李銀平葛鑫博，2王兵武施錫林

1.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室 2.中國科學院大學

鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱的動力穩(wěn)定性試驗研究

李銀平1葛鑫博1，2王兵武1施錫林1

1.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室 2.中國科學院大學

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

針對建設鹽穴地下儲氣庫在實施單井油墊法水溶造腔過程中經(jīng)常出現(xiàn)的造腔管柱破損和失穩(wěn)問題，開展了水溶造腔管柱的動力穩(wěn)定性試驗研究，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和理論分析結(jié)果，揭示出管柱抗彎剛度、懸伸長度及過流面積等是影響管柱動力穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。據(jù)此設計出懸臂管動力失穩(wěn)物理模型試驗裝置，開展了水溶造腔管柱磨損和動力失穩(wěn)的試驗研究。試驗中觀察到5種力學響應現(xiàn)象：①水錘現(xiàn)象；②靜力屈曲；③混沌運動；④“類懸臂管”受迫振動；⑤不同端部條件影響現(xiàn)象。試驗結(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造腔水流的波動性易引起水錘和受迫振動現(xiàn)象，超長的受限空間懸臂結(jié)構(gòu)管柱易“放大”這種現(xiàn)象；②過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動；③造腔管柱結(jié)構(gòu)和力學特性對造腔管柱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性有著重要影響。

鹽穴地下儲氣庫 水溶造腔管柱 破損和失穩(wěn) 管柱抗彎剛度 懸伸長度 過流面積 流固耦合模型 試驗穩(wěn)定性

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

1　鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱工程問題分析

鹽穴地下儲氣庫水溶造腔期間，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)壁之間一般不設任何支撐［11］。造腔期間，造腔管柱有可能會在下管、正循環(huán)或反循環(huán)注水造腔、提管測腔等施工操作中發(fā)生一些影響工程施工造價和工期的工程事故。結(jié)合現(xiàn)場提供的施工記錄等資料，可將鹽穴地下儲氣庫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種原因會導致管壁發(fā)生磨損（圖1）：①下放或提升管柱時發(fā)生摩擦碰撞；②造腔淡鹵水和油體與管壁摩擦；③造腔水流運動攜帶沉渣的摩擦；④管柱自身的動力響應特征所致；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，會引起管柱生銹，長期接觸會造成造腔管柱發(fā)生嚴重銹蝕（圖2），甚至導致管柱報廢。

水溶造腔過程中，造腔管柱彎曲變形也時有發(fā)生（圖3），其原因主要如下：①下放或提升管柱時發(fā)生摩擦碰撞；②管柱自身的動力特征所致；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。需要特別強調(diào)的是，管柱彎曲會導致測腔提管時管柱被卡在孔內(nèi)，嚴重時造腔工程車無法將井內(nèi)管柱提取出來，甚至只能被迫截斷管柱，讓被截斷的管柱永久棄置在鹽腔內(nèi)，嚴重耽誤工程工期，提高造腔成本。

圖1　金壇鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱的磨損圖

圖2　金壇鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱的銹蝕圖

圖3　金壇鹽穴地下儲氣庫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），通過造腔工程車上自帶的接箍擰接機按操作規(guī)程自動擰接。在水溶造腔過程中，可能引起接箍損壞（圖5）的主要原因有3個：①下放與提升管柱時發(fā)生摩擦碰撞；②管柱自身的動力響應特征所致；③被掉落的巖塊撞擊。

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

圖4　金壇鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱的正常接箍圖

圖5　金壇鹽穴地下儲氣庫建設過程中損壞的接箍圖

圖6　鹽穴地下儲氣庫水溶造腔管柱的斷裂圖

基于對造腔現(xiàn)場勘察以及對工況的分析認為，管柱破損除了與造腔過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動的動力學特性緊密相關(guān)，管柱在受限空間的自激振動和動力失穩(wěn)是導致管柱事故的主要原因。筆者著重對管柱動力學特性開展了理論和模型試驗研究，考慮液—固耦聯(lián)作用分析造腔管柱的臨界流速，并對試驗現(xiàn)象中管柱水擊等現(xiàn)象開展了分析，結(jié)合實際工況基于管柱動力學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影響軸向水流作用條件下管柱的力學響應行為，這種相互影響會增大管柱系統(tǒng)發(fā)生靜力失穩(wěn)或動力失穩(wěn)時的水流量。然而，腔體頂板以下的中間管與中心管段由于在腔體內(nèi)部所受限制相對要小，且腔體內(nèi)水流運動復雜，加上沉渣作用，該管段發(fā)生靜力失穩(wěn)或動力失穩(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—固耦合力學響應理論分析

