地下天然氣儲(chǔ)氣井的現(xiàn)狀與前景

石 坤 段志祥 陳祖志 劉再斌

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

地下天然氣儲(chǔ)氣井的現(xiàn)狀與前景

石 坤 段志祥 陳祖志 劉再斌

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

儲(chǔ)氣井是一種壓力容器，也是地下壓力容器的典型代表。由于開(kāi)發(fā)儲(chǔ)氣井的理念來(lái)源于油氣井，因此儲(chǔ)氣井具有常規(guī)壓力容器所不具備的特性并存在很多先天不足。文章針對(duì)儲(chǔ)氣井的現(xiàn)狀，剖析了儲(chǔ)氣井在材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)檢測(cè)等各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，并對(duì)儲(chǔ)氣井的健康發(fā)展提出了改進(jìn)建議。

儲(chǔ)氣井特性 安全隱患問(wèn)題 現(xiàn)狀 改進(jìn)建議

天然氣汽車以天然氣替代汽油作為汽車燃料，可大大減少有害物質(zhì)和溫室氣體的排放，對(duì)城市環(huán)境的改善有顯著作用。天然氣汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，也推動(dòng)了CNG加氣站的大量建設(shè)。近幾年來(lái)，全國(guó)每年新建的加氣站均達(dá)數(shù)百座。

儲(chǔ)氣設(shè)備是汽車加氣站的重要設(shè)施，常用的有三類，分別是儲(chǔ)氣瓶、儲(chǔ)氣罐和地下儲(chǔ)氣井。與儲(chǔ)氣井相比，儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)氣罐的制造工藝非常成熟，因此早期應(yīng)用的比較多。而儲(chǔ)氣井是在上世紀(jì)90年代初才被提出，相對(duì)于儲(chǔ)氣瓶和儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣井具有占地面積小、安全間距短、失效范圍小、無(wú)靜電、后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低等突出優(yōu)勢(shì)，因此一經(jīng)推廣，立刻引起了廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展，目前儲(chǔ)氣井已成為新建汽車加氣站的首選儲(chǔ)氣設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)各地制造的儲(chǔ)氣井?dāng)?shù)量已超過(guò)8000臺(tái)。

1 儲(chǔ)氣井的特點(diǎn)

儲(chǔ)氣井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由井筒、井口裝置、井底裝置、排污管、固井水泥環(huán)、表層套管、扶正器等組成。井筒是由多根無(wú)縫鋼管通過(guò)接箍依靠螺紋連接的管串，井口裝置上設(shè)計(jì)有進(jìn)出氣管和排污管，與采油樹(shù)有些相似，而井底裝置有不開(kāi)口和開(kāi)口之分，這主要與固井工藝有關(guān)，不開(kāi)口的井底封頭類似于管帽，而開(kāi)口的井底封頭要復(fù)雜很多，其中裝有單向閥。目前，所有在用儲(chǔ)氣井的深度都在40～300m之間。井筒鋼管有兩種規(guī)格，分別為DO177.8×10.36mm和DO244.5×11.99mm。

儲(chǔ)氣井的顯著特點(diǎn)如下：

1）在特征方面。儲(chǔ)氣井具有油氣井、容器、管道和氣瓶的綜合特點(diǎn)。其制造技術(shù)來(lái)源于油氣井，而從壓力、容積和介質(zhì)判斷又屬于壓力容器。其結(jié)構(gòu)屬于管式結(jié)構(gòu)，而其反復(fù)充放氣的特征又決定了具有氣瓶的特點(diǎn)。

2）在材料方面。無(wú)論是金屬材料、水泥材料，還是密封材料，都來(lái)自于油氣井，而非壓力容器用材。

就井筒而言，儲(chǔ)氣井一直都在使用石油套管，而石油套管是油田中作為采油、采氣的通道，具有一定的抗內(nèi)壓和抗擠壓的能力，但它不是作為壓力容器用材設(shè)計(jì)用材。

3）在設(shè)計(jì)方面。因?yàn)閮?chǔ)氣井選用的是標(biāo)準(zhǔn)管，其規(guī)格和結(jié)構(gòu)形式都已固定，按鋼級(jí)選定即可。加之以往設(shè)計(jì)還存在一些缺陷和漏洞，因此可以說(shuō)，儲(chǔ)氣井還沒(méi)有真正意義上的設(shè)計(jì)，更不要提諸如防腐、抗疲勞等設(shè)計(jì)要求了。

