地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析.pdf

石油机械
2010年第38卷第5期
CHINA PETROLEUM MACHINERY
设计计算
地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析
黄翠英张宏段庆全
(中国石油大学(北京))
摘要以目前国内枯竭泊气藏型地下储气库使用的特殊螺纹套管接头为研究对象,利用弹塑性
有限元方法,首次建立了地下储气库运行工況下特殊螺纹接头连接的有限元数值模型,分析了不同
注采工况下套管接头连接的 Von Mises等效应力和接触压力分布特点,并对特殊螺纹接头密封面、台
肩面及螺纹面的密封性能等进行了评价分析。研究结果表明,地下储气库注气工沉下套管接头的泄
漏概率要大于采气工况,目前使用的特殊螺纹接头连接基本可以满足储气库安全运行需要;而对于
特殊螺纹接头本身,主密封面和台肩面局部出现塑性变形,且接触压力大,是易发生泄漏的部位
关键词地下储气库特殊螺纹密封性套管接头有限元分析
0引言
1计算模型
地下储气库在调峰和保障供气安全上具有不可1.1カ学模型的建立
替代的作用,在欧美发达国家已经有1个世纪的历
建模中,采用钢级为Pl10、尺寸为7英寸
史,现已成为天然气工业体系中不可或缺的重要组(外径177.8mm,壁厚9.19mm)的特殊螺纹实体
成部分。枯竭油气藏型地下储气库是地下储气库套管模型(最小屈服强度为758MPa)进行有限元
的主要类型,所占比例高达76.7%?。地下储气库载荷分析。笔者采用国产特殊螺纹接头进行分析,
在运行中,注采气周期性频繁交替,气体在井筒和其承载面为3°,导入面为10°,齿高为1.575mm
地层之间双向流动,1个季节内储气库要注采占储螺纹啮合段的直径锥度为1:16,密封段的锥度为
量40%~60%的气体,而同时一般油气藏采出量不1:10,-15°的扭矩台肩。根据选用特殊螺纹接头
超过储量3%~5%,这表明储气库内的压力、温度规格,确定螺纹面过盈量为0.15mm,台肩面过盈
和流量等参数在更大的区间内变化。井筒管柱承量为0.10mm,密封面过盈量为0.28mm?。
受如此温度、压力和流量的交替性变化,不但要求
考虑到特殊螺纹接头的结构尺寸及储气井中特
套管抗内压强度足够,更重要的是对套管接头的密殊螺纹接头实际所受载荷,力学模型可按轴对称问
封性提出了更苛刻的要求。就目前在役地下储气库题处理,采用弹塑性非线性有限元方法进行分析,
而言,套管接头密封失效发生天然气漏失,是存在有限元模型如图1a所示,接箍和套管均采用四边
的较大安全隐患5。对如此复杂的井下工况,普形单元划分,网格划分情况见图1b。
通的AI螺纹无法满足要求,而特殊螺纹则可以更
好地满足需求,能较好地解决套管接头密封性问
题
a.有限元模型
国内外许多专家学者对特殊螺纹接头的密封性
做了大量研究,然而检索文献发现,其主要都是针
对普通油气中的特殊螺纹接头进行分析,而对地
b.局部网格放大图
下储气库中特殊螺纹接头密封性的研究几乎是一片
图1特殊螺纹有限元模型
空白。因此,对枯竭油气藏地下储气库特殊螺纹套1.2特殊螺纹材料性能参数
管接头进行密封性分析是非常有必要的。
计算时,材料性能参数取值如下:弹性模量E
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=2.2x10°MPa,材料摩擦因数∫=0.055,泊松比0,因此在接箍对称中面的各结点上施加轴向约束。
=0.3,热膨胀系数a=1.17x10-/℃。
同时,考虑到储气井中套管承受水泥环、岩石产生
1.3边界条件
的约束,采用弹簧单元模拟岩石、水泥环对套管的
根据接箍的对称性,接箍中面的轴向位移为弹性约束,弹簧单元刚度由下式确定:
2B.
E2(
E
ル2)72+
式中71、2、3一套管、水泥环及岩石外径;油气藏型地下储气库井注采气工况,加载如表1所
E1、E2一水泥环及岩石弹性模量
示,井底参考温度为105℃。
水泥环及岩石泊松比
表1载荷工况表
工况
地层压内压/
轴向应温度载
2计算结果分析
力/MPa
Mpa
力/MP
1(注气)
5
]9.1
83.2
载荷工况
2(采气)
15
72.4
在枯竭油气疲型地下储气库注采井中,套管柱
3(注气)
65.8
所受载荷有3类:内压载荷、温度载荷及轴向载
4(采气)
29
26.2
57.(0
81.1
荷。内压载荷是由于注采过程中压力直接作用产生2.2密封分析
的。注气过程中井底压力超过地层原始压力,而采
在有限元分析中,保证螺纹接头不发生泄漏的
气时井底压力则小于地层原始压力。温度载荷相对2个条件:密封面接触压力大于内压力,且Von
比较复杂,在注采过程中井筒和地层构成一个复杂 Mises等效应力σ,小于材料的屈服应力,使接触过
的传热系统和不断变化的温度场。注气过程中,注盈在弹性范围内变化,不产生塑性变形。下面对主
入气初始温度较低,在地层中由于地温的作用不断密封面、台肩面和螺纹面进行密封分析。
升高。采气过程中,气体温度则不断降低。套管柱2.2.1主密封面密封分析
所受的轴向载荷主要是由于地层压力変化使储层压
4种工况下 Von Mises等效应力的分布是相似
实产生的。储层岩石可以看成是含有孔隙的骨架,的,以工况3为例,等效应力如图2所示。在主密
始终受上覆岩压的作用。影响地层岩石变形的重要封面靠近台肩处达到最大等效应力870428MPa,
因素是有效应力,即上覆岩压减去孔隙压力。采气超过屈服极限758MPa,出现局部塑性变形,是比
时储层孔隙流体压力降低,从而导致岩石骨架有效较危险区域。这是由合肩的-15°结构造成的,由
应力增加,就会发生地层压实,将会造成套管产生于锐角有较高的应力集中,所以在密封面靠近台肩
压应カ。注气时作用过程相反,套管受拉伸应力作面很小的范围内,等效应力具有最大值。
用。岩层孔隙压力变化引起垂向压实量△H变化为
+
假定套管的压缩量等于岩层的厚度变化量
黛赢
以求出套管的附加卢应力o为
Ee =E
△H
网些
单位:MP
式中C一砂若的体积压缩系数,1/MPa
3こ-U9
△pー-地层压力变化量,MPa;
一一岩石原始孔隙度,%;
图2特殊螺纹 Von Mises应力云图
。一地层有效上覆应力,MPa;
主密封面的接触压力在4种载荷工况时的分布
H储层岩石厚度,m
趋势也相同,接触压力随着主密封面向远离台肩面
套管柱所受的载荷均是在井底最大,因此套管而逐渐减小,在接近螺纹面时又缓慢增加。特殊螺
的危险部位应该在井底的深层井段。笔者针对井底纹接头主密封面接触压力相对较高,最大接触压力
套管段的特殊螺纹接头进行分析。根据国内某枯竭发生在靠近台肩部分,4种工况下最大接触压力分