第1章地下壓力容器與儲氣井 1

1.1壓力容器 1

1.1.1壓力容器管理規範 1

1.1.2壓力容器分類 4

1.2地下壓力容器 8

1.2.1簡述 8

1.2.2典型地下壓力容器 9

1.3井 14

1.3.1水井 14

1.3.2鹽井 15

1.3.3石油天然氣井 16

1.4儲氣井 17

1.4.1背景概述 17

1.4.2儲氣井 23



第2章儲氣井材料 35

2.1基本知識 35

2.1.1壓力容器選材原則 35

2.1.2金屬材料性能 36

2.1.3金屬材料熱處理 40

2.2井管與接箍 42

2.2.1鋼管材料制造許可 42

2.2.2油（套）管 43

2.2.3儲氣井標準對井管和接箍的要求 59

2.3井口和井底裝置 60

2.3.1鍛件基本知識 60

2.3.2鍛件質量要求及管理 61

2.4儲氣井用材專項要求 64

2.4.1井管和接箍用鋼管 64

2.4.2井口裝置與井底裝置用鋼材 64



第3章儲氣井結構設計 65

3.1儲氣井的結構特性分析 65

3.1.1儲氣井範圍的界定及基本結構劃分 65

3.1.2井筒 66

3.1.3井口裝置 69

3.1.4井底裝置 71

3.1.5固井水泥環 72

3.2儲氣井運行特性分析 76

3.2.1介質特性 76

3.2.2溫度 77

3.3儲氣井的載荷分析計算 79

3.3.1介質內壓力 80

3.3.2地壓力 80

3.3.3重力 81

3.3.4流體靜壓力 82

3.3.5井筒管柱上提、下放及旋轉的作用力 84

3.3.6載荷組合 84

3.4設計方法 85

3.5儲氣井模擬結構試驗驗證 85

3.5.1實驗方案 86

3.5.2試驗條件 88

3.5.3疲勞試驗 91

3.5.4爆破試驗 91

3.5.5分析討論 93

3.5.6小結 94

3.6真實儲氣井試驗驗證 94

3.6.1儲氣井試驗井建造 94

3.6.2儲氣井試驗井應力測試 95

3.6.3儲氣井試驗井疲勞試驗 100

3.6.4儲氣井試驗井抗撥試驗 101



第4章儲氣井制造 106

4.1鑽井 106

4.1.1井身結構 106

4.1.2鑽前準備 108

4.1.3鑽井人員 109

4.1.4鑽井設備 110

4.1.5鑽井液 110

4.1.6鑽進 111

4.2井管安裝 112

4.2.1螺紋密封脂 112

4.2.2扶正器 113

4.2.3井管組裝和下井作業規程 115

4.3固井 117

4.3.1水泥 118

4.3.2水泥外加劑 119

4.3.3固井設計 119

4.3.4儲氣井固井技術現狀 122

4.3.5固井質量影響因素 125

4.3.6復雜情況下的固井技術 129

4.3.7固井質量檢測與評價 131

4.4壓力試驗 131

4.4.1耐壓試驗 131

4.4.2氣密性試驗 134



第5章儲氣井檢測技術 135

5.1固井質量檢測與評價技術 135

5.1.1固井質量評價測井技術 135

5.1.2固井質量評價方法 140

5.2儲氣井水泥防護層膠結聲波檢測方法和設備 146

5.2.1儲氣井水泥防護層膠結質量聲學檢測方法 146

5.2.2儲氣井水泥防護層膠結質量聲學檢測設備 147

5.2.3應用試驗 148

5.3內窺檢測 149

5.4超聲波檢測 152

5.4.1儲氣井井筒壁厚及腐蝕檢測方法與檢測繫統 152

5.4.2儲氣井井筒金屬腐蝕超聲檢測與成像繫統 155

5.5電磁檢測 156

5.6導波檢測 159

5.7井斜檢測 160

5.8井徑檢測 161



第6章儲氣井腐蝕與防護 162

6.1儲氣井損傷模式 162

6.1.1土壤腐蝕 162

6.1.2地層流體腐蝕 163

6.1.3層下腐蝕 163

6.1.4大氣腐蝕 163

6.1.5電化學腐蝕 164

6.1.6濕硫化氫破壞 164

6.1.7脆性斷裂 165

6.1.8機械疲勞 165

6.1.9腐蝕疲勞 166

6.2儲氣井材料的腐蝕研究 166

6.2.1實驗研究 167

6.2.2幾種材料的腐蝕特征 168

6.2.3模擬水泥事故對電流和電位分布特征 171

6.2.4腐蝕過程中的電化學阻抗譜特征 177

6.2.5腐蝕圖像特征 183

6.2.6腐蝕機理分析 183

6.2.7實驗總結 185

6.3腐蝕埋片實驗研究 185

6.3.1實驗方法 186

6.3.2結果與分析 187

6.4抗硫化氫腐蝕性能研究 193

6.4.1試驗材料基本性能 193

6.4.2抗硫化氫應力腐蝕（SCC）性能檢測 193

6.4.3應力腐蝕試驗方法及過程 194

6.4.4試驗結果 194

6.4.5對應力腐蝕實驗結果的綜合分析討論 196