4）在制造技術(shù)方面。儲(chǔ)氣井來(lái)源于油氣井，無(wú)論是鉆井工藝、組裝工藝還是固井工藝，幾乎都是沿用油氣井的技術(shù)。

5）在連接方式方面。無(wú)論是鋼管之間，還是井筒與井口裝置及井底裝置之間采用的都是螺紋連接。螺紋連接雖然簡(jiǎn)單易行，但致密性要較焊接差很多。表1給出了兩種連接方式的對(duì)比。

表1 螺紋連接與焊接的對(duì)比

6）在結(jié)構(gòu)方面。儲(chǔ)氣井的井管為無(wú)縫鋼管又無(wú)需焊接，因此殘余應(yīng)力較小，但由于采用接箍連接，因而會(huì)造成較大的裝備應(yīng)力，可在接箍連接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。同時(shí)，儲(chǔ)氣井屬于薄壁壓力容器，可視為只承受局部拉應(yīng)力。此外，由于裸眼井井身的原因會(huì)使井筒產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

7）在外部環(huán)境和腐蝕方面。儲(chǔ)氣井顯著區(qū)別于常規(guī)壓力容器。常規(guī)壓力容器基本上都是安裝在地面以上，所處的外部環(huán)境為大氣。一般而言，大氣因其組分含量不同而有不同的腐蝕性，但總體而言腐蝕性較弱，其腐蝕主要來(lái)自于內(nèi)部介質(zhì)。而儲(chǔ)氣井身處地下，外部環(huán)境為淺表地層。地層中有土壤、沙石、各類化合物和細(xì)菌以及暗河，會(huì)對(duì)儲(chǔ)氣井造成較重的外部腐蝕，幾千臺(tái)儲(chǔ)氣井的檢測(cè)實(shí)踐已證明了這點(diǎn)。此外，雖然設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮大氣溫度對(duì)儲(chǔ)氣井井筒金屬溫度的影響，回避了“最低設(shè)計(jì)金屬溫度不得高于歷年來(lái)月平均最低氣溫的最低值”的要求，但經(jīng)實(shí)際檢測(cè)其運(yùn)行溫度都不低于-9℃，在“增溫帶”內(nèi)存還在2～7℃/100m的溫度梯度，因此可以認(rèn)為在300m深范圍內(nèi)儲(chǔ)氣井處于常溫狀態(tài)。

8）在防腐方面。儲(chǔ)氣井與常規(guī)壓力容器又有很大不同。一般容器會(huì)采用涂層、防腐層來(lái)抵御外部腐蝕，而采用堆焊層、襯里、噴涂或復(fù)合材料的方式防止內(nèi)部腐蝕。而儲(chǔ)氣井主要遭受外部腐蝕，防腐的方式也是借用的油氣井技術(shù)-水泥固井，表2給出了二者不同。

表2 儲(chǔ)氣井與常規(guī)壓力容器在防腐方面的不同

9）在質(zhì)量控制方面。因儲(chǔ)氣井安裝在地下，鋼管和其它裝置等都需強(qiáng)力組裝，環(huán)空需水泥固井，因此對(duì)一次性制造質(zhì)量要求高，不易修理、維護(hù)。

圖1 儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意圖

2 儲(chǔ)氣井的現(xiàn)狀

2.1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方面

1）《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《固容規(guī)》）、GB 150和JB 4732是我國(guó)對(duì)壓力容器監(jiān)管的最高層次的技術(shù)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但它們適用的范圍主要為地上壓力容器，或者說(shuō)是外部環(huán)境為大氣環(huán)境而非地層接觸的壓力容器。在腐蝕損傷方面，《固容規(guī)》、GB 150和JB 4732所適用范圍的壓力容器（以下稱“常規(guī)容器”）主要遭受內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕，因此重視內(nèi)部的防腐設(shè)計(jì)，也強(qiáng)調(diào)使用年限；“常規(guī)容器”的連接方式主要采用焊接，屬于焊接結(jié)構(gòu)；在材料方面，以上規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有包含儲(chǔ)氣井系列材料，如N80、C95、P110等中碳低合金熱處理高強(qiáng)度鋼；此外，它們還缺少對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)則和技術(shù)要求，缺少螺紋連接結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求，缺少地下壓力容器的技術(shù)要求，規(guī)定的氣密性試驗(yàn)壓力、耐壓試驗(yàn)合格判據(jù)以及評(píng)級(jí)都不適用于儲(chǔ)氣井。因此，儲(chǔ)氣井處于一種“超規(guī)范、超標(biāo)準(zhǔn)”的處境。

