李銀平葛鑫博，2王兵武施錫林

1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的動(dòng)力穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

李銀平1葛鑫博1，2王兵武1施錫林1

1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

李銀平等.鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的動(dòng)力穩(wěn)定性試驗(yàn)研究.天然氣工業(yè)，2016，36（7）：81-87.

針對(duì)建設(shè)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)在實(shí)施單井油墊法水溶造腔過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的造腔管柱破損和失穩(wěn)問(wèn)題，開(kāi)展了水溶造腔管柱的動(dòng)力穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和理論分析結(jié)果，揭示出管柱抗彎剛度、懸伸長(zhǎng)度及過(guò)流面積等是影響管柱動(dòng)力穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。據(jù)此設(shè)計(jì)出懸臂管動(dòng)力失穩(wěn)物理模型試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了水溶造腔管柱磨損和動(dòng)力失穩(wěn)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中觀察到5種力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)象：①水錘現(xiàn)象；②靜力屈曲；③混沌運(yùn)動(dòng)；④“類懸臂管”受迫振動(dòng)；⑤不同端部條件影響現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，引起水溶造腔管柱液—固耦合失穩(wěn)現(xiàn)象的主要原因包括：①造腔水流的波動(dòng)性易引起水錘和受迫振動(dòng)現(xiàn)象，超長(zhǎng)的受限空間懸臂結(jié)構(gòu)管柱易“放大”這種現(xiàn)象；②過(guò)大的造腔注水流量可能引起造腔管柱發(fā)生靜力屈曲或混沌運(yùn)動(dòng)；③造腔管柱結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性對(duì)造腔管柱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性有著重要影響。

鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù) 水溶造腔管柱 破損和失穩(wěn) 管柱抗彎剛度 懸伸長(zhǎng)度 過(guò)流面積 流固耦合模型 試驗(yàn)穩(wěn)定性

在龐大而復(fù)雜的儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔工程中，造腔管柱問(wèn)題包括管柱損壞問(wèn)題、管柱彎曲阻礙施工和套管事故，是一個(gè)比較突出的問(wèn)題［1-10］。專門針對(duì)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)造腔管柱的研究比較少，目前學(xué)術(shù)界和工程界都尚未完全解決鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的工程問(wèn)題。

1　鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱工程問(wèn)題分析

鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔期間，管柱從地面下放到地下埋深500～2 000 m之間的目的層，考慮到修井和腔體測(cè)試的需要，中心管和中間管內(nèi)壁之間，以及中間管和技術(shù)套管內(nèi)壁之間一般不設(shè)任何支撐［11］。造腔期間，造腔管柱有可能會(huì)在下管、正循環(huán)或反循環(huán)注水造腔、提管測(cè)腔等施工操作中發(fā)生一些影響工程施工造價(jià)和工期的工程事故。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提供的施工記錄等資料，可將鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔期間造腔管柱事故分為以下4類：①造腔管柱管壁的磨損與銹蝕；②造腔管柱彎曲變形；③造腔管柱接箍損壞；④造腔管柱斷裂。

造腔管柱管壁磨損的主要原因是由于管柱接觸的物體施加給管柱外力所致。以下5種原因會(huì)導(dǎo)致管壁發(fā)生磨損（圖1）：①下放或提升管柱時(shí)發(fā)生摩擦碰撞；②造腔淡鹵水和油體與管壁摩擦；③造腔水流運(yùn)動(dòng)攜帶沉渣的摩擦；④管柱自身的動(dòng)力響應(yīng)特征所致；⑤被掉落的夾層撞擊。磨損之后，造腔管柱管壁與造腔鹵水直接接觸，會(huì)引起管柱生銹，長(zhǎng)期接觸會(huì)造成造腔管柱發(fā)生嚴(yán)重銹蝕（圖2），甚至導(dǎo)致管柱報(bào)廢。

