盐穴储气库造腔管柱失稳及其影响因素分析

黄 啸 郭晓强 蔡 凌 柳 军 胡 伟 曾林林 舒 朝

1. 中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院, 湖北 武汉 430035;2. 西南石油大学机电工程学院, 四川 成都 610500

0 前言

盐穴储气库密封性好、日提取量大、垫底气量少且可完全回收,是岩穴储气库的主要型式[1-3]。盐穴储气库造腔管柱作为井下储气库与井口装置的唯一连接通道,一旦发生变形失稳,会导致溶腔不均匀,管柱起出困难,将降低造腔作业效率,甚至造腔失败。

20世纪初,赵志成、Kuiper G L等人[4-5]利用实验与数值模拟的方法,根据盐穴储气库水溶建腔机理,建立了盐穴溶蚀物理模型,采用该模型可以较好地预测溶腔形态,而该模型预测的是一个造腔过程的相似实验,未能考虑造腔过程对管柱振动的影响。2006年,熊禾根等人[6]针对传统流固耦合模型只考虑流体运动对系统稳定性的影响这一情况,对模型进行了修改,使得耦合更加完全,提高了模型的精确性。2007年,王建等人[7]采用商业有限元软件,利用ALE自适应网格对输流管振动特性进行了计算分析,并与相关文献数据进行对比,验证了仿真结果的正确性。随后许多学者开始采用计算流体力学模型来研究流固耦合现象[8-15]。2012年,李银平等人[16-17]提出了夹层垮塌对储气库造腔的影响,初步探讨了造腔管柱在狭窄空间里的自激振动和流体作用下的动力失稳,并初步分析了悬臂造腔管柱在内流的作用下的振动特性,得到了理想条件下管柱临界流速。

基于此,现有针对造腔管柱的研究主要集中于管柱的静力分析和正循环工况下的振动分析,缺乏全井工况下造腔管柱流固耦合振动特性的分析和相应的管柱振动防控措施。

1 造腔管柱流固耦合模型

盐穴储气库水溶造腔过程的主要施工操作都涉及到造腔管柱系统,管柱系统与腔体形态、造腔工期和造腔成本有密切关系。目前,造腔过程中常用的“单井油垫对流法水溶造腔管柱系统结构”比较成熟,该系统采用三层管柱进行造腔作业,主要由置于最外层的技术套管(生产套管)、置于技术套管内的中间管(造腔外管)、置入中间管内的造腔管柱(造腔内管)三部分组成,造腔管柱系统模型见图1。在进行理论建模分析时,将造腔管柱视为悬臂输流管道,流体流过管道内壁或外壁,管柱在流场的作用下发生振动现象。

a)结构图a)Structure chart

1.1 流体控制方程

流体流动需遵循物理守恒定律,主要为:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

1.1.1 质量守恒方程

质量守恒采用连续性方程来描述,即单位时间内流出控制体的质量等于引发控制体密度变化的质量,由此可得到连续性方程的微分形式:

(1)

式中:ρ为管内流体密度,kg/m;ux、uy、uz分别为流体在x、y、z方向上的流速,m/s;t为时间变量。

1.1.2 动量守恒方程

对于给定的一个流体微元,其动量对时间的变化率等于外界作用在该微元上的各种外力之和。根据这一定律,推导出x、y、z方向上的动量方程:

(2)

式中:p为管内流体内压,Pa;τij,i,j=x,y,z为流体微元六个方向的切应力,Pa;fx、fy、fz为三个方向上收到的外力,N。

1.1.3 能量守恒定律

取微元体,其能量的增加率等于此微元体的净热流通量加上质量力与表面力对微元所做的功,此次模型无须考虑热交换,故不打开能量方程选项。

1.2 固体控制方程

固体部分的控制方程用拉格朗日方程进行描述[18],可表示为：

(3)

1.3 造腔管柱流固耦合模型

在ANSYS Flunet商业软件流固耦合模型中,流体模块采用Fluid Flow(Fluent)，造腔管柱结构模块采用Transient Structural，流体和固体的结果数据交换在System Coupling模块中完成。流体与固体的几何建模在Fluent模块中的Geometry完成,由于流体与固体为圆柱体结构,在后续的网格划分时容易发生网格质量变差,最终导致计算精度低、计算慢。为解决此问题,在几何建模时,对几何模型进行多次切割,使得几何模型尽可能全部划分为六面体网格。

2 造腔管柱模拟实验及模型验证

2.1 实验原理及参数

为验证造腔管柱流固耦合模型的正确性,需搭建盐穴储气库模拟实验装置。以李银平的造腔管柱液—固耦合模型试验为基础[19],结合悬臂管抽吸液动力稳定性实验装置(Kuiper)[5],并参考黄涛关于钻柱耦合振动的实验装置[20]。采用相似原理,在室内实验室设计与现场盐穴储气库相似的模型,将实验测量数据与理论仿真模型计算结果进行对比,验证本文建立的流固耦合模型的正确性。