2）嚴(yán)格地講，《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》也沒(méi)有涵蓋儲(chǔ)氣井，這在“釋義”中已經(jīng)說(shuō)明。同時(shí)，也是因?yàn)榉ㄒ?guī)標(biāo)準(zhǔn)不完善，以“符合性驗(yàn)證”來(lái)定義結(jié)論也不適用于儲(chǔ)氣井。

3）SY/T 6535-2002《高壓氣地下儲(chǔ)氣井》已經(jīng)實(shí)施了11年，其中存在很多問(wèn)題：有的引用標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)報(bào)廢；沒(méi)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)和腐蝕裕量說(shuō)明；缺少選址詳細(xì)技術(shù)要求；未考慮今后的檢測(cè)和維護(hù)要求；沒(méi)有井管壁厚偏差技術(shù)要求；沒(méi)有材料性能詳細(xì)技術(shù)要求；指定單一材料TP80CQJ，且其非API 5CT鋼級(jí)；沒(méi)有固井質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)要求；SY/T 5587.8《油水井常規(guī)修井作業(yè)找串封串和驗(yàn)串作業(yè)規(guī)程》不是針對(duì)金屬腐蝕進(jìn)行修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)；“嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力和介質(zhì)，壓力試驗(yàn)壓力，一般檢測(cè)周期為2年、全面檢測(cè)周期為6年，使用25年報(bào)廢”等都不符合《固容規(guī)》要求；標(biāo)準(zhǔn)編制也不符合壓力容器規(guī)范體系。此外，規(guī)定“最大井斜不大于2°，強(qiáng)度試驗(yàn)及嚴(yán)密性試驗(yàn)合格后應(yīng)對(duì)井筒內(nèi)進(jìn)行干燥，無(wú)游離水為合格”等都不具操作性，無(wú)實(shí)際意義。

4）GB 50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》未對(duì)固井質(zhì)量檢測(cè)做出規(guī)定，要求進(jìn)行加固處理缺乏充分依據(jù)。

2.2 材料方面

儲(chǔ)氣井雖然屬性屬于壓力容器，但一直以來(lái)使用的材料都是石油套管，而非現(xiàn)有法規(guī)認(rèn)可的壓力容器材料。表3對(duì)比了《固容規(guī)》和儲(chǔ)氣井材料標(biāo)準(zhǔn)在一些方面不同的要求。

表3 石油套管標(biāo)準(zhǔn)與固容規(guī)[2]對(duì)材料要求的差別

從表3中的對(duì)比可以看出，儲(chǔ)氣井材料標(biāo)準(zhǔn)要遠(yuǎn)低于《固容規(guī)》對(duì)材料的要求，因?yàn)槭吞坠艿脑O(shè)計(jì)和使用是針對(duì)油氣井的，因此它在保證一定強(qiáng)度的同時(shí)，要兼顧經(jīng)濟(jì)性，所以多采用C-Mn鋼系，而且不對(duì)材料的熔煉、成分性能等做過(guò)高要求。如果這類材料放置在地面以上使用，肯定是相悖于《固容規(guī)》的，但是在地下，由于地層會(huì)對(duì)儲(chǔ)氣井造成擠壓和摩擦作用，因此當(dāng)套管受內(nèi)壓膨脹時(shí)地層就會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生壓應(yīng)力和拘束力，從而能抵消一部分內(nèi)載和拉應(yīng)力；而且，井管都是無(wú)縫鋼管，幾乎沒(méi)有缺口效應(yīng)和嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些因素都是套管能用于儲(chǔ)氣井作為壓力容器的主要原因，也是“合于使用評(píng)價(jià)”的重要參考。但總體而言，石油套管作為地下壓力容器殼體材料使用還缺乏充分的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

2.3 設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)是保障儲(chǔ)氣井安全的首要環(huán)節(jié)，也是保證設(shè)備優(yōu)生優(yōu)育的關(guān)鍵點(diǎn)。嚴(yán)格地說(shuō)，早期絕大部分儲(chǔ)氣井的制造都未經(jīng)設(shè)計(jì)或未經(jīng)客觀、合理、科學(xué)和完整的設(shè)計(jì)。即使有的儲(chǔ)氣井進(jìn)行了所謂的設(shè)計(jì)，但往往也是不同地域、不同工況條件下共用一個(gè)設(shè)計(jì)。近期，國(guó)家質(zhì)檢部門(mén)加強(qiáng)了對(duì)儲(chǔ)氣井的安全監(jiān)察，儲(chǔ)氣井的設(shè)計(jì)狀況有所改善，但總的說(shuō)來(lái)，仍存在較多不足之處。

