وثيقة

performance analysis of swelling elastomer seals in petroleum applications

مؤلف
الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2014
اللغة
الأنجليزية
الملخص الإنجليزي
Swelling elastomers (or geis) are being increasingly used in many fields ranging from bio-engineering to the oil and gas industry. In particular, swelling elastomers are used as sealing elements in many applications in the petroleum industry. Pre and postswelling material characterization and performance analysis under varying field conditions is very important before their actual deployment. Currently, placement of such seals is mostly based on a few laboratory tests and trial-and-error approach. It is very difficult to test all the parameters under all field conditions experimentally. Analytical or numerical techniques are therefore needed to predict the behavior of such elastomers and seals. No comprehensive investigation of this nature is currently available. This work focuses on performance analysis of swelling elastomer seals, using all three investigation methods available: experimental, numerical, and analytical. The work consists of various integrated but independent studies. Experiments are conducted to determine mechanical, structural, and chemical properties before and after swelling for different elastomers exposed to brine solutions of various concentrations. Experimental results are used for performance analysis, as an input for analytical and numerical modeling, and for validation of predicted results. Comparative evaluation of hyperelastic material models has been conducted to identify the best available model that can be used for simulation of swelling elastomers. Effect of swelling on mechanical and structural properties of different elastomers has been investigated, both experimentally and numerically, using the best available material model. Performance evaluation of elastomer seals (such as determination of seal contact pressure) has also been carried out using current best material model. As none of the existing models captures the real behavior of swelling elastomers, a new (analytical) material model has been developed. Apart from the hyperelastic nature of such materials, this new model also takes into account thermodynamics of mixing, diffusion effects, and changes in network entropy. A MATLAB code has been written for model solution. Compared to numerical solutions based on current hyperelastic models, predictions from the new model are significantly closer to experimental results. Major contributions and applications of this work include an insight into the behavior of swelling elastomers and an understanding of swelling phenomenon; performance analysis and optimal selection of swelling elastomers for a given set of field conditions; and design improvement of swelling elastomer packers and other sealing applications. With suitable adaptation, the new model can also be usefully implemented for analysis of soft materials (such as tissues, cartilage, etc) in the field of biomedical engineering.
الملخص العربي
اللدائن المطاطية المنتفخة (Swelling elastomer) هي نوع جديد من أنواع البوليمرات المتقدمة التي بدأت تلعب دورا مهما في تحسين عمليات استخراج النفط والغاز من الآبار الحالية والحقول الصعبة او المهجورة. يستعمل هذا النوع من اللدائن کسدادة تعمل على عزل الطبقات الجيولوجية غير المرغوبة أثناء عملية الحفر لمنع أي امتزاج بين النفط والمياه الجوفية كما يستعمل كداعم وفي بعض الاحيان كبديل للأمسنت لتثبيت الانابيب المعدنية المستخدمة لتثبيت البئر (casing). فشل هذا النوع من السدادات يؤدي إلى خسائر فادحة من حيث الوقت والجهد والمال لذا فمن المهم جدا تقييم أدائها قبل استخدامها لتجنب حدوث أخطاء أثناء تركيبها. لا يوجد أي تحقيق شامل لهذا النوع متاح حاليا. يركز هذا العمل على تحليل أداء تورم اللدائن المطاطية القابلة للانتفاخ المستخدمة في المجال الصناعي، وذلك باستخدام جميع أساليب التحقيق المتاحة: التجريبية والعددية والتحليلية. يتكون العمل من دراسات مستقلة يكامل بعضها بعضا. تجرى التجارب التحديد الخواص الميكانيكية والهيكلية، والكيميائية قبل وبعد انتفاخ المطاط معرضة للماء المالح ذو تركيزات مختلفة. بعد ذلك تستخدم النتائج التجريبية كمدخل للنمذجة التحليلية والعددية لأداء السدادت، والتحقق من النتائج المتوقعة. وقد تم التحقق من تأثير انتفاخ السدادات على الخواص الميكانيكية والهيكلية لأنواخ مختلفة من المطاط، سواء تجريبيا أو عدديا، وذلك باستخدام أفضل نموذج من نماذج المواد المتاحة، كما تم تقييم أداء السدادات المطاطية المستخدمة في المجال الصناعي (مثل تحديد الضغط المتولد من السدادة على جدار البئر) باستخدام أفضل نموذج يجسد السلوك الحقيقي لهذا النوع من اللدائن. بغض النظر عن طبيعة هذا النوع من المواد، هذا النموذج جديد يأخذ بعين الاعتبار الديناميكا الحرارية، وأثر انتشارها في المادة، والتغيرات التي تحدث في السلسلة الكيميائية. إضافة إلى ذلك، لقد تم تطوير رمز باستخدام برنامج MATLAB لحل النموذج المقترح ومقارنته مع الحلول العددية الحالية والتجريبية، وقد اثبتت النتائج أن التنبؤات من النموذج الجديد قريبة جدا من النتائج التجريبية.
المساهمات والتطبيقات الرئيسية لهذا العمل تشمل نظرة ثاقبة لسلوك هذا النوع من اللدائن وفهم ظاهرة انتفاخها وتحليل أداءها والاختيار الأمثل لها في ظروف معينة محاكية للظروف الميدانية. كذلك تحسين تصميم السدادات المصنوعة من هذه المواد المستخدمة في التطبيقات النفطية وغيرها من التطبيقات. في الختام يمكن أن يستخدم النموذج الجديد أيضا (مع بعض التكييف) التحليل المواد اللينة (مثل الأنسجة والغضاريف وغيرها) في مجال الهندسة الطبية الحيوية.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية

مواد أخرى لنفس الموضوع

الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Sulaimaniyah, Hanaa Salim
Sultan Qaboos University
2012
الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Balushiyah, Sarah Salman Malik.
Sultan Qaboos University
2016
الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Faraji, .Said Mohammed Said
Sultan Qaboos University
2015
الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Hakmani, .Salim Said Salim
Sultan Qaboos University
2015
الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Hattaliyah, .Rayah Rashid
Sultan Qaboos University
2012
الرسائل والأطروحات الجامعية
0
0
Al-Farajy, .Said Mohammed Said
Sultan Qaboos University
2007