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山西國新科萊天然氣有限公司
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CNG加氣站地下儲氣井的實踐和發展

瀏覽次數: 日期:2017年8月3日 11:24

摘要:

中國天然氣汽車的發展歷程充分說明,天然氣汽車加氣站儲氣方式的多樣化和儲氣技術的完善和提高,是天然氣汽車產業發展的基礎。
  CNG加氣站的儲氣,從儲氣方式看,80年代是地面儲氣瓶儲氣,到90年代中期四川開發出了地下井式儲氣;從地面儲存容器上看,既有小氣瓶組,也有大型氣瓶組,四川還開發了大型焊接儲存容器。這些儲存方式和儲存容器的開發,促進了天然氣汽車產業的發展。
  CNG加氣站的高壓儲氣系統,國內外以前一般采用的是高壓地面儲存裝置。由于都是高壓容器,多數又安裝在地面,對產品質量、安裝質量或維修使用要求很高,任何一個環節出現問題,都會造成惡性安全事故;地面儲氣占地面積較大。尤其在大中城市建設CNG加氣站這些問題更顯突出。
  于是,我們利用石油系統成熟的鉆井、儲存與生產技術、經驗相結合,采用地下井儲存高壓天然氣的方式。
  我們首先在華油天然氣股份有限公司的榮縣CNG加氣站應用鉆井工藝,打井儲氣。首批地下儲氣井投產后,在總結經驗的基礎上,又在華油天然氣股份有限公司的7個CNG加氣站上擴大使用,使儲氣井的工藝技術不斷完善和提高。由于儲氣井儲氣與氣瓶儲氣相比,優點突出,很受歡迎,于是迅速在自貢、內江、宜賓、隆昌、瀘州、重慶、大足推廣。近幾年,該項技術得到了進一步的完善和提高,并推廣到廣漢、綿陽、德陽、成都、新都、新疆、上海等地,深受用戶的好評,現已在40個CNG加氣站打儲氣井240口,全部投產一次成功。最早的儲氣井已安全使用8年,至今無一安全事故。99年被四川省人民政府評為“99四川名優特新博覽會‘金'獎”稱號。實踐證明,地下儲氣井是CNG站經濟適用、安全可靠的高壓儲氣方式。國家建設部已將此技術列入行業標準CJJ84-2000《汽車用天然氣加氣站技術規范》中,并以建標[2000]83號通知自2000年7月1日起強制執行。
  一、儲氣井安全可靠。
  地下儲氣井是通過鉆井、下套管、固井按石油鉆井規程完成的一套石油鉆井工藝成果。中國的天然氣工業已有四十多年歷史,如自貢被國務院命名為“功勛氣井”的自二井已產氣45億立方米天然氣,H2S含量(80mg/m3),每日帶水近70立方米的惡劣生產環境下已連續使用三十多年,至今該井還以每天6萬方產氣量正常生產。川東地區的氣井壓力多在40-50MPa,H2S含量平均2-4克/m3,井深4000-5000米,上百口井,已安全生產幾十年。
  儲氣井采取鉆井下套管的方式將氣井井身埋于地下,井口只留下進、出氣、排污及壓力表系統。一口深度為100米(經濟井深)的儲氣井可存儲500-1000立方米天然氣,一座日產10000-15000立方米的加氣站需打6口儲氣井。儲氣井儲氣能力大,占地面積小,操作簡便,安全可靠,而且運行費用低,是目前川渝兩地和許多省外CNG站儲氣方式的首選方案之一。
  (一)設計原則
  CNG加氣站地下井儲氣執行CJJ84-2000J22-2000《汽車用燃氣加氣站技術規范》及GB3165《石油井口裝置》做到安全、經濟。
  (二)儲氣井工藝設計
  CNG加氣站儲氣井分三組設置:分別為高壓組、中壓組、低壓組;設計壓力32MPa,額定工作壓力為25MPa。井身結構:井深為80-150米,套管上、下底封頭與套管采用管箍連接,封頭采用優質碳素鋼材、套管底封頭腐蝕裕量大于5mm,套管與井底、井壁空間用水泥漿固井。儲氣井井口設進出排氣口;為排除井內積液,從井口下排液管至井底,通過氣壓排液;經脫硫、增壓、深度脫水后的天然氣從井口進氣端輸入井內,從井口排氣端輸出,充裝CNG汽車。
  (三)儲氣井力學分析和評估
  經過中國成達化學工程公司(化八院)使用NASTRAN軟件,對儲氣井結構進行全面力學分析,完全達到設計要求。
  (四)材料選擇
  1.套管
  套管選用N80鋼級以上的石油套管。該型套管是為了滿足石油、天然氣勘探開發設計的抗硫專用套管。套管的連接采用API標準螺紋扣。采用NASTRAN軟件,把儲氣井分為9956個單位,20803個節點進行了全面計算和評估。
  7"套管總體薄膜應力為:
  Pc(Di+δ)/2δ=25.6×(160.28+8.36)/2
        ×8.36
        =258.20Mpa
  按應力強度最大的端點分析結論如下:
應力分類 強度校核 評定結果
總體薄膜應力  S1=258.20<KStm =278.47MPa 通過
局部薄膜應力  S2=261.01<1.5KStm =417.70MPa 通過