水溶造腔過(guò)程中，造腔管柱彎曲變形也時(shí)有發(fā)生（圖3），其原因主要如下：①下放或提升管柱時(shí)發(fā)生摩擦碰撞；②管柱自身的動(dòng)力特征所致；③被掉落的塊體撞擊。造腔管柱發(fā)生彎曲變形之后，往往伴隨著縮頸、擠扁變形、橢圓變形等管柱截面變形發(fā)生。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，管柱彎曲會(huì)導(dǎo)致測(cè)腔提管時(shí)管柱被卡在孔內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)造腔工程車無(wú)法將井內(nèi)管柱提取出來(lái)，甚至只能被迫截?cái)喙苤?，讓被截?cái)嗟墓苤谰脳壷迷邴}腔內(nèi)，嚴(yán)重耽誤工程工期，提高造腔成本。

圖1　金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的磨損圖

圖2　金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的銹蝕圖

圖3　金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的彎曲圖

管柱接箍分為油管接箍和套管接箍，在水溶造腔管柱系統(tǒng)中，采用的是套管接箍。管柱間的接箍由公扣和母扣構(gòu)成。公扣即外螺紋，母扣指內(nèi)螺紋，每根管柱一端為公扣，另一端為母扣。管柱一端的公扣與另一根管柱的母扣連接（圖4），通過(guò)造腔工程車上自帶的接箍擰接機(jī)按操作規(guī)程自動(dòng)擰接。在水溶造腔過(guò)程中，可能引起接箍損壞（圖5）的主要原因有3個(gè)：①下放與提升管柱時(shí)發(fā)生摩擦碰撞；②管柱自身的動(dòng)力響應(yīng)特征所致；③被掉落的巖塊撞擊。

水溶造腔過(guò)程中，造腔管柱一旦發(fā)生斷裂（圖6），會(huì)延誤造腔工期，提高造腔成本［12］。導(dǎo)致造腔管柱斷裂事故發(fā)生的主要原因包括：①地層滑動(dòng)剪斷作用所致；②管柱自身的力學(xué)響應(yīng)特征所致；③被腔體內(nèi)掉落巖塊撞擊。

圖4　金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的正常接箍圖

圖5　金壇鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)過(guò)程中損壞的接箍圖

圖6　鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)水溶造腔管柱的斷裂圖

基于對(duì)造腔現(xiàn)場(chǎng)勘察以及對(duì)工況的分析認(rèn)為，管柱破損除了與造腔過(guò)程中管柱所受外力撞擊和擠壓等有關(guān)外，更重要的是與其自身運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性緊密相關(guān)，管柱在受限空間的自激振動(dòng)和動(dòng)力失穩(wěn)是導(dǎo)致管柱事故的主要原因。筆者著重對(duì)管柱動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展了理論和模型試驗(yàn)研究，考慮液—固耦聯(lián)作用分析造腔管柱的臨界流速，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象中管柱水擊等現(xiàn)象開(kāi)展了分析，結(jié)合實(shí)際工況基于管柱動(dòng)力學(xué)特性提出了防范造腔管柱失穩(wěn)的措施。

2　水溶造腔管柱力學(xué)特性的理論分析

2.1懸臂管液—固耦合理論模型

由于水溶造腔管柱系統(tǒng)的管柱相互同心嵌套，中間管、中心管以及技術(shù)套管之間的相互約束會(huì)影響軸向水流作用條件下管柱的力學(xué)響應(yīng)行為，這種相互影響會(huì)增大管柱系統(tǒng)發(fā)生靜力失穩(wěn)或動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)的水流量。然而，腔體頂板以下的中間管與中心管段由于在腔體內(nèi)部所受限制相對(duì)要小，且腔體內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，加上沉渣作用，該管段發(fā)生靜力失穩(wěn)或動(dòng)力失穩(wěn)的可能性要比頂板上部管柱大。

