加氣站儲氣井建設中對地下水環境的保護措施

薛紅云

(山西凱爾環保科技有限責任公司，山西 太原 030006)

在油價不斷攀升的背景下，“以氣代油”的呼聲越來越高，作為清潔能源的天然氣在汽車上的應用亦將成為趨勢。目前，隨著天然氣管網建設范圍的不斷擴大，相應的加氣站在各地的建設也在急速增加，而加氣站最主要的儲氣設施是儲氣井。儲氣井以其占地面積小，經濟性好，安全系數高，運行可靠，具有其他儲氣方式無可比擬的優越性。但由于各地地下結構的不同，儲氣井對地下水環境影響成為項目環評關注的重點。本文針對加氣站儲氣井建設對地下水環境的影響進行了分析，探討儲氣井建設中有效可靠的環境保護措施以保護地下水環境。

1 儲氣井建設的基本情況

儲氣井打井工藝源于石油、天然氣鉆井技術。建造時，先通過鉆井形成井眼，將一截套管采用螺紋連接并用耐高壓的專用密封脂密封后埋入地下，再自下(井底)而上(井口)灌注水泥砂漿，實行全井段固封，徹底隔離地層(土壤、地下水及腐蝕介質)與套管的接觸，然后安裝井口裝置和排污裝置，形成一個壓力容器。一般情況下，儲氣井的工作壓力不大于25 MPa，設計井深為100 m～500 m，公稱容積為1 m3～40 m3，標準單井儲氣量為500 m3，井筒外徑一般都在177.80 mm～273.10 mm之間。

2 施工期儲氣井建設對地下水影響分析

儲氣井施工建設期對地下水的環境影響主要是打井過程中對地下水的影響。近年來根據相關經驗，各地均改變了傳統的自上而下的固井方式，采用一種自下而上灌注水泥漿的內插管正循環固井方法建設儲氣井。

目前常用的儲氣井打井工藝可分為打井工序、容器安裝工序、固井工序、后期管件安裝工序，分述如下。

2.1 打井工序

采用鉆桿工藝進行打井，第一次開鉆至硬地層(6 m～7 m)，下表層鋼管，以保證井口的形狀，然后二次開鉆至設計井深，在此過程中不斷注入泥漿，起冷卻鉆桿和潤滑的作用。泥漿返回地面泥漿池循環使用。

2.2 容器安裝工序

在套管上安裝好底封頭及扶正器，按順序連接好套管后下入井底，在井口安裝好卡板。安裝扶正器的作用是保證套管在井中不偏離中線，保持垂直，另外，此處安裝的底封頭設有單向閥。

安裝好卡板后再安裝好試壓上封頭，將地面清水池中的清水打入下好的套管內進行試壓(27.5 MPa)自檢，試壓完成后取下試壓上封頭。

2.3 固井工序

傳統固井方法采用的是由上向下灌注水泥漿的方式進行固井，但由于井筒與基礎井壁間環空狹窄，水泥漿不易從井口通過環空到達井底，往往只能將水泥漿封固在井筒上部的局部井段，很難實現全井段固井。目前采用一種成熟的自下而上灌注水泥漿的內插管正循環專利固井方法進行固井，可以形成均勻且緊密的水泥包覆層，保證固井質量。

固井采用專用的G級固井水泥(堵塞水泥)固井后，套管外側環狀水泥層厚50 mm。

具體工藝如下:在完成容器安裝工序后，下入底封頭工具，將底封頭堵頭下至套管底部，打開底部封頭的單向閥門，通過地面固井泵將地面水泥池內的水泥經鉆桿通過套管底封頭處的單向閥處從下至上打入套管與基礎井壁間環空空隙，進行全井段固井。由于水泥漿密度高，可以封住地下水和淺層氣，并且滲入地層，確保了固井質量。當井口的水泥均勻溢出時，關閉固井泵，將地面清水池中的清水通過固井泵打灌入鉆桿中替換出其中的水泥。通過封頭工具下入底封頭堵頭，將之前打開的封頭堵住，實現二次密封。

2.4 后期管件安裝工序

最后安裝上下法蘭，進行強度試壓(37.5 MPa)，下排污管，安裝連接管件，采用空氣進行氣密性測試(25 MPa)。儲氣井剖面圖見圖1。

圖1 儲氣井剖面圖

這種固井技術將儲氣井套管的外壁與井壁之間通過高強度水泥砂漿凝固聯結成一個整體，不但能很好地隔絕地層中腐蝕介質和地下水與套管外壁的接觸，而且有效地提高了儲氣裝置的強度與剛性。經考察，采用這種固井技術的儲氣裝置，還沒有發生過套管上竄下滑的現象。另外，采用這種固井技術能夠直觀地檢查固井效果。因此，這種固井技術值得推薦與應用。

為了防止、減緩對井筒的腐蝕，還可采用在井筒外壁涂敷防腐蝕涂層，也可考慮配合犧牲陽極、陰極保護來進行綜合防護，以加強防腐蝕效果。

由于儲氣井建設采用的是自下而上灌注水泥漿的內插管正循環專利固井方法進行固井，可以形成均勻且緊密的水泥包覆層，保證固井質量，儲氣井施工過程中使用高標號水泥，高標號水泥能在短時間內凝固，很好地隔絕地層中腐蝕介質與地下水及套管外壁的接觸。且儲氣井井筒外徑一般都在177.80 mm～273.10 mm之間，打井孔徑較小，即使打井穿越含水層施工，也不會對地下水流動產生影響，因此儲氣井建設施工過程中對地下水的保護措施主要是固井工藝的選擇。

