CNG井式儲(chǔ)氣庫井下泄漏與安全工作研究

張曉德　鄭連明

摘要：本文主要是針對(duì)于CNG井式儲(chǔ)氣庫在建設(shè)過程中以及投入使用以后可能出現(xiàn)的三種泄漏狀況以及相應(yīng)的處理模型展開了分析和說明，并通過具體的計(jì)算來為CNG加氣站的建設(shè)、使用以及安全生產(chǎn)提供理論上的支持。

關(guān)鍵詞：CNG井式儲(chǔ)氣庫井下泄漏安全工作

中圖分類號(hào)：TE972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（c）-0098-01

1CNG井式儲(chǔ)氣庫井下泄漏與安全工作分析的必要性

CNG加氣站最為主要的用途就是為燃?xì)馄嚰託?，一般位于一些人口密集度較大且交通便利的位置，但其工作的介質(zhì)則是易燃易爆的壓縮天然氣（CNG），且工作壓力比較高，正是因?yàn)檫@樣，我們就有必要對(duì)其安全加以保障，一方面是盡量避免不良事故的發(fā)生；另一方面就是事故萬一發(fā)生我們消防工作人員還是能夠在較短的時(shí)間內(nèi)予以及時(shí)有效的控制。從本質(zhì)上來說，井式儲(chǔ)氣庫比氣瓶?jī)?chǔ)存氣庫要安全的多，但是在使用的過程當(dāng)中仍然存在著較多方面的不足，主要就是因?yàn)楦邏簹怏w泄漏所造成的儲(chǔ)氣井管串上升或者是下降的狀況，而在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中如果不加以控制和處理的話，就會(huì)造成更加嚴(yán)重的連接管線破裂或者是拉斷現(xiàn)象，大量高壓氣體將從儲(chǔ)氣井內(nèi)噴出而造成火災(zāi)或者保障事故。

2井下泄漏工況模型的建立

上文中已經(jīng)明確的指出，在實(shí)際的環(huán)境條件下，井式儲(chǔ)氣庫在建設(shè)以及使用過程當(dāng)中主要出現(xiàn)的是以下三種類型的泄漏，我們的分析和討論也正是圍繞這樣三個(gè)方面展開和進(jìn)行的。

（1）在儲(chǔ)氣庫投入使用之前在其井筒內(nèi)進(jìn)行試壓作業(yè)的過程中，試壓的壓力應(yīng)當(dāng)為38MPa，此時(shí)一旦發(fā)生泄漏狀況，就是導(dǎo)致整個(gè)井筒的內(nèi)外均充滿壓力為38MPa的水，這也就意味著，對(duì)于整個(gè)井筒而言，其內(nèi)擠壓力和外擠壓力均保持為38MPa。

（2）已經(jīng)投入使用并在使用過程中的儲(chǔ)氣井發(fā)生泄漏狀況，這樣一種狀況下整個(gè)井筒的內(nèi)外都會(huì)充滿天然氣，在最為極端的狀況下內(nèi)外壓力都為25MPa。

（3）最后一種就是還沒有投入使用的井式儲(chǔ)氣井受到附近儲(chǔ)氣井泄漏影響，在這樣一種現(xiàn)實(shí)的狀況下，我們可以認(rèn)為這一沒有使用的儲(chǔ)氣井井筒內(nèi)部的壓力為零，但是井筒外的極限壓力則為25MPa。

在這里針對(duì)于上文中具體提到的三種情況來對(duì)CNG井式儲(chǔ)氣庫井下泄漏的模型進(jìn)行構(gòu)造和分析，在一定程度簡(jiǎn)化儲(chǔ)氣井井筒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步的分析和構(gòu)造出三種泄漏情況的工況模型。在工況模型中，可以通過施加不同大小的壓力來較為準(zhǔn)確的模擬出各種類型的泄漏情況來。在經(jīng)過上述模型構(gòu)造的處理以后，我們還可以進(jìn)一步的根據(jù)有限元計(jì)算來得到沿套管壁厚的節(jié)點(diǎn)上頂力，在這其中，將從內(nèi)壁開始到外壁的真實(shí)厚度作為橫坐標(biāo)，將壁厚上的節(jié)點(diǎn)的上頂力作為縱坐標(biāo)，經(jīng)過一系列模擬和分析就不難發(fā)現(xiàn)，無論是那種類型泄漏所產(chǎn)生的上頂力在從套管內(nèi)壁到套管外壁的上頂力都是變化的，且其變化的基本規(guī)律就是套管內(nèi)壁和外壁上的節(jié)點(diǎn)上頂力都比較下，但是在其壁厚的中心位置上則相對(duì)比較大。正是因?yàn)檫@樣一種實(shí)際的現(xiàn)象以及分析結(jié)果，我們最終得出以下結(jié)論：在第一種類型和第二種類型泄漏中，套管壁厚各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的上頂力都是明顯小于第三種泄漏類型中同樣位置處的上頂力的。

