盐穴储气库造腔管柱损坏机理研究

郑东波　黄孟云　夏 焱　班凡生　周俊驰

(1.中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京 102206; 2.中国石油大学(北京), 北京 102249;3.中国石油化工股份有限公司天然气川气东送管道分公司, 武汉 430073)



盐穴储气库造腔管柱损坏机理研究

郑东波1，2黄孟云3夏 焱1班凡生1周俊驰1，2

(1.中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京 102206; 2.中国石油大学(北京), 北京 102249;3.中国石油化工股份有限公司天然气川气东送管道分公司, 武汉 430073)

摘要：在盐穴储气库的溶腔过程中，造腔管柱经常会发生严重的弯曲和损坏，有必要针对此现象进行造腔管柱损坏机理研究。通过调研国内外盐穴地下储气库的造腔管柱损坏案例， 着重分析临界流速和动力失稳的2种模型。通过研究，认为在实际注入速度下造腔管柱必然发生振动失稳，同时管柱的轴向力及温度的影响会导致管柱发生轴向应力、应变，这是管柱发生屈曲的主要原因之一。

关键词：盐穴； 储气库； 管柱； 应力应变

盐穴储气库选腔管柱建腔过程中，不可避免会产生一系列管柱问题。国内学者已就造腔管柱弯曲问题进行了研究。施锡林等人针对我国盐岩矿床中一些难溶夹层盐穴储气库建设过程中的溶腔管柱损坏做了深入研究[1]。他们的研究是以岩石垮塌力学机制为背景，同时结合弹性板块理论对溶腔内的夹层局部垮塌以及整体失稳进行论述，最终给出了一种计算夹层极限跨度的方法。其研究结论对盐穴储气库在水溶造腔过程中可能出现的夹层垮塌预测和控制有一定的指导意义。夹层垮塌也有可能是造成溶腔管柱破坏的主要原因之一。

李银平等人针对盐穴储气库单井水溶造腔过程中的管柱动力特性进行探讨[2]。他们认为在造腔过程中，管柱在受限空间里的自激震荡及动力失稳是造成溶腔管柱破坏的主要原因。该研究重点分析了溶腔管柱，并通过液-固耦合的振动理论，最终得出了理想条件下的管柱内临界流速计算公式。

各种实际工况条件下建腔管柱的屈曲问题十分复杂，分析时仅仅考虑一种损坏机理是远远不够的。本次研究在分析现有相关模型的基础上，根据现场实际工况提出动力稳定性模型。模型主要用于分析溶腔管柱的轴向应力应变，应力应变是管柱发生屈曲的一个重要因素。

在盐穴储气库的施工作业中，造腔管柱时有破坏，造腔内管破损最常见，造腔外管损坏较少。但在埋地较深的储气库建库过程中，也有可能出现外管破损现象。曾经有过案例，国内某井建库过程中，当起出7″套管时，发现其中一根套管自上而下13处有挤压变形、断裂的痕迹。

造腔管柱受损对储气库建库十分不利，不仅会大大提高建库成本，而且还会导致频繁修井，从而延长了工期。

1造腔管柱损伤影响因素

在现场条件下，首先分析可能造成造腔管柱损坏的因素：

(1) 在溶腔过程中，腔体失稳及夹层垮塌会砸坏或挤毁溶腔管柱。另外，下落的夹层不溶物会挤压溶腔内管，从而可能使其弯曲。

(2) 在受限空间条件下，造腔管柱一般会由于液-固耦联振动发生失稳，而该振动损坏可以用临界流速来衡量其损坏强度。

(3) 水等液体在压力管道流动时，若遇到突然开关闸门、突发性停泵等情况，会产生水击现象。水击现象会使管柱受到一个突然增大的力，而该力可以使管柱发生弯曲甚至破坏。

(4)造腔管柱的自重、内压或外挤引起的轴向应力应变、温度效应引起的应力应变等因素都是管柱发生屈曲的原因之一。

在复杂的盐穴储气库条件下，溶腔管柱的破坏问题亟待解决。地下条件不可见，因此我们必须应用现有的管柱力学知识，尽可能地考虑各种受力问题，建立力学模型去解决该问题。

2盐穴储气库溶腔管柱力学模型的建立

2.1临界流速模型

溶腔管柱可以视为一种输液管道[3]。流体流过管道时，管道与流体的耦合系统会发生振动。在不考虑管道与管道之间、管道与套管之间的相互干扰的情况下，以理想的溶腔管柱作为简化模型，最终可以将其简化为单管悬臂管来进行分析。图1所示为单管悬壁管示意图。

