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1、第一节 套管及套管柱强度设计,序言,套管柱的主要功能 抗挤 抗拉 抗内压 密封,对套管的要求 圆度 壁厚均匀性 抗腐蚀 最小的流动阻力 良好的上扣性能及重复互换性能 耐磨（硬度指标）,套管柱的组成 由不同强度的套管段组成 原因： 套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。 外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。,序言,套管柱的类型 表层套管 技术套管（中间套管） 生产套管（油层套管） 尾管（技术尾管、生产尾管） 回接套管,序言,一、套管外载分析与计算,1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：,轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯
2、曲附加拉力 温差应力,2、动载 特点：瞬时地、单一地作用在套管上。 产生原因： 起下钻时速度变化产生的动载 阻、卡套管时提拉动载 摩擦动载 碰压动载 密度差产生的附加拉力,一、套管外载分析与计算,轴向力：自重、浮力 外挤压力 内压力,作用在套管上的主要载荷应是：,一、套管外载分析与计算,1.外挤压力 管外钻井液液柱压力:（水泥不返到井口时，上部有一段套管外为钻井液。该段套管称为自由套管） 水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等,一、套管外载分析与计算,1.外挤压力 有效外压力： 式中 Poe有效外压力； Po外压力； Pib支撑内压力。,一、套管外载分析与计算,1.径向外挤压力
3、有效外压力： 表层套管：井漏造成全掏空 技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空的情况，因此技术套管的下部还有支撑内压力作用 油层套管：一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力（开发后期可能抽油或气举采油），因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压力为零，则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空。,一、套管外载分析与计算,1.外挤压力 （1）外压力 在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力计算 对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准确计算，因此从安
4、全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算。,一、套管外载分析与计算,1.外挤压力 （2）支撑内压力 对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内压力为零。 对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段），支撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压力。 因此，要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。,一、套管外载分析与计算,1.径向外挤压力 （2）支撑内压力 漏失面深度确定：假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度（下一井段的目的井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，根据压力
5、平衡关系可得漏失面深度为：,一、套管外载分析与计算,钻井液,盐水,Hn,HL,1.外挤压力 （2）支撑内压力 对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计算式为,（0HHL） （HLHHB）,一、套管外载分析与计算,1.外挤压力 （3）有效外压力 对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为 对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为,（0HHL） （HLHHB）,一、套管外载分析与计算,（a）全掏空 （b）非全掏空 图7-3 有效外挤压力对比示意图 1外压力 2支撑内压力 3有效外压力,全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。 对于
6、全掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零）； 对于非全掏空情况，有效外压力是中间大，井口和井底小。 显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。,一、套管外载分析与计算,2.内压力 套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、地层流体（油、气、水）压力以及特殊作业（如压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力。有效内压力为 Pie Pi Pob 对于表层套管和技术套管，如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管柱所受的有效内压力最大。 而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采油、采气工艺情况考虑相关的危险工况。,一
7、、套管外载分析与计算,径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等增产措施时的压力,一、套管外载分析与计算,2.内压力 （1）内压力 对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时，套管的内压力为井口内压力与管内流体（钻井液与涌入流体气、水、油或混合物）的液柱压力之和。由于井涌情况的多样性，所以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：,一、套管外载分析与计算,2.内压力 （1）内压力 确定井口内压力的三种方法是： 1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。 3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。,一、套管外载
8、分析与计算,对于油层套管，分油井与气井采用不同的计算方法。以下是关于油层套管内压力的计算方法之一 。 对于油井，认为采油初期，产层压力较高，井口有内压力作用于套管，套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和（式中括号项即为井口内压力） 对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及其压缩性后，套管内任意深度处的内压力为（式中令井深Z为零即得井口内压力）,一、套管外载分析与计算,2.内压力 （2）支撑外压力 在无水泥段，因钻井液降解及固相沉降，其液柱压力可能降低 对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管柱上，按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小，但可使有效内压力偏大而