3 運營期儲氣井對地下水影響分析

運營期對地下水可能產生的影響主要是儲氣井套管腐蝕破壞導致儲氣井中天然氣及積液和腐蝕液進入地下水對地下水水質產生的影響。

近年來在高壓儲氣井的實際建設和運行過程中，各地積累了許多經驗，總結提出了壓力儲氣井在施工及運行過程中需要注意和改進的問題如下:

1)固井質量的保證。固井質量差，導致套管隨著儲氣井內部壓力的變化而在地層中上竄或下滑，也可造成套管下部腐蝕現象嚴重。從目前的應用情況來看，如果高壓儲氣井套管下部完全或部分浸泡于腐蝕介質中，其使用壽命一般在10年以內。四川某加氣站，壁厚為10.36 mm的高壓儲氣井運行僅6年就發生了裂管現象，套管因長期被腐蝕而導致最薄處的厚度僅3 mm，而套管內壁卻完好無損，沒有一點腐蝕痕跡。2)高壓儲氣井主體套管的質量要求。套管不符合相關技術要求或施工單位在施工期間不能按照設計進行加工，任意改變相關技術參數，使儲氣井主體套管質量不符合相關技術要求，造成腐蝕曝裂。3)排液管排液是否順暢。高壓儲氣井因排液管堵塞而導致儲氣井內部積液現象比較常見，因此，應加強運行管理，特別是配置有氣體壓縮機的加氣站，必須經常檢查排液管排液是否順暢，避免因積液腐蝕套管內壁而導致使用壽命縮短或其他事故的發生。4)檢測口是否滿足檢測條件。按標準要求，儲氣井必須定期進行全面的無損探傷和測厚檢測，全面檢測周期為6年，而實際上多數儲氣井并未預留檢測口或預留的檢測空間太小，不能滿足檢測要求。5)天然氣質量是否符合標準要求。天然氣中存在水、硫化氫和二氧化碳，它們形成的酸性溶液會腐蝕鋼管內壁，久而久之，便會誘發氫脆現象，影響高壓儲氣井的使用壽命。因此，應進行成分測定并作相應處理。

根據以上建設運行經驗，在儲氣井運營過程中的主要環保措施是加強防腐措施。

4 儲氣井建設對地下水保護措施

針對儲氣井施工和運營過程對地下水產生的影響，本文總結了以下地下水環境保護措施:

1)施工期固井工序采用目前比較成熟的自下而上灌注水泥漿的內插管正循環固井方法進行固井，保證固井質量。且在固井過程中采用專用的G級固井水泥(堵塞水泥)固井后，套管外側環狀水泥層厚50 mm左右，以確保對地下水的封堵效果。

2)高壓儲氣井主體套管質量應符合相關技術要求。壓力容器由相關設計單位按國家標準設計，施工單位應嚴格按照設計圖紙進行加工制造，施工期間不得任意修改各項技術參數。套管應有質量證明書、試壓報告、檢驗合格證等有效證明文件。同時在井筒外壁涂敷防腐蝕涂層，也可考慮配合犧牲陽極、陰極保護來進行綜合防護，以加強防腐蝕效果。

3)定期進行檢測。儲氣井建設預留滿足檢測的檢測口，定期進行全面的無損探傷和測厚檢測;安裝報警裝置，設專人定期對固井質量進行檢測。經常檢查排液管排液是否順暢，避免因積液腐蝕套管內壁而導致使用壽命縮短或其他事故的發生。

4)運營期加強壓縮天然氣氣質檢測。若沒有游離水進入儲氣井，即使有H2S等腐蝕介質存在，也不會發生井筒內壁腐蝕。因此，控制游離水含量是防止內壁腐蝕的關鍵。壓縮天然氣加氣站雖然都安裝有脫水裝置，但由于受到氣源含水量變化以及沒有嚴格按照操作規程進行脫水裝置的再生，沒有及時更換被污染的分子篩等因素的影響，游離水可能脫不凈，因此，在脫水裝置出口處安裝微量水分析對天然氣的水分含量進行實時監控很有必要，此外要及時更換被污染的分子篩。

5)當儲氣井套管發生腐蝕破壞和固井質量問題時，立即切斷壓縮機與儲氣井間的充氣閥，將發生腐蝕破壞或固井問題的儲氣井內天然氣及時轉輸到另外的儲氣井中，防止天然氣繼續泄漏，并按照應急預案進行事故處理。

6)當儲氣井達到使用年限時應及時報廢。儲氣井套管使用年限為15年，使用年限到期應及時報廢，并對井內積液進行及時處置，防止泄露污染地下水。

5 結語

加氣站儲氣井以其占地面積小，經濟性好，安全系數高，運行可靠等優勢在加氣站建設中被廣泛運用。如采取合理的固井工藝，加強施工管理，加強運管檢測管理，采取有效的套管防腐措施，在儲氣井的施工和運營過程中，儲氣井建設對地下水產生的影響可降到最低。

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