气藏型储气库管柱选用与评价*

王建军，路彩虹，贺海军，孙建华，吴学虎，李方坡

(1. 中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2．中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院 黑龙江 大庆 163453；3. 中国石化中原储气库有限责任公司 河南 濮阳 457001；4.中国石油长庆油田分公司储气库管理处 陕西 榆林 718500)

0 引 言

地下储气库是国家天然气战略储备、应急调峰、安全保供的重要设施。按照国家储气库发展规划[1]，到2030年地下储气库形成有效工作气量3.5×1010m3以上，而目前我国储气库的调峰能力仅有1.17×1010m3，差距巨大，储气库建设力度仍将加大。但在现有储气库运行过程中，出现了油套管腐蚀、泄漏以及环空带压等复杂情况，如板桥库群76口注采井中74口井存有环空带压等安全风险[2]，严重威胁储气库安全运行。

对中国石油6座储气库调研发现，储气库井与常规气井工况差异较大[3-4]，在进行储气库管柱设计和管材选用时往往是按照常规气井进行[5]，缺少适用于储气库工况的管柱选用评价方法和标准。针对这些问题，研究提出了交变载荷作用下储气库管柱气密封螺纹接头优选方法和低含水工况下储气库管柱腐蚀选材方法。

1 储气库工况特点和管柱技术难题

储气库井服役周期要比常规气井长，一般在30年以上。储气库井地层压力系数不衰减且长期保持在0.9左右，注采管柱作为注气和采气双向流动通道，管柱内运行压力、温度等载荷随注采周期交替变化，为了确保管柱的密封性，要求储气库注采管柱和生产套管柱必须选用气密封螺纹接头[6-7]。而众多气密封螺纹接头的密封性能存在差异[8-9]，尤其是气密封螺纹接头的抗压缩能力[10]。油田在进行管柱设计时使用的仍是强度设计方法[5]，并选用气密封螺纹接头，但未考虑拉压交变载荷和接头压缩性能，也是造成储气库井管柱泄漏或带压严重的原因之一[4]。故亟需解决储气库管柱螺纹接头选择和管柱密封设计难题，保障储气库管柱结构和密封完整性。

此外，储气库井注入气是干气，注入气含2%左右CO2且不含H2S；采出气低含水，水气比约0.01 m3/104m3。在井深、运行压力、注采气量差异不大且注入气介质相同的情况下，中石油6座储气库套管和油管选用的材质差异比较大，从碳钢、普通13Cr到超级13Cr均有使用，投资成本相应增加5倍以上。造成这一现象主要是因为现有腐蚀选材标准或方法中CO2腐蚀条件均是100%液体环境，明显不适用于储气库井低含水工况下的腐蚀选材[3]。故亟需解决低含水工况下腐蚀选材技术难题，合理控制腐蚀，同时降低投资成本。

2 现有标准的局限性

现对油管和套管柱接头进行气密试验检测的主要依据是ISO 13679—2002标准，标准试验目的是评价油管及套管螺纹连接的粘扣趋势、密封性能和结构完整性，标准规定了4种接头评价级别(CAL)，并指明评价级别CAL II 以上试验适用于气井。但在标准B系气密封试验(图1)， 仅进行CCW(逆时针)、CW(顺时针)、CCW3次循环，并不能满足储气库注采30周次需要。此外，在标准B系气密封试验中，规定进行33%和67%压缩载荷下的气密封试验，但现有气密封螺纹接头多在10%～40%之间施加压缩载荷进行气密封试验[10]，不能满足储气库井深、压力变化的多样性。各生产厂家的气密封螺纹接头设计不同，性能差异明显。如气密封螺纹接头的压缩效率(耐压缩性能)参差不齐，压缩效率从30%～100%都有，一旦选用不合适极易造成管柱泄漏。

图1 ISO 13679标准B系试验载荷路线图

油管和套管腐蚀选材标准主要是ISO 15156-3和GB/T 20972.2—2008(ISO 15156-2，MOD)[11-13]，但是这些标准着重于含H2S环境的选材。依据腐蚀介质不同，石油管材专业标准化技术委员会制定了针对性的选材标准，具体有SY/T 6857.1、Q/SY-TGRC 2 、Q/SY-TGRC 3、 Q/SY-TGRC 18等标准[14-17]，尤其是Q/SY-TGRC 18标准主要针对含CO2环境选材。依据上述标准方法和生产厂家选材推荐方法，并结合现场应用实际情况，各储气库确定了选用的套管和油管，从普通碳钢到超级13Cr钢都有选用(表1)。主要是因现有标准或方法中CO2腐蚀条件均是100%液体环境，在建储气库均是依据现有标准或方法进行选择，造成在注气介质相同而材质选择各异。也就是说，对于枯竭式气藏，在低含水率的情况下，这种选材方法是否合适，还有待试验验证。

