一种高压气地下储气井的施工方法及装置.pdf

一种建造高压气地下储气井的新方法：采用长螺旋钻孔机钻孔水泥浆护壁，使用专用压筒器将整体式井筒压入孔内水泥浆中直到水泥浆凝固。压筒器为龙门架形结构，加压梁装在龙门架两滑道中间，加压卷扬机通过动滑轮组迫使加压梁下移对井筒施压，提升卷扬机提升加压梁复位。本法合理的调整了井筒直径与长度的比例加大了容积，将在基岩中钻深孔的施工方法改为在土层中适当深度钻孔，极大地降低了建井难度和成本。所用整体式井筒可在地面经受各种检测，消除了细长井筒多段连接多个接头的泄漏环节。提高了井筒外壁水泥防腐层的可靠性，也便于采用高强度钢丝(或其它高强纤维)对井筒缠绕加强从而提高耐压强度增大储气量延长使用寿命。

1.  一种高压气地下储气井的施工方法及装置，其特征在于：采用长螺旋钻机钻孔并向孔中压注护壁水泥浆，通过压筒器将整体式井筒压入孔内水泥浆中，压筒器压住井筒使其固定在水泥浆中直到水泥浆凝固。

2.  如权利要求1所述的一种高压气储气井施工方法及装置，其特征在于：所说的压筒器是一龙门架形结构，龙门架有两条滑道中间装有加压梁，加压梁上装有滑瓦或滚轮约束加压梁在龙门架的滑道上垂直移动，加压卷扬机的钢丝绳绕过加压梁上的动滑轮组迫使加压梁沿滑道下移对井筒施压，提升卷扬机的钢丝绳绕过龙门架顶部连接梁上的滑轮或滑轮组牵引加压梁沿滑道上移复位。