2.2.1懸臂管振動方程

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

當管內(nèi)無液體時，若不計重力、管道剪切變形和截面轉(zhuǎn)動慣量的影響，管道沿橫向彎曲振動的微分方程［13］可寫為：式中EI表示管道的彎曲剛度，N·m2；m表示管道單位長度的質(zhì)量，kg；T表示下端軸向力（拉力為正，暫不計重力），N；x表示軸向坐標；t表示時間，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）。

當管內(nèi)有液體時，管道的振動將會有很大不同。假設流體為線流、不可壓縮且無黏性，液體會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)液體單位長度質(zhì)量表示液體橫截面積，m2）；管道單位長度的總質(zhì)量對于p =T = 0的情況，可得到方程：式中u表示液體流速，m/s。

對于懸臂管道，其邊界條件為：

式中l(wèi)表示管道總長度，m。

2.2.2懸臂管振動臨界流速計算

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

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

式（4）的求解屬于一個代數(shù)復特征值問題，可求出臨界流速（ucr）。一般情況下，s為復數(shù)，其虛部就是輸液管的固有頻率，若s具有正實部，這時振動幅值將隨時間增長而迅速最大，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算

對于造腔管柱的臨界流速，這里先考慮最簡化的情形來進行分析。造腔內(nèi)管先不考慮造腔外管的空間限制，簡化為從井口直至溶腔內(nèi)的懸臂輸流管；而對于造腔外管，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，當然參與振動的液體只是內(nèi)外管環(huán)空中的液體。對于懸臂管，當u = 0時，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)，可以計算出工程實際中造腔管柱發(fā)生振動的臨界流速。中心管一般比中間管管長（工程上一般長為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，無疑會提高其臨界流速，但內(nèi)外管及其與生產(chǎn)套管之間的碰撞、擠壓會帶來管柱的磨損和破壞。

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)外管柱振動耦合分析，這將是一個十分復雜的問題。高德利［14］針對受井眼約束的受壓管柱，假設管柱和井眼均為圓形且兩者保持連續(xù)接觸，采用細長梁理論開展了管柱屈曲分析。但對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，需要進一步研究分析。

3　造腔管柱液—固耦合模型試驗研究

如上所述，可以根據(jù)簡化理論模型開展室內(nèi)模型試驗。因為小尺寸模型試驗在經(jīng)濟和技術(shù)方面要優(yōu)于全尺寸模型試驗，故開展小尺寸模型試驗，對懸臂管流—固耦合問題進行研究。

模型試驗過程中，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號蠕動泵、隔膜泵、柱塞泵和真空泵等），最后確定使用隔膜泵。

3.1模型試驗裝置簡介

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

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

模型試驗具有一定難度和未知性。結(jié)合現(xiàn)有條件，開展試驗前首先需要利用選定的試驗管型和泵型，按照預定的試驗方案，組裝好模型試驗裝置，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響應特征。

3.2試驗步驟

將長度為0.3 m的橡膠軟管連接在魚形轉(zhuǎn)換接頭的細 端，用套箍固定密封在細端上。連接好電路，開啟供水泵電源，水泵向目標管段泵水，同時開啟排水泵進行排水。待裝置運行穩(wěn)定后，均勻從小到大調(diào)節(jié)供水泵電位器，使目標管段中軸向流流速從零均勻增加到最大。調(diào)節(jié)過程中，仔細觀察試驗現(xiàn)象，當懸臂管形態(tài)、特征發(fā)生一定變化時，記錄對應的試驗現(xiàn)象，并采集相關(guān)照片。

表1　試驗所用管型參數(shù)表

3.3模型試驗現(xiàn)象及分析

3.3.1水錘現(xiàn)象

試驗過程中，突然開啟或關(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，會發(fā)現(xiàn)懸臂管發(fā)生劇烈的顫動現(xiàn)象，顫動頻率大、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，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如同“箭矢”形。

