von Mises o Tresca vengono utilizzati per valutare se le sollecitazioni combinate superano la resistenza alla resa del materiale.

Procedure di correzione biassiale

Ad ogni punto critico della stringa dell'involucro (tipicamente dove i carichi di design si avvicinano alle valutazioni dell'involucro), eseguire analisi biassiale:

  1. Identificare il carico assiale alla profondità di interesse
  2. Calcola lo stress assiale (σ axial = carico assiale / Area trasversale)
  3. Applicare fattori di correzione biassiale per i rating di scoppio o collasso
  4. Verificare che le valutazioni corrette superino ancora i carichi di progettazione con i fattori di sicurezza appropriati
  5. Grado di involucro di aggiornamento o peso se le valutazioni corrette sono insufficienti

L'effetto biassiale è più significativo nei pozzi profondi, nelle applicazioni ad alta pressione e nelle situazioni con differenziali di temperatura di grandi dimensioni.

Analisi dei secchi

Anche l'instabilità, cioè l'insorgenza di buckling viene verificata per cui la fibbia può verificarsi quando l'involucro sperimenta carichi di compressione elevati, in particolare in situazioni che coinvolgono:

  • Espansione termica durante la produzione o stimolazione
  • Effetti a palloncino indotti a pressione
  • Regolazione del cemento e idratazione
  • Forze di impostazione Packer

Le modalità di buckling elicoidale e di buckling sinusoidale devono essere valutate, in particolare per le lunghe sezioni non supportate di involucro in pozzi deviati.

Passo 6: Applicare Fattori di Design e Margine di Sicurezza

I fattori di progettazione forniscono margini di sicurezza per selezionare il grado appropriato del tubo dell'involucro. Un margine di sicurezza, noto anche come fattore di sicurezza, è sempre fornito nel design dell'involucro per consentire le variazioni future della resistenza dell'involucro, del carico e di altre forze sconosciute che possono essere incontrate.

Fattori di progettazione standard di industria

I fattori di progettazione rappresentano il rapporto tra la capacità nominale dell'involucro e il carico di progettazione calcolato, fornendo un margine di sicurezza per tener conto delle incertezze nelle previsioni di carico, delle proprietà materiali, delle tolleranze di produzione e delle condizioni impreviste.

Tipici fattori di progettazione API sono:

  • Burst:[ 1.1 (alcuni operatori utilizzano 1.0-1.25 a seconda delle condizioni benefiche)
  • Collasso:[ 1.0-1.125 (il fattore più basso riflette il caricamento più prevedibile)
  • Tensione:[ 1.3-1.8 (il fattore più alto rappresenta gli scenari di tubazioni bloccate)
  • Forza comune:[ 1.6-1.8

L'uso di fattori di design eccessivamente elevati garantisce contro il fallimento, ma fornisce una forza eccessiva e, quindi, un aumento dei costi e l'uso di fattori di progettazione bassi richiede una conoscenza accurata dei carichi da imporre all'involucro in quanto vi è meno margine disponibile, e i valori aziendali selezionati per i fattori di progettazione sono un compromesso tra margine di sicurezza ed economia.

Selezione di fattori di progettazione appropriati

La selezione dei fattori di progettazione dovrebbe considerare:

  • Bene Complessità:[] Fattori più elevati per i pozzi di esplorazione, pozzi HPHT, o aree con pressioni di formazione incerte
  • Storia operativa:[] I fattori più bassi possono essere accettabili nei campi maturi con dati ben compensati estensivi
  • Requisiti regolamentari:[ Alcune giurisdizioni richiedono fattori di progettazione minimi
  • Conseguenza del fallimento:[ Fattori più elevati per le stringhe critiche (involucro di produzione) o aree sensibili all'ambiente
  • Considerazioni economiche:[ Equilibrio tra ottimizzazione della sicurezza e dei costi

Il design delle involucri è basato su una condizione di carico assunta, e il carico di progettazione assunto quindi, deve essere abbastanza grave che vi è una possibilità molto bassa di una situazione più grave realmente che si verifica e causando insufficienza dell'involucro.