3.  如权利要求所述的一种高压气储气井施工方法及装置，其特征在于：所说的整体式井筒外壁有高强度钢丝(或其他高强纤维)缠绕加强。

一种高压气地下储气井的施工方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高压气储气井的安装.固定的施工方法。具体说是一种将储存高压气(液)的钢制井筒竖直埋放于地下，并用水泥浆固定的方法及所使用的专用装置。
背景技术
随着对环境保护日趋严格，天燃气的应用也日益广泛。将高压天燃气用钢制井筒储存于地下是一种占地面积又小又安全的方式。现在国内建设的储气井多为深井，井深已达100～200m。但是井筒直径偏小，仅为φ177.80～φ273.10mm(数据见行业标准SY/T6535-2002)。小直径的井筒如欲加大储气量只有拼命增加深度。众所周知圆柱容器的容积与其高度(即深度)成正比，与其直径的平方成正比。这就是说只要稍稍增加储气井筒的直径就可以大大减少钻孔的深度，因为钻一个100m～200m深的深孔实在不是一件容易做的事，所以我们有必要将井深与井径选配的更合理一些。
那么为什么迄今为止仍然一直采用小直径深孔的方案？这是因为我们一直沿用石油钻探的方法建造储气井。这种方法除了成本高，速度慢还有一个问题就是对钢制井筒的防腐处理很不可靠。发明专利ZL01108413·8提出了一种方法也是目前正在广泛采用的方法：采用地质钻探的常规方法泥浆循环钻出深孔，下钢制井筒于其中，再将一根水泥浆小管下到孔底注入水泥浆，用水泥浆置换出钻孔时所用的泥浆从而保护钢制的井筒。如果真能用水泥浆完全彻底置换出孔中全部泥浆当然很理想，问题在于如何确保小管出口端真正下到了一.二百米深的孔底而没有停在或断在中途的某处？此外，与其先将钢制井筒浸入泥浆再用水泥浆置换何如直接将其浸入水泥浆对其钢铁外壁保护得更可靠？以上问题都值得我们对现有的建井方法做出改进。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是：用一种更简单.方便.迅速的方法钻孔并将直径长度比例合理的钢制井筒直接压入已充满水泥浆的孔中，确保钢制井筒外壁与钻孔之间充满足够厚度的水泥浆保护层。
本发明解决上述技术问题的方案是：采用长螺旋钻机钻孔，钻至预定深度后通过钻杆芯管中的压浆管从钻头下的出浆口自钻孔孔底开始压注水泥浆，压浆的同时提钻，使孔中浆面保持在易塌孔位置以上，然后使用专用设备“压筒器”将钢制井筒竖直压入并固定在钻孔中直至水泥浆凝固。被井筒挤出钻孔外的多余水泥浆可回收再利用，如果孔中护壁水泥浆较少则另行补充。
采用长螺旋钻机钻孔并使钻孔中注满水泥浆是我们已经应用20多年的成熟技术，因此本发明的技术关键是如何将一个整体的钢制井筒压入已经注有水泥浆的孔中挤出多余的水泥浆并将井筒固定。为此，本发明设计了一种专用设备“压筒器”。其结构特征与工作原理我们通过附图来说明。
附图说明
图1是本发明的工艺过程示意图。分四步：(a)钻孔，(b)压浆，(c)压入井筒回收多余水泥浆，(d)固井
图2是本发明压筒器的加压卷扬机和提升卷扬机的钢丝绳绕绳线路图。
图3是本发明的专用装置“压筒器”结构示意图。
图中：1.加压卷扬机，2.加压动滑轮组，3.加压梁，4.龙门架顶部连接梁，5.转向滑轮，6.提升卷扬机，7.龙门架滑道，8.加压梁滑瓦，9.井筒压盖，10.储气井筒，11.配重，12.底架平台，13.钻孔中水泥浆，14.孔口定位圈，15.井筒护圈。
具体实施方式
本发明施工过程分四步，如图1所示：
(a)：采用长螺旋钻机钻孔。孔径比钢制井筒外径大100mm以保证井筒外水泥保持层厚度为50mm。孔深根据井筒长度及固井要求确定。
(b)：压浆。钻至预定深度后开始压注水泥浆同时提钻，使浆面保持在易塌孔位置以上。
(c)：压入井筒回收多余水泥浆。采用专用设备“压筒器”(结构见图3)将整体井筒一次压入已注有水泥浆的钻孔中，溢出的水泥浆导入储浆池备用。(除非浆面位置很低一般都有溢出)
(d)：待水泥浆凝固(终凝)后，撤去压筒器，完成固井其他工作。
上述过程中，最关键的也是独特的一步是将整体钢制井筒一次压入已注有水泥浆的钻孔中，为此我们采用了一个专用设备“压筒器”。其结构和工作原理见图3和图2。
图3是压筒器结构示意图。它主要有三部分组成：
其一是底架平台12。是由槽钢焊成的两条纵梁与若干横梁连接而成。其上安装一台加压卷扬机1，一台提升卷扬机6，对称的配重11，中部对称安装两列三棱柱状桁架组成的龙门架。
