بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله که بر مبنای اجزای محدود و با استفاده از بسته نرم افزاری انسیس انجام گرفته است، اقدام به آنالیز تمرکز تنش و خستگی اکسترنال آپست لوله حفاری شده است. ابتدا با ایجاد مدل بدون عیب و مدل با عیوب مربوط به شرایط کاری اکسترنال آپست لوله حفاری، اقدام به یافتن نقطه بحرانی و ماکزییم تنش موجود شده سپس شروع به تعیین تمرکز تنش موجود در نقطه بحرانی شده است. در مرحله بعد اقدام به شبیه سازی خستگی جهت تعیین درصد عمر خستگی تا شکست به ازای زوایای انحراف مختلف در تکنولوژیی حفاری جهتدار شده است. نتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی تست خستگی لوله های حفاری مقایسه شده که سازگاری مناسبی داشته است.
-1 مقدمه
حفاری جهت دار نوعی از حفاری است که در آن مسیر چاه بر اساس نقشه ای معین و از پیش طراحی شده، برای رسیدن به ناحیه هدف از حالت عمودی منحرف می شود. این نوع حفاری زمانی انجام می شود که بنا به دلایلی هدف نهایی از محلی که بر روی زمین شروع به حفاری می کنیم به صورت جانبی دارای فاصله باشد. خرابی ها و شکست های ناشی از پدیده خستگی، عمده ترین علت خرابی و شکست لوله های حفاری در این نوع حفاری می باشد. بر مبنای مطالعات لابینسکی و هانسفورد[1]، دستور العمل ساده ای برای محاسبه آسیب خستگی تجمعی در رشته لوله حفاری جهت صنایع نفت، استاندارد [2] API، ارائه شده که تصویر مفیدی برای طراحی می دهد. اما این رهیافت کاملا" تجربی بوده و مبنای فیزیکی لازم برای در نظر گرفتن اثرات بار چند محوره را نیز ندارد. هاورد و همکارانش[3]، روش سیستماتیک برای دنبال کردن آسیب حاصل از خستگی تجمعی وارد بر هر قطعه اتصال لوله در هنگام حفاری چاه را ارائه نمودند، ولی این روش هم در اصل توسعه همان کار لابینسکی و هانسفورد [1]، بوده است. تیپتون [4]، معتقد است که روش های تحلیل خستگی مناسب روش تنش معادل، کرنش معادل، صفحه بحرانی و انرژی مبنا می باشند. چون روش صفحه بحرانی از سایر روش ها منطقی تر و برای پیش بینی عمر خستگی مورد انتظار در مناسب تر است. راشد و همکارانش[5]، مدلی تحلیلی برای پیشبینی عمر خستگی لوله حفاری پیشنهاد دادن. در این مدل از روش صفحه بحرانی که از دو پارامتر آسیب، یکی بر پایه دامنه کرنش برشی و دیگری بر پایه کرنش عمودی، استفاده شده است. در هر دو مورد اثر تنش عمودی بر صفحه بحرانی مورد نظر نیز، لحاظ شده است. همچنین در تحلیل ضرائب تمرکز تنش و کاهش استحکام خستگی به حساب آورده شده است.
راشد و همکارانش همچنین مدلی تحلیل برای محاسبه کرنشها و تنشهایی که لوله حفاری در طی عملیات حفاری تحمل میکند، ارائه داده اند و سپس مدل تحلیل خستگی پیشنهادی برای پیشبینی عمر لولههای حفاری، بکار برده شده است. دو برنامه کامپیوتری نیز که اولی جهت محاسبه بار و تنش در طول رشته حفاری و دومی برای محاسبه پیشبینی آسیب خستگی در چندین صفحه در طول رشته لوله حفاری و برای عمق حفاری معین بوده، تدوین و مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج تحلیل نشان میدهد که تطابق خوبی بین نتایج پیشبینی های انجام شده توسط مدل ارائه شده و دادههای تجربی وجود دارد. همچنین دیده میشود که گشتاورد پیچشی و ضریب تمرکز تنش - هم هندسی و هم ضرایی که مرتبط با عیوب سطحی میشوند - اهمیت زیادی داشته و باید در تحلیل خستگی لولههای حفاری در نظر گرفته شوند. مدل خستگی پیشنهادی با روش API نیز مقایسه شده و مشاهده میشود که چون مدل API گشتاور پیچشی را به حساب نمیآورد، نتایج مدل خستگی پیشنهادی نسبت به نتایج روش API، واقعیتر است. لین و همکارانش[6]،در سال 2011 مدل دو بعدی با تقارن محوری از اتصالات شانه دار لوله حفاری با توجه به روش اجزاع محدود که تحت ترکیبی از بارهای محوری، فشار داخلی و خارجی و گشتاور لازم برای اتصال ایجاد کردند. آنها با توجه به استاندارد ای.پی.آی تلرانسهای بهینه در موارد طول گام، زاویه رزوه، زاویه مخروط ابزار اتصال تعیین کردند و توانستند با توجه به نتایج حاصله یک ابزار اتصال با تلرانس بهینه ایجاد کنند. شکست لوله حفاری اغلب در اکتشافات نفت و در طی فرآیند، بخصوص در ناحیه تغییرات اتفاق می افتد. یانگانگ و همکارانش[7]، در سال 2011 به بررسی شکست در قسمت تغیرات لوله حفاری با کمک نرم افزار انسیس پرداختند. اساس مدل آنها بر روی ساختار لوله حفاری و حالت تنش در ناحیه تغیرات بود. نتایج آنالیز نشان داد این ناحیه ضعیفترین قسمت در سراسر لوله حفاری است. ایجاد سوراخ آپست ناحیه تغییرات یکی از علل اصلی شکست در لوله های حفاری است. زو و همکارانش[8]، در سال 2012 به بررسی علت به جلو افتادن شکست در لوله های حفاری از نقطه نظر فرسایش جریان پرداختند. میدان جریان سیال حفاری در داخل منطقه تغییرات لوله حفاری تحت شرایط مختلف از نظر فشار، سرعت، توزیع تنش برشی در دیواره لوله حفاری مدل شد. نتایج نشان داد که نوع سیال، دبی، لوله حفاری، طول ناحیه تغییرات، شعاع ناحیه تغییرات در فرسایش لوله حفاری موثرند. آذر و لاموس[9]، اثر غلظت سیال حفاری - PH - بر عمر خستگی لولههای حفاری با کلاس E و D را بررسی نمودند. آنها نشان دادند که PH کمتر از 9/5 عمر خستگی لولهها را به شدت کاهش میدهد.
