【石油工程課程設(shè)計(jì)】套管柱及其強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、1 楊明合楊明合 石油工程學(xué)院石油工程學(xué)院 一、套管的類型及其性能一、套管的類型及其性能 二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度 三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 四、注水泥工藝四、注水泥工藝 一、套管的類型及其性能一、套管的類型及其性能 1 1、基本概念、基本概念 油井套管是優(yōu)質(zhì)鋼材制成的無(wú)縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。油井套管是優(yōu)質(zhì)鋼材制成的無(wú)縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。 大多數(shù)的套管是用套管接箍連接組成套管柱。大多數(shù)的套管是用套管接箍連接組成套管柱。 表征套管的主要特性參數(shù)有表征套管的主要特性參數(shù)有套管尺寸、鋼級(jí)和壁厚套管尺寸、鋼級(jí)和壁厚。 （ap

2、i spec 5aapi spec 5a：c75c75、c95c95、p110p110的套管只能用無(wú)縫管制造）的套管只能用無(wú)縫管制造） 1、基本概念、基本概念 （1）套管的尺寸）套管的尺寸 （又稱名義外徑、公稱直徑等）是指套管本體的外徑，（又稱名義外徑、公稱直徑等）是指套管本體的外徑， 實(shí)際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。實(shí)際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。 套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過(guò)。套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過(guò)。 1、基本概念、基本概念 （2）套管的鋼級(jí)）套管的鋼級(jí) api標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達(dá)到規(guī)定

3、的強(qiáng)度， 用鋼級(jí)表示。用鋼級(jí)表示。 套管鋼級(jí)套管鋼級(jí)由由字母字母及其后面的及其后面的數(shù)碼數(shù)碼組成，字母沒(méi)有特殊含義，但數(shù)碼組成，字母沒(méi)有特殊含義，但數(shù)碼 代表套管的強(qiáng)度。代表套管的強(qiáng)度。 api對(duì)套管進(jìn)行了相應(yīng)的分級(jí)（對(duì)套管進(jìn)行了相應(yīng)的分級(jí)（h、j、k、 n、c、l、p、q八種共十級(jí)）即：八種共十級(jí)）即： h40、 j55、k55、c75、l80、n80、c90、c95、 p110和和q125，前，前6種類型為抗硫的，其余種類型為抗硫的，其余 為非抗硫的。為非抗硫的。 1、基本概念、基本概念 apiapi套管規(guī)范及強(qiáng)度套管規(guī)范及強(qiáng)度(5(5寸套管寸套管) )甲方鉆井手冊(cè)甲方鉆井手冊(cè)p192p1

4、92 1、基本概念、基本概念 api規(guī)定，鋼級(jí)代號(hào)后面的數(shù)值乘以規(guī)定，鋼級(jí)代號(hào)后面的數(shù)值乘以1000，即為套管（以，即為套管（以kpsi為單為單 位）的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了極少數(shù)例外，也適應(yīng)于非位）的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了極少數(shù)例外，也適應(yīng)于非api 標(biāo)準(zhǔn)的套管。（標(biāo)準(zhǔn)的套管。（1mpa=145.04psi；psi：磅：磅/英寸英寸2） 只有屈服強(qiáng)度只有屈服強(qiáng)度 對(duì)對(duì)h2s提敏感的，但對(duì)提敏感的，但對(duì)co2則影響很小，則影響很小， 可以數(shù)年內(nèi)不破壞，而在可以數(shù)年內(nèi)不破壞，而在h2s鹽的環(huán)境中會(huì)在一小時(shí)內(nèi)破壞。鹽的環(huán)境中會(huì)在一小時(shí)內(nèi)破壞。 psi s 5 10 apiapi套管規(guī)范及強(qiáng)

5、度套管規(guī)范及強(qiáng)度(5(5寸套管寸套管) ) 1、基本概念、基本概念 是指套管本體處管體的厚度，又稱為套管名義壁厚。是指套管本體處管體的厚度，又稱為套管名義壁厚。 套管的壁厚也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。和套管壁厚直接相關(guān)聯(lián)的就是套管的名義套管的壁厚也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。和套管壁厚直接相關(guān)聯(lián)的就是套管的名義 質(zhì)量（或名義重量），指定是套管單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（或重量）。質(zhì)量（或名義重量），指定是套管單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（或重量）。 apiapi套管規(guī)范及強(qiáng)度套管規(guī)范及強(qiáng)度(5(5寸套管寸套管) ) 2、套管的聯(lián)接、套管的聯(lián)接 套管柱通常都是由同一外徑、相同（或不同）鋼級(jí)、壁厚的套管用接套管柱通常都是由同一外徑、相同（或不同）鋼

