文23儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱封隔器密封數(shù)值模擬研究*

何祖清，伊偉鍇，李 軍，孫 鵬，蔣記偉，劉鵬林

(1. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 朝陽(yáng) 100101； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 北京 102249；3. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱中封隔器的主要作用是封隔油層套管與油管之間的環(huán)形空間，以隔絕產(chǎn)層，阻止層間氣體竄通[1-2]。密封膠筒是封隔器的關(guān)鍵元件，若發(fā)生外側(cè)撕裂、端部裂紋、局部變形等問題將降低封隔器的密封性能，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)行造成不利的影響[3-4]。部分學(xué)者對(duì)封隔器膠筒的密封性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析研究。陳瑞[5]建立ABAQUS有限元計(jì)算模型對(duì)不同壓力工作情況下分層注水封隔器膠筒的力學(xué)及變形狀況進(jìn)行了分析。張智等[6]利用正交優(yōu)化方法建立三維有限元模型對(duì)壓縮式封隔器膠筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仝少凱[1]從理論上推導(dǎo)計(jì)算了壓縮式封隔器膠筒的接觸應(yīng)力和極限密封壓力。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)井設(shè)計(jì)壽命為30 a以上，每個(gè)注采周期一般為1 a，其中注氣期為200 d，采氣期為150 d，注采過程中壓力波動(dòng)變化較大，注采周期的交替變化產(chǎn)生交變載荷，影響注采管柱的密封性。而目前缺乏針對(duì)多周次注采過程中封隔器膠筒的密封性研究，因此開展相關(guān)的研究具有重要意義。本文基于非線性接觸理論，結(jié)合文23儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱結(jié)構(gòu)，建立封隔器中心管-膠筒-油層套管密封結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析多周次注采情況下封隔器的密封性能，以期為文23儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期注采作業(yè)提供一定的參考依據(jù)。

1 文23儲(chǔ)氣庫(kù)基本情況

1.1 基本概況

文23儲(chǔ)氣庫(kù)于2019年3月8日開始首次注氣，2019年11月15日正式開始首次采氣，是我國(guó)中東部地區(qū)最大的儲(chǔ)氣庫(kù)[7-8]。文23儲(chǔ)氣庫(kù)由位于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構(gòu)造高部位的文23氣田改造而來，原始地層壓力在38.6 MPa左右。一期注采總井?dāng)?shù)72口，單井注氣能力17.99～105.12×104m3/d，單井采氣能力15.43～93.36×104m3/d，運(yùn)行壓力20.9～38.6 MPa[9-10]。

1.2 注采管柱封隔器密封結(jié)構(gòu)

文23儲(chǔ)氣庫(kù)5-7井注采管柱采用貝克休斯SAB-3永久型壓縮式封隔器，如圖1所示，主要通過軸向力作用壓縮膠筒使膠筒膨脹并與油層套管接觸，實(shí)現(xiàn)油管與油層套管之間的密封。

1-下接頭；2-中心管；3-坐封剪釘；4-下卡瓦；5-下活塞；6-金屬支撐杯；7-下膠筒；8-中膠筒；9-上膠筒；10-上活塞；11-上卡瓦圖1 貝克休斯SAB-3永久型封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

2 封隔器密封結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 模型建立

為便于模型的建立與分析，作以下2點(diǎn)假設(shè)：1)膠筒的體積不可壓縮且忽略膠筒蠕變及硬化的影響；2)封隔器中心管、膠筒、油層套管均為各向同性連續(xù)體。模型參數(shù)見表1，封隔器中心管、油層套管均為合金鋼，其密度為7.85 g/cm3。膠筒為丁腈橡膠材料，密度為 1.20 g/cm。選擇Mooney-Rivlin模型模擬橡膠材料的變形，其Rivlin 系數(shù)C10、C01 分別為 1.926 和 0.963[11-12]。建立如圖2所示的封隔器中心管-膠筒-油層套管有限元模型。將中心管、膠筒和油層套管的右端面予以固定，在膠筒的左端面施加坐封載荷。封隔器坐封過程中膠筒與中心管和油層套管之間的接觸均設(shè)置為非線性接觸。