Criteri di selezione dell'involucro

Una volta che i calcoli di carico sono completi e i fattori di progettazione applicati, inizia il processo di selezione dell'involucro effettivo. La selezione delle specifiche dell'involucro appropriate comporta il bilanciamento dei requisiti meccanici, del design e delle considerazioni economiche, guidate da standard quali API 5CT.

Selezione del grado di incastro

N80, L80, C90, T95, P110, Q125, V150 e altri gradi esistono, e in condizioni ben buone, diversi gradi involucri in acciaio hanno diversi punti di forza. Diversi gradi involucri hanno diversi punti di collasso, resistenza alla rottura e resistenza alla trazione, ed è quindi molto importante impostare un involucro a profondità, dove è in grado di resistere a stress collasso, a scoppio stress e stress alla trazione.

Gradi di involucro comuni e loro applicazioni tipiche:

  • H40, J55, K55:[ Gradi di resistenza inferiori adatti per applicazioni basse e basse di pressione con rischio di corrosione minimo
  • N80:[] Il grado più comune per profondità intermedie e pressioni moderate; buon equilibrio di forza e costo
  • L80:[] Resistenza simile a N80 ma con una migliore resistenza allo stress sulfide per il servizio acido
  • C90, T95:[] Gradi di resistenza più elevati per pozzi più profondi o applicazioni di pressione più elevate
  • P110:] Grado ad alta resistenza per pozzi profondi e ad alta pressione; comunemente usato involucro di produzione
  • Q125, V150:[ Gradi di resistenza ultra-alti per applicazioni HPHT estreme

Involucro di peso e spessore della parete

Per qualsiasi dato formato e grado dell'involucro, sono disponibili più pesi (spessori della parete) e più pesanti sono dotati di una maggiore scoppio, collasso e capacità di trazione, ma a costi più elevati e di un diametro interno ridotto.

Poiché le condizioni di carico in un pozzo tendono a variare con profondità, è spesso possibile ottenere un design involucro meno costoso con diversi pesi, gradi e accoppiamenti in una singola stringa di involucro. Questo approccio, chiamato combinazione di progettazione stringa, ottimizza i costi utilizzando involucro di resistenza superiore solo dove necessario.

Tipo di connessione Selezione

Le connessioni di incavo cadono in tre categorie principali:

API collegamenti filettati rotondi:[] Collegamenti filettati e accoppiati standard con accoppiamenti separati. Questi sono i più economici ma hanno una capacità di tenuta a pressione limitata e una minore efficienza articolare (tipicamente 60-80%).

API Buttress Thread Connections:[] Più forte del filo rotondo con una migliore tenuta, comunemente usato per applicazioni di pressione superiore.

Connessioni precedenti:[] I collegamenti speciali sono utilizzati per raggiungere l'affidabilità di tenuta a tenuta stagna e l'efficienza di connessione al 100% (l'efficienza di unione è definita come un rapporto di resistenza alla trazione congiunta alla resistenza alla trazione del corpo del tubo) in condizioni più severe e ben proprietà.

Requisiti di resistenza alla corrosione

In ambienti corrosivi, anche il rivestimento richiede resistenza alla corrosione. I pozzi che producono o incontrano fluidi corrosivi richiedono una particolare considerazione:

  • Sour Service (H2S):[] Usare L80, C90, o gradi superiori con resistenza a screpolamento dello stress sulfido.
  • CO2 Corrosione:[] Considerare leghe resistenti alla corrosione (CRA) come 13Cr, acciaio inossidabile duplex, o super duplex per ambienti CO2 gravi.
  • Cloride Ambienti:[ Le alte concentrazioni di cloruro possono causare la rottura della corrosione di pitting e stress; CRA può essere richiesto.
  • Consentimento di corrosione:[] Aggiungi spessore della parete extra (tipicamente 0.125-0.250 pollici) per tenere conto della perdita di metallo sulla vita del pozzo, o applicare rivestimenti protettivi e inibitori.