图1　单管悬壁管示意图

以造腔内管为例，当管内无液体流动时，若不计重力、管道剪切形变、截面转动惯量的影响，管道沿横向弯曲振动的微分方程可写成：

(1)

式中：EI—— 管道的弯曲刚度，106N·m2；

m—— 管道单位长度的质量，kgm；

FL—— 下端轴向力(拉力为正，暂不计重力),kN；

w—— 管道的横向变形，w=w(x,t);

x—— 轴向位移，m ;

t—— 时间，s。

当管内有液体时，管道的振动则会有很大不同。假设流体为线流，不可压缩且无黏性，液体单位长度内作用在管道的惯性力F为:

(2)

式中：F—— 惯性力，N；

ρ—— 液体密度 ，gcm3；

A—— 液体横截面积，m2；

v—— 液体流速，ms。

考虑液体压力p和惯性力F后，管道弯曲振动微分方程为：

(3)

令管内液体单位长度质量m1=ρA,管道的单位长度总质量m2=m+ρA。对于p,t都为0的情况，可将式(3)简化为：

(4)

对于悬臂管道，其边界条件为：

w(0)=w′(0)=w″(l)=w‴(l)=0

(5)

其中,l为管道总长度,m。

(6)

对于不同的造腔内管和外管，可以利用该公式计算出其临界流速。若以500 m造腔内管为例，外径为114.3 mm，弹性模量E取200 GPa。在溶腔过程中，设计排量一般为40～120 m3h，即内管中流速为1.357 8～4.116 0 ms，由上述模型中公式计算出的振动临界流速为0.79 ms。所以，在给定的设计排量下，内管已经出现了振动失稳现象。

在上述临界流速模型中，主要考虑了溶腔管柱的振动损坏机理。而在工程实践中，溶腔管柱会受到很多其他的力，最后导致溶腔管柱的屈曲变化，这些屈曲都会导致管柱在应力集中点发生损坏。

2.2动力稳定性模型

在不考虑各管道之间相互干扰的情况下，对理想条件下的直井溶腔管柱(内管或外管)进行力学分析。在理想的盐穴储气库条件下，溶腔管柱主要受到3种力的作用：管柱自身重力pG；管内流体的内压力pi，内管受到的外液柱压力po。图2所示为深腔管柱的受力示意图。

另外，管柱一般由金属材料加工而成，而金属材料均有热胀冷缩的特性。温度升高会导致管柱的体积膨胀，轴向伸长；而温度降低时会导致管柱体积收缩，轴向缩短。温度变化引起的管柱轴向变形系数ε为[4]：

ε=α(T)ΔT(h)

(7)

其中：α(T) —— 管柱线膨胀率，℃-1；

ΔT(h) —— 管柱温度变化值，℃。

图2　溶腔管柱的受力示意图

(1) 管柱自重力pG分析：

pG=ρmgh

(8)

式中：ρm——管柱的密度，kgm；

g—— 重力加速度，ms2；

h—— 井深，m。

pG引起的轴向变形为：

(9)

(10)

式中：HG—— 重力引起的总形变量，m；

ΔHG—— 重力引起的单位形变量，m；

ET—— 不同温度条件下的弹性模量，GPa；

H—— 最大井深，m。

(2) 任意井深h受内压、外挤后引起的轴向应变和轴向力分析：

(11)

k=rori， pi=ρigh+p， p0=ρogh

式中：ΔHe—— 压差轴向变形引起的单位形变量，m；

ν—— 泊松比，无量纲；

p—— 泵压，MPa；

po—— 油管外压，MPa；

pi—— 油管内压；

k—— 油管外径和内径之比，无量纲。

由应力应变关系得：

Fe=EAHe

(12)

式中：Fe—— 膨胀效应产生的轴向力，kN；

E—— 弹性模量，GPa；

A—— 油管的截面积，m2；

He—— 井深，m。

(3)任意井深h温度变化引起的应变、应力变化分析[4]：

(13)

