大尺寸儲氣庫套管抗擠強度影響因素試驗研究

閆怡飛 ， 董 衛 ， 于本福 ， 閆相禎

（1.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東，青島266580；2.中國石油大學油氣CAE技術研究中心，山東，青島 266580）

0 引 言

地下儲氣庫的主要作用是天然氣調峰，因此需要采用大尺寸套管來滿足快速注氣采氣的要求[1-3]，目前國內外已經開發了多種適用于地下儲氣庫的大尺寸套管?，F階段的套管抗擠設計標準主要是根據API和ISO中采油采氣的套管標準[4-10]，對抗擠計算公式適用的套管徑厚比、管材和壁厚等都做了嚴格的規定，而此類套管的尺寸較儲氣庫套管的尺寸要小的多，利用傳統的計算公式得到的結果與套管的實際抗擠結果有一定的差別，使得地下儲氣庫大尺寸套管在實際應用中出現一些問題，例如中部油田某地下儲氣庫大尺寸套管（直徑762 mm），由于壁厚不足，套管出現了局部擠毀的問題。因此筆者通過對直徑為 762 mm（30″）和 508 mm（20″）的套管進行擠毀試驗分析，研究了橢圓度、屈服強度、徑厚比等因素對大尺寸儲氣庫套管抗擠強度的影響。并利用試驗數據對現有的套管抗擠計算公式進行了修正，得到了修正后的大尺寸套管抗擠強度計算公式。

1 大尺寸儲氣庫套管抗擠強度試驗

1.1 套管參數測量

對兩種型號的儲氣庫大尺寸套管進行全尺寸擠毀試驗，套管尺寸分別為Φ706 mm×16.13 mm、Φ508 mm×12.70 mm，每種類型均為3根，每根測量10個截面，得到其內、外壁橢圓度以及壁厚不均勻度，如表1～表3所示。

表1 外壁橢圓度

表2 內壁橢圓度

表3 壁厚不均勻度

1.2 擠毀試驗

采用套管擠毀測試裝置（包括壓毀試驗機、高壓泵、控制裝置、數據采集裝置），根據API和ISO標準的規定，試樣取內壁橢圓度和壁厚變化最大的位置。大尺寸儲氣庫套管擠毀試驗主要包括：1）在每根套管試樣內壁橢圓度變化最大的區域截取試樣，兩端加工成坡口，倒角為 30°～60°；2）在試樣兩端焊接上試驗專用階梯狀堵頭；3）將焊接后的試樣裝入壓潰試驗機中，在兩端加法蘭墊片密封；4）向壓潰缸內打水壓，速度控制在10MPa/min左右，直至試樣擠毀。試驗得到的 Φ706mm×16.13mm、Φ508mm×12.70mm抗擠強度與ISO計算結果對比如表4所示。

從表4可以看出，套管尺寸越大，運用規范計算所得到的擠毀強度與試驗得到的結果偏差越大，例如當套管的直徑為508mm時，試件計算得到的擠毀強度誤差最大值為5.93%，而當直徑增大到706mm時，試件計算得到的擠毀強度誤差最大值為7.75%，而且均與ISO規范中統計的誤差均值2%有較大差距。

表4 擠毀強度結果

2 大尺寸儲氣庫套管計算公式修正

將套管變形分為彈性和塑性變形兩個階段，建立套管彈、塑性變形受力計算模型，利用能量平衡方程推導出套管抗擠強度計算公式，得到初始橢圓度影響下的大尺寸套管彈性屈服擠毀強度[5]為

pe——套管彈性屈服抗擠強度，MPa；

ν——套管中一點的徑向變形，mm；

ν0——套管的初始徑向變形，mm。

套管進入塑性變形階段后，產生了非線性的彈塑性變形，使得套管變形已經不再滿足小變形假設，用能量平衡法得到考慮初始橢圓度影響的大尺寸套管塑性屈服擠毀強度為

式中：py——套管屈服臨界外擠壓力，MPa；

t——套管平均壁厚，mm；

D——套管平均外徑，mm。

考慮內外壁橢圓度以及壁厚不均勻度的影響，得到的彈性和塑性屈服擠毀強度為

式中：ke、ky——彈性、屈服抗擠強度修正系數，由試驗獲得；

fy——套管試驗抗拉屈服強度，MPa。

修正后的套管擠毀強度[4]公式為

式中：pult——套管擠毀強度修正值，MPa；

α——修正系數；

β——待定系數，由試驗得到；

oν0、oνi——套管外壁和內壁的橢圓度，%；

ec——套管壁厚不均勻度，%；

rs——殘余應力，MPa；

fy——套管抗拉屈服強度，MPa；

hn——應力-應變形狀系數；

tmax、tmin——壁厚最大、最小值，mm；

Dmax、Dmin——外徑最大、最小值，mm；

Dnmax、Dnmin——內徑最大、最小值，mm。

從式（5）可以看出，內、外橢圓度對大尺寸儲氣庫套管抗擠強度影響具有耦合作用，因此在制造過程中要嚴格控制橢圓度及其跳躍性，建議制訂相應的儲氣庫大尺寸套管內壁橢圓度控制規范以滿足相應套管的需求。

3 算例分析及結果討論

為了驗證本文計算結果的正確性和可靠性，筆者利用本文修正公式的計算結果與試驗結果進行對比，如表5所示。

表5 擠毀強度結果對比

從表5中的計算結果可以看出：根據本文修正模型，Φ706 mm、Φ508 mm套管的計算結果與試驗結果的最大誤差分別為1.94%、1.78%，計算結果滿足工程計算準確度要求，說明了本文計算模型準確可靠。

對Φ706 mm×16.13 mm套管進行影響因素分析，得到不同初始橢圓度、套管鋼級、徑厚比對擠毀壓力的影響，如圖1所示。

圖1 不同影響因素對擠毀壓力的影響

從圖中可以看出：套管在外擠壓力作用下首先發生彈性變形，套管的變形量隨著外擠壓力增加而增加；當套管變形進入塑性階段后，套管的變形量急劇增加，抗外擠載荷能力顯著下降，發生擠毀破壞，套管彈性、塑性抗擠毀壓力隨著初始橢圓度增加而顯著減小。套管材料鋼級的增加改變了套管的塑性擠毀曲線，提高了套管彈、塑性擠毀強度。套管徑厚比的改變對套管彈、塑性擠毀曲線的分布均有較顯著的影響，隨著徑厚比的增加套管抗擠毀不斷降低，彈性階段變形量逐漸增加，通常在深井中通過增加壁厚或縮小直徑以增加套管的抗擠強度。

4 結束語

1）根據大尺寸儲氣庫套管受到外擠載荷時的受力及變形特點，通過室內全尺寸試驗分析套管橢圓度、套管鋼級、徑厚比等因素對大尺寸儲氣庫套管抗擠強度的影響，并利用試驗數據對現有的套管抗擠計算公式進行修正，通過修正結果與實際試驗結果對比發現，擠毀壓力結果具有很好的一致性，可以滿足工程的需要。

2）套管的抗擠強度隨著初始橢圓度和徑厚比的增加而降低，隨著套管鋼級的增加而增加；內、外橢圓度對大尺寸儲氣庫套管抗擠強度影響具有耦合作用，在制造過程中要嚴格控制橢圓度及其跳躍性，建議制訂相應的儲氣庫大尺寸套管內壁橢圓度控制規范以滿足相應套管的需求。

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