套管強度校核

1、第一節(jié) 套管及套管柱強度設計序言序言套管柱的主要功套管柱的主要功能能s 抗擠s 抗拉s 抗內壓 密封套管柱的組成 由不同強度的套管段組成原因：s套管受到各種類型外力作用，須具有一定強度。外載大小、類型不同，所需的強度要求也不同，須有一系列不同尺寸、不同強度的套管。即套管系列。序言序言套管柱的類型w表層套管w技術套管（中間套管）w生產套管（油層套管）w尾管（技術尾管、生產尾管）w回接套管序言序言一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1、靜載特點：長期作用、聯合作用在套管上。類型：2、動載特點：瞬時地、單一地作用在套管上。產生原因：l起下鉆時速度變化產生的動載l阻、卡套管時提拉動載l摩擦動載

2、l碰壓動載l密度差產生的附加拉力一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算軸向力：自重、浮力軸向力：自重、浮力外擠壓力外擠壓力內壓力內壓力一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.外擠壓力w管外鉆井液液柱壓力:（水泥不返到井口時，上部有一段套管外為鉆井液。該段套管稱為自由套管）w水泥漿液柱壓力w地層中流體壓力w易流動巖層的側壓力等一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.外擠壓力w有效外壓力：式中 Poe有效外壓力； Po外壓力； Pib支撐內壓力。 ibooePPP一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.徑向外擠壓力w有效外壓力：表層套管：井漏造成全掏空技術套管：井漏發(fā)

3、生，但不可能造成發(fā)生全漏空的情況，因此技術套管的下部還有支撐內壓力作用油層套管：一般在采油后期產層壓力降得很低的時候產生最大有效外壓力（開發(fā)后期可能抽油或氣舉采油），因為這時套管內的內壓力會降得很低。若近似認為內壓力為零，則其受載情況與表層套管類似，即為全掏空。 一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.外擠壓力（1）外壓力w在水泥面（環(huán)空內水泥的頂面）以上應按鉆井液液柱壓力計算w對于水泥封固段，當發(fā)生上述最大有效外壓力時，管外環(huán)空中的水泥已經凝固，水泥環(huán)（水泥漿在環(huán)空內凝固后的環(huán)狀水泥石稱為水泥環(huán)）應有助于套管承受外壓力，但難于準確計算，因此從安全角度考慮現場上一般將水泥面以下水泥環(huán)段

4、的外壓力也按鉆井液液柱壓力計算。 ZPmo0098. 0一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.外擠壓力（2）支撐內壓力w對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，支撐內壓力為零。w對于技術套管非全掏空的情況，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撐內壓力為零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管內鉆井液液柱壓力。w因此，要計算支撐內壓力，首先要知道漏失面的深度。一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.徑向外擠壓力（2）支撐內壓力w漏失面深度確定：假設下一次鉆進鉆至下一層套管的下入深度（下一井段的目的井深）時發(fā)生井漏，并假設漏失層的孔隙壓力為地層鹽水

5、柱壓力，根據壓力平衡關系可得漏失面深度為：)1 (nswnLHH一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算鉆井液鹽水HnHLswnnLnHHH)(1.外擠壓力（2）支撐內壓力w對于技術套管非全掏空的情況，支撐內壓力的計算式為0ibP)(0098. 0LnibHHP（0HHL） （HLHHB） 一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算1.外擠壓力（3）有效外壓力w對于表層套管、油層套管這種可能全掏空的情況，需要按全掏空考慮的技術套管，有效外壓力為w對于技術套管非全掏空的情況，有效外壓力為 （0HHL） （HLHHB） HPmoe0098. 0HPmoe0098. 0)(0098. 0HHP

6、mnLnoe一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算（a a）全掏空）全掏空 （b b）非全掏空）非全掏空圖圖7-3 7-3 有效外擠壓力對比示意圖有效外擠壓力對比示意圖11外壓力外壓力 22支撐內壓力支撐內壓力 33有效外壓力有效外壓力全掏空與非全掏空兩種不同的情況下，套管柱所受的有效外壓力不一樣。對于全掏空情況，有效外壓力是井底最大，井口最小（為零）；對于非全掏空情況，有效外壓力是中間大，井口和井底小。顯然，這種不同的外載情況會使套管柱設計的結果不同。 一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算2.內壓力w套管柱所受的內壓力主要來自于鉆井液、地層流體（油、氣、水）壓力以及特殊作業(yè)（如