6、級(jí)、壁厚的套管用接 箍聯(lián)接組成的。箍聯(lián)接組成的。 聯(lián)接是由螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，聯(lián)接是由螺紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強(qiáng)度檢驗(yàn)的重點(diǎn)螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強(qiáng)度檢驗(yàn)的重點(diǎn)。 套管螺紋都是錐形螺紋，在套管螺紋都是錐形螺紋，在api規(guī)范中分為五大類。前四類屬規(guī)范中分為五大類。前四類屬api 標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)，第五類系非準(zhǔn)，第五類系非api標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度 套管柱套管柱: （1）在入井、注水泥以及以后生產(chǎn)的不同時(shí)期，套管柱的受力也是不斷）在入井、注水泥以及以后生產(chǎn)的不同時(shí)期，套管柱的受力也是不斷 變化的。變化的。 （2）在不同的地層和地質(zhì)條件下，套管柱所承受

7、的外載荷也是不同的。）在不同的地層和地質(zhì)條件下，套管柱所承受的外載荷也是不同的。 如在井下的鹽巖層對(duì)套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計(jì)算；如在井下的鹽巖層對(duì)套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計(jì)算； 在酸化壓裂時(shí)承受的內(nèi)壓力與正常采油時(shí)的壓力就不同；在易坍塌油層生前在酸化壓裂時(shí)承受的內(nèi)壓力與正常采油時(shí)的壓力就不同；在易坍塌油層生前 的前、中、后期對(duì)套管柱的外擠壓力也不盡相同。的前、中、后期對(duì)套管柱的外擠壓力也不盡相同。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，雖套管柱的受力復(fù)雜，但是影響套管柱的基經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，雖套管柱的受力復(fù)雜，但是影響套管柱的基 本載荷主要有以下幾種：本載荷主要有以下

8、幾種： 軸向載荷；外擠壓力；內(nèi)壓力。軸向載荷；外擠壓力；內(nèi)壓力。 其它載荷如套管彎曲載荷、振動(dòng)載荷等都考慮到安全系數(shù)中去了。其它載荷如套管彎曲載荷、振動(dòng)載荷等都考慮到安全系數(shù)中去了。 1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度 一般設(shè)計(jì)中是不予考慮出于安全浮力 溫度變化引起的力 碰后時(shí)產(chǎn)生的力 摩擦力 其它附加拉力 力注水泥引起的附加應(yīng) 應(yīng)力套管彎曲引起的附加 拉力本身自重產(chǎn)生的軸向 , . （1）軸向載荷種類）軸向載荷種類 自重產(chǎn)生的軸向拉力，是軸向應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因。在井口最大。自重產(chǎn)生的軸向拉力，是軸向應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因。在井口最大。教材教材 p258 式式77 api標(biāo)準(zhǔn)中

9、套管的強(qiáng)度值是沒(méi)有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對(duì)于井眼上存在標(biāo)準(zhǔn)中套管的強(qiáng)度值是沒(méi)有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對(duì)于井眼上存在 大的斜度或狗腿時(shí)，這樣由于彎曲的影響就增大了套管的軸向拉力。特別大的斜度或狗腿時(shí)，這樣由于彎曲的影響就增大了套管的軸向拉力。特別 是在靠近扣處易形成裂縫損壞，故應(yīng)給予考慮。是在靠近扣處易形成裂縫損壞，故應(yīng)給予考慮。 教材教材p259 式式710 在深井或超井的注水泥過(guò)程中，由于注水泥漿量較大，故在水泥還未返出在深井或超井的注水泥過(guò)程中，由于注水泥漿量較大，故在水泥還未返出 套鞋處時(shí)，將對(duì)套管柱產(chǎn)生一較大的附加軸向應(yīng)力。教材套鞋處時(shí)，將對(duì)套管柱產(chǎn)生一較大的附加軸向應(yīng)力。教材 p25

10、9 式式711 其它的附加力。摩擦力一般認(rèn)為是與浮力相抵消的。而剩余的力由于計(jì)算其它的附加力。摩擦力一般認(rèn)為是與浮力相抵消的。而剩余的力由于計(jì)算 復(fù)雜，有時(shí)難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行考慮。復(fù)雜，有時(shí)難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來(lái)進(jìn)行考慮。 1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度 （1）軸向載荷種類）軸向載荷種類 實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般不考慮浮力對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般不考慮浮力對(duì) 軸向載荷的作用，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安軸向載荷的作用，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安 全。全。 但在計(jì)算精度要求較高的情況下但在計(jì)算精度要求較高的情況下 （如高溫高壓井），為了更好的發(fā)揮（如高溫高壓井），為了更好的發(fā)揮 管材強(qiáng)度

11、性能，此時(shí)往往不能簡(jiǎn)單的管材強(qiáng)度性能，此時(shí)往往不能簡(jiǎn)單的 給予忽略。給予忽略。 1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度 （2）軸向載荷下套管抗拉強(qiáng)度）軸向載荷下套管抗拉強(qiáng)度 目前我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)中所用的套管絕大多數(shù)為目前我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)中所用的套管絕大多數(shù)為api標(biāo)準(zhǔn)圓扣套標(biāo)準(zhǔn)圓扣套 管：扣為管：扣為v型，扣根與扣尖為圓孤形。型，扣根與扣尖為圓孤形。 從從api的套管抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際可以看出，絕的套管抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際可以看出，絕 大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對(duì)于圓螺紋，大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對(duì)于圓螺紋， 本體拉斷的情況要比滑扣情況少的多。本體拉斷的情況要比滑扣

