鹽穴儲氣庫造腔管柱失穩及其影響因素分析

黃 嘯 郭曉強 蔡 凌 柳 軍 胡 偉 曾林林 舒 朝

1. 中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司石油工程技術研究院, 湖北 武漢 430035;2. 西南石油大學機電工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

鹽穴儲氣庫密封性好、日提取量大、墊底氣量少且可完全回收,是巖穴儲氣庫的主要型式[1-3]。鹽穴儲氣庫造腔管柱作為井下儲氣庫與井口裝置的唯一連接通道,一旦發生變形失穩,會導致溶腔不均勻,管柱起出困難,將降低造腔作業效率,甚至造腔失敗。

20世紀初,趙志成、Kuiper G L等人[4-5]利用實驗與數值模擬的方法,根據鹽穴儲氣庫水溶建腔機理,建立了鹽穴溶蝕物理模型,采用該模型可以較好地預測溶腔形態,而該模型預測的是一個造腔過程的相似實驗,未能考慮造腔過程對管柱振動的影響。2006年,熊禾根等人[6]針對傳統流固耦合模型只考慮流體運動對系統穩定性的影響這一情況,對模型進行了修改,使得耦合更加完全,提高了模型的精確性。2007年,王建等人[7]采用商業有限元軟件,利用ALE自適應網格對輸流管振動特性進行了計算分析,并與相關文獻數據進行對比,驗證了仿真結果的正確性。隨后許多學者開始采用計算流體力學模型來研究流固耦合現象[8-15]。2012年,李銀平等人[16-17]提出了夾層垮塌對儲氣庫造腔的影響,初步探討了造腔管柱在狹窄空間里的自激振動和流體作用下的動力失穩,并初步分析了懸臂造腔管柱在內流的作用下的振動特性,得到了理想條件下管柱臨界流速。

基于此,現有針對造腔管柱的研究主要集中于管柱的靜力分析和正循環工況下的振動分析,缺乏全井工況下造腔管柱流固耦合振動特性的分析和相應的管柱振動防控措施。

1 造腔管柱流固耦合模型

鹽穴儲氣庫水溶造腔過程的主要施工操作都涉及到造腔管柱系統,管柱系統與腔體形態、造腔工期和造腔成本有密切關系。目前,造腔過程中常用的“單井油墊對流法水溶造腔管柱系統結構”比較成熟,該系統采用三層管柱進行造腔作業,主要由置于最外層的技術套管(生產套管)、置于技術套管內的中間管(造腔外管)、置入中間管內的造腔管柱(造腔內管)三部分組成,造腔管柱系統模型見圖1。在進行理論建模分析時,將造腔管柱視為懸臂輸流管道,流體流過管道內壁或外壁,管柱在流場的作用下發生振動現象。

a)結構圖a)Structure chart

1.1 流體控制方程

流體流動需遵循物理守恒定律,主要為:質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。

1.1.1 質量守恒方程

質量守恒采用連續性方程來描述,即單位時間內流出控制體的質量等于引發控制體密度變化的質量,由此可得到連續性方程的微分形式:

(1)

式中:ρ為管內流體密度,kg/m;ux、uy、uz分別為流體在x、y、z方向上的流速,m/s;t為時間變量。

1.1.2 動量守恒方程

對于給定的一個流體微元,其動量對時間的變化率等于外界作用在該微元上的各種外力之和。根據這一定律,推導出x、y、z方向上的動量方程:

(2)

式中:p為管內流體內壓,Pa;τij,i,j=x,y,z為流體微元六個方向的切應力,Pa;fx、fy、fz為三個方向上收到的外力,N。

1.1.3 能量守恒定律

取微元體,其能量的增加率等于此微元體的凈熱流通量加上質量力與表面力對微元所做的功,此次模型無須考慮熱交換,故不打開能量方程選項。

1.2 固體控制方程

固體部分的控制方程用拉格朗日方程進行描述[18],可表示為：

(3)

1.3 造腔管柱流固耦合模型

在ANSYS Flunet商業軟件流固耦合模型中,流體模塊采用Fluid Flow(Fluent)，造腔管柱結構模塊采用Transient Structural，流體和固體的結果數據交換在System Coupling模塊中完成。流體與固體的幾何建模在Fluent模塊中的Geometry完成,由于流體與固體為圓柱體結構,在后續的網格劃分時容易發生網格質量變差,最終導致計算精度低、計算慢。為解決此問題,在幾何建模時,對幾何模型進行多次切割,使得幾何模型盡可能全部劃分為六面體網格。

2 造腔管柱模擬實驗及模型驗證

2.1 實驗原理及參數

為驗證造腔管柱流固耦合模型的正確性,需搭建鹽穴儲氣庫模擬實驗裝置。以李銀平的造腔管柱液—固耦合模型試驗為基礎[19],結合懸臂管抽吸液動力穩定性實驗裝置(Kuiper)[5],并參考黃濤關于鉆柱耦合振動的實驗裝置[20]。采用相似原理,在室內實驗室設計與現場鹽穴儲氣庫相似的模型,將實驗測量數據與理論仿真模型計算結果進行對比,驗證本文建立的流固耦合模型的正確性。

由于本文研究的著眼點是分析造腔管柱在各種激勵作用下的振動行為,所研究的問題同時涉及到了力、時間、長度三個基本物理量及運動參量等導出量,因此,應選用動力相似確定本文的實驗參數[20]。

