文23儲(chǔ)氣庫注采管柱接頭密封性能指標(biāo)研究*

王建軍，孫建華，李方坡，鮑志強(qiáng)，陳朝暉，郭 浩

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中石化中原儲(chǔ)氣庫有限責(zé)任公司 河南 濮陽 457000)

0 引 言

文23儲(chǔ)氣庫地處中國(guó)中原腹地，設(shè)計(jì)注采井在百口以上，有效工作氣量可達(dá)45億方，以季節(jié)調(diào)峰和平衡管網(wǎng)壓力為主，具有重要的戰(zhàn)略地位。目前文23儲(chǔ)氣庫氣藏處于枯竭階段，建成注氣后地層壓力會(huì)迅速提高至0.9，采氣后又會(huì)逐步降低至0.7左右，而作為注采氣關(guān)鍵通道的注采管柱，不僅承受著這種注采壓力的交替變化，還承受著注采溫度的交替變化，導(dǎo)致注采管柱在拉伸、壓縮載荷下循環(huán)受載，另外服役年限超過30年，故依據(jù)SY 6805—2010《油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫安全技術(shù)規(guī)程》和SY/T 6848—2012《地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)儲(chǔ)氣庫注采管柱提出應(yīng)選用氣密封螺紋接頭。但眾多氣密封螺紋接頭的密封性能存在差異[1-2]，尤其是氣密封螺紋接頭的抗壓縮能力[3]。

結(jié)合文23儲(chǔ)氣庫注采管柱結(jié)構(gòu)和服役工況，計(jì)算獲取了文23儲(chǔ)氣庫注采管柱載荷譜，進(jìn)一步提出了文23儲(chǔ)氣庫注采管柱氣密封螺紋接頭的最低技術(shù)指標(biāo)要求，并通過全尺寸模擬試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 文23儲(chǔ)氣庫注采工況

依據(jù)文23儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)資料，知注采管柱主要使用Φ88.9 mm×6.45 mm油管柱，同時(shí)可獲取到注采管柱主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和周圍環(huán)境參數(shù)，見表1。

表1 文23儲(chǔ)氣庫注采管柱結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境參數(shù)

2 注采管柱載荷分析

2.1 注采管柱載荷計(jì)算模型

文23儲(chǔ)氣庫注采管柱主要承受內(nèi)壓力、外壓力和軸向力，內(nèi)壓力主要為注氣壓力和采氣壓力交變，外壓力主要來自油套環(huán)空保護(hù)液靜液柱壓力。注采管柱軸向力主要來自油管下入、坐封等以及因溫度效應(yīng)、活塞效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、屈曲效應(yīng)而產(chǎn)生的軸向力[4-5]，另外在注氣、采氣過程中氣體流動(dòng)產(chǎn)生的摩阻作用在管體內(nèi)壁帶來的軸向力。

因注采管柱接頭性能標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)主要為拉伸效率和壓縮效率[6]，其選用是否安全，與承受的軸向載荷密切相關(guān)，考慮到文23儲(chǔ)氣庫注采管柱采用永久式封隔器，根據(jù)SY/T 7370《地下儲(chǔ)氣庫注采管柱選用與設(shè)計(jì)推薦做法》標(biāo)準(zhǔn)，知注采管柱所受到的有效軸向力計(jì)算公式如下：

Fe=F1+F2+F3+F4+F5

(1)

當(dāng)注采氣過程中，坐封后管柱因應(yīng)力松弛使原始軸向力喪失，即F1=0，此時(shí)有效軸向力為：

Fe=F2+F3+F4+F5

(2)

當(dāng)注采氣過程中，考慮最大壓力降ΔPf=psmax-psmin(純壓降)，得最大摩阻力：

(3)

則，有效軸向力為：

(4)

(5)

2.2 注采管柱載荷譜分析

按照表1中各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)SY/T 7370標(biāo)準(zhǔn)要求分三種注采工況(注氣初始、采氣運(yùn)行、注氣運(yùn)行)，利用以上公式，可計(jì)算獲得文23儲(chǔ)氣庫注采管柱軸向載荷變化情況，結(jié)果如圖1所示。因封隔器以下管柱自由(約束改變)，以封隔器為界限，管柱受力方向出現(xiàn)拐點(diǎn)，但最大載荷均出現(xiàn)在封隔器以上管柱段，因此重點(diǎn)分析封隔器以上管柱受力情況。按照管柱有效軸向力(1)式、考慮應(yīng)力松弛時(shí)有效軸向力(2)式、考慮純壓降時(shí)有效軸向力(4)式、考慮純壓降且應(yīng)力松弛時(shí)有效軸向力(5)式等四種情況計(jì)算全井段注采管柱載荷變化，結(jié)果如圖1所示。

