Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Characterization of viscoelastic properties of an epoxy composite and simulation of time dependent deformation of an annulus seal under load.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.).
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

A new sealing stand-alone tool, i.e. CannSeal to produce a barrier packer or zonal isolation in oil/gas wells has been developed by a Norwegian company (AGR CannSeal AS). The tool allows injection of a fluid into the annulus between the production casing and the surroundings in an oil/gas well. After injection the fluid will solidify and form an annulus solid plug which will prevent/reduce axial flow in the annulus volume. During operation and testing of well integrity the plug may be subjected to high pressure gradients, e.g. 250 bar.

AGR CannSeal has developed epoxy formulations for different applications for use with the CannSeal tool. After curing the epoxy will form a solid, or more specifically a cross-linked polymer. Since the epoxy plug may be exposed to large differential pressure for long times it is of great interest to study the viscoelastic properties and estimate the severity of the time dependent deformation (creep) by FEA simulations, considering the load scenarios expected in an oil or gas well.

An annulus shaped epoxy plug intended for use as a barrier seal at 70°C was manufactured by injection of an epoxy formulation at 70°C and 150 bar hydrostatic pressure into the annulus of two steel tubings (5 1/2" and 9 5/8") on top of a defect packer. Curing was interrupted after 3 weeks well beyond the Gel point. Test specimens were prepared and subjected for post-curing at 120°C for 2 days after which extensive material testing at 70°C was performed, i.e. tensile testing, relaxation testing, creep testing and compression testing. The degree of curing (conversion) was estimated to be 67 % and the glass transition to about 80°C by means of DMA, DSC and HFC.

Different material models were evaluated of which the Generalized Maxwell model, which assumes linear viscoelastic properties, was found to adequately describe all experimental results. The model parameters were determined by means of the method of Non-linear least squares.

FEA simulations were made using the model selected and the parameters determined. Two load cases, one simulating the most sever predicted load scenario of an epoxy plug and the second simulating loading under ideal circumstances were evaluated. The simulations predicted that the most severe load case of the epoxy plug would have a safety factor of approximately 1.8 - 2,3 before reaching the estimated fracture strain, after one year of exposure to a differential pressure of 250 bar.

Abstract [sv]

Ett nytt sorts verktyg kallat CannSeal har utvecklats av ett norskt bolag (AGR CannSeal AS)för att skapa barriärpackningar och zon-isolation inom olje- och gasbrunnar. Verktyget tillåter injicering av en reaktiv vätska mellan produktionsröret och omgivande underlag i en olje-/gasbrunn. Efter injicering stelnar vätskan och formar en solid annulär epoxitätning som förhindrar eller minskar axiella flöden i utrymmet. Under användning och testning av brunnintegriteten kan tätningen utsättas för höga tryckgradienter som kan uppgå till 250 bar.

AGR CannSeal har utvecklat ett flertal olika epoxiformuleringar avsedda för olika typer av applikationer, som injiceras med CannSeal. Efter härdning kommer epoxin att forma en solid eller mer specifikt en tvärbunden polymer, en så kallad härdplast. Eftersom epoxitätningen är utsatt för höga tryckgradienter under långa perioder är det av stort intresse att undersöka de viskoelastiska egenskaperna och utgående från FEA simuleringar, simulera graden av tidsberoende deformation (krypdeformation) vid lastfall uppskattade att inträffa under applikation.

Ett annulärt formad epoxitätning avsedd till användning som barriärpackning vid 70oC, tillverkades via en inmatning av en epoxiformel vid 150 Bar hydrostatiskt tryck. Tätningen placerades mellan två stålrör (5 1/2" och 9 5/8"), befinnande ovanpå en redan befintlig defekt barriärspackning. Härdningen var avbruten efter 3 veckors tid och därför även långt efter uppnådd gelpunkt. Provstavar förberedes och utsattes för en efterhärdning vid 120oC under 2 dagars tid, efterföljt av omfattande mekaniskprovning vid 70oC. Provningen bestod av dragprov, relaxationsprov, krypprov samt kompressionsprov. Graden av härdning uppskattades till 67 % och en glasomvanlingstemperatur på cirka 80oC, uppskattningen utfördes med hjälp av DMA-, DSC- samt HFC-provning.

Olika materialmodeller evaluerades varav den Generaliserade Maxwell modellen valdes. Modellen ansätter linjära viskoelastiska egenskaper som passade bra med avseende på experimentella resultat. Modellens parametrar kalibrerades med hjälp av en olinjär-minstakvadratmetod.

Två typer av lastfall med FEA simuleringarna utfördes sedan med den definierade materialmodellen. Ena lastfallet skulle representera belastning under värst uppskattade förhållanden var den andra skulle modellera belastning under ideala förhållanden, i en olje-/gasbrunn. Simuleringarna visade att vid värsta förhållanden, under 1års belastning av 250 bar differentialtryck, skulle epoxitätningen ha en säkerhetsfaktor mellan 1.8 - 2,3 innan den estimerade brottöjningen är uppnådd.

Place, publisher, year, edition, pages
2014. , 97 p.
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-176400OAI: oai:DiVA.org:kth-176400DiVA: diva2:866714
External cooperation
Polymira AB
Subject / course
Solid Mechanics
Examiners
Available from: 2015-11-04 Created: 2015-11-03 Last updated: 2015-11-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(2667 kB)46 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2667 kBChecksum SHA-512
4e9447042a8be79d64f4765bfc5f37053fd5b678ff9b4b940b4ae1f11b13f2d71d571ceba459f5ee4c930a5dd99716e9ab126ad19672173d1d41672e56e3ab07
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Solid Mechanics (Dept.)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 46 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 96 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf