盐穴地下储气库水溶造腔管柱的动力稳定性试验研究

李银平葛鑫博，2王兵武施锡林

1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室 2.中国科学院大学

盐穴地下储气库水溶造腔管柱的动力稳定性试验研究

李银平1葛鑫博1，2王兵武1施锡林1

1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室 2.中国科学院大学

李银平等.盐穴地下储气库水溶造腔管柱的动力稳定性试验研究.天然气工业，2016，36（7）：81-87.

针对建设盐穴地下储气库在实施单井油垫法水溶造腔过程中经常出现的造腔管柱破损和失稳问题，开展了水溶造腔管柱的动力稳定性试验研究，结合现场调研和理论分析结果，揭示出管柱抗弯刚度、悬伸长度及过流面积等是影响管柱动力稳定性的关键参数。据此设计出悬臂管动力失稳物理模型试验装置，开展了水溶造腔管柱磨损和动力失稳的试验研究。试验中观察到5种力学响应现象：①水锤现象；②静力屈曲；③混沌运动；④“类悬臂管”受迫振动；⑤不同端部条件影响现象。试验结果表明，引起水溶造腔管柱液—固耦合失稳现象的主要原因包括：①造腔水流的波动性易引起水锤和受迫振动现象，超长的受限空间悬臂结构管柱易“放大”这种现象；②过大的造腔注水流量可能引起造腔管柱发生静力屈曲或混沌运动；③造腔管柱结构和力学特性对造腔管柱系统的稳定性和安全性有着重要影响。

盐穴地下储气库 水溶造腔管柱 破损和失稳 管柱抗弯刚度 悬伸长度 过流面积 流固耦合模型 试验稳定性

在庞大而复杂的储气库水溶造腔工程中，造腔管柱问题包括管柱损坏问题、管柱弯曲阻碍施工和套管事故，是一个比较突出的问题［1-10］。专门针对盐穴地下储气库造腔管柱的研究比较少，目前学术界和工程界都尚未完全解决盐穴地下储气库水溶造腔管柱的工程问题。

1　盐穴地下储气库水溶造腔管柱工程问题分析

盐穴地下储气库水溶造腔期间，管柱从地面下放到地下埋深500～2 000 m之间的目的层，考虑到修井和腔体测试的需要，中心管和中间管内壁之间，以及中间管和技术套管内壁之间一般不设任何支撑［11］。造腔期间，造腔管柱有可能会在下管、正循环或反循环注水造腔、提管测腔等施工操作中发生一些影响工程施工造价和工期的工程事故。结合现场提供的施工记录等资料，可将盐穴地下储气库水溶造腔期间造腔管柱事故分为以下4类：①造腔管柱管壁的磨损与锈蚀；②造腔管柱弯曲变形；③造腔管柱接箍损坏；④造腔管柱断裂。

造腔管柱管壁磨损的主要原因是由于管柱接触的物体施加给管柱外力所致。以下5种原因会导致管壁发生磨损（图1）：①下放或提升管柱时发生摩擦碰撞；②造腔淡卤水和油体与管壁摩擦；③造腔水流运动携带沉渣的摩擦；④管柱自身的动力响应特征所致；⑤被掉落的夹层撞击。磨损之后，造腔管柱管壁与造腔卤水直接接触，会引起管柱生锈，长期接触会造成造腔管柱发生严重锈蚀（图2），甚至导致管柱报废。

水溶造腔过程中，造腔管柱弯曲变形也时有发生（图3），其原因主要如下：①下放或提升管柱时发生摩擦碰撞；②管柱自身的动力特征所致；③被掉落的块体撞击。造腔管柱发生弯曲变形之后，往往伴随着缩颈、挤扁变形、椭圆变形等管柱截面变形发生。需要特别强调的是，管柱弯曲会导致测腔提管时管柱被卡在孔内，严重时造腔工程车无法将井内管柱提取出来，甚至只能被迫截断管柱，让被截断的管柱永久弃置在盐腔内，严重耽误工程工期，提高造腔成本。