12、情況少的多。 所以一般在設(shè)所以一般在設(shè) 計(jì)中，除了考慮套管的屈服強(qiáng)度外，還要考慮套管絲計(jì)中，除了考慮套管的屈服強(qiáng)度外，還要考慮套管絲 扣的連接強(qiáng)度?？鄣倪B接強(qiáng)度。 值得注意的是，值得注意的是，在軸向載荷下，不僅存在連接強(qiáng)度的在軸向載荷下，不僅存在連接強(qiáng)度的 問(wèn)題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對(duì)抗內(nèi)壓、抗外壓強(qiáng)問(wèn)題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對(duì)抗內(nèi)壓、抗外壓強(qiáng) 度都有影響，同時(shí)對(duì)套管絲扣的密封也有直接的影響。度都有影響，同時(shí)對(duì)套管絲扣的密封也有直接的影響。 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 （1）外擠載荷種類）外擠載荷種類 （假設(shè)管外水泥沒(méi)有凝固，管外是鉆井液）（假設(shè)管外水泥沒(méi)有

13、凝固，管外是鉆井液） 一般情況下，外擠載荷按最危險(xiǎn)的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空一般情況下，外擠載荷按最危險(xiǎn)的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空 來(lái)計(jì)算套管承受的外擠載荷。來(lái)計(jì)算套管承受的外擠載荷。 地地質(zhì)質(zhì)構(gòu)構(gòu)造造力力的的影影響響 鹽鹽巖巖層層、膏膏巖巖等等）；易易流流動(dòng)動(dòng)的的巖巖石石擠擠壓壓力力（ ；地地層層流流體體產(chǎn)產(chǎn)生生的的靜靜壓壓力力 力力；管管外外泥泥漿漿柱柱產(chǎn)產(chǎn)生生的的靜靜壓壓 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 套管內(nèi)全掏空 載荷載荷 井井 深深 載荷載荷 井井 深深 套管內(nèi)載荷套管內(nèi)載荷套管外載荷套管外載荷 載荷載荷 井井 深深 有效載荷有效載荷 套管內(nèi)液面

14、套管內(nèi)液面 井身結(jié)構(gòu)井身結(jié)構(gòu) 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 （2）套管的）套管的api抗擠強(qiáng)度抗擠強(qiáng)度 抗外擠強(qiáng)度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。套管抗外擠強(qiáng)度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。套管 受外擠作用時(shí)，受外擠作用時(shí)，其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強(qiáng)度破其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強(qiáng)度破 壞。壞。 失穩(wěn)后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下失穩(wěn)后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下 工作不能通過(guò)，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套工作不能通過(guò)，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套 管損壞嚴(yán)重者油氣井報(bào)廢。管損壞嚴(yán)重者油氣

15、井報(bào)廢。 套管抗擠強(qiáng)度取決于材料性能、橫截面的幾何形狀和套套管抗擠強(qiáng)度取決于材料性能、橫截面的幾何形狀和套 管所承受負(fù)荷的狀況。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，管所承受負(fù)荷的狀況。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明， 套管徑厚比套管徑厚比d / （外徑（外徑/壁厚）較大時(shí)：失穩(wěn)破壞；壁厚）較大時(shí)：失穩(wěn)破壞； 當(dāng)套管徑厚比較?。禾坠軐l(fā)生強(qiáng)度破壞。當(dāng)套管徑厚比較?。禾坠軐l(fā)生強(qiáng)度破壞。 圖圖3-8-2-3 套管套管 截面的擠毀截面的擠毀 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 （2）套管的）套管的api抗擠強(qiáng)度抗擠強(qiáng)度 api 5c3通告詳細(xì)敘述了測(cè)定套管抗外擠強(qiáng)度的程序通告詳細(xì)敘述了測(cè)定套管抗

16、外擠強(qiáng)度的程序（軸向應(yīng)力為（軸向應(yīng)力為0 ） 。 在外擠壓力作用下，套管斷面可能發(fā)生三種擠壓或彎曲形式：彈性擠壓、在外擠壓力作用下，套管斷面可能發(fā)生三種擠壓或彎曲形式：彈性擠壓、 塑性擠壓和臨界強(qiáng)度擠壓。三種擠壓形式的轉(zhuǎn)化受管體幾何形狀和材料性能的塑性擠壓和臨界強(qiáng)度擠壓。三種擠壓形式的轉(zhuǎn)化受管體幾何形狀和材料性能的 制約。如圖所示。制約。如圖所示。 其中 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 （3）有軸向載荷時(shí)的套管抗擠強(qiáng)度）有軸向載荷時(shí)的套管抗擠強(qiáng)度 在實(shí)際的情況中，套管的軸向載荷是不為零的。從在實(shí)際的情況中，套管的軸向載荷是不為零的。從 套管的應(yīng)力分析基礎(chǔ)出發(fā)，實(shí)際上