若不考慮各管道之間及其與套管的相互干擾，即振動(dòng)不受空間限制，則中心管和中間管都可以看成是懸臂輸流管道。

2.2懸臂管液—固耦合力學(xué)響應(yīng)理論分析

2.2.1懸臂管振動(dòng)方程

由于中心管相對(duì)其他造腔管柱更易發(fā)生力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)象，故以中心管為例開(kāi)展分析。當(dāng)水溶造腔處于正循環(huán)工況時(shí)，淡水從地面注入，通過(guò)中心管輸送射入溶腔，中心管為排液管；反循環(huán)時(shí)，鹵水從溶腔進(jìn)入內(nèi)管，并排出地面，中心管稱為吸流管。

當(dāng)管內(nèi)無(wú)液體時(shí)，若不計(jì)重力、管道剪切變形和截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，管道沿橫向彎曲振動(dòng)的微分方程［13］可寫為：式中EI表示管道的彎曲剛度，N·m2；m表示管道單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg；T表示下端軸向力（拉力為正，暫不計(jì)重力），N；x表示軸向坐標(biāo)；t表示時(shí)間，s；ω表示管道的橫向變形，m，ω = ω（x， t）；q表示管道外激發(fā)力，N，q = q（x， t）。

當(dāng)管內(nèi)有液體時(shí)，管道的振動(dòng)將會(huì)有很大不同。假設(shè)流體為線流、不可壓縮且無(wú)黏性，液體會(huì)在管道上作用有慣性力（F）?？紤]液體壓力（p）和上述慣性力后，令管內(nèi)液體單位長(zhǎng)度質(zhì)量表示液體橫截面積，m2）；管道單位長(zhǎng)度的總質(zhì)量對(duì)于p =T = 0的情況，可得到方程：式中u表示液體流速，m/s。

對(duì)于懸臂管道，其邊界條件為：

式中l(wèi)表示管道總長(zhǎng)度，m。

2.2.2懸臂管振動(dòng)臨界流速計(jì)算

令式（2）中q（x， t）= 0，即可得到管道自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程，并采用Galerkin法求解，可以推得頻率方程為：

式中s表示復(fù)數(shù)；［M］、［C］、［K］均表示n×n階矩陣，其元素分別為：

式（4）的求解屬于一個(gè)代數(shù)復(fù)特征值問(wèn)題，可求出臨界流速（ucr）。一般情況下，s為復(fù)數(shù)，其虛部就是輸液管的固有頻率，若s具有正實(shí)部，這時(shí)振動(dòng)幅值將隨時(shí)間增長(zhǎng)而迅速最大，狀態(tài)變成了不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象被稱為顫振。

2.2.3水溶造腔管柱臨界流速計(jì)算

對(duì)于造腔管柱的臨界流速，這里先考慮最簡(jiǎn)化的情形來(lái)進(jìn)行分析。造腔內(nèi)管先不考慮造腔外管的空間限制，簡(jiǎn)化為從井口直至溶腔內(nèi)的懸臂輸流管；而對(duì)于造腔外管，則先不考慮外部生產(chǎn)套管及裸眼段的空間限制，也不考慮其內(nèi)部造腔內(nèi)管的影響，當(dāng)然參與振動(dòng)的液體只是內(nèi)外管環(huán)空中的液體。對(duì)于懸臂管，當(dāng)u = 0時(shí)，結(jié)合上述方程，可求得懸臂輸流管臨界流速為［12］：

根據(jù)式（8），結(jié)合造腔中心管和造腔外管參數(shù)，可以計(jì)算出工程實(shí)際中造腔管柱發(fā)生振動(dòng)的臨界流速。中心管一般比中間管管長(zhǎng)（工程上一般長(zhǎng)為30～60 m），懸伸于外管之外的部分是自由的，而嵌套于外管內(nèi)的中心管段部分要受到外管的約束。這種空間約束將限制管道的橫向振動(dòng)，無(wú)疑會(huì)提高其臨界流速，但內(nèi)外管及其與生產(chǎn)套管之間的碰撞、擠壓會(huì)帶來(lái)管柱的磨損和破壞。

