地下储气井应力测试与疲劳试验研究*

傅 伟 傅小立 段志祥 蒲 晒 陈 杰 石 坤 张烟生

(1.重庆市特种设备检测研究院；2.中国特种设备检测研究院；3.大连理工大学)

由于储气井相对于其他的储气方式来说具有占地小、相对安全及成本较低等优势，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、企业储气库及城镇储配站等领域[1]。在全国各地已建成的储气井总数量超过7 000口，并正以每年约1 000口的数量快速增加。许多学者也致力于开发分布式监控系统，确保其安全性[2]。储气井相对普通地面压力容器的区别主要表现在3个方面：位于地下；井筒与井眼间的环空填充固井水泥，形成水泥环；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空白。储气井承受的是交变载荷，但关于储气井的疲劳试验研究也只限于地上的模拟试验，地下实物储气井的疲劳试验鲜有报道。笔者通过建造试验储气井，测试地下储气井井筒的实际应力；施加循环压力，对储气井的抗疲劳性能进行试验测试。

1 应力测试

试验储气井位于重庆市空港工业园，规格为φ177.8mm×10.36mm，结构示意图如图1所示。

图1 试验井结构示意图

1.1 应变片

用贴应变片的方法对该储气井进行应力测试，贴应变片在井管组装和入井之前完成。由于井筒由两根井管组成，每根井管长约11m，因此，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#、2#。考虑到井管下放和固井操作对应变片可能造成损坏，在1#、2#测试点的周向相隔90°的部位各布置备用应变片1′#、2′#，应变片布置示意图如图2所示。由于应变片要与固井水泥浆接触，本研究采用防水应变片，规格为WFLA-3-11-5L。

图2 应变片布置示意图

贴应变片时需按照以下步骤进行：

a.井管表面处理，先用砂纸打磨金属表面，再用酒精进行清洗，最后用干棉花擦洗干净；

b.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；

c.在贴应变片前，应用万用表对所有应变片逐一检查，将电阻值不符合要求的应变片剔除，以保证其阻值的一致性和试验数据的可靠性；

d.用应变片专用胶将应变片按布片方案贴在试件上，应变片自身引出线与测试导线用锡焊连接后用绝缘胶带缠好，并用专用胶固定在井壁上，以保证绝缘，防止应变片导线被拉断；

e.用万用表测试所有应变片与测试导线的电阻值，测试应变片与试件间的绝缘电阻，确保均符合测试要求，全部合格后，用专用胶将应变片覆盖起来，以防止由于潮湿、碰擦或固井等造成应变片失效。

1.2 井管组装

由施工单位将井管与接箍通过液压大钳拧紧后下入井底。井管组装时，将与应变片连接的测试导线顺着井管沿井管与井眼间的环空引出地面。井管入井时，需防止应变片和测试导线碰伤、划伤。

1.3 试验测试

井管组装入井后、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，测试应变1；井管组装完成、固井结束6天后，即储气井固井水泥凝固后，对储气井进行水压试验，测试应变2。

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记录。对上述两种状态进行测试时，采用试压泵对储气井逐级施压，直到水压试验压力(37.5MPa)。在每个压力等级下保压一段时间，同时测试各点应变值。

为了分析固井水泥对应变测试结果的影响，在固井结束5天后，采用固井检测仪器(CBL方法)对储气井进行固井质量检测。经检测，1#应变片所在区域的固井质量较好，即水泥包裹良好，笔者主要针对该处的应变测试结果进行了分析。

1.4 结果分析

1.4.1应力换算

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[3]：

式中E——井筒弹性模量，GPa；

ε——应变，取10-6；

μ——井筒泊松比；

σ——应力，MPa。

采用上式将应变换算成应力，井筒应力随内压的变化如图3所示。

由图3a可见，固井后的井筒轴向应力明显小于固井前的轴向应力，说明固井对储气井起到了加强作用，最大轴向应力减小42%。由图3b可见，固井后的井筒环向应力小于固井前的环向应力，最大环向应力减小11%。轴向应力减小量比环向应力显著。