表1 模型的參數(shù)設(shè)置

圖2 中心管-膠筒-油層套管有限元模型

模型的計(jì)算分為兩個(gè)分析步：第一個(gè)分析步，模擬封隔器坐封過程中膠筒的壓縮膨脹密封過程，關(guān)鍵是膠筒的超彈性材料屬性設(shè)置以及膠筒與中心管、油層套管的非線性接觸；第二個(gè)分析步，模擬注采過程中膠筒的受力狀態(tài)，關(guān)鍵是注采過程的動(dòng)態(tài)分析。

2.2 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[13]利用萬能試驗(yàn)機(jī)分別施加1.7、3.3、5.0、6.7、8.4 及10.0 MPa的坐封載荷，得到不同載荷下的壓縮距分別為16.74、22.17、25.28、26.68、27.46、27.02 mm。為驗(yàn)證模型的可靠性，采用文獻(xiàn)[13]中膠筒壓縮試驗(yàn)的參數(shù)建立相應(yīng)的有限元模型，并計(jì)算不同坐封載荷下膠筒的軸向壓縮距，如圖3所示。模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明模型可以應(yīng)用于膠筒的密封性模擬及分析。

圖3 有限元模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)果分析

接觸應(yīng)力、軸向壓縮距和密封系數(shù)是反應(yīng)封隔器密封性能的3個(gè)重要參數(shù)，本節(jié)主要分析參數(shù)變化對(duì)坐封狀態(tài)與工作狀態(tài)下封隔器密封性能參數(shù)的影響。

3.1 坐封狀態(tài)

3.1.1 膠筒高度對(duì)密封性能參數(shù)的影響

研究膠筒高度對(duì)密封性能參數(shù)的影響，結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4可知，隨著膠筒高度的增大，膠筒和油層套管之間的接觸線長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力增大；膠筒高度為97 mm的膠筒下端接觸應(yīng)力比高度為67 mm的膠筒下端接觸應(yīng)力增加約1.5 MPa。由圖5可知，軸向壓縮距隨著坐封壓力的增大首先迅速增大，在達(dá)到封隔器的額定坐封壓力10 MPa左右后趨于平緩；膠筒越高，軸向壓縮距離越大。由圖6可知，密封系數(shù)隨著坐封壓力的增大而增大，膠筒高度越大密封系數(shù)越高?？紤]到膠筒過高會(huì)造成橡膠失穩(wěn)而發(fā)生局部接觸應(yīng)力較大，造成膠筒失效，因此膠筒高度不宜過大。

圖4 膠筒高度對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖5 膠筒高度對(duì)軸向壓縮距離的影響

圖6 膠筒高度對(duì)密封系數(shù)的影響

3.1.2 摩擦系數(shù)對(duì)密封性能參數(shù)的影響

研究摩擦系數(shù)對(duì)密封性能參數(shù)的影響，結(jié)果如圖7～圖9所示。由圖7可知，隨著摩擦系數(shù)的增大，膠筒和油層套管之間的接觸線長(zhǎng)度幾乎不變，接觸應(yīng)力減??；與摩擦系數(shù)為0.05時(shí)的接觸應(yīng)力相比，摩擦系數(shù)為0.3 時(shí)的接觸應(yīng)力減小一半左右。由圖8可知，不同的摩擦系數(shù)對(duì)軸向壓縮距幾乎無影響。由圖9可知，摩擦系數(shù)越小，密封系數(shù)越大；摩擦系數(shù)小于 0.15 之后其對(duì)密封系數(shù)的影響逐漸減小。從節(jié)約生產(chǎn)成本方面考慮可以優(yōu)選摩擦系數(shù)為0.15左右的膠筒較為實(shí)用。