我們?cè)趯?duì)各種情況下井筒上頂力進(jìn)行計(jì)算和分析時(shí)，可以直接將沿壁厚方向上的上頂力直接相加。經(jīng)過試驗(yàn)、計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，在試壓作業(yè)中產(chǎn)生的泄漏和儲(chǔ)氣井儲(chǔ)氣狀態(tài)下產(chǎn)生的泄漏所產(chǎn)生的上頂力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未用儲(chǔ)氣井受附近儲(chǔ)氣井泄漏影響所產(chǎn)生的上頂力。

3泄漏情況下的安全性分析

我們?cè)趯?duì)泄漏情況的安全性進(jìn)行分析之前，首先就需要明確井式儲(chǔ)氣庫最大的安全隱患所在，這樣才能夠保證在實(shí)際情況下能夠予以良好的控制和處理。經(jīng)過相關(guān)方面的研究和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，井式儲(chǔ)氣庫最大的安全隱患就在于套管連接螺紋和套管底部密封的失效，這樣兩種狀況都將導(dǎo)致天然氣的泄漏，在泄漏的過程當(dāng)中高壓天然氣又會(huì)進(jìn)一步的將套管擠毀或者是將套管本身頂出地面，這無論從經(jīng)濟(jì)角度還是技術(shù)角度來將都是非常不利的。

天然氣在發(fā)生泄漏以后，就會(huì)沿著一切空隙不斷上升，充滿整個(gè)套管的底部或者是水泥環(huán)之間的間隙，這會(huì)使得套管受到較大的向上的作用力。我們對(duì)這樣一個(gè)過程中限制套管頂出地面的因素進(jìn)行分析：一是因?yàn)樵谔坠芎退喹h(huán)之間存在著一定的膠結(jié)強(qiáng)度；二是因?yàn)樘坠鼙旧硎桥c井口直接連接的；三是套管和天氣然自身具有一定的自重；四是因?yàn)樘坠芙庸渴乔度氲剿喹h(huán)當(dāng)中去的。

我們就是根據(jù)這樣一種狀況來建立更加準(zhǔn)確和明晰的力學(xué)模型，以此來進(jìn)行套管載荷以及約束的計(jì)算，以這樣一種計(jì)算結(jié)果來判斷天然氣能夠?qū)⑻坠茼敵龅降孛嬷稀Ｔ谶M(jìn)行計(jì)算的過程中，為方便計(jì)算，我們?cè)诮⒘W(xué)模型之前給出兩個(gè)基本的假設(shè)條件：第一點(diǎn)就是要忽略掉管內(nèi)天然氣的自重；第二點(diǎn)就是要忽略掉套管與水泥環(huán)之間的膠結(jié)強(qiáng)度和摩擦阻力，實(shí)際上，這樣兩個(gè)方面的忽略是有利于安全性能保障率的增高的。

4實(shí)例分析

4.1 試壓作業(yè)時(shí)泄漏的安全性

根據(jù)上文中詳盡的說明和分析并結(jié)合相關(guān)方面的資料我們就可以看到，試壓作業(yè)時(shí)泄漏的上頂力是379.7kN，結(jié)合其他數(shù)據(jù)可計(jì)算得最終的單級(jí)套管接頭承載能力為149.6kN，兩者的比值為2.54，由此可知在實(shí)際的工程條件下需要水泥漿封固三個(gè)單根，使得套管接頭承載。

4.2 正在儲(chǔ)氣的儲(chǔ)氣井發(fā)生泄漏時(shí)的安全性

根據(jù)前文所述的有限元計(jì)算軟件可算得正在使用的儲(chǔ)氣井在發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的上頂力為249.8kN，其余的參數(shù)和上一種情況基本上保持一致，最終計(jì)算得到的比值為1.67，由此就需要水泥漿固封兩個(gè)單根，并使得套管接頭承載。

4.3 未使用儲(chǔ)氣井受到臨近井泄漏影響時(shí)的安全性

根據(jù)前文所述的有限元計(jì)算軟件可算得未使用的儲(chǔ)氣井受到臨近井泄漏時(shí)產(chǎn)生的上頂力為724.3kN，其余的闡述和上兩種情況基本上保持一致，最終計(jì)算得到的比值為4.84，因此需要五根單根，并使得套管接頭承載。

5結(jié)語

本文主要是通過有限元計(jì)算軟件對(duì)CNG井式儲(chǔ)氣庫建設(shè)和使用過程中可能出現(xiàn)的三種問題以及其相應(yīng)的處理方法展開了說明和分析，這樣一種分析和探討對(duì)于我們消防人員的事故預(yù)防和事故處理都有著較好的指導(dǎo)作用。

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