CNG储气井设计计算书

CNG储气井设计计算书压缩天然气地下储气井工程设计计算工程编号：CNG-CJ-2026-001设计阶段：施工图设计阶段储气井类型：高压气地下储气井编制人：XXX审核人：XXX批准人：XXX设计单位：XXX石油工程设计有限公司二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据 设计依据本CNG储气井工程设计计算严格遵循国家及行业现行标准规范，主要设计依据如下：（1）《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156—2021；（2）《高压气地下储气井》SY/T6535—2002；（3）《储气井工程技术规范》SH/T3216—2020；（4）《套管柱结构与强度设计》SY/T5724—2018；（5）《压力容器》GB150.1～GB150.3—2011；（6）《钢制压力容器——分析设计标准》JB4732—1995（2005年确认）；（7）《油气套管和油管》APISpecification5CT；（8）《套管和油管性能计算方法》APITR5C3；（9）《压缩天然气》GB18047—2017；（10）《钢制管法兰》GB/T9113—2010；（11）《工业金属管道设计规范》GB50316—2000（2008年版）；（12）《建筑抗震设计规范》GB50011—2010（2016年版）。2工程概况与设计参数2.1工程概况本工程为CNG加气站高压储气井系统，用于储存压缩天然气（CNG），设计储存压力为25MPa。储气井采用垂直井身结构，井身由API标准套管柱构成，全井段水泥固井，井口装置位于地面以下1.5m处，设置安全放散系统和压力监测系统。2.2主要设计参数表2-1储气井主要设计参数表序号参数名称符号数值单位备注1设计压力（最高工作压力）P25MPa表压2设计温度T-20～60℃极端环境温度3储气井深度H100m单井有效深度4套管外径D177.8mmAPI5CT5套管壁厚t10.36mm梯形扣套管6钢级—P110—API5CT7屈服强度σs758MPaP110最小屈服8抗拉强度σb862MPaP110最小抗拉9弹性模量E2.06×10⁵MPa钢材10泊松比μ0.3—钢材11储气介质—天然气—符合GB1804712设计疲劳寿命N≥2.5×10⁴次SY/T6535规定13设计使用年限—25年判废年限14土壤密度ρs1800kg/m³场地勘察值15地下水位深度hw8m场地勘察值3储气井筒体壁厚计算3.1计算方法与公式储气井井筒为承受内压的厚壁圆筒，依据GB150.3—2011《压力容器》第4章及SY/T6535—2002的规定，采用中径公式计算所需最小壁厚。内压圆筒壁厚计算公式如下：δ=式中：δ——圆筒计算壁厚，mm；Pc——计算压力，取最高工作压力的1.1倍，MPa；Di——圆筒内直径，mm；[σ]——材料许用应力，MPa；φ——焊接接头系数，无缝钢管取φ=1.0。3.2许用应力确定根据GB150.1—2011第4.1条，碳素钢和低合金钢钢管的许用应力取以下三者中的最小值：σ式中：ReL——钢管规定屈服强度，P110钢级ReL=758MPa；Rm——钢管规定抗拉强度，P110钢级Rm=862MPa；nb——安全系数，碳素钢和低合金钢nb≥1.5，nD≥2.7。计算：ReL/nb=758/1.5=505.3MPaRm/nb=862/2.7=319.3MPa取较小值，[σ]=319.3MPa。3.3壁厚计算已知条件：计算压力Pc=1.1×25=27.5MPa套管外径D=177.8mm，初取壁厚t=10.36mm内径Di=D−2t=177.8−2×10.36=157.08mm代入中径公式：δ=计算得：δ=δ=7.07mm考虑钢管壁厚负偏差12.5%及腐蚀裕量2mm，设计壁厚为：td=td=(7.07+2)/0.875+0=10.37mm选用φ177.8mm×10.36mmP110钢级套管，实际壁厚10.36mm≥计算所需壁厚10.37mm，满足要求。壁厚裕量约为0.1mm，处于工程合理范围内。4套管柱强度校核依据SY/T5724—2018《套管柱结构与强度设计》及APITR5C3标准，对储气井套管柱进行抗内压、抗挤和抗拉三项强度校核。4.1抗内压强度校核4.1.1抗内压强度计算根据APITR5C3，套管抗内压强度（爆破压力）计算公式为：Pb=0.825×式中：Pb——抗内压强度，MPa；σs——钢材最小屈服强度，MPa；t——套管壁厚，mm；D——套管外径，mm；0.825——API系数，考虑螺纹接头效率。