【石油工程課程設(shè)計】套管柱及其強度設(shè)計

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度二、套管柱的載荷分析及套管強度 三、套管柱強度設(shè)計三、套管柱強度設(shè)計 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、鋼級和壁厚套管尺寸、鋼級和壁厚。 （ap

2、i spec 5aapi spec 5a：c75c75、c95c95、p110p110的套管只能用無縫管制造）的套管只能用無縫管制造） 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， 實際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。實際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。 套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過。套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過。 1、基本概念、基本概念 （2）套管的鋼級）套管的鋼級 api標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達到規(guī)定的強度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達到規(guī)定

3、的強度， 用鋼級表示。用鋼級表示。 套管鋼級套管鋼級由由字母字母及其后面的及其后面的數(shù)碼數(shù)碼組成，字母沒有特殊含義，但數(shù)碼組成，字母沒有特殊含義，但數(shù)碼 代表套管的強度。代表套管的強度。 api對套管進行了相應(yīng)的分級（對套管進行了相應(yīng)的分級（h、j、k、 n、c、l、p、q八種共十級）即：八種共十級）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)范及強度套管規(guī)范及強度(5(5寸套管寸套管) )甲方鉆井手冊甲方鉆井手冊p192p1

4、92 1、基本概念、基本概念 api規(guī)定，鋼級代號后面的數(shù)值乘以規(guī)定，鋼級代號后面的數(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） 只有屈服強度只有屈服強度 對對h2s提敏感的，但對提敏感的，但對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)境中會在一小時內(nèi)破壞。鹽的環(huán)境中會在一小時內(nèi)破壞。 psi s 5 10 apiapi套管規(guī)范及強

5、度套管規(guī)范及強度(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），指定是套管單位長度的質(zhì)量（或重量）。質(zhì)量（或名義重量），指定是套管單位長度的質(zhì)量（或重量）。 apiapi套管規(guī)范及強度套管規(guī)范及強度(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、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、壁厚的套管用接 箍聯(lián)接組成的。箍聯(lián)接組成的。 聯(lián)接是由螺紋來實現(xiàn)的，聯(lián)接是由螺紋來實現(xiàn)的，螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強度檢驗的重點螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強度檢驗的重點。 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度二、套管柱的載荷分析及套管強度 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套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計算；如在井下的鹽巖層對套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計算； 在酸化壓裂時承受的內(nèi)壓力與正常采油時的壓力就不同；在易坍塌油層生前在酸化壓裂時承受的內(nèi)壓力與正常采油時的壓力就不同；在易坍塌油層生前 的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不盡相同。的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不盡相同。 經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐證明，雖套管柱的受力復(fù)雜，但是影響套管柱的基經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐證明，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度、軸向載荷及套管的抗拉強度 一般設(shè)計中是不予考慮出于安全浮力 溫度變化引起的力 碰后時產(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、套管的強度值是沒有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對于井眼上存在標(biāo)準(zhǔn)中套管的強度值是沒有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對于井眼上存在 大的斜度或狗腿時，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，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程中，由于注水泥漿量較大，故在水泥還未返出 套鞋處時，將對套管柱產(chǎn)生一較大的附加軸向應(yīng)力。教材套鞋處時，將對套管柱產(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。而剩余的力由于計算 復(fù)雜，有時難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來進行考慮。復(fù)雜，有時難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來進行考慮。 1、軸向載荷及套管的抗拉強度、軸向載荷及套管的抗拉強度 （1）軸向載荷種類）軸向載荷種類 實際設(shè)計中，一般不考慮浮力對實際設(shè)計中，一般不考慮浮力對 軸向載荷的作用，則設(shè)計結(jié)果偏于安軸向載荷的作用，則設(shè)計結(jié)果偏于安 全。全。 但在計算精度要求較高的情況下但在計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 管材強度

