傅 偉 傅小立 段志祥 蒲 曬 陳 杰 石 坤 張煙生

(1.重慶市特種設(shè)備檢測(cè)研究院；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院；3.大連理工大學(xué))

由于儲(chǔ)氣井相對(duì)于其他的儲(chǔ)氣方式來說具有占地小、相對(duì)安全及成本較低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為天然氣汽車加氣站的首選儲(chǔ)氣設(shè)備，并逐步進(jìn)入調(diào)峰站、企業(yè)儲(chǔ)氣庫及城鎮(zhèn)儲(chǔ)配站等領(lǐng)域[1]。在全國(guó)各地已建成的儲(chǔ)氣井總數(shù)量超過7 000口，并正以每年約1 000口的數(shù)量快速增加。許多學(xué)者也致力于開發(fā)分布式監(jiān)控系統(tǒng)，確保其安全性[2]。儲(chǔ)氣井相對(duì)普通地面壓力容器的區(qū)別主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：位于地下；井筒與井眼間的環(huán)空填充固井水泥，形成水泥環(huán)；結(jié)構(gòu)采用螺紋連接。然而，長(zhǎng)期以來關(guān)于固井水泥對(duì)儲(chǔ)氣井影響的研究甚少，相關(guān)的試驗(yàn)研究幾乎空白。儲(chǔ)氣井承受的是交變載荷，但關(guān)于儲(chǔ)氣井的疲勞試驗(yàn)研究也只限于地上的模擬試驗(yàn)，地下實(shí)物儲(chǔ)氣井的疲勞試驗(yàn)鮮有報(bào)道。筆者通過建造試驗(yàn)儲(chǔ)氣井，測(cè)試地下儲(chǔ)氣井井筒的實(shí)際應(yīng)力；施加循環(huán)壓力，對(duì)儲(chǔ)氣井的抗疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

1 應(yīng)力測(cè)試

試驗(yàn)儲(chǔ)氣井位于重慶市空港工業(yè)園，規(guī)格為φ177.8mm×10.36mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 應(yīng)變片

用貼應(yīng)變片的方法對(duì)該儲(chǔ)氣井進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，貼應(yīng)變片在井管組裝和入井之前完成。由于井筒由兩根井管組成，每根井管長(zhǎng)約11m，因此，應(yīng)變片布置在每根井管中部的外壁，從井底往上，應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)編號(hào)依次為1#、2#?？紤]到井管下放和固井操作對(duì)應(yīng)變片可能造成損壞，在1#、2#測(cè)試點(diǎn)的周向相隔90°的部位各布置備用應(yīng)變片1′#、2′#，應(yīng)變片布置示意圖如圖2所示。由于應(yīng)變片要與固井水泥漿接觸，本研究采用防水應(yīng)變片，規(guī)格為WFLA-3-11-5L。

圖2 應(yīng)變片布置示意圖

貼應(yīng)變片時(shí)需按照以下步驟進(jìn)行：

a.井管表面處理，先用砂紙打磨金屬表面，再用酒精進(jìn)行清洗，最后用干棉花擦洗干凈；

b.用劃針分別沿軸向和環(huán)向在貼片區(qū)域劃線，標(biāo)出貼片的位置，以保證貼片位置和方向的準(zhǔn)確性；

c.在貼應(yīng)變片前，應(yīng)用萬用表對(duì)所有應(yīng)變片逐一檢查，將電阻值不符合要求的應(yīng)變片剔除，以保證其阻值的一致性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性；

d.用應(yīng)變片專用膠將應(yīng)變片按布片方案貼在試件上，應(yīng)變片自身引出線與測(cè)試導(dǎo)線用錫焊連接后用絕緣膠帶纏好，并用專用膠固定在井壁上，以保證絕緣，防止應(yīng)變片導(dǎo)線被拉斷；

e.用萬用表測(cè)試所有應(yīng)變片與測(cè)試導(dǎo)線的電阻值，測(cè)試應(yīng)變片與試件間的絕緣電阻，確保均符合測(cè)試要求，全部合格后，用專用膠將應(yīng)變片覆蓋起來，以防止由于潮濕、碰擦或固井等造成應(yīng)變片失效。

