CN104373053A - 一种地下储气库注采管柱设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井技术领域，公开一种地下储气库注采管柱设计方法通过综合考虑作业过程中因管体自重、温度效应、压力效应以及流体流动产生的摩阻效应等对管柱的影响，在现有管柱设计的基础上考虑压缩载荷并匹配管柱接头压缩效率来设计地下储气库注采管柱，确保所设计管柱的接头压缩效率满足作业压缩载荷和密封需求，同时考虑管柱三轴应力设计，使注采管柱整体结构强度满足作业载荷要求。本发明不仅能满足拉伸载荷下的密封性，更能满足拉伸-压缩载荷交变后的管柱密封性，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长期安全运行。

Description

一种地下储气库注采管柱设计方法

技术领域

本发明属于钻井技术领域，涉及一种地下储气库注采管柱设计方法。

背景技术

目前世界天然气地下储存技术已逐渐完善和成熟，国外已经取得了不少的成果，主要集中在对储气库进行优化设计、注采运行参数控制、利用数值模拟指导运行以及以惰性气体或其他气体作为储气库垫层气的研究。而在储气库管柱设计上依然采用的是常规井管柱的设计方法，如等安全系数法、等边界负荷法、最大载荷法、Amoco设计法及BEB法、双轴应力法、三轴应力法等，使用更多的是双轴应力法。

我国地下储气库建设从上世纪70年代开始尝试，真正开始研究地下储气库是在90年代初。在天津市的大港油田利用枯竭凝析气藏建成两个地下储气库，即大张坨地下储气库和板876地下储气库，为陕京输气配套工程，以保证北京和天津两大城市的调峰供气。21世纪我国地下储气库技术已逐渐发展成熟，但主要集中在油气储备库地质评价、建库设计、气库建设和运行管理等方面，对储气库管柱设计上依然采用的是常规井管柱的设计方法。我国对套管柱强度的研究开始于上世纪80年代，在对美国、苏联等欧美国家套管柱强度分析的基础上，郝俊芳、徐惠峰、沈忠厚、龚伟安等老一代专家于1988年制定了套管强度设计方法，作为原石油部标准(SY/T 5322-88)发布。2008年，对SY/T 5322-88进行修正，发布了《SY/T 5724-2008套管柱结构与强度设计》作为石油天然气行业现行标准，现有完井管柱设计参照此标准设计。

地下储气库注采管柱(注采完井管柱)是保证气体注入、采出的安全通道，储气库井设计寿命在30年以上，对注采管柱同样提出更高的要求，要确保30年或更长期限内注采管柱的运行安全，但是从国内已建成的大港储气库群、京58储气库群等储气库井油套环空带压反映出注采管柱泄漏问题，尽管注采管柱采用的是气密封特殊螺纹，但密封问题依然凸显。地下储气库注采管柱不同于一般采气井完井管柱，注气/采气压力从最小13MPa到最大42MPa，压力波动变化较大，关键是注采周期频繁交替带来拉压交变载荷影响管柱服役。在一般天然气井主要是采气，完井管柱主要承受拉伸载荷，设计也以拉伸设计为主。而对于储气库井，采气时完井管柱依然主要承受拉伸载荷，注气时则主要承受压缩载荷，有时压缩载荷高达管柱额定抗拉强度的80％以上，此时管柱单独考虑拉伸设计则明显存在不足。从室内全尺寸实物试验也反映管柱在拉伸载荷下密封性较好，但在经过压缩载荷后再拉伸时易发生泄露。目前，各生产厂特殊螺纹接头的耐压缩性能(压缩效率)参差不齐，压缩效率从30％～100％都有，一旦选用不合适极易造成管柱泄漏。因此，如何考虑管柱在这种拉压交变载荷下设计，对注采管柱的密封完整性至关重要。