1）缺乏專用理論。儲(chǔ)氣井經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)逐漸深入、完整，把儲(chǔ)氣井作為壓力容器進(jìn)行管理已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議。但是，最初創(chuàng)造儲(chǔ)氣井的理念并非來(lái)自于壓力容器，它所采用的建造技術(shù)、使用的材料都是來(lái)源于石油技術(shù)。而且，它不同于一般的壓力容器，儲(chǔ)氣井身處地下，它的外部環(huán)境發(fā)生了顯著變化；還有，材料、結(jié)構(gòu)與連接方式等都與常規(guī)容器不同，因此現(xiàn)有的一些壓力容器理論就不能完全套用于儲(chǔ)氣井，有些理論還有待于進(jìn)一步研究。所以，應(yīng)該針對(duì)儲(chǔ)氣井的特點(diǎn)，結(jié)合使用條件和所處環(huán)境，從材料、結(jié)構(gòu)、連接、防腐、失效等幾方面入手，建立一套適用于儲(chǔ)氣井的理論體系。

2）數(shù)據(jù)不足。現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為儲(chǔ)氣井也是一種疲勞設(shè)備，但到目前為止，對(duì)其疲勞載荷的認(rèn)識(shí)還不夠充分，主要原因有三點(diǎn)，一是儲(chǔ)氣井是通過(guò)螺紋連接的結(jié)構(gòu)；二是儲(chǔ)氣井的直線度較差；三是儲(chǔ)氣井井筒不同井段所受的外部載荷不一樣。另外，儲(chǔ)氣井所使用的是石油套管，而這種材料是一種以強(qiáng)度為主的低合金高強(qiáng)度的熱處理強(qiáng)化鋼，這種鋼的優(yōu)點(diǎn)是以較低成本便可獲得很高的強(qiáng)度，但缺點(diǎn)是塑性和韌性差、焊接性也差，而且由于是經(jīng)過(guò)熱處理強(qiáng)化的，所以材料強(qiáng)度的均勻性也欠佳。再有，經(jīng)過(guò)大量的檢驗(yàn)實(shí)踐和事故案例發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)氣井的腐蝕問(wèn)題一直很嚴(yán)重，但是至今也沒(méi)有權(quán)威的地質(zhì)勘查和防腐研究的有關(guān)資料和數(shù)據(jù)。總之，儲(chǔ)氣井在很多方面還存在證據(jù)不足或缺乏數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

3）無(wú)專用標(biāo)準(zhǔn)。如本文3.1中對(duì)SY/T 6535-2002《高壓氣地下儲(chǔ)氣井》的問(wèn)題分析，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于儲(chǔ)氣井材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等方面的規(guī)定不能完全滿足強(qiáng)制性安全技術(shù)規(guī)范《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，其對(duì)設(shè)計(jì)、防腐沒(méi)作任何要求，對(duì)材料選用還存在很多爭(zhēng)議，對(duì)建造的要求又使得制造企業(yè)無(wú)法滿足，因此可以說(shuō)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品的制造不具有實(shí)際意義。現(xiàn)在，多數(shù)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣井時(shí)仍然采用GB 150或JB 4732，但是這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)氣井材料的疲勞計(jì)算以及防腐還存在較多不足。針對(duì)這種現(xiàn)狀，國(guó)家正組織編寫(xiě)《儲(chǔ)氣井》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)規(guī)范儲(chǔ)氣井產(chǎn)品是一個(gè)有力補(bǔ)充。

