专利名称：一种高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体及其成型方法
技术领域：
本发明属于高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体及该井筒体的成型方法，特别是一种含储气筒层、水泥保护加强层及外筒体保护层的用于高压燃料气地下储气的井筒体，以及该井筒体的成型方法；采用本发明高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体储存高压燃料气，可确保储气筒层外表面被水泥均匀包覆并与外筒体紧固成一体，从而可在增强储气筒体的强度的同时、有效避免储气筒体被地下水及有害性气体腐蚀，确保地下储气井长期安全、可靠运行。
背景技术：
目前，在CNG(压缩天然气)供应站及城市燃气调峰站，已普遍采用地下储气井储存高压天然气。此类储气井深一般为50 200m，井筒与井壁之间的理论间隙一般不到
3.0cm，加之采用地质钻探开设的基础井垂直度差、井壁凹凸不平，储气井筒又为钢性；而传统采用单筒体的储气井由于在固井过程中泥浆不可能将井筒体外表面完全包裹，加之地层的结构缺陷亦会导致灌入基础井内的水泥浆非正常失水和漏失，最终造成包裹井筒的水泥层出现空洞和缝隙。一旦包裹井筒的水泥层有缺陷，地下水将通过其空洞或/和缝隙渗透到井筒体外表面、而使井筒体外表面发生局部腐蚀。公告号为CN2281418y、名称为《高压气地下储气井》，以及公告号为CN1384308A、名称为《地下储气井井筒的固定方法》和公告号为CN1952466A、名称为《地下储气井井筒及其固定方法》的专利文献所记载的技术即属于此类单筒体的储气井井筒及此类储气井筒体的固定方法。采用上述单筒体的储气井井筒，无论采用前者从上向下灌浆、还是采用后两者改进后的由下向上灌浆，均不可能在固井过程中使水泥浆完全包裹井筒体的外表面，因而在使用过程中仍存在井筒易发生松动、腐蚀，最终造成储气井上下窜动、转动，特别是在环境温度变化大或井筒发生断裂的情况下、严重时井筒会突然冲出地面，既影响正常使用、又影响使用寿命，还将对设备及工作人员的安全造成潜在威胁等弊病。针对上述技术所存在的弊病，在公告号为CN200940768Y、名称为《双管地下天然气高压储气井》的专利文献公开了一种由内、外两层套管组成的储气井井体，其内层套管和外层套管之间由内外井固定栓连接；该储气井井筒的固定方法是首先对地钻出井眼(即钻基础井)、外层导管下入井中，随后通过外导管向外压注油井水泥浆液，油井水泥浆液沿外套管的外壁由下往上直至紊流返出地面后，清理外导管内的水泥，再下内套管， 固定内外层导管即可。该技术的井筒体虽然采用了内、外两层套管，并通过外层套管与基础井固定；但由于外层套管与基础井之间仍采用传统方法固定、因而外层套管仍存在使用时间长后管(筒)体易腐蚀穿孔，一旦穿孔地下水及有害气体便会渗透到内层套管和外层套管之间的腔体中、直接对内层套管(即储气井筒)造成危害；此外、内外层导管采用可拆卸固定，其密封效果亦差，雨水及地表水也易渗到两套管筒体之间的空间内、直接对内层套管造成危害；而且由于其内层套管(储气筒体)是悬空吊在外层套管的腔体中、深达IOOm左右的内层套管的管壁无任何物体的约束，因而在使用过程中随荷载变化内层套管(储气筒体)的涨、缩幅度也更大，即在使用过程中内层套管所受的交变荷载对储气筒体的影响比对传统单筒体储气井筒的影响更大、储气筒体也更容易发生疲劳破坏，特别是储气筒连接套部分的联接螺纹更容易失效、发生燃料气体泄漏等；该技术虽然可较传统采用单筒体的储气井的使用寿命相对较长，但仍难以达到国家标准所规定的质量及使用年限的要求；因此上述专利技术仍然存在固井效果和可靠性差、不能完全隔离地下水等对储气井筒体的腐蚀，难以达到国家标准所规定的质量及使用年限的要求，且使用过程中随载荷变化其内层套管(储气筒体)易发生疲劳破坏，因而储气井井筒在使用过程中仍存在发生燃料气体泄漏、储气井筒体发生断裂或爆炸的安全隐患，以及使用寿命短等弊病。