CNG地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管的研制.pdf

2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】C NG地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管的研制王仁涛，史红兵，张海涛，万 军(安徽省特种设备检测院，安徽 合肥 230051)摘要：为探究地下储气井井筒在倾斜、弯曲、变形等缺陷状况下安全使用状况，研究人员研发了一种地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管，样管能够用于地下储气井检测中套管腐蚀减薄后出现的弯曲变形等情况的研究、信号标定、检测装置的校准和复核，具有结构紧凑、制作方便等特点，井筒倾斜、弯曲、变形缺陷的样管还可模拟地应力、不同等级内部载荷和循环变化载荷作用下缺陷的发展状况和缺陷危险性。解决了缺乏储气井井筒倾斜、弯曲、变形缺陷的模拟检测用储气井样管的需求，并为储气井井筒倾斜、弯曲、变形缺陷后期评价标准的制定奠定研究基础。关键词：储气井；样管；倾斜；弯曲；缺陷Development of Inclination and Bending Sample Tube for CNG Underground Gas Storage WellWANG Rentao,SHI Hongbing,ZHANG Haitao,WANG Jun(Anhui Special Equipment Inspection Institute,Hefei 230051,Anhui,China)Abstract：In order to explore the safe use of underground gas storage well shafts under defects such as inclination,bending,and deformation,a simulation sample tube for inclined bending of underground gas storage well shafts has been developed.The sample tube can be used for research,signal calibration,calibration,and review of detection devices in the detection of bending deformation caused by casing corrosion and thinning in underground gas storage wells.It has the characteristics of compact structure and convenient production.The sample tube with deformation defects can also simulate the development status and danger of defects under ground stress,different levels of internal loads,and cyclic changing loads.It solved the problem of the lack of gas storage well sample tubes for simulation detection of inclined,bent,and deformed defects in gas storage wells,and laid a foundation for the development of post evaluation standards for inclined,bent,and deformed defects in gas storage wells.Key Words:Gas storage well;Sample tube;Inclination;Bending;Defects收稿日期：2022-08-18基金项目：安徽省市场监督管理局科技计划项目（2019MK029、2020MK035、2019MK030、2021MK043）作者简介：王仁涛，男，安徽省特种设备检测院，工程师，硕士史红兵，男，安徽省特种设备检测院，高级工程师张海涛，男，安徽省特种设备检测院，工程师，博士万 军，男，安徽省特种设备检测院，高级工程师0 引言CNG 地下储气井是一种埋地高压容器，埋地深度最深可达 260m，最高工作压力为 25 MPa，具有占地面积小，储气容量大，维护费用低，安全性能高等优点，在我国能源环保政策引导下，天然气储气井建造得到迅速发展，我国现有近 13000 口储气井1。储气井井筒由套管和螺纹接箍连接组成，井筒除了受储存介质交变载荷的影响，还受地应力的影响。地应力值随埋地深度增加而逐渐增大，井筒在高地应力错动作用下会产生倾斜、弯曲变形等危害缺陷。另外，早期储气井建造的固井标准和规范不完善，2008 年以前建造的储气井未强制要求采用固井水泥进行井筒加固，储气井井筒外壁直接受地层电化学、地下流体的腐蚀而产生套管腐蚀减薄、开裂变形等深部缺陷2。在这些危害缺陷的综合作用下，储气井井筒弯曲变形处会萌生裂纹进而扩展直至断裂失效。研究人员根据地下储气井井筒在倾斜、弯曲、变形等缺陷状况下安全使用状况，研发了一种地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管，样2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】管能够用于地下储气井检测中套管腐蚀减薄后出现的弯曲变形等情况的研究、信号标定、检测装置的校准和复核。1 井筒倾斜弯曲模拟样管功能需求由于受高应力及腐蚀等因素综合作用，储气井经常出现套管间的螺纹接箍连接处受高地应力作用发生井筒倾斜或变形，且由于储气井井筒中上部套管部位及井底套管部位出现了较为严重的腐蚀减薄，部分储气井套管腐蚀变形无法保证储气井安全使用应予判废。