Nonlinear Finite-Element Analysis of Casings in High-Temperature Geothermal Wells

Abstract

High-temperature geothermal wells are drilled in stages and constructed of several concentric steel casings that are cemented over their entire external surface for sealing and structural support purposes. The structural integrity of such casings is essential during drilling and for safe operation after the construction phase. High pressures can in some cases cause casing failures but the most powerful mechanical force is driven by large temperature changes from an initially cooled to a hot operating well. Thermal expansion generates large stresses in the casings which are constrained by cement and therefore, in conventional hightemperature wells, permanent plastic strains are formed as the wells warm-up to production temperatures. Elevated temperatures cause material strength reduction, further increasing the risk of failures. Casing failures, e.g. collapse and axial tensile rupture, can occur during the lifetime of wells and it is important to analyze the load history of casings thoroughly to evaluate risks of such failures. With recent increasing interest in drilling deeper geothermal wells, for seeking higher enthalpy geothermal fluids, the strength of the casing becomes one of the limiting factors due to higher temperatures, pressures, and difficult corrosive conditions. The structural integrity of the casing of otherwise productive wells can determine if they are a success or not. Nonlinear material properties, large displacements and connections between multiple contacting surfaces form a structural system which in this thesis is analyzed numerically with the use of the nonlinear finite-element method (FEM). The resulting models provide tools that are used for structural analysis in support to failure analysis, well design and material selection. This thesis describes problems of casing failures and structural analysis that provide a platform for better understanding and improvements of casings in high-temperature geothermal wells.

Háhitaborholur eru boraðar í áföngum og fóðraðar með stálfóðringum sem eru steyptar að utanverðu. Vegna öryggissjónarmiða verður að vera hægt að beisla jarðhitavökva jafnt í borun sem og í vinnslu eftir að framkvæmdum er lokið. Í öllum tilvikum þarf burðarþol fóðringa að vera tryggt. Á meðan borun stendur er borholum haldið köldum með hringdælingu borleðju eða ádælingu með vatni. Þegar þær hitna eftir borun getur hitastigshækkunin orðið umtalsverð. Varmaþensla veldur spennumyndun í fóðringunum vegna skorðunar steypunnar. Þegar hefðbundnar háhitaholur hitna myndast því háar spennur sem í flestum tilvikum valda varanlegum formbreytingum. Að auki veldur hátt hitastig styrktarveikingu í stáli og steypu sem leiðir til aukinnar hættu á skemmdum. Fóðringaskemmdir, s.s. gúlpmyndun og togslit, geta orðið á mismunandi stigum á líftíma borholna og er því mikilvægt að greina ítarlega álagssögu fóðringa til að skilja möguleg álagstilfelli og hættur sem fylgja. Með auknum áhuga á djúpborun til vinnslu á orkuríkum jarðvarmavökva verður burðarþol fóðringa einn af takamarkandi þáttunum vegna hærra hitastigs, þrýstings, og aukinnar efnisáraunar í formi tæringar. Afkastageta borholna ræðst ekki einungis af því að gjöfular æðar séu rofnar í borun heldur einnig af líftíma mannvirkisins. Ólínulegir efniseiginleikar, færslur og tenging á milli yfirborða í borholum mynda burðarþolskerfi sem ekki er auðleysanlegt með einföldum reikniaðferðum. Burðarþolskerfið er því leyst hér með einingaaðferðinni (e. nonlinear finite-element method) þar sem ólínuleiki kerfisins er tekinn með í reikninginn. Líkönin sem þróuð hafa verið hér er hægt er að nota til burðarþolsgreiningar á fóðringum til varnar skemmdum og til aðstoðar við hönnun og efnisval. Doktorsritgerðin lýsir fóðringaskemmdum og burðarþolsgreiningum sem byggja grunn til betri skilnings á burðarþoli fóðringa háhitaborholna.