式中：HT—— 井温引起的形变，m；

ΔT—— 温差，℃。

α—— 管柱材料的线膨胀率，假设用N80管材，则α取(1.3～1.35)×10-5℃-1。

由应力应变关系可得：

FT=EAHT

(14)

式中：FT—— 温度变化引起的应力变化，kN。

在储气库现场条件下，造腔管柱会有各种形式的应变。不同程度的应力变化会影响溶腔管柱的稳定性，使其失稳进而被破坏。

以114.3 mm的造腔内管为例，井深500 m，管材取N80，弹性模量为200 GPa，泵压为5 MPa。内外管间卤水密度为1.20 gcm3。井口取常温25 ℃，地温梯度取1.5 ℃。表1所示为管柱在不同作用力下的应力应变。

经分析可知，在以上各力作用下均会产生较大的应力及应变。在复杂的储气库条件下，这些应力应变会使造腔管柱发生屈曲变化，缩短管柱的寿命。

表1　管柱在不同作用力下的应力应变

3结语

本次研究针对盐穴储气库单井水溶造腔过程进行了初步分析，结合现场工况建立简化的模型，探索对造腔管柱的损坏机理探索。

造腔管柱损坏对储气库的建库十分不利，不仅会大大地提高建库成本，而且还会导致频繁修井，从而延长了工期。通过研究建立了造腔管柱弯曲数学模型、临界流速模型及动力稳定性力学模型。

分析认为，在实际建库过程中，除了由于溶腔作用所导致的夹层垮塌引起管柱弯曲、破坏之外，悬臂梁中输液管模型的振动载荷以及由于溶腔管柱受轴向力、温度影响所产生的应力应变也可能是造成造腔管柱破坏的重要原因。

参考文献

[1] 施锡林,李银平,杨春和, 等.盐穴储气库水溶造腔夹层垮塌力学机制研究[J].岩土力学,2009(12):3615-3620.

[2] 李银平,杨春和,屈丹安,等.盐穴储油(气)库水溶造腔管柱动力特性初探[J].岩土力学,2012(3):681-686.

[3] 黄玉盈.结构振动分析基础[M].武汉：华中工学院出版社，1988:81-90.

[4] 王兆会,马兆忠. 热采井温度对套管性能的影响及预应力值计算方法[J].钢管,2007(4)：24-26.

[5] 荣准,尹浚羽.水力压裂回接管柱受力分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2013(增刊1):72-76.

[6] 西尔维亚·康纳德·甘道菲.世界地下储气库[M].北京:石油天然气总公司规划设计总院,1997:265-267.

[7] 申瑞臣,魏东吼,田中兰，等.已有采卤老腔改建储气库工程技术[M].北京：中国矿业大学出版社,2007:84-87.

[8] 田中兰,夏柏如.盐穴储气库造腔工艺技术研究[J].现代地质,2008(1):97-102.

The Damage Mechanism of Cavity String in Salt Cavern Gas Storages

ZHENGDongbo1,2HUANGMengyun3XIAYan1BANFansheng1ZHOUJunchi1,2

(1.Drilling Engineering Institute of CNPC, Beijing 102206, China;2.China University of Petroleum, Beijing 102249, China;3.Sichuan to Eastern China Natural Gas Transmission Pipeline Branch Company of SINOPEC, Wuhan 430073, China)

Abstract:In the process of solution mining in salt cavern storage, the strings are easily to be bended and damaged, so in this paper the damage mechanism of cavity string is studied. According to the field conditions and cases that strings are damaged in salt cavern in domestic and overseas, the paper focuses on critical velocity model and dynamic destabilization model. The results show it is true that cavity pipe string is bound to occur vibration instability at the actual injection speed. Meanwhile, affected by the axial force and temperature of the pipe string, the changes of axial stress and strain are the key factors of causing the buckling of strings.

Key words:salt cavern; gas storage; string; stress and stain

收稿日期：2015-04-23

基金项目：中国石油集团公司重大科技专项“地下储气库关键技术研究与应用”(2015E-4003)

作者简介：郑东波(1987 — )，男，河南省济源市人，中国石油大学(北京)在读硕士研究生，研究方向油气井流体力学。

中图分类号：TE931

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)02-0090-04