Numerical modeling and failure analysis of casing connections

Dependendo da magnitude, falhas na coluna de revestimento podem gerar grandes perdas econômicas e ambientais. Dada a complicada revisão e manutenção do revestimento durante a operação do poço, este deve ser projetado com robustez suficiente para suportar as solicitações em sua vida útil. As conexões de revestimento têm sido consideradas na literatura como os componentes mais propensos à falha. Testes são geralmente utilizados para qualificar a capacidade última das conexões no projeto de revestimento; porém, tendem a ser caros e demandam tempo considerável. Com o objetivo de diminuir os custos dos testes, modelos em elementos finitos são amplamente usados como alternativa e em complemento aos testes para avaliar o comportamento das conexões. Este trabalho apresenta um estudo de conexões de revestimento com base em modelos em elementos finitos, considerando a aplicação de torque de aperto, tração e pressão interna, tomando como caso de estudo uma conexão API 8 Round LTC 9 5/8 47 lb/ft L80. Na modelagem numérica adota-se axissimetría, a inclusão da elastoplasticidade com endurecimento isotrópico controlado pela superfície de falha de Von Mises, não linearidade geométrica e modelagem de contato para grandes deslizamentos com inclusão de fricção tangencial às superfícies de contato. Com uso de critérios mencionados na literatura e hipóteses de falha - principalmente dadas em função das pressões nos filetes, afastamento entre filetes e excessiva plasticidade - o modelo em elementos finitos desenvolvido foi utilizado para avaliar a capacidade da conexão ante os modos de falha por desacoplamento e vazamento. Os resultados da análise são satisfatórios quando comparados às resistências calculadas pela normativa API, e dados e observações experimentais presentes nas referências. Do estudo obtém-se um método para modelagem, que permite reproduzir os fenômenos observados em conexões de revestimento e estimar os modos de falha, podendo ser estendida a análise para conexões com diferentes geometrias. Este estudo é a base para pesquisas futuras sobre modelagem em elementos finitos de testes de conexões, definição de estados limites e de estudos de confiabilidade estrutural em conexões de revestimento de poço.Casing failures can potentially generate large economic losses and environmental damages, depending on their magnitude. Opportunities for casing evaluation and repair during operation are limited; hence, casing has to be designed with sufficient robustness to bear the loads applied during service life. Casing connections have been considered in the literature as the weak points of the casing column, following observed failures. Testing is generally used to qualify connections; however, they are expensive and demand a lot of time. Aiming to diminish the costs of testing, finite element models are widely used as an alternative and complement to tests to evaluate the behavior of casing connections. This work proposes to study casing connections using finite element models, considering the application of loads of make-up, traction, and internal pressure, taking for study case an API 8 Round LTC 9 5/8 casing connection. The finite element modeling assumed axisymmetry, elastoplastic material with isotropic hardening controlled by the Von Mises yielding surface, geometrical non linearity and inclusion of contact formulation for large slides and tangential frictional behavior between the casing connection mating surfaces. Using criteria mentioned in the literature - mainly in function of flank contact pressures, opening between flanks and effects of excessive plasticity - the developed finite element model was used to evaluate the capacity of the connection for jump-out and leakage failure modes. The results of the analyses were satisfactory when compared to the capacity calculated by the API standards, and experimental observations presented in the literature. From the study, a methodology is obtained for finite element modeling of casing connections, allowing study of the behavior and analysis of failure modes in casing connections, which can be extended for connections with different geometries. This study is the base for future investigations on finite element modeling of connection testing, on limit state definition for various failure modes, and for the study of structural reliability of casing connections