大尺寸储气库套管抗挤强度影响因素试验研究

闫怡飞 ， 董 卫 ， 于本福 ， 闫相祯

（1.中国石油大学(华东)机电工程学院，山东，青岛266580；2.中国石油大学油气CAE技术研究中心，山东，青岛 266580）

0 引 言

地下储气库的主要作用是天然气调峰，因此需要采用大尺寸套管来满足快速注气采气的要求[1-3]，目前国内外已经开发了多种适用于地下储气库的大尺寸套管。现阶段的套管抗挤设计标准主要是根据API和ISO中采油采气的套管标准[4-10]，对抗挤计算公式适用的套管径厚比、管材和壁厚等都做了严格的规定，而此类套管的尺寸较储气库套管的尺寸要小的多，利用传统的计算公式得到的结果与套管的实际抗挤结果有一定的差别，使得地下储气库大尺寸套管在实际应用中出现一些问题，例如中部油田某地下储气库大尺寸套管（直径762 mm），由于壁厚不足，套管出现了局部挤毁的问题。因此笔者通过对直径为 762 mm（30″）和 508 mm（20″）的套管进行挤毁试验分析，研究了椭圆度、屈服强度、径厚比等因素对大尺寸储气库套管抗挤强度的影响。并利用试验数据对现有的套管抗挤计算公式进行了修正，得到了修正后的大尺寸套管抗挤强度计算公式。

1 大尺寸储气库套管抗挤强度试验

1.1 套管参数测量

对两种型号的储气库大尺寸套管进行全尺寸挤毁试验，套管尺寸分别为Φ706 mm×16.13 mm、Φ508 mm×12.70 mm，每种类型均为3根，每根测量10个截面，得到其内、外壁椭圆度以及壁厚不均匀度，如表1～表3所示。

表1 外壁椭圆度

表2 内壁椭圆度

表3 壁厚不均匀度

1.2 挤毁试验

采用套管挤毁测试装置（包括压毁试验机、高压泵、控制装置、数据采集装置），根据API和ISO标准的规定，试样取内壁椭圆度和壁厚变化最大的位置。大尺寸储气库套管挤毁试验主要包括：1）在每根套管试样内壁椭圆度变化最大的区域截取试样，两端加工成坡口，倒角为 30°～60°；2）在试样两端焊接上试验专用阶梯状堵头；3）将焊接后的试样装入压溃试验机中，在两端加法兰垫片密封；4）向压溃缸内打水压，速度控制在10MPa/min左右，直至试样挤毁。试验得到的 Φ706mm×16.13mm、Φ508mm×12.70mm抗挤强度与ISO计算结果对比如表4所示。

从表4可以看出，套管尺寸越大，运用规范计算所得到的挤毁强度与试验得到的结果偏差越大，例如当套管的直径为508mm时，试件计算得到的挤毁强度误差最大值为5.93%，而当直径增大到706mm时，试件计算得到的挤毁强度误差最大值为7.75%，而且均与ISO规范中统计的误差均值2%有较大差距。

表4 挤毁强度结果

2 大尺寸储气库套管计算公式修正

将套管变形分为弹性和塑性变形两个阶段，建立套管弹、塑性变形受力计算模型，利用能量平衡方程推导出套管抗挤强度计算公式，得到初始椭圆度影响下的大尺寸套管弹性屈服挤毁强度[5]为

pe——套管弹性屈服抗挤强度，MPa；

ν——套管中一点的径向变形，mm；

ν0——套管的初始径向变形，mm。

套管进入塑性变形阶段后，产生了非线性的弹塑性变形，使得套管变形已经不再满足小变形假设，用能量平衡法得到考虑初始椭圆度影响的大尺寸套管塑性屈服挤毁强度为

式中：py——套管屈服临界外挤压力，MPa；

t——套管平均壁厚，mm；

D——套管平均外径，mm。

考虑内外壁椭圆度以及壁厚不均匀度的影响，得到的弹性和塑性屈服挤毁强度为

式中：ke、ky——弹性、屈服抗挤强度修正系数，由试验获得；

fy——套管试验抗拉屈服强度，MPa。

修正后的套管挤毁强度[4]公式为

式中：pult——套管挤毁强度修正值，MPa；

α——修正系数；

β——待定系数，由试验得到；

oν0、oνi——套管外壁和内壁的椭圆度，%；

ec——套管壁厚不均匀度，%；

rs——残余应力，MPa；

fy——套管抗拉屈服强度，MPa；

hn——应力-应变形状系数；

tmax、tmin——壁厚最大、最小值，mm；

Dmax、Dmin——外径最大、最小值，mm；

Dnmax、Dnmin——内径最大、最小值，mm。

从式（5）可以看出，内、外椭圆度对大尺寸储气库套管抗挤强度影响具有耦合作用，因此在制造过程中要严格控制椭圆度及其跳跃性，建议制订相应的储气库大尺寸套管内壁椭圆度控制规范以满足相应套管的需求。

