地下天然气储气井的现状与前景

石 坤 段志祥 陈祖志 刘再斌

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

地下天然气储气井的现状与前景

石 坤 段志祥 陈祖志 刘再斌

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

储气井是一种压力容器，也是地下压力容器的典型代表。由于开发储气井的理念来源于油气井，因此储气井具有常规压力容器所不具备的特性并存在很多先天不足。文章针对储气井的现状，剖析了储气井在材料、设计、制造、检验检测等各环节存在的问题，并对储气井的健康发展提出了改进建议。

储气井特性 安全隐患问题 现状 改进建议

天然气汽车以天然气替代汽油作为汽车燃料，可大大减少有害物质和温室气体的排放，对城市环境的改善有显著作用。天然气汽车工业的飞速发展，也推动了CNG加气站的大量建设。近几年来，全国每年新建的加气站均达数百座。

储气设备是汽车加气站的重要设施，常用的有三类，分别是储气瓶、储气罐和地下储气井。与储气井相比，储气瓶和储气罐的制造工艺非常成熟，因此早期应用的比较多。而储气井是在上世纪90年代初才被提出，相对于储气瓶和储气罐，储气井具有占地面积小、安全间距短、失效范围小、无静电、后期运营费用低等突出优势，因此一经推广，立刻引起了广泛关注。经过二十年的发展，目前储气井已成为新建汽车加气站的首选储气设备。据不完全统计，全国各地制造的储气井数量已超过8000台。

1 储气井的特点

储气井系统结构如图1所示，主要由井筒、井口装置、井底装置、排污管、固井水泥环、表层套管、扶正器等组成。井筒是由多根无缝钢管通过接箍依靠螺纹连接的管串，井口装置上设计有进出气管和排污管，与采油树有些相似，而井底装置有不开口和开口之分，这主要与固井工艺有关，不开口的井底封头类似于管帽，而开口的井底封头要复杂很多，其中装有单向阀。目前，所有在用储气井的深度都在40～300m之间。井筒钢管有两种规格，分别为DO177.8×10.36mm和DO244.5×11.99mm。

储气井的显著特点如下：

1）在特征方面。储气井具有油气井、容器、管道和气瓶的综合特点。其制造技术来源于油气井，而从压力、容积和介质判断又属于压力容器。其结构属于管式结构，而其反复充放气的特征又决定了具有气瓶的特点。

2）在材料方面。无论是金属材料、水泥材料，还是密封材料，都来自于油气井，而非压力容器用材。

就井筒而言，储气井一直都在使用石油套管，而石油套管是油田中作为采油、采气的通道，具有一定的抗内压和抗挤压的能力，但它不是作为压力容器用材设计用材。

3）在设计方面。因为储气井选用的是标准管，其规格和结构形式都已固定，按钢级选定即可。加之以往设计还存在一些缺陷和漏洞，因此可以说，储气井还没有真正意义上的设计，更不要提诸如防腐、抗疲劳等设计要求了。

4）在制造技术方面。储气井来源于油气井，无论是钻井工艺、组装工艺还是固井工艺，几乎都是沿用油气井的技术。

5）在连接方式方面。无论是钢管之间，还是井筒与井口装置及井底装置之间采用的都是螺纹连接。螺纹连接虽然简单易行，但致密性要较焊接差很多。表1给出了两种连接方式的对比。

表1 螺纹连接与焊接的对比

6）在结构方面。储气井的井管为无缝钢管又无需焊接，因此残余应力较小，但由于采用接箍连接，因而会造成较大的装备应力，可在接箍连接区域内产生较大的应力集中。同时，储气井属于薄壁压力容器，可视为只承受局部拉应力。此外，由于裸眼井井身的原因会使井筒产生弯曲应力。

7）在外部环境和腐蚀方面。储气井显著区别于常规压力容器。常规压力容器基本上都是安装在地面以上，所处的外部环境为大气。一般而言，大气因其组分含量不同而有不同的腐蚀性，但总体而言腐蚀性较弱，其腐蚀主要来自于内部介质。而储气井身处地下，外部环境为浅表地层。地层中有土壤、沙石、各类化合物和细菌以及暗河，会对储气井造成较重的外部腐蚀，几千台储气井的检测实践已证明了这点。此外，虽然设计没有考虑大气温度对储气井井筒金属温度的影响，回避了“最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温的最低值”的要求，但经实际检测其运行温度都不低于-9℃，在“增温带”内存还在2～7℃/100m的温度梯度，因此可以认为在300m深范围内储气井处于常温状态。

