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加气站地下储气井应力分析与现场试验

2013-10-20段志祥张烟生

天然气工业 2013年4期
关键词:井管外壁内压

段志祥 石 坤 傅 伟 张烟生

1.中国特种设备检测研究院 2.重庆市特种设备检测研究院 3.大连理工大学

储气井由于具有占地少、相对安全、成本较低等优势,目前已经成为天然气汽车加气站的首选储气设备,并逐步进入调峰站、企业储气库、城镇储配站等领域[1]。储气井与地上普通压力容器的区别主要表现为:①位于地下;②井筒与井眼间的环空填充固井水泥;③结构采用螺纹连接。然而,长期以来关于固井水泥对储气井影响的研究甚少,相关的试验研究几乎是空白。以下通过应力分析,研究固井水泥环对储气井井筒的作用力,并建造试验储气井,测试地下储气井井筒的实际应力。

1 井筒与水泥环组合的应力分析

1.1 界面压力分析

根据弹性力学基本原理[2],在井筒居中的条件下,井筒与水泥环的力学问题属于轴对称平面应变问题[3],为了简化该力学模型作如下基本假设:①井眼为垂直井眼,且为规则圆形;②井筒为理想圆筒(忽略接箍尺寸差异)且理想居中,在固井过程中水泥浆完全充满环形空间;③地层为各向同性、均匀连续的线弹性材料,水平方向的应力沿周向均匀分布;④水泥环材料为均质、连续、各向同性的线弹性材料;⑤水泥环与井筒、井壁完全接触。图1为储气井井筒、水泥环及地层的应力分析图。

图1 储气井井筒、水泥环及地层的应力分析图

由弹性力学厚壁圆筒理论可知,内压力和外压力作用下的弹性厚壁圆筒应力可以表示为:

式中σr为径向应力,MPa;σθ为环向应力,MPa;σz为轴向应力,MPa;a为内半径,mm;b为外半径,mm;r为半径,mm;qa为内压力,MPa;qb为外压力,MPa;μ为泊松比。

平面应变条件下的径向位移表示为:式中ur为径向位移,μm;E为弹性模量,GPa。

由变形协调(即井筒外壁位移等于水泥环内壁位移,水泥环外壁位移与岩土圈内壁位移相等)可得:

其中

因为当前的储气井均在浅地层,忽略地应力的影响,分析得到的结果更具保守性。故令pe为0,可得:

偏保守考虑,忽略地层的作用,则p2的表达式可以表示为:

式中p1为井筒内压,MPa;p2为井筒与水泥环界面接触压力,MPa;p3为水泥环与井壁界面接触压力,MPa;p4为地层岩土圈外边界压力,MPa;pe为径向原始应力,MPa;r1为井筒内半径,mm;r2为井筒外半径,mm;r3为井眼半径,mm;re为地层岩土圈半径,mm;E1为井筒弹性模量,GPa;μ1为井筒泊松比;E2为水泥环弹性模量,GPa;μ2为水泥环泊松比;E3为地层弹性模量,GPa;μ3为地层泊松比。

1.2 界面压力及环向应力计算

当前储气井主要有2种规格:177.80mm和244.48mm,具体参数见表1。参照 GB 50010—2010[4],水泥环按C15混凝土取弹性模量为22GPa,泊松比为0.2。将相关参数代入上述公式,计算p2和井筒外壁环向应力(表1)。由表1可见,水泥环对井筒具有加强作用,能够使井筒环向应力降低约18%。

表1 参数计算结果表

2 测试试验

目前使用的储气井中,规格为244.48mm×11.05mm的较多,深度一般在70m左右。试验储气井规格确定为244.48mm×11.05mm×71m,位于重庆市空港工业园。井筒外壁环向应力理论计算结果见表1(244.48mm规格)。

2.1 贴应变片

由于储气井井筒位于地下,贴应变片工作必须在井管组装和入井之前完成。

2.1.1 布片位置

试验井井筒由7根井管组成,每根井管长约10 m。应变片布置在每根井管中部的外壁,从井底往上,应变测试点编号依次为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号。考虑到井管下放和固井操作对应变片可能造成损坏,分别在1~7号应变测试点周向相隔90°的部位布置对应备用应变片。由于应变片要与固井水泥接触,因此采用规格为 WFLA-3-11-5L的防水应变片。