7、壓井、酸化壓裂、擠水泥等）時所施加的壓力。與外擠壓力類似，對內壓力也是分析計算危險工況時的有效內壓力。有效內壓力為 Pie Pi Pob 對于表層套管和技術套管，如果在下一井段鉆進過程中發(fā)生井涌而進行壓井時，套管柱所受的有效內壓力最大。而對于油層套管，油井和氣井的情況不一樣，要根據采油、采氣工藝情況考慮相關的危險工況。 一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算w徑向內壓力：w管內流體壓力w壓裂作業(yè)等增產措施時的壓力一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算2.內壓力（1）內壓力w對于表層套管和技術套管，當在下一井段鉆進過程中發(fā)生井涌而進行壓井時，套管的內壓力為井口內壓力與管內流體（鉆井液

8、與涌入流體氣、水、油或混合物）的液柱壓力之和。由于井涌情況的多樣性，所以關于套管內壓力的計算有多種方法，常用方法是： HPPnsi0098. 0一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算2.內壓力（1）內壓力確定井口內壓力的三種方法是：w1）井口防噴裝置（防噴器及壓井管線等）許用最高壓力。 w2）套管鞋處附近地層破裂壓力所決定的許用井口壓力。 w3）下部高壓油氣噴出時可能出現的井口內壓力。 BnfsHP)(0098. 0一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算w對于油層套管，分油井與氣井采用不同的計算方法。以下是關于油層套管內壓力的計算方法之一 。對于油井，認為采油初期，產層壓力較高，井

9、口有內壓力作用于套管，套管的內壓力為井口內壓力與原油的液柱壓力之和（式中括號項即為井口內壓力） 對于氣井，井口也有內壓力作用于套管。當考慮氣體自重及其壓縮性后，套管內任意深度處的內壓力為（式中令井深Z為零即得井口內壓力） HHPPoBopi0098. 0)0098. 0()(10115.14/HHpiBePP一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算2.內壓力（2）支撐外壓力w在無水泥段，因鉆井液降解及固相沉降，其液柱壓力可能降低w對水泥封固段，可能水泥環(huán)并不完整，地層壓力可能作用于管柱上，按鹽水柱計算支撐外壓力可能比實際外壓力偏小，但可使有效內壓力偏大而使管柱趨于安全。所以，在支撐外壓力計

10、算中一般無論是水泥面以上還是水泥面以下均按地層鹽水柱壓力計算，即 ：HPswob0098. 0一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算2.內壓力（3）有效內壓力由上所述，可得套管柱有效內壓力的計算方法：w對于表層套管和技術套管：w對于油層套管 油井：氣井： HPPswnsie)(0098. 0HHPPoswoopie)(0098. 0)0098. 0(HePPswHHpiB0098. 0/)(10115. 14一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算 （a） （b） （c）圖圖7-4 7-4 有效內壓力對比示意圖有效內壓力對比示意圖（a a）表層或技術套管）表層或技術套管 （b b）油

11、井油層套管）油井油層套管 （c c）氣井油層套管）氣井油層套管11內壓力內壓力 22支撐外壓力支撐外壓力 33有效內壓力有效內壓力w注意圖中，支撐外壓和內壓曲線的斜率變化。w對于表層套管或技術套管，有效內壓力是井口最小，井底最大；對于油層套管，有效內壓力是井口最大，井底最小。可見，不同類型的井、不同類型的套管，所受外載是不一樣的。 w現場有時還采用直接用井口壓力Ps作為整個套管柱有效內壓力的方法（即假設從井口到井底有效內壓力均為Ps）。從圖可見，對于油層套管，采用這種方法顯然是安全的，不過可能有點不經濟，但可使內壓力計算、進而使套管柱的抗內壓設計更簡捷一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計

