一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法及其结构.pdf

本发明公开了一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法及其结构，所述的方法包括以下步骤：钻井；焊接外井筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的外井筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；灌注水泥形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋多个地脚螺栓；将所述的多个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；在外井筒身内装内井筒；将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；在所述的内井筒和外井筒身内壁之间通入氮气。采用本装置及其固井方法可防止储气井上窜、下沉、泄漏、储气井承压井筒外壁腐蚀、保证储气井在承压时轴向伸长量。

1.  一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为外井筒体直径的1.6~1.8倍；其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍；
(2)先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的外井筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的外井筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；
(3)在位于地表面和硬土层处的外井筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋多个地脚螺栓；
(4)将所述的多个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；
(5)在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内井筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；
(6)将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；
(7)通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的内井筒和外井筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气，并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。

2.  一种实现权利要求1所述的方法的双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，它包括具有进气口和排液口的井口装置、与所述的井口装置相连的彼此之间通过节箍连接的多节内井筒，在所述的最底端的内井筒上连接有井底封头，其特征在于：它还包括对开式异形设备法兰，一个具有凹槽的并且其上开有氮气充气口、压力表口以及螺纹连接孔的下侧异形设备法兰，所述的对开式异形设备法兰和下侧异形设备法兰通过螺栓相夹紧连接在所述的最上端的节箍的上、下端面，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽和最上端的节箍的下端面之间设置有密封垫片，在所述的下侧异形设备法兰的底部焊接有套在所述的内井筒外壁外的呈U形的外井筒身，所述的外井筒身由多节外井筒体焊接成并且最底端的外井筒体通过下封头连接，所述的U形的筒身的底部距离所述的井底封头留有预定的距离，在位于地表面至硬土层之间的所述的U形筒身与井壁之间设置有用于固井和处理地基使用的水泥以形成固井水泥层和地基层，在所述的地基层设置有地脚螺栓，所述的下侧异形设备法兰通过所述的螺纹连接孔与所述的地脚螺栓相连。

3.  根据权利要求2所述的双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，其特征在于：一种双壁套筒氮密封式高压气地下储气井结构，其特征在于：在所述的井筒和U形的筒身内壁之间通有低于0.1Mpa的氮气。

4.  根据权利要求2所述的双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，其特征在于：所述的密封垫片为金属缠绕垫片。

5.  根据权利要求2所述的双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，其特征在于：所述的相邻外井筒体的连接部外侧开有焊接坡口彼此之间以焊接相连并且其中一节井筒体内侧设置有凸块、另一节井筒体内侧具有凹槽，所述的凸块与所述的凹槽相卡紧配合以定位。