17、套管的受力是三維的。套管的應(yīng)力分析基礎(chǔ)出發(fā)，實(shí)際上套管的受力是三維的。 標(biāo)準(zhǔn)雙軸應(yīng)力橢標(biāo)準(zhǔn)雙軸應(yīng)力橢 圓公式圓公式 s s套管的屈服強(qiáng)度套管的屈服強(qiáng)度 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 軸向載荷軸向載荷 拉拉 伸伸 壓壓 縮縮 周向載荷周向載荷 內(nèi)壓強(qiáng)度內(nèi)壓強(qiáng)度 外擠強(qiáng)度外擠強(qiáng)度 雙軸應(yīng)力橢圓：軸向載荷對(duì)套管抗外擠強(qiáng)度的影響 st sz 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 （1）內(nèi)壓載荷）內(nèi)壓載荷 （假設(shè)管外的水泥已凝固，管外

18、的壓力用地層流體計(jì)算）假設(shè)管外的水泥已凝固，管外的壓力用地層流體計(jì)算） 內(nèi)壓力的來(lái)源：內(nèi)壓力的來(lái)源：地層流體進(jìn)入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（地層流體進(jìn)入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（ 注水、壓裂）時(shí)的壓力。注水、壓裂）時(shí)的壓力。 內(nèi)壓力的確定：內(nèi)壓力的確定：在老區(qū)可以參考鄰近的資料，但在新區(qū)，內(nèi)壓少就在老區(qū)可以參考鄰近的資料，但在新區(qū)，內(nèi)壓少就 很難確定。當(dāng)井口開時(shí)，內(nèi)壓力易于計(jì)算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌很難確定。當(dāng)井口開時(shí)，內(nèi)壓力易于計(jì)算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌 關(guān)井時(shí)則內(nèi)壓力就顯的十分突出。關(guān)井時(shí)則內(nèi)壓力就顯的十分突出。 井的深淺對(duì)內(nèi)壓力的影響：井的深淺對(duì)內(nèi)壓力的影響：當(dāng)井較淺時(shí)，內(nèi)壓力

19、是比較小的。且一當(dāng)井較淺時(shí)，內(nèi)壓力是比較小的。且一 般的套管內(nèi)壓強(qiáng)度般的套管內(nèi)壓強(qiáng)度 抗外擠強(qiáng)度，故設(shè)計(jì)中問(wèn)題不明顯。但隨著井抗外擠強(qiáng)度，故設(shè)計(jì)中問(wèn)題不明顯。但隨著井 深的增加，內(nèi)壓?jiǎn)栴}就很突出，有時(shí)甚至超過(guò)了抗外擠。深的增加，內(nèi)壓?jiǎn)栴}就很突出，有時(shí)甚至超過(guò)了抗外擠。 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 井底的壓力：井底的壓力： 套管內(nèi)有效內(nèi)壓載荷套管內(nèi)有效內(nèi)壓載荷： 井口井口有效內(nèi)壓載荷：有效內(nèi)壓載荷： 井底井底有效內(nèi)壓載荷：有效內(nèi)壓載荷： biod ppgh ioio pp biop ppgh 等于管內(nèi)的減

20、去管外的地層流體壓力等于管內(nèi)的減去管外的地層流體壓力 式中：式中：pb井底壓力，井底壓力，mpa；pio井口壓力，井口壓力，mpa； d鉆井液密度，鉆井液密度，g/cm3；p地層流體密度，地層流體密度，g/cm3； 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 套管內(nèi)全掏空套管內(nèi)全掏空 載荷載荷 井井 深深 載荷載荷 井井 深深 套管內(nèi)載荷套管內(nèi)載荷套管外載荷套管外載荷 載荷載荷 井井 深深 有效載荷有效載荷 套管內(nèi)液面套管內(nèi)液面 井身結(jié)構(gòu)井身結(jié)構(gòu) 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 套管內(nèi)部分掏空 載荷載荷 井井 深深 載荷載荷 井井 深深 套管內(nèi)載荷套

21、管內(nèi)載荷套管外載荷套管外載荷 載荷載荷 井井 深深 有效載荷有效載荷 套管內(nèi)液面套管內(nèi)液面 井底井底 井身結(jié)構(gòu)井身結(jié)構(gòu) 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 生產(chǎn)套管生產(chǎn)套管內(nèi)壓力計(jì)算則與其它不同。內(nèi)壓力計(jì)算則與其它不同。 其與完井方式有關(guān)。典型的完井方式如其與完井方式有關(guān)。典型的完井方式如 下圖。在油井的生產(chǎn)初期，油管接頭螺下圖。在油井的生產(chǎn)初期，油管接頭螺 紋產(chǎn)生漏氣，氣泡由裂縫進(jìn)入油管和生紋產(chǎn)生漏氣，氣泡由裂縫進(jìn)入油管和生 產(chǎn)套管之間的環(huán)形空間，在封閉的情況產(chǎn)套管之間的環(huán)形空間，在封閉的情況 下，氣泡上升到井口，但氣泡仍然保持下，氣泡上升到井口，但氣泡仍然保持 原有