6.5油氣井防腐技術 199

6.5.1選用耐蝕材料 199

6.5.2塗層技術 200

6.5.3金屬鍍層 200

6.5.4加緩蝕劑 200

6.5.5陰極保護技術 201

6.6儲氣井陰極保護 202

6.6.1陰極保護標準 202

6.6.2儲氣井陰極保護案例 202

6.7儲氣井防腐建議 204



第7章儲氣井使用管理與定期檢驗 205

7.1儲氣井的使用管理 205

7.1.1儲氣井使用單位職責 205

7.1.2儲氣井使用單位安全管理工作內容 205

7.1.3儲氣井技術檔案要求 206

7.1.4儲氣井安全操作規程要求 206

7.1.5儲氣井日常安全檢查的要求 206

7.1.6儲氣井年度檢查的要求 207

7.2儲氣井定期檢驗 208

7.2.1主要檢驗依據 208

7.2.2通用要求 209

7.2.3檢驗前準備 209

7.2.4檢驗實施 211

7.2.5缺陷及問題的處理 215

7.2.6安全狀況等級評定 215

7.2.7檢驗報告 217



第8章儲氣井在線監測 218

8.1智能網聯特種設備 218

8.2基於智能網聯的儲氣井監測繫統 219

8.2.1總體設計 219

8.2.2繫統實施 223

8.2.3應用案例 225



第9章儲氣井典型案例 230

9.1儲氣井的典型事故 230

9.2儲氣井設計制造典型問題 232

9.2.1設計方面的主要問題 232

9.2.2材料方面的主要問題 234

9.2.3制造過程方面存在的主要問題 234

9.2.4質量管理體繫方面存在的主要問題 236

9.2.5固井檢測方面 236

9.3儲氣井定期檢驗典型案例分析 237

9.3.1腐蝕減薄 238

9.3.2焊疤及裂紋 240

9.3.3材料硬度偏低 241

9.3.4材料分層 241

9.3.5井筒彎曲 242

9.3.6機械損傷 242

9.3.7螺紋損傷 242

9.3.8耐壓試驗異常或不合格 243

9.4結論與建議 244



第10章儲氣井發展前景 245

10.1帶動地下壓力容器技術發展 245

10.1.1加快技術研究 245

10.1.2加快標準建設 246

10.2推進儲氣井技術創新 246

10.2.1雙管式結構 246

10.2.2使用陰極保護措施 247

10.2.3預制防腐 248

10.2.4全焊接連接 248

10.2.5分段設計 248

10.2.6金屬加水泥復合式結構 249

10.2.7甁式結構 251

10.2.8非金屬復合式結構 251

10.3拓展儲氣井多領域應用 252

10.3.1儲氣庫 252

10.3.2氫能利用 253

10.3.3地熱利用 254



參考文獻 255



附錄 257

地下壓力容器是壓力容器的一種，因其安裝在地面以下或土層以下而得名，與地上壓力容器相比具有明顯的安全性和經濟性優勢。儲氣井是一種中國特色地下壓力容器設備，它具有占地面積小，失效影響範圍小，無靜電、避雷效果好，非焊接結構、制造不易產生缺陷，受地面活動破壞概率低，地下環境溫度恆定、金屬壁溫和氣體溫度變化小等優點，在天然氣儲存等方面占有重要地位，已大量用於汽車加氣站儲存壓縮天然氣，在民用調峰站和企業儲氣庫中也有較多應用，並在氫能利用領域有逐漸發展的趨勢。

作為一種豎向置於地下用於儲存壓縮氣體的井式管狀設備，儲氣井綜合了油氣井技術和承壓類特種設備技術，制造時參照油氣井技術，完成後具備壓力容器功能，兼有油氣井、壓力容器、壓力管道、氣瓶的特點。但是儲氣井的材料、結構、制造工藝、失效模式、檢測方法等方面都有別於常規的地上壓力容器，常規壓力容器的生產、檢驗方法不能照搬用於儲氣井。

針對儲氣井在材料、結構、檢測等方面的關鍵技術難題，筆者所在團隊開展了多項關於儲氣井的和省部級科研課題，包括“十二五”科技攻關課題“儲氣井失效模式、失效機理及預防措施研究”、質檢公益性行業科研專項“儲氣井關鍵技術標準研究”、質檢公益性行業科研專項“深埋井式容器檢測關鍵技術與評價方法研究”、質檢總局計劃類項目“儲氣井檢測監測關鍵技術研究”以及質檢總局計劃類項目“儲氣井螺紋結構安全評定技術研究”等。基於以上科研課題的研究成果，結合儲氣井及油氣井的相關技術標準，以及儲氣井近20年的使用經驗積累，形成了本書的主要內容。

全書共分為10章。第1章為概論，主要介紹地下壓力容器特點、油氣井歷史、儲氣井特點；第2～9章介紹了儲氣井材料、結構設計、制造、檢測、腐蝕防護、使用維護與檢驗、在線監測、典型案例等內容；第10章介紹儲氣井的發展前景。

本書由中國特種設備檢測研究院組織撰寫，其中第1章、第10章主要由石坤撰寫，第3章、第7章、第9章主要由段志祥撰寫，第2章、第4章主要由陳祖志撰寫，第5章、第6章、第8章主要由劉再斌撰寫。

書中不足之處，請廣大讀者指正。



石 坤

2021年3月