儲氣庫注采管柱振動模擬試驗(yàn)及振動規(guī)律分析

丁建東，練章華，丁熠然，張強(qiáng)，劉靚雯

(1.中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院 河北 任丘 062552；2.西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

0 引 言

儲氣庫在生產(chǎn)運(yùn)行中是一個(gè)大排量注氣和采氣的過程[1]，在注氣、采氣過程中高壓氣體沿管柱高速流動，由于氣體沿管柱流態(tài)的變化[2]，將會誘發(fā)氣體振動，氣體的振動將會作用到管柱壁上，使管柱振動。管柱結(jié)構(gòu)彈性振動和氣體振動相互影響，繼而產(chǎn)生管柱耦合振動[3]。管柱振動必將會引起管柱疲勞、井下工具失效、油管螺紋失效等，將直接影響注采管柱的壽命和安全[4]。

目前，對在高速氣體流動條件下誘發(fā)管柱振動研究相對較少，特別是通過模擬振動試驗(yàn)開展管柱振動的研究就更少了，在已公開發(fā)表的文章中關(guān)于管柱振動的研究主要集中在鉆柱振動的研究，鉆柱振動與完井管柱振動有著本質(zhì)的不同。鉆柱振動是由外界轉(zhuǎn)盤帶動旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，是一種簡諧振動[5]。而儲氣庫注采管柱的振動是由管柱內(nèi)流體不穩(wěn)定流動和管柱的固液耦合作用引起，是一種隨機(jī)受迫振動。

2005年黃楨[6]提出高產(chǎn)氣井油管柱振動可能影響油管柱的使用壽命。2006年，鄧元洲[7]對高產(chǎn)氣井中天然氣誘發(fā)油管柱振動的機(jī)理進(jìn)行了分析，得到了天然氣對油管柱的激振力并利用有限元軟件進(jìn)行了油管柱振動特性分析和動力學(xué)分析。樂彬[8]、宋周成[9]和樊洪海等[10-11]在前人研究的基礎(chǔ)上，采用理論推導(dǎo)或有限元模擬方法研究了氣井管柱振動的動力學(xué)問題，得到了氣體誘發(fā)的管柱振動特性及規(guī)律[12-19]。但以上研究都是基于理論研究，本文所述是通過開展注采管柱振動模擬試驗(yàn)，研究不同因素對注采管柱振動的影響程度，獲取不同管徑、不同注采氣量以及不同軸向力下注采管柱的振動加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，找出影響注采管柱振動的初步規(guī)律，為儲氣庫井、天然氣井等注采工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行以及注采管柱的安全評估提供參考。

1 模擬振動試驗(yàn)原理

為了使模擬試驗(yàn)所描述的物理現(xiàn)象能夠真實(shí)地反映儲氣庫實(shí)際生產(chǎn)中的注采過程，從模擬試驗(yàn)中得到的定量數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確代表高速氣體誘發(fā)注采管柱振動的狀態(tài)，依據(jù)相似理論，應(yīng)該使模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際生產(chǎn)工況原型滿足：幾何相似、動力相似、運(yùn)動相似和時(shí)間相似。其中，幾何相似是幾何尺寸成比例，包括長度相似、面積相似和體積相似等；動力相似是對應(yīng)點(diǎn)的受力方向相同，大小和作用位置成比例；運(yùn)動相似包括運(yùn)動的方向一致和大小成比例，主要包括時(shí)間相似、速度相似、加速度相似。

(1)幾何相似

(1)

(2)動力相似

(2)

(3)運(yùn)動相似

(3)

(4)時(shí)間相似

(4)

目前我國已建的蘇橋、呼圖壁和相國寺等儲氣庫其注采管柱主要有D73、D88.9和D114.3 mm三種規(guī)格，根據(jù)試驗(yàn)場地和試驗(yàn)設(shè)施的條件等，選取幾何相似比為1:8，則模擬試驗(yàn)中的模擬油管外徑分別為9、11和14 mm。模擬油管材料分別為尼龍和不銹鋼，其材料基本屬性見表1。模擬井筒材料為透明有機(jī)玻璃管，其外徑為22 mm，內(nèi)徑為19 mm，長度為25 m。

