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 油气井套管或油管用钢管12，考虑样管实际加工的难易程度，将井筒的弯曲缺陷设置为 1#套管整体弯曲状，弯曲缺陷参照相关规定值，分别将 1#套管弯曲度（值：最大弦高 H/套管全长 L100%）2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】设为 0.5%、1%、2%，即 1#套管的最大弦高分别6mm、12mm、24mm，井筒弯曲缺陷的布置如图3所示。图 3 井筒弯曲缺陷布置2.2.3 井筒变形缺陷分布参照实际检测中已确定的存在较大圆度差部位且伴有局部减薄的特征缺陷及缺陷分布状况，将井筒变形缺陷分别设置在1#套管及2#套管相应部位。具体变形缺陷设置为，1#套管中部套管壁厚局部减薄并形成凹陷变形，凹陷处壁厚度为 6.5 mm，形状为椭圆形，面积为 2826 mm2，该凹陷部位对应的样管内侧表面积为 3550 mm2，该处缺陷记为 A 变形缺陷。在 2#套管底部与井底装置相连接的部位，设置一处变形缺陷，该处套管壁厚局部减薄并形成凹陷变形，凹陷处壁厚度为 6.5mm，形状为椭圆形，面积为 2826mm2，该凹陷部位对应的样管内侧表面积为 3550mm2，该处缺陷记为 B 变形缺陷。井筒变形缺陷的布置如图 4 所示。图 4 井筒变形缺陷布置3 加载试验方案及检测设置3.1 模拟样管加载试验方案为了更好地模拟实际井筒缺陷的检测及缺陷在使用环境下的安全影响，在加工制作的储气井模拟井筒外，用固井水泥环包裹地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管形成固井水泥层，固井水泥环外由泥土岩石层包裹，泥土岩石层外侧由圆筒形模具包覆。具体实现方式为组装的井筒筒身放入中空的泥土岩石圆筒形模具内，保持竖直放置，浇灌用于储气井固井的同牌号同密度的固井水泥形成固井水泥层，水泥注满泥土岩石圆筒形模具的中空部位，待固井水泥硬化后，实现整体储气井环境模拟。这样最大限度模拟储气井井筒在实际使用相关环境对缺陷检测（检出率、检测精度等）的影响，并检测现存缺陷在后续模拟工作环境下的发展趋势及规律。参照 SH/T 3216-2020储气井工程技术规范13及 GB/T 9252-2017气瓶疲劳压力循环试验方法，对储气井井筒进行密封安装后，通过加卸压管路对储气井进行疲劳压力循环试验，考虑试验的安全性及可操作性，选用高压液压油作为加压介质，对储气井井筒进行加卸压循环试验，疲劳试验装备压力循环上限为 50MPa，工作温度为-50 70。开展试验时温度为常温，储气井井筒加载压力上限为 25MPa，压力下限为 5MPa，循环频率为每分钟 5 次，升压时间 3 秒，上限压力保压时间5秒，降压时间2秒，下限压力保压时间2秒。3.2 模拟样管检测设置为充分验证所制作的储气井模拟样管的适用性及价值，首先对组装完成后的储气井井筒进行气密性试验，在气密性试验测试合格后，记录井筒倾斜缺陷（倾斜钝角 175、170、165、160）的倾角、斜角、方位角、垂直度偏差等原始数据；记录井筒弯曲缺陷（弯曲度 0.5%、1%、2%）的弯曲度、圆度差、垂直度偏差等原始数据；记录井筒变形缺陷（A 变形缺陷、B 变形缺陷）圆度差、弯曲变形处表面积等原始数据。并保留好上述原始记录数据（1），作为后续验证和比照。将用于检测储气井缺陷的检测装置启动，检测储气井井筒倾斜弯曲模拟样管，得到的相关缺陷检测数据记为检测数据（2），将检测数据（2）与原始记录数据（1）进行比较，完成对井筒倾斜弯曲检测装置的校准和复核。再对储气井井筒倾斜弯曲模拟样管施加预定的循环载荷，循环载荷施加完成后，打开样管法兰上封头进行样管检测，记录得到的检测数据（3），将检测数据（3）与原始记录数据（1）进行比较，研究样管缺陷的发展趋势和规律，及新生的其他缺陷。为便于验证相关缺陷在疲劳压力循环试验中缺陷扩展后的检测数据测量，在相关缺陷部位分别设置了应变片贴片。