12、算swnswosw曲線曲線3.軸向拉力w一般情況下，套管柱在入井過程中（即下套管過程中）承受的拉力最大。這時，除了套管柱的自重外，還有上提下放時的動載、上提時彎曲井段處的阻力、或者是遇卡上提時多提的拉力等附加拉力。在計算時，一般只計算套管的自重，將動載、遇卡上提多提的拉力等附加拉力用設計安全系數考慮，或以其它方式考慮。w套管柱一般是由幾段套管組成。在計算套管自重所產生的軸向拉力時，通常需要計算的是各段套管頂、底端的軸向拉力。顯然，某段套管頂端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力，其底端的拉力即是其下面一端套管頂端的拉力。 一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算w軸向拉力：自重浮力W一、套管

13、外載分析與計算一、套管外載分析與計算3.軸向拉力w軸向拉力計算方法：當不考慮鉆井液的浮力時，計算的是套管在空氣中的重量；當考慮鉆井液的浮力時，計算的是套管在鉆井液中的重量，常簡稱為浮重。一般可用臺階法和浮力系數法計算 其中kiikLqT1kibikLqT1FbqBq smFB1一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算用臺階力法計算：考慮浮力是集中作用在套管界面變化的位置！浮力的大?。篢f=Ph*A軸向力為：fTqLT1000/一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算HT一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算w很顯然，套管柱自重所產生的軸向拉力的分布規(guī)律是井底最?。榱悖?，往上逐漸

14、增大，井口拉力最大 圖圖7-5 7-5 套管軸向拉力沿井深分布示意圖套管軸向拉力沿井深分布示意圖 1-1-不考慮浮力不考慮浮力 2-2-考慮浮力考慮浮力一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算4.彎曲附加拉力 如果井眼存在較大的井斜變化或狗腿時，由于套管彎曲效應的影響將增大套管的拉力負荷，特別是在靠近絲扣嚙合處易形成裂縫損壞，由于API套管的連接強度沒有考慮彎曲應力，所以設計時應從套管的連接強度中扣除彎曲效應的影響。ALEDTbd6101802Z(+) Z(-)max一、套管外載分析與計算一、套管外載分析與計算s對所用套管系列的統(tǒng)一規(guī)定，叫套管規(guī)范。規(guī)定了套管生產的尺寸、鋼級、壁厚、連接方

15、式等；目前一般使用的美國API套管規(guī)范。其規(guī)定的有關性能主要有：套管尺寸、套管壁厚、螺紋類型與套管鋼級 1、套管基本參數 套管的基本參數為套管尺寸、套管壁厚（或單位長度名義重量）、螺紋類型與套管鋼級。 （1）套管尺寸（又叫名義外徑或公稱直徑）：本體外徑4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”. 套管尺寸的選擇與鉆頭尺寸相配合！- 井身結構設計二、套管強度二、套管強度 目 前 國內外所生產的套管尺寸及鉆頭及尺寸已標準系列化。套管與其相應井眼的尺寸配合

16、基本確定或在較小范圍內變化。二、套管強度二、套管強度1、套管基本參數（2）套管壁厚與套管單位長度名義重量w套管壁厚指的是套管本體處套管壁的厚度，套管壁厚有時又稱為套管名義壁厚。套管壁厚也已標準系列化 w套管單位長度名義重量又稱為套管公稱重量，指的是包括接箍在內的、套管單位長度上的平均重量 w套管壁厚、套管單位長度名義重量二者是直接相關的 二、套管強度二、套管強度1、套管基本參數（3）螺紋類型 套管螺紋及螺紋連接是套管質量的關鍵所在，與套管的強度和密封性能密切相關。API標準的螺紋類型有4種：短圓螺紋（英文縮寫STC）長圓螺紋（英文縮寫LTC）梯形螺紋（英文縮寫B(tài)TC）直連型螺紋（英文縮寫XL，

17、用于無接箍套管）二、套管強度二、套管強度二、套管強度二、套管強度 （a） （b） （c）圖7-6 API螺紋連接示意圖（a）圓螺紋連接 （b）梯形螺紋連接 （c）直連型螺紋連接（4）套管鋼級wAPI鋼級有10種：H,J,K,N,C,L,P,Q,X.非標準的鋼級，也較廣泛使用，如NKK,S,SS,V等。API規(guī)定鋼級代號后面的數字乘以1000PSi(6894.8Pa)即為該鋼材的最小屈服強度。如:N-80-80*1000Psi但也有個別例外:S-80-55KpsiSS-95-80Kpsiw套管鋼材的抗硫能力： 有抗硫能力的套管鋼級 H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-