根據(jù)相似定理和量綱分析，可得到相關(guān)物理量的相似系數(shù)，見表2。

表1 模擬油管的材料基本屬性表

表2 模擬試驗(yàn)相似系數(shù)

目前儲氣庫注采氣量主要在10×104～300×104m3/d范圍內(nèi)，根據(jù)相似理論及本文的相似系數(shù)，實(shí)際注采氣量與模擬試驗(yàn)氣量的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 實(shí)際注采氣量與模擬注采氣量的對應(yīng)關(guān)系

2 模擬振動試驗(yàn)裝置

依據(jù)模擬試驗(yàn)相似系數(shù)、實(shí)際注采氣量與模擬注采氣量的對應(yīng)關(guān)系建立下述的試驗(yàn)裝置。

試驗(yàn)裝置主要包含以下幾部分：試驗(yàn)架底座、氣源及控制單元、模擬管柱單元(非金屬部分和金屬部分)、模擬井筒單元、測試單元、數(shù)據(jù)采集軟件等，如圖2所示。

試驗(yàn)裝置中傳感器的安放位置如圖3所示，其中，氣體壓力計(jì)安裝在儲氣罐下端管柱進(jìn)氣口處，2個(gè)軸向力傳感器分別安裝在模擬封隔器兩側(cè)的模擬管柱上，3個(gè)振動傳感器分別安裝在模擬管柱中部、靠近封隔器處模擬管柱和金屬管出口處。

試驗(yàn)通過電磁閥來控制氣體流動和試驗(yàn)氣量，3個(gè)振動傳感器分別記錄管柱中部、靠近封隔器處和管柱尾端(金屬管出口處)的振動加速度數(shù)據(jù)，封隔器兩側(cè)的2個(gè)軸向力傳感器用于監(jiān)測和調(diào)整管柱的軸向力。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

圖3 傳感器安放位置示意圖

試驗(yàn)中由各傳感器記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸給控制電腦，最后由數(shù)據(jù)采集處理軟件生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表和相關(guān)曲線。振動傳感器同時(shí)記錄管柱X、Y、Z三個(gè)方向的振動加速度數(shù)據(jù)，其中X方向加速度代表管柱的軸向(縱向)加速度，Y、Z方向加速度方向代表管柱的徑向(橫向)加速度，如圖4所示。

圖4 模擬管柱測試加速度方向示意圖

3 模擬振動試驗(yàn)與分析

3.1 恒定氣體流速時(shí)管柱振動試驗(yàn)與分析

在進(jìn)行恒定氣體流速下的管柱振動測試時(shí)，為了避免壓縮機(jī)振動對試驗(yàn)的影響，氣源采用多組儲氣罐進(jìn)行供氣，這樣既保證了穩(wěn)定的氣流又避免了壓縮機(jī)振動的影響。

通過電磁閥控制使氣體流量控制在穩(wěn)定一個(gè)恒定的流速，圖5(a)所示是氣體流量控制在3.06 m3/min(對應(yīng)實(shí)際氣量為85×104m3/d)時(shí)測取的管柱中部振動加速度。在圖中看到在時(shí)間為3.2 s和7.3 s時(shí)振動加速度有較大的變化，這是由于氣源開始供氣和結(jié)束供氣的產(chǎn)生的波動，在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上氣體流速不穩(wěn)定，不能作為分析對象。在3.5～7.2 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)氣體流速是相對恒定的，測得管柱中部的振動加速度為1.0 m/s2，說明管柱在恒定氣體流動的情況下是可以發(fā)生振動。為了保證數(shù)據(jù)的普遍性我們先后測取了2.05、3.6、6.55和11.22 m3/min五種恒定氣體流速(對應(yīng)實(shí)際氣量分別為57×104、100×104、182×104和312×104m3/d)下的振動加速度，測試曲線見圖5 (b)至圖5(e)，其結(jié)果是相同。說明氣體在管柱內(nèi)恒定流速下是發(fā)生振動的。

