关于提高CNG地下储气井安全性的研究

摘要：本文通过对CNG地下储气井的安全性进行分析，并提出一些措施，期望能从而加强其安全性能的研究。

关键词：CNG；地下储气井；安全性

中图分类号：TU74文献标识码： A

引言

CNG地下储气井是我国20世纪90年代中后期研制成功的一种新型高压储气方式。由于其储气量大、占地面积小、安全、经济、操作管理方便、建设工期短等优点，广泛地应用于CNG加气站、天然气调峰、工业储气中。由于CNG地下储气井主体部分深埋于地下，腐蚀可能导致套管穿孔、壁厚减薄甚至挤毁或爆裂，给整个储气系统带来安全隐患，因此探讨其外腐蚀原因和防范技术有着重要的现实意义。

一、CNG地下储气井概况及常见安全问题

CNG地下储气井一般埋在地下70m~200m处，其安装工艺依次为钻井、井筒安装、固井、强度试验、井口装置安装和气密性实验等几步，目前国内常用地下储气井结构如图1所示。

图1国内储气井结构示意图

由于地下储气深埋于地下相对更安全可靠，且具有成本低、占地面积小、施工周期短等优点，这使得地下储气井已成为目前国内首选储气设施。但地下储气井相对来说是一种新技术、新设备，在设计和使用上仍存在不足。根据使用情况来看，此类储气井比较常见的安全问题有筒体上窜、井下泄露和井筒爆裂等几类。a)筒体上窜是由于井筒与井壁间的环形空间胶结质量不好而引起的，筒体在25MPa压力下会产生拉伸变形，当胶结面阻力不足以抵抗拉伸变形所产生的作用力时，井筒就会窜出地面；b)井下泄露多是由于腐蚀现象而引起的，井下泄露会造成井体出现裂纹穿孔等现象，一旦出现这种情况，很难补救，只能报废；c)井筒爆裂是指井筒在使用过程中由于湿硫化氢腐蚀现象而发生爆裂，此时，如果固井质量达标，爆裂后仅会发生气体泄漏；但如果固井质量差，井筒则会在高压天然气作用下冲出地面，造成严重事故。

二、安全问题原因分析

（一）地下储气井结构简单

目前国内储气井结构如图1所示,一般由套管和上下封头等组成。储气井的井内没有安全阀,地面没有监测系统,虽然目前国内的储气井发生重大安全事故较少见。但随着使用年限的增长,零部件的磨损变形、锈蚀老化、密封失效以及误操作等原因,就有可能引发天然气泄漏。而目前的天然气地下储气井都建在人口密集的大城市,如果天然气泄露并聚集在周围环境中,一旦发生事故将导致人员伤亡和巨大的财产损失。国外的储气井中一般都装有反应灵敏的安全阀组件,如图2所示,当地面发生火灾、地震或其他事故引起天然气的不正常泄漏时,能自动关闭储气井地下与地面的通道,避免造成更大的灾难。另外,除了在储气井里装有安全阀组件以外,在地面上还装有传感器来监测储气系统的安全可靠性。

图2国外带有安全阀的地下储气井示意图

（二）防腐工作有待加强

天然气在净化过程中的脱水和脱硫工艺不达标会直接影响储气井的安全性。天然气在加压降温过程中，当达到其水露点时，其中的气相水就会以游离水的形式析出，当环境温度≤0oC时，游离水将结冰而冻结设备和管道，液态水的存在也增强了酸性组分H2S、CO2对储气井壁的腐蚀，可能发生硫化氢应力腐蚀开裂和二氧化碳腐蚀开裂，这是十分危险的。如果又处在其水合物生成线以下的压力和温度区域时，天然气中的烃类组分还会和水生成水合物，堵塞管道、充气嘴、阀门、排污管等，使储气井不能正常使用。目前国产的脱水装置由于分子筛的耐热强度差，再生气体加热温度只能控制在230℃以下，因此，分子筛脱附效率及有效湿容积很难达到设计指标，所以在脱水周期末的天然气水含量极易超标。天然气中H2S含量过高会使储气井出现湿硫化氢腐蚀，当有游离水存在时也会发生内壁的腐蚀。