4）未進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)和防腐設(shè)計(jì)。由于儲(chǔ)氣井是建造在地下，因此地質(zhì)環(huán)境將直接影響儲(chǔ)氣井的安全性能和使用壽命。眾所周知，對(duì)于建筑工程和埋地管道工程建造，地質(zhì)勘測(cè)是設(shè)計(jì)的前提條件，只有在實(shí)際建造前獲得翔實(shí)的地質(zhì)特性資料，才會(huì)對(duì)下一步的施工起到重要的指導(dǎo)作用。由于我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況差別很大，而不同的地層環(huán)境就具有不同的構(gòu)成和不同的腐蝕特性，因此，在進(jìn)行儲(chǔ)氣井建造前在設(shè)計(jì)的同時(shí)就應(yīng)對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行勘測(cè)，以便于對(duì)防腐設(shè)計(jì)提出有力的依據(jù)。然而，據(jù)調(diào)研以往建造的儲(chǔ)氣井都沒(méi)有做過(guò)地質(zhì)勘測(cè)，也沒(méi)有進(jìn)行有針對(duì)性的防腐設(shè)計(jì)。從大量的檢驗(yàn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的諸多的儲(chǔ)氣井腐蝕情況來(lái)看，也證明了這一點(diǎn)。

5）無(wú)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。《固容規(guī)》規(guī)定了設(shè)計(jì)方法，并提出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要求。規(guī)則設(shè)計(jì)是基于彈性失效準(zhǔn)則，不考慮溫差應(yīng)力、邊緣應(yīng)力、交變應(yīng)力，因此安全系數(shù)大；而應(yīng)力分析設(shè)計(jì)是基于單項(xiàng)應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則，并借助有限元計(jì)算，可對(duì)各部位的受力情況精確分析，但對(duì)材料性能要求高。然而，由于儲(chǔ)氣井的材料還沒(méi)有完整的疲勞曲線，加之螺紋連接的有限元分析難度大，都使得目前的分析設(shè)計(jì)名不副實(shí)。一直以來(lái)，由于儲(chǔ)氣井沒(méi)有一套完整適用的設(shè)計(jì)規(guī)則，便產(chǎn)生了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：按規(guī)則設(shè)計(jì)，但取分析設(shè)計(jì)的安全系數(shù)；或是按照所謂的分析設(shè)計(jì)，但是卻回避了如螺紋連接等很多實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。

6）設(shè)計(jì)漏洞。除了上文提到?jīng)]有進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)和防腐設(shè)計(jì)外，以往的儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)還缺少抗疲勞、連接穩(wěn)定性、致密性、水泥固井等方面設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)的隨意性，設(shè)計(jì)壓力出現(xiàn)了27.5MPa、26.5MPa、26.25MPa等幾種情況。

2.4 制造方面

儲(chǔ)氣井的制造包括選址、鉆井、下管、耐壓試驗(yàn)、固井、固井質(zhì)量檢測(cè)、氣密性試驗(yàn)等技術(shù)環(huán)節(jié)。

1）選址不科學(xué)。儲(chǔ)氣井埋于地下，地層對(duì)儲(chǔ)氣井的影響很大，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不穩(wěn)定的地層并不適合制造儲(chǔ)氣井，如地層斷裂帶，地表易滑坡地帶，地下有暗河、孔洞的地層。這些地層要么會(huì)對(duì)儲(chǔ)氣井造成不可預(yù)測(cè)的影響力，要么會(huì)造成水泥的流失或者水分的流失，這在貴州的喀斯特地貌和新疆的砂石地層已得到了驗(yàn)證。因此，選擇合適的地質(zhì)條件制造儲(chǔ)氣井，對(duì)保障儲(chǔ)氣井的安全非常重要。

2）鉆井工藝不完善。儲(chǔ)氣井不同于常規(guī)容器之處的一個(gè)顯著特點(diǎn)是身處地下，地層就是儲(chǔ)氣井的基礎(chǔ)，鉆井的好壞會(huì)直接影響井身質(zhì)量，而井身質(zhì)量會(huì)影響井筒的垂直度和固井質(zhì)量。儲(chǔ)氣井的鉆井技術(shù)借鑒自油氣井工程，但由于對(duì)淺地層的研究不足以及過(guò)多考慮成本，使得儲(chǔ)氣井的鉆井工藝完全沒(méi)有油氣井工程中的鉆井工藝成熟。

3）缺少鋼管組裝工藝評(píng)定。對(duì)于常規(guī)壓力容器而言，焊接是必不可少的連接方式，而焊接工藝評(píng)定更是保證焊接質(zhì)量的前提和措施。同樣道理，螺紋連接對(duì)保證儲(chǔ)氣井的強(qiáng)度、剛度、致密性也是十分重要的，它應(yīng)通過(guò)調(diào)整旋合速度、外露螺紋數(shù)、上扣扭矩、機(jī)緊圈數(shù)、密封脂等來(lái)評(píng)定連接強(qiáng)度、密封性、抗內(nèi)壓能力等性能。但遺憾的是，至今也沒(méi)有制造企業(yè)開(kāi)展過(guò)螺紋連接工藝評(píng)定。