Considerazioni di dimensione e di trasparenza

Il diametro interno della stringa di involucro finale (o penultima in alcuni casi di completamento del liner) deve ospitare il tubo di produzione e hardware associato come i confezionatori, i mandrini di sollevamento del gas e le valvole di sicurezza della subsuperficie.

La selezione delle dimensioni dell'involucro deve essere considerata:

  • Taglia del bit di perforazione per la sezione successiva del foro
  • Dimensioni e attrezzature di completamento del tubo di produzione
  • Sgomberi degli strumenti di cemento
  • Requisiti di assegnazione degli strumenti
  • Il futuro lavoro o le esigenze di intervento

Ottimizzazione economica

Scegliendo all'inizio i pesi e i gradi meno costosi di involucro che soddisferanno il carico di scoppio, e l'aggiornamento solo come richiesto dalla sequenza prescritta, il disegno risultante sarà il più economico possibile che possa soddisfare i requisiti di carico massimi.

Le strategie di ottimizzazione dei costi includono:

  • Strings di combinazione:[] Usare più gradi e pesi in una singola stringa, posizionando l'involucro di resistenza superiore solo quando necessario
  • Programmi lineari:[] Utilizzare liners invece di stringhe full budello dove appropriato ridurre i costi materiali
  • Disponibilità materiale:[] Considerare i tempi di consegna e la disponibilità di particolari gradi e dimensioni
  • Costi di vita-ciclo:[ Costo iniziale di involucro di equilibrio contro i potenziali costi di fallimento e le spese di lavoro correttive

Il design deve fornire integrità meccanica basata su casi di carico prevedibili incontrati durante la vita del pozzo, e il costo del pozzo deve essere economico.

Metodologia di progettazione e flusso di lavoro

Per valutare correttamente i carichi imposti su diversi tipi di disegni, ogni tipo deve essere considerato separatamente, tra cui l'involucro di superficie, l'involucro intermedio, l'involucro intermedio con una foratura, le forature, l'involucro di perforazione, l'involucro di produzione, e il carico per la rottura deve essere considerato prima, poiché l'esplosione detta il disegno per la maggior parte della stringa.

Sequenza di progettazione consigliata

Seguire questo flusso di lavoro sistematico per un design completo dell'involucro:

  1. Design preliminare:[] Numero di calcolo delle stringhe di involucro, profondità di impostazione approssimativa e dimensioni basate sulla pressione dei pori e sull'analisi dei gradienti di frattura
  2. Raccolta dati:[ Raccogli tutti i dati, le proprietà di formazione, i parametri operativi e i requisiti normativi
  3. Analisi del carico:[] Calcola i carichi di scoppio per scenari peggiori; seleziona i gradi di involucro e i pesi preliminari per soddisfare i requisiti di scoppio con i fattori di progettazione appropriati
  4. Analisi del carico del collo:[ Valutare i carichi di collasso; aggiornare le sezioni dell'involucro se i requisiti di collasso superano le selezioni di scoppio
  5. Analisi del carico di tensione:[ Calcola i carichi assiali, inclusi il peso sospeso, la resistenza e il sovrapprezzo; verifica che l'involucro e le connessioni selezionate soddisfino i requisiti di tensione
  6. Analisi Biaxial:[] Controllare gli effetti di carico combinati in punti critici; aggiornare le sezioni se le correzioni biassiali riducono la capacità di carico sotto i carichi di progettazione
  7. Selezione della connessione:[] Scegliere i tipi di connessione appropriati in base ai requisiti di tenuta della pressione, alle richieste di trazione e alle condizioni operative
  8. Considerazioni speciali:[ Indirizzo corrosione, usura, effetti di temperatura, buckling, e qualsiasi condizione di bene unico
  9. Ottimizzazione economica:[] Progettazione di revisione per le opportunità di ottimizzazione dei costi, mantenendo i margini di sicurezza
  10. Documentazione:[] Preparare il report dettagliato del disegno dell'involucro con tutti i calcoli, le ipotesi e le giustificazioni

Software di progettazione e strumenti

Il design moderno dell'involucro impiega tipicamente software specializzato che automatizza i calcoli e fornisce analisi di carico grafico.

