Probabilistic leakage resistance envelopes of casing connections

O projeto probabilístico do revestimento de poços é uma tendência mundial, que visa otimizar as margens de segurança e viabilizar o projeto de poços ultraprofundos, em condições adversas de carga, com riscos controlados. Para abordagem do projeto probabilístico de poços são necessárias as definições estatísticas das cargas e da resistência dos tubos e conexões de revestimento. Estatísticas das cargas são regionais e sua estimativa é difícil de generalizar. Por outra parte, estatísticas para resistência dos tubos têm sido verificadas e procedimentos para abordar probabilisticamente os modos de falha por colapso e ruptura já estão incluídos em normas técnicas. No entanto, a maioria dos incidentes reportados são atribuídos à falha de conexões. Especificamente, o modo de falha por vazamento em conectores preocupa a indústria, pois é uma falha de serviço que pode passar despercebida, mas que rompe a integridade do poço. Abordagens probabilísticas da resistência de conexões são limitadas. Para modo de falha por vazamento, não existem abordagens consistentes para avaliação probabilística da estanqueidade. Em consequência, o projeto probabilístico não pode ser desenvolvido integralmente. Neste contexto, esta tese investiga as propriedades estatísticas da estanqueidade de conexões de revestimento. Propriedades estatísticas são quantificadas através de métodos que possibilitam a construção de envoltórias probabilísticas da resistência. Modelos axissimétricos em elementos finitos são desenvolvidos e empregados na avaliação das pressões de contato na rosca para solicitações de torque de aperto, carga axial e pressão interna. Adicionalmente, critérios são propostos para avaliar a estanqueidade de conexões API 8 Round, com base nas pressões de contato na rosca. O método proposto para estimativa das envoltórias probabilísticas baseia-se na avaliação extensiva de modelos em elementos finitos axissimétricos, considerando as variações geométricas decorrentes das tolerâncias de manufatura. Amostras de estanqueidade são estimadas para variações individuais e cruzadas dos parâmetros geométricos. A construção de envoltórias é tratada de duas maneiras: uma aproximação baseada no conjunto de amostras de efeitos principais, e outra que incorpora efeitos cruzados e superfícies de resposta. As duas abordagens resultam em envoltórias probabilísticas da estanqueidade da conexão. Superfícies de resposta permitem avaliar a estanqueidade para amostras aleatórias das variáveis geométricas. A amostra fornecida pelos metamodelos de estanqueidade é tratada estatisticamente e ajustes por regressão não linear são empregados para estimar envoltórias probabilísticas. As envoltórias probabilísticas permitem ao projetista estimar envoltórias para níveis de confiança desejados, além de viabilizarem a análise de confiabilidade de conexões ao modo de falha por vazamento. Desta forma, este trabalho contribui à segurança de projeto e à viabilização do projeto probabilístico de poços. Os procedimentos são aplicados a conexões API 8 Round, porém podem ser estendidos para analisar qualquer configuração geométrica, tendo em conta os mecanismos de selo.The probabilistic well casing design is a worldwide trend, which aims to optimize safety margins and enable the design of ultra-deep wells, under adverse load conditions, with controlled risks. To approach the probabilistic design of wells, statistical definitions of the loads and the resistance of tubes and casing connections are necessary. The generalization of load statistics is complex as they are defined regionally. On the other hand, statistics for resistance of casing pipe body have been verified, and probabilistic approaches to address collapse and rupture failure modes have been included in industry standards. However, most reported incidents are related to connection failures. Specifically, connector leakages concern the industry, since this kind of service failure can remain unnoticed, but compromises well integrity. Probabilistic approaches to connection resistance are limited. For leakage failure mode, there are no consistent approaches for probabilistic assessment. In consequence, probabilistic well design approaches cannot be fully developed. In this context, this work aims to investigate the statistical properties of leak resistance of threaded casing connectors. Statistics of leak resistance are quantified through the construction of probabilistic leak resistance envelopes. Axisymmetric finite element models are developed and used to quantify the contact pressures on the connectors thread for make-up torque, axial load and internal pressure loads. In addition, criteria are proposed for estimating leak resistance of API 8 Round connectors, based on thread contact pressures. The proposed method for estimating probabilistic envelopes is based on the extensive evaluation of axisymmetric finite element models, considering the geometric variations arising from manufacturing tolerances. A leak resistance sample is estimated for predefined main and second order interaction effects of geometric parameters. Subsequently, leak resistance envelope estimation is conducted in two ways: with an approach based on the set of main effects samples, and another approach that incorporates cross effects and leak resistance response surfaces. Both approaches result in probabilistic envelopes of leak resistance. The response surfaces allow the assessment of leak resistance for random samples of geometric variables. Then, the samples provided by the leak resistance metamodels are treated statistically, and non-linear regression is used to estimate the probabilistic envelopes. Probabilistic envelopes allow the designer to estimate specific envelopes for desired confidence levels; in addition, they enable the reliability analysis of connections for leakage failure mode. In this way, this work contributes to design safety and to making probabilistic well design feasible. Methods developed herein are applied to API 8 Round connections; however, they can be extended to analyze any geometric configuration, taking into account the appropriate seal mechanisms