现有技术存在的主要问题：1)仍以常规气井管柱设计方法设计注采管柱；2)管柱设计未考虑压缩载荷；3)对管柱接头的耐压缩性能未考虑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种地下储气库注采管柱设计方法，以得到拉伸-压缩载荷交变后满足管柱密封性的注采管柱，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长期安全运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种地下储气库注采管柱设计方法，包括以下步骤：步骤1，注采管柱强度标准设计；步骤2，注采管柱耐压缩设计，包括注采管柱接头拉伸效率和压缩效率测定、计算注采管柱拉伸和压缩载荷、耐压缩设计条件判定；步骤3，管柱三轴应力设计。

作为本发明的进一步优选方案，步骤1满足式(1)强度设计要求：

${\mathrm{\σ}}_s=\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{be}}\\ p_{\mathrm{ce}}\\ T_e\end{array}\right\}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_s\right]=\left\{\begin{array}{c}\frac{p_{\mathrm{bo}}}{S_i}\\ \frac{p_{\mathrm{co}}}{S_c}\\ \frac{T_o}{S_t}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，σ_s为管柱单轴工作应力，[σ_s]为管柱单轴许用应力，p_be、p_ce、T_e分别为有效内压力、有效外压力、有效轴向拉力，p_bo、p_co、T_o分别为管柱的额定抗内压强度、抗挤强度、抗拉强度，S_c、S_i、S_t分别为管柱的抗挤安全系数、抗内压安全系数、抗拉安全系数。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤2具体包括以下步骤：a)注采管柱接头拉伸效率和压缩效率测定；b)计算注采管柱拉伸和压缩载荷，并取最大载荷；c)耐压缩设计条件判定。

作为本发明的进一步优选方案，步骤a)测量候选管柱接头的拉伸效率δt和压缩效率δc；拉伸效率，指管柱螺纹连接在95％VME载荷包络线内，内压加拉伸复合载荷作用下发生泄漏的临界拉伸载荷与管体拉伸屈服载荷的比值百分数；压缩效率，指管柱螺纹连接在95％VME载荷包络线内，内压加压缩复合载荷作用下发生泄漏的临界压缩载荷与管体压缩屈服载荷的比值百分数。

作为本发明的进一步优选方案，步骤b)按照式(2)计算总轴向力Ta：

T_a＝F_w+F_T+F_ba+F_p+F_be+F_f    (2)

据式(2)在注气/采气作业过程中管柱以承受轴向拉伸载荷为主/承受轴向压缩载荷为主计算全井段最大拉伸载荷和最大压缩载荷，分别记为T_atmax和T_acmax；其中，F_w为重力效应产生的轴向力，F_T为温度效应产生的轴向力，F_ba为鼓胀效应产生的轴向力，F_p为活塞效应产生的轴向力，F_be为弯曲效应产生的轴向力，F_f为摩阻效应产生的轴向力。

作为本发明的进一步优选方案，步骤c)的计算公式为

$\frac{T_{\mathrm{at}\max }}{T_{\mathrm{to}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_t}{S_{\mathrm{tt}}}---\left(3\right)$

$\frac{T_{\mathrm{ac}\max }}{T_{\mathrm{co}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{S_{\mathrm{tc}}}---\left(4\right)$

若计算结果符合式(3)、式(4)要求，则进行下一步设计；若计算结果不符合式(3)、式(4)中任一要求，则返回步骤1重新选材设计；其中，T_to、T_co分别为管体拉伸屈服载荷、管体压缩屈服载荷，一般均等于管体额定抗拉强度T_o；S_tt为管柱拉伸安全系数，一般取1.5～2.0；S_tc为管柱压缩安全系数取1.3～1.6。

作为本发明的进一步优选方案，步骤3计算注采管柱三轴工作应力σ，使之满足式(5)应力设计要求：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_h^2+{\mathrm{\σ}}_a^2-{\mathrm{\σ}}_r{\mathrm{\σ}}_h-{\mathrm{\σ}}_h{\mathrm{\σ}}_a-{\mathrm{\σ}}_a{\mathrm{\σ}}_r}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{S}---\left(5\right)$