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术存在的弊病，研究设计一种高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体及其成型方法；以克服背景技术在使用过程中存在的缺陷及安全隐患，达到有效提高固井效果，确保地下储气井的储气及运行的安全性、可靠性，延长其使用寿命，有效防止储气井筒体在使用过程中被地下水腐蚀、井筒断裂或爆炸事故的发生等目的。本发明多层储气井筒体的解决方案是针对双管地下天然气高压储气井使用过程中所存在的弊病，在内层储气筒与外筒体之间增设一水泥保护加强层，该保护加强层既将储气筒体外表面紧密包裹、又将内层储气筒与外筒体紧固连接成一体，对内层储气筒体起到增强作用、以降低使用过程中交变荷载对储气筒体的不利影响；此外，由于内层储气筒、 水泥保护加强层与外筒体是紧固成一体的，中间也不存在腔体或空隙，不但地表水难以浸入，即使外筒体由于固井缺陷在此后的使用过程中因地下水及有害气体对其腐蚀造成穿孔等、由于储气筒体外表面还有一层将其紧密包裹的水泥保护加强层，因而仍可有效保护储气筒体不受损害、确保高压储气井的使用寿命；为了确保水泥保护加强层既将储气筒体外表面紧密包裹、又将内层储气筒与外筒体紧固连接成一体的效果，本发明多层储气井筒体的固定方法是首先采用地质钻探开设基础井，并将配制好的缓凝水泥浆注入基础井内至基础井容积的40-55%、再将底部设有密封头的外筒体下到基础井内，当外筒体下入到缓凝水泥浆面以下时向外筒体内置入配重物、以克服缓凝水泥浆的浮力，至外筒体沉到位且缓凝水泥浆溢出外筒体上口部止，待缓凝水泥将外筒体与基础井凝固成一体后、取出配重物； 然后将筒体底部封头上设有灌浆工艺孔、而筒体外表面间隔设有扶正器的储气筒体下入外筒体内，到位后采用筒体吊装夹板将储气筒体夹持固定，再将灌浆管插入储气筒体内、其下端头与储气筒体底部的灌浆工艺孔连通并启动灌浆泵由下向上、对储气筒体与外筒体之间灌注水泥浆，当水泥浆溢出地面后停止灌注，然后抽出灌浆管并通过其下端头的卡口将储气筒体灌浆工艺孔堵头旋入该工艺孔内将其封闭，最后抽出灌浆管、至水泥浆凝固形成保护加强层。本发明多层储气井筒体成型固定完工后即可根据要求在储气井筒体上口部装上要求的井口装置、便可用于储存高压燃料气。因而本发明多层储气井筒体包括外表面带扶正器的内层储气筒体及底部设有密封头的外筒体，关键在于在内层储气筒体与外筒体之间还设有将内层储气筒体外表面完全包裹的水泥保护加强层，而在储气筒体的底部封头上设有灌浆工艺孔及其堵头、在外筒体底部则设有密封头；内层储气筒体与外筒体通过水泥保护加强层紧固连接成一体。该多层储气井筒体通过固井水泥与(采用地质钻探开设的)基础井紧固成一体使用。上述水泥保护加强层的壁厚为30 50mm、底部厚与储气筒体底端至外筒体内底面的距离相同。上述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体的成型方法，其成型方法为步骤A.钻基础井首先按石油、天然气钻井技术和程序钻基础井；步骤B.配制缓凝水泥浆并固定外筒体按基础井容积的40-55%配制外筒体与基础井壁连接固定用缓凝水泥浆，水泥浆的重量百分比为水泥水降失水剂缓凝剂 减水剂=I O. 6 O. 7 O. 012 O. 018 O. 0007 O. 0010 O. 012 O. 018，搅拌均匀后注入将配制好的缓凝水泥浆注入基础井内至基础井容积的40-55%、再按常规地下储气井井筒的固定方法将底部带密封头的外筒体下到基础井内，当外筒体下入到缓凝水泥浆面以下后向外筒体内置入配重物、以克服缓凝水泥浆的浮力，至外筒体沉到位且缓凝水泥浆溢出外筒体上口部(地面)止，待缓凝水泥将外筒体与基础井凝固成一体后、取出配重物；步骤C.