工学第5讲第二章套管柱及注水泥设计套管柱载荷分析

第二章第二章 套管柱及注水泥设计套管柱及注水泥设计第一节第一节 井身结构设计井身结构设计 第二节第二节 生产套管尺寸的确定生产套管尺寸的确定 第三节第三节 套管柱强度设计套管柱强度设计 第四节第四节 注水泥技术注水泥技术 第五节第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介第三节第三节 套管柱强度设计套管柱强度设计一、套管的类型及其性能一、套管的类型及其性能二、套管柱的载荷分析及套管强度二、套管柱的载荷分析及套管强度三、定向井套管柱载荷计算三、定向井套管柱载荷计算四、套管柱强度设计四、套管柱强度设计第三节第三节 套管柱设计套管柱设计套管柱强度设计的任务：套管柱强度设计的任务：事先设计出强度足够的套管柱，保证能事先设计出强度足够的套管柱，保证能够经受入井后各种外载的作用，且成本上是最低的，符合够经受入井后各种外载的作用，且成本上是最低的，符合“即安全即安全又经济又经济”原则。原则。目前一般使用符合美国目前一般使用符合美国APIAPI套管规范的进口和国产套管，主要包括套管套管规范的进口和国产套管，主要包括套管的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。国内主要有国内主要有:天钢、宝钢、成钢；天钢、宝钢、成钢；国外主要有：日本、德国、美国、施特佳；国外主要有：日本、德国、美国、施特佳；第三节第三节 套管柱设计套管柱设计一、套管的类型及其性能一、套管的类型及其性能1 1、基本概念、基本概念油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。表征套管的主要特性参数有表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚套管尺寸、钢级和壁厚。（API SPEC 5AAPI SPEC 5A：C75C75、C95C95、P110P110的套管只能用无缝管制造）的套管只能用无缝管制造）1、基本概念、基本概念（1）套管的尺寸）套管的尺寸 （又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外径，（又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外径，实际上套管尺寸已经标准化了。实际上套管尺寸已经标准化了。套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。1、基本概念、基本概念（2）套管的钢级）套管的钢级 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，用钢级表示。用钢级表示。p 套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码代表套管的强度。代表套管的强度。p API对套管进行了相应的分级（对套管进行了相应的分级（H、J、K、N、C、L、P、Q八种共十级）即：八种共十级）即：H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和和Q125，前，前6种类型为抗硫的，其余种类型为抗硫的，其余为非抗硫的。为非抗硫的。1、基本概念、基本概念APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管)甲方钻井手册甲方钻井手册P192P1921、基本概念、基本概念API规定，钢级代号后面的数值乘以规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以，即为套管（以kpsi为单为单位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API 标准的套管。（标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅：磅/英寸英寸2）只有屈服强度只有屈服强度 对对H2S提敏感的，但对提敏感的，但对CO2则影响很小，则影响很小，可以数年内不破坏，而在可以数年内不破坏，而在H2S盐的环境中会在一小时内破坏。盐的环境中会在一小时内破坏。psis510 APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管)1、基本概念、基本概念是指套管本体处管体的厚度，又称为套管名义壁厚。是指套管本体处管体的厚度，又称为套管名义壁厚。套管的壁厚也已经标准化了。和套管壁厚直接相关联的就是套管的名义套管的壁厚也已经标准化了。和套管壁厚直接相关联的就是套管的名义质量（或名义重量），指定是套管单位长度的质量（或重量）。质量（或名义重量），指定是套管单位长度的质量（或重量）。APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管)1、基本概念、基本概念除上述除上述API标准套管外，国外还研究和开发了满足特殊使用条件的标准套管外，国外还研究和开发了满足特殊使用条件的非非API标准套管，包括：标准套管，包括：l 深井的超高强度套管；深井的超高强度套管；l 酸性环境用套管；酸性环境用套管；l 高抗挤毁套管；高抗挤毁套管；l 用于常温油气井的高强度套管；用于常温油气井的高强度套管；这些特殊套管的应用，相当程度上解决了深井、高压井、高腐蚀这些特殊套管的应用，相当程度上解决了深井、高压井、高腐蚀井、海洋和近海油气田、沙漠腹地油气田开发所面临的难题，并为水井、海洋和近海油气田、沙漠腹地油气田开发所面临的难题，并为水平井及热采井等推广打下了基础。资料表明，特殊套管的使用比例正平井及热采井等推广打下了基础。资料表明，特殊套管的使用比例正逐年提高。逐年提高。1、基本概念、基本概念2、套管的联接、套管的联接套管柱通常都是由同一外径、相同（或不同）钢级、壁厚的套管用接套管柱通常都是由同一外径、相同（或不同）钢级、壁厚的套管用接箍联接组成的。箍联接组成的。联接是由螺纹来实现的，联接是由螺纹来实现的，螺纹联接是套管质量和强度检验的重点螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。套管螺纹都是锥形螺纹，在套管螺纹都是锥形螺纹，在API规范中分为五大类。前四类属规范中分为五大类。前四类属API 标标准，第五类系非准，第五类系非API标准。标准。类数类数标准标准名称名称符号或代号符号或代号1API标准标准短圆螺纹短圆螺纹STC/CSG/C12长圆螺纹长圆螺纹LTC/LCSG/C23梯形螺纹梯形螺纹BTC/BCSG/C334直连形螺纹直连形螺纹XL/XCSG/CHX5非非API标准标准特殊螺纹特殊螺纹/2、套管的联接、套管的联接APIAPI螺螺纹纹连连接接示示意意图图2、套管的联接、套管的联接 API 标准螺纹的标准螺纹的优点优点：加工容易，一般精度，油田现场容易加工配接有关短节，成本低。加工容易，一般精度，油田现场容易加工配接有关短节，成本低。采用一般操作条件联接，易于修扣和现场处理。采用一般操作条件联接，易于修扣和现场处理。