若计算结果符合式(5)要求，则设计结束；否则，返回第1)步重新选材设计。其中，σ为注采管柱三轴工作应力，σ_r、σ_h分别为管柱径向应力和环向应力，由Lame公式计算获得；σ_a为轴向应力，由总轴向力T_a除以相应的管体横截面积计算获得；[σ]为管柱三轴许用应力，由管体材料屈服强度σ_y除以三轴安全系数S获得；S为三轴安全系数取1.2～1.8。

本发明综合考虑作业过程中因管体自重、温度效应、压力效应包括活塞效应、膨胀效应、弯曲效应以及流体流动产生的摩阻效应等对管柱的影响，在现有管柱设计的基础上考虑压缩载荷并匹配管柱接头压缩效率来设计地下储气库注采管柱，确保所设计管柱的接头压缩效率满足作业压缩载荷和密封需求；同时进行注采管柱三轴应力设计，包含注气过程中管柱三轴应力设计和采气过程中管柱三轴应力设计，使注采管柱整体结构强度满足作业载荷要求。本发明不仅能满足拉伸载荷下的密封性，更能满足拉伸-压缩载荷交变后的管柱密封性，提高管柱在交变载荷下的密封性能，保障注采管柱长期安全运行。

附图说明

图1为地下储气库注采管柱设计流程图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明内容进行详细描述：

本发明主要用于地下储气库注采管柱设计，主要包括标准设计模块和耐压缩设计模块、三轴应力设计模块。标准设计模块，即依照如标准《SY/T 5724-2008套管柱结构与强度设计》和《钻井手册(甲方)》等所述设计方法，进行管柱初步设计，使之满足常规作业要求(如试压等)；耐压缩设计模块，是设计的关键之处，综合考虑作业过程中因管体自重、温度效应、压力效应(活塞效应、膨胀效应、弯曲效应)以及流体流动产生的摩阻效应等对管柱的影响，确保所设计管柱的接头压缩效率满足作业压缩载荷和密封需求；三轴应力设计模块，包含注气过程中管柱三轴应力设计和采气过程中管柱三轴应力设计，使注采管柱整体结构强度满足作业载荷要求。

流程图如图1所示，本发明的地下储气库注采管柱设计方法主要步骤如下：

1)标准设计

依据《SY/T 5724-2008套管柱结构与强度设计》标准和《钻井手册(甲方)》等所述设计方法，计算注采管柱注采作业过程中的主要载荷，包括有效内压力p_be、有效外压力p_ce、有效轴向拉力T_e，从《API Spec 5CT套管和油管规范》标准中选择合适的管柱结构尺寸和钢级(简称“候选管柱”)，使之满足式(1)强度设计要求：

${\mathrm{\σ}}_s=\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{be}}\\ p_{\mathrm{ce}}\\ T_e\end{array}\right\}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_s\right]=\left\{\begin{array}{c}\frac{p_{\mathrm{bo}}}{S_i}\\ \frac{p_{\mathrm{co}}}{S_c}\\ \frac{T_o}{S_t}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中，σ_s为管柱单轴工作应力；[σ_s]为管柱单轴许用应力；p_bo、p_co、T_o分别为管柱的额定抗内压强度、抗挤强度、抗拉强度，由《API Bul 5C3套管、油管、钻杆和管线管性能公式与计算通报》标准计算或查表获得；S_c、S_i、S_t分别为管柱的抗挤安全系数、抗内压安全系数、抗拉安全系数，由《SY/T 5724-2008套管柱结构与强度设计》标准获得。