3 算例分析及结果讨论

为了验证本文计算结果的正确性和可靠性，笔者利用本文修正公式的计算结果与试验结果进行对比，如表5所示。

表5 挤毁强度结果对比

从表5中的计算结果可以看出：根据本文修正模型，Φ706 mm、Φ508 mm套管的计算结果与试验结果的最大误差分别为1.94%、1.78%，计算结果满足工程计算准确度要求，说明了本文计算模型准确可靠。

对Φ706 mm×16.13 mm套管进行影响因素分析，得到不同初始椭圆度、套管钢级、径厚比对挤毁压力的影响，如图1所示。

图1 不同影响因素对挤毁压力的影响

从图中可以看出：套管在外挤压力作用下首先发生弹性变形，套管的变形量随着外挤压力增加而增加；当套管变形进入塑性阶段后，套管的变形量急剧增加，抗外挤载荷能力显著下降，发生挤毁破坏，套管弹性、塑性抗挤毁压力随着初始椭圆度增加而显著减小。套管材料钢级的增加改变了套管的塑性挤毁曲线，提高了套管弹、塑性挤毁强度。套管径厚比的改变对套管弹、塑性挤毁曲线的分布均有较显著的影响，随着径厚比的增加套管抗挤毁不断降低，弹性阶段变形量逐渐增加，通常在深井中通过增加壁厚或缩小直径以增加套管的抗挤强度。

4 结束语

1）根据大尺寸储气库套管受到外挤载荷时的受力及变形特点，通过室内全尺寸试验分析套管椭圆度、套管钢级、径厚比等因素对大尺寸储气库套管抗挤强度的影响，并利用试验数据对现有的套管抗挤计算公式进行修正，通过修正结果与实际试验结果对比发现，挤毁压力结果具有很好的一致性，可以满足工程的需要。

2）套管的抗挤强度随着初始椭圆度和径厚比的增加而降低，随着套管钢级的增加而增加；内、外椭圆度对大尺寸储气库套管抗挤强度影响具有耦合作用，在制造过程中要严格控制椭圆度及其跳跃性，建议制订相应的储气库大尺寸套管内壁椭圆度控制规范以满足相应套管的需求。

[1] 李朝霞，何爱国.砂岩储气库注采井完井工艺技术[J].石油钻探技术，2008，36（1）：16-19.

[2] 李国韬，刘飞，宋桂华，等.大张坨地下储气库注采工艺管柱配套技术[J].天然气工业，2004，24（9）：156-158.

[3] 谢丽华，张宏，李鹤林.枯竭油气藏型地下储气库事故分析及风险识别[J].天然气工业，2009，29（11）：116-119.

[4] 王建军，闫相祯，林凯，等.内壁椭圆度对高钢级套管挤毁变形的影响试验[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011，35（2）：123-126.

[5] 闫相祯，刘复元，王同涛，等.基于能量平衡方法的套管抗挤规律分析[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011，35（1）：106-109.

[6] 曾德智，林元华，施太和，等.磨损套管抗挤强度的新算法研究[J].天然气工业，2005，25（2）：78-80.

[7] 韩建增，李中华，于百勤，等.几何缺陷对套管抗挤强度影响的有限元分析[J].天然气工业，2004，24（5）：71-72.

[8] 申昭熙，冯耀荣，解学东，等.外压作用下套管抗挤强度研究[J].石油矿场机械，2007，36（11）：5-9.

[9] 申昭熙，冯耀荣，解学东，等.套管抗挤强度分析及计算[J].西南石油大学学报：自然科学版，2008，30（3）：139-142.

[10]杨登波，高学仕，李富平，等.套管塑性抗挤强度有限元仿真分析[J].钻采工艺，2013，36（1）：64-66.