4）缺少固井工藝評(píng)定。通過(guò)研究和檢驗(yàn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，固井對(duì)于儲(chǔ)氣井十分重要。好的固井質(zhì)量能起到隔離地層、防止腐蝕、提高整體強(qiáng)度、遏制井筒竄動(dòng)飛出等作用。到目前為止，制造企業(yè)采用過(guò)的固井工藝有“井口灌漿法”、“外插管法”、“捆綁膠帶法”、“坐固法”和“正循環(huán)法”。事實(shí)證明，前三種工藝根本無(wú)法保證固井質(zhì)量，因此已被淘汰。后兩種工藝雖較前者有了很大進(jìn)步，但還不夠成熟，還經(jīng)常存在固井質(zhì)量檢測(cè)不合格的情況。究其原因，在于儲(chǔ)氣井的制造地址非常廣泛，地質(zhì)情況千差萬(wàn)別，而制造企業(yè)仍然沒(méi)有進(jìn)行有針對(duì)性的固井工藝設(shè)計(jì)及評(píng)定，以選定不同的注水泥工藝、水泥漿密度、添加劑、水泥候凝試驗(yàn)等。

5）耐用試驗(yàn)與氣密性試驗(yàn)不符規(guī)范。由于儲(chǔ)氣井的耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)為1.5，高于“固容規(guī)”的規(guī)定，但卻沒(méi)有進(jìn)行強(qiáng)度校核。同樣，儲(chǔ)氣井一般都是使用壓縮機(jī)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，而多數(shù)壓縮機(jī)的最高額定工作壓力為25MPa，而實(shí)際工作中往往達(dá)不到這個(gè)壓力。因此，儲(chǔ)氣井的氣密性試驗(yàn)壓力實(shí)際上小于25MPa，更不用說(shuō)設(shè)計(jì)壓力了。

2.5 在檢驗(yàn)檢測(cè)方面

1）在固井質(zhì)量檢測(cè)方面。由于在“質(zhì)檢辦特[2008]637號(hào)”文件發(fā)布前對(duì)儲(chǔ)氣井缺乏嚴(yán)格的管理規(guī)定，幾乎所有新制造的儲(chǔ)氣井都沒(méi)有被要求進(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果造成儲(chǔ)氣井腐蝕嚴(yán)重、事故頻發(fā)，而且還誘發(fā)了弄虛作假的行為。即使現(xiàn)在，仍有些制造企業(yè)想逃避責(zé)任，置產(chǎn)品質(zhì)量與安全不顧，不接受固井質(zhì)量檢測(cè)。此外，在技術(shù)方面，目前還沒(méi)有專用的儲(chǔ)氣井固井質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有統(tǒng)一的儀器校驗(yàn)方法。

2）在定期檢驗(yàn)方面。定期檢驗(yàn)是保障儲(chǔ)氣井安全的一道屏障，更是國(guó)家對(duì)特種設(shè)備安全的一項(xiàng)強(qiáng)制性要求。但由于種種原因，在“質(zhì)檢辦特[2008]637號(hào)”文件發(fā)布前一直未能真正地對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行過(guò)定期檢驗(yàn)，主要有三方面原因，一是對(duì)儲(chǔ)氣井的安全不夠重視；二是儲(chǔ)氣井井口結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)均為不可拆卸形式，制約了檢驗(yàn)檢測(cè)；三是檢測(cè)技術(shù)的缺位，油氣井中雖有一些檢測(cè)深井的技術(shù)，但無(wú)法直接應(yīng)用于儲(chǔ)氣井，而且，有些缺陷檢測(cè)技術(shù)在油氣井工程中也沒(méi)有。如今，隨著中國(guó)特檢院在儲(chǔ)氣井定期檢驗(yàn)工作方面的不斷拓展和深入，儲(chǔ)氣井的定檢工作取得了重大進(jìn)步。但是仍然存在一些尚未解決的問(wèn)題：如檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備什么樣的的專項(xiàng)資質(zhì)和條件，對(duì)于“超規(guī)范、超標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)如何制定檢驗(yàn)方案，如何進(jìn)行材料評(píng)價(jià)、損傷評(píng)價(jià)、強(qiáng)度評(píng)價(jià)、疲勞評(píng)價(jià)、壽命評(píng)價(jià)以及如何降低風(fēng)險(xiǎn)。