下储气筒体仍按常规地下储气井井筒的固定方法向经步骤B固定后的外筒体内下入底部设有灌浆工艺孔、而外表面间隔设置扶正器的储气筒体，当储气筒体下到位后、采用筒体吊装夹板将储气筒体夹持固定；步骤D.灌注水泥保护加强层及多层储气井筒体的成型将灌浆插管插入经步骤 C采用吊装夹板夹持固定好的储气筒体内、其下端头与储气筒体底部的灌浆工艺孔连通并旋紧后，启动灌浆泵、将配制成比重为I. 6 I. 9g/cm3的水泥浆经储气筒体底部的灌浆工艺孔，由下向上灌入储气筒体与外筒体之间的环形空间内，当水泥浆溢出地面后、关闭灌浆泵；然后打开灌浆插管上端的高压接头将清管胶塞装入灌浆插管内、接上接头后，立即向插管内泵入清水将胶塞向下压以清除灌浆插管及灌浆工艺孔堵头部位内的水泥浆、至泵压突增时关闭灌浆泵，待水泥浆凝固形成保护加强层后、抽出灌浆插管及其清管胶塞，再利用灌浆插管下端螺纹头将灌浆工艺孔堵头旋入灌浆工艺孔内、将其封闭，即得由储气筒体、保护加强层和外筒体组成的多层储气井筒体，再经试压合格后、即成。上述在步骤B中所述当外筒体下入到缓凝水泥浆面以下后向外筒体内置入配重物、其配重物为金属杆或金属杆+水。而在步骤B中所述缓凝水泥浆成分中降失水剂为羧甲基纤维素或聚丙稀酸钠、磺甲基酚醛树脂，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠或高糖木质素磺酸盐、柠檬酸，所述减水剂为萘磺酸盐甲醛混合物或木质素磺酸盐、聚羧酸盐。而在步骤B 中所述固定外筒体、外筒体中的各节筒体之间采用焊接或粘接、铆接、螺纹联结方式固定联结。在步骤B和步骤C中所述缓凝水泥浆的缓凝时间不低于10小时。以上所述固定后的多层储气井筒体试压检测合格后，按需要在该多层储气井筒体的上口部装上相应的井口装置、即可用于CNG (压缩天然气)供应站及城市燃气调峰站储存高压天然气。本发明由于在背景技术双管地下天然气高压储气井的内层储气筒与外筒体之间增设一水泥保护加强层，该保护加强层既对内层储气筒体起到增强作用、又将储气筒体外表面紧密包裹并将内层储气筒体与外筒体紧固连接成一体，不但地表水难以浸入到储气筒表面、即使外筒体由于固井缺陷在此后的使用过程中因地下水及有害气体对其腐蚀造成穿孔等，因储气筒体外表面还有一层将其紧密包裹的水泥保护加强层，因而仍可有效保护储气筒体不受损害；为了确保所增设的水泥保护加强层对储气筒体起到保护和加强作用，本发明在将外筒体下到基础井内并将其与基础井固定后，再将带扶正器及灌浆工艺孔的储气筒体向下置入外筒体内，然后经储气筒体底端的灌浆工艺孔将水泥浆由下向上灌入储气筒体与外筒体之间的环形空间内，加之两筒体之间在扶正器的约束下其间距基本一致，因而可确保水泥浆将储气筒体外表面紧密包裹并与外筒体紧固连接成一体，对储气筒体起到保护和加强作用。因而本发明具有在使用过程中可完全隔离地下水对储气筒体的腐蚀、有效提高了固井效果，大大减小了储气筒体的因交变负荷引起的周期性变形(涨、缩)的幅度， 确保了地下储气井的储气及运行的安全性、可靠性，既延长了储气井的使用寿命、又防止了储气井井筒在使用过程中断裂或爆炸事故的发生等特点。
图I.为本发明多层储气井筒体结构示意图；图2.为本发明多层储气井筒体与井口装置连接及使用状态示意图，图中上部双点划线部分为井口装置；图3.为本发明方法及具体实施方式
中下置外筒体及与基础井连接固定示意图；图4.为本发明方法及具体实施方式
中储气筒体固定及保护加强层成型流程示意图。图中:1、基础井，2、连接固定层，3-1、外筒体，3-1. I、外筒体扶正器，3-1. 2、外筒体密封头，3-2、保护加强层，3-3、储气筒体，3-3. I、储气筒连接套，3-3. 2、储气筒体扶正器， 3-3. 3、储气筒体封头，3-3. 4、储气筒体堵头，4、井口垫板，5、筒体吊装夹板，6、吊耳，7、(配重用)金属杆，7-1、金属杆扶正器，8、灌浆插管压紧法兰，9、灌浆插管，9-1、清管胶塞，9-2、 灌浆插管扶正器，10、灌浆泵，11-1、水池，11-2、水泥浆池，12、井口装置。
