CN108915669A - 储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法，本发明通过流体在管柱内流动对管柱作用力分析、流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷、天然气井油管柱刚强度分析、管柱振动损伤分析、屈曲管柱冲蚀损伤分析。为储气库的安全运行和气井管柱的维护、维修决策提供技术支撑。

Description

储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明具体涉及一种储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法。

背景技术

地下储气库作为天然气供应系统的调峰设施，是调节天然气使用量不均的有效手段。我国从20世纪90年代初开始研究地下储气库，对储气库的关键科学问题的认识有待进一步的探索。储气库注采管柱承受大流量流体流动诱发的附加动载荷、注采工况变化产生的交变载荷和油管振动与套管发生碰撞的接触载荷等动载荷的复合作用下，油管存在疲劳断裂的风险，影响储气库的安全生产。储气库气井管柱在整个注采过程中处于大流量、变压力的状态，注采过程是一个动态变化的过程，管柱受力状态随工况不断变化。因此围绕注采井管柱的安全，如何提高以及预测注气管柱振动疲劳寿命已经成为地下储气库开采的关键技术问题。

发明内容

针对现有问题，本发明从注采变工况诱发油管振动产生的附加应力、流体在管柱内流动对管柱的冲蚀、井筒内油管振动与套管间碰撞的碰摩等复合作用下，进行油管振动疲劳断裂分析，旨在提供一种真实、可行的储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法。

为此，本发明采用以下技术方案：储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

第一步，流体在管柱内流动对管柱作用力分析：利用Fluent软件对建立的模型进行求解，在求解过程中，采用标准两方程模型，采用下面边界条件：

k-ε

1)进口边界条件：天然气从地层进入油管的速度、压力、温度；

2)出口边界条件：天然气通过针形阀出口处的压力、温度；

3)油管壁边界条件：垂直于油管壁面，天然气的法向速度为0；

第二步，流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷分析：

3)、对油管内压力场变化规律进行分析；油管任意截面处内外侧压力的不平衡使流体质点的运动发生变化，从而改变流动轨迹，各流体质点互相交换能量进而形成湍流的脉动作用；

4)、对油管内速度场分布分析；气体经过弯曲段由于离心力的作用形成二次漩涡，导致流场发生明显改变，气流流速瞬间增加，气体分子相互碰撞，油管内压力急剧上升，造成弯曲段压头损失，同时伴随有气体抬升力和横向摆动力；

第三步，气井油管柱刚、强度分析：对两根油管连接处应力进行刚、强度分析，油管的变化是否处于弹塑性变化区域，分析该区域是否是油管柱可能断裂的区域；

第四步，管柱振动损伤分析：采用大型有限元分析软件建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型，利用该模型对管柱进行振动分析，详细地研究全井段油管柱的轴向应力变化、屈曲损伤和中和点变化，同时分析不同位置和不同产量下，屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系，为管柱摩擦磨损损伤机理的深入分析提供了定量的数据；

第五步，屈曲管柱冲蚀损伤分析：根据发生屈曲后正弦弯曲和螺旋弯曲管柱内流道特点，建立油管的计算流体动力学模型(CFD模型)和气井出砂时砂粒对屈曲油管的冲蚀模型；对注采井在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行数值模拟，研究砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力，得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律。

通过屈曲管柱冲蚀损伤分析可以达到以下效果：

(1)在天然气流体动力学理论的基础上，利用计算流体动力学软件建立天然气在螺旋屈曲油管和正弦屈曲油管内流动模型，该模型可以方便地进行高产气井的流场、螺旋度分析。

(2)通过流动仿真分析得出：天然气在三维螺旋弯曲油管内流动时，存在一个横向的速度分量，该分量是天然气对油管柱横向作用的重要能量源；天然气在正弦弯曲油管内流动时，天然气对弯曲变形的方向有较大的横向作用。