贴片时机选在样管组装完成后尚未放入泥土岩石模具前，进行样管外壁特定位置的贴片，应变片贴片位置：设置应变测量点第一组，2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】位于井筒倾斜缺陷所在井筒部位的外壁圆周，间隔 90均匀布置 4 处；设置应变测量点第二组，位于井筒弯曲缺陷所在井筒部位的外壁圆周，间隔 90均匀布置 8 处；设置应变测量点第三组，位于井筒变形缺陷所在井筒部位的外壁圆周，间隔90均匀布置 4 处；考虑应变片与固井水泥接触，采用防水型应变片 WFLA-3-11-5L。对相关缺陷部位变形量变化的检测数据记为检测数据（4），将检测数据（4）与检测数据（3）进行比较，可以较准确分析加载状况下相关缺陷的发展趋势和影响。与通过井筒倾斜弯曲检测装置检测所得的变形量进行比较拟合，准确校订和验证检测装置检测所得的变形数据的准确性。4 模拟样管研制讨论4.1 模拟样管设计制作补充为研发地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管，笔者前期利用相关有限元软件通过建立储气井井筒倾斜弯曲数值模拟疲实验的方式，对相关缺陷的设计进行了一定的探索，通过开展系列数值模拟实验确定了缺陷的尺寸序列，并在这些实验中对各类缺陷单处存在（单节套管单个缺陷）及多处存在（组装后井筒同时存在多个缺陷）情形进行了探索研究，实验得出缺陷单处存在与缺陷多处存在，缺陷间的相互影响效应极小，因此在最终进行地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管研制时，将全部缺陷同时布置在储气井井筒上，并在相同试验条件下同时开展相关试验研究，降低样管制造成本，提高试验开展效率。开展数值模拟疲实验也得出储气井受地应力作用的尺寸效应较为显著，因此在研发样管时将储气井受地应力影响的地层区域等效为具有一定尺寸的中空状泥土岩石圆筒形模具，在满足试验需求的同时，最大程度降低模拟储气井样管的制造难度。4.2 模拟样管的验证及标定为实现对研发的地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管的检测及验证，笔者研发设计了“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，利用同时载有超声波和光学信号的 CNG 储气井套管检测用综合探头，实现对同一套管探测获得的声学图像与光学图像，将两种图像信息进行对比，准确采集井筒受损信息。通过开展系列研究试验，实现对地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管的检测，并验证地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管的信号标定作用，及对检测装置的校准和复核作用。5 结论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，研究人员自行研发了“一种地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管”。为了探究井筒倾斜、弯曲、变形等缺陷的影响，研究人员进行了详细的缺陷设计及布置，并设计了充分的模拟使用环境及检测方案。得到的初步结论如下：1）研制的 CNG 地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管，设计布置了井筒倾斜、井筒弯曲、井筒变形等缺陷的尺寸及分布位置；2）设置的样管包含了储气井井筒各结构部件、固井水泥层、泥土岩石层，并对样管进行加载试验，充分模拟实际使用环境；3）实现对 CNG 地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管缺陷信号标定，及对检测装置的校准和复核；4）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。参考文献1 程江辉,夏智,史红兵,谢赛南,王仁涛,罗龙清.储气井检测综合试验平台的研发 J.