图3 井筒应力随内压的变化

1.4.2轴向变形分析

应变测试结果显示，在工作压力25MPa下，固井前1#处轴向应变为2.13×10-4，固井后1#处轴向应变为3.3×10-5，固井前约为固井后的6.5倍。说明固井后轴向变形大为降低。该储气井深度为23m，按照1#处应变估算，轴向变形为3.3×10-5×23×103=0.75mm。假如储气井深为100m，则估算变形为2.3mm。而实际上，当井深增加时，加上接箍尺寸的突变，其轴向约束作用将增加，深处的井管变形量还将降低。所以固井质量较好时，储气井轴向变形很小，不会导致井筒上冒。

1.4.3固井对储气井失效的影响

从储气井的特点可知，储气井周向有地层约束，如果失效，能量可被大地吸收，不易造成事故。而如果轴向失效，井筒将会冲出地面，对地面人员和设备造成严重损伤，2005年宜宾储气井事故也印证了这一点[1]。所以防止储气井发生事故，首先要防止储气井发生轴向失效。

从试验研究结果来看，储气井经有效固井之后，井筒轴向应力降低，说明固井可以降低储气井轴向失效的可能性。因为有效固井后，在同样的壁厚下，储气井能承受更大的压力载荷。

2 疲劳试验

2.1 试验准备

经计算，试验井容积约400L，接近疲劳试验机的极限能力。为保证试验顺利进行，且不影响试验效果，往井里填充金属钢棒，填充后剩余容积约300L。试验设备和条件如下：

试压泵型号 V30D-95

疲劳装置编号 GJPJ-001

压力表量程 100MPa

传感器量程 100MPa

试验介质 L-HM46耐磨液压油

试验时介质最高温度 43.2℃

疲劳试验在储气井固井和耐压试验结束后进行。疲劳试验前采用空气压缩机将井内的水全部排出，再填充钢棒，然后往井里灌注耐磨液压油。由于井内介质相对复杂，为保护疲劳试验机，在疲劳试验机出口管线上安装过滤器(型号ZU-H63X20LS)，防止井筒内液体回流至疲劳试验机。

2.2 试验实施

参照标准文献[4，5]，按如下试验参数进行试验：

压力循环上限 25.0MPa

压力循环下限 2.0MPa

上限压力下保压时间 1.0s

下限压力下保压时间 1.0s

降压时间 约4.0s

升压时间 约4.0s

循环速率 约每分钟6次

循环次数 30 000次

储气井设计疲劳循环次数为25 000次，本次试验循环次数取30 000次。试验过程中，定期检查井口部位及其连接管道是否有泄漏。

2.3 稳压试验

由于储气井大部分结构位于地下，若地下部分发生渗漏或泄漏，不易被发现。为此，疲劳循环结束后，对储气井进行了两次稳压试验，以考察储气井是否存在泄漏点。第一次试验压力为36MPa，试验从当天18:13开始，21:42结束，历经209min，未见有压降。第二次试验压力为25MPa，试验从当晚21:50开始，次日10:18结束，历经

748min，未见有压降。

2.4试验结果

对储气井进行常温压力循环试验，循环加压至30 000次，经地面巡查和稳压检测储气井无压降，未发生疲劳失效。

3 结论

3.1通过地下井筒外壁应力测试得出，固井后的井筒应力小于固井前的应力，固井后最大轴向应力较固井前降低42%，环向应力降低11%。固井质量对井筒应力的影响远高于预期值。

3.2固井后储气井的轴向变形较小，通过有效固井，能大大减少储气井发生轴向失效，即井筒飞出地面的可能性。

3.3经过疲劳试验，试验井通过了30 000次压力循环，未发生疲劳失效。

3.4试验验证了地下储气井的安全性和可靠性，对储气井安全技术规范、建造和检验标准的制订及使用寿命的确定有重要的参考价值。

[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.

[2] 张学军.大型工业天然气压缩机站分布式监控系统[M].化工自动化及仪表，2010，37(1)：105～108.

[3] 聂毓琴，孟广伟.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] GB/T 9252-2001，气瓶疲劳试验方法[S].北京：中国标准出版社，2001.

[5] GB 17258-1998，汽车用压缩天然气钢瓶[S].北京：中国标准出版社，1998.