2.1.2 贴片操作

1)为了使应变片与井管表面能贴合紧密,首先对井管的表面进行处理。先用砂纸打磨金属表面,再用酒精进行清洗,最后用干棉花擦拭干净。

2)用划针分别沿轴向和环向在贴片区域划线,标出贴片的位置,以保证贴片位置和方向的准确性。

3)在贴应变片前,应用万用表对所有应变片逐一进行电阻值测试,将电阻值不符合要求的应变片剔除,以保证应变片电阻值的一致性和试验数据的可靠性。

4)用应变片专用胶将应变片按布片方案贴在试件上,为保证与应变片相连的测试导线与试件具有良好的绝缘性,在应变片自身引出线与相连导线连接处用绝缘胶带缠好,并用专用胶固定在井管上,以保证绝缘,并防止应变片导线被拉断。

5)将导线与应变片自身引出线焊接后,用万用表测试所有应变片的电阻值及线路与试件间的绝缘电阻值,确保符合测试要求。测试合格后,用专用胶将应变片覆盖起来,以防止由于潮湿、碰擦以及固井等造成应变片失效。

2.2 井管组装

将井管与接箍用液压大钳拧紧后下入井底。井管组装时,将应变片连接导线沿井管与井眼间的环空引出地面。井管入井时,需谨防应变片碰伤、划伤。

2.3 应力测量

2.3.1 测试时间与状态

1)当井管组装入井、进行固井前,即储气井筒处于自由状态时,对储气井进行水压试验。

2)储气井固井结束7d后,即储气井固井水泥凝固后,对储气井进行水压试验。

2.3.2 测试

应变测量采用TDS303型静态应变仪,应变测量结果由计算机采集。对上述水压试验采用试压泵对储气井逐级施加压力,直到水压试验压力达到37.5 MPa。在每个压力等级下保压一段时间,同时测试各点应变值。图2为固井后应变测试的井口照片。

为了分析固井水泥对应变测试结果的影响,在固井结束6d后,采用固井检测仪器(CBL方法)对储气井进行了固井质量检测。经检测,1号、2号、3号、5号应变测试点位置所在区域的固井质量较好,即水泥包裹良好。

对于主应力方向已知的平面内应力状态可使用ε0、ε90的二向应变直接换算主应力,计算公式为:

图2 固井后应变测试的现场照片

式中μ为井筒材料泊松比,取值为0.3;E为井筒弹性模量,取值为0.21×103GPa;ε为应变,10-6;σ为应力,MPa。

采用式(9)、(10),将应变换算成应力,井筒环向应力测试结果如表2所示。

表2 井筒环向应力测试结果表

2.3.3 结果分析

因为储气井管本身壁厚存在不均匀性,所以相同规格的井管在不同位置测试得出的应力值有差别。计算固井之后储气井筒的环向应力相比固井前应力的差值(用百分比表示,如表2),由表2可见,不同位置的差率不同,说明固井质量不同,固井对井管的影响也存在差异。但固井后的井筒应力均小于固井前的应力。说明固井对储气井井筒存在加强作用,使井筒外壁环向应力减小了16%。水泥环对井筒的加强效果,试验结果与理论分析(表1)基本一致。由于理论分析未考虑水泥环的材料非线性,且实际固井水泥不能达到理想效果,所以理论得出的水泥环加强效果比试验结果偏高。

根据表2的数据,绘制环向应力降低率随内压变化的关系图(图3)。由图3可见,除1号应变测试点外,其他各应变测试点井筒外壁环向应力降低率均随内压的增加而加大,也就是说,水泥环对井筒的增强效果随着井筒内压的增加而逐渐明显。这是因为在压力逐渐升高时,内压的作用力使水泥环和井筒及地层的结合更紧密,地层和水泥环承担的载荷逐渐增加,井筒应力更多地传递到水泥环和地层,从而使井筒应力更明显降低。

图3 环向应力降低率随内压变化的关系图

3 结束语

通过理论分析得知固井水泥环对储气井存在较强的加强作用。建造了储气井试验井,进行了固井质量检测,对地下储气井实施了应力测试,结果表明,固井后的井筒环向应力小于固井前的井筒环向应力,固井后环向应力较固井前降低了16%。随着井筒内压的增加,固井水泥环对井筒的加强作用日益明显。

[1]李邦宪,陈祖志,石坤,等.储气井监督检验[M].北京:化学工业出版社,2011.LI Bangxian,CHEN Zuzhi,SHI Kun,et al.Supervision inspection of gas storagy well[M].Beijing:Chemical Industry Press,2011.

[2]徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,1992.XU Zhilun.Elasticity[M].Beijing:Higher Education Press,1992.

[3]万曦超.油气井固井水泥环力学研究[D].成都:西南石油大学,2006.WAN Xichao.Research on the cement sheath mechanics of oil and gas well[D].Chengdu:Southwest Petroleum University,2006.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.Ministry of Housing and Urban-Rural Development.GB 50010-2010Code for design of concrete structures[S].Beijing:China Building Industry Press,2011.

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