CNG加气站储气井井窜失效分析

论文摘要

随着国民经济的发展和社会的进步,汽车的使用量不断增长,导致汽车燃料供需矛盾以及汽车排放污染物对生态环境危害加剧。利用天然气作为汽车燃料是解决这些矛盾一举两得的积极措施。近年来各地CNG加气站常有储气井井窜事故发生。井窜导致井口连接管道连接失效,甚至井筒全部窜出地面,造成天然气泄漏,储气井报废,还可能引起火灾、爆炸等严重后果,给人民生命财产安全带来惨重的损失。因此,有必要对井筒运用弹性力学方法分析受力情况,研究井窜失效机理,进而提出预防控制措施,维护CNG加气站安全运行,保证人民生命财产安全。本文在认为套管、水泥环和地层均为弹性材料的条件下,采用弹性力学分析方法,结合厚壁圆筒理论,建立了套管-水泥环-地层耦合模型。运用静力学方法求解模型,得到了耦合模型的应力分布情况,同时应用有限元软件进行模拟计算验证了模型的正确性。进一步通过有限元软件系统的分析地层基本力学参数、水泥环几何及物理参数、套管几何参数等因素对井筒受力的影响规律,揭示储气井发生井窜的失效原因;结合材料力学中裂纹在周期载荷作用下扩展理论,研究了储气井套管与水泥环在循环载荷作用下的脱粘问题,得出了循环载荷与界面脱粘速度的关系,并研究了界面脱粘长度对井筒的受力影响规律,指出了井窜事故的动力因素。根据上述理论分析,考虑均匀地应力和非均匀地应力两种情况,结合雅安加气站实际情况,研究分析了井筒受力规律,结果表明储气井套管壁厚越大,水泥环内外壁受力就越小;水泥环的弹性模量越大、泊松比越小,水泥环内壁的抗压能力就越强;弹性模量越小、洎松比越大的水泥环内壁抗拉能力就越强;水泥环的厚度越大,水泥环内外壁受力越小;地层弹性模量越大、泊松比越小,地层的抗压能力较强。由上述规律可以得出了一些有益的控制井窜措施:预防储气井井窜宜采用壁厚较大的储气井套管,应采取较小弹性模量和较大泊松比的水泥固井;对于水泥环宜采取较大的厚度;对于储气井选址宜选硬质地层;除此之外,还应该加强套管与水泥环之间的粘结强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 目的及意义
• 1.2 国内外CNG加气站储气井研究现状
• 1.2.1 国内CNG加气站储气井发展状况
• 1.2.2 国外CNG加气站储气井发展状况
• 1.3 本文技术路线
• 1.4 本文主要内容
• 2 CNG加气站储气井失效事故分析
• 2.1 CNG加气站工艺
• 2.1.1 CNG加气站工艺流程
• 2.1.2 CNG加气站储气井工艺
• 2.1.3 CNG加气站储气井结构
• 2.1.4 CNG加气站储气井工况分析
• 2.2 CNG加气站储气井危险度分析
• 2.2.1 CNG加气站危险源识别
• 2.2.2 CNG加气站储气井危险度分析
• 2.3 CNG加气站储气井事故调查与分析
• 2.4 本章小结
• 3 CNG加气站储气井井窜机理分析力学基础
• 3.1 弹性力学理论基础
• 3.1.1 厚壁圆筒弹性极限分析
• 3.1.2 地层井壁稳定分析
• 3.1.3 破坏准则
• 3.1.3.1 地层井壁破坏准则
• 3.1.3.2 水泥环的破坏准则
• 3.2 有限元静力分析理论基础
• 4 CNG加气站储气井井窜耦合力学模型求解
• 4.1 均匀应力下井筒力学模型
• 4.1.1 模型建立的依据
• 4.1.2 井筒力学模型
• 4.2 非均匀应力下井筒力学模型
• 4.2.1 模型建立的依据
• 4.2.2 井筒力学模型
• 5 储气井井筒界面脱粘失效分析
• 5.1 储气井井内压力分布
• 5.2 脱粘长度模型
• 6. 实例应用
• 6.1 雅安CNG配气站概况
• 6.2 均匀地应力下井筒受力的基本参数变化规律
• 6.2.1 套管壁厚对井筒受力的影响
• 6.2.2 水泥环厚度对井筒受力的影响
• 6.2.3 水泥环基本参数对井筒受力的影响
• 6.2.4 地层基本参数对井筒受力的影响
• 6.2.5 套管直径对井筒受力的影响
• 6.3 非均匀地应力下井筒受力的基本参数变化规律
• 6.3.1 不同非均匀地应力对井筒的影响
• 6.3.2 套管壁厚对井筒应力的影响
• 6.3.3 水泥环厚度对井筒受力的影响
• 6.3.4 水泥环基本参数对井筒受力的影响
• 6.3.5 地层参数对井筒受力的影响
• 6.3.6 套管直径对井筒受力的影响
• 6.4 控制措施
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附件