表1 国内主要储气库选材情况

3 气密封螺纹接头分级指标

按照管柱力学理论[18-21]，结合生产套管的下入、插入回接、固井以及注采管柱的下入、坐封、试压、注采气等工艺工程，同时注意注采管柱封隔器坐封型式(有无位移变化)，计算整个工艺过程中载荷的变化，尤其是注采气过程，获取管柱所承受的最大拉伸载荷和最大压缩载荷，同时与管柱额定抗拉强度相比，相应获得管柱在运行工况下所需要的接头拉伸效率和压缩效率，对比现有接头的临界拉伸效率和临界压缩效率，便可初步筛选出合适的气密封螺纹接头。

对初步筛选出的气密封螺纹接头，参照ISO 13679标准，设计了拉压交变载荷下30周次气密封循环试验[10]，其中拉压载荷分别为储气库管柱所承受的最大拉伸载荷和最大压缩载荷，内压力为储气库最大运行压力，若在此条件下气密封螺纹接头通过30周次气密封循环试验未发生泄漏，则选择的气密封螺纹接头有效。

依据上述方法，完成了SJ、SQ、BN、HK等4座储气库油管柱接头30周次气密封循环试验和ISO 3679 B系试验，给出了各储气库接头密封的有效性和作业建议，详细结果见表2。通过理论计算和试验对比，进一步给出了储气库管柱气密封螺纹接头选用判据[4]，同时为进行管柱密封设计确立了技术依据。最终，给出了不同储气库工况下气密封螺纹接头分级优选，见表3。

表2 气密封螺纹管柱气密封试验结果和作业建议

表3 接头分级技术指标

这里需注意的是，接头压缩效率是指气密封压缩效率，即在95%VME载荷包络线内，管柱接头在内压+压缩载荷复合作用下发生泄漏的临界压缩载荷与管体压缩屈服载荷(或额定抗拉强度)的比值百分数。

4 低含水工况下管柱耐蚀区分选材

因中石油6座气藏型储气库注入气为干气，而采出气低含水，故提出汽液两相选材试验方法。储气库环境工况条件主要为：CO2分压0.8 MPa，Cl-浓度10 000 mg/L，水型NaHCO3，温度90℃。据此工况，进行汽液两相条件下的动态高温高压釜腐蚀试验，试验周期168 h，流速2 m/s，最终完成了L80、L80 13Cr、95S、P110、110 Cr13M、110 Cr13S、Q125HC等材质的汽液两相腐蚀试验。试验结果见表4。

表4 储气库油套管材质汽相和液相下动态腐蚀试验结果

由表4可知，13Cr材质可较好地适用于含CO2汽相或液相腐蚀环境中，且110 Cr13S耐蚀性能最好；其他材质均较好地适用于含CO2汽相腐蚀环境中，其腐蚀速率均小于SY/T 5329—2012标准规定的0.076 mm/a。

结合国内气藏型储气库完井管柱结构[7]，油管为注采气通道，生产套管与环空保护液、地层水接触多，故建议对储气库生产套管和油管的腐蚀选材应分别对待，生产套管依据100%液体环境(现有标准)选材，油管应按照低含水工况选材。

5 结 论

1)针对储气库工况特点，结合现有标准局限性，提出了交变载荷下储气库管柱气密封螺纹接头分级选用技术指标和低含水工况下储气库油套管耐蚀区别选材方法。

2)储气库注采管柱气密封螺纹接头选择必须考虑管柱载荷的交变，应按管柱承受的最大拉伸载荷和最大压缩载荷选择相应性能的气密封螺纹接头。

3)结合多周次气密封循环试验，给出了不同储气库工况下气密封螺纹接头分级优选办法。气密封螺纹接头优选方法，不仅可用于储气库井，也可用于常规气井。

4)储气库井下生产套管和油管的腐蚀选材应区别对待，生产套管依据100%液体环境(现有标准)选材，油管应按照低含水工况选材。

5)地下储气库管柱接头分级指标和腐蚀选材方法，已提交中国石油天然气行业标准，并获采纳，将作为储气库井管柱选用和设计依据。