(3)天然气在螺旋弯曲流道中流动时以螺旋方式前进，流道截面上的螺旋度是不均匀的，一部分区域为正，一部分为负，其云图为一个“太极”形状。截面上的最大和最小螺旋度以逆时针方向旋转变化，与顺时针方向的螺旋流道相反。

(4)高产气井出砂时，流过垂直管柱冲蚀作用最小，螺旋屈曲管柱次之，正弦屈曲管柱冲蚀作用最大。因此，为减小管柱冲蚀损伤，应尽量避免管柱屈曲，特别是正弦屈曲。

本发明可以达到以下有益效果：1、本发明对流体在管柱内流动对管柱作用力分析、流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷、天然气井油管柱刚强度分析、管柱振动损伤分析、屈曲管柱冲蚀损伤分析。为相储井的安全运行和气井管柱的维护、维修决策提供技术支撑。2、流体在管柱内流动对管柱作用力分析、流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷、天然气井油管柱刚强度分析、管柱振动损伤分析、屈曲管柱冲蚀损伤分析。本发明针对储气库井注采实际工况开展油管柱振动破坏寿命预测服务，可以预测注采油管柱寿命和断裂区域，解决井筒完整性的核心技术之一油管柱振动破坏；3、本发明通过现场录取资料真实，监测数据真实，不停产不动操作，无仪器设备、人员安全风险和隐患存在。从而为储气库生产运行管理提供可靠的理论依据；为储气库井筒技术建立大数据和云端平台；完善了油管柱定期或周期性预测和监测机制。

具体实施方式

实施例：

流体在管柱内流动对管柱作用力分析：

以某储气库为例进行分析，该井最大井斜角度87°，采用VM80S钢级Φ177.8mm×10.36mm油管注采气。取管材的弹性模量206GPa、泊松比0.3，密度7800kg/m³，重力加速度9.8m/s²。考虑到该井注气介质为天然气，取天然气相对密度0.55g/cm³。建立天然气流过油管柱截面变化区域的流场分析及天然气对油管柱作用的压力分布图。在两根油管连接区域，流体的绝对压力变化规律。当天然气通过油管柱截面变化区域，即截面的突变，天然气流速、压力将发生变化，并在该区域产生旋涡。由于速度和压力的变化将诱发油管柱振动，当天然气流速和压力变化的频率与油管柱的某阶固有频率接近时，油管柱将发生共振，将加剧油管柱的破坏。同时，由于速度的突然变化，将对油管柱产生冲蚀，最终导致油管柱的破坏。

两根油管之间的连接处，由于气流过流截面的突变，流体对油管的作用力等发生突变，将使天然气对油管柱的作用力为不稳定的变载荷，不稳定变载荷将导致油管柱的振动，使油管柱的应力为动应力。

在两根油管连接区域存在涡流，由此对螺纹造成严重的冲蚀和腐蚀。

流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷分析：

油管内压力场变化规律：油管弯曲段的压力呈现递增态势，考虑到弯曲段离心力的存在，弯曲段处横截面压力从内侧到外侧方向依次增加。油管任意截面处内外侧压力的不平衡使流体质点的运动发生变化，从而改变流动轨迹，各流体质点互相交换能量进而形成湍流的脉动作用。因此，在注采气过程中，当气流经弯曲段拐点发生转向，且加之弯曲段内侧气流挤压，使得油管内能量发生转化，弯曲段外侧压力明显升高。宏观表现为弯曲段外侧更容易发生磨损以及应力腐蚀。

随着日注气量的增加，流体质量增加，导致油管内天然气压缩程度增大使得管内压力上升，弯曲段附近压降梯度明显增加。同时，随着日注气量的增加，天然气流经油管的波动压力相应增加，而油管弯曲段任意截面内外壁面压力差的存在将导致油管振动。当该激振力的频率与油管固有频率相等时，将诱发油管发生共振，加剧油管的疲劳破坏。

井斜角度为90°时油管内压力与注气速率的关系:

P_静＝0.00251Q²+0.33544Q+8.28297

P_动＝-2.82×10^-5Q³+0.00165Q²+1.27505

油管内速度场分布分析：

气体经过弯曲段由于离心力的作用形成二次漩涡，导致流场发生明显改变，气流流速瞬间增加，气体分子相互碰撞，油管内压力急剧上升，造成弯曲段压头损失，同时伴随有气体抬升力和横向摆动力。由于二次漩涡的存在，油管弯曲位置处易发生气蚀现象致使失效。

注采气过程中弯曲段内流体静压力、波动压力和流动速度的变化规律，明确了油管弯曲段内易产生气蚀、应力腐蚀和断裂失效的原因，为后续控制套管腐蚀速率，降低油管失效概率提供技术支持。

通过研究不同注气速度、井斜角等对油管任意截面位置处静压、波动压力、速度场分布的影响规律。储气库油管内压力波动大小与注采气压力、速度等相关，且与注采气速度平方成正比；在油管弯曲段由于能量的急剧转化导致油管内压力出现波动，而垂直段和水平段内压力变化较为平缓，弯曲段油管B点压力波动程度较A点明显降低，而该截面静压分布则刚好相反，且油管内压与注气速率之间呈现非线性关系。

天然气井油管柱刚、强度分析：

气井油管柱刚、强度分析

某气井井下压力计解释数据

●该气井的油管壁厚表

对油管柱的刚、强度分析分析结果可以得出以下结论：

1)在整个油管柱中，在两根油管连接处的应力最大，油管的变化处于弹塑性变化区域；

2)在两根油管的螺纹连接区域是管柱系统应力最大区域，且在该区域由于有螺纹特征，该区域是油管柱可能断裂的区域；

3)油管的综合应力与开采参数密切相关。

管柱振动损伤分析：

油管柱属于细长杆结构，会受到井筒空间限制，油管的振动是相当复杂的过程。当油管柱受压屈曲时，屈曲部分均可能同井筒接触，使得油管柱受力更加复杂化。在建立油管柱动力学问题有限元模型时，分为油管柱没有发生屈曲和发生屈曲两种状况的动力学分析。

0s时是气井处于关井状态，油管柱内无流体流动，油管柱处于静力状态，即无振动，管柱井口的拉应力为305.764MPa，管柱井底的压应力为17.754MPa，整个油管柱内的应力为线性变化关系。在1s和2s时，油管柱内的轴向应力全部为拉伸应力，且沿管柱为非线性分布，此时整个管柱为“非均匀”的拉应力状态，因此无中和点。在3s时管柱中又出现了中和点，此时最大拉应力发生在井口以下915m内，而井底管柱的压应力已达到225.074MPa，约为354.502kN的轴向压缩力，超过了该工况下管柱的螺旋屈曲临界值15.6kN，管柱发生螺旋屈曲。

5s时，管柱内的最大拉应力发生在距井口480～1965m和2265～2490m内，不在井口，且中和点比4s时又下移了约400m。在6s时，油管柱内的最大应力值又向井口移动，在距井口约120～990m内，7s时，油管柱内的最大应力又达到了井口，此时井底管柱内的轴向压应力值约为144.558MPa，轴向压缩力约为303.89kN，此时管柱也处于螺旋屈曲状态。到8s和9s时，油管柱内的轴向应力全部为拉伸应力。10s时，管柱内应力均为拉应力，只有在两个中和点段内管柱才受0～35Mpa压应力。

屈曲管柱与套管内壁摩擦损伤分析：

管柱发生正弦屈曲时进行了动力学接触问题的分析，提取管柱屈曲部分的底部、中部和上部的接触压力进行分析该管正弦屈曲长度为320m，正弦波数为10，波距为32m。

两种不同产量下，屈曲管柱中部与套管内壁的接触压力随时间的变化关系。

屈曲油管柱中部两种不同产量的接触压力随振动时间的变化关系，随着时间的增加，较高产量所引起的接触压力变化要比较低产量的接触压力要大。产量越高，所引起屈曲管柱所产生的接触压力越大，越容易发生摩擦磨损损伤。