22、的壓力，那么原有的壓力，那么 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度 31 4、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 32 4.1、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則 鉆進(jìn)：不同壓力層的隔離，異常壓力段，坍塌地層等； 油氣層的開發(fā)：地層壓力隨開采的變化，及巖層的蠕變等； 產(chǎn)層的改造：注水、注氣等導(dǎo)致的壓力和溫度的變化等等。 由于外載的計(jì)算復(fù)雜、困難，有時(shí)難以計(jì)算，故在設(shè)計(jì)中為了應(yīng)付各種可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況， 在設(shè)計(jì)時(shí)必須留有一定的儲(chǔ)備能力，如安全系數(shù)的選擇。（開發(fā)井和勘探井就不同） 具體的原則有三點(diǎn)具體的原則有三點(diǎn) 3

23、3 4.1、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則 由于總的原則的限制，故為了節(jié)約成本，往往需要考慮不同鋼級(jí)、不同壁厚套管的組合設(shè)計(jì)。 現(xiàn)場(chǎng)一般多為23種鋼級(jí)，壁厚也宜選用23種，不能過(guò)多。 具體的原則有三點(diǎn)具體的原則有三點(diǎn) 34 4.2、常用的設(shè)計(jì)方法、常用的設(shè)計(jì)方法 n等安全系數(shù)法（最常用）（） n邊界載荷法 n最大載荷法（） namow法 nbeb法（圖解法） n前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法 35 4.3、各層套管設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、各層套管設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 特點(diǎn)：下入的深度淺；在其頂部安裝有套管頭，要承受以下各層套管的部分或全部重量；安裝有防 噴器、采油樹等。 側(cè)重點(diǎn)：主要是考慮內(nèi)壓設(shè)計(jì)。（井噴關(guān)井時(shí)情況最為嚴(yán)

24、重） 特點(diǎn)：下入深度大，在其中下入油管，特別注意后期生產(chǎn)可能出現(xiàn)的特點(diǎn)：下入深度大，在其中下入油管，特別注意后期生產(chǎn)可能出現(xiàn)的 各各 種情況。種情況。 側(cè)重點(diǎn)：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)）側(cè)重點(diǎn)：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)） 特點(diǎn)：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時(shí)承受較大內(nèi)壓；特點(diǎn)：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時(shí)承受較大內(nèi)壓； 具有較強(qiáng)的耐磨性。具有較強(qiáng)的耐磨性。 側(cè)重點(diǎn)：抗拉（下入較淺），抗內(nèi)壓（井噴關(guān)井），抗外擠（下入井深）側(cè)重點(diǎn)：抗拉（下入較淺），抗內(nèi)壓（井噴關(guān)井），抗外擠（下入井深） 36 4.4、等安全

25、系數(shù)（進(jìn)行套管柱設(shè)計(jì)）、等安全系數(shù)（進(jìn)行套管柱設(shè)計(jì)） 等安全系數(shù)法（總的要求）：等安全系數(shù)法（總的要求）：在最危險(xiǎn)截面上是安全的。在最危險(xiǎn)截面上是安全的。 具體原則：具體原則：以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；根據(jù)外擠載荷進(jìn)行自下而上設(shè)計(jì)；以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；根據(jù)外擠載荷進(jìn)行自下而上設(shè)計(jì)； 最后按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核上部套管。最后按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核上部套管。 37 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 井身結(jié)構(gòu)，壓力剖面等，套管的庫(kù)存等。 載荷計(jì)算的精確性 ，安全系數(shù) ； 計(jì)算公式精確性，安全系數(shù)： 對(duì)于特別情況（如含有腐蝕性氣體h2s、co2）則安全系數(shù)需按特殊情 況考慮； api規(guī)定的

26、安全系數(shù)： 1.10 1.331.10 i s ，一般取 1.00 1.251.00 c s ，一般取 1.60 2.001.80 t s ，一般取 38 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 39 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 )81. 9/( 22cdc spd 211 ddl 8 . 1)/( 1111 qlfs st 40 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 41 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 愈向上，pc，而軸向拉力，故應(yīng)改為抗拉進(jìn)行設(shè)計(jì)。（軸向 拉力為主要矛盾）； 則第i段頂部截面的強(qiáng)度必須滿足： mi i n mnntisii i n mnnmiisit