一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法及其结构
技术领域
本发明涉及高压气地下储气井安装方法及其结构。
背景技术
1、高压气地下储气井简介
高压气地下储气井又称CNG储气井，这种井的结构是由单壁Φ177.8mm~Φ244.5mm(TP80CQJ)储气井专用套管，通过扁梯形管螺纹，与井身的下封头(锻件)和顶端盖联接，其井身98％部分埋于地下100米~200米左右，形成储存压缩天然气的单壁井筒式压力容器，见中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6535-2002《高压气地下储气井》。
高压气地下储气井设计公称压力为25MPa，设计温度：常温，并于2004年由国家质检总局定为A1级高压容器(三类压力容器)。
高压气地下储气井是CNG行业的新事物，钻建CNG储气井也是一门新技术。CNG储气井站同用储气瓶组，长管CNG瓶，球形储气罐相比，具有结构简单，占地面积小，投资小(成本低)发生散射爆炸可能性小，安全性好等特点。
储气井的制造工艺及设计结构是由石油钻井工艺及采油井管，加上端盖和下封头改造而来。其中井筒身的固定，是用油井水泥浆形成的混凝土把井筒身与井壁地层胶结固定在一起。围绕井筒身形成的水泥环既起到了固定井筒身的作用，又起到了防腐蚀作用。
传统的石油采油井管的固井是从钻具正眼压进泥浆。从井身四周环空返出的方法进行，即行内讲正循环固井工艺。但储气井的结构下侧有封头不能够采用此方法进行固井。
由于井底下部有封头，日前多数储气井采用的是灌注固井法。用人工或潜水泵将水泥浆灌入环空内。此方法在很小的压力作用下泥浆不能达到设计的位置，形成部分或局部固井，施工现场已得到验证。
2、采用目前固井方法出现的问题
(1)正循环固井工艺
由于水泥浆是通过井内壁达到下部，水泥浆从井外壁四周环空返出，井底结构为锥环密封，所以滞留内壁的水泥无法清除，造成25MPa天然气密封效果不好。实践证明，采用此结构的储气井存在漏气。100％的固井，储气井在承受25MPa正应力作用下，井身的伸长可以拉断水泥环(通过计算井身伸长量大于200mm)，或使储气井上窜，这也是正循环固井所在的隐患。
(2)灌注固井工艺
由于地层构造的复杂性，地下水的作用，在钻井扰动作用下形成井壁跨塌是常有的，泥浆是不可能穿过(或推移)跨塌物(段)到达设计位置，往往只能在井口段，或局部形成部分固井。在四川省出现的多处储气井上窜、下沉、漏气也证明了这一点。
在四川CNG储气井安全技术研讨会“川清汽协[2005]03号”文件也表明了上述问题的存在和严重性。
在“中国天然气汽车”2005年9~10期，总第96~97刊物上也对储气井固井结构进行讨论。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可防止储气井上窜、下沉、泄漏、储气井承压井筒外壁腐蚀、保证储气井在承压时轴向伸长量的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法及其结构。
本发明的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法，它包括以下步骤：
(1)钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为外井筒体直径的1.6~1.8倍；其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍；
(2)先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的外井筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的外井筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；
(3)在位于地表面和硬土层处的外井筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋多个地脚螺栓；
(4)将所述的多个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；
(5)在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内井筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；
(6)将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；
(7)通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的内井筒和外井筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气，并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。
本发明的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，它包括具有进气口和排液口的井口装置、与所述的井口装置相连的彼此之间通过节箍连接的多节内井筒，在所述的最底端的内井筒上连接有井底封头，它还包括对开式异形设备法兰，一个具有凹槽的并且其上开有氮气充气口、压力表口以及螺纹连接孔的下侧异形设备法兰，所述的对开式异形设备法兰和下侧异形设备法兰通过螺栓相夹紧连接在所述的最上端的节箍的上、下端面，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽和最上端的节箍的下端面之间设置有密封垫片，在所述的下侧异形设备法兰的底部焊接有套在所述的内井筒外壁外的呈U形的外井筒身，所述的外井筒身由多节外井筒体焊接成并且最底端的外井筒体通过下封头连接，所述的U形的筒身的底部距离所述的井底封头留有预定的距离，在位于地表面至硬土层之间的所述的U形筒身与井壁之间设置有用于固井和处理地基使用的水泥以形成固井水泥层和地基层，在所述的地基层设置有地脚螺栓，所述的下侧异形设备法兰通过所述的螺纹连接孔与所述的地脚螺栓相连。
采用本发明装置及其固井方法在承受25Mpa的压力下，储气井筒身不采用固井方式，采用悬挂式，提供了一种可行的设计结构；双壁套筒式结构在承受25MPa压力时，给出伸长空间自由伸长，避免储气井上窜冒井和下沉；两壁间采用低于0.1MPa氮气密封，储气井连接结构一旦泄漏，氮气压力升高，可采用紧急措施，泄漏天然气不会沿地层扩散，(已有沿地层扩展后附近地区天然气失火的案例)，同时也避免储气井外壁面的腐蚀；双壁的外壁套管进行部分固井深度大于地下水层到硬土层，加上地脚螺栓的固定，避免单壁储气井外壁面与固井水泥的摩擦，造成壁厚减薄；地下100~200米深处，地下水的腐蚀只能对套筒外壁起作用，腐蚀不了承受25MPa压力的储气井筒壁。如若干年后外壁腐蚀透，可以在两层壁之间重新灌注水泥，达到完全固井作用继续使用；内外套筒间的氮气保护可使地下温度不能传导给储气井筒壁，因为在地下井内温度升高1℃，压力可能增高十几个大气压力，避免了天然气因温度变化造成的自增压现象，而导致储气井的失效；一侧对开式异型设备法兰结构与异型设备法兰连接，既能满足地脚螺栓的需要，又对储气井的卡箍形成夹紧固定，解决了悬挂井筒与基础的固定问题。
附图说明
图1为已有的SY/T 6535-2002标准中的高压气地下储气井结构示意图；
图2是本发明的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构的结构示意图；
图3是图2所示装置的U形筒身的焊接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作以详细描述。