3）在監(jiān)督檢驗(yàn)方面。監(jiān)督檢驗(yàn)是特種設(shè)備安全管理的一項(xiàng)重要措施。然而，由于儲(chǔ)氣井在材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造等方面超出了現(xiàn)有壓力容器規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的范圍，因此造成了對(duì)材料、設(shè)計(jì)、制造等方面的監(jiān)檢“無(wú)法可依”或“困惑迷茫”的局面。在質(zhì)檢辦特[2008]637號(hào)文件發(fā)布前，出現(xiàn)儲(chǔ)氣井的監(jiān)督檢驗(yàn)形式大于內(nèi)容的情況，也就不足為奇了。

3 合于使用評(píng)價(jià)

儲(chǔ)氣井屬于壓力容器，但卻使用石油套管材料，采用油氣井制造工藝，幾乎在各個(gè)方面都與“常規(guī)容器”迥異不同，因此其存在的失效風(fēng)險(xiǎn)也大不同。為了制定科學(xué)、合理、有效的檢驗(yàn)方案，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是必不可少的前提條件。中國(guó)特檢院經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、研究和實(shí)踐，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析手段，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氣井的損傷模式有腐蝕減薄、沖蝕減薄、機(jī)械劃傷、擠壓損傷、焊接損傷等情況，失效模式也有腐蝕減薄、機(jī)械損傷、上冒下沉、泄漏等情況，這些損傷模式和失效模式為制定儲(chǔ)氣井定期檢驗(yàn)策略提供了有力依據(jù)。

為了準(zhǔn)確判斷儲(chǔ)氣井的缺陷風(fēng)險(xiǎn)和剩余壽命，基于儲(chǔ)氣井存在“超規(guī)范、超標(biāo)準(zhǔn)”的事實(shí)，對(duì)于檢驗(yàn)中遇到或發(fā)現(xiàn)的“法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)引用、資料缺失、資料與實(shí)物不一致、材料適用性、設(shè)計(jì)缺陷、腐蝕減薄、硬度偏低、金相組織不符、土壤腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度不足、抗疲勞性能差”等諸多問(wèn)題都需要進(jìn)行科學(xué)、合理、有效的評(píng)價(jià)。然而，由于儲(chǔ)氣井不適用于“《固容規(guī)》的安全狀況等級(jí)評(píng)定，現(xiàn)有的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不能提供有效的解決措施。因此，運(yùn)用“合于使用評(píng)價(jià)”理念，進(jìn)行“合于使用評(píng)價(jià)”便成為唯一選擇。

為了做好合于使用評(píng)價(jià)，中國(guó)特檢院開(kāi)展了大量的調(diào)研、科研、試驗(yàn)及檢驗(yàn)實(shí)踐工作。首先，對(duì)全國(guó)的淺表地層做了地質(zhì)調(diào)研，并對(duì)土壤腐蝕性進(jìn)行了布點(diǎn)埋片監(jiān)測(cè)；其次，對(duì)2000多臺(tái)儲(chǔ)氣井的材質(zhì)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)500多個(gè)接箍進(jìn)行了抗疲勞和低溫沖擊等試驗(yàn)測(cè)試；還有，對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算和仿真分析，對(duì)不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的儲(chǔ)氣井進(jìn)行了整體模擬疲勞和爆破試驗(yàn)。通過(guò)以上工作，中國(guó)特檢院開(kāi)發(fā)出了信息豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)以及制定了材料評(píng)價(jià)、強(qiáng)度評(píng)價(jià)、疲勞評(píng)價(jià)、土壤腐蝕性評(píng)價(jià)等方法。運(yùn)用這些研究成果，中國(guó)特檢院已經(jīng)完成2600多臺(tái)在用儲(chǔ)氣井的定檢工作，發(fā)現(xiàn)并消除了大量隱患，使儲(chǔ)氣井得以在合理的范圍內(nèi)安全運(yùn)行，受到了廣大用戶的歡迎、認(rèn)可。

4 儲(chǔ)氣井的前景

從以上的分析可以看出，儲(chǔ)氣井還面臨著很多懸而未決的難題，如果這些難題不能在短期內(nèi)有效地解決，將大大影響儲(chǔ)氣井持續(xù)、健康的發(fā)展。因此，筆者提出以下建議：

