加氣站儲(chǔ)氣井建設(shè)中對(duì)地下水環(huán)境的保護(hù)措施

薛紅云

(山西凱爾環(huán)保科技有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

在油價(jià)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(yīng)用亦將成為趨勢(shì)。目前，隨著天然氣管網(wǎng)建設(shè)范圍的不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的加氣站在各地的建設(shè)也在急速增加，而加氣站最主要的儲(chǔ)氣設(shè)施是儲(chǔ)氣井。儲(chǔ)氣井以其占地面積小，經(jīng)濟(jì)性好，安全系數(shù)高，運(yùn)行可靠，具有其他儲(chǔ)氣方式無可比擬的優(yōu)越性。但由于各地地下結(jié)構(gòu)的不同，儲(chǔ)氣井對(duì)地下水環(huán)境影響成為項(xiàng)目環(huán)評(píng)關(guān)注的重點(diǎn)。本文針對(duì)加氣站儲(chǔ)氣井建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響進(jìn)行了分析，探討儲(chǔ)氣井建設(shè)中有效可靠的環(huán)境保護(hù)措施以保護(hù)地下水環(huán)境。

1 儲(chǔ)氣井建設(shè)的基本情況

儲(chǔ)氣井打井工藝源于石油、天然氣鉆井技術(shù)。建造時(shí)，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(shí)行全井段固封，徹底隔離地層(土壤、地下水及腐蝕介質(zhì))與套管的接觸，然后安裝井口裝置和排污裝置，形成一個(gè)壓力容器。一般情況下，儲(chǔ)氣井的工作壓力不大于25 MPa，設(shè)計(jì)井深為100 m～500 m，公稱容積為1 m3～40 m3，標(biāo)準(zhǔn)單井儲(chǔ)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(chǔ)氣井建設(shè)對(duì)地下水影響分析

儲(chǔ)氣井施工建設(shè)期對(duì)地下水的環(huán)境影響主要是打井過程中對(duì)地下水的影響。近年來根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，各地均改變了傳統(tǒng)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(nèi)插管正循環(huán)固井方法建設(shè)儲(chǔ)氣井。

目前常用的儲(chǔ)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(jìn)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(shè)計(jì)井深，在此過程中不斷注入泥漿，起冷卻鉆桿和潤(rùn)滑的作用。泥漿返回地面泥漿池循環(huán)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(shè)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(nèi)進(jìn)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(tǒng)固井方法采用的是由上向下灌注水泥漿的方式進(jìn)行固井，但由于井筒與基礎(chǔ)井壁間環(huán)空狹窄，水泥漿不易從井口通過環(huán)空到達(dá)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(shí)現(xiàn)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(nèi)插管正循環(huán)專利固井方法進(jìn)行固井，可以形成均勻且緊密的水泥包覆層，保證固井質(zhì)量。

固井采用專用的G級(jí)固井水泥(堵塞水泥)固井后，套管外側(cè)環(huán)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(nèi)的水泥經(jīng)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(chǔ)井壁間環(huán)空空隙，進(jìn)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(zhì)量。當(dāng)井口的水泥均勻溢出時(shí)，關(guān)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(shí)現(xiàn)二次密封。

2.4 后期管件安裝工序

最后安裝上下法蘭，進(jìn)行強(qiáng)度試壓(37.5 MPa)，下排污管，安裝連接管件，采用空氣進(jìn)行氣密性測(cè)試(25 MPa)。儲(chǔ)氣井剖面圖見圖1。

圖1 儲(chǔ)氣井剖面圖

這種固井技術(shù)將儲(chǔ)氣井套管的外壁與井壁之間通過高強(qiáng)度水泥砂漿凝固聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體，不但能很好地隔絕地層中腐蝕介質(zhì)和地下水與套管外壁的接觸，而且有效地提高了儲(chǔ)氣裝置的強(qiáng)度與剛性。經(jīng)考察，采用這種固井技術(shù)的儲(chǔ)氣裝置，還沒有發(fā)生過套管上竄下滑的現(xiàn)象。另外，采用這種固井技術(shù)能夠直觀地檢查固井效果。因此，這種固井技術(shù)值得推薦與應(yīng)用。