因此，考慮水溶造腔管柱系統(tǒng)之間的相互干擾，受限空間內(nèi)外管柱振動(dòng)耦合分析，這將是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。高德利［14］針對(duì)受井眼約束的受壓管柱，假設(shè)管柱和井眼均為圓形且兩者保持連續(xù)接觸，采用細(xì)長(zhǎng)梁理論開(kāi)展了管柱屈曲分析。但對(duì)于主要受拉力的造腔管柱，如何給出合理的管柱之間及其與井眼的接觸條件，需要進(jìn)一步研究分析。

3　造腔管柱液—固耦合模型試驗(yàn)研究

如上所述，可以根據(jù)簡(jiǎn)化理論模型開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)。因?yàn)樾〕叽缒Ｐ驮囼?yàn)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面要優(yōu)于全尺寸模型試驗(yàn)，故開(kāi)展小尺寸模型試驗(yàn)，對(duì)懸臂管流—固耦合問(wèn)題進(jìn)行研究。

模型試驗(yàn)過(guò)程中，試用了20種管型（鋼管、鋁管、黃銅管、PC管、PVC管和橡膠軟管等），最后確定使用硬質(zhì)透明PC管和橡膠軟管。試用了6種泵型（82號(hào)蠕動(dòng)泵、隔膜泵、柱塞泵和真空泵等），最后確定使用隔膜泵。

3.1模型試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

水溶造腔管柱液—固耦合力學(xué)響應(yīng)模型試驗(yàn)器材主要由硬質(zhì)透明PC管（外徑×內(nèi)徑為5 mm×4 mm，長(zhǎng)度分別為0.3 m、 0.6 m、 1.0 m）和橡膠軟管（外徑×內(nèi)徑為8 mm×5 mm，長(zhǎng)度分別為0.3 m、 0.6 m、1.0 m）、帶絲膠管、82號(hào)蠕動(dòng)泵管、隔膜泵（150 W和40 W）、數(shù)顯式電位器、鋼架、水箱、水桶和魚(yú)形轉(zhuǎn)換接頭等部件所構(gòu)成。試驗(yàn)所用管型詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

模擬水溶造腔管柱液—固耦合力學(xué)響應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置主要分為測(cè)試部分和循環(huán)部分，測(cè)試部分完成管柱在軸向流作用下的力學(xué)響應(yīng)特征研究，循環(huán)部分構(gòu)成水流循環(huán)，保證試驗(yàn)裝置平穩(wěn)進(jìn)行。

模型試驗(yàn)具有一定難度和未知性。結(jié)合現(xiàn)有條件，開(kāi)展試驗(yàn)前首先需要利用選定的試驗(yàn)管型和泵型，按照預(yù)定的試驗(yàn)方案，組裝好模型試驗(yàn)裝置，研究懸臂管在不同流速的軸向流作用下以及不同端部條件下的力學(xué)響應(yīng)特征。

3.2試驗(yàn)步驟

將長(zhǎng)度為0.3 m的橡膠軟管連接在魚(yú)形轉(zhuǎn)換接頭的細(xì) 端，用套箍固定密封在細(xì)端上。連接好電路，開(kāi)啟供水泵電源，水泵向目標(biāo)管段泵水，同時(shí)開(kāi)啟排水泵進(jìn)行排水。待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，均勻從小到大調(diào)節(jié)供水泵電位器，使目標(biāo)管段中軸向流流速?gòu)牧憔鶆蛟黾拥阶畲蟆Ｕ{(diào)節(jié)過(guò)程中，仔細(xì)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)懸臂管形態(tài)、特征發(fā)生一定變化時(shí)，記錄對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象，并采集相關(guān)照片。

表1　試驗(yàn)所用管型參數(shù)表

3.3模型試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.3.1水錘現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，突然開(kāi)啟或關(guān)閉水泵，或突然大幅度地調(diào)節(jié)懸臂管內(nèi)水流大小，或是將供水泵抽水管管端的一部分抽出露置于空氣中，另一部分埋入水中，會(huì)發(fā)現(xiàn)懸臂管發(fā)生劇烈的顫動(dòng)現(xiàn)象，顫動(dòng)頻率大、振幅大，且受懸臂管內(nèi)水流初始流速和變化速率影響。此時(shí)，懸臂管即發(fā)生了水錘現(xiàn)象［15］，水流量從小迅速增大，能引起橡膠軟管或硬質(zhì)透明PC管發(fā)生不同程度的水錘現(xiàn)象，懸臂管自由端噴涌而出的水流呈散射狀，管端噴水平面形狀有時(shí)如同“箭矢”形。

