Failure modeling in threaded connections for oil and gas applications: effects of fatigue, elastoplasticity, and material surface treatments

Título

Failure modeling in threaded connections for oil and gas applications: effects of fatigue, elastoplasticity, and material surface treatments

Colaborador

Jouglard, Claudio E.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2026-02-19

Extensión

xxviii, 406 p.

Resumen

Las conexiones roscadas empleadas en la producción de petróleo y gas son críticas para la integridad del pozo y los costos operativos. Esta tesis desarrolla un marco integral que acopla modelos de elementos finitos (EF) de alta fidelidad para uniones premium incluyendo contacto en sello y hombro, comportamiento elastoplástico y cinemática de deformaciones finitas— con ensayos a escala real y análisis tribológico. Primero, se construyen formulaciones axisimétricas y 3D para cuantificar el par–giro de make-up, la presión de contacto de sellado y la localización de tensiones y deforma- ciones en roscas y hombros. Segundo, se evalúa la influencia de la condición superficial —rugosidad, lubricante y recubrimientos de conversión— mediante campañas numérico- experimentales que explican el desempeño de estanqueidad al gas y los mecanismos de desgaste. Tercero, se implementa un nuevo elemento cuadrilateral de cuatro nodos con integración de Gauss y nodal, junto con un algoritmo de retorno radial de von Mises, val- idado en benchmarks estándar (patch test, membrana de Cook, cilindro grueso). Cuarto, se introduce un sustituto basado en redes neuronales informadas por la física (PINN) para problemas elastoplásticos de esfuerzo plano y deformación plana, que acelera la estimación de campos de deformación plástica en conexiones roscadas manteniendo la fidelidad del EF. Finalmente, un modelo a nivel de sistema en Modelica/Dymola de una sarta completa de varillas de bombeo vincula los resultados a nivel de componente con el comportamiento de la tarjeta dinamométrica. La metodología integrada concuerda con soluciones analíticas y ensayos a escala real, y brinda indicadores operativos para la sellabilidad, la resistencia a la fatiga y la resistencia mecánica en aplicaciones de servicio crítico.
Threaded connections used in oil-and-gas production are critical to well integrity and operating cost. This thesis develops a comprehensive framework that couples detailed finite-element (FE) models of premium joints—including contact at seal and shoulder, elastoplastic behavior, and finite-strain kinematics—with full-scale testing and tribological analysis. First, axisymmetric and 3D FE formulations are built to quantify torque–turn make-up, sealing contact pressure, and stress/strain localization at threads and shoulders. Sec- ond, the influence of surface condition—roughness, lubricant, and conversion coatings—is assessed through combined numerical–experimental campaigns to explain gas-tight perfor- mance and wear mechanisms. Third, a novel four-node quadrilateral element with Gauss and nodal integration is implemented with a von Mises radial-return algorithm and val- idated on standard benchmarks (patch test, Cook’s membrane, thick-cylinder). Fourth, a physics-informed neural-network (PINN) surrogate is introduced for plane stress/strain elastoplastic problems, accelerating the estimation of plastic strain fields in threaded con- nections while preserving FE fidelity. Finally, a system-level Modelica/Dymola model of a complete sucker-rod string links component-level results to dynamometer-card behavior. The integrated methodology is consistent with analytical solutions and full-scale tests and provides actionable indicators for sealability, fatigue resistance, and mechanical strength in critical-service applications.