為了防止、減緩對(duì)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(hù)來進(jìn)行綜合防護(hù)，以加強(qiáng)防腐蝕效果。

由于儲(chǔ)氣井建設(shè)采用的是自下而上灌注水泥漿的內(nèi)插管正循環(huán)專利固井方法進(jìn)行固井，可以形成均勻且緊密的水泥包覆層，保證固井質(zhì)量，儲(chǔ)氣井施工過程中使用高標(biāo)號(hào)水泥，高標(biāo)號(hào)水泥能在短時(shí)間內(nèi)凝固，很好地隔絕地層中腐蝕介質(zhì)與地下水及套管外壁的接觸。且儲(chǔ)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(huì)對(duì)地下水流動(dòng)產(chǎn)生影響，因此儲(chǔ)氣井建設(shè)施工過程中對(duì)地下水的保護(hù)措施主要是固井工藝的選擇。

3 運(yùn)營(yíng)期儲(chǔ)氣井對(duì)地下水影響分析

運(yùn)營(yíng)期對(duì)地下水可能產(chǎn)生的影響主要是儲(chǔ)氣井套管腐蝕破壞導(dǎo)致儲(chǔ)氣井中天然氣及積液和腐蝕液進(jìn)入地下水對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生的影響。

近年來在高壓儲(chǔ)氣井的實(shí)際建設(shè)和運(yùn)行過程中，各地積累了許多經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)提出了壓力儲(chǔ)氣井在施工及運(yùn)行過程中需要注意和改進(jìn)的問題如下:

1)固井質(zhì)量的保證。固井質(zhì)量差，導(dǎo)致套管隨著儲(chǔ)氣井內(nèi)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(xiàn)象嚴(yán)重。從目前的應(yīng)用情況來看，如果高壓儲(chǔ)氣井套管下部完全或部分浸泡于腐蝕介質(zhì)中，其使用壽命一般在10年以內(nèi)。四川某加氣站，壁厚為10.36 mm的高壓儲(chǔ)氣井運(yùn)行僅6年就發(fā)生了裂管現(xiàn)象，套管因長(zhǎng)期被腐蝕而導(dǎo)致最薄處的厚度僅3 mm，而套管內(nèi)壁卻完好無損，沒有一點(diǎn)腐蝕痕跡。2)高壓儲(chǔ)氣井主體套管的質(zhì)量要求。套管不符合相關(guān)技術(shù)要求或施工單位在施工期間不能按照設(shè)計(jì)進(jìn)行加工，任意改變相關(guān)技術(shù)參數(shù)，使儲(chǔ)氣井主體套管質(zhì)量不符合相關(guān)技術(shù)要求，造成腐蝕曝裂。3)排液管排液是否順暢。高壓儲(chǔ)氣井因排液管堵塞而導(dǎo)致儲(chǔ)氣井內(nèi)部積液現(xiàn)象比較常見，因此，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行管理，特別是配置有氣體壓縮機(jī)的加氣站，必須經(jīng)常檢查排液管排液是否順暢，避免因積液腐蝕套管內(nèi)壁而導(dǎo)致使用壽命縮短或其他事故的發(fā)生。4)檢測(cè)口是否滿足檢測(cè)條件。按標(biāo)準(zhǔn)要求，儲(chǔ)氣井必須定期進(jìn)行全面的無損探傷和測(cè)厚檢測(cè)，全面檢測(cè)周期為6年，而實(shí)際上多數(shù)儲(chǔ)氣井并未預(yù)留檢測(cè)口或預(yù)留的檢測(cè)空間太小，不能滿足檢測(cè)要求。5)天然氣質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)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(huì)腐蝕鋼管內(nèi)壁，久而久之，便會(huì)誘發(fā)氫脆現(xiàn)象，影響高壓儲(chǔ)氣井的使用壽命。因此，應(yīng)進(jìn)行成分測(cè)定并作相應(yīng)處理。