具體而言，橡膠軟管發(fā)生水錘時(shí)不規(guī)律顫動(dòng)比硬質(zhì)透明PC管發(fā)生的顫動(dòng)要?jiǎng)×?，擺動(dòng)幅度更大。其中，在水錘發(fā)生的時(shí)候，長(zhǎng)度為1.0 m的橡膠軟管顫動(dòng)比0.6 m長(zhǎng)的橡膠軟管要?jiǎng)×?，?.6 m長(zhǎng)橡膠軟管比0.3 m長(zhǎng)橡膠軟管顫動(dòng)要?jiǎng)×?；同條件下自由端的振動(dòng)最為劇烈，越靠近固定端，振動(dòng)幅度越小。在硬質(zhì)透明PC管中，呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水錘時(shí)顫動(dòng)越劇烈。

根據(jù)目前的試驗(yàn)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)水錘現(xiàn)象對(duì)懸臂管柱穩(wěn)定性的影響比較大。水錘現(xiàn)象可以在一定流速下產(chǎn)生，理論上只要軸向流能產(chǎn)生一定的瞬變波動(dòng)，就可以引起管柱軸線方向發(fā)生壓力波動(dòng)變化。這種壓力波動(dòng)變化能夠沿著管柱軸線傳播，而且傳播過(guò)程中對(duì)懸臂管施加的作用力超過(guò)懸臂管抵抗發(fā)生振動(dòng)所需的強(qiáng)度時(shí)，就能引起懸臂管柱的懸臂段發(fā)生不規(guī)律的顫動(dòng)。流速越大，變化越激烈，懸臂管抗彎剛度越小，懸臂管因水錘發(fā)生的顫動(dòng)越激烈，管柱自由端顫動(dòng)幅度也越大。

3.3.2靜力屈曲現(xiàn)象

試驗(yàn)過(guò)程中，橡膠軟管在一定的臨界流速時(shí)即會(huì)發(fā)生靜力屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，而硬質(zhì)透明PC管只有其長(zhǎng)度為1.0 m，管體自身發(fā)生一定彎曲變形后或接上較短歪套管時(shí)，才會(huì)觸發(fā)靜力屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

分別利用長(zhǎng)度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡膠軟管開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，都能觀察到較明顯的靜力屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。懸臂管長(zhǎng)度越大，則發(fā)生靜力屈曲時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界流速越小。開(kāi)啟電源，待水流量穩(wěn)定，由小到大調(diào)節(jié)電位器。剛開(kāi)始橡膠軟管保持豎直輸水，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)反應(yīng)；隨著流速增大到某一值時(shí)，懸臂管開(kāi)始發(fā)生較小幅度的靜力屈曲現(xiàn)象；隨著繼續(xù)加大流量，則懸臂管靜力屈曲程度更加劇烈；直到流速增加超過(guò)某值時(shí)，懸臂管開(kāi)始發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)。

而利用硬質(zhì)透明PC管開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，分別將0.3 m和0.6 m長(zhǎng)的管接到魚(yú)形轉(zhuǎn)換接頭細(xì)端并密封固定，開(kāi)啟電源待運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電位器后，不論水流流速大小，都沒(méi)能觀察到懸臂管發(fā)生靜力屈曲現(xiàn)象。將1.0 m長(zhǎng)的硬質(zhì)透明PC管接上并固定密封，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若管柱保持豎直，調(diào)節(jié)電位器的過(guò)程中，懸臂管在軸向流作用下不會(huì)發(fā)生靜力屈曲；若管柱自身發(fā)生了一定程度（較小幅度）的彎曲變形，則在很大的軸向流下，懸臂管會(huì)沿著彎曲趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)生較小幅度的靜力屈曲變形。在造腔工程實(shí)踐中，當(dāng)造腔管柱發(fā)生一定程度的彎曲變形，則在造腔水流的作用下，更容易發(fā)生靜力屈曲現(xiàn)象。因此當(dāng)造腔管柱自身發(fā)生一定程度的彎曲時(shí)，需引起重視并采取換管或矯正的措施。