图1　金坛盐穴地下储气库水溶造腔管柱的磨损图

图2　金坛盐穴地下储气库水溶造腔管柱的锈蚀图

图3　金坛盐穴地下储气库水溶造腔管柱的弯曲图

管柱接箍分为油管接箍和套管接箍，在水溶造腔管柱系统中，采用的是套管接箍。管柱间的接箍由公扣和母扣构成。公扣即外螺纹，母扣指内螺纹，每根管柱一端为公扣，另一端为母扣。管柱一端的公扣与另一根管柱的母扣连接（图4），通过造腔工程车上自带的接箍拧接机按操作规程自动拧接。在水溶造腔过程中，可能引起接箍损坏（图5）的主要原因有3个：①下放与提升管柱时发生摩擦碰撞；②管柱自身的动力响应特征所致；③被掉落的岩块撞击。

水溶造腔过程中，造腔管柱一旦发生断裂（图6），会延误造腔工期，提高造腔成本［12］。导致造腔管柱断裂事故发生的主要原因包括：①地层滑动剪断作用所致；②管柱自身的力学响应特征所致；③被腔体内掉落岩块撞击。

图4　金坛盐穴地下储气库水溶造腔管柱的正常接箍图

图5　金坛盐穴地下储气库建设过程中损坏的接箍图

图6　盐穴地下储气库水溶造腔管柱的断裂图

基于对造腔现场勘察以及对工况的分析认为，管柱破损除了与造腔过程中管柱所受外力撞击和挤压等有关外，更重要的是与其自身运动的动力学特性紧密相关，管柱在受限空间的自激振动和动力失稳是导致管柱事故的主要原因。笔者着重对管柱动力学特性开展了理论和模型试验研究，考虑液—固耦联作用分析造腔管柱的临界流速，并对试验现象中管柱水击等现象开展了分析，结合实际工况基于管柱动力学特性提出了防范造腔管柱失稳的措施。

2　水溶造腔管柱力学特性的理论分析

2.1悬臂管液—固耦合理论模型

由于水溶造腔管柱系统的管柱相互同心嵌套，中间管、中心管以及技术套管之间的相互约束会影响轴向水流作用条件下管柱的力学响应行为，这种相互影响会增大管柱系统发生静力失稳或动力失稳时的水流量。然而，腔体顶板以下的中间管与中心管段由于在腔体内部所受限制相对要小，且腔体内水流运动复杂，加上沉渣作用，该管段发生静力失稳或动力失稳的可能性要比顶板上部管柱大。

若不考虑各管道之间及其与套管的相互干扰，即振动不受空间限制，则中心管和中间管都可以看成是悬臂输流管道。

2.2悬臂管液—固耦合力学响应理论分析

2.2.1悬臂管振动方程

由于中心管相对其他造腔管柱更易发生力学响应现象，故以中心管为例开展分析。当水溶造腔处于正循环工况时，淡水从地面注入，通过中心管输送射入溶腔，中心管为排液管；反循环时，卤水从溶腔进入内管，并排出地面，中心管称为吸流管。

当管内无液体时，若不计重力、管道剪切变形和截面转动惯量的影响，管道沿横向弯曲振动的微分方程［13］可写为：式中EI表示管道的弯曲刚度，N·m2；m表示管道单位长度的质量，kg；T表示下端轴向力（拉力为正，暂不计重力），N；x表示轴向坐标；t表示时间，s；ω表示管道的横向变形，m，ω = ω（x， t）；q表示管道外激发力，N，q = q（x， t）。

当管内有液体时，管道的振动将会有很大不同。假设流体为线流、不可压缩且无黏性，液体会在管道上作用有惯性力（F）。考虑液体压力（p）和上述惯性力后，令管内液体单位长度质量表示液体横截面积，m2）；管道单位长度的总质量对于p =T = 0的情况，可得到方程：式中u表示液体流速，m/s。

对于悬臂管道，其边界条件为：

式中l表示管道总长度，m。

2.2.2悬臂管振动临界流速计算

令式（2）中q（x， t）= 0，即可得到管道自由振动的运动方程，并采用Galerkin法求解，可以推得频率方程为：

式中s表示复数；［M］、［C］、［K］均表示n×n阶矩阵，其元素分别为：

式（4）的求解属于一个代数复特征值问题，可求出临界流速（ucr）。一般情况下，s为复数，其虚部就是输液管的固有频率，若s具有正实部，这时振动幅值将随时间增长而迅速最大，状态变成了不稳定，这种现象被称为颤振。