若计算结果符合式(1)要求，则进行下一步设计；若计算结果不符合式(1)要求，则重新选材设计。

2)耐压缩设计

a)由全尺寸加载试验设备测量候选管柱接头拉伸效率δt和压缩效率δc。

拉伸效率，指管柱螺纹连接在95％VME(Mises等效应力)载荷包络线内，内压加拉伸复合载荷作用下发生泄漏的临界拉伸载荷与管体拉伸屈服载荷的比值百分数。

压缩效率，指管柱螺纹连接在95％VME载荷包络线内，内压加压缩复合载荷作用下发生泄漏的临界压缩载荷与管体压缩屈服载荷的比值百分数。

b)计算注气、采气过程中轴向载荷的变化，综合考虑重力效应、温度效应、鼓胀效应、活塞效应、弯曲效应、摩阻效应等各种效应产生轴向力，并按照式(2)进行代数叠加，计算总轴向力T_a：

T_a＝F_w+F_T+F_ba+F_p+F_be+F_f    (2)

注气作业过程中管柱以承受轴向拉伸载荷为主，计算全井段最大拉伸载荷，记为T_atmax。

采气作业过程中管柱以承受轴向压缩载荷为主，计算全井段最大压缩载荷，记为T_acmax。

式中，F_w为重力效应产生的轴向力，F_T为温度效应产生的轴向力，F_ba为鼓胀效应产生的轴向力，F_p为活塞效应产生的轴向力，F_be为弯曲效应产生的轴向力，F_f为摩阻效应产生的轴向力。

c)注采管柱耐压缩设计安全判断准则，见式(3)和式(4)：

$\frac{T_{\mathrm{at}\max }}{T_{\mathrm{to}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_t}{S_{\mathrm{tt}}}---\left(3\right)$

$\frac{T_{\mathrm{ac}\max }}{T_{\mathrm{co}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{S_{\mathrm{tc}}}---\left(4\right)$

式中，T_to、T_co分别为管体拉伸屈服载荷、管体压缩屈服载荷，一般均等于管体额定抗拉强度T_o；S_tt为管柱拉伸安全系数，一般取1.5～2.0；S_tc为管柱压缩安全系数，一般取1.3～1.6。

3)耐压缩设计条件初判定

若计算结果符合式式(3)、式(4)要求，则进行下一步设计；若计算结果不符合式(3)、式(4)中任一要求，则返回第1)步重新选材设计。

4)三轴应力设计

依据注采作业工况，计算注采管柱三轴工作应力σ，使之满足式(5)应力设计要求：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_h^2+{\mathrm{\σ}}_a^2-{\mathrm{\σ}}_r{\mathrm{\σ}}_h-{\mathrm{\σ}}_h{\mathrm{\σ}}_a-{\mathrm{\σ}}_a{\mathrm{\σ}}_r}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{S}---\left(5\right)$

式中，σ_r、σ_h分别为管柱径向应力和环向应力，由Lame公式计算获得；σ_a为轴向应力，由总轴向力T_a除以相应的管体横截面积计算获得；[σ]为管柱三轴许用应力，由管体材料屈服强度σ_y除以三轴安全系数S获得；S为三轴安全系数，一般取1.2～1.8。

5)三轴应力设计判定

若计算结果符合式(5)要求，则设计结束；否则，返回第1)步重新选材设计。

采用本发明设计的Φ139.7mm×9.17mm P110特殊螺纹气密封油管柱经测试油套环空未出现带压和管柱泄漏现象，确保了管柱密封性能。

本发明适用于各类地下储气库注采管柱设计中，也可扩展应用于各种具有拉伸-压缩载荷交变工况中的油套管柱设计。

Claims (7)

1.一种地下储气库注采管柱设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，注采管柱强度标准设计；步骤2，注采管柱耐压缩设计，包括注采管柱接头拉伸效率和压缩效率测定、计算注采管柱拉伸和压缩载荷、耐压缩设计条件判定；步骤3，管柱三轴应力设计。