圖1 注采管柱有效軸向力隨井深變化規(guī)律

從圖1中發(fā)現(xiàn)，在注氣過程中，管柱拉伸載荷隨井深增加而增大；在采氣過程中，管柱壓縮載荷隨井深增加而減小。若要獲得管柱最大載荷變化，則需注氣時(shí)不考慮應(yīng)力松弛(1)式，采氣時(shí)考慮應(yīng)力松弛(2)式，同時(shí)考慮純壓降(注氣為(4)式，采氣為(5)式可獲得管柱極限載荷變化。即各種情況下管柱承受的載荷，屬考慮純壓降時(shí)的載荷最大。

現(xiàn)把圖1中各種注采工況下的最大載荷提取之后列入表2中，發(fā)現(xiàn)注采管柱接頭最低要承受645.29 kN拉伸載荷和534.05 kN壓縮載荷的能力；進(jìn)一步把表2中的拉伸、壓縮最大載荷值與ISO/TR 10400—2018中規(guī)定的Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q油管額定抗拉強(qiáng)度921 kN進(jìn)行比較，可以獲得實(shí)際載荷比(表2)，說明注采管柱接頭的拉伸效率不能低于70.06%、壓縮效率不能低于57.92%。

結(jié)合SY/T 7370中要求接頭抗拉伸安全系數(shù)1.30、抗壓縮安全系數(shù)1.00，同時(shí)考慮到目前市場(chǎng)上主要?dú)饷芊饴菁y接頭的拉伸效率均達(dá)到100%，最終提出文23儲(chǔ)氣庫注采管柱接頭選用技術(shù)指標(biāo)值為接頭拉伸效率100%、接頭壓縮效率不小于60%。

表2 注采作業(yè)過程管柱最大載荷變化

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)上述接頭選用技術(shù)指標(biāo)值的有效性，同時(shí)也為了保障文23儲(chǔ)氣庫注采管柱安全，選用市場(chǎng)上已有的Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型氣密封螺紋油管進(jìn)行全尺寸實(shí)物模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)，該油管接頭拉伸效率為100%、壓縮效率為60%。

若每年1個(gè)注采周期，則每年管柱載荷按照拉伸/壓縮載荷交變1次(如圖1中虛線所示，順時(shí)針方向)，30年則有30次這種載荷交變。故在ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)[9]基礎(chǔ)上改進(jìn)試驗(yàn)程序，分析拉壓交變載荷下Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型油管30周次氣密封螺紋套管密封性能。

結(jié)合表2載荷值并考慮一定安全系數(shù)，試驗(yàn)過程中拉伸載荷施加至782 kN(85%額定抗拉強(qiáng)度)，壓縮載荷施加至552 kN(60%額定抗拉強(qiáng)度)，內(nèi)壓施加至50 MPa。即該T型氣密封螺紋油管在50 MPa內(nèi)壓下經(jīng)過782 kN拉伸→552 kN壓縮→782 kN拉伸→552 kN壓縮→782 kN拉伸→……等如此往返試驗(yàn)加載30次循環(huán)后，管柱未發(fā)生泄漏，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型油管多周次氣密封循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果說明2.2節(jié)給出的文23儲(chǔ)氣庫注采管柱接頭技術(shù)指標(biāo)值是合理可行的，而且試驗(yàn)載荷高于注采運(yùn)行工況載荷，具有一定的安全余量。

4 結(jié) 論

1)文23儲(chǔ)氣庫可按SY/T 7370標(biāo)準(zhǔn)載荷計(jì)算方法，獲取注采管柱承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷，并據(jù)此選擇相應(yīng)性能的氣密封螺紋接頭。

2)依據(jù)文23儲(chǔ)氣庫注采管柱載荷變化，提出其注采管柱接頭選用技術(shù)指標(biāo)值應(yīng)為接頭拉伸效率100%、接頭壓縮效率不小于60%。

3)對(duì)選用的氣密封螺紋油管經(jīng)30周次氣密封循環(huán)試驗(yàn)證實(shí)文23儲(chǔ)氣庫注采管柱接頭選用技術(shù)指標(biāo)的合理有效，且具有一定的安全余量。

4)研究結(jié)果為文23儲(chǔ)氣庫注采管柱設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為其他儲(chǔ)氣庫注采管柱接頭選用提供了理論借鑒。