11、性能，此時往往不能簡單的管材強度性能，此時往往不能簡單的 給予忽略。給予忽略。 1、軸向載荷及套管的抗拉強度、軸向載荷及套管的抗拉強度 （2）軸向載荷下套管抗拉強度）軸向載荷下套管抗拉強度 目前我國現(xiàn)場中所用的套管絕大多數(shù)為目前我國現(xiàn)場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的套管抗拉強度試驗和現(xiàn)場的實際可以看出，絕的套管抗拉強度試驗和現(xiàn)場的實際可以看出，絕 大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對于圓螺紋，大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對于圓螺紋， 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) 計中，除了考慮套管的屈服強度外，還要考慮套管絲計中，除了考慮套管的屈服強度外，還要考慮套管絲 扣的連接強度?？鄣倪B接強度。 值得注意的是，值得注意的是，在軸向載荷下，不僅存在連接強度的在軸向載荷下，不僅存在連接強度的 問題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對抗內(nèi)壓、抗外壓強問題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對抗內(nèi)壓、抗外壓強 度都有影響，同時對套管絲扣的密封也有直接的影響。度都有影響，同時對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度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 （1）外擠載荷種類）外擠載荷種類 （假設(shè)管外水泥沒有凝固，管外是鉆井液）（假設(shè)管外水泥沒有

13、凝固，管外是鉆井液） 一般情況下，外擠載荷按最危險的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空一般情況下，外擠載荷按最危險的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空 來計算套管承受的外擠載荷。來計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）；易易流流動動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度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 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度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 （2）套管的）套管的api抗擠強度抗擠強度 抗外擠強度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。套管抗外擠強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，受外擠作用時，其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強度破其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強度破 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，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套工作不能通過，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套 管損壞嚴(yán)重者油氣井報廢。管損壞嚴(yán)重者油氣

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

16、外擠強度的程序（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度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 （3）有軸向載荷時的套管抗擠強度）有軸向載荷時的套管抗擠強度 在實際的情況中，套管的軸向載荷是不為零的。從在實際的情況中，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套管的屈服強度套管的屈服強度 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 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)壓強度內(nèi)壓強度 外擠強度外擠強度 雙軸應(yīng)力橢圓：軸向載荷對套管抗外擠強度的影響 st sz 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度、外擠壓載荷及套管的抗擠強度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 （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算）假設(shè)管外的水泥已凝固，管外的壓力用地層流體計算） 內(nèi)壓力的來源：內(nèi)壓力的來源：地層流體進入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（地層流體進入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（ 注水、壓裂）時的壓力。注水、壓裂）時的壓力。 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，內(nèi)壓力易于計算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌很難確定。當(dāng)井口開時，內(nèi)壓力易于計算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌 關(guān)井時則內(nèi)壓力就顯的十分突出。關(guān)井時則內(nèi)壓力就顯的十分突出。 井的深淺對內(nèi)壓力的影響：井的深淺對內(nèi)壓力的影響：當(dāng)井較淺時，內(nèi)壓力

19、是比較小的。且一當(dāng)井較淺時，內(nèi)壓力是比較小的。且一 般的套管內(nèi)壓強度般的套管內(nèi)壓強度 抗外擠強度，故設(shè)計中問題不明顯。但隨著井抗外擠強度，故設(shè)計中問題不明顯。但隨著井 深的增加，內(nèi)壓問題就很突出，有時甚至超過了抗外擠。深的增加，內(nèi)壓問題就很突出，有時甚至超過了抗外擠。 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 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)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 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)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 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)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 生產(chǎn)套管生產(chǎn)套管內(nèi)壓力計算則與其它不同。內(nèi)壓力計算則與其它不同。 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，氣泡由裂縫進入油管和生紋產(chǎn)生漏氣，氣泡由裂縫進入油管和生 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)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強度 31 4、套管柱強度設(shè)計、套管柱強度設(shè)計 32 4.1、套管強度設(shè)計的原則、套管強度設(shè)計的原則 鉆進：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。 由于外載的計算復(fù)雜、困難，有時難以計算，故在設(shè)計中為了應(yīng)付各種可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況， 在設(shè)計時必須留有一定的儲備能力，如安全系數(shù)的選擇。（開發(fā)井和勘探井就不同） 具體的原則有三點具體的原則有三點 3