无损检测,2018,40(10):77-78.2 岑康,廖柯熹,李强,李薇.压缩天然气加气站地下储气井的腐蚀与防护 J.腐蚀与防护,2010,31(07):552-555.3 高压地下储气井:SY/T6535-2002S.4 原国家质量监督检验检疫总局.质检总局关于加强地下储气井安全监察工作的通知（质检办特2008637 号）Z.5 原国家质量监督检验检疫总局.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）Z.6 固定压力容器安全技术监察规程：TSG21-2016S.7 罗龙清,夏智,史红兵,程江辉.地下储气井超声检测系统设计 J.无损检测,2019,41(01):69-72.8王仁涛,史红兵,夏智,程江辉,何美清,吴正斌,谭啸.一种地下储气井井筒倾斜弯曲模拟样管P.安徽省:CN212646357U,2021-03-02.9王仁涛,史红兵,夏智,程江辉,谢赛南,罗龙清,洪勇.CNG 储气井套管检测系统及 CNG 储气井套管检测用综合探头 P.安徽省:CN208621565U,2019-03-19.下转（第61页）2023 年第 3 期（总第 9 期）【工作探讨】5 结论文中研制的动态扭矩测量仪依照 JJF 1610-2017电动、气动扭矩扳子校准规范相关要求进行设计，该动态扭矩测量仪较好地解决了扭矩仪采样频率不高和测量精度低的难题，其配备的动态扭矩测量仪可高速采集扭矩信号，将有效提高工作效率，为电动扭矩扳子的高精度测量提供有效的技术支撑。参考文献1 义婷.电动扭矩扳子检定装置研究 J.计量与测试技术.2018,(7):98-100.2 严飞,高少云,明家辉,刘成君.智能化便携式电动扭矩扳手的组成及研制J.中文科技期刊数据库（引文版）工程技术.2021,(7):113-113.3 冯天宇.电动扭矩扳子检测方法与数据处理 J.品牌与标准化.2019,(1):37-39,42.4 易军.电动、气动扭矩扳子示值误差校准不确定度评定J.电子产品可靠性与环境试验.2020,(6):72-74.5JJF 1610-2017 电动、气动扭矩扳子校准规范 S.6JJG 797-2013 扭矩扳子检定仪检定规程 S.上接（第53页）实施民宿服务认证奠定了基础。文中构建的民宿服务质量评价指标是否有全国适用性，仍需在实践中进一步检验。后续若有机会，将在其它区域的民宿服务质量评价和民宿服务认证工作中加以运用，以获取更多评价样本，不断完善该评价指标体系。参考文献1 文化和旅游部.关于实施旅游服务质量提升计划的指 导 意 见 EB/OL.http:/ 国家认监委.服务认证体验周-宣传片 EB/OL.https:/ 全国旅游标准化技术委员会.全国甲级、乙级旅游民宿评定结果公示 EB/OL.https:/ 湖州市市场监督管理局.德清将在全国率先启动乡村民宿服务认证 EB/OL.http:/ 赵伟.彭州市开展民宿服务认证 EB/OL 深圳市市场监督管理局.DB4403/T212019民宿服务规范EB/OL.http:/ 赵军凯,王磊,滑帅,曹旭.瓦斯浓度对瓦斯爆炸影响的数值模拟研究J.矿业安全与环保,2012,39(4):1-4+92.8 罗振敏,苏彬,程方明,张娟.基于 FLACS 的煤矿巷道截面突变对瓦斯爆炸的影响数值模拟J.煤矿安全,2018,49(1):183-186.9 王世茂,杜扬,张少波,张培理.顶部开口条件下油罐油气爆炸数值模拟 J.后勤工程学院学报,2015,31(4):51-56.10 王志强.立式储油罐油气爆炸数值模拟研究 J.油气田地面工程,2022,41(1):43-47.上接（第42页）10 段志祥,石坤,李邦宪,陈祖志,刘东学,马源.储气井疲劳试验和爆破试验研究 J.中国特种设备安全,2014,30(10):15-18.11 陈祖志,石坤,李邦宪,韩红伟,崔高宇,陈耀华,李文波.储气井损伤模式 J.化工设备与管道,2013,50(01):20-24.12 石油天然气工业 油气井套管或油管用钢管:GB/T 19830-2017.S.13 储气井工程技术规范:SH/T 3216-2020S.上接（第30页）