9、使管柱趋于安全。所以，在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算，即 ：,一、套管外载分析与计算,2.内压力 （3）有效内压力 由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法： 对于表层套管和技术套管： 对于油层套管 油井： 气井：,一、套管外载分析与计算,（a） （b） （c） 图7-4 有效内压力对比示意图 （a）表层或技术套管 （b）油井油层套管 （c）气井油层套管 1内压力 2支撑外压力 3有效内压力,注意图中，支撑外压和内压曲线的斜率变化。 对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的
10、井、不同类型的套管，所受外载是不一样的。 现场有时还采用直接用井口压力Ps作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设从井口到井底有效内压力均为Ps）。从图可见，对于油层套管，采用这种方法显然是安全的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的抗内压设计更简捷,一、套管外载分析与计算,sw,n,sw,o,sw,曲线,3.轴向拉力 一般情况下，套管柱在入井过程中（即下套管过程中）承受的拉力最大。这时，除了套管柱的自重外，还有上提下放时的动载、上提时弯曲井段处的阻力、或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力。在计算时，一般只计算套管的自重，将动载、遇卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑，或
11、以其它方式考虑。 套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产生的轴向拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底端的轴向拉力。显然，某段套管顶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顶端的拉力。,一、套管外载分析与计算,轴向拉力： 自重 浮力,W,一、套管外载分析与计算,3.轴向拉力 轴向拉力计算方法： 当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量； 当考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在钻井液中的重量，常简称为浮重。一般可用台阶法和浮力系数法计算 其中,一、套管外载分析与计算,用台阶力法计算： 考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置！ 浮力的大小： Tf=Ph*
12、A 轴向力为：,一、套管外载分析与计算,考虑浮力后的轴向力分布 (台阶力法),H,T,一、套管外载分析与计算,很显然，套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小（为零），往上逐渐增大，井口拉力最大,图7-5 套管轴向拉力沿井深分布示意图 1-不考虑浮力 2-考虑浮力,一、套管外载分析与计算,4.弯曲附加拉力 如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿时，由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负荷，特别是在靠近丝扣啮合处易形成裂缝损坏，由于API套管的连接强度没有考虑弯曲应力，所以设计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响。,Z(+), Z(-),max,一、套管外载分析与计算,对所用套管系列的统一
13、规定，叫套管规范。规定了套管生产的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等； 目前一般使用的美国API套管规范。其规定的有关性能主要有：套管尺寸、套管壁厚、螺纹类型与套管钢级,二、套管强度,1、套管基本参数 套管的基本参数为套管尺寸、套管壁厚（或单位长度名义重量）、螺纹类型与套管钢级。 （1）套管尺寸（又叫名义外径或公称直径）：本体外径 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” 套管尺寸的选择 与钻头尺寸相配合！ - 井身结构设计,二、套管强度,目前国内外所生
14、产的套管尺寸及钻头及尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。,二、套管强度,1、套管基本参数 （2）套管壁厚与套管单位长度名义重量 套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化 套管单位长度名义重量又称为套管公称重量，指的是包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量 套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的,二、套管强度,1、套管基本参数 （3）螺纹类型 套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与套管的强度和密封性能密切相关。API标准的螺纹类型有4种： 短圆螺纹（英文缩写STC） 长圆螺纹（英文缩写LTC）
15、梯形螺纹（英文缩写BTC） 直连型螺纹（英文缩写XL，用于无接箍套管）,二、套管强度,二、套管强度,（a） （b） （c） 图7-6 API螺纹连接示意图 （a）圆螺纹连接 （b）梯形螺纹连接 （c）直连型螺纹连接,（4）套管钢级 API钢级有10种：H,J,K,N,C,L,P,Q,X. 非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,V等。 API规定钢级代号后面的数字乘以1000PSi(6894.8Pa)即为该钢材的最小屈服强度。 如: N-80-80*1000Psi 但也有个别例外: S-80-55Kpsi SS-95-80Kpsi 套管钢材的抗硫能力： 有抗硫能力的套管钢级 H-40,
16、 J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90,二、套管强度,采用非API标准有两种情况： 一是套管的尺寸、钢级与壁厚按照API规范，只是在螺纹连接上采用非API标准的特殊螺纹连接型式，这主要是为了解决螺纹连接的高密封要求问题； 二是套管的尺寸、壁厚与螺纹连接型式按照API规范，但使用特殊的套管钢级，这是为了解决套管腐蚀和高应力问题。,二、套管强度,2、套管强度 （1）套管强度 外载可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平行的轴向拉力。 套管所具有的抵抗外载的能力称为套管强度 套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度 套管所能承受的最大内压力称为套管的抗内压强