23、3 4.1、套管強度設(shè)計的原則、套管強度設(shè)計的原則 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、不同壁厚套管的組合設(shè)計。 現(xiàn)場一般多為23種鋼級，壁厚也宜選用23種，不能過多。 具體的原則有三點具體的原則有三點 34 4.2、常用的設(shè)計方法、常用的設(shè)計方法 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)計方法 35 4.3、各層套管設(shè)計的特點、各層套管設(shè)計的特點 特點：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：主要是考慮內(nèi)壓設(shè)計。（井噴關(guān)井時情況最為嚴(yán)

24、重） 特點：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：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：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)）側(cè)重點：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)） 特點：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時承受較大內(nèi)壓；特點：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時承受較大內(nèi)壓； 具有較強的耐磨性。具有較強的耐磨性。 側(cè)重點：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：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)（進行套管柱設(shè)計）、等安全系數(shù)（進行套管柱設(shè)計） 等安全系數(shù)法（總的要求）：等安全系數(shù)法（總的要求）：在最危險截面上是安全的。在最危險截面上是安全的。 具體原則：具體原則：以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；根據(jù)外擠載荷進行自下而上設(shè)計；以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；根據(jù)外擠載荷進行自下而上設(shè)計； 最后按抗拉強度進行設(shè)計、校核上部套管。最后按抗拉強度進行設(shè)計、校核上部套管。 37 4.5、具體的設(shè)計步驟、具體的設(shè)計步驟 井身結(jié)構(gòu)，壓力剖面等，套管的庫存等。 載荷計算的精確性 ，安全系數(shù) ； 計算公式精確性，安全系數(shù)： 對于特別情況（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)計步驟、具體的設(shè)計步驟 39 4.5、具體的設(shè)計步驟、具體的設(shè)計步驟 )81. 9/( 22cdc spd 211 ddl 8 . 1)/( 1111 qlfs st 40 4.5、具體的設(shè)計步驟、具體的設(shè)計步驟 41 4.5、具體的設(shè)計步驟、具體的設(shè)計步驟 愈向上，pc，而軸向拉力，故應(yīng)改為抗拉進行設(shè)計。（軸向 拉力為主要矛盾）； 則第i段頂部截面的強度必須滿足： mi i n mnntisii i n mnnmiisit

27、i qqlsfl qlqlfs 1 1 1 1 /)(/ )/( 如果如果l li i還沒有能夠達到井口，則第還沒有能夠達到井口，則第i i段上部選用抗拉強度更大的套管進行計算。段上部選用抗拉強度更大的套管進行計算。 42 4.5、具體的設(shè)計步驟、具體的設(shè)計步驟 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。要求進行抗擠、抗拉設(shè)計。抗擠安全系數(shù)不。要求進行抗擠、抗拉設(shè)計?？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)計此井套管柱。試設(shè)計此井套

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 返高及套管強度性能表等）。返高及套管強度性能表等）。 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 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）抗擠強度，即于（或小于）抗擠強度，即 pco1sc10-6d1 式中式中 d1：第一段套管抗擠強度，：第一段套管抗擠強度，mpa；sc：抗擠安全系數(shù)。：抗擠安全系數(shù)。 根據(jù)根據(jù)d1即可由套管強度性能表中選出下部第一段套管。即可由套管強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，其抗擠強度為套管，其抗擠強度為: d1 =60.5mpa。 因此，實際安全系數(shù)為：因此，實際安全系數(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)計舉例、設(shè)計舉例 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度。）確定第二段套管可下深度和第一段套管的使用長度。 由于外擠壓力愈往上愈小，根據(jù)既安全又經(jīng)濟的原則，由于外擠壓力愈往上愈小，根據(jù)既安全又經(jīng)濟的原則， 第二段套管可選鋼級或壁厚較低一級（即抗擠強度小一級）第二段套管可選鋼級或

31、壁厚較低一級（即抗擠強度小一級） 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度則第一段套管使用長度l1=d1-d2; 第段第段 第段第段 d2 d1=3500 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 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，抗擠強度，抗擠強度d2=49.35mpa， 實際取第二段下入深度實際取第二段下入深度d2=3300m 則第一段套管長度：則第一段套管長度： l1=d1-d2=3500-3300=200m d1=3500 d2=3300 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例