8）在防腐方面。储气井与常规压力容器又有很大不同。一般容器会采用涂层、防腐层来抵御外部腐蚀，而采用堆焊层、衬里、喷涂或复合材料的方式防止内部腐蚀。而储气井主要遭受外部腐蚀，防腐的方式也是借用的油气井技术-水泥固井，表2给出了二者不同。

表2 储气井与常规压力容器在防腐方面的不同

9）在质量控制方面。因储气井安装在地下，钢管和其它装置等都需强力组装，环空需水泥固井，因此对一次性制造质量要求高，不易修理、维护。

图1 储气井结构示意图

2 储气井的现状

2.1 法规标准方面

1）《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《固容规》）、GB 150和JB 4732是我国对压力容器监管的最高层次的技术法规和技术标准，但它们适用的范围主要为地上压力容器，或者说是外部环境为大气环境而非地层接触的压力容器。在腐蚀损伤方面，《固容规》、GB 150和JB 4732所适用范围的压力容器（以下称“常规容器”）主要遭受内部介质的腐蚀，因此重视内部的防腐设计，也强调使用年限；“常规容器”的连接方式主要采用焊接，属于焊接结构；在材料方面，以上规范标准并没有包含储气井系列材料，如N80、C95、P110等中碳低合金热处理高强度钢；此外，它们还缺少对螺纹连接结构的设计导则和技术要求，缺少螺纹连接结构的技术要求，缺少地下压力容器的技术要求，规定的气密性试验压力、耐压试验合格判据以及评级都不适用于储气井。因此，储气井处于一种“超规范、超标准”的处境。

2）严格地讲，《压力容器定期检验规则》也没有涵盖储气井，这在“释义”中已经说明。同时，也是因为法规标准不完善，以“符合性验证”来定义结论也不适用于储气井。

3）SY/T 6535-2002《高压气地下储气井》已经实施了11年，其中存在很多问题：有的引用标准已经报废；没有结构设计、强度设计、疲劳设计、防腐设计和腐蚀裕量说明；缺少选址详细技术要求；未考虑今后的检测和维护要求；没有井管壁厚偏差技术要求；没有材料性能详细技术要求；指定单一材料TP80CQJ，且其非API 5CT钢级；没有固井质量检测技术要求；SY/T 5587.8《油水井常规修井作业找串封串和验串作业规程》不是针对金属腐蚀进行修复的标准；“严密性试验压力和介质，压力试验压力，一般检测周期为2年、全面检测周期为6年，使用25年报废”等都不符合《固容规》要求；标准编制也不符合压力容器规范体系。此外，规定“最大井斜不大于2°，强度试验及严密性试验合格后应对井筒内进行干燥，无游离水为合格”等都不具操作性，无实际意义。

4）GB 50156-2012《汽车加油加气站设计与施工规范》未对固井质量检测做出规定，要求进行加固处理缺乏充分依据。

2.2 材料方面

储气井虽然属性属于压力容器，但一直以来使用的材料都是石油套管，而非现有法规认可的压力容器材料。表3对比了《固容规》和储气井材料标准在一些方面不同的要求。

表3 石油套管标准与固容规[2]对材料要求的差别

从表3中的对比可以看出，储气井材料标准要远低于《固容规》对材料的要求，因为石油套管的设计和使用是针对油气井的，因此它在保证一定强度的同时，要兼顾经济性，所以多采用C-Mn钢系，而且不对材料的熔炼、成分性能等做过高要求。如果这类材料放置在地面以上使用，肯定是相悖于《固容规》的，但是在地下，由于地层会对储气井造成挤压和摩擦作用，因此当套管受内压膨胀时地层就会对套管产生压应力和拘束力，从而能抵消一部分内载和拉应力；而且，井管都是无缝钢管，几乎没有缺口效应和严重应力集中现象。这些因素都是套管能用于储气井作为压力容器的主要原因，也是“合于使用评价”的重要参考。但总体而言，石油套管作为地下压力容器壳体材料使用还缺乏充分的数据和依据。

2.3 设计方面

设计是保障储气井安全的首要环节，也是保证设备优生优育的关键点。严格地说，早期绝大部分储气井的制造都未经设计或未经客观、合理、科学和完整的设计。即使有的储气井进行了所谓的设计，但往往也是不同地域、不同工况条件下共用一个设计。近期，国家质检部门加强了对储气井的安全监察，储气井的设计状况有所改善，但总的说来，仍存在较多不足之处。