  • Valutazione rapida di scenari di progettazione multipli
  • Applicazione automatica delle formule API e dei fattori di progettazione
  • Rappresentazione grafica dei profili di carico e delle valutazioni dell'involucro
  • Database delle proprietà dell'involucro e delle caratteristiche di prestazione
  • Capacità di analisi dello stress biassiale e triassiale
  • Caratteristiche di stima e ottimizzazione dei costi
  • Generazione di report e documentazione

Tuttavia, gli ingegneri devono comprendere i principi sottostanti e verificare le uscite del software, poiché gli strumenti automatizzati possono produrre risultati errati se gli input sono errati o le ipotesi sono inadeguate.

Considerazioni di progettazione speciali

Pozzi ad alta temperatura ad alta pressione (HPHT)

I pozzi HPHT presentano sfide uniche che richiedono approcci di design accresciuti:

  • Effetti di temperatura:[[] Le alte temperature riducono la resistenza alla resa dei materiali e influiscono sulla resistenza al collasso.
  • L'espansione termica:[ I differenziali di temperatura grandi causano carichi assiali significativi a causa dell'espansione termica.
  • Pressure Integrity:[ Le condizioni HPHT richiedono connessioni premium con guarnizioni metalliche e fattori di design più elevati.
  • Selezione materiale:[[] Gli acciai di alta qualità (P110, Q125, V150) sono tipicamente richiesti, con attenzione attenta alla durezza materiale e alla duttilità a temperature elevate.

Pozzi direzionali e orizzontali

I pozzi deviati e orizzontali presentano complessità aggiuntive:

  • Torque and Drag:[] L'attrito tra involucro e pozzo crea forze di trascinamento significative che devono essere aggiunte ai calcoli di tensione.
  • Bending Stress:[] I cani e la curvatura benbore creano tensioni di piegatura che si combinano con carichi assiali e di pressione.
  • Buckling:[ Le sezioni orizzontali e altamente deviate sono soggette a un buckling elicoidale quando sono soggette a carichi di compressione.
  • Indossare usura dalla rotazione delle stringhe di trapano può ridurre significativamente lo spessore della parete in sezioni curve, richiedendo assegni di usura o misure di protezione.

Considerazioni di fratturazione idrauliche

I pozzi progettati per la frattatura idraulica richiedono un'attenzione particolare:

Prima della frattura idraulica di un pozzo, deve essere calcolata la pressione massima consentita di frattura superficiale, e i gradienti fluidi all'interno e all'esterno del tubo sono necessari per fare questo calcolo, e non solo deve la pressione di scoppio (resa interna) del tubo essere considerato durante il calcolo ma anche l'effetto della pressione di frattura idraulica interna e del tasso di iniezione di frattura idraulica sulla tensione.

  • Pressure Cycling:[ I cicli di pressione ripetuti durante la fratturazione multistadio possono causare danni alla fatica
  • Il colpo termico:[ I fluidi di frattatura a freddo creano stress termici e potenziale buckling
  • Effetti di base:[ L'elevata pressione interna provoca un'espansione radiale che crea una tensione assiale aggiuntiva
  • L'integrità della connessione:[ I collegamenti premium sono tipicamente necessari per mantenere l'integrità della tenuta attraverso più fasi di frac

Pozzi geotermici e iniezioni

I pozzi geotermici e ad iniezione affrontano sfide uniche:

  • L'imbottitura termica:[ I cicli di riscaldamento e raffreddamento ripetuti creano stress di fatica
  • Fluidi corrosivi:[ Le brine geotermiche e i fluidi ad iniezione possono essere altamente corrosivi, richiedendo CRA o misure protettive
  • Integrity a lungo termine:[ Questi pozzi spesso operano per decenni, richiedendo un design conservatore e una resistenza alla corrosione
  • L'espansione termica:[ Le grandi variazioni di temperatura creano carichi assiali significativi che devono essere alloggiati

Garanzia di qualità e verifica

I processi di garanzia della qualità rigorosi garantiscono che il design dell'involucro soddisfi tutti i requisiti e che l'involucro installato funzioni come previsto.