具體而言，橡膠軟管發(fā)生水錘時不規(guī)律顫動比硬質(zhì)透明PC管發(fā)生的顫動要劇烈，擺動幅度更大。其中，在水錘發(fā)生的時候，長度為1.0 m的橡膠軟管顫動比0.6 m長的橡膠軟管要劇烈，而0.6 m長橡膠軟管比0.3 m長橡膠軟管顫動要劇烈；同條件下自由端的振動最為劇烈，越靠近固定端，振動幅度越小。在硬質(zhì)透明PC管中，呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，長度越長，水錘時顫動越劇烈。

根據(jù)目前的試驗觀測，發(fā)現(xiàn)水錘現(xiàn)象對懸臂管柱穩(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，就可以引起管柱軸線方向發(fā)生壓力波動變化。這種壓力波動變化能夠沿著管柱軸線傳播，而且傳播過程中對懸臂管施加的作用力超過懸臂管抵抗發(fā)生振動所需的強度時，就能引起懸臂管柱的懸臂段發(fā)生不規(guī)律的顫動。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)生的顫動越激烈，管柱自由端顫動幅度也越大。

3.3.2靜力屈曲現(xiàn)象

試驗過程中，橡膠軟管在一定的臨界流速時即會發(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，才會觸發(fā)靜力屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

分別利用長度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡膠軟管開展試驗時，都能觀察到較明顯的靜力屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。懸臂管長度越大，則發(fā)生靜力屈曲時對應的臨界流速越小。開啟電源，待水流量穩(wěn)定，由小到大調(diào)節(jié)電位器。剛開始橡膠軟管保持豎直輸水，無任何運動反應；隨著流速增大到某一值時，懸臂管開始發(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；直到流速增加超過某值時，懸臂管開始發(fā)生動力失穩(wěn)。

而利用硬質(zhì)透明PC管開展試驗時，分別將0.3 m和0.6 m長的管接到魚形轉(zhuǎn)換接頭細端并密封固定，開啟電源待運行穩(wěn)定后進行試驗，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電位器后，不論水流流速大小，都沒能觀察到懸臂管發(fā)生靜力屈曲現(xiàn)象。將1.0 m長的硬質(zhì)透明PC管接上并固定密封，進行試驗時發(fā)現(xiàn)，若管柱保持豎直，調(diào)節(jié)電位器的過程中，懸臂管在軸向流作用下不會發(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，懸臂管會沿著彎曲趨勢繼續(xù)發(fā)生較小幅度的靜力屈曲變形。在造腔工程實踐中，當造腔管柱發(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。因此當造腔管柱自身發(fā)生一定程度的彎曲時，需引起重視并采取換管或矯正的措施。

3.3.3混沌運動

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

試驗過程中，橡膠軟管在一定的臨界流速時會發(fā)生比較明顯的混沌運動現(xiàn)象，但是利用硬質(zhì)透明PC管進行試驗時卻未能觀察到混沌運動現(xiàn)象。

利用長度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的橡膠軟管開展試驗時，都能觀察到較明顯的混沌運動現(xiàn)象。懸臂管長度越大，則發(fā)生混沌運動時對應的臨界流速越小。開啟電源，待水流穩(wěn)定時，由小到大調(diào)節(jié)電位器。剛開始橡膠軟管保持豎直輸水，無任何運動反應；隨著流速增大到某一值時，懸臂管開始發(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；直到流速增加超過某一值時，懸臂管開始發(fā)生很明顯的混沌運動現(xiàn)象。

但利用硬質(zhì)透明PC管開展試驗時，分別將長度為0.3 m、0.6 m和1.0 m的管接到魚形轉(zhuǎn)換接頭細端密封固定，開啟電源待運行穩(wěn)定后進行試驗，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電位器，在任意流速條件下，都沒能觀察到懸臂管混沌運動現(xiàn)象。

在造腔工程實踐中，若水溶造腔管柱發(fā)生混沌運動，則會對管柱的穩(wěn)定性帶來不利影響，同時增加管柱與地層、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，因此在水溶造腔過程中需引起一定的重視并采取相應措施。

3.3.4受迫振動

在用2.0 m長連接的管段（即用2根1.0 m長硬質(zhì)透明PC管連接固定密封組成）試驗時觀察到在不大的流量范圍內(nèi)，該管段發(fā)生了受迫振動，后面利用橡膠軟管和硬質(zhì)透明PC管進行試驗時均未觀察到。由于實際水泵能夠提供的最大注水流量很有限，可能遠小于滿足懸臂管發(fā)生顫振的臨界流量，因此在試驗過程中沒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發(fā)生顫振，后續(xù)研究還需深入進行。