针对典型管柱在生产过程中高速气流诱发的振动问题，进行管柱振动损伤分析，采用大型有限元分析软件建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型。利用该模型对管柱进行振动分析，详细地研究全井段油管柱的轴向应力变化、屈曲损伤和中和点变化，同时分析不同位置和不同产量下，屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系，为管柱摩擦磨损损伤机理的深入分析提供了定量的数据。

分析结果表明:离封隔器越远振动位移、速度和加速度的幅值越大。通过对管柱进行疲劳寿命预测，为管柱振动损伤预防措施的提出提供了技术依据。

综上总结：

1)油管柱坐封后，没有生产的关井状态，管处于无屈曲状态，但在高产井的生产过程中，由于高产气流诱发的管柱振动，在振动的某些时间，油管柱底部的油管可能发生正弦屈曲、螺旋屈曲损伤甚至自锁，主要问题就是振动过程中，使油管柱底部的轴向压力超过了管柱的临界载荷值。

2)对屈曲管柱进行了摩擦损伤分析，结果表明：屈曲管柱中部的接触力大于底部和顶部，并且产量越高接触力越大。

3)对气井完井管柱进行了寿命预测，预测结果表明177.7mm油管在产量150x10⁴m³/d工况下，管柱疲劳寿命为6.91a。

4)为预防高产气井油管柱的振动问题，封隔器坐封后给管柱适当的提拉力，使管柱底部的压力远小于管柱的第1临界载荷；选择大尺寸油管柱完井，以降低高产气井气体的流速；开发油管柱的减振器，降低油管纵向振动的振幅值，以便降低其应力幅值，确保管柱长寿命的工作。

屈曲管柱冲蚀损伤分析：

天然气在油管内高速流动对管柱造成冲蚀损伤，严重威胁气井生产和作业的安全。装有封隔器的管柱在井下各载荷作用下易发生屈曲变形，此时高压气体对管柱的冲蚀作用将更加严重，易造成井下管柱失效甚至井场事故。

对天然气在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行数值模拟，研究砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力，得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律，为实时准确地预测高产气井管柱的冲蚀损伤状态提供了依据，为管柱冲蚀损伤预防措施的提出提供了理论基础。

建立2个螺距(波距)长度范围内的弯曲油管三维流道，把这2个流道模型进行网格划分并设定天然气的入口和出口压力后导入计算流体动力学(CFD)软件Fluent进行计算。

天然气在流过三维螺旋弯曲的油管时在横向有-0.6～0.6m/s的速度分量，是天然气对油管柱横向作用的重要能量源。在纵向上，天然气在出口的速度达到48m/s，速度很大，由于天然气的黏性作用，出现在油管柱截面中心区域，而且天然气从井底到井口的速度会越来越大。

对于发生正弦屈曲管柱，天然气流道在x方向是正弦弯曲变形的，y方向没有变形。天然气在正弦弯曲流道x方向的流速为-0.35～0.35m/s，y方向的流速为-0.05～0.05m/s，相对x方向的流速。

y方向的流速是个小量，油管柱正弦弯曲仅使天然气对弯曲变形的方向有较大的横向作用。z方向纵向流动速度在出口达到了51m/s，从入口到出口的速度也不断增加。

螺旋度分析

天然气在螺旋屈曲油管流道中流动时具有螺旋性特征，取6个截面上的螺旋度来分析天然气螺旋性变化的规律每个截面上的螺旋度不均匀，一部分区域为正，一部分为负，其云图为一个“太极”形状。速度矢量的总体方向不变，而出现负螺旋度说明截面上涡度矢量出现了较大的变化，使得在截面上也存在旋转的能量。