27、i qqlsfl qlqlfs 1 1 1 1 /)(/ )/( 如果如果l li i還沒(méi)有能夠達(dá)到井口，則第還沒(méi)有能夠達(dá)到井口，則第i i段上部選用抗拉強(qiáng)度更大的套管進(jìn)行計(jì)算。段上部選用抗拉強(qiáng)度更大的套管進(jìn)行計(jì)算。 42 4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟、具體的設(shè)計(jì)步驟 43 例：某井例：某井7（177.8mm）套管下入深度）套管下入深度3500m，井內(nèi)鉆井液密度，井內(nèi)鉆井液密度 1.3g/cm3，水泥返至，水泥返至2800m。要求進(jìn)行抗擠、抗拉設(shè)計(jì)。抗擠安全系數(shù)不。要求進(jìn)行抗擠、抗拉設(shè)計(jì)?？箶D安全系數(shù)不 低于低于1.00，抗拉安全系數(shù)不低于，抗拉安全系數(shù)不低于1.75。試設(shè)計(jì)此井套管柱。試設(shè)計(jì)此井套

28、管柱。 1）掌握已知條件（套管尺寸和下入深度、安全系數(shù)、鉆井液密度水泥）掌握已知條件（套管尺寸和下入深度、安全系數(shù)、鉆井液密度水泥 返高及套管強(qiáng)度性能表等）。返高及套管強(qiáng)度性能表等）。 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 尺寸：尺寸：177.8mm，下深，下深3500m，鉆井液，鉆井液 d=1.3g/cm3，固井水泥返高，固井水泥返高2800m，安全，安全 系數(shù)：抗擠系數(shù)：抗擠sc=1.125，抗拉：，抗拉：st=1.80。 套管的性能表格（可以從中查各種套管套管的性能表格（可以從中查各種套管 的性能參數(shù)）的性能參數(shù)） 44 2）根據(jù)外擠壓力和抗擠安全系數(shù)確定下部第一段套管鋼級(jí)和壁）根據(jù)外擠壓力和抗擠

29、安全系數(shù)確定下部第一段套管鋼級(jí)和壁 厚。厚。 pco1=dgd110-6 =1.30.0098350045.5mpa 式中式中: pco1：套管在井底所受外擠壓力，：套管在井底所受外擠壓力，mpa。 因下部第一段套管所受的井底外擠壓力和安全系數(shù)的乘積應(yīng)等因下部第一段套管所受的井底外擠壓力和安全系數(shù)的乘積應(yīng)等 于（或小于）抗擠強(qiáng)度，即于（或小于）抗擠強(qiáng)度，即 pco1sc10-6d1 式中式中 d1：第一段套管抗擠強(qiáng)度，：第一段套管抗擠強(qiáng)度，mpa；sc：抗擠安全系數(shù)。：抗擠安全系數(shù)。 根據(jù)根據(jù)d1即可由套管強(qiáng)度性能表中選出下部第一段套管。即可由套管強(qiáng)度性能表中選出下部第一段套管。 由套管性能表

30、查得由套管性能表查得n80、壁厚、壁厚11.51mm套管，其抗擠強(qiáng)度為套管，其抗擠強(qiáng)度為: d1 =60.5mpa。 因此，實(shí)際安全系數(shù)為：因此，實(shí)際安全系數(shù)為： 33. 1 5 .45 46.60 1 1 1 co d d p s 第段套管第段套管 d1=3500 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 45 3）確定第二段套管可下深度和第一段套管的使用長(zhǎng)度。）確定第二段套管可下深度和第一段套管的使用長(zhǎng)度。 由于外擠壓力愈往上愈小，根據(jù)既安全又經(jīng)濟(jì)的原則，由于外擠壓力愈往上愈小，根據(jù)既安全又經(jīng)濟(jì)的原則， 第二段套管可選鋼級(jí)或壁厚較低一級(jí)（即抗擠強(qiáng)度小一級(jí)）第二段套管可選鋼級(jí)或

31、壁厚較低一級(jí)（即抗擠強(qiáng)度小一級(jí)） 的套管，其可下深度為的套管，其可下深度為 6 2 2 10 cc d gs d 則第一段套管使用長(zhǎng)度則第一段套管使用長(zhǎng)度l1=d1-d2; 第段第段 第段第段 d2 d1=3500 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 n-80、11.51mm 46 若選：若選：n-80，壁厚，壁厚10.36mm，抗擠強(qiáng)度，抗擠強(qiáng)度d2=49.35mpa， 實(shí)際取第二段下入深度實(shí)際取第二段下入深度d2=3300m 則第一段套管長(zhǎng)度：則第一段套管長(zhǎng)度： l1=d1-d2=3500-3300=200m d1=3500 d2=3300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例

32、水泥返高水泥返高 2800 n-80、11.51mm n-80、10.36mm 47 8330 7800 1300 .-1 f b 第一段套管每米重量為第一段套管每米重量為0.476kn，抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度3048kn 浮力系數(shù)浮力系數(shù) 校核第二段套管抗擠強(qiáng)度：安全系數(shù)：校核第二段套管抗擠強(qiáng)度：安全系數(shù)：sc2 4238 3379 3048 1 1 1 . . c t t w s 1.80 （安全）（安全） 1.150 . . 6 2 103300891300 3549 c s1.125（安全）（安全） 第一段套管抗拉安全系數(shù)：第一段套管抗拉安全系數(shù)：st1 第一段套管重為：第一段套管重為：