Recensione e verifica del design

Tutti i disegni dell'involucro devono subire una revisione tecnica indipendente:

  • Comunicazione della gente:[] Gli ingegneri esperti esaminano i calcoli e le ipotesi
  • Analisi della sensibilità:[] Valutare come il design risponde alle variazioni dei parametri chiave
  • Verifica della situazione:[] Confermare che gli scenari peggiori sono stati adeguatamente identificati e affrontati
  • Conformità regolamentare: Verificare che il design soddisfi tutte le normative e gli standard applicabili
  • Lezioni imparate:[] Incorpora le conoscenze dai pozzi compensati e dalle operazioni precedenti

Ispezione e Test dei materiali

La qualità del materiale incassibile influisce direttamente sulla buona integrità:

  • Certificazione API:[] Verificare che tutto il bossolo soddisfi le specifiche API 5CT con i report di test del mulino appropriati
  • Ispezione dimensionale:[ Controllare diametro esterno, spessore della parete e misurazioni della lunghezza
  • Tro ispezione:[ Ispezione della qualità e delle dimensioni del thread, in particolare per i collegamenti premium
  • Test non distruttivo:[ Ispezione ultrasuonica o elettromagnetica per rilevare i difetti di fabbricazione
  • Test di astinenza:[ Verificare la durezza del materiale per applicazioni di servizio aspro

Controllo qualità di installazione

L'installazione corretta è fondamentale per raggiungere le prestazioni di progettazione:

  • Procedura di esecuzione:[] Seguire le pratiche consigliate per la gestione dell'involucro, la coppia di trucco e la velocità di esecuzione
  • Trucco di connessione:[] Utilizzare le tong calibrate e le procedure di trucco adeguate per ottenere valori di coppia specificati
  • Monitoraggio del processo:[ Mantenere il riempimento corretto dell'involucro per evitare il collasso durante la corsa
  • Qualità di approvvigionamento:[ Assicurare un corretto posizionamento del cemento e qualità dei legami attraverso i registri di valutazione del cemento
  • Test di pressione:[ Condurre test di pressione per verificare l'integrità dell'involucro e della connessione

Errori di progettazione comune e come evitare di loro

Comprendere le trappole comuni aiuta gli ingegneri ad evitare errori costosi:

Analisi del carico inadeguato

  • Errore:[]] Non considerare tutti gli scenari di carico possibili o utilizzando ipotesi irrealistiche
  • Soluzione:[] Valuta sistematicamente tutte le fasi operative e le condizioni peggiori; convalida le ipotesi contro i dati di bene offset

Ignorando gli effetti biassiali

  • Errore:[] Progettazione per scoppio, collasso e tensione indipendentemente senza considerare gli effetti di carico combinati
  • Soluzione:[] Eseguire sempre analisi biassiale in punti critici dove i carichi si avvicinano alle valutazioni dell'involucro

Fattori di progettazione insufficienti

  • Errore:[] Usando fattori di design eccessivamente aggressivi (bassi) per ridurre i costi
  • Soluzione:[[] Applicare i fattori di progettazione standard del settore come valori minimi; aumentare i fattori per condizioni incerte o applicazioni critiche

Connessione Overlooked

  • Errore:[] Concentrandosi solo sulla resistenza del corpo del tubo, trascurando la capacità di connessione
  • Soluzione:[[] Verificare sempre che le connessioni soddisfino o superino i requisiti del corpo del tubo; considerare connessioni premium per applicazioni critiche

Corrosione sottovalutata

  • Errore:[] Indennità di corrosione insufficiente o selezione materiale inappropriata per ambienti corrosivi
  • Soluzione:[] caratterizzare con cura i fluidi di formazione; applicare adeguate indennità di corrosione o utilizzare CRA quando necessario

Effetti di temperatura ignorati

  • Errore:[] Non tenere conto degli effetti della temperatura sulle proprietà materiali e sull'espansione termica
  • Soluzione:[[] Applicare i fattori di deperimento della temperatura; analizzare i carichi termici per i pozzi HPHT e le operazioni di stimolazione

Standard e Referenze di Industria

Il design delle involucri dovrebbe rispettare gli standard e le migliori pratiche del settore riconosciuto:

API Standards

API 5C3, "Calcolando Performance Properties of Pipe Usato in Oil and Natural Gas Industries", fornisce metodi per calcolare le proprietà di prestazione (burst, collasso e tensione assiale) di involucro e tubazione, e API TR 5C3 (Technical Report) e API RP 5C1 (Recommended Practice) offrono una guida sulle considerazioni di progettazione, e talvolta, API 5CT è anche riferimento per specifiche di materiale e connessioni.