圖7 摩擦系數(shù)對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖8 摩擦系數(shù)對(duì)軸向壓縮距離的影響

圖9 摩擦系數(shù)對(duì)密封系數(shù)的影響

3.1.3 套管內(nèi)徑對(duì)密封性能參數(shù)的影響

研究套管內(nèi)徑對(duì)密封性能參數(shù)的影響，結(jié)果如圖10～圖12所示。由圖10可知，隨著套管內(nèi)徑的減小，膠筒和套管之間的接觸線長(zhǎng)度逐漸增加，接觸應(yīng)力沿軸向下降速度減小。由圖11可知，壓縮距隨著坐封壓力的增大首先迅速增大后趨于平緩；套管內(nèi)徑越小，最終軸向壓縮距離越大。由圖12可知，隨著套管內(nèi)徑的減小，密封系數(shù)降低，但內(nèi)徑大于157.08 mm后影響減小。因此，選擇內(nèi)徑較小的套管有利于封隔器與套管的密封。

圖10 套管內(nèi)徑對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖11 套管內(nèi)徑對(duì)軸向壓縮距離的影響

圖12 套管內(nèi)徑對(duì)密封系數(shù)的影響

由圖4、圖7和圖10可知，對(duì)接觸應(yīng)力的影響大小順序?yàn)樘坠軆?nèi)徑>摩擦系數(shù)>膠筒高度；由圖5、圖8和圖11可知，對(duì)軸向壓縮距離的影響大小順序?yàn)樘坠軆?nèi)徑>膠筒高度>摩擦系數(shù)；由圖6、圖9和圖12可知，對(duì)密封系數(shù)的影響大小順序?yàn)樘坠軆?nèi)徑>膠筒高度>摩擦系數(shù)。

3.2 工作狀態(tài)

3.2.1 多周次注氣作業(yè)對(duì)密封性能參數(shù)的影響

圖13和圖14為多周次注氣作業(yè)對(duì)膠筒和套管之間的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)的影響，可知，隨著注氣周次的增加，膠筒和套管之間的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)均先迅速降低，10個(gè)周次后趨于平緩；注氣過程膠筒上部的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)最大，下部次之，中部最??；30個(gè)周次后，膠筒中部的接觸壓力減小2.3 MPa，密封系數(shù)減小0.11；注氣周次越多，封隔器膠筒中部的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)越低，失效風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖13 注氣作業(yè)對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖14 注氣作業(yè)對(duì)密封系數(shù)的影響

3.2.2 多周次采氣作業(yè)對(duì)密封性能參數(shù)的影響

圖15和圖16為多周次采氣作業(yè)對(duì)膠筒和套管之間的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)的影響，可知，隨著采氣周次的增加，膠筒和套管之間的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)均先迅速降低，10個(gè)周次后趨于平緩；采氣過程膠筒下部的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)最大，上部次之，中部最小；30個(gè)周次后，膠筒中部的接觸壓力減小1.5 MPa，密封系數(shù)減小0.09；采氣周次越多，封隔器膠筒中部的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)越低，失效風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖15 采氣作業(yè)對(duì)接觸應(yīng)力的影響

圖16 采氣作業(yè)對(duì)密封系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

1)基于非線性接觸理論，建立了文23儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱封隔器中心管-膠筒-油層套管密封結(jié)構(gòu)三維有限元模型，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性。

2)隨著膠筒高度的增加、套管內(nèi)徑和膠筒摩擦系數(shù)的減小，膠筒與油層套管之間的接觸應(yīng)力增大，軸向壓縮距減小，密封系數(shù)增大。采用高度較大、摩擦系數(shù)較小的膠筒及內(nèi)徑較小的套管有利于封隔器與油層套管的密封。

3)注采周次越多，封隔器膠筒中部的接觸應(yīng)力和密封系數(shù)越低，封隔器密封失效風(fēng)險(xiǎn)越大。基于此，建議文23儲(chǔ)氣庫(kù)提前做好封隔器失效預(yù)防方案。