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，抗拉強度，抗拉強度3048kn 浮力系數(shù)浮力系數(shù) 校核第二段套管抗擠強度：安全系數(shù)：校核第二段套管抗擠強度：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)計舉例、設(shè)計舉例 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度。）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長度。 按抗擠強度選擇鋼級或厚度更低一級的套管，第三段套管按抗擠強度選擇鋼級或厚度更低一級的套管，第三段套管 選選n-80、壁厚、壁厚9.19mm，抗擠，抗擠c3=38.03mpa 按

34、抗擠強度第三段套管下入深度為按抗擠強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 頂部已超過水泥面。所以在第二段水泥面處頂部已超過水泥面。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)計舉例、設(shè)計舉例 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度。）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長度。 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，其抗擠強度必定下降，下入深度的重量，其抗擠強度必定下降，下入深度 就不可能達到就不可能達到2600m，否則其底部安全系，否則其底部安全系 數(shù)必數(shù)必1.125。 由于第二段比第三段強度大，應(yīng)將第二段由于第二段比第三段強度大，應(yīng)將第二段 套管長度增長，即減少第三段的下入深度，套管長度增長，即減少第三段的下入深度， 提高其底部的抗擠系數(shù)，以補償雙向應(yīng)力提高其底部的抗擠系數(shù)，以補償雙向應(yīng)力 的影響。的影響。 但第二段增長后，軸向拉力增加，由于雙但第二段增長后，軸向拉力增加，由于雙 軸應(yīng)力影響，又將進一步引起第三段套管軸應(yīng)力影響，又將進一步引起第三段套

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

37、 51 4）雙軸應(yīng)力計算）雙軸應(yīng)力計算 計算降低后的抗擠強度值，校核抗擠安全系數(shù)能計算降低后的抗擠強度值，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度較若不能滿足要求，采用試算法將下段抗擠強度較 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，故可選擇抗擠強度更由于愈往上外擠壓力愈小，故可選擇抗擠強度更 小的套管，當(dāng)?shù)竭_某一深度后，由于套管自重產(chǎn)小的套管，當(dāng)?shù)竭_某一深度后，由于套管自重產(chǎn) 生的拉力載荷增加，抗拉強度表現(xiàn)為主

38、要矛盾時，生的拉力載荷增加，抗拉強度表現(xiàn)為主要矛盾時， 則按抗拉設(shè)計確定上部各段套管。則按抗拉設(shè)計確定上部各段套管。 d1=3500 d2=3300 d3=？ 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 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)力計算）雙軸應(yīng)力計算 首先對水泥面處抗擠安全系數(shù)首先對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，段長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計算軸向拉力下抗擠強度，第二段管計算軸向拉力下抗擠強度，第二段管 體屈服強度體屈服強度fg2=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)計舉例、設(shè)計舉例 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：第二段長：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 第三段管體屈服強度第三段管體屈服強度fg3=2740kn d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 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)力下抗擠強度為第三段底部雙軸應(yīng)力下抗擠強度為 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時抗擠安全。時抗擠安全。 d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 水泥返高水泥返高 2800 55 可見第三段可見第三段n-80、9.19mm延伸至井口抗拉強延伸至井口抗拉強 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） 第二段抗拉強度第二段抗拉強度fj2=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)計到井口：若將第三段設(shè)計到井口：fj3=2354kn，q3=0.3869kn） d1=3500 d2=3300 d3=2300 4.6、設(shè)計舉例、設(shè)計舉例 水泥返高水泥返高 2800 56 7）按抗拉強度設(shè)計確定上部各段套管：）按抗拉強度設(shè)計確定上部各段套管： n i n w 1 1 第第 段抗拉強度段抗拉強度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)計舉例、設(shè)計舉例 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，長度：，長度： 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) 實取實取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)計舉例、設(shè)計舉例 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)計步驟 設(shè)計出的套管柱，一般能滿足抗內(nèi)壓要求；設(shè)計出