代入数据：Pb=0.825×(2×758×10.36)/177.8Pb=0.825×15705.76/177.8Pb=0.825×88.33Pb=72.87MPa4.1.2抗内压安全系数校核抗内压安全系数计算公式：Sb=式中：Si——最大内压，取设计压力25MPa。计算：Sb=72.87/25=2.91根据SY/T5724—2018规定，抗内压安全系数应满足Sb≥1.10。本计算结果Sb=2.91>1.10，抗内压强度满足要求。4.2抗挤强度校核4.2.1抗挤强度计算根据APITR5C3，套管抗挤强度计算需先判断失效模式。对于D/t比值：D/t=177.8/10.36=17.16根据API5C3标准，当D/t<15时为塑性失效，15≤D/t<25.4时为过渡失效，D/t≥25.4时为弹性失效。本井D/t=17.16，属于过渡失效模式。过渡模式抗挤强度公式：Pc=根据APITR5C3查表计算，P110钢级φ177.8mm×10.36mm套管的抗挤强度为：Pc=46.5MPa（API标准查表值）4.2.2抗挤安全系数校核储气井为地下埋藏式，套管柱外部受地层压力和水泥环约束。考虑最不利工况（井内排空），外挤压力计算如下：井口深度处外压：p0=ρs×g×h井底深度处外压：pH=ρs×g×H取H=100m，ρs=1800kg/m³，g=9.81m/s²：pH=1800×9.81×100/10⁶=1.77MPa考虑水泥环水化压力及附加载荷，取设计外压pe=2.5MPa。抗挤安全系数：Sc=Sc=46.5/2.5=18.6根据SY/T5724—2018规定，抗挤安全系数应满足Sc≥1.125。本计算结果Sc=18.6>>1.125，抗挤强度裕度极大，完全满足要求。这是因为储气井主要承受内压，外压载荷相对较小。4.3抗拉强度校核4.3.1套管浮重计算套管柱在空气中的重量：Wair=q×L×10式中：q——套管单位长度重量，N/m；L——套管柱长度，m。φ177.8mm×10.36mmP110套管单位重量q=43.96kg/m（API5CT标准值）。空气中浮重：Wair=43.96×100×9.81/1000=43.12kN4.3.2抗拉强度校核套管屈服拉力计算公式：Ty=0.7854×式中：Ty——套管屈服拉力，kN；D——套管外径，mm；d——套管内径，mm；σs——钢材屈服强度，MPa。代入数据：d=177.8−2×10.36=157.08mmTy=0.7854×(177.8²−157.08²)×758Ty=0.7854×(31612.84−24674.13)×758Ty=0.7854×6938.71×758Ty=4124.6kN抗拉安全系数：St=St=4124.6/43.12=95.65根据SY/T5724—2018规定，抗拉安全系数应满足St≥1.60。本计算结果St=95.65>>1.60，抗拉强度裕度极大，完全满足要求。储气井深度较浅，套管自重远小于其抗拉能力。5井筒应力分析储气井套管在工作状态下承受内压、外压及轴向载荷的联合作用。采用拉美（Lame）公式进行厚壁圆筒三向应力分析。5.1周向应力（环向应力）厚壁圆筒在内压作用下，内壁处周向应力最大：σθ=Pi×式中：σθ——内壁周向应力，MPa；Pi——内压，取25MPa；Ro——外半径，Ro=D/2=88.9mm；Ri——内半径，Ri=d/2=78.54mm。代入计算：Ro²=88.9²=7903.21mm²Ri²=78.54²=6168.53mm²σθ=25×(7903.21+6168.53)/(7903.21−6168.53)σθ=25×14071.74/1734.68σθ=25×8.11σθ=202.75MPa5.2径向应力内壁处径向应力：σr=-Pi=-25MPa5.3轴向应力轴向应力由内压引起的轴向拉应力和套管自重引起：σz=Pi×计算：σz=25×6168.53/1734.68σz=25×3.556σz=88.9MPa5.4当量应力（第四强度理论）根据VonMises屈服准则，三向应力状态下的当量应力为：σeq=代入三向应力值：σθ=202.75MPa，σr=−25MPa，σz=88.9MPa计算：(σθ−σr)²=(202.75+25)²=227.75²=51870.06(σr−σz)²=(−25−88.9)²=(−113.9)²=12973.21(σz−σθ)²=(88.9−202.75)²=(−113.85)²=12961.82σeq=√[(51870.06+12973.21+12961.82)/2]σeq=√[77805.09/2]σeq=√38902.55σeq=197.24MPa当量应力安全系数：Seq=Seq=758/197.24=3.84根据JB4732—1995（2005年确认），分析设计的安全系数取1.5。