33、. wcd1=bfqc1lcs1=0.8330.476200=79.33kn d1=3500 d2=3300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 n-80、11.51mm n-80、10.36mm 48 m . . 3 260010 1251130089 0338 10 6 6 3 cd c gs d 4）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長(zhǎng)度。）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長(zhǎng)度。 按抗擠強(qiáng)度選擇鋼級(jí)或厚度更低一級(jí)的套管，第三段套管按抗擠強(qiáng)度選擇鋼級(jí)或厚度更低一級(jí)的套管，第三段套管 選選n-80、壁厚、壁厚9.19mm，抗擠，抗擠c3=38.03mpa 按

34、抗擠強(qiáng)度第三段套管下入深度為按抗擠強(qiáng)度第三段套管下入深度為 2600m（在水泥面以上），表明第二段套管（在水泥面以上），表明第二段套管 頂部已超過(guò)水泥面。所以在第二段水泥面處頂部已超過(guò)水泥面。所以在第二段水泥面處 和第三段底部都應(yīng)考慮雙向應(yīng)力的影響。和第三段底部都應(yīng)考慮雙向應(yīng)力的影響。 d1=3500 d2=3300 d3=2600 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 n-80、10.36mm n-80、9.19mm 49 4）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長(zhǎng)度。）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長(zhǎng)度。 可下深度：可下深度： 顯然第三段套管底部由于承受其下

35、部套管顯然第三段套管底部由于承受其下部套管 的重量，其抗擠強(qiáng)度必定下降，下入深度的重量，其抗擠強(qiáng)度必定下降，下入深度 就不可能達(dá)到就不可能達(dá)到2600m，否則其底部安全系，否則其底部安全系 數(shù)必?cái)?shù)必1.125。 由于第二段比第三段強(qiáng)度大，應(yīng)將第二段由于第二段比第三段強(qiáng)度大，應(yīng)將第二段 套管長(zhǎng)度增長(zhǎng)，即減少第三段的下入深度，套管長(zhǎng)度增長(zhǎng)，即減少第三段的下入深度， 提高其底部的抗擠系數(shù)，以補(bǔ)償雙向應(yīng)力提高其底部的抗擠系數(shù)，以補(bǔ)償雙向應(yīng)力 的影響。的影響。 但第二段增長(zhǎng)后，軸向拉力增加，由于雙但第二段增長(zhǎng)后，軸向拉力增加，由于雙 軸應(yīng)力影響，又將進(jìn)一步引起第三段套管軸應(yīng)力影響，又將進(jìn)一步引起第三段套

36、管 下端抗擠強(qiáng)度降低，可采用試算法。下端抗擠強(qiáng)度降低，可采用試算法。 d1=3500 d2=3300 d3=2600 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 50 4）雙軸應(yīng)力計(jì)算）雙軸應(yīng)力計(jì)算 當(dāng)按抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)套管柱超過(guò)水泥面或中和點(diǎn)時(shí)，當(dāng)按抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)套管柱超過(guò)水泥面或中和點(diǎn)時(shí)， 應(yīng)考慮下部套管柱（浮）重引起套管抗擠強(qiáng)度的降低，應(yīng)考慮下部套管柱（浮）重引起套管抗擠強(qiáng)度的降低， 即按雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)套管柱。即按雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)套管柱。 d1=3500 d2=3300 d3=？ 或按課本公式或按課本公式7-14進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算。 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800

37、 51 4）雙軸應(yīng)力計(jì)算）雙軸應(yīng)力計(jì)算 計(jì)算降低后的抗擠強(qiáng)度值，校核抗擠安全系數(shù)能計(jì)算降低后的抗擠強(qiáng)度值，校核抗擠安全系數(shù)能 否滿足要求。否滿足要求。 若不能滿足要求，采用試算法將下段抗擠強(qiáng)度較若不能滿足要求，采用試算法將下段抗擠強(qiáng)度較 大的套管向上延伸，直至抗擠安全系數(shù)滿足要求。大的套管向上延伸，直至抗擠安全系數(shù)滿足要求。 這樣可從下向上確定下部各段套管。這樣可從下向上確定下部各段套管。 由于愈往上外擠壓力愈小，故可選擇抗擠強(qiáng)度更由于愈往上外擠壓力愈小，故可選擇抗擠強(qiáng)度更 小的套管，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一深度后，由于套管自重產(chǎn)小的套管，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一深度后，由于套管自重產(chǎn) 生的拉力載荷增加，抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為主