Gli standard API principali includono:

  • API 5CT:[ Specifica per materiali di involucro e tubazione, dimensioni e requisiti di prova
  • API 5C3:[] Formula e calcoli per le proprietà di prestazione dell'involucro
  • API RP 5C1:[ Pratica consigliata per la cura e l'uso di involucro e tubazione
  • API TR 5C3:[] Rapporto tecnico sulle equazioni e calcoli per il design dell'involucro
  • API Spec 5B:[ Filettatura, ispezione di filettatura e tubazione

Standard e Linee guida aggiuntive

  • NACE MR0175/ISO 15156:[ Materiali da usare negli ambienti contenenti H2S nella produzione di petrolio e gas
  • ISO 10400:[] Industria petrolifera e del gas naturale - equazioni e calcoli per la progettazione dell'involucro
  • SPE Pubblicazioni:[ Società di Petroleum Engineers carte tecniche e monografie sul design dell'involucro
  • Norme di funzionamento:[ Molti operatori hanno standard interni che possono essere più severi rispetto ai requisiti API

Risorse consigliate

Gli ingegneri dovrebbero consultare riferimenti autorevoli per una guida dettagliata:

  • Norme API e pratiche raccomandate (disponibili al https://www.api.org)
  • Libri di testo SPE su ingegneria di progettazione e involucro
  • Industria di carte tecniche e studi di casi
  • Manuali tecnici del produttore e guide di design
  • Linee guida e requisiti dell'agenzia regolamentare

Esempio pratico: progettazione di incassi di superficie

Per illustrare il processo di progettazione, si consideri un esempio di progettazione di un involucro di superficie semplificato:

Parametri

  • Profondità dell'involucro di superficie: 3.000 ft
  • Dimensione del foro: 17-1/2 pollici
  • Dimensioni della cassa: 13-3/8 pollici
  • Peso massimo del fango: 12.0 ppg
  • Pressione del poro di formazione alla scarpa: 0,52 psi/ft (10.8 ppg equivalenti)
  • Gradente di frattura a scarpa: 0.78 psi/ft (16.2 ppg equivalenti)
  • Gradente di gas: 0,10 psi/ft

Calcolo del carico di bufera

Caso peggiore: Involucro riempito a gas con pressione di formazione a scarpa

  • Pressione interna in superficie: Pressione di formazione - Colonna di gas = (0.52 × 3.000) - (0.10 × 3.000) = 1,560 - 300 = 1.260 psi
  • Pressione esterna in superficie: 0 psi (supposta conservativo)
  • Carico di ruggine in superficie: 1.260 psi
  • Pressione di scoppio del design: 1.260 × 1.1 (fattore di progettazione) = 1,386 psi

Calcolo del carico di colata

Caso peggiore: Involucro vuoto con cemento e fango all'esterno

  • Pressione esterna a 3.000 ft: Cemento (16.0 ppg) da 3.000 a 500 ft + fango (12.0 ppg) da 500 ft a superficie
  • Pressione esterna = (16.0 × 0.052 × 2.500) + (12.0 × 0.052 × 500) = 2,080 + 312 = 2,392 psi
  • Pressione interna: 0 psi (involucro vuoto)
  • Carico di colata: 2,392 psi
  • Pressione di collasso del design: 2,392 × 1.125 = 2,691 psi

Calcolo del carico di tensione

Caso peggiore: Involucro sospeso in aria (senza galleggiamento) con sovrapposizione

  • Assumere 68 lb/ft peso involucro
  • Peso sospeso: 68 × 3.000 = 204.000 lbf
  • Indennità di sovrapposizione: 100.000 lbf
  • Tensione totale: 304.000 lbf
  • Tensione di progettazione: 304.000 × 1.6 = 486.400 lbf

Selezione delle involucri

In base a questi requisiti, selezionare 13-3/8 pollici, 68 lb/ft, N-80 involucro con connessioni appropriate.