2.根据权利要求1所述的一种地下储气库注采管柱设计方法，其特征在于：步骤1满足式(1)强度设计要求：

${\mathrm{\σ}}_s=\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{be}}\\ p_{\mathrm{ce}}\\ T_e\end{array}\right\}\≤\left[{\mathrm{\σ}}_s\right]=\left\{\begin{array}{c}\frac{p_{\mathrm{bo}}}{S_i}\\ \frac{p_{\mathrm{co}}}{S_c}\\ \frac{T_o}{S_t}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，σ_s为管柱单轴工作应力，[σ_s]为管柱单轴许用应力，p_be、p_ce、T_e分别为有效内压力、有效外压力、有效轴向拉力，p_bo、p_co、T_o分别为管柱的额定抗内压强度、抗挤强度、抗拉强度，S_c、S_i、S_t分别为管柱的抗挤安全系数、抗内压安全系数、抗拉安全系数。

3.根据权利要求1所述的一种地下储气库注采管柱设计方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：a)注采管柱接头拉伸效率和压缩效率测定；b)计算注采管柱拉伸和压缩载荷，并取最大载荷；c)耐压缩设计条件判定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤a)测量候选管柱接头的拉伸效率δt和压缩效率δc；拉伸效率，指管柱螺纹连接在95％VME载荷包络线内，内压加拉伸复合载荷作用下发生泄漏的临界拉伸载荷与管体拉伸屈服载荷的比值百分数；压缩效率，指管柱螺纹连接在95％VME载荷包络线内，内压加压缩复合载荷作用下发生泄漏的临界压缩载荷与管体压缩屈服载荷的比值百分数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤b)按照式(2)计算总轴向力Ta：

T_a＝F_w+F_T+F_ba+F_p+F_be+F_f  (2)

据式(2)在注气/采气作业过程中管柱以承受轴向拉伸载荷为主/承受轴向压缩载荷为主计算全井段最大拉伸载荷和最大压缩载荷，分别记为T_atmax和T_acmax；其中，F_w为重力效应产生的轴向力，F_T为温度效应产生的轴向力，F_ba为鼓胀效应产生的轴向力，F_p为活塞效应产生的轴向力，F_be为弯曲效应产生的轴向力，F_f为摩阻效应产生的轴向力。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：步骤c)的计算公式为

$\frac{T_{\mathrm{at}\max }}{T_{\mathrm{to}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_t}{S_{\mathrm{tt}}}---\left(3\right)$

$\frac{T_{\mathrm{ac}\max }}{T_{\mathrm{co}}}\×100\%\≤\frac{{\mathrm{\δ}}_c}{S_{\mathrm{tc}}}---\left(4\right)$

若计算结果符合式(3)、式(4)要求，则进行下一步设计；若计算结果不符合式(3)、式(4)中任一要求，则返回步骤1重新选材设计；其中，T_to、T_co分别为管体拉伸屈服载荷、管体压缩屈服载荷，一般均等于管体额定抗拉强度T_o；S_tt为管柱拉伸安全系数，一般取1.5～2.0；S_tc为管柱压缩安全系数取1.3～1.6。

7.根据权利要求1所述的一种地下储气库注采管柱设计方法，其特征在于：步骤3计算注采管柱三轴工作应力σ，使之满足式(5)应力设计要求：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\σ}}_h^2+{\mathrm{\σ}}_a^2-{\mathrm{\σ}}_r{\mathrm{\σ}}_h-{\mathrm{\σ}}_h{\mathrm{\σ}}_a-{\mathrm{\σ}}_a{\mathrm{\σ}}_r}\≤\left[\mathrm{\σ}\right]=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{S}---\left(5\right)$

若计算结果符合式(5)要求，则设计结束；否则，返回第1)步重新选材设计；其中，σ为注采管柱三轴工作应力，σ_r、σ_h分别为管柱径向应力和环向应力，由Lame公式计算获得；σ_a为轴向应力，由总轴向力T_a除以相应的管体横截面积计算获得；[σ]为管柱三轴许用应力，由管体材料屈服强度σ_y除以三轴安全系数S获得；S为三轴安全系数取1.2～1.8。