（三）地下储气井在使用过程中缺少规范的日常检查及维护保养措施

加强地下储气井日常检查维护保养是预防事故发生的有效措施，但很多员工错误地认为地下储气井是深埋在地下的静态设备，在运行时无需人工操作自动完成加气储气等工作，所以不需特别关注。这种错误认识导致很多CNG地下储气井缺少必要的日常检查和维护保养，从而带来安全隐患。

三、如何提高CNG地下储气井安全

(一)加强防腐工作

1.改变固井方式

储气井在施工时，部分采取将水泥直灌下去的方式来固定套管。由于井筒与井壁之间的间隙较小，而井深一般有70~200m，因此，水泥浆很难达到下端，井筒与井壁之间的地下水也无法排出。建议采用新的固井工艺――内循环固井法，即水泥从套管注入，到达井底后，通过特殊的井底封头，从井底返出，水泥浆从井底向上逐步顶替环空中的钻井液，直到水泥浆从井口返出为止。该方法中的固井水泥浆与套管胶程度高、井筒与井壁一体性好，从技术与工艺上保证了固井质量。

2.改善天然气气质

调查表明，在全国发生腐蚀事故的储气井中，天然气气质不合格是造成储气井内壁腐蚀的主要原因。在抽样调查的加气站中，大约有78%储气井中气质不符合要求，超标H2S含量很容易造成储气井内壁腐蚀。研究表明，当H2S含量低于20mg/m3时，H2S对钢材不会产生腐蚀作用。所以，这就要求在今后工作中采取更加严格的净化工艺，保证天然气中H2S含量低于20mg/m3。

3.加强套管防腐蚀装置的应用

目前储气井建造中对于套管外壁防蚀尚无统一认识，大多数认为固井段有混凝工的紧密包覆，己起到隔绝空气的作用，可抵御化学腐蚀的侵袭，所以施工中不必采取任何防蚀措施。但地下工壤构造透气性难于确定，在运行中又不能再次进行防腐蚀处理，因此建议采用更为有效的防护措施，如涂覆氯磺化聚氯乙烯等，以便更有效地防止化学腐蚀。

套管内壁防蚀与否与天然气气质有关。通过长期试验得出的结论，湿天然气中，当H2S质量浓度不高于6mg/m3时，对金属材料无腐蚀作用；H2S质量浓度小于20mg/m3时，对钢材无明显腐蚀或这种腐蚀程度在工程所能接受的范围。而按照《车用压缩天然气(GB18047-2000)》规定CNG中H2S质量浓度不高于15mg/m3。因此，套管内壁无需进行防腐蚀处理。

（二）加强储气井日常检查维护和保养

加强储气井日常检查维护和保养日常检查、维护和保养是保证储气井安全运行的有效手段，使用单位应建立健全的工作制度并在工作中及时记录。日常检查应以储气井是否有泄漏、冒井、沉井、变形、损伤、腐蚀、部件松动等情况出现为主。每天对储气井的所有接口、阀门、上封头等用检漏仪进行检查，并检查管线、阀门、井管部分有无腐蚀情况，如出现腐蚀情况，应及时处理。定期检查应每月开展一次，检查井身有无上冒或下沉现象，测量上封头与地面的距离，进出气管与地面的距离，并作对比，以此来判断井身有无移动。同时，还应检查井口处地面有无裂缝和裂缝变化情况等。保养和维护主要是指定期排污工作，排污时应保证压力不超过相关规定，每次排污要彻底排尽污水和油污。

结束语

CNG目前被广泛地用作汽车燃料，有较大的发展前景，而建于城市内的加气站的安全问题就显得格外重要，尤其是现在推广的高压地下储气井的安全运行。分析国内CNG储气井目前暴露的诸多安全隐患，笔者提出了具体的措施和主要技术思路，来进一步确保储气井安全、平稳、长期运行，对保障加气站安全，促进储气井技术的优化，保证城市建设健康发展有重要意义。随着各项安全技术规范、标准的完善和各项安全保障措施的建立及安全检测技术的成熟，CNG地下储气井将会大规模的推广和应用。

参考文献

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