2.2.3水溶造腔管柱临界流速计算

对于造腔管柱的临界流速，这里先考虑最简化的情形来进行分析。造腔内管先不考虑造腔外管的空间限制，简化为从井口直至溶腔内的悬臂输流管；而对于造腔外管，则先不考虑外部生产套管及裸眼段的空间限制，也不考虑其内部造腔内管的影响，当然参与振动的液体只是内外管环空中的液体。对于悬臂管，当u = 0时，结合上述方程，可求得悬臂输流管临界流速为［12］：

根据式（8），结合造腔中心管和造腔外管参数，可以计算出工程实际中造腔管柱发生振动的临界流速。中心管一般比中间管管长（工程上一般长为30～60 m），悬伸于外管之外的部分是自由的，而嵌套于外管内的中心管段部分要受到外管的约束。这种空间约束将限制管道的横向振动，无疑会提高其临界流速，但内外管及其与生产套管之间的碰撞、挤压会带来管柱的磨损和破坏。

因此，考虑水溶造腔管柱系统之间的相互干扰，受限空间内外管柱振动耦合分析，这将是一个十分复杂的问题。高德利［14］针对受井眼约束的受压管柱，假设管柱和井眼均为圆形且两者保持连续接触，采用细长梁理论开展了管柱屈曲分析。但对于主要受拉力的造腔管柱，如何给出合理的管柱之间及其与井眼的接触条件，需要进一步研究分析。

3　造腔管柱液—固耦合模型试验研究

如上所述，可以根据简化理论模型开展室内模型试验。因为小尺寸模型试验在经济和技术方面要优于全尺寸模型试验，故开展小尺寸模型试验，对悬臂管流—固耦合问题进行研究。

模型试验过程中，试用了20种管型（钢管、铝管、黄铜管、PC管、PVC管和橡胶软管等），最后确定使用硬质透明PC管和橡胶软管。试用了6种泵型（82号蠕动泵、隔膜泵、柱塞泵和真空泵等），最后确定使用隔膜泵。

3.1模型试验装置简介

水溶造腔管柱液—固耦合力学响应模型试验器材主要由硬质透明PC管（外径×内径为5 mm×4 mm，长度分别为0.3 m、 0.6 m、 1.0 m）和橡胶软管（外径×内径为8 mm×5 mm，长度分别为0.3 m、 0.6 m、1.0 m）、带丝胶管、82号蠕动泵管、隔膜泵（150 W和40 W）、数显式电位器、钢架、水箱、水桶和鱼形转换接头等部件所构成。试验所用管型详细参数如表1所示。

模拟水溶造腔管柱液—固耦合力学响应的模型试验装置主要分为测试部分和循环部分，测试部分完成管柱在轴向流作用下的力学响应特征研究，循环部分构成水流循环，保证试验装置平稳进行。

模型试验具有一定难度和未知性。结合现有条件，开展试验前首先需要利用选定的试验管型和泵型，按照预定的试验方案，组装好模型试验装置，研究悬臂管在不同流速的轴向流作用下以及不同端部条件下的力学响应特征。

3.2试验步骤

将长度为0.3 m的橡胶软管连接在鱼形转换接头的细 端，用套箍固定密封在细端上。连接好电路，开启供水泵电源，水泵向目标管段泵水，同时开启排水泵进行排水。待装置运行稳定后，均匀从小到大调节供水泵电位器，使目标管段中轴向流流速从零均匀增加到最大。调节过程中，仔细观察试验现象，当悬臂管形态、特征发生一定变化时，记录对应的试验现象，并采集相关照片。