根據(jù)以上建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在儲(chǔ)氣井運(yùn)營(yíng)過程中的主要環(huán)保措施是加強(qiáng)防腐措施。

4 儲(chǔ)氣井建設(shè)對(duì)地下水保護(hù)措施

針對(duì)儲(chǔ)氣井施工和運(yùn)營(yíng)過程對(duì)地下水產(chǎn)生的影響，本文總結(jié)了以下地下水環(huán)境保護(hù)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(nèi)插管正循環(huán)固井方法進(jìn)行固井，保證固井質(zhì)量。且在固井過程中采用專用的G級(jí)固井水泥(堵塞水泥)固井后，套管外側(cè)環(huán)狀水泥層厚50 mm左右，以確保對(duì)地下水的封堵效果。

2)高壓儲(chǔ)氣井主體套管質(zhì)量應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)要求。壓力容器由相關(guān)設(shè)計(jì)單位按國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工制造，施工期間不得任意修改各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。套管應(yīng)有質(zhì)量證明書、試壓報(bào)告、檢驗(yàn)合格證等有效證明文件。同時(shí)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(hù)來進(jìn)行綜合防護(hù)，以加強(qiáng)防腐蝕效果。

3)定期進(jìn)行檢測(cè)。儲(chǔ)氣井建設(shè)預(yù)留滿足檢測(cè)的檢測(cè)口，定期進(jìn)行全面的無損探傷和測(cè)厚檢測(cè);安裝報(bào)警裝置，設(shè)專人定期對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)常檢查排液管排液是否順暢，避免因積液腐蝕套管內(nèi)壁而導(dǎo)致使用壽命縮短或其他事故的發(fā)生。

4)運(yùn)營(yíng)期加強(qiáng)壓縮天然氣氣質(zhì)檢測(cè)。若沒有游離水進(jìn)入儲(chǔ)氣井，即使有H2S等腐蝕介質(zhì)存在，也不會(huì)發(fā)生井筒內(nèi)壁腐蝕。因此，控制游離水含量是防止內(nèi)壁腐蝕的關(guān)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(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行脫水裝置的再生，沒有及時(shí)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(duì)天然氣的水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控很有必要，此外要及時(shí)更換被污染的分子篩。

5)當(dāng)儲(chǔ)氣井套管發(fā)生腐蝕破壞和固井質(zhì)量問題時(shí)，立即切斷壓縮機(jī)與儲(chǔ)氣井間的充氣閥，將發(fā)生腐蝕破壞或固井問題的儲(chǔ)氣井內(nèi)天然氣及時(shí)轉(zhuǎn)輸?shù)搅硗獾膬?chǔ)氣井中，防止天然氣繼續(xù)泄漏，并按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行事故處理。

6)當(dāng)儲(chǔ)氣井達(dá)到使用年限時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)廢。儲(chǔ)氣井套管使用年限為15年，使用年限到期應(yīng)及時(shí)報(bào)廢，并對(duì)井內(nèi)積液進(jìn)行及時(shí)處置，防止泄露污染地下水。

5 結(jié)語

加氣站儲(chǔ)氣井以其占地面積小，經(jīng)濟(jì)性好，安全系數(shù)高，運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)在加氣站建設(shè)中被廣泛運(yùn)用。如采取合理的固井工藝，加強(qiáng)施工管理，加強(qiáng)運(yùn)管檢測(cè)管理，采取有效的套管防腐措施，在儲(chǔ)氣井的施工和運(yùn)營(yíng)過程中，儲(chǔ)氣井建設(shè)對(duì)地下水產(chǎn)生的影響可降到最低。

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