3.2 不同氣體流速時(shí)管柱振動試驗(yàn)與分析

在不同氣體流量下管柱振動如何變化，我們分別模擬了流量為2.05、3.06、3.6、6.55和11.22 m3/min(換算為實(shí)際注采氣量分別為57×104、85×104、100×104、182×104和312×104m3/d)時(shí)管柱中間部位、封隔器處和管柱尾端的振動加速度。圖6是測取的管柱尾端(金屬管出口處)的振動加速度曲線，其軸向振動加速度最大值分別為3.9、10.0、15.9、17.8和24.9 m/s2。由圖6可知，隨著氣量的增加，管柱軸向和橫向振動加速度均增加，說明氣量的增加會導(dǎo)致管柱振動加劇。

3.3 流速突變對管柱振動的影響與分析

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量變化時(shí)，特別是閥門開啟階段和閥門關(guān)閉階段，管柱將發(fā)生劇烈的振動。我們將注采氣試驗(yàn)分為閥門開啟階段、氣量穩(wěn)定階段和閥門關(guān)閉三個(gè)階段。圖7所示測取了14 mm模擬管柱不同注氣量在不同階段管柱的軸向振動加速度對比圖。由圖中可以看出閥門突然開啟或關(guān)閉，會導(dǎo)致管柱內(nèi)的氣體壓力發(fā)生瞬時(shí)劇烈改變，根據(jù)水擊理論，其沖擊載荷可達(dá)靜態(tài)載荷的數(shù)倍，管柱會發(fā)生劇烈振動。而在氣量穩(wěn)定階段，氣體壓力較穩(wěn)定，但由于氣體流動的非穩(wěn)定性，管柱也會發(fā)生一定程度的振動。對比不同階段管柱的振動加速度可知，閥門開啟或關(guān)閉瞬間以及氣量穩(wěn)定階段管柱的軸向振動加速度均隨氣量的增加而增加，相同氣量下閥門突然開啟或關(guān)閉瞬間管柱的軸向振動加速度可達(dá)穩(wěn)定注氣階段的5～15倍。

圖5 恒定流速下管柱中部振動加速度

3.4 管柱不同位置管柱振動試驗(yàn)與分析

在管柱模擬振動試驗(yàn)中，同時(shí)測取了管柱尾端、中部、封隔器處三個(gè)位置的振動加速度，也就是同一時(shí)刻相同氣體流速下管柱振動的加速度進(jìn)行了測試比較，試驗(yàn)結(jié)果表明在相同流速下管柱不同位置其振動強(qiáng)度不同，在注氣工況下管柱的尾端振動加速度最大，中部次之，靠近封隔器處加速度最小，見圖8。而在采氣工況下靠近封隔器處的振動加速度大于管柱中部的振動加速度，見圖9。

圖6 不同氣量管柱振動加速度(管柱尾端出口處)

4 結(jié) 論

通過模擬試驗(yàn)證實(shí)了注采管柱在注氣、采氣過程中存在管柱振動，并且這種振動有其規(guī)律性，在儲氣庫注采管柱設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行中需要引起重視。其主要結(jié)論如下：

圖7 流速突變對管柱的軸向振動加速度對比(14mm模擬管柱)

圖8 注氣工況下模擬管柱不同位置的軸向振動加速度

圖9 采氣工況下模擬管柱不同位置的軸向振動加速度

1)在氣體流速恒定時(shí)也會誘發(fā)管柱振動；

2)管柱振動加速度隨氣體流速大小不同而不同，流速大振動加速度大，反之則反；

3)當(dāng)氣體流速發(fā)生突變時(shí)，注采管柱振動將急劇增強(qiáng)；

4)在同一流量下管柱不同位置振動規(guī)律不同，注氣時(shí)，管柱中部比封隔器處振動加速度大；采氣時(shí)，管柱封隔器處比管柱中部振動加速大。

致謝

以上試驗(yàn)是與西南石油大學(xué)練章華教授及其團(tuán)隊(duì)共同合作完成的，在此表示感謝！