  • Punteggio del petto superiore a 1,386 psi
  • La valutazione del collo supera i 2,691 psi
  • Resistenza alla trazione superiore a 486.400 lbf
  • La resistenza alla connessione soddisfa i requisiti di tensione

Questo esempio semplificato dimostra il processo di base. I progetti effettivi richiedono un'analisi più dettagliata, tra cui gli effetti biassiali, i casi di carico multipli e l'ottimizzazione per i costi.

Tendenze future nel design delle involucri

Il design delle involucri continua ad evolversi con l'avanzare della tecnologia e le mutevoli esigenze del settore:

Materiali avanzati

  • Leghe ad alta performazione:[] Sviluppo di nuovi gradi di acciaio e leghe resistenti alla corrosione con migliori rapporti di resistenza-peso
  • Materiale composito:[] Ricerca in compositi rinforzati con fibra per applicazioni specifiche
  • Tecnologie di trattamento:[ Rivestimenti interni ed esterni avanzati per la protezione della corrosione e la riduzione dell'attrito

Tecnologie digitali

  • Monitoraggio del tempo reale:[ Sensori ottici fibra e sistemi di monitoraggio del downhole per la valutazione continua dell'integrità dell'involucro
  • Imparare la macchina:[] Ottimizzazione basata sull'intelligenza artificiale del design dell'involucro utilizzando dati storici e analisi predittiva
  • Gemelli digitali:[ Modelli virtuali di pozzi per la simulazione e l'ottimizzazione durante il ciclo di vita

Considerazioni di sostenibilità

  • Efficienza materiale:[ Progetti ottimizzati che minimizzano l'uso del materiale mantenendo la sicurezza
  • Riciclabilità:[ Considerazione dello smaltimento e del riciclaggio dell'involucro end-of-life
  • Carbon Footprint:[ Valutazione delle emissioni di produzione e di trasporto nella selezione dei materiali

Conclusioni

Una buona conoscenza del calcolo dello stress è molto essenziale nel design dell'involucro, e durante il design dell'involucro, vari modi di involucro di guasto dell'involucro devono essere identificati e gestiti con attenzione in modo che l'involucro selezionato all'interno di un segmento ben sia in grado di resistere a tutte le modalità di guasto.

Questa guida completa ha coperto i passaggi essenziali nel design dell'involucro, dalla raccolta iniziale dei dati attraverso calcoli di carico, applicazione del fattore di progettazione e selezione finale dell'involucro. Il successo richiede analisi sistematiche, comprensione approfondita dei meccanismi di carico, applicazione corretta degli standard del settore, e attenzione attenta a considerazioni speciali come corrosione, effetti della temperatura e carico combinato.

In generale, ogni stringa di involucro è progettata per resistere alle condizioni di carico più severe previste durante il posizionamento dell'involucro e la vita del pozzo, e le condizioni di carico che sono sempre considerate sono involucri di scoppio, collasso dell'involucro e tensione dell'involucro.

Ricordate che il design dell'involucro è sia una scienza che un'arte. Mentre i calcoli e gli standard forniscono la base tecnica, l'esperienza, il giudizio e le lezioni apprese dalle precedenti operazioni sono altrettanto importanti. L'apprendimento continuo, che rimane corrente con gli sviluppi del settore, e l'apprendimento da entrambi i successi e i guasti migliorerà le vostre capacità come ingegnere del design dell'involucro.

Per ulteriori informazioni sugli standard di progettazione e sulle best practice, consultare l'American Petroleum Institute https://www.api.org] e la Society of Petroleum Engineers at https://www.spe.org]]. Queste organizzazioni forniscono l'accesso a standard tecnici, pratiche consigliate, corsi di formazione e biblioteche di approfondimento dei principi tecnici.