-3 خستگی محض بر روی اکسترنال آپست لوله حفاری
لوله حفاری تحت تاثیر تنش های تنش کششی، تنش فشاری، تنش پیچشی و تنش خمشی قرار می گیرد. تنش کششی و خمشی بدترین تنش ها از چهار مورد فوق الذکر هستند، خمیدگی و دوران به تناوب حالتی که ما بین کشش و تراکم در مواضع مشخص مثل افزارهای پیوند و آپست لوله حفاری ایجاد می کنند. مهمترین عامل خستگی، خمیدگی چرخه ای است و آن هنگامی است حفاری جهتدار مد نظر باشد. علیرغم این حقیقت که وزن لازم برای حفاری طوری اعمال می شود تا از حالت کمانش و تغییر شکل دائمی - کژمژ شدن لوله - جلوگیری شود، خستگی در لوله حفاری رخ می دهد. وقتی که لوله حفاری در یک انحراف دوران می کند، در هر دور از دوران، هر طرف لوله حفاری یک چرخه تنشی کامل را طی می کند - یعنی از حالت کشش به حالت تراکم رفته و دوباره به حرکت قبلی باز می گردد - . اگر لوله 24 ساعت و با سرعت 100 دور در دقیقه دوران کند در هر شبانه روز 144000 دور خواهد چرخید و در ادامه کار در ظرف 7 روز بیش از یک میلیون تنش چرخه ای در لوله خواهد شد. لذا اگر تنش خمشی بیش از حد دوام فلز باشد لوله خیلی زود خواهد برید.
-1-3 فرمول بندی خستگی محض برای انواع آپست لوله حفاری:
مقدار وزنی که بر اثر خمش رشته حفاری درون ناحیه انحراف اعمال می گردد همانطور که در شکل - 1 - مشاهده می شود، تابع شدت انحراف است و از فرمول زیر - لوبینسکی - قابل محاسبه خواهد بود11]،.[10 - 1 - T b=63D×Wn× × tan - -
که در آن Tb پوند وزن خمش رشته حفاری، D قطر خارجی لوله حفاری بر حسب اینچ، اندازه زاویه انحراف در 100 فوت به درجه L معادل نصف طول لوله حفاری بر حسب پوند و T پوند وزن رشته حفاری زیر نقطه انحراف می باشد. ضریب k ، در معادله خمش لوبینسکی به صورت زیر می باشد. - 2 - K=√ × که در آن E ، مدول الاستیسیته فولاد می باشدو I ، ممان اینرسی می باشد که از رابطه زیر به دست می آید. - 3 - - D4-d - I= 64 ×
لابینسکی،عامل خستگی در لولههای حفاری را تنش خمشی سیکلی در ناحیه سگپا اعلام کرد و عنوان کرد که وزن رشته حفاری زیر ناحیه سگپا و شدت سگپا، نقش بسیار مهمی را در ایجاد تنشهای خمشی کششی ایفاء میکند. سپس این دانشمند روشی را برای تخمین خستگی لولههای حفاری در نواحی سگ پا و برای پارامترهای مختلف حفاری با استفاده از قوانین ماینر انجام داد. پیش شرط اساسی برای انجام آنالیز خستگی مدل استفاده از داده های تجربی که در شکل - - 2 بصورت نمودار S-N داده شده است. . نمودار نشان داده شده در شکل - - 2 بر اساس اطلاعات جمع آوری شده توسط شرکت هاگستول2 در مورد لوله های حفاری نوع E و D که در یک ماشین تست یک سرگیردار در هوای آزاد آزمایش شده اند، می باشد. این منحنی مقدار تنش تعداد سیکلها، غالبا منحنی S-N نامیده می شود. در نهایت لابینسکی، سه پارامتر مهم حفاری شامل سرعت چرخشی رشته R، نرخ نفوذ Vو طول بازههای سگپا d را بمنظور ارتباط تعداد سیکلهای خستگی با پارامترهای موثر خستگی استفاده نمود. تعداد دور - سیکل - لولههای حفاری را با فرمول زیر به این پارامتر با مرتبط نمود:
- 4 - 60× × ni=
سپس با فرض اینکه کل ناحیه سگپا با پارامترهای حفاری ثابت در یک عملیات حفاری حفر میگردد، میتوان خرابی ناشی از این فرآیند را بصورت زیر محاسبه نمود:
- 5 - × Di=