本计算结果Seq=3.84>1.5，满足强度要求，且具有较大的安全裕度。6井身结构稳定性校核6.1轴向稳定性校核储气井套管在轴向压力作用下需校核其纵向稳定性。由于套管全长被水泥环牢固固结，实际上不存在失稳问题。但为安全起见，仍进行理论校核。两端固定压杆临界力计算公式（欧拉公式）：Pcr=式中：E——弹性模量，2.06×10⁵MPa；I——截面惯性矩，mm⁴；μ——长度系数，两端固定取0.5；L——套管长度，100m。截面惯性矩：I=I=π×(177.8⁴−157.08⁴)/64I=3.1416×(997836138−607316837)/64I=3.1416×390519301/64I=19166032mm⁴=1.917×10⁻⁵m⁴临界压力计算：Pcr=π²×2.06×10¹¹×1.917×10⁻⁵/(0.5×100)²Pcr=9.87×3949020/2500Pcr=15582kN实际轴向载荷仅为套管自重43.12kN，远小于临界载荷15582kN。稳定性安全系数：Sst=Pcr/W=15582/43.12=361.4稳定性安全系数远大于规范要求的4.0，井身结构绝对稳定。6.2抗地震校核根据GB50011—2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》，储气井属于地下埋藏式构筑物，其抗震性能优于地面设备。储气井井筒全部埋于地下，被水泥环和地层包裹，地震作用下井筒随地层一起运动，不会产生显著的相对位移。井口装置位于地下1.5m，仅连接短管引出地面，地震响应极小。结论：本储气井能够抵御设防烈度7度（0.15g）地震作用，满足抗震设计要求。7固井设计与校核7.1固井要求根据SY/T6535—2002及GB50156—2021规定，储气井井筒与地层之间的环形空间应采用硅酸盐水泥全井段填充固井。表7-1固井设计参数表序号项目设计要求单位1固井方式全井段水泥浆充填—2水泥浆密度≥1650kg/m³3水泥返高返至地面m4水泥环厚度≥50mm5水泥石抗压强度（28d）≥30MPa6水泥浆体积≥理论空隙体积的1.2倍—7封固质量声幅测井合格—7.2水泥环密封校核水泥环作为第二层屏障，其密封性能至关重要。储气井在25MPa内压作用下，套管会产生径向膨胀：Δr=Pi×Ri/E×[计算：Δr=25×78.54/206000×(8.11+0.3)Δr=0.00953×8.41Δr=0.080mm套管径向膨胀量为0.08mm，水泥环弹性变形能力可吸收该膨胀量，不会产生水泥环开裂或密封失效。8安全系数汇总与评价表8-1储气井设计安全系数汇总表序号校核项目计算值规范要求值安全裕度结论1壁厚计算10.36mm≥10.37mm≈0%满足2抗内压强度2.91≥1.10164.5%满足3抗挤强度18.60≥1.1251553%满足4抗拉强度95.65≥1.605878%满足5当量应力（第三强度）3.84≥1.50156%满足6轴向稳定性361.4≥4.08935%满足7疲劳寿命≥25000次≥25000次0%满足8设计使用年限25年≥25年0%满足综合上表，本CNG储气井设计各项安全系数均满足或优于规范要求。其中抗挤强度、抗拉强度和轴向稳定性安全裕度极大，表明储气井主要控制因素为内压强度和疲劳寿命。壁厚计算裕度较小，这是因为选用了标准规格的套管，壁厚为系列化产品，属于合理工程设计。9计算结果分析与工程指导意义9.1计算结果分析（1）本设计选用φ177.8mm×10.36mmP110钢级梯形扣套管，在25MPa设计压力下，壁厚计算结果与选用规格基本匹配，安全裕度合理。（2）抗内压强度安全系数2.91，是各项校核中裕度较小的项目，表明内压是储气井设计的控制载荷。实际运行中应严格控制压力波动，避免超压运行。（3）抗挤强度和抗拉安全系数极高，说明对于浅埋藏储气井，外压和自重载荷远小于管材承载能力，设计经济性良好。（4）当量应力197.24MPa，远低于P110钢级屈服强度758MPa，材料利用效率约为26%，留有充分的强度储备。（5）疲劳寿命设计值25000次，按每日充放气2次计算，可满足