CNG加氣站儲氣系統(tǒng)解讀課件

CNG加氣站儲氣系統(tǒng)廖柯熹liaokxswpi@163.com西南石油大學(xué)石工院儲運(yùn)所2023/7/231CNG加氣站儲氣系統(tǒng)2023/7/221目錄儲氣方式與工藝CNG加氣站儲氣井檢測方法適應(yīng)性分析儲氣井井筒漂移與井竄分析CNG加氣站儲氣井泄漏監(jiān)測系統(tǒng)目錄儲氣方式與工藝2023/7/233CNG加氣站儲氣方式與工藝2023/7/223CNG加氣站儲氣方式與工藝壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/234壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/224壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/235壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/225壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/236壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/226壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/237壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/227壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)氣瓶儲氣大氣瓶：每個氣瓶容積在500L以上的大氣瓶組，每組3-6個，在國外應(yīng)用得最多。2023/7/238壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)氣瓶儲氣2023/7/228壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)氣瓶儲氣

2023/7/239小氣瓶組：每個氣瓶容積在40-80L，每站40-200個。壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)氣瓶儲氣2023/7/229小氣瓶壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2310大容量高壓容器儲氣單個高壓容器，容積在2m3以上。壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2210大容量高壓容器儲氣壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2311大容量高壓容器儲氣單個高壓容器，容積在2m3以上。壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2211大容量高壓容器儲氣壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2312地下儲氣井①井管直徑177.8-298.4（套管）；②單井水容積1～10（Nm3）；③井深80-200（m）；④工作壓力（≤25MPa）。

CNG地下儲氣井壓縮天然氣的儲存系統(tǒng)2023/7/2212地下儲氣井CNG加氣站儲氣井檢測方法適應(yīng)性分析2023/7/2313CNG加氣站儲氣井檢測方法適應(yīng)性分析2023/7/2213CNG加氣站儲氣井主要失效形式

井竄失效：在儲氣井不斷的充放氣過程中，套管和水泥環(huán)膠結(jié)形成的第一界面最容易發(fā)生疲勞脫粘。發(fā)生脫粘就會使得套管與水泥環(huán)之間摩擦力變小，井筒也會相應(yīng)向地面伸長。某一時刻伸長量大于臨界值時，井筒可能就會竄出地面，造成井竄事故。儲氣井充放氣過程CNG加氣站儲氣井主要失效形式井竄失CNG加氣站儲氣井主要失效形式

腐蝕與泄漏失效：泄漏是影響儲氣井安全的失效形式之一。泄漏包括井口裝置泄漏和井下泄漏。井口裝置泄漏發(fā)生在井口封頭與井管螺紋聯(lián)結(jié)、管件聯(lián)結(jié)和井口裝置的閥門等部位，可通過天然氣濃度監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測。井下泄漏是發(fā)生在井口以下部位，不宜發(fā)現(xiàn)，可通過項(xiàng)目研究開發(fā)的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。腐蝕導(dǎo)致的儲氣井事故（宜賓）CNG加氣站儲氣井主要失效形式腐蝕16儲氣井腐蝕檢測超聲波檢測超聲波檢測優(yōu)點(diǎn)是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波探傷檢測的局限性在于缺陷的顯示不直觀，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結(jié)果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類。16儲氣井腐蝕檢測17儲氣井腐蝕檢測渦流檢測

美國西南研究院開發(fā)了一套基于遠(yuǎn)場渦流的智能檢測器。這套檢測設(shè)備檢測的直徑范圍為6~8英寸（150~200mm），其上的傳感器可以收縮以通過受限制的管段，例如彎頭、三通、閘閥等。檢測的速度為100mm/s，在直管段，檢測距離能過達(dá)到500英尺（約150米），檢測的精度可達(dá)到管道壁厚橫截面的2~3%，在監(jiān)控模式下，缺陷檢查的靈敏度常常低于1%。17儲氣井腐蝕檢測18儲氣井腐蝕檢測漏磁檢測