(4)

式中:Cl=lp/lm,Cl為幾何相似比(根據現場結構尺寸和模擬實驗臺架尺寸,確定縮尺比為11)；Cρ為密度相似比;CE為彈性模量相似比。

根據相似定律,利用縮尺比為11來縮小管柱的外徑、內徑、壁厚,得到模擬實驗內管與外管的基本尺寸,選擇模擬造腔管柱材料為PVC管[21],具體參數見表1。

表1 實驗參數表

2.2 實驗臺架及測試儀器

根據表1的參數并結合造腔管柱實際的生產特點,設計并完成了實驗臺架的搭建,實驗裝置主要包含管柱系統、連接系統、測試系統,具體包括水源(水泵、儲水桶)、管線、流量計、實驗管柱、固定支座、動態數據采集儀等。實驗臺架結構和實物見圖2。

實驗需要監測的主要數據為測試管柱最下端的擺動位移量和測試管柱上10個測點的應變。測試管柱最下端擺動位移的測量,通過安裝三向加速度傳感器于管柱下端,并與動態數據采集儀配合進行獲取。考慮到測試管柱直徑過細,為避免傳感器重量對擺動位移量造成影響,選用微型三向加速度傳感器。

a)結構圖a)Schematic diagram

2.3 實驗結果分析

圖3～5分別為模擬實驗管柱測點(管柱最下端處)和仿真模型計算測點在x、y、z三個方向的位移變化曲線(仿真模型計算參數選取與實驗參數一致),由于實驗中10 s后振動相較于前10 s較小,故截取前10 s的時程曲線。

a)x方向實驗位移變化曲線a) Experimental displacement in x direction

a)y方向實驗位移變化曲線a)Experimental displacement in y direction

a)z方向實驗位移變化曲線a)Experimental displacement in z direction

在實驗初期,造腔管柱在水流的作用下朝x、y和z三個方向都有劇烈波動。x和y方向的振動在初始0～2 s 階段出現劇烈波動,此后的6 s之內出現局部極大值(波峰),之后歸于振動平衡狀態。由圖3～5可以看出：x方向的振動位移數量級相較于其他兩個方向要小;y方向造腔管柱偏離初始平衡位置;z方向的位移變化沒有出現局部極大值(波峰),在振動階段一直處于平衡位置波動。

通過對比實驗測試結果和仿真計算結果,發現理論計算位移與仿真計算位移在三個方向的變化趨勢均相同,且振動幅值一致,驗證了仿真計算模型的正確性及有效性。

3 造腔管柱失穩影響因素分析

采用上述已驗證的數值仿真模型,借助表2的江漢油田M實例井現場數據,開展注入流量參數對造腔管柱失穩影響因素分析。

選擇兩口距為30 m進行計算分析,不同注入流量造腔管柱位移見圖6～8。探究注入流量對造腔管柱變形的影響規律。

圖6 注入流量對初始位移的影響Fig.6 Influence of injection flow rate on initial displacement

圖7 造腔管柱壓力云圖與速度云圖Fig.7 Pressure and velocity cloud charts of cavity-making string

圖8 造腔管柱不同時間位移變化Fig.8 Change of cavity-making string displacementin different time

圖6表示了水溶造腔注入流量在10～60 m3/h下的造腔管柱初始位移時程曲線,其初始振動頻率基本一致,只是位移值有一定的差別,且排量越大,造腔管柱的初始位移越大。

進入Fluent模塊查看流體的壓強與流速可知:圖7虛線處造腔管柱下端的內流壓強、環空流體壓強與腔內流體壓強變化明顯,初步分析是由于造腔管柱內外的壓強差導致其擺動。為確定此分析,選取注入流量為 60 m3/h,設置時間步長為0.05 s,分別導出造腔管柱內外壁面壓強,對其進行計算驗證。如圖8所示,造腔管柱擺動距離為79 mm,計算結果與圖6中的70 mm幾乎一致。

鹽穴儲氣庫造腔注入流量對造腔工期、工程造價、腔體形態控制有重要影響,結合水溶造腔工程實際的需求,應合理設計造腔注水流量。建議在滿足造腔施工進度要求時盡量降低造腔管內注水的流速,這對于防范造腔管柱靜力屈曲或混沌運動失穩有很重要的作用。

4 結論

1)采用鹽穴儲氣庫造腔現場工藝流程,建立了造腔管柱振動控制方程和管內流體運動方程,采用ANSYS Fluent商業軟件建立了造腔管柱流固耦合振動模型,并實現了造腔管柱數值求解,能夠分析造腔管柱在注水溶解過程中的振動響應。

2)借助江漢油田現場M實例井參數,采用相似原理,設計了造腔管柱振動模擬實驗臺架,并開展了模擬實驗,測得實驗數據,與數值仿真模型計算結果進行對比,驗證了數值仿真模型的正確性及有效性。

3)采用所驗證的數值仿真模型,借助現場實例井參數,探究了注入流量對造腔管柱振動失穩的影響規律,發現注入流量越大,造腔管柱的初始位移量越大,易引起結構幾何缺陷,導致造腔管柱失穩破壞。

4)結合水溶造腔工程實際的需求,合理設計造腔注入流量。建議在滿足造腔施工進度要求時盡量降低造腔管內注水的流速,對于防范造腔管柱靜力屈曲或運動失穩具有重要意義。