地下儲氣井應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.重慶市特種設備檢測研究院；2.中國特種設備檢測研究院；3.大連理工大學)

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勢，已經成為天然氣汽車加氣站的首選儲氣設備，并逐步進入調峰站、企業儲氣庫及城鎮儲配站等領域[1]。在全國各地已建成的儲氣井總數量超過7 000口，并正以每年約1 000口的數量快速增加。許多學者也致力于開發分布式監控系統，確保其安全性[2]。儲氣井相對普通地面壓力容器的區別主要表現在3個方面：位于地下；井筒與井眼間的環空填充固井水泥，形成水泥環；結構采用螺紋連接。然而，長期以來關于固井水泥對儲氣井影響的研究甚少，相關的試驗研究幾乎空白。儲氣井承受的是交變載荷，但關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力；施加循環壓力，對儲氣井的抗疲勞性能進行試驗測試。

1 應力測試

試驗儲氣井位于重慶市空港工業園，規格為φ177.8mm×10.36mm，結構示意圖如圖1所示。

圖1 試驗井結構示意圖

1.1 應變片

用貼應變片的方法對該儲氣井進行應力測試，貼應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，應變片布置在每根井管中部的外壁，從井底往上，應變測試點編號依次為1#、2#?？紤]到井管下放和固井操作對應變片可能造成損壞，在1#、2#測試點的周向相隔90°的部位各布置備用應變片1′#、2′#，應變片布置示意圖如圖2所示。由于應變片要與固井水泥漿接觸，本研究采用防水應變片，規格為WFLA-3-11-5L。

圖2 應變片布置示意圖

貼應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向在貼片區域劃線，標出貼片的位置，以保證貼片位置和方向的準確性；

c.在貼應變片前，應用萬用表對所有應變片逐一檢查，將電阻值不符合要求的應變片剔除，以保證其阻值的一致性和試驗數據的可靠性；

d.用應變片專用膠將應變片按布片方案貼在試件上，應變片自身引出線與測試導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，防止應變片導線被拉斷；

e.用萬用表測試所有應變片與測試導線的電阻值，測試應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，用專用膠將應變片覆蓋起來，以防止由于潮濕、碰擦或固井等造成應變片失效。

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，將與應變片連接的測試導線順著井管沿井管與井眼間的環空引出地面。井管入井時，需防止應變片和測試導線碰傷、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時，對儲氣井進行水壓試驗，測試應變1；井管組裝完成、固井結束6天后，即儲氣井固井水泥凝固后，對儲氣井進行水壓試驗，測試應變2。

應變測量采用TDS303型靜態應變儀，應變測量結果由計算機采集記錄。對上述兩種狀態進行測試時，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，同時測試各點應變值。

為了分析固井水泥對應變測試結果的影響，在固井結束5天后，采用固井檢測儀器(CBL方法)對儲氣井進行固井質量檢測。經檢測，1#應變片所在區域的固井質量較好，即水泥包裹良好，筆者主要針對該處的應變測試結果進行了分析。

1.4 結果分析

1.4.1應力換算

對于主應力方向已知的平面內應力狀態可使用ε0、ε90的二向應變直接換算主應力[3]：

式中E——井筒彈性模量，GPa；

ε——應變，取10-6；

μ——井筒泊松比；

σ——應力，MPa。

采用上式將應變換算成應力，井筒應力隨內壓的變化如圖3所示。

由圖3a可見，固井后的井筒軸向應力明顯小于固井前的軸向應力，說明固井對儲氣井起到了加強作用，最大軸向應力減小42%。由圖3b可見，固井后的井筒環向應力小于固井前的環向應力，最大環向應力減小11%。軸向應力減小量比環向應力顯著。

圖3 井筒應力隨內壓的變化

1.4.2軸向變形分析

應變測試結果顯示，在工作壓力25MPa下，固井前1#處軸向應變為2.13×10-4，固井后1#處軸向應變為3.3×10-5，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。所以固井質量較好時，儲氣井軸向變形很小，不會導致井筒上冒。

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，對地面人員和設備造成嚴重損傷，2005年宜賓儲氣井事故也印證了這一點[1]。所以防止儲氣井發生事故，首先要防止儲氣井發生軸向失效。

從試驗研究結果來看，儲氣井經有效固井之后，井筒軸向應力降低，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 試驗準備

經計算，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 L-HM46耐磨液壓油

試驗時介質最高溫度 43.2℃

疲勞試驗在儲氣井固井和耐壓試驗結束后進行。疲勞試驗前采用空氣壓縮機將井內的水全部排出，再填充鋼棒，然后往井里灌注耐磨液壓油。由于井內介質相對復雜，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)，防止井筒內液體回流至疲勞試驗機。

2.2 試驗實施

參照標準文獻[4，5]，按如下試驗參數進行試驗：

壓力循環上限 25.0MPa

壓力循環下限 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

循環速率 約每分鐘6次

循環次數 30 000次

儲氣井設計疲勞循環次數為25 000次，本次試驗循環次數取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 穩壓試驗

由于儲氣井大部分結構位于地下，若地下部分發生滲漏或泄漏，不易被發現。為此，疲勞循環結束后，對儲氣井進行了兩次穩壓試驗，以考察儲氣井是否存在泄漏點。第一次試驗壓力為36MPa，試驗從當天18:13開始，21:42結束，歷經209min，未見有壓降。第二次試驗壓力為25MPa，試驗從當晚21:50開始，次日10:18結束，歷經

748min，未見有壓降。

2.4試驗結果

對儲氣井進行常溫壓力循環試驗，循環加壓至30 000次，經地面巡查和穩壓檢測儲氣井無壓降，未發生疲勞失效。

3 結論

3.1通過地下井筒外壁應力測試得出，固井后的井筒應力小于固井前的應力，固井后最大軸向應力較固井前降低42%，環向應力降低11%。固井質量對井筒應力的影響遠高于預期值。

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生軸向失效，即井筒飛出地面的可能性。

3.3經過疲勞試驗，試驗井通過了30 000次壓力循環，未發生疲勞失效。

3.4試驗驗證了地下儲氣井的安全性和可靠性，對儲氣井安全技術規范、建造和檢驗標準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.儲氣井監督檢驗[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2] 張學軍.大型工業天然氣壓縮機站分布式監控系統[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[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4] GB/T 9252-2001，氣瓶疲勞試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2001.

[5] GB 17258-1998，汽車用壓縮天然氣鋼瓶[S].北京：中國標準出版社，1998.