可將造腔管柱系統(tǒng)類比試驗中的“類懸臂”結(jié)構(gòu)，在由水泵驅(qū)動的具有脈動特征的造腔水流作用下，可能在一定程度時發(fā)生試驗中觀察到的受迫振動現(xiàn)象。發(fā)生受迫振動現(xiàn)象時，管柱的振動會增加管柱磨損程度，同時會使管柱發(fā)生彎曲變形；長時間或持續(xù)的受迫振動，極易引起造腔管柱發(fā)生疲勞破壞，嚴重的會造成管柱斷裂，影響水溶造腔施工的順利進行。

3.3.5不同端部條件的影響

模型試驗中不同端部條件影響僅針對硬質(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，懸臂管在軸向流作用下的動力響應現(xiàn)象。試驗發(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，筆尖處水流運動不規(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)水流運動變得復雜而不規(guī)則，懸臂管發(fā)生水錘時振動相對劇烈；堵塞懸臂管端部分空間，會導致懸臂管端水流噴濺而出，水流運動復雜而無規(guī)律，且端部水流流速較大，管柱發(fā)生水錘或靜力屈曲時振動相對更劇烈。

4　基于模型試驗的防范措施簡析

造腔管柱在液—固耦合作用下，管柱自身結(jié)構(gòu)和力學特性會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：①水流的波動性；②過大的注水流量；③管柱結(jié)構(gòu)與自身力學特性的影響。

基于上述原因，根據(jù)試驗中的嘗試并結(jié)合石油工程、儲氣庫建設工程中的一些工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻資料，分別針對水流波動性、注水流量和管柱材料與結(jié)構(gòu)提出了對應的防范措施，希望能為水溶造腔工程管柱問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)水流的波動性，消除水錘或顫振對管柱的負面影響，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。具體應用需要結(jié)合水溶造腔工程實際，開展方案設計和比選后再行實施。

2）多夾層鹽巖水溶造腔注水流量對于造腔管柱系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定有重要影響，也對造腔的工期和造價、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)合水溶造腔工程實際的需求，合理設計造腔注水流量，同時建議在滿足造腔施工進度要求時盡量降低造腔管內(nèi)水流的流速，這對于防范造腔管柱靜力屈曲或混沌運動失穩(wěn)有很重要的意義。

3）為了防止管系懸臂結(jié)構(gòu)力學特點造成的軸向流液—固耦合下靜力或動力失穩(wěn)，建議在懸錘的中心管與中間管、中間管與技術(shù)套管之間適當設計增加支點，盡量增加管柱體系的整體剛度，同時建議安裝管柱時嚴格按照規(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。對于管柱材料方面，應先統(tǒng)計水溶造腔管柱事故中最易出現(xiàn)問題的管段及與腔體的相對位置，然后針對易出問題的管段進行管材優(yōu)化設計，選用彈性性能較好、強度很高的管代替這部分管段。

5　結(jié)論

1）總結(jié)分析了鹽穴儲氣庫造腔管柱經(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題。

2）提出了懸臂管結(jié)構(gòu)在發(fā)生顫振時臨界流速的計算公式，臨界流速與懸臂管抗彎剛度、長度、過水斷面面積有直接關(guān)系，影響最大的因素主要是外徑、壁厚和長度。但造腔管柱需要考慮管柱重力和相互嵌套之間的約束，理論計算公式仍需進一步修正完善。

3）由理論模型設計了造腔管柱液—固耦合模型試驗裝置，開展了不同流量、不同管長條件下的試驗，綜合觀察到的試驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)懸臂管在軸向流作用下主要會發(fā)生5種力學響應現(xiàn)象：①水錘現(xiàn)象；②靜力屈曲；③混沌運動；④“類懸臂管”受迫振動；⑤不同端部條件影響。

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

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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

國家自然科學基金項目“鹽穴儲氣庫單井水溶造腔夾層垮塌機理與動態(tài)控制”（編號：51274187）。

李銀平，1969年生，研究員，博士生導師；主要從事能源地下儲備巖石力學與工程方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武漢市武昌區(qū)小洪山中國科學院武漢巖土力學研究所。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備造腔管柱動力失穩(wěn)機理方面的研究工作。地址：（430071）湖北省武漢市武昌區(qū)小洪山中國科學院武漢巖土力學研究所。電話：13883988682。ORCID：0000-0002-0731-7735。E-mail：gexinbo@163.com