  2.井底封頭
  井底封頭選用30CrMo鍛件加工制作,采用API標準螺紋與套管連接。井底封頭總體薄膜應力為:
  Dc(Di+S)/48=25.6×(160十20)/4×120=57.60MPa
  按應力強度最大的端點分析結果如下:
應力分類 強度校核 評定結果
總體薄膜應力 S1=57.60<KStm =278.47MPa 通過
局部薄膜應力 S2=57.60<1.5KStm =417.70MPa 通過


  3.井口封頭
  井口封頭選用30CrMo鍛件加工制作??傮w薄膜應力為:
  Dc(Di+δ)/2δ=25.6×(80+49)/2×49=33.70MPa
  分析評定結果如下表:
應力分類 強度校核 評定結果
總體薄膜應力 S1=33.70<KStm =278.47MPa 通過
局部薄膜應力 S2=33.70<1.5KStm =417.70MPa 通過


  4.危險點的疲勞評定
  套管螺紋部分允許循環次數為:1.90603×104, 接箍允許循環批次數為:2.21329×105,套管允許循環次數為:2.79376×105,短節允許循環次數為:4.09525×104。從以上危險點的疲勞評定可以看出:最低指標表明儲氣井壽命可達26年以上。
  (三)工藝及安裝
  1.儲氣井為儲氣壓力≤25.0MPa的高壓CNG氣體及液化氣儲存系統。
  2.儲氣井設計壓力32MPa,額定工作壓力為25.0MPa。為了提高儲氣井取氣率,宜按1:2:3容積比分為高、中、低壓三組。
  3.儲氣井需設進氣口、排氣口、壓力表和安全閥。
  4.為了使井內氣體隨時保持干燥,儲氣井需設排液管,排液管選用Φ14-Φ18無縫鋼管。
  5.儲氣井平面布置按有關規定執行,但宜布置在靠近增壓機房與充氣島之間,工藝流向合理,接管方便。
  二、儲氣井是最經濟的一種儲氣方式。
  根據中華人民共和國行業標準《汽車用燃氣加氣站技術規范》中多項條款規定,采用儲氣井方式,其安全、消防間距等都最經濟。
  1.“采用井管貯氣和地上壓縮機間的加氣站可不設消防給水”。采用儲氣井可省去需自設消防給水池(并且按20L/S連續3小時火災時間計算水池容量,即為216立方米),動力備用柴油機及防爆墻等開支(在土地珍貴的大城市水池一項建設就需幾十萬元)。
  2.儲氣井占地面積小。氣瓶儲氣,至少要30多m2的氣瓶庫房,即使大罐儲氣,占地面積也不低于10-15m2;而儲氣井最多只要3-5m2占地面積即可,節約了大量占地和費用。
  3.儲氣井運行成本低。儲氣井是一種免維護設備,根據中國成達化學工程公司(化八院)計算結論:“此高壓儲氣井的有限元分析結果表明,此設備按JB4732進行設計評定,滿足強度要求,氣井埋于地中部分最大壓力允許次數為1.90630E4次,頂部短節可用到4.09525E4次。”按此結論,儲氣井可用26年,投資者可減少每年的維護檢測費用。
  三、有關專家關心的幾個問題。
  1.關于井口裝置。
  我們在所使用的儲氣井系統中,按照國家現行井口裝置標準進行配置,無一處采用過平蓋焊接的連接方式。整個儲氣井系統均按標準采用的是絲扣及法蘭連接方式,是安全可靠的。
  2.關于儲氣井套管的強度問題。
  儲氣井連接方式為API標準螺紋連接。該儲氣井強度遠大于"規范"規定值,而且外壁有水泥固井,是完全符合安全和強度要求的。
  3.關于固井質量問題。
  采用石油鉆井固井工藝,水泥漿經循環后填滿整個井壁環行空間,固井質量是可靠的。
  4.強度和密封性及定期檢驗。
  石油工業中對氣井的強度和密封性以及定期檢驗也是一種常規性的工作方法。對儲氣井采用VST對井下檢驗,能及時發現強度和密封性方面的缺陷。
  5.排水方法:
  該井排水是采用下插排水管至井底利用壓差排水方法,排水方便徹底。
  結論語:
  儲氣井安全、經濟、方便、恒溫、排水徹底、抗靜電,即使發生故障不會產生惡性后果。
  經國家法定部門鑒定認為:
  高壓儲氣井的有限元分析結果表明,儲氣井按JB4732進行設計評定,滿足強度要求,氣井埋于地下部分最大壓力允許次數為1.90630×104,頂部短節可用到4.09525×104次。
  CNG加氣站壓縮天然氣儲氣井試驗項目的研究、設計、施工、試驗是成功的。儲氣井裝置符合有關技術標準要求。作為一種新的儲氣方式進入CNG加氣站建設市場,必將推動CNG/NGV產業的發展。

所屬類別: 技術前沿

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