表1　试验所用管型参数表

3.3模型试验现象及分析

3.3.1水锤现象

试验过程中，突然开启或关闭水泵，或突然大幅度地调节悬臂管内水流大小，或是将供水泵抽水管管端的一部分抽出露置于空气中，另一部分埋入水中，会发现悬臂管发生剧烈的颤动现象，颤动频率大、振幅大，且受悬臂管内水流初始流速和变化速率影响。此时，悬臂管即发生了水锤现象［15］，水流量从小迅速增大，能引起橡胶软管或硬质透明PC管发生不同程度的水锤现象，悬臂管自由端喷涌而出的水流呈散射状，管端喷水平面形状有时如同“箭矢”形。

具体而言，橡胶软管发生水锤时不规律颤动比硬质透明PC管发生的颤动要剧烈，摆动幅度更大。其中，在水锤发生的时候，长度为1.0 m的橡胶软管颤动比0.6 m长的橡胶软管要剧烈，而0.6 m长橡胶软管比0.3 m长橡胶软管颤动要剧烈；同条件下自由端的振动最为剧烈，越靠近固定端，振动幅度越小。在硬质透明PC管中，呈现出类似的规律，长度越长，水锤时颤动越剧烈。

根据目前的试验观测，发现水锤现象对悬臂管柱稳定性的影响比较大。水锤现象可以在一定流速下产生，理论上只要轴向流能产生一定的瞬变波动，就可以引起管柱轴线方向发生压力波动变化。这种压力波动变化能够沿着管柱轴线传播，而且传播过程中对悬臂管施加的作用力超过悬臂管抵抗发生振动所需的强度时，就能引起悬臂管柱的悬臂段发生不规律的颤动。流速越大，变化越激烈，悬臂管抗弯刚度越小，悬臂管因水锤发生的颤动越激烈，管柱自由端颤动幅度也越大。

3.3.2静力屈曲现象

试验过程中，橡胶软管在一定的临界流速时即会发生静力屈曲失稳现象，而硬质透明PC管只有其长度为1.0 m，管体自身发生一定弯曲变形后或接上较短歪套管时，才会触发静力屈曲失稳现象。

分别利用长度为0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡胶软管开展试验时，都能观察到较明显的静力屈曲失稳现象。悬臂管长度越大，则发生静力屈曲时对应的临界流速越小。开启电源，待水流量稳定，由小到大调节电位器。刚开始橡胶软管保持竖直输水，无任何运动反应；随着流速增大到某一值时，悬臂管开始发生较小幅度的静力屈曲现象；随着继续加大流量，则悬臂管静力屈曲程度更加剧烈；直到流速增加超过某值时，悬臂管开始发生动力失稳。

而利用硬质透明PC管开展试验时，分别将0.3 m和0.6 m长的管接到鱼形转换接头细端并密封固定，开启电源待运行稳定后进行试验，发现调节电位器后，不论水流流速大小，都没能观察到悬臂管发生静力屈曲现象。将1.0 m长的硬质透明PC管接上并固定密封，进行试验时发现，若管柱保持竖直，调节电位器的过程中，悬臂管在轴向流作用下不会发生静力屈曲；若管柱自身发生了一定程度（较小幅度）的弯曲变形，则在很大的轴向流下，悬臂管会沿着弯曲趋势继续发生较小幅度的静力屈曲变形。在造腔工程实践中，当造腔管柱发生一定程度的弯曲变形，则在造腔水流的作用下，更容易发生静力屈曲现象。因此当造腔管柱自身发生一定程度的弯曲时，需引起重视并采取换管或矫正的措施。

3.3.3混沌运动

总而言之，受到诸如患者因素、检验仪器以及操作等多种原因所影响，这就使得医学检验分析前会出现一定的误差，对此这除了要求患者在检验前严格依据医生指示外，规范并提升检验操作同样重要。

试验过程中，橡胶软管在一定的临界流速时会发生比较明显的混沌运动现象，但是利用硬质透明PC管进行试验时却未能观察到混沌运动现象。

利用长度为0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡胶软管开展试验时，都能观察到较明显的混沌运动现象。悬臂管长度越大，则发生混沌运动时对应的临界流速越小。开启电源，待水流稳定时，由小到大调节电位器。刚开始橡胶软管保持竖直输水，无任何运动反应；随着流速增大到某一值时，悬臂管开始发生静力屈曲现象；随着继续加大流量，则悬臂管静力屈曲程度更加剧烈；直到流速增加超过某一值时，悬臂管开始发生很明显的混沌运动现象。

