بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله شبیه سازی اجزای محدود - با استفاده از بسته نرم افزاری انسیس - بر روی مدل بدون عیب و همچنین مدل دارای عیب - با توجه به عیوب مربوط به شرایط کاری لوله حفاری - انجام گردیده است. در ابتدا شبیه سازی استاتیکی، برای یافتن نقطه بحرانی ، ماکزییم تنش و تمرکز تنش موجود در اکسترنال-اینترنال لوله حفاری لحاظ شده است. سپس به تعیین درصد عمر خستگی تا شکست به ازای زوایای انحراف مختلف در تکنولوژی حفاری جهتدار، با توجه به نتایج آنالیز تمرکز تنش و شبیه سازی خستگی پرداخته 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 فرمول بندی خستگی محض برای 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. 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 -
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.
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:
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:
که در آن Nfi تعداد سیکل تا خرابی می باشد.
-1-3 مدل عددی برای شبیه سازی خستگی محض بر روی اکسترنال-اینترنال آپست لوله حفاری
در این آنالیز اقدام به ایجاد مدل دو بعدی با تقارن محوری به طول 30 سانتیمتر از اکسترنال-اینترنال آپست لوله حفاری S-135 با توجه به استاندارد ای.پی.آی شده است. استفاده از مدل با تقارن محوری در مقایسه با مدل سه بعدی اش موجب کاهش بسیار زیاد در زمان مدل سازی و نیز زمان تحلیل می گردد. بعلاوه با مقایسه نتایج با مقدار تجربی مشاهده گردید خطای بسیار اندکی خواهد داشت. علت این امر که مدل 30 سانتیمتر انتخاب شده است این امر میباشد که به دلیل کم شدن ضخامت لوله در مقایسه با طول آن درصورت بیشتر شدن طول، المانها مورد استفاده از فرم استاندارد خارج شده و خطای محاسباتی افزایش مییابد. سایر خواص و ابعاد هندسی مدل به شرح زیر می باشد:
