地下儲氣井應(yīng)力測試與疲勞試驗研究*

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)備檢測研究院；2.中國特種設(shè)備檢測研究院；3.大連理工大學(xué))

由于儲氣井相對于其他的儲氣方式來說具有占地小、相對安全及成本較低等優(yōu)勢，已經(jīng)成為天然氣汽車加氣站的首選儲氣設(shè)備，并逐步進入調(diào)峰站、企業(yè)儲氣庫及城鎮(zhèn)儲配站等領(lǐng)域[1]。在全國各地已建成的儲氣井總數(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]。儲氣井相對普通地面壓力容器的區(qū)別主要表現(xiàn)在3個方面：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，長期以來關(guān)于固井水泥對儲氣井影響的研究甚少，相關(guān)的試驗研究幾乎空白。儲氣井承受的是交變載荷，但關(guān)于儲氣井的疲勞試驗研究也只限于地上的模擬試驗，地下實物儲氣井的疲勞試驗鮮有報道。筆者通過建造試驗儲氣井，測試地下儲氣井井筒的實際應(yīng)力；施加循環(huán)壓力，對儲氣井的抗疲勞性能進行試驗測試。

1 應(yīng)力測試

試驗儲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 試驗井結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 應(yīng)變片

用貼應(yīng)變片的方法對該儲氣井進行應(yīng)力測試，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)變測試點編號依次為1#、2#?？紤]到井管下放和固井操作對應(yīng)變片可能造成損壞，在1#、2#測試點的周向相隔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)變片時需按照以下步驟進行：

a.井管表面處理，先用砂紙打磨金屬表面，再用酒精進行清洗，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.用萬用表測試所有應(yīng)變片與測試導(dǎo)線的電阻值，測試應(yīng)變片與試件間的絕緣電阻，確保均符合測試要求，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，將與應(yīng)變片連接的測試導(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，需防止應(yīng)變片和測試導(dǎo)線碰傷、劃傷。

1.3 試驗測試

井管組裝入井后、進行固井前，即儲氣井筒處于自由狀態(tài)時，對儲氣井進行水壓試驗，測試應(yīng)變1；井管組裝完成、固井結(jié)束6天后，即儲氣井固井水泥凝固后，對儲氣井進行水壓試驗，測試應(yīng)變2。

應(yīng)變測量采用TDS303型靜態(tài)應(yīng)變儀，應(yīng)變測量結(jié)果由計算機采集記錄。對上述兩種狀態(tài)進行測試時，采用試壓泵對儲氣井逐級施壓，直到水壓試驗壓力(37.5MPa)。在每個壓力等級下保壓一段時間，同時測試各點應(yīng)變值。

為了分析固井水泥對應(yīng)變測試結(jié)果的影響，在固井結(jié)束5天后，采用固井檢測儀器(CBL方法)對儲氣井進行固井質(zhì)量檢測。經(jīng)檢測，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，筆者主要針對該處的應(yīng)變測試結(jié)果進行了分析。

1.4 結(jié)果分析

1.4.1應(yīng)力換算

對于主應(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，說明固井對儲氣井起到了加強作用，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。假如儲氣井深為100m，則估算變形為2.3mm。而實際上，當(dāng)井深增加時，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，儲氣井軸向變形很小，不會導(dǎo)致井筒上冒。

1.4.3固井對儲氣井失效的影響

從儲氣井的特點可知，儲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，井筒將會沖出地面，對地面人員和設(shè)備造成嚴(yán)重損傷，2005年宜賓儲氣井事故也印證了這一點[1]。所以防止儲氣井發(fā)生事故，首先要防止儲氣井發(fā)生軸向失效。

從試驗研究結(jié)果來看，儲氣井經(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氣井軸向失效的可能性。因為有效固井后，在同樣的壁厚下，儲氣井能承受更大的壓力載荷。

2 疲勞試驗

2.1 試驗準(zhǔn)備

經(jīng)計算，試驗井容積約400L，接近疲勞試驗機的極限能力。為保證試驗順利進行，且不影響試驗效果，往井里填充金屬鋼棒，填充后剩余容積約300L。試驗設(shè)備和條件如下：

試壓泵型號 V30D-95

疲勞裝置編號 GJPJ-001

壓力表量程 100MPa

傳感器量程 100MPa

試驗介質(zhì) L-HM46耐磨液壓油

試驗時介質(zhì)最高溫度 43.2℃

疲勞試驗在儲氣井固井和耐壓試驗結(jié)束后進行。疲勞試驗前采用空氣壓縮機將井內(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)相對復(fù)雜，為保護疲勞試驗機，在疲勞試驗機出口管線上安裝過濾器(型號ZU-H63X20LS)，防止井筒內(nèi)液體回流至疲勞試驗機。

2.2 試驗實施

參照標(biāo)準(zhǔn)文獻[4，5]，按如下試驗參數(shù)進行試驗：

壓力循環(huán)上限 25.0MPa

壓力循環(huán)下限 2.0MPa

上限壓力下保壓時間 1.0s

下限壓力下保壓時間 1.0s

降壓時間 約4.0s

升壓時間 約4.0s

循環(huán)速率 約每分鐘6次

循環(huán)次數(shù) 30 000次

儲氣井設(shè)計疲勞循環(huán)次數(shù)為25 000次，本次試驗循環(huán)次數(shù)取30 000次。試驗過程中，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

由于儲氣井大部分結(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，對儲氣井進行了兩次穩(wěn)壓試驗，以考察儲氣井是否存在泄漏點。第一次試驗壓力為36MPa，試驗從當(dāng)天18:13開始，21:42結(jié)束，歷經(jīng)209min，未見有壓降。第二次試驗壓力為25MPa，試驗從當(dāng)晚21:50開始，次日10:18結(jié)束，歷經(jīng)

748min，未見有壓降。

2.4試驗結(jié)果

對儲氣井進行常溫壓力循環(huán)試驗，循環(huán)加壓至30 000次，經(jīng)地面巡查和穩(wěn)壓檢測儲氣井無壓降，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)量對井筒應(yīng)力的影響遠高于預(yù)期值。

3.2固井后儲氣井的軸向變形較小，通過有效固井，能大大減少儲氣井發(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，試驗井通過了30 000次壓力循環(huán)，未發(fā)生疲勞失效。

3.4試驗驗證了地下儲氣井的安全性和可靠性，對儲氣井安全技術(shù)規(guī)范、建造和檢驗標(biāo)準(zhǔn)的制訂及使用壽命的確定有重要的參考價值。

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

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

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

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

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