盐穴造腔管柱非线性流致振动特性研究

王海彪，袁  征，李开兴，庞明越，张  顺，夏金娜

(1.中海油田服务股份有限公司，天津 300459；

2.海洋油气高效开发全国重点实验室，北京 102209）

摘  要：造腔管柱是地下储气库建设的重要工具，其可靠性和稳定性直接影响建设过程。然而，由于剧烈的振动，浸出油管经常发生屈曲变形或断裂。考虑内外流体导致的非线性流致振动，建立了造腔管柱的动力学特性分析模型，对造腔管柱的特性进行了模态分析。结果表明，内部湍流的压力脉动是导致造腔管柱振动的主要原因，造腔管柱的振动响应频率与湍流压力脉动频率相似；同时，造腔管柱底部和中部的振幅较大，易与中间管管壁发生碰撞；反循环时中心管的响应频率和幅值均大于正循环时的响应频率和幅值；通过限制注水流量和两口距离，可以避免中心管过度振动。

关键词：造腔管柱;流致振动；模态分析；盐穴储气库

0 引言

目前，对盐穴储气库的研究主要集中于储气库气密性、盐岩溶解关系、腔体形态控制等方面。部分学者开展了造腔管柱振动特性研究，如Ge等设计了1个盐穴造腔管柱实验装置，初步分析了造腔管柱在无限空间下动力学特性，得出理想条件下造腔管柱临界速度方程；Liu等基于哈密顿变分原理建立了盐穴造腔管柱动力学模型，初步分析了注水泵排量、两口距离等参数对造腔管柱振动特性的影响；Cesari等对同时受内外流作用的管柱动力学行为进行了首次理论研究，专门研究了具有不同边界条件的水平管道稳定性；Moditis等通过理论和实验对同时受内外轴向流作用的悬臂管进行了研究，得到了管柱振动主要受内流影响，管柱主要因发散而失去稳定性，而不是因颤动而失去稳定性等规律；Ge等假设管道入口处为返向射流，对同时受到内外轴向流作用的管柱进行了动力学分析，得出管道可能因发散或颤振而失去稳定性。

1 盐穴造腔管柱动力学特性分析模型

1.1 盐穴造腔管柱动力学有限元模型的建立

水溶法造腔有正循环和反循环2种方式，其物理模型如图1所示。图1（a）为正循环造腔，清水从中心管注人腔体，盐浓度较高的卤水则从中心管与中间管之间的环空返回地面；图1（b）为反循环造腔，清水从环空注入腔体，卤水则从中心管返回地面。

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