38、要矛盾時(shí)，生的拉力載荷增加，抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為主要矛盾時(shí)， 則按抗拉設(shè)計(jì)確定上部各段套管。則按抗拉設(shè)計(jì)確定上部各段套管。 d1=3500 d2=3300 d3=？ 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 52 47.75mpa)0.74-49.35(1.03 )0.74-(1.03 d2dc2 3066 259 21 fg ww 4）雙軸應(yīng)力計(jì)算）雙軸應(yīng)力計(jì)算 首先對(duì)水泥面處抗擠安全系數(shù)首先對(duì)水泥面處抗擠安全系數(shù)sc2校核。第二段套校核。第二段套 管線重管線重0.4315kn/m，段長(zhǎng)，段長(zhǎng)3300-2800=500m。水泥。水泥 面下套管浮重：面下套管浮重： w1+w2=79.3

39、3+5000.43150.833=259kn 按公式按公式7-14計(jì)算軸向拉力下抗擠強(qiáng)度，第二段管計(jì)算軸向拉力下抗擠強(qiáng)度，第二段管 體屈服強(qiáng)度體屈服強(qiáng)度f(wàn)g2=3066kn 。 3111 102800130089 7547 10 66 2 . . . cd2 mg dc gd s （安全）（安全） 水泥面處抗擠符合要求水泥面處抗擠符合要求 d1=3500 d2=3300 d3=？ 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 53 5）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。 第二段長(zhǎng)：第二段長(zhǎng)：l2=3300-2300=1000m

40、第二段（?。┲兀旱诙危ǜ。┲兀?w2=0.83310000.4135=359.4kn 第一、二段累積浮重第一、二段累積浮重 w1+ w2=79.33+859.4=438.7kn 第三段管體屈服強(qiáng)度第三段管體屈服強(qiáng)度f(wàn)g3=2740kn d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 54 5）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。 mpa.) . 0.74-(1.03 d3dc3 6734 2740 7438 第三段底部雙軸應(yīng)力下抗擠強(qiáng)度為第三段底部雙軸應(yīng)力下抗擠強(qiáng)度為 抗擠安全系數(shù)：

41、抗擠安全系數(shù)： 1591 102300130089 6734 10 6 6 3 3 3 . . . gd s d dc d 1.125，安，安 全全 第三段下至第三段下至2300m時(shí)抗擠安全。時(shí)抗擠安全。 d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 55 可見第三段可見第三段n-80、9.19mm延伸至井口抗拉強(qiáng)延伸至井口抗拉強(qiáng) 度不符合要求。度不符合要求。 1.66 . 386902300543195 2354 321 3 3 ccc j t www f s 1.80（不安全）（不安全） 5.14 . 543195 2708 21

42、2 2 cc j t ww f s（安全）（安全） 6）校核第二段套管頂部截面積的抗拉安全（不考慮浮度）校核第二段套管頂部截面積的抗拉安全（不考慮浮度） 第二段抗拉強(qiáng)度第二段抗拉強(qiáng)度f(wàn)j2=2708kn 第二段抗拉符合要求。第二段抗拉符合要求。 若將第三段設(shè)計(jì)到井口：若將第三段設(shè)計(jì)到井口：fj3=2354kn，q3=0.3869kn） d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 56 7）按抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定上部各段套管：）按抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定上部各段套管： n i n w 1 1 第第 段抗拉強(qiáng)度段抗拉強(qiáng)度ti ，則該段套管頂截面的抗拉

43、安全，則該段套管頂截面的抗拉安全 系數(shù)系數(shù)st為為 n i n i ti t wql s 1 1 )( n i n t ti cdi i w sq l 1 1 1 m20195 .43195 8 . 1 2354 3869. 0 1 3 l d1=3500 d2=3300 d3=2300 設(shè)自下而上第設(shè)自下而上第 段以下各套管的總重為段以下各套管的總重為: 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 水泥返高水泥返高 2800 此處此處i=3 57 89. 1 1297795 .43195 2708 4321 4 4 cccc t t wwww s （安全）（安全） 第四段選用，第四段選用，n-80，10.3

44、6mm，長(zhǎng)度：，長(zhǎng)度： l4=d-l1-l2-l3=3500-200-1000-2000=300m q4=0.4315kn/m， w4=3000.4315=129kn 第三段取第三段取2000m，抗拉符合要求，抗拉符合要求 81. 1 7745 .43195 2354 3 t s (安全安全) 實(shí)取實(shí)取l3=2000m，w3=20000.3869=774kn 第三段頂端抗拉安全系數(shù)第三段頂端抗拉安全系數(shù) 抗拉安全系數(shù)抗拉安全系數(shù) 水泥返高水泥返高 2800 d1=3500 d2=3300 d3=2300 d4=300 4.6、設(shè)計(jì)舉例、設(shè)計(jì)舉例 58 資料表明，中深井或深井，地層壓力在正常力梯度下，按以上設(shè)計(jì)步驟資料表明，中深井或深井，地層壓力在正常力梯度下，按以上設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì)出的套管柱，一般能滿足抗內(nèi)壓要求；設(shè)計(jì)出