FINITE ELEMENT MODELLING AND ANALYSIS OF CASING WEAR. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF FINITE ELEMENT MODELLING AND ANALYSIS .pdf Restricted to Repository staff only until 8 January 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

يُعدّ تآكل غلاف البئر أحد أبرز جوانب سلامة البئر عند حفر الآبار ذات الميل العالي والآبار الأفقية. في هذا النوع من الآبار، تتعرض سلسلة الحفر الدوارة والمنزلقة لأحمال جانبية مستمرة، لا سيما عند وصلات الأدوات. قد يؤدي هذا التلامس الممتد مع الغلاف خلال فترات طويلة من الدوران والانزلاق إلى فقدان موضعي للمادة (أخاديد التآكل) نتيجة الاحتكاك، مما قد يقلل الطاقة اللازمة لتفجير الغلاف أو انهياره. كما قد يُسهم ازدياد الاحتكاك وعزم الدوران والسحب الناتج عن أخاديد التآكل في زيادة المخاطر التشغيلية، مثل ضعف نقل الوزن وانحشار الأنابيب أثناء العمليات. تصف هذه الورقة نموذجًا ثلاثي الأبعاد (3D) للعناصر المحدودة، تم إنشاؤه باستخدام برنامج LS-DYNA، لمحاكاة تآكل غلاف سلسلة الحفر الناتج عن تلامس وصلات الأدوات مع الغلاف. أُجريت تحليلات منفصلة على نوعين محددين من أغلفة API 5CT، وهما L80 وP110، باستخدام هذا النموذج لتقييم أداء تآكل الغلاف لكل نوع. تم إنشاء نموذج مادة مرن-لدن لمحاكاة الخواص الميكانيكية للفولاذ، واستُخدم قانون أرتشارد لحساب حجم المادة المُزالة عبر آلية التآكل. أُجري تحليل بارامتري شامل لدراسة تأثير عدة متغيرات تُحدد عمق التآكل الفعلي (قيمة هذه المتغيرات هي إما سرعة دوران وصلة الأداة أو الحمل الجانبي العمودي المؤثر على الغلاف، بالإضافة إلى نوع سائل الحفر، ممثلاً بمعاملات احتكاك مختلفة). يتضح من هذا التحليل أن عمق التآكل الفعلي يزداد خطيًا مع مسافة الانزلاق كما هو مفترض في هذه الدراسة؛ ولذلك، فقد تبين أيضًا أن مُركبة الحمل الجانبي العمودي هي العامل البيئي الرئيسي المؤثر على مقدار التآكل، مقارنةً بالعوامل البيئية الأخرى التي لوحظت في جميع الظروف المختبرة في هذه الدراسة. تشير المقارنات بين السوائل إلى أن نوع السائل يؤثر بشكل كبير على مستوى الاحتكاك، كما يتضح من المقارنة بين معامل احتكاك الطين المائي (0.23) ومعامل احتكاك الطين الزيتي (0.18) في نفس ظروف التشغيل (115 دورة في الدقيقة، 1000 نيوتن)، مما يُظهر انخفاضًا في عمق التآكل بنسبة 40% تقريبًا. مع هذا الانخفاض الكبير في التآكل، يُشير ذلك إلى أن زيادة خاصية التزييت لسائل الحفر لا تُقلل من مقاومة السحب فحسب، بل تُؤثر أيضًا على شدة التلامس، مما يُؤثر في النهاية على معدل إزالة المواد. وُجد أن غلاف التغليف من نوع P110 أظهر عمق تآكل أقل من غلاف التغليف من نوع L80 في ظل نفس ظروف السرعة والحمل الجانبي، وذلك بسبب صلابته العالية. في ظروف التآكل القصوى (115 دورة في الدقيقة، 1400 نيوتن)، أظهر فولاذ P110 عمق تآكل أقل بنسبة 35.8% من فولاذ L80، بينما كان الفرق 5% عند (207 دورة في الدقيقة، 1000 نيوتن). ... تبين أن تأثير الأحمال المختلفة على عمق التآكل عند سرعة دوران 115 دورة في الدقيقة يتمثل في أنه مع زيادة الحمل، يزداد عمق التآكل، بينما تؤدي زيادة سرعة الدوران تحت حمل ثابت قدره 1000 نيوتن إلى انخفاض عمق التآكل، على الرغم من انخفاض معامل التآكل. ويعزى ذلك إلى زيادة مسافة الانزلاق. وقد حُسبت قيم معامل التآكل الجديدة باستخدام معادلات تربط عمق التآكل المُحاكى عند معامل التآكل التجريبي بعمق التآكل النهائي الفعلي للتجربة. يوفر نموذج LS-DYNA المُطور نموذجًا عدديًا واقعيًا لتقييم تأثيرات معامل الاحتكاك وظروف التشغيل ونوع مادة التغليف على تآكل التغليف. ويُعد هذا النموذج أداة تنبؤية مُعتمدة لتحسين تصميم التغليف وتخفيف مخاطر السلامة في بيئات الحفر المعقدة.