3.3.3混沌運(yùn)動(dòng)

總而言之，受到諸如患者因素、檢驗(yàn)儀器以及操作等多種原因所影響，這就使得醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)分析前會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，對(duì)此這除了要求患者在檢驗(yàn)前嚴(yán)格依據(jù)醫(yī)生指示外，規(guī)范并提升檢驗(yàn)操作同樣重要。

試驗(yàn)過(guò)程中，橡膠軟管在一定的臨界流速時(shí)會(huì)發(fā)生比較明顯的混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，但是利用硬質(zhì)透明PC管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)卻未能觀察到混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

利用長(zhǎng)度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡膠軟管開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，都能觀察到較明顯的混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。懸臂管長(zhǎng)度越大，則發(fā)生混沌運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界流速越小。開(kāi)啟電源，待水流穩(wěn)定時(shí)，由小到大調(diào)節(jié)電位器。剛開(kāi)始橡膠軟管保持豎直輸水，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)反應(yīng)；隨著流速增大到某一值時(shí)，懸臂管開(kāi)始發(fā)生靜力屈曲現(xiàn)象；隨著繼續(xù)加大流量，則懸臂管靜力屈曲程度更加劇烈；直到流速增加超過(guò)某一值時(shí)，懸臂管開(kāi)始發(fā)生很明顯的混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

但利用硬質(zhì)透明PC管開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，分別將長(zhǎng)度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的管接到魚(yú)形轉(zhuǎn)換接頭細(xì)端密封固定，開(kāi)啟電源待運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電位器，在任意流速條件下，都沒(méi)能觀察到懸臂管混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

在造腔工程實(shí)踐中，若水溶造腔管柱發(fā)生混沌運(yùn)動(dòng)，則會(huì)對(duì)管柱的穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響，同時(shí)增加管柱與地層、外圍管柱的摩擦和撞擊，造成管柱磨損、彎曲變形甚至是斷裂，因此在水溶造腔過(guò)程中需引起一定的重視并采取相應(yīng)措施。

3.3.4受迫振動(dòng)

在用2.0 m長(zhǎng)連接的管段（即用2根1.0 m長(zhǎng)硬質(zhì)透明PC管連接固定密封組成）試驗(yàn)時(shí)觀察到在不大的流量范圍內(nèi)，該管段發(fā)生了受迫振動(dòng)，后面利用橡膠軟管和硬質(zhì)透明PC管進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)均未觀察到。由于實(shí)際水泵能夠提供的最大注水流量很有限，可能遠(yuǎn)小于滿足懸臂管發(fā)生顫振的臨界流量，因此在試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有觀察到懸臂管顫振現(xiàn)象，根據(jù)有關(guān)理論研究［16］，并非所有管道模型都會(huì)發(fā)生顫振，后續(xù)研究還需深入進(jìn)行。

可將造腔管柱系統(tǒng)類比試驗(yàn)中的“類懸臂”結(jié)構(gòu)，在由水泵驅(qū)動(dòng)的具有脈動(dòng)特征的造腔水流作用下，可能在一定程度時(shí)發(fā)生試驗(yàn)中觀察到的受迫振動(dòng)現(xiàn)象。發(fā)生受迫振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，管柱的振動(dòng)會(huì)增加管柱磨損程度，同時(shí)會(huì)使管柱發(fā)生彎曲變形；長(zhǎng)時(shí)間或持續(xù)的受迫振動(dòng)，極易引起造腔管柱發(fā)生疲勞破壞，嚴(yán)重的會(huì)造成管柱斷裂，影響水溶造腔施工的順利進(jìn)行。