1.2 井管組裝

由施工單位將井管與接箍通過液壓大鉗擰緊后下入井底。井管組裝時(shí)，將與應(yīng)變片連接的測(cè)試導(dǎo)線順著井管沿井管與井眼間的環(huán)空引出地面。井管入井時(shí)，需防止應(yīng)變片和測(cè)試導(dǎo)線碰傷、劃傷。

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

井管組裝入井后、進(jìn)行固井前，即儲(chǔ)氣井筒處于自由狀態(tài)時(shí)，對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行水壓試驗(yàn)，測(cè)試應(yīng)變1；井管組裝完成、固井結(jié)束6天后，即儲(chǔ)氣井固井水泥凝固后，對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行水壓試驗(yàn)，測(cè)試應(yīng)變2。

應(yīng)變測(cè)量采用TDS303型靜態(tài)應(yīng)變儀，應(yīng)變測(cè)量結(jié)果由計(jì)算機(jī)采集記錄。對(duì)上述兩種狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用試壓泵對(duì)儲(chǔ)氣井逐級(jí)施壓，直到水壓試驗(yàn)壓力(37.5MPa)。在每個(gè)壓力等級(jí)下保壓一段時(shí)間，同時(shí)測(cè)試各點(diǎn)應(yīng)變值。

為了分析固井水泥對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的影響，在固井結(jié)束5天后，采用固井檢測(cè)儀器(CBL方法)對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，1#應(yīng)變片所在區(qū)域的固井質(zhì)量較好，即水泥包裹良好，筆者主要針對(duì)該處的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

1.4 結(jié)果分析

1.4.1應(yīng)力換算

對(duì)于主應(yīng)力方向已知的平面內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)可使用ε0、ε90的二向應(yīng)變直接換算主應(yīng)力[3]：

式中E——井筒彈性模量，GPa；

ε——應(yīng)變，取10-6；

μ——井筒泊松比；

σ——應(yīng)力，MPa。

采用上式將應(yīng)變換算成應(yīng)力，井筒應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化如圖3所示。

由圖3a可見，固井后的井筒軸向應(yīng)力明顯小于固井前的軸向應(yīng)力，說明固井對(duì)儲(chǔ)氣井起到了加強(qiáng)作用，最大軸向應(yīng)力減小42%。由圖3b可見，固井后的井筒環(huán)向應(yīng)力小于固井前的環(huán)向應(yīng)力，最大環(huán)向應(yīng)力減小11%。軸向應(yīng)力減小量比環(huán)向應(yīng)力顯著。

圖3 井筒應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化

1.4.2軸向變形分析

應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯示，在工作壓力25MPa下，固井前1#處軸向應(yīng)變?yōu)?.13×10-4，固井后1#處軸向應(yīng)變?yōu)?.3×10-5，固井前約為固井后的6.5倍。說明固井后軸向變形大為降低。該儲(chǔ)氣井深度為23m，按照1#處應(yīng)變估算，軸向變形為3.3×10-5×23×103=0.75mm。假如儲(chǔ)氣井深為100m，則估算變形為2.3mm。而實(shí)際上，當(dāng)井深增加時(shí)，加上接箍尺寸的突變，其軸向約束作用將增加，深處的井管變形量還將降低。所以固井質(zhì)量較好時(shí)，儲(chǔ)氣井軸向變形很小，不會(huì)導(dǎo)致井筒上冒。

1.4.3固井對(duì)儲(chǔ)氣井失效的影響

從儲(chǔ)氣井的特點(diǎn)可知，儲(chǔ)氣井周向有地層約束，如果失效，能量可被大地吸收，不易造成事故。而如果軸向失效，井筒將會(huì)沖出地面，對(duì)地面人員和設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p傷，2005年宜賓儲(chǔ)氣井事故也印證了這一點(diǎn)[1]。所以防止儲(chǔ)氣井發(fā)生事故，首先要防止儲(chǔ)氣井發(fā)生軸向失效。

從試驗(yàn)研究結(jié)果來看，儲(chǔ)氣井經(jīng)有效固井之后，井筒軸向應(yīng)力降低，說明固井可以降低儲(chǔ)氣井軸向失效的可能性。因?yàn)橛行Ч叹?，在同樣的壁厚下，?chǔ)氣井能承受更大的壓力載荷。