English Abstract

Casing wear is one of the most notable aspects of well integrity when drilling high inclination and horizontal wells. In these types of wells, the sustained side loads are applied to the rotating and sliding drill string, particularly at the tool joints. This extended contact with the casing during long intervals of both rotation and sliding can cause localized material loss (wear grooves) due to abrasion, which can decrease the energy required to burst or collapse the casing. Increased friction, torque, and drag due to wear grooves may also contribute to operational risks, such as impaired weight transfer and stuck pipe during operations. This paper describes a three-dimensional (3D) finite element model created using the LS-DYNA software program to simulate drill-string casing wear caused by tool-joint contact with the casing. Separate analyses were performed on two specific API 5CT casing grades, L80 and P110, using this model to evaluate casing wear performance for each type. An elastic-plastic material model was created to simulate the mechanical properties of the steel, and Archard's Law was used to compute the volume of material removed by wear. A complete parametric analysis has been completed to examine the effect of several variables that determine the actual wear depth (the value of these variables was either the rotational speed of the tool joint or the normal side-load acting against the casing, as well as the type of drilling fluid, represented by different friction coefficients). It is evident from this analysis that the actual wear depth increases in a linear fashion with respect to slide distance as assumed for this work; therefore, it has also been shown that the normal side-load component is the primary environmental factor influencing the amount of wear experienced, as compared with other environmental components as observed throughout the range of conditions tested in this study. Comparisons between fluids indicate that the fluid type significantly affects the friction level experienced, as evidenced by the comparison between the water-based mud (WBM) friction coefficient (0.23) and the oil-based mud (OBM) friction coefficient (0.18) at the same operational conditions (115RPM, 1000N), showing a decrease in wear depth of approximately 40%. With such a large decrease in wear, this indicates that increasing the lubricity of drilling fluid provides the means to not only reduce drag but also affect the severity of contact, which ultimately impacts the rate of material removal. It was found that P110 casing grade exhibited lower wear depth than L80 under the same speed and side load conditions, because of its higher hardness. At extreme wear conditions (115RPM, 1400N), P110 steel showed 35.8% less wear depth than L80 steel, while the difference was 5% at (207RPM, 1000N). The effect of different loads on wear depth at 115RPM was found to be that as the load increased, the wear depth increased, whereas increasing the rotational speed under a fixed load of 1000N decreased wear depth, despite a decrease in the wear factor. This can be attributed to the increased sliding distance. The new wear factor values were calculated using equations that relate the simulation wear depth at the experimental wear factor to the actual final wear depth of the experiment. The LS-DYNA model that was developed provides a realistic numerical model to evaluate the effects of COF and operating conditions, and casing material grade on casing wear. The model serves as a validated predictive tool for optimizing casing design and mitigating integrity risks in complex drilling environments.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Merah, Necar A.
Committee Members:	Abubakar, Abba A. and Al-Badour, Fadi A.
Depositing User:	IMAN ONSA (g202302910)
Date Deposited:	08 Jan 2026 06:37
Last Modified:	08 Jan 2026 06:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144003