由于缺陷的漏磁信號和缺陷形狀具有一定的對應(yīng)關(guān)系，漏磁通信號的峰值和表面裂紋的深度有很好的線性關(guān)系，因此可以對缺陷進(jìn)行量化，對缺陷的危險程度進(jìn)行初步判斷。由于傳感器不能像磁粉一樣緊貼在被檢測表明，和被檢測面有一定的提離值，因此降低了檢測靈敏度。另外缺陷的形狀特征和檢測的信號特征不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，因此漏磁場檢測只能給出缺陷的初步量化結(jié)果。18儲氣井腐蝕檢測19MIT多臂井徑儀直徑：73mm長度：2.5m精度：1.0mm分辨率：0.10mm最大壓力：100MPa最大溫度：175℃最大測速：10m/min測量范圍：80mm～210mm額定溫度：150℃額定壓力：105MPa工具直徑：43mm長度：2.179m重量：13.6kg測量范圍：50.8mm---177.8mm19MIT多臂井徑儀直徑：73mm長度技術(shù)比選20主要參數(shù)傳感器數(shù)量直徑mm長度mm重量kg額定溫度℃額定壓力MPa測量范圍mm超聲波檢測12個探頭4311819.517010544.5~177.8漏磁檢測12個探頭43217913.615010544.5~177.8渦流檢測4810010009.012035152.4-203.2MIT-24B測臂24支4311819.517010544.5~177.8MIT-40B測臂40支7325003017010580.0~210.0MTT12個探頭43217913.615010544.5~177.8儀器精度超聲波徑向分辨率：；徑向精度：；垂向分辨率：/min的情況下為漏磁厚度精度：工具的精度依賴于缺陷的尺寸，無損傷油管精度為15%壁厚。缺陷分辨率：檢測缺陷的能力依賴于缺陷的尺寸。直徑的缺陷：50%的壁厚，35%的金屬損失量。直徑的缺陷：30%的壁厚，20%的金屬損失量。渦流與管壁不直接接觸，通過障礙能力較好，可測量20％壁厚變化，周向分辨率為，可提供儲氣井內(nèi)影像。MIT徑向分辨率：；徑向精度：；垂向分辨率：/min的情況下為2.1082mm。MTT厚度精度：工具的精度依賴于缺陷的尺寸，無損傷油管精度為15%壁厚。缺陷分辨率：檢測缺陷的能力依賴于缺陷的尺寸。直徑的缺陷：50%的壁厚，35%的金屬損失量。直徑的缺陷：30%的壁厚，20%的金屬損失量。技術(shù)比選20主要參數(shù)傳感器數(shù)量直徑長度重量額定溫度℃額定壓力21根據(jù)儲氣井結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測要求，基于傳感器數(shù)量、規(guī)格、適用壓力、適用溫度、測量范圍和儀器精度對超聲波檢測、渦流檢測、漏磁檢測、MIT多臂井徑儀檢測和MTT磁測厚儀檢測的檢測方法進(jìn)行分析，結(jié)合目前國內(nèi)儲氣井專用檢測設(shè)備應(yīng)用情況，可采用遠(yuǎn)場渦流檢測、超聲波檢測兩種方法進(jìn)行儲氣井腐蝕檢測。技術(shù)比選21根據(jù)儲氣井結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測要求，基于傳感器數(shù)量、22儲氣井固井質(zhì)量檢測方法

聲幅測井、SBT扇區(qū)膠結(jié)測井、MAK2Ⅱ聲波/伽馬變密度測井

聲幅測井只能反映第一界面的膠結(jié)情況，無法識別第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。而SBT扇區(qū)膠結(jié)測井的缺點(diǎn)是當(dāng)?shù)谝唤缑婺z結(jié)差、尤其是存在微環(huán)時，SBT測井不能正確評價第二界面的膠結(jié)情況。MAK2Ⅱ聲波/伽馬變密度測井儀發(fā)射能量較強(qiáng)，測井時不受井內(nèi)介質(zhì)、套管尺寸和儀器偏心等諸多因素的影響，比常規(guī)VDL測井能更準(zhǔn)確、真實(shí)地反映水泥膠結(jié)情況。綜合利用伽馬變密度測井，可判定水泥環(huán)內(nèi)的微間隙、竄槽以及當(dāng)?shù)谝唤缑婺z結(jié)差時第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。因此，在具備條件下推薦采用MAK2Ⅱ聲波/伽馬變密度測井儀進(jìn)行固井質(zhì)量檢測和評價。22儲氣井固井質(zhì)量檢測方法儲氣井井筒漂移與井竄分析2023/7/2323儲氣井井筒漂移與井竄分析2023/7/222324均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型（1）井筒為標(biāo)準(zhǔn)中允許的井筒，水泥環(huán)材料、地層材料性質(zhì)為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性材料的線彈性材料；（2）固井過程中水泥漿完全充滿環(huán)形空間，井筒居中不存在偏心，井筒和水泥環(huán)視為厚壁圓筒，井眼為垂直井眼不存在偏移，且為規(guī)則的圓形。井筒－水泥環(huán)－地層耦合模型24均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型（1）井筒為標(biāo)準(zhǔn)中允許的井筒25均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型第一界面和第二界面處的接觸壓力為：