1）針對(duì)儲(chǔ)氣井的材料適用性、結(jié)構(gòu)抗疲勞性、螺紋連接性、地層土壤腐蝕性以及損傷模式和失效模式，在實(shí)際檢驗(yàn)案例的基礎(chǔ)上，開(kāi)展充分的理論和試驗(yàn)研究，建立適用于儲(chǔ)氣井的技術(shù)理論體系。

2）針對(duì)儲(chǔ)氣井的技術(shù)特點(diǎn)，盡快在壓力容器安全技術(shù)規(guī)范中補(bǔ)充對(duì)地下壓力容器的規(guī)定，使儲(chǔ)氣井有法可依。

3）推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)編制工作，建立儲(chǔ)氣井產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為儲(chǔ)氣井的制造、檢驗(yàn)和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)并儲(chǔ)蓄動(dòng)力。

4）針對(duì)儲(chǔ)氣井的損傷模式和失效模式，加快研究檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，做到有隱患能發(fā)現(xiàn)、不漏檢、檢的準(zhǔn)。

5）深入研究?jī)?chǔ)氣井的缺陷修理技術(shù)和降險(xiǎn)措施，減少或避免儲(chǔ)氣井的降壓或停用。

6）完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為制造提供充分的依據(jù)。同時(shí)，提高制造水平，促進(jìn)螺紋連接、水泥固井等技術(shù)的進(jìn)步。

7）不斷創(chuàng)新，研究和開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)。這里筆者提出兩個(gè)示例，圖2為雙管結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氣井，圖3為瓶式儲(chǔ)氣井，這兩種儲(chǔ)氣井將很容易解決固井質(zhì)量不合格以及外部腐蝕的難題。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)有保證，當(dāng)采用水泥固井時(shí)，則很容易保證固井質(zhì)量；或者不使用水泥固井，也可以有效避免外部腐蝕，從而消除了儲(chǔ)氣井的最大損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 雙管結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氣井

圖3 瓶式儲(chǔ)氣井

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展，儲(chǔ)氣井已成功進(jìn)入到汽車加氣站、民用調(diào)峰站、工業(yè)儲(chǔ)氣庫(kù)等領(lǐng)域，尤其在“637號(hào)文件”發(fā)布以來(lái)，更進(jìn)一步推動(dòng)了儲(chǔ)氣井的發(fā)展。可以說(shuō)，儲(chǔ)氣井為我國(guó)清潔能源戰(zhàn)略的實(shí)施以及城市交通、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)。盡管儲(chǔ)氣井還存在著一些問(wèn)題，但應(yīng)該用發(fā)展的眼光來(lái)考量。儲(chǔ)氣井的發(fā)展需要全社會(huì)的協(xié)同，既要不斷提高在材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、修理、降險(xiǎn)等方面的技術(shù)水平，也要不斷完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系和監(jiān)管體系，更需要全社會(huì)的理解和支持。儲(chǔ)氣井具有鮮明的特色，是一類典型的地下壓力容器，它為我國(guó)乃至世界承壓設(shè)備的發(fā)展提供了一個(gè)新思路，也創(chuàng)造了一個(gè)中國(guó)奇跡。

1 陳祖志,石坤,李邦憲.儲(chǔ)氣井設(shè)計(jì)問(wèn)題的探討[J].壓力容器, 2012,29(2):49~55,60

2 壽比南等.TSG R0004－2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

Current Situation and Prospect of Underground Gas Storage Well

Shi Kun Duan Zhixiang Chen Zuzhi Liu Zaibin
(China Special Equipment Inspection Research Institute Beijing 100029)

Gas storage well(GSW) is a sort of pressure vessel and a typical model of underground pressure vessel. Since the idea of GSW originated from oil-gas engineering, GSW has the absolute merit as well as connatural deficiency comparing to the conventional pressure vessel. This paper takes the problems on material, design, manufacture, inspection , etc. of GSW based on current situation, and brings forward analysis and expectation for its prospect.

Characteristics of Gas storage well Security hidden danger Current Situation and Prospect

A

1673－257X(2014)06－05－06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK06B03-02)

石坤（1971～）高級(jí)工程師，氣裝部?jī)?chǔ)新室主任，從事不停車，不拆保溫層脈沖渦流技術(shù)腐蝕檢測(cè)和地下壓力容器儲(chǔ)氣井理論研究及檢驗(yàn)檢測(cè)等工作。

2013－11－26）