但利用硬质透明PC管开展试验时，分别将长度为0.3 m、0.6 m和1.0 m的管接到鱼形转换接头细端密封固定，开启电源待运行稳定后进行试验，发现调节电位器，在任意流速条件下，都没能观察到悬臂管混沌运动现象。

在造腔工程实践中，若水溶造腔管柱发生混沌运动，则会对管柱的稳定性带来不利影响，同时增加管柱与地层、外围管柱的摩擦和撞击，造成管柱磨损、弯曲变形甚至是断裂，因此在水溶造腔过程中需引起一定的重视并采取相应措施。

3.3.4受迫振动

在用2.0 m长连接的管段（即用2根1.0 m长硬质透明PC管连接固定密封组成）试验时观察到在不大的流量范围内，该管段发生了受迫振动，后面利用橡胶软管和硬质透明PC管进行试验时均未观察到。由于实际水泵能够提供的最大注水流量很有限，可能远小于满足悬臂管发生颤振的临界流量，因此在试验过程中没有观察到悬臂管颤振现象，根据有关理论研究［16］，并非所有管道模型都会发生颤振，后续研究还需深入进行。

可将造腔管柱系统类比试验中的“类悬臂”结构，在由水泵驱动的具有脉动特征的造腔水流作用下，可能在一定程度时发生试验中观察到的受迫振动现象。发生受迫振动现象时，管柱的振动会增加管柱磨损程度，同时会使管柱发生弯曲变形；长时间或持续的受迫振动，极易引起造腔管柱发生疲劳破坏，严重的会造成管柱断裂，影响水溶造腔施工的顺利进行。

3.3.5不同端部条件的影响

模型试验中不同端部条件影响仅针对硬质透明PC管。本节主要研究在自由端连接笔尖形套管或弯曲短管套、砸扁或堵塞部分空间时，悬臂管在轴向流作用下的动力响应现象。试验发现，连接笔尖形套管后，悬臂管端水流发生一定的分叉现象，笔尖临空面有水流溅射出去，笔尖处水流运动不规则，管柱发生一定的静力屈曲现象；连接弯曲短套管，管柱极易发生明显的静力屈曲现象，弯曲短套管大大降低了悬臂管抗静力屈曲的能力；砸扁悬臂管某处，管内水流运动变得复杂而不规则，悬臂管发生水锤时振动相对剧烈；堵塞悬臂管端部分空间，会导致悬臂管端水流喷溅而出，水流运动复杂而无规律，且端部水流流速较大，管柱发生水锤或静力屈曲时振动相对更剧烈。

4　基于模型试验的防范措施简析

造腔管柱在液—固耦合作用下，管柱自身结构和力学特性会引起管柱在受限空间发生一些静力屈曲、混沌或颤振等失稳现象。基于前述模型试验研究，归类和分析引起造腔管柱失稳破坏的原因，总体而言，主要有3个：①水流的波动性；②过大的注水流量；③管柱结构与自身力学特性的影响。

基于上述原因，根据试验中的尝试并结合石油工程、储气库建设工程中的一些工程经验和相关文献资料，分别针对水流波动性、注水流量和管柱材料与结构提出了对应的防范措施，希望能为水溶造腔工程管柱问题的防治工作提供一定的理论参考。

1）为了减弱甚至消除造腔管柱内水流的波动性，消除水锤或颤振对管柱的负面影响，可以采取改善水泵泵水条件、增加造腔管柱水力波动缓冲器、气压水罐消除法、缓闭止回阀消除法、安全泄压阀防治法、液控缓闭蝶阀防治法、水泵旁通管防治法和建立安全操作规程等方法。具体应用需要结合水溶造腔工程实际，开展方案设计和比选后再行实施。

2）多夹层盐岩水溶造腔注水流量对于造腔管柱系统的安全和稳定有重要影响，也对造腔的工期和造价、腔体形态控制与安全性都有重要影响。在管串结构、温度一定的条件下，若平均溶解速度基本一致，流量大小决定于有效溶蚀面积；对于特定的造腔地层，平均溶解速度基本一致，这样有效溶蚀面积决定了流量，也即腔体的体积决定了造腔注水流量。结合水溶造腔工程实际的需求，合理设计造腔注水流量，同时建议在满足造腔施工进度要求时尽量降低造腔管内水流的流速，这对于防范造腔管柱静力屈曲或混沌运动失稳有很重要的意义。