井筒：水泥環(huán)：地層：25均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型第一界面和第二界面處的接觸壓力為：26非均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型根據(jù)彈性力學(xué)原理，非均勻地應(yīng)力下地層水泥環(huán)井筒系統(tǒng)力學(xué)耦合問題可視為平面應(yīng)變問題，建立相應(yīng)的分析模型。井筒－水泥環(huán)－地層耦合模型井筒的位移分量為：26非均勻應(yīng)力下井筒力學(xué)模型根據(jù)彈性力學(xué)原理，非均勻27儲氣井井竄力學(xué)模型由于儲氣井內(nèi)的壓力在充氣過程中是變化的，井筒長度一般為100m～200m。由氣體性質(zhì)可知，井內(nèi)的壓力從井口到井底不可能達(dá)到瞬間平衡，因此氣井內(nèi)的壓力是非均勻分布。由于井口處為高壓天然氣的入口，所以該處的井口壓力最大，井底壓力最小。這樣就在井內(nèi)形成了一個壓力差，該壓力差便是井竄的動力。儲氣井受力示意圖27儲氣井井竄力學(xué)模型由于儲氣井內(nèi)的壓力在充氣過程中28儲氣井界面脫粘示意圖界面脫粘局部放大示意圖界面的脫粘速率為：28儲氣井界面脫粘示意圖界面脫粘局部放大示意圖界面的脫粘速率29儲氣井井竄失效模型應(yīng)用分析以某CNG加氣站一站進(jìn)行模型建立與應(yīng)用，壓縮機(jī)組采用撬裝式結(jié)構(gòu)，儲氣裝置為儲氣井（4×3m3），設(shè)計日供氣15000m3，最大日售氣量達(dá)22000m3左右，平均售氣量16750m3/日。1、邊界條件：均勻地應(yīng)力4MPa（地下159.04.米處），井筒內(nèi)壓力為25MPa；2、地層參數(shù)：地層彈性模量E地=5000MPa，地層泊松比0.4；3、水泥環(huán)參數(shù)：厚度為20mm，水泥環(huán)彈性模量28000MPa，泊松比0.2；4、井筒參數(shù)：外徑177.8mm，壁厚10.36mm，彈性模量206000MPa，泊松比0.3。29儲氣井井竄失效模型應(yīng)用分析以某CNG加氣站一站30

由表中計算結(jié)果可知，推導(dǎo)的解析解公式的計算值與ANSYS計算結(jié)果非常接近，相對誤差在2.5％以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的正確性，可用于分析儲氣井井竄失效規(guī)律。有限元計算模型

位置（MPa）井筒內(nèi)壁第一界面第二界面解析解應(yīng)力（MPa）170.178.916.7解析解等效應(yīng)力（MPa）163.272.514.7有限元等效應(yīng)力（MPa）164.875.815.3相對計算偏差（％）0.981.552.3330由表中計算結(jié)果可知，推導(dǎo)的解析解公式的計算值與A31