3.3.5不同端部條件的影響

模型試驗(yàn)中不同端部條件影響僅針對(duì)硬質(zhì)透明PC管。本節(jié)主要研究在自由端連接筆尖形套管或彎曲短管套、砸扁或堵塞部分空間時(shí)，懸臂管在軸向流作用下的動(dòng)力響應(yīng)現(xiàn)象。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連接筆尖形套管后，懸臂管端水流發(fā)生一定的分叉現(xiàn)象，筆尖臨空面有水流濺射出去，筆尖處水流運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，管柱發(fā)生一定的靜力屈曲現(xiàn)象；連接彎曲短套管，管柱極易發(fā)生明顯的靜力屈曲現(xiàn)象，彎曲短套管大大降低了懸臂管抗靜力屈曲的能力；砸扁懸臂管某處，管內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜而不規(guī)則，懸臂管發(fā)生水錘時(shí)振動(dòng)相對(duì)劇烈；堵塞懸臂管端部分空間，會(huì)導(dǎo)致懸臂管端水流噴濺而出，水流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜而無(wú)規(guī)律，且端部水流流速較大，管柱發(fā)生水錘或靜力屈曲時(shí)振動(dòng)相對(duì)更劇烈。

4　基于模型試驗(yàn)的防范措施簡(jiǎn)析

造腔管柱在液—固耦合作用下，管柱自身結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性會(huì)引起管柱在受限空間發(fā)生一些靜力屈曲、混沌或顫振等失穩(wěn)現(xiàn)象。基于前述模型試驗(yàn)研究，歸類和分析引起造腔管柱失穩(wěn)破壞的原因，總體而言，主要有3個(gè)：①水流的波動(dòng)性；②過(guò)大的注水流量；③管柱結(jié)構(gòu)與自身力學(xué)特性的影響。

基于上述原因，根據(jù)試驗(yàn)中的嘗試并結(jié)合石油工程、儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)工程中的一些工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，分別針對(duì)水流波動(dòng)性、注水流量和管柱材料與結(jié)構(gòu)提出了對(duì)應(yīng)的防范措施，希望能為水溶造腔工程管柱問(wèn)題的防治工作提供一定的理論參考。

1）為了減弱甚至消除造腔管柱內(nèi)水流的波動(dòng)性，消除水錘或顫振對(duì)管柱的負(fù)面影響，可以采取改善水泵泵水條件、增加造腔管柱水力波動(dòng)緩沖器、氣壓水罐消除法、緩閉止回閥消除法、安全泄壓閥防治法、液控緩閉蝶閥防治法、水泵旁通管防治法和建立安全操作規(guī)程等方法。具體應(yīng)用需要結(jié)合水溶造腔工程實(shí)際，開(kāi)展方案設(shè)計(jì)和比選后再行實(shí)施。

2）多夾層鹽巖水溶造腔注水流量對(duì)于造腔管柱系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定有重要影響，也對(duì)造腔的工期和造價(jià)、腔體形態(tài)控制與安全性都有重要影響。在管串結(jié)構(gòu)、溫度一定的條件下，若平均溶解速度基本一致，流量大小決定于有效溶蝕面積；對(duì)于特定的造腔地層，平均溶解速度基本一致，這樣有效溶蝕面積決定了流量，也即腔體的體積決定了造腔注水流量。結(jié)合水溶造腔工程實(shí)際的需求，合理設(shè)計(jì)造腔注水流量，同時(shí)建議在滿足造腔施工進(jìn)度要求時(shí)盡量降低造腔管內(nèi)水流的流速，這對(duì)于防范造腔管柱靜力屈曲或混沌運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)有很重要的意義。

3）為了防止管系懸臂結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)造成的軸向流液—固耦合下靜力或動(dòng)力失穩(wěn)，建議在懸錘的中心管與中間管、中間管與技術(shù)套管之間適當(dāng)設(shè)計(jì)增加支點(diǎn)，盡量增加管柱體系的整體剛度，同時(shí)建議安裝管柱時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)程操作，確保管柱中心線同軸，單根管段共同構(gòu)成直線型造腔管。對(duì)于管柱材料方面，應(yīng)先統(tǒng)計(jì)水溶造腔管柱事故中最易出現(xiàn)問(wèn)題的管段及與腔體的相對(duì)位置，然后針對(duì)易出問(wèn)題的管段進(jìn)行管材優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用彈性性能較好、強(qiáng)度很高的管代替這部分管段。