18、80, C-90二、套管強度二、套管強度w采用非API標準有兩種情況：一是套管的尺寸、鋼級與壁厚按照API規(guī)范，只是在螺紋連接上采用非API標準的特殊螺紋連接型式，這主要是為了解決螺紋連接的高密封要求問題；二是套管的尺寸、壁厚與螺紋連接型式按照API規(guī)范，但使用特殊的套管鋼級，這是為了解決套管腐蝕和高應力問題。 二、套管強度二、套管強度2、套管強度（1）套管強度 外載可分為三種，即作用在管柱外壁上的外擠壓力、作用在管柱內壁上的內壓力和作用在管柱內方向與管柱軸線平行的軸向拉力。w套管所具有的抵抗外載的能力稱為套管強度 w套管所能承受的最大外擠壓力稱為套管的抗擠強度 w套管所能承受的最大內壓力稱為

19、套管的抗內壓強度 w套管所能承受的最大軸向拉力稱為套管的抗拉強度。因為在軸向拉力的作用下，套管的破壞一般是發(fā)生在套管本體與接箍的螺紋連接處，因此套管的抗拉強度又常稱為連接強度或接頭拉伸強度。 二、套管強度二、套管強度套管強度系列：套管強度系列：二、套管強度二、套管強度2、套管強度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式原因：軸向載荷過大 失效形式:(1)絲扣（接箍）滑脫(2)絲扣斷裂(3)管體斷裂(4)氫脆二、套管強度二、套管強度2、套管強度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式w絲扣（接箍）滑脫 對圓扣套管是常見的失效形式。二、套管強度二、套管強度2、套管強度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式w絲扣斷

20、裂條件：拉力大于絲扣連接強度，小于本體強度。位置：絲扣最后一個嚙合螺紋處（扣根）（直徑最?。┒⑻坠軓姸榷?、套管強度2、套管強度（2）軸向拉力作用下套管的失效形式w管體斷裂條件：拉力小于絲扣連接強度，大于本體強度。二、套管強度二、套管強度2、套管強度（3）套管抗拉強度的選用抗拉強度min絲扣部分抗拉強度，管體抗拉強度（1）圓螺紋套管絲扣抗拉強度=min抗滑脫強度，絲扣拉斷強度（2）梯形扣和直連型套管以絲扣或管體抗拉強度為標準二、套管強度二、套管強度絲扣抗拉強度的計算絲扣抗拉強度的計算目的：根據材料的強度計算出絲扣抗拉強度抗滑脫強度絲扣拉斷強度DLYDLUDLAPppjpj14. 014. 05

21、 . 0283. 1095. 059. 0pjpjUAP095. 0二、套管強度二、套管強度2、套管強度（4）軸向拉力作用下套管的抗擠強度 wAPI所公布的套管強度數據是套管受相應的單一外載作用時的強度，如抗擠強度是套管僅受外擠壓力作用時套管所能承受的最大外擠壓力值；w套管柱在井下一般是處于復合外載作用狀態(tài)（兩種及兩種以上外載同時作用狀態(tài)）。在復合外載作用下，套管的強度要發(fā)生變化，有時套管的強度增加，有時套管的強度降低。二、套管強度二、套管強度 在外壓力與軸向力或內壓力與軸向力作用下，管柱內的應力狀態(tài)為三向應力狀態(tài)，三個主應力分別為軸向應力、周向應力和徑向應力 ：22221zrrttzc222

22、22szrrttz二、套管強度二、套管強度由于套管為薄壁或中厚壁管，在這三個應力中，r 00 拉伸內壓 z，t 0 壓縮內壓 z，t 00Pid對比抗擠設計結果與抗內壓設計結果，在各井段內選擇強度高的套管；將套管柱抗擠強度設計與抗內壓強度設計綜合結果列表。三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計w技術套管柱設計一般步驟：4）進行套管柱抗拉強度w根據抗擠設計和抗內壓設計的綜合結果，計算套管柱的設計拉力，即w將套管的抗拉強度與設計拉力進行比較，對抗拉強度不滿足要求的井段的套管進行更換，以滿足抗拉強度的要求，即 （Tt接頭拉伸強度）tdTST dtTT 三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計w技術套管柱設