具体实施例方式本实施例以CNG加气站和城镇燃气调峰站、储配站用天然气地下储气井用多层储气井筒体为例外筒体3-1规格为Φ323.9Χ6πιπι，储气筒体3-3采用直径为 Φ244. 48mm(95/8〃 )的套管、有效储气部分深为100m、储气压力为25Mpa。该多层储气井筒体的成型固定方法为步骤A.钻基础井I :首先按石油、天然气钻井技术和程序钻直径为Φ400ι πι、深不小于105m的基础井I，基础井内腔容积约15. 84m3 ；步骤B.配制缓凝水泥浆并固定外筒体3-1 :将标号为P. 042. 5R的水泥7746Kg、羧甲基纤维素116. 2Kg、葡萄糖酸钠116. 2Kg、萘磺酸盐甲醛混合物7Kg与水5030Kg混合搅拌均匀后(约得7. 5m3缓凝水泥浆)，注入基础井内，本实施方式所配缓凝水泥浆的缓凝时间约12小时；再按常规地下储气井井筒的固定方法立即将底部带密封头的外筒体3-1下到基础井I内，当外筒体3-1下入到缓凝水泥浆面以下后，向外筒体I内置入外径为Φ 177. 8mm, 内径为Φ71.44_的钻铤(亦称钻具)作为配重用金属杆7、以克服缓凝水泥浆的浮力，至外筒体3-1沉到位且缓凝水泥浆溢出地面止；本实施方式各节外筒体之间采用焊接固定成一体，外筒体3-1总长102m ;待缓凝水泥将外筒体3-1与基础井I凝固成一体后、通过吊钩取出配重用钻铤(即金属杆7)，待用；
步骤C.下储气筒体3-3 :仍按常规地下储气井井筒的固定方法向经步骤B固定后的外筒体3-1内下入底端设有锥形螺孔、而外表面每间隔15m设置一扶正器3-3. 2的储气筒体，当储气筒体3-3下至IOOm后、采用筒体吊装夹板5将储气筒体3_3夹持固定并在其上口部装上与灌浆插管压紧法兰8配套用井口法兰；步骤D.灌注水泥保护加强层及多层储气井筒体的成型固定将灌浆插管9插入经步骤C采用吊装夹板5夹持固定好的储气筒体3-3内、其下端头与储气筒体底部的灌浆工艺孔连通并旋紧后，启动灌浆泵10、将配制成比重为I. 8g/cm3的水泥浆经储气筒体3-3底部的灌浆工艺孔，由下向上灌入储气筒体3-3与外筒体3-1之间的环形空间内，当水泥浆溢出地面后、关闭灌浆泵10 ;然后打开灌浆插管9上端的高压接头将清管胶塞9-1装入灌浆插管9内、接上接头后，立即向插管内泵入清水将清管胶塞9-1向下压以清除灌浆插管9及灌浆工艺孔堵头部位内的水泥浆、至泵压突增时关闭灌浆泵，待水泥浆凝固形成保护加强层3-2后、将灌浆插管9连同清管胶塞9-1抽出，再利用灌浆插管下端螺纹头将旋塞式锥螺纹堵头3-3. 4旋入灌浆工艺孔内、将其封闭，即得由储气筒体3-3、保护加强层3-2和外筒体 3-1组成的多层储气井筒体，再经试压合格后、即成。本实施方式所得多层储气井筒体经试压合格后、按要求装上井口装置12即可作为燃气调峰站、储配站储存高压天然气用。实施例2 :本实施例以储气筒体3-3底部的灌浆工艺孔堵头3-3. 4采单向阀为例， 其单向阀的设置及向储气筒体3-3与外筒体3-1之间的环形空间内灌注水泥浆均采用本发明申请人之一、在公告号为CN1837672B的专利文件所公开的方式进行；本实施例中多层储气井筒体其余结构和工艺方法均与实施例I相同。
权利要求
1.一种高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体，包括外表面带扶正器的内层储气筒体及底部设有密封头的外筒体，其特征在于在内层储气筒体与外筒体之间还设有将内层储气筒体外表面完全包裹的水泥保护加强层，而在储气筒体的底部封头上设有灌浆工艺孔及其堵头、在外筒体底部则设有密封头；内层储气筒体与外筒体通过水泥保护加强层紧固连接成一体。
2.按权利要求I所述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体，其特征在于所述水泥保护加强层的壁厚为30 50mm、底部厚与储气筒体底端至外筒体内底面的距离相同。