5　結(jié)論

1）總結(jié)分析了鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔管柱經(jīng)常發(fā)生的管壁磨損與銹蝕、管柱彎曲變形、管柱接箍損壞和管柱斷裂問(wèn)題。

2）提出了懸臂管結(jié)構(gòu)在發(fā)生顫振時(shí)臨界流速的計(jì)算公式，臨界流速與懸臂管抗彎剛度、長(zhǎng)度、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e有直接關(guān)系，影響最大的因素主要是外徑、壁厚和長(zhǎng)度。但造腔管柱需要考慮管柱重力和相互嵌套之間的約束，理論計(jì)算公式仍需進(jìn)一步修正完善。

3）由理論模型設(shè)計(jì)了造腔管柱液—固耦合模型試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了不同流量、不同管長(zhǎng)條件下的試驗(yàn)，綜合觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)懸臂管在軸向流作用下主要會(huì)發(fā)生5種力學(xué)響應(yīng)現(xiàn)象：①水錘現(xiàn)象；②靜力屈曲；③混沌運(yùn)動(dòng)；④“類懸臂管”受迫振動(dòng)；⑤不同端部條件影響。

4）總結(jié)了引起水溶造腔管柱發(fā)生靜力或動(dòng)力失穩(wěn)的3大原因：①水流波動(dòng)性；②過(guò)大造腔注水流量；③管柱結(jié)構(gòu)與自身力學(xué)特性的影響。并提出了相應(yīng)的防范措施。

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（修改回稿日期 2016-05-10 編 輯 何 明）

Dynamic stability tests on tubing string for solution mining of a salt cavern UGS

Li Yinping1， Ge Xinbo1，2， Wang Bingwu1， Shi Xilin1
（1. State Key laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Science， Wuhan， Hubei 430071， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049，China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.81-87， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

When a salt cavern underground gas storage （UGS） is built by using the single-well oil pad method， the tubing stringis prone to failure and instability during solution mining. In this regard， the dynamic stability of solution mining string was tested. The test results，together with the site survey and theoretical analysis results， indicate that the bending strength， the overhanging length and the open area of a pipe string are the key parameters affecting its dynamic stability. Accordingly， the physical model test device for simulating the dynamic instability of cantilever pipes was developed to test the wear and dynamic instability of the solution mining string. During the test，five mechanical responses were observed， including water hammer， static buckling， chaotic motion， "cantilever-pipe-like" forced vibration， and the effects of different ends. The fluid-solid coupling instability of the solution mining string is attributed to three factors. First，the fluctuation of the water for solution mining may result in the phenomena of water hammer and forced vibration， which is probably magnified by ultra-long cantilever string in the confined space. Second， too high water injection flow may lead to static buckling or chaotic motion in the solution mining string. And third， structure and mechanical properties of the solution mining string may greatly affect its stability and safety.

Salt cavern； Underground gas storage （UGS）； Tubing string for solution mining； Failure and instability； String bending strength； Overhanging length； Open area； Fluid-solid coupling model； Stability test

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.012

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)單井水溶造腔夾層垮塌機(jī)理與動(dòng)態(tài)控制”（編號(hào)：51274187）。

李銀平，1969年生，研究員，博士生導(dǎo)師；主要從事能源地下儲(chǔ)備巖石力學(xué)與工程方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武漢市武昌區(qū)小洪山中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所。電話：（027）87197469。ORCID：0000-0001-8333-9525。E-mail：ypli@ whrsm.ac.cn

葛鑫博，1990年生，博士研究生；主要從事能源地下儲(chǔ)備造腔管柱動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)理方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武漢市武昌區(qū)小洪山中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所。電話：13883988682。ORCID：0000-0002-0731-7735。E-mail：gexinbo@163.com