1）缺乏专用理论。储气井经过二十年的发展，人们对它的认识逐渐深入、完整，把储气井作为压力容器进行管理已经无可争议。但是，最初创造储气井的理念并非来自于压力容器，它所采用的建造技术、使用的材料都是来源于石油技术。而且，它不同于一般的压力容器，储气井身处地下，它的外部环境发生了显著变化；还有，材料、结构与连接方式等都与常规容器不同，因此现有的一些压力容器理论就不能完全套用于储气井，有些理论还有待于进一步研究。所以，应该针对储气井的特点，结合使用条件和所处环境，从材料、结构、连接、防腐、失效等几方面入手，建立一套适用于储气井的理论体系。

2）数据不足。现在人们普遍认为储气井也是一种疲劳设备，但到目前为止，对其疲劳载荷的认识还不够充分，主要原因有三点，一是储气井是通过螺纹连接的结构；二是储气井的直线度较差；三是储气井井筒不同井段所受的外部载荷不一样。另外，储气井所使用的是石油套管，而这种材料是一种以强度为主的低合金高强度的热处理强化钢，这种钢的优点是以较低成本便可获得很高的强度，但缺点是塑性和韧性差、焊接性也差，而且由于是经过热处理强化的，所以材料强度的均匀性也欠佳。再有，经过大量的检验实践和事故案例发现，储气井的腐蚀问题一直很严重，但是至今也没有权威的地质勘查和防腐研究的有关资料和数据。总之，储气井在很多方面还存在证据不足或缺乏数据的问题。

3）无专用标准。如本文3.1中对SY/T 6535-2002《高压气地下储气井》的问题分析，该标准对于储气井材料、设计、制造、检验等方面的规定不能完全满足强制性安全技术规范《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求，其对设计、防腐没作任何要求，对材料选用还存在很多争议，对建造的要求又使得制造企业无法满足，因此可以说该标准对指导产品的制造不具有实际意义。现在，多数设计单位在设计储气井时仍然采用GB 150或JB 4732，但是这两个标准对储气井材料的疲劳计算以及防腐还存在较多不足。针对这种现状，国家正组织编写《储气井》国家标准，该标准将对规范储气井产品是一个有力补充。

4）未进行地质勘测和防腐设计。由于储气井是建造在地下，因此地质环境将直接影响储气井的安全性能和使用寿命。众所周知，对于建筑工程和埋地管道工程建造，地质勘测是设计的前提条件，只有在实际建造前获得翔实的地质特性资料，才会对下一步的施工起到重要的指导作用。由于我国幅员辽阔，地质情况差别很大，而不同的地层环境就具有不同的构成和不同的腐蚀特性，因此，在进行储气井建造前在设计的同时就应对地质条件进行勘测，以便于对防腐设计提出有力的依据。然而，据调研以往建造的储气井都没有做过地质勘测，也没有进行有针对性的防腐设计。从大量的检验实践中发现的诸多的储气井腐蚀情况来看，也证明了这一点。

5）无设计准则。《固容规》规定了设计方法，并提出了风险评估要求。规则设计是基于弹性失效准则，不考虑温差应力、边缘应力、交变应力，因此安全系数大；而应力分析设计是基于单项应力分析和塑性失效准则，并借助有限元计算，可对各部位的受力情况精确分析，但对材料性能要求高。然而，由于储气井的材料还没有完整的疲劳曲线，加之螺纹连接的有限元分析难度大，都使得目前的分析设计名不副实。一直以来，由于储气井没有一套完整适用的设计规则，便产生了一个奇怪的现象：按规则设计，但取分析设计的安全系数；或是按照所谓的分析设计，但是却回避了如螺纹连接等很多实质性问题。

6）设计漏洞。除了上文提到没有进行地质勘测和防腐设计外，以往的储气井设计还缺少抗疲劳、连接稳定性、致密性、水泥固井等方面设计。由于设计的随意性，设计压力出现了27.5MPa、26.5MPa、26.25MPa等几种情况。

2.4 制造方面

储气井的制造包括选址、钻井、下管、耐压试验、固井、固井质量检测、气密性试验等技术环节。

1）选址不科学。储气井埋于地下，地层对储气井的影响很大，一些结构复杂或不稳定的地层并不适合制造储气井，如地层断裂带，地表易滑坡地带，地下有暗河、孔洞的地层。这些地层要么会对储气井造成不可预测的影响力，要么会造成水泥的流失或者水分的流失，这在贵州的喀斯特地貌和新疆的砂石地层已得到了验证。因此，选择合适的地质条件制造储气井，对保障储气井的安全非常重要。