隨半徑的增大方向，徑向應(yīng)力由井筒內(nèi)的壓力25MPa減小到地層的地應(yīng)力2MPa，當(dāng)壁厚為10mm時，水泥環(huán)內(nèi)外壁徑向應(yīng)力分別為：內(nèi)壁3.33MPa，外壁2MPa。但是，可以看出井筒壁厚較小的組合系統(tǒng)的曲線變化要顯著，說明它在徑向上應(yīng)力下降幅度明顯。井筒壁厚對井筒受力的影響31隨半徑的增大方向，徑向應(yīng)力由井筒內(nèi)的壓力25M32水泥環(huán)壁厚較小的組合系統(tǒng)，其內(nèi)壁所受的拉應(yīng)力較大，厚壁圓筒在承受內(nèi)壓時，內(nèi)壁是最危險的界面。從減小兩個界面的應(yīng)力來講，采取較厚的水泥環(huán)是對整個系統(tǒng)受力分布是最有利的。水泥環(huán)厚度對井筒受力的影響32水泥環(huán)壁厚較小的組合系統(tǒng)，其內(nèi)壁所受的拉應(yīng)力較大33從保護(hù)水泥環(huán)完整性的角度來看，水泥石相對較低的彈性模量、較大的泊松比更有利于使水泥環(huán)不被破壞。但是，當(dāng)水泥石彈性模量較小、泊松比較大時，其抗壓強(qiáng)度一般較小，所以對水泥石的彈性參數(shù)和物理參數(shù)還需綜合考慮。水泥環(huán)基本參數(shù)對井筒受力的影響33從保護(hù)水泥環(huán)完整性的角度來看，水泥石相對較低的彈34對某儲氣井進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，儲氣井最大漂移量為5.2mm，有限元計算結(jié)果為：井筒最大漂移量4.981mm，相對誤差為5.57%，因此建立的漂移模型可用于儲氣井的井竄失效分析。儲氣井井竄漂移模型應(yīng)用分析第一界面剪應(yīng)力分布圖第一界面徑向應(yīng)力分布圖34對某儲氣井進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，儲氣井最大漂移量為5.2CNG加氣站儲氣井泄漏監(jiān)測系統(tǒng)2023/7/2335CNG加氣站儲氣井泄漏監(jiān)測系統(tǒng)2023/7/223536儲氣井工況仿真模型建立

基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒方程，建立CNG高壓儲氣井動態(tài)工況仿真模型。儲氣井泄漏質(zhì)量平衡圖36儲氣井工況仿真模型建立基于質(zhì)量守恒、能量守恒、37儲氣井工況仿真模型建立

進(jìn)（出）氣管道檢測點(diǎn)截面示意圖儲氣井微元示意圖37儲氣井工況仿真模型建立進(jìn)（出）氣管道檢測點(diǎn)截面示意圖儲38儲氣井泄漏動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

儲氣井泄漏動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由VB6.0寫成，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，利用事件驅(qū)動方式來完成程序的控制。該系統(tǒng)基于Windows98/2000/XP操作平臺，采用開放結(jié)構(gòu)，支持Windows的各項(xiàng)功能和資源，利用VisualBasic與數(shù)據(jù)庫間良好的連接特性，為系統(tǒng)的應(yīng)用和具體操作創(chuàng)造良好的圖文集成環(huán)境。38儲氣井泄漏動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)儲氣井泄漏動態(tài)監(jiān)測39監(jiān)測界面參數(shù)設(shè)置監(jiān)測曲線運(yùn)行狀況39監(jiān)測界面參數(shù)設(shè)置監(jiān)測曲線運(yùn)行狀況40時刻（min）充氣量（Nm3）井口壓力（MPa）實(shí)際儲氣量（Nm3）計算儲氣量（Nm3）1018.800212.9519.2412.9513.52312.7519.7112.7512.2941320.151313.62512.5520.612.5512.44612.9821.0912.9812.18713.4921.5613.4913.75813.9622.0813.9613.3912.7322.5612.7311.96充氣工況第1組數(shù)據(jù)分析（共4組）40時刻（min）充氣量井口壓力實(shí)際儲氣量計算儲氣量101841充放氣工況第1組數(shù)據(jù)分析（共4組）時刻（min）充氣量（Nm3）放氣量（Nm3）井口壓力（MPa）實(shí)際儲氣量（Nm3）計算儲氣量（Nm3）10017.9700212.727.9818.134.744.98313.058.8318.284.224.221412.9412.2218.310.720.6512.572.7218.639.8510.7613.225.418.887.828.6712.9415.6718.79-2.73-2.92813.5111.4418.862.072.17911.547.51194.034.121013.219.3119.123.94.421112.4519.1218.9-6.67-7.151212.7321.0818.61-8.35-8.541312.7521.218.34-8.45-9.31412.5611.2818.3