本发明的本发明的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井安装方法，它包括以下步骤：(1)钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为外井筒体直径的1.6~1.8倍；其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍；(2)先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的外井筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的外井筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；(3)在位于地表面和硬土层处的外井筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋多个地脚螺栓；(4)将所述的多个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；(5)在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内井筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；(6)将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；(7)通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的内井筒和外井筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气，并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。
如图1为已有的SY/T 6535-2002标准中的高压气地下储气井结构示意图。图中它包括具有进气口1和排液口2的井口装置3、与所述的井口装置3相连的并且彼此之间通过节箍4连接的多节内井筒5，所述的多节内井筒5与所述的节箍4通过螺纹连接。在所述的最底端的井筒上连接有井底封头6，固井水泥16环绕内井筒5。
如图2-3所示的本发明的一种双壁套筒悬挂式高压气地下储气井结构，它包括具有进气口1和排液口2的井口装置3、与所述的井口装置3相连的并且彼此之间通过节箍4连接的多节内井筒5，所述的多节内井筒5与所述的节箍4通过螺纹连接。在所述的最底端的井筒上连接有井底封头6，它还包括对开式异形设备法兰7，一个具有凹槽的并且其上开有氮气充气口、压力表口以及螺纹连接孔的下侧异形设备法兰8，所述的对开式异形设备法兰7和下侧异形设备法兰8通过螺栓相夹紧连接在所述的最上端的节箍4的上、下端面上，在所述的下侧异形设备法兰8的凹槽和最上端的节箍的下端面之间设置有密封垫片9，在所述的下侧异形设备法兰8的底部焊接有套在所述的井筒外壁外呈U形的外井筒身10，所述的外井筒身10由多节外井筒体焊接成并且最底端的外井筒身10通过下封头14连接。所述的外井筒体材料可以选用标准螺旋管制作，所述的内井筒外壁与所述的外井筒身内壁之间的空间可以根据Φ177.8mm内筒选取Φ325×8mm标准螺旋管，Φ244mm内筒选取Φ377×8mm标准螺旋管，Φ273.05mm内筒选取Φ426×8mm标准螺旋管确定，所述的标准螺旋管可以在天津钢管公司等多个厂家购得(例天津市华油钢管有限公司)。所述的U形的外井筒身10的下封头14与所述的井底封头6留有预定的距离L，该距离可按下公式L(mm)＝300mm+1/1000*(井深)mm计算长度。在使用时在位于地表面至硬土层之间的所述的U形外井筒身与井壁之间设置有用于固井和处理地基使用的水泥以形成固井水泥层和地基层13，在所述的地基层设置有地脚螺栓11，所述的下侧异形设备法兰8与所述的地脚螺栓11相连。在内井筒5和U形的外井筒身内壁之间通过氮气充气口通入低于0.1MPa氮气12密封。固井水泥层和地基层13处的井壁直径大于其它处的井壁直径。在内井筒5和外井筒身10内壁之间可以间隔一定距离设置扶正器15以支撑外井筒身10来保证内井筒5和外井筒身10的同轴度。
所述的密封垫片优选的为金属缠绕垫片以益于使用延年。所述的相邻外井筒体的连接部位的外侧开有焊接坡口以使相邻外井筒体之间通过焊接相连并且其中一节井筒体连接部位的内侧设置有凸块17、另一节井筒体相应的内侧开有凹槽，所述的凸块与所述的凹槽相卡紧配合以定位，从而确保上下外井筒体的管口组对的水平及相邻外井筒体的垂直度要求。
实施例1
钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为U形的筒身1.6倍、其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍、钻井深度为U形的筒身长度+20米(加深长度为井壁跨塌备用)；先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；在位于地表面和硬土层处的U形筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋四个地脚螺栓；将所述的四个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内井筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的井筒和U形的筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。
实施例2
钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为U形的筒身1.8倍、其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍、钻井深度为U形的筒身长度+20米(加深长度为井壁跨塌备用)；先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；在位于地表面和硬土层处的U形筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋四个地脚螺栓；将所述的四个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内井筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的井筒和U形的筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。
实施例3
钻井，其中地平面至硬土层之间钻井的直径为U形的筒身1.7倍、其余部分的钻井的直径为U形的筒身1.4倍、钻井深度为U形的筒身长度+20米(加深长度为井壁跨塌备用)；先焊接下封头与一节外井筒体，依次焊接多节外井筒体以形成U形的筒身并将其沉入所述的钻井内，所述的筒身最上端与具有凹槽的下侧异形设备法兰焊接相连；在位于地表面和硬土层处的U形筒身外壁和钻井井壁之间灌注水泥使之形成固井层和地基层，在所述的地基层预埋四个地脚螺栓；将所述的四个地脚螺栓与所述的下侧异形设备法兰相连接固定；在U形的外井筒身内依次将井底封头，内井筒，节箍用压力钳紧固连接成承压内筒身，在最后一个节箍没安装上时，在所述的下侧异形设备法兰的凹槽上放置密封垫片，再装上井口装置以将所述的内井筒身通过其最上端的节箍的下端面悬挂在所述的下侧异形设备法兰的凹槽内；将两个对开式异形设备法兰压紧在所述的最上端节箍的上端面，然后将所述的对开式异形设备法兰与下侧异形设备法兰通过螺栓夹紧；通过下侧异形设备法兰的氮气充气口在所述的井筒和U形的筒身内壁之间通入低于0.1Mpa的氮气并通过下侧异形设备法兰上安装的压力表检测压力。