2）钻井工艺不完善。储气井不同于常规容器之处的一个显著特点是身处地下，地层就是储气井的基础，钻井的好坏会直接影响井身质量，而井身质量会影响井筒的垂直度和固井质量。储气井的钻井技术借鉴自油气井工程，但由于对浅地层的研究不足以及过多考虑成本，使得储气井的钻井工艺完全没有油气井工程中的钻井工艺成熟。

3）缺少钢管组装工艺评定。对于常规压力容器而言，焊接是必不可少的连接方式，而焊接工艺评定更是保证焊接质量的前提和措施。同样道理，螺纹连接对保证储气井的强度、刚度、致密性也是十分重要的，它应通过调整旋合速度、外露螺纹数、上扣扭矩、机紧圈数、密封脂等来评定连接强度、密封性、抗内压能力等性能。但遗憾的是，至今也没有制造企业开展过螺纹连接工艺评定。

4）缺少固井工艺评定。通过研究和检验实践发现，固井对于储气井十分重要。好的固井质量能起到隔离地层、防止腐蚀、提高整体强度、遏制井筒窜动飞出等作用。到目前为止，制造企业采用过的固井工艺有“井口灌浆法”、“外插管法”、“捆绑胶带法”、“坐固法”和“正循环法”。事实证明，前三种工艺根本无法保证固井质量，因此已被淘汰。后两种工艺虽较前者有了很大进步，但还不够成熟，还经常存在固井质量检测不合格的情况。究其原因，在于储气井的制造地址非常广泛，地质情况千差万别，而制造企业仍然没有进行有针对性的固井工艺设计及评定，以选定不同的注水泥工艺、水泥浆密度、添加剂、水泥候凝试验等。

5）耐用试验与气密性试验不符规范。由于储气井的耐压试验压力系数为1.5，高于“固容规”的规定，但却没有进行强度校核。同样，储气井一般都是使用压缩机进行气密性试验，而多数压缩机的最高额定工作压力为25MPa，而实际工作中往往达不到这个压力。因此，储气井的气密性试验压力实际上小于25MPa，更不用说设计压力了。

2.5 在检验检测方面

1）在固井质量检测方面。由于在“质检办特[2008]637号”文件发布前对储气井缺乏严格的管理规定，几乎所有新制造的储气井都没有被要求进行固井质量检测，结果造成储气井腐蚀严重、事故频发，而且还诱发了弄虚作假的行为。即使现在，仍有些制造企业想逃避责任，置产品质量与安全不顾，不接受固井质量检测。此外，在技术方面，目前还没有专用的储气井固井质量检测评价标准，也没有统一的仪器校验方法。

2）在定期检验方面。定期检验是保障储气井安全的一道屏障，更是国家对特种设备安全的一项强制性要求。但由于种种原因，在“质检办特[2008]637号”文件发布前一直未能真正地对储气井进行过定期检验，主要有三方面原因，一是对储气井的安全不够重视；二是储气井井口结构绝大多数均为不可拆卸形式，制约了检验检测；三是检测技术的缺位，油气井中虽有一些检测深井的技术，但无法直接应用于储气井，而且，有些缺陷检测技术在油气井工程中也没有。如今，随着中国特检院在储气井定期检验工作方面的不断拓展和深入，储气井的定检工作取得了重大进步。但是仍然存在一些尚未解决的问题：如检验机构应具备什么样的的专项资质和条件，对于“超规范、超标准”应如何制定检验方案，如何进行材料评价、损伤评价、强度评价、疲劳评价、寿命评价以及如何降低风险。

3）在监督检验方面。监督检验是特种设备安全管理的一项重要措施。然而，由于储气井在材料、结构、设计、制造等方面超出了现有压力容器规范和标准的范围，因此造成了对材料、设计、制造等方面的监检“无法可依”或“困惑迷茫”的局面。在质检办特[2008]637号文件发布前，出现储气井的监督检验形式大于内容的情况，也就不足为奇了。

3 合于使用评价

储气井属于压力容器，但却使用石油套管材料，采用油气井制造工艺，几乎在各个方面都与“常规容器”迥异不同，因此其存在的失效风险也大不同。为了制定科学、合理、有效的检验方案，进行风险分析是必不可少的前提条件。中国特检院经过长期的探索、研究和实践，运用风险分析手段，发现储气井的损伤模式有腐蚀减薄、冲蚀减薄、机械划伤、挤压损伤、焊接损伤等情况，失效模式也有腐蚀减薄、机械损伤、上冒下沉、泄漏等情况，这些损伤模式和失效模式为制定储气井定期检验策略提供了有力依据。