3）为了防止管系悬臂结构力学特点造成的轴向流液—固耦合下静力或动力失稳，建议在悬锤的中心管与中间管、中间管与技术套管之间适当设计增加支点，尽量增加管柱体系的整体刚度，同时建议安装管柱时严格按照规程操作，确保管柱中心线同轴，单根管段共同构成直线型造腔管。对于管柱材料方面，应先统计水溶造腔管柱事故中最易出现问题的管段及与腔体的相对位置，然后针对易出问题的管段进行管材优化设计，选用弹性性能较好、强度很高的管代替这部分管段。

5　结论

1）总结分析了盐穴储气库造腔管柱经常发生的管壁磨损与锈蚀、管柱弯曲变形、管柱接箍损坏和管柱断裂问题。

2）提出了悬臂管结构在发生颤振时临界流速的计算公式，临界流速与悬臂管抗弯刚度、长度、过水断面面积有直接关系，影响最大的因素主要是外径、壁厚和长度。但造腔管柱需要考虑管柱重力和相互嵌套之间的约束，理论计算公式仍需进一步修正完善。

3）由理论模型设计了造腔管柱液—固耦合模型试验装置，开展了不同流量、不同管长条件下的试验，综合观察到的试验现象，发现悬臂管在轴向流作用下主要会发生5种力学响应现象：①水锤现象；②静力屈曲；③混沌运动；④“类悬臂管”受迫振动；⑤不同端部条件影响。

4）总结了引起水溶造腔管柱发生静力或动力失稳的3大原因：①水流波动性；②过大造腔注水流量；③管柱结构与自身力学特性的影响。并提出了相应的防范措施。

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（修改回稿日期 2016-05-10 编 辑 何 明）

Dynamic stability tests on tubing string for solution mining of a salt cavern UGS

Li Yinping1， Ge Xinbo1，2， Wang Bingwu1， Shi Xilin1
（1. State Key laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Science， Wuhan， Hubei 430071， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049，China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.81-87， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

When a salt cavern underground gas storage （UGS） is built by using the single-well oil pad method， the tubing stringis prone to failure and instability during solution mining. In this regard， the dynamic stability of solution mining string was tested. The test results，together with the site survey and theoretical analysis results， indicate that the bending strength， the overhanging length and the open area of a pipe string are the key parameters affecting its dynamic stability. Accordingly， the physical model test device for simulating the dynamic instability of cantilever pipes was developed to test the wear and dynamic instability of the solution mining string. During the test，five mechanical responses were observed， including water hammer， static buckling， chaotic motion， "cantilever-pipe-like" forced vibration， and the effects of different ends. The fluid-solid coupling instability of the solution mining string is attributed to three factors. First，the fluctuation of the water for solution mining may result in the phenomena of water hammer and forced vibration， which is probably magnified by ultra-long cantilever string in the confined space. Second， too high water injection flow may lead to static buckling or chaotic motion in the solution mining string. And third， structure and mechanical properties of the solution mining string may greatly affect its stability and safety.

Salt cavern； Underground gas storage （UGS）； Tubing string for solution mining； Failure and instability； String bending strength； Overhanging length； Open area； Fluid-solid coupling model； Stability test

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.012

国家自然科学基金项目“盐穴储气库单井水溶造腔夹层垮塌机理与动态控制”（编号：51274187）。

李银平，1969年生，研究员，博士生导师；主要从事能源地下储备岩石力学与工程方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武汉市武昌区小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所。电话：（027）87197469。ORCID：0000-0001-8333-9525。E-mail：ypli@ whrsm.ac.cn

葛鑫博，1990年生，博士研究生；主要从事能源地下储备造腔管柱动力失稳机理方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武汉市武昌区小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所。电话：13883988682。ORCID：0000-0002-0731-7735。E-mail：gexinbo@163.com