23、計一般步驟：4）進行套管柱抗拉強度w 需要注意的是，如果因抗拉強度不夠而更換套管時更換了套管的壁厚，則套管柱的拉力要重新計算，再按新計算的拉力校核抗拉強度。如果這樣更換的套管是在套管柱的中部或下部，還要重新校核一下套管柱的抗擠強度，因為由于拉力的變化會導致軸向拉力下套管抗擠強度的變化。w 水泥面之上進行雙軸應力校核5）將套管柱強度設計結果列表。 三、套管柱設計方法三、套管柱設計方法三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )w某井177.8mm套管，下入深度3500m, 井內鉆井液密度1.30g/cm3,水泥返至井深2800m?？箶D安全系數為1.125,抗拉安全系數為1.8

24、(不考慮浮力影響)，井口抗內壓安全系數為1.1.w解（1）按抗擠強度設計第一段套管按全掏空計算井底地外擠壓力Pb=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa) 第一段套管應具有的抗擠強度為Pc1=Pb*sc=45.5*1.125=51.19(MPa)由套管性能表查得N-80，壁厚11.51mm套管，其抗擠強度為60.46MPa實際抗擠安全系數為：Sc1=60.46/51.19=1.181三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )w（2）第一段套管得頂截面位置取決于第二段套管得可下深度，第二段套管選用抗擠強度低低一級的套管，可選N-80,壁厚10.36mm套管，其抗擠

25、強度為49.35MPa,抗拉強度Tt=2708kN,Ts=3066kN,重量為431.5N/m.第二段套管的可下深度為：實取第二段套管的深度為3300m,則第一段套管的段長為w L1=3500-3300=200m)(3374125. 1*30. 1*0098. 035.492mH3500m3300m三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )（3）校核第一段套管的抗拉系數（上端面）和第二段套管的抗擠系數（下端面）w 第一段套管的重量為476kN/m，抗拉強度為3048kN,浮力系數為：Bf=1-1.3/7.8=0.833第一段套管的浮重為：T1=200*0.476=95.2

26、4kN (空氣中的重量)T1=200*0.476*0.833=79.33kN (鉆井液中的重量)第一段套管的抗拉系數St1=3048/95.24=32 (安全)第二段套管的抗擠系數Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15 (安全)3500m3300m三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )w第二段套管的頂截面取決于第三段套管的可下深度，第三段套管選N-80,壁厚9.10套管(386.9N/m,抗拉強度2354kN,Ts=2740kN)，抗擠強度為38.03MPa.,按抗擠計算第三段套管的可下深度：H3=38.03/(0.0098*1.3*1.1

27、25) =2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量，其抗擠強度下降，因此要減小第三段套管的下入深度，（如果不減小，抗擠強度不夠）w 水泥面處套管柱的軸向力為w T1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kN3500m3300m水泥面2800m三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )w校核水泥面的抗擠強度222221431sscccTTTTPP水泥面水泥面水泥面MPa75.47306625921306625943135.492)(311. 12800*30. 1*0098. 075.47安全水泥面Sc3500m3300m水泥面2800

28、m三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )計算第三段套管的可下深度（采用雙軸應力設計）w 找到一個井深，使第三段套管的下截面在拉力作用下，其抗擠安全系數接近1.125w 假設第三段套管下至2300 m,則第二段套管的段長為L2=1000mw 第二段套管在空氣中的重量： T2=1000*0.4315=431.5kNw 第二段套管在鉆井液中的重量： T2=0.833*431.5=359.4kNw 第三段套管下端面的拉力 T1+T2=79.3+359.4=438.7kNw 考慮雙軸應力后第三段套管的抗擠強度為Pcc3=Pc3*K=34.67MPaw 第三段套管的抗擠安全系數為 Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159 ( 安全)3500m3300m水泥面2800m2300m三、套管柱強度設計三、套管柱強度設計( (油層套管油層套管) )w校核第二段套管頂截面的抗拉安全系數（Tt2=2708kN）St2=Tt2/(T1+T2) =2708/(95.24+431.5) =5.14 (安全)校核第三段套管頂部（井口）的抗拉強度