储气井井筒中上部套管发生较为严重的缺陷，主要原因是埋地处为泥土层与深度的岩石层的交接处，受不同地层介质间的电位、地下水流量、化学物质含量、地温等较复杂因素作用，易在套管的外壁形成较为严重的腐蚀减薄缺陷或变形缺陷。储气井底部的套管部位缺陷原因主要在于储气井的储存介质杂质量较大，同时储气井在使用管理中不合理而未及时排放井底部的杂质油污，导致底部套管内壁出现较为严重的腐蚀减薄缺陷或变形缺陷。我国储气井设计及制造的主要参照标准为 SY/T 6535-2002高压气地下储气井3、关于加强地下储气井安全监察工作的通知（质检办特2008637 号）4、质检总局关于地下储气井安全监察有关事项的公告（2014 年第 42 号）5、TSG 21-2016固定式压力容器安全技术监察规程6，这些标准或规定尚未对储气井井筒倾斜、弯曲、变形等缺陷加以要求说明。由于储气井埋深较大，出现倾斜弯曲变形等缺陷不易识别或检验。目前国内特种设备检验单位主要使用超声检测方法对储气井套管的壁厚单一几何尺寸参量进行检测7，并没有对储气井井筒倾斜弯曲变形进行检测，不满足储气井实际检验需要。因此，迫切需要研制一种检测方法来对储气井井筒的倾斜弯曲变形进行检测。基于上述储气井井筒倾斜弯曲检测要求，可研制一种用于模拟储气井井筒倾斜弯曲的井筒样管，进而找出适合的检测方法。研究人员研发设计了“一种地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管”（专利授权公告号：CN212646357U）8，用于地下储气井检测中套管腐蚀减薄后出现的弯曲变形等情况的研究、信号标定、检测装置的校准和复核。并结合笔者研发设计的“CNG 储气井套管检测系统及 CNG 储气井套管检测用综合探头”（专利号：ZL 201821052427.6）9，最终实现对井筒倾斜、弯曲、变形缺陷样管检测研究。2 模拟样管研制为了保障样管的适用性和代表性，模拟样管按实际储气井使用环境，分别设置了套管、螺纹接箍、井口装置（法兰）、井底装置（圆底封头）、加卸压管路、排污管路等井筒结构及固井水泥层、泥土岩石层，且井筒结构的材质、直径、壁厚等参数按实际使用工况进行选取。在井筒结构上按缺陷存在的形式及部位，分别预置了井筒倾斜缺陷、井筒弯曲缺陷、井筒变形缺陷。模拟样管主体构造设计如图 1 所示。图 1 模拟样管构造设计2.1 模拟样管缺陷形式设置2.1.1 井筒倾斜缺陷由于储气井埋深较大，储气井井筒随埋地深度增加所受的应力值亦逐渐增加，井筒所受高地应力错动作用在两节套管连接部位螺纹接箍处影响最为显著，螺纹接箍处一般为井筒受力的不连续点和应力集中点10，已有相关研究显示螺纹接箍部位出2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】现了多次减薄、疲劳等较为严重的缺陷11，但这些缺陷在高地应力的作用下的发展影响还未见相关研究或关注。笔者在安徽省内开展近 420 口储气井的检验检测中发现，部分储气井井筒已出现一定的垂直度偏差，垂直度偏差多在套管连接的螺纹接箍处形成，但限于现有检测设备检测能力限制，螺纹接箍部位的详细倾斜参数（如倾角、斜角、方位角等）无法准确获得，螺纹接箍部位引起的井筒倾斜对储气井使用安全影响还未探明。因此拟选取实际储气井螺纹接箍加工制造成预置有倾斜缺陷的螺纹接箍样管，开展详细探究试验。2.1.2 井筒弯曲缺陷笔者在安徽省内开展近 420 口储气井的检验检测中发现的储气井井筒垂直度偏差，除在套管连接的螺纹接箍处发生垂直度偏差外，还有部分垂直度偏差发生在套管自身部位，通过检测进一步发现，发生垂直度偏差的套管同时存在一定的壁厚减薄，并处于受地应力影响较大部位。笔者所在的研究团队前期对储气井的套管壁厚减薄开展了详细的研究，并证实部分储气井套管壁厚减薄达到临界点时套管强度需进行判废。储气井套管壁厚减薄对套管强度已有明确影响，若同时在减薄套管的外部存在高地应力作用，则易在套管上形成垂直度偏差，垂直度偏差在套管上表现为套管出现弯曲。对于储气井套管弯曲缺陷，尚未有相关模拟样管及弯曲缺陷的检测研究，因此拟选取实际储气井套管加工制造成预置有弯曲缺陷的样管，开展详细探究试验。2.1.3 井筒变形缺陷笔者在安徽省内开展近 420 口储气井的检验检测中发现部分储气井井筒已出现较为严重的局部腐蚀减薄，对于局部腐蚀减薄的成因相关研究11已经探明，但还未能准确检测出局部腐蚀减薄部位相应的缺陷形貌、尺寸。笔者在前期开展的检测中已发现井筒局部存在较大的圆度差，并与正常部位的检测结果形成鲜明区别，但对于这些较大的圆度差变形部位，仅检测出了局部壁厚值减薄，具体圆度差变形的成因还无法探明。对于储气井井筒变形缺陷（圆度差异常），尚未有相关模拟样管及变形缺陷的检测研究，因此拟选取实际储气井套管加工制造成预置有变形缺陷的样管，开展详细探究试验。2.2 模拟样管缺陷分布设置按地下储气井实际使用工况，选用的样管结构及相关参数如表 1 所示。接箍上部的套管记为 1#套管，接箍下部的套管记为 2#套管。为了降低非相关因素的影响，对于储气井的井口装置（法兰）、井底装置（圆底封头）、加卸压管路、排污管路等井筒结构及固井水泥层、泥土岩石层等相关部位均未预置相关缺陷，在 1#套管主要设置了弯曲缺陷及变形缺陷，在 2#套管主要设置了变形缺陷，在螺纹接箍部位设置了倾斜缺陷。具体缺陷分布方案如下。表 1 样管主要结构及参数 结构 参数 数量 套管 材质：N80；2 规格：177.8 mm10.36mm1200mm 螺纹接箍 材质：35CrMo（）；1 螺纹类型：长圆螺纹；螺纹表面磷化处理 井口装置 法兰材质：35CrMo（）1 井底装置 圆底封头材质：35CrMo（）12.2.1 井筒倾斜缺陷分布在 1#套管与 2#套管相连的螺纹接箍处分别设置了一定倾斜角度的井筒倾斜缺陷模拟组别，研究不同倾斜状况下，井筒倾斜缺陷对储气井安全使用的影响。经 1#套管的轴线做一条切线，该切线经过 1#套管的下端面的圆心，该切线与 2#套管的轴线之间形成钝角，该钝角即为井筒倾斜缺陷对应的倾斜角，数值分别取 175、170、165、160，井筒倾斜缺陷的布置如图 2 所示。图 2 井筒倾斜缺陷布置2.2.2 井筒弯曲缺陷分布参照 GB/T 19830-2017石油天然气工业 油气井套管或油管