为了准确判断储气井的缺陷风险和剩余寿命，基于储气井存在“超规范、超标准”的事实，对于检验中遇到或发现的“法规标准引用、资料缺失、资料与实物不一致、材料适用性、设计缺陷、腐蚀减薄、硬度偏低、金相组织不符、土壤腐蚀性强、强度不足、抗疲劳性能差”等诸多问题都需要进行科学、合理、有效的评价。然而，由于储气井不适用于“《固容规》的安全状况等级评定，现有的规范和标准不能提供有效的解决措施。因此，运用“合于使用评价”理念，进行“合于使用评价”便成为唯一选择。

为了做好合于使用评价，中国特检院开展了大量的调研、科研、试验及检验实践工作。首先，对全国的浅表地层做了地质调研，并对土壤腐蚀性进行了布点埋片监测；其次，对2000多台储气井的材质资料进行了统计分析，对500多个接箍进行了抗疲劳和低温冲击等试验测试；还有，对螺纹连接结构进行了有限元计算和仿真分析，对不同结构和材质的储气井进行了整体模拟疲劳和爆破试验。通过以上工作，中国特检院开发出了信息丰富的材料数据库、腐蚀数据库以及制定了材料评价、强度评价、疲劳评价、土壤腐蚀性评价等方法。运用这些研究成果，中国特检院已经完成2600多台在用储气井的定检工作，发现并消除了大量隐患，使储气井得以在合理的范围内安全运行，受到了广大用户的欢迎、认可。

4 储气井的前景

从以上的分析可以看出，储气井还面临着很多悬而未决的难题，如果这些难题不能在短期内有效地解决，将大大影响储气井持续、健康的发展。因此，笔者提出以下建议：

1）针对储气井的材料适用性、结构抗疲劳性、螺纹连接性、地层土壤腐蚀性以及损伤模式和失效模式，在实际检验案例的基础上，开展充分的理论和试验研究，建立适用于储气井的技术理论体系。

2）针对储气井的技术特点，尽快在压力容器安全技术规范中补充对地下压力容器的规定，使储气井有法可依。

3）推进标准编制工作，建立储气井产品国家标准以及检验检测标准，为储气井的制造、检验和市场开发提供依据并储蓄动力。

4）针对储气井的损伤模式和失效模式，加快研究检验检测技术，做到有隐患能发现、不漏检、检的准。

5）深入研究储气井的缺陷修理技术和降险措施，减少或避免储气井的降压或停用。

6）完善和优化设计，为制造提供充分的依据。同时，提高制造水平，促进螺纹连接、水泥固井等技术的进步。

7）不断创新，研究和开发新型储气井结构。这里笔者提出两个示例，图2为双管结构储气井，图3为瓶式储气井，这两种储气井将很容易解决固井质量不合格以及外部腐蚀的难题。因为结构有保证，当采用水泥固井时，则很容易保证固井质量；或者不使用水泥固井，也可以有效避免外部腐蚀，从而消除了储气井的最大损伤风险。

图2 双管结构储气井

图3 瓶式储气井

5 结束语

经过二十年的发展，储气井已成功进入到汽车加气站、民用调峰站、工业储气库等领域，尤其在“637号文件”发布以来，更进一步推动了储气井的发展。可以说，储气井为我国清洁能源战略的实施以及城市交通、环境保护、节能减排做出了巨大贡献。尽管储气井还存在着一些问题，但应该用发展的眼光来考量。储气井的发展需要全社会的协同，既要不断提高在材料、设计、制造、检验、修理、降险等方面的技术水平，也要不断完善法规标准体系和监管体系，更需要全社会的理解和支持。储气井具有鲜明的特色，是一类典型的地下压力容器，它为我国乃至世界承压设备的发展提供了一个新思路，也创造了一个中国奇迹。

1 陈祖志,石坤,李邦宪.储气井设计问题的探讨[J].压力容器, 2012,29(2):49~55,60

2 寿比南等.TSG R0004－2009 固定式压力容器安全技术监察规程[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

国家科技支撑计划项目(2011BAK06B03-02)

石坤（1971～）高级工程师，气装部储新室主任，从事不停车，不拆保温层脉冲涡流技术腐蚀检测和地下压力容器储气井理论研究及检验检测等工作。

2013－11－26）