其二是龙门架。是由一根无缝钢管(或槽钢)作为滑道7与两根长角钢(或钢管)作棱，若干短角钢(或钢管)作斜撑焊成的三棱柱状桁架，每节长6m或12m一节节连接起来对称地安装于底架平台12上。最上端有龙门架顶部连接梁4将其相连构成门形。中间两条滑道供加压梁3上下移动。
第三是加压梁。加压梁3是一个由槽钢焊成的，中间安装有一对滑瓦8(或滚轮)的装置。其两端安装有动滑轮组2，由加压卷扬机1的钢丝绳绕过动滑轮组2使其沿滑道7向下移动，由提升卷扬机6的钢丝绳绕过龙门架顶部连接梁上的滑轮或滑轮组使其向上移动(实际上这钢丝绳穿过龙门架桁架中间，为表达清晰画在外面。此处可用滑轮组加大提升力)加压梁下面安装有井筒压盖9，井筒压盖9上有卡圈可以挟持钢制井筒10的顶端筒口。井筒压盖9有多种规格，用于不同规格的井筒。
加压卷扬机1和提升卷扬机6的钢丝绳绕绳方式见图2。加压卷扬机1的钢丝绳绕过加压梁3上的动滑轮组2和转向滑轮5，转向滑轮的作用是将钢丝绳避开中心安放钢制井筒的位置。当然转向问题也可在加压梁上解决，这里只是说明图中的这种绕绳方法保证了加压梁两端受力大小相等并且同步。图中为简明只画了两个动滑轮四倍率，实际上可根据需要增加滑轮数加大倍率，一般不少于8倍率，即加压梁向下的压力为加压卷扬机单绳拉力的8倍(一些次要的滑轮如排绳张紧轮等均未画出)。
为安装井筒方便，底架平台中段及孔口定位圈14和井筒护圈15都可做成可开合形式。井筒压盖9下也可安装自动卡销便于安装井筒。
使用压筒器时，在运至现场的底架平台12上安装龙门架时装好加压梁3并提升至龙门架最上方，吊装井筒10并将其上端在压盖9下夹好下端在井筒护圈内固定。用起重机将装好井筒的加压器安放在已注入水泥浆的钻孔上，孔口固定圈14插入钻孔，再吊装配重11安放在底架平台12两端，张紧加压卷扬机1的钢丝绳开始工作，将井筒竖直压入孔中。待孔中水泥浆凝固(终凝)后，先卸下重数十吨的配重，将加压器吊运至新孔位，装上新井筒再压上配重，做新钻孔的井筒压入固井工作。
本发明与现有建井技术相比，具有明显的优势：储气量大，建井速度快成本低，井筒外壁防腐效果可靠.使用寿命长。
不妨以发明专利ZL01108413·8中所举的实施例与本发明作一比较：
发明专利ZL01108413·8中所举的实施例为井筒直径φ177.8mm(原文为φ17.78mm，应系笔误)井筒长120m。钻孔直径为φ215.9mm。工作压力25Mpa，我们不难算出井筒的容积是3.24m³。
本发明采用直径为φ820mm的高强度合金钢无缝管作井筒，井筒长度取15m时，容积为5.36m³；取20m时容积为7.15m³；取30m时容积为10.73m³。钻孔直径取φ950mm；钻孔深度可比井筒长度多一米。
钻一个φ950mm直径，16m深的孔并注满水泥浆，不超过半小时，再压入井筒一小时之内结束全部工作。这与钻一个φ215.9mm直径120m深的孔，向孔中下一个多次逐节相连总长120m直径φ177.8mm的井筒，再下120m长的水泥浆小管，再用水泥浆置换孔中的循环泥浆，其所用的时间.所耗费的成本等等不可同日而语。况且在φ950mm16m深的孔中放置φ820的钢制井筒，可以确保井筒的钢铁筒壁外有不小于50mm的水泥保护层。而在φ215.9mm地孔中放置φ177.8mm的120m长井筒，不能保证钢铁井筒的外壁有均匀的19mm的水泥保护层。不仅如此，由于本发明所钻的孔完全是在土层中钻孔，(现有技术如ZL01108413·8所钻的百米以上深孔大部分却是在岩石中钻，难度大故孔径只能小)这样本发明就有条件根据井筒直径适当扩大钻孔直径，扩大到使钢制井筒能够采用高强度钢丝缠绕增强(或其他高强度纤维缠绕增强)等新技术，这使井筒的耐压强度得以大幅度提高。耐压强度的提高，就意味着安全系数的提高和使用寿命的延长，也为提高井筒工作压力从而再增大容气量创造了条件。
一个长达上百米的井筒，无法在地面上做成整体，检验后再下到深孔中，只能在现场施工时下一段接一段因而有多个未检验接头。接头越多泄漏环节越多。而已经下到上百米深井中的井筒如果接头处有泄漏则无法根治成为安全隐患。本发明的井筒是一个整体，可以在地面上进行各种耐压试验泄漏检验等然后再一次压入地下钻孔中，井筒泄漏的隐患得到彻底消除。
综上所述，本发明提供了一种相对于现有技术非常简单.施工速度非常的快，建造成本又非常低，彻底消除了井筒泄漏的可能性的高压气地下储气井施工方法。使其储气量.使用寿命都大大提高和延长。并为高强度钢丝缠绕等技术大幅度提高井筒耐压强度和储气量创造了条件。