颗粒对屈曲管柱的冲蚀：

油管内壁面上所有区域都有被砂粒冲蚀后形成的冲蚀点，这是很多砂粒冲击到油管内壁面上形成的。从冲蚀速度值的大小分布进行分析，在远离井眼轴线的一侧油管柱受到的冲蚀作用更大，冲蚀速度最大达到0.2(kg/m2).s-1，沿着井眼轴线顺时针螺旋上升，与油管弯曲方向相同。说明砂粒受到的旋转离心力对砂粒冲击油管柱内壁面远离井眼轴线的外侧有较大影响。

在正弦弯曲的流道模型上设定与螺旋弯曲相同的砂粒参数油管内壁面上最大冲蚀速度区域出现在受天然气正面冲击的单调减曲面上，呈条状，最大冲蚀速度达到24(kg/m2).s-1，是螺旋弯曲的100倍。颗粒持续对油管一侧进行冲蚀作用，造成油管壁厚减小、形成较大冲蚀坑，甚至刺穿，缩短了油管柱的使用寿命。分析可得，垂直管柱冲蚀作用最小，正弦屈曲管柱冲蚀作用最大。

天然气在螺旋弯曲流道内高速流动，对油管柱内壁产生剪切应力，天然气对壁面的x方向和y方向的剪切应力均小于10Pa，可以忽略不计。天然气对油管内壁面的z方向的剪切应力约为500Pa，且沿着螺旋流道而螺旋上升变化。对于正弦弯曲流道，天然气对x方向和y方向的剪切应力也可以忽略不计，z方向的剪切力约为480Pa。

根据发生屈曲后正弦弯曲和螺旋弯曲管柱内流道特点，建立油管的计算流体动力学模型(CFD模型)和气井出砂时砂粒对屈曲油管的冲蚀模型。对注采井在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行数值模拟，研究砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力，得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律，为实时准确地预测高产气井管柱的冲蚀损伤状态提供了依据，为管柱冲蚀损伤预防措施的提出提供了理论基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述的储气库注气管柱振动疲劳寿命预测方法包括以下步骤：

第一步，流体在管柱内流动对管柱作用力分析：在注采过程中流体在油管柱内流动计算及对油管柱作用的压力分布计算，利用Fluent软件对建立的模型进行求解，在求解过程中，采用标准两方程模型k-ε，采用下面边界条件：

1)进口边界条件：天然气从地层进入油管的速度、压力、温度；

2)出口边界条件：天然气通过针形阀出口处的压力、温度；

3)油管壁边界条件：垂直于油管壁面，天然气的法向速度为0；

第二步，流体通过管柱弯曲区域产生的附加载荷分析：

1)、对油管内压力场变化规律进行分析；油管任意截面处内外侧压力的不平衡使流体质点的运动发生变化，从而改变流动轨迹，各流体质点互相交换能量进而形成湍流的脉动作用；

2)、对油管内速度场分布分析；气体经过弯曲段由于离心力的作用形成二次漩涡，导致流场发生明显改变，气流流速瞬间增加，气体分子相互碰撞，油管内压力急剧上升，造成弯曲段压头损失，同时伴随有气体抬升力和横向摆动力；

第三步，气井油管柱刚强度分析：对两根油管连接处应力进行刚、强度分析，油管的变化是否处于弹塑性变化区域，分析该区域是否是油管柱可能断裂的区域；

第四步，管柱振动损伤分析：采用大型有限元分析软件建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型，利用该模型对管柱进行振动分析，详细地研究全井段油管柱的轴向应力变化、屈曲损伤和中和点变化，同时分析不同位置和不同产量下，屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系，为管柱摩擦磨损损伤机理的深入分析提供了定量的数据；

第五步，屈曲管柱冲蚀损伤分析：根据发生屈曲后正弦弯曲和螺旋弯曲管柱内流道特点，建立油管的计算流体动力学模型和气井出砂时砂粒对屈曲油管的冲蚀模型；对注采井在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行数值模拟，研究砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力，得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律。