3.按权利要求I所述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体的成型方法，其成型方法为步骤A.钻基础井首先按石油、天然气钻井技术和程序钻基础井；步骤B.配制缓凝水泥浆并固定外筒体按基础井容积的40-55%配制外筒体与基础井壁连接固定用缓凝水泥浆，水泥浆的重量百分比为水泥水降失水剂缓凝剂减水剂=I O. 6 O. 7 O. 012 O. 018 O. 0007 O. 0010 O. 012 O. 018，搅拌均匀后注入将配制好的缓凝水泥浆注入基础井内至基础井容积的40-55%、再按常规地下储气井井筒的固定方法将底部带密封头的外筒体下到基础井内，当外筒体下入到缓凝水泥浆面以下后向外筒体内置入配重物、以克服缓凝水泥浆的浮力，至外筒体沉到位且缓凝水泥浆溢出地面止，待缓凝水泥将外筒体与基础井凝固成一体后、取出配重物；步骤C.下储气筒体仍按常规地下储气井井筒的固定方法向经步骤B固定后的外筒体内下入底部设有灌浆工艺孔、而外表面间隔设置扶正器的储气筒体，当储气筒体下到位后、 采用筒体吊装夹板将储气筒体夹持固定；步骤D.灌注水泥保护加强层及多层储气井筒体的成型将灌浆插管插入经步骤C采用吊装夹板夹持固定好的储气筒体内、其下端头与储气筒体底部的灌浆工艺孔连通并旋紧后，启动灌浆泵、将配制成比重为I. 6 I. 9g/cm3的水泥浆经储气筒体底部的灌浆工艺孔， 由下向上灌入储气筒体与外筒体之间的环形空间内，当水泥浆溢出地面后、关闭灌浆泵；然后打开灌浆插管上端的高压接头将清管胶塞装入灌浆插管内、接上接头后，立即向插管内泵入清水将胶塞向下压以清除灌浆插管及灌浆工艺孔堵头部位内的水泥浆、至泵压突增时关闭灌浆泵，待水泥浆凝固形成保护加强层后、抽出灌浆插管及其清管胶塞，再利用灌浆插管下端螺纹头将灌浆工艺孔堵头旋入灌浆工艺孔内、将其封闭，即得由储气筒体、保护加强层和外筒体组成的多层储气井筒体，再经试压合格后、即成。
4.按权利要求3所述述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体的成型方法，其特征在于在步骤B中所述缓凝水泥浆成分中降失水剂为羧甲基纤维素或聚丙稀酸钠、磺甲基酚醛树脂，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠或高糖木质素磺酸盐、柠檬酸，所述减水剂为萘磺酸盐甲醛混合物或木质素磺酸盐、聚羧酸盐；而所述缓凝水泥浆的缓凝时间不低于10小时。
5.按权利要求3所述述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体的成型方法，其特征在于在步骤B中所述固定外筒体、其外筒体中各节筒体之间采用焊接或粘接、铆接、螺纹联结方式固定联结。
6.按权利要求3所述述高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体的成型方法，其特征在于在步骤B中所述当外筒体下入到缓凝水泥浆面以下后向外筒体内置入配重物、其配重物为金属杆或金属杆+水。
全文摘要
该发明属于高压燃料气地下储气井用多层储气井筒体及其成型固定方法，其储气井筒体包括内层储气筒体、水泥保护加强层及外筒体；成型方法为钻基础井，配制缓凝水泥浆并固定外筒体，下储气筒体，灌注水泥保护加强层及多层储气井筒体的成型。该发明在传统双管地下储气井的基础增设了一既可将储气筒体外表面紧密包裹、又将储气筒体与外筒体紧固成一体水泥保护加强层，因而具有在使用过程中可完全隔离地下水对储气筒体的腐蚀、有效提高了固井效果，大大减小了储气筒体因交变负荷引起的频繁变形幅度，确保了地下储气井储气及运行的安全性、可靠性，既延长了储气井的使用寿命、又防止了储气井井筒在使用过程中断裂或爆炸事故的发生等特点。
文档编号E04H7/18GK102588727SQ20121005631
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者冉训, 刘国伟, 辛国斌 申请人:冉训, 刘国伟, 辛国斌