2 疲勞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)井容積約400L，接近疲勞試驗(yàn)機(jī)的極限能力。為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，且不影響試驗(yàn)效果，往井里填充金屬鋼棒，填充后剩余容積約300L。試驗(yàn)設(shè)備和條件如下：

試壓泵型號(hào) V30D-95

疲勞裝置編號(hào) GJPJ-001

壓力表量程 100MPa

傳感器量程 100MPa

試驗(yàn)介質(zhì) L-HM46耐磨液壓油

試驗(yàn)時(shí)介質(zhì)最高溫度 43.2℃

疲勞試驗(yàn)在儲(chǔ)氣井固井和耐壓試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行。疲勞試驗(yàn)前采用空氣壓縮機(jī)將井內(nèi)的水全部排出，再填充鋼棒，然后往井里灌注耐磨液壓油。由于井內(nèi)介質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，為保護(hù)疲勞試驗(yàn)機(jī)，在疲勞試驗(yàn)機(jī)出口管線上安裝過濾器(型號(hào)ZU-H63X20LS)，防止井筒內(nèi)液體回流至疲勞試驗(yàn)機(jī)。

2.2 試驗(yàn)實(shí)施

參照標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[4，5]，按如下試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)：

壓力循環(huán)上限 25.0MPa

壓力循環(huán)下限 2.0MPa

上限壓力下保壓時(shí)間 1.0s

下限壓力下保壓時(shí)間 1.0s

降壓時(shí)間 約4.0s

升壓時(shí)間 約4.0s

循環(huán)速率 約每分鐘6次

循環(huán)次數(shù) 30 000次

儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù)為25 000次，本次試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)取30 000次。試驗(yàn)過程中，定期檢查井口部位及其連接管道是否有泄漏。

2.3 穩(wěn)壓試驗(yàn)

由于儲(chǔ)氣井大部分結(jié)構(gòu)位于地下，若地下部分發(fā)生滲漏或泄漏，不易被發(fā)現(xiàn)。為此，疲勞循環(huán)結(jié)束后，對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行了兩次穩(wěn)壓試驗(yàn)，以考察儲(chǔ)氣井是否存在泄漏點(diǎn)。第一次試驗(yàn)壓力為36MPa，試驗(yàn)從當(dāng)天18:13開始，21:42結(jié)束，歷經(jīng)209min，未見有壓降。第二次試驗(yàn)壓力為25MPa，試驗(yàn)從當(dāng)晚21:50開始，次日10:18結(jié)束，歷經(jīng)

748min，未見有壓降。

2.4試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行常溫壓力循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)加壓至30 000次，經(jīng)地面巡查和穩(wěn)壓檢測(cè)儲(chǔ)氣井無壓降，未發(fā)生疲勞失效。

3 結(jié)論

3.1通過地下井筒外壁應(yīng)力測(cè)試得出，固井后的井筒應(yīng)力小于固井前的應(yīng)力，固井后最大軸向應(yīng)力較固井前降低42%，環(huán)向應(yīng)力降低11%。固井質(zhì)量對(duì)井筒應(yīng)力的影響遠(yuǎn)高于預(yù)期值。

3.2固井后儲(chǔ)氣井的軸向變形較小，通過有效固井，能大大減少儲(chǔ)氣井發(fā)生軸向失效，即井筒飛出地面的可能性。

3.3經(jīng)過疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)井通過了30 000次壓力循環(huán)，未發(fā)生疲勞失效。

3.4試驗(yàn)驗(yàn)證了地下儲(chǔ)氣井的安全性和可靠性，對(duì)儲(chǔ)氣井安全技術(shù)規(guī)范、建造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制訂及使用壽命的確定有重要的參考價(jià)值。

[1] 李邦憲，陳祖志，石坤，等.儲(chǔ)氣井監(jiān)督檢驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 張學(xué)軍.大型工業(yè)天然氣壓縮機(jī)站分布式監(jiān)控系統(tǒng)[M].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(1)：105～108.

[3] 聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] GB/T 9252-2001，氣瓶疲勞試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[5] GB 17258-1998，汽車用壓縮天然氣鋼瓶[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.