由于本文研究的着眼点是分析造腔管柱在各种激励作用下的振动行为,所研究的问题同时涉及到了力、时间、长度三个基本物理量及运动参量等导出量,因此,应选用动力相似确定本文的实验参数[20]。

(4)

式中:Cl=lp/lm,Cl为几何相似比(根据现场结构尺寸和模拟实验台架尺寸,确定缩尺比为11)；Cρ为密度相似比;CE为弹性模量相似比。

根据相似定律,利用缩尺比为11来缩小管柱的外径、内径、壁厚,得到模拟实验内管与外管的基本尺寸,选择模拟造腔管柱材料为PVC管[21],具体参数见表1。

表1 实验参数表

2.2 实验台架及测试仪器

根据表1的参数并结合造腔管柱实际的生产特点,设计并完成了实验台架的搭建,实验装置主要包含管柱系统、连接系统、测试系统,具体包括水源(水泵、储水桶)、管线、流量计、实验管柱、固定支座、动态数据采集仪等。实验台架结构和实物见图2。

实验需要监测的主要数据为测试管柱最下端的摆动位移量和测试管柱上10个测点的应变。测试管柱最下端摆动位移的测量,通过安装三向加速度传感器于管柱下端,并与动态数据采集仪配合进行获取。考虑到测试管柱直径过细,为避免传感器重量对摆动位移量造成影响,选用微型三向加速度传感器。

a)结构图a)Schematic diagram

2.3 实验结果分析

图3～5分别为模拟实验管柱测点(管柱最下端处)和仿真模型计算测点在x、y、z三个方向的位移变化曲线(仿真模型计算参数选取与实验参数一致),由于实验中10 s后振动相较于前10 s较小,故截取前10 s的时程曲线。

a)x方向实验位移变化曲线a) Experimental displacement in x direction

a)y方向实验位移变化曲线a)Experimental displacement in y direction

a)z方向实验位移变化曲线a)Experimental displacement in z direction

在实验初期,造腔管柱在水流的作用下朝x、y和z三个方向都有剧烈波动。x和y方向的振动在初始0～2 s 阶段出现剧烈波动,此后的6 s之内出现局部极大值(波峰),之后归于振动平衡状态。由图3～5可以看出：x方向的振动位移数量级相较于其他两个方向要小;y方向造腔管柱偏离初始平衡位置;z方向的位移变化没有出现局部极大值(波峰),在振动阶段一直处于平衡位置波动。

通过对比实验测试结果和仿真计算结果,发现理论计算位移与仿真计算位移在三个方向的变化趋势均相同,且振动幅值一致,验证了仿真计算模型的正确性及有效性。

3 造腔管柱失稳影响因素分析

采用上述已验证的数值仿真模型,借助表2的江汉油田M实例井现场数据,开展注入流量参数对造腔管柱失稳影响因素分析。

选择两口距为30 m进行计算分析,不同注入流量造腔管柱位移见图6～8。探究注入流量对造腔管柱变形的影响规律。

图6 注入流量对初始位移的影响Fig.6 Influence of injection flow rate on initial displacement

图7 造腔管柱压力云图与速度云图Fig.7 Pressure and velocity cloud charts of cavity-making string

图8 造腔管柱不同时间位移变化Fig.8 Change of cavity-making string displacementin different time

图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时程曲线,其初始振动频率基本一致,只是位移值有一定的差别,且排量越大,造腔管柱的初始位移越大。

进入Fluent模块查看流体的压强与流速可知:图7虚线处造腔管柱下端的内流压强、环空流体压强与腔内流体压强变化明显,初步分析是由于造腔管柱内外的压强差导致其摆动。为确定此分析,选取注入流量为 60 m3/h,设置时间步长为0.05 s,分别导出造腔管柱内外壁面压强,对其进行计算验证。如图8所示,造腔管柱摆动距离为79 mm,计算结果与图6中的70 mm几乎一致。

盐穴储气库造腔注入流量对造腔工期、工程造价、腔体形态控制有重要影响,结合水溶造腔工程实际的需求,应合理设计造腔注水流量。建议在满足造腔施工进度要求时尽量降低造腔管内注水的流速,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作用。

4 结论

1)采用盐穴储气库造腔现场工艺流程,建立了造腔管柱振动控制方程和管内流体运动方程,采用ANSYS Fluent商业软件建立了造腔管柱流固耦合振动模型,并实现了造腔管柱数值求解,能够分析造腔管柱在注水溶解过程中的振动响应。

2)借助江汉油田现场M实例井参数,采用相似原理,设计了造腔管柱振动模拟实验台架,并开展了模拟实验,测得实验数据,与数值仿真模型计算结果进行对比,验证了数值仿真模型的正确性及有效性。

3)采用所验证的数值仿真模型,借助现场实例井参数,探究了注入流量对造腔管柱振动失稳的影响规律,发现注入流量越大,造腔管柱的初始位移量越大,易引起结构几何缺陷,导致造腔管柱失稳破坏。

4)结合水溶造腔工程实际的需求,合理设计造腔注入流量。建议在满足造腔施工进度要求时尽量降低造腔管内注水的流速,对于防范造腔管柱静力屈曲或运动失稳具有重要意义。