在有优质密封脂配合使用，对流体密封条件可达在有优质密封脂配合使用，对流体密封条件可达69MPa 及及149。可以重复上扣使用。可以重复上扣使用。API 标准螺纹的标准螺纹的缺点缺点：过高压力及气体不能满足密封要求。过高压力及气体不能满足密封要求。API 螺纹的联接强度仅是管体抗拉强度的螺纹的联接强度仅是管体抗拉强度的80。在有腐蚀流体的环境，因在有腐蚀流体的环境，因API 接箍的接箍的“干扰值干扰值”过大，过大的圆周应过大，过大的圆周应力容易产生接箍的氢脆应力破坏或发生应变裂纹。力容易产生接箍的氢脆应力破坏或发生应变裂纹。2、套管的联接、套管的联接力求联接强度大于或等于管体抗拉强度。力求联接强度大于或等于管体抗拉强度。提供更高级密封，主要采取金属对金属的密封设计。提供更高级密封，主要采取金属对金属的密封设计。不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力(周向应力周向应力)。联接处联接处(或接箍或接箍)的外径能够达到尽可能小的程度。的外径能够达到尽可能小的程度。二、套管柱的载荷分析及套管强度二、套管柱的载荷分析及套管强度套管柱套管柱:（1）在入井、注水泥以及以后生产的不同时期，套管柱的受力也是不断）在入井、注水泥以及以后生产的不同时期，套管柱的受力也是不断变化的。变化的。（2）在不同的地层和地质条件下，套管柱所承受的外载荷也是不同的。）在不同的地层和地质条件下，套管柱所承受的外载荷也是不同的。如在井下的盐岩层对套管柱的压力梯度则要按上覆岩石的压力梯度计算；如在井下的盐岩层对套管柱的压力梯度则要按上覆岩石的压力梯度计算；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在易坍塌油层生前在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在易坍塌油层生前的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不尽相同。的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不尽相同。经过长期的生产实践证明，虽套管柱的受力复杂，但是影响套管柱的基经过长期的生产实践证明，虽套管柱的受力复杂，但是影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：本载荷主要有以下几种：轴向载荷；外挤压力；内压力。轴向载荷；外挤压力；内压力。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑到安全系数中去了。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑到安全系数中去了。1、轴向载荷及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度一般设计中是不予考虑出于安全浮力温度变化引起的力碰后时产生的力摩擦力其它附加拉力力注水泥引起的附加应应力套管弯曲引起的附加拉力本身自重产生的轴向,.（1）轴向载荷种类）轴向载荷种类自重产生的轴向拉力，是轴向应力产生的基本原因。在井口最大。自重产生的轴向拉力，是轴向应力产生的基本原因。在井口最大。教材教材P258 式式77API标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的，对于井眼上存在标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的，对于井眼上存在大的斜度或狗腿时，这样由于弯曲的影响就增大了套管的轴向拉力。特别大的斜度或狗腿时，这样由于弯曲的影响就增大了套管的轴向拉力。特别是在靠近扣处易形成裂缝损坏，故应给予考虑。是在靠近扣处易形成裂缝损坏，故应给予考虑。教材教材P259 式式710在深井或超井的注水泥过程中，由于注水泥浆量较大，故在水泥还未返出在深井或超井的注水泥过程中，由于注水泥浆量较大，故在水泥还未返出套鞋处时，将对套管柱产生一较大的附加轴向应力。教材套鞋处时，将对套管柱产生一较大的附加轴向应力。教材 P259 式式711其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。而剩余的力由于计算其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。而剩余的力由于计算复杂，有时难以预料，故一般用安全系数来进行考虑。复杂，有时难以预料，故一般用安全系数来进行考虑。1、轴向载荷及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度（1）轴向载荷种类）轴向载荷种类实际设计中，一般不考虑浮力对实际设计中，一般不考虑浮力对轴向载荷的作用，则设计结果偏于安轴向载荷的作用，则设计结果偏于安全。全。但在计算精度要求较高的情况下但在计算精度要求较高的情况下（如高温高压井），为了更好的发挥（如高温高压井），为了更好的发挥管材强度性能，此时往往不能简单的管材强度性能，此时往往不能简单的给予忽略。给予忽略。1、轴向载荷及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度（2）轴向载荷下套管抗拉强度）轴向载荷下套管抗拉强度目前我国现场中所用的套管绝大多数为目前我国现场中所用的套管绝大多数为API标准圆扣套标准圆扣套管：扣为管：扣为V型，扣根与扣尖为圆孤形。型，扣根与扣尖为圆孤形。从从API的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出，绝的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出，绝大部分套管的破坏形式是滑扣，特别是对于圆螺纹，大部分套管的破坏形式是滑扣，特别是对于圆螺纹，本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。所以一般在设所以一般在设计中，除了考虑套管的屈服强度外，还要考虑套管丝计中，除了考虑套管的屈服强度外，还要考虑套管丝扣的连接强度。扣的连接强度。值得注意的是，值得注意的是，在轴向载荷下，不仅存在连接强度的在轴向载荷下，不仅存在连接强度的问题，而且还由于双轴应力效应对抗内压、抗外压强问题，而且还由于双轴应力效应对抗内压、抗外压强度都有影响，同时对套管丝扣的密封也有直接的影响。度都有影响，同时对套管丝扣的密封也有直接的影响。2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度（1）外挤载荷种类）外挤载荷种类（假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）（假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空来计算套管承受的外挤载荷。来计算套管承受的外挤载荷。地地质质构构造造力力的的影影响响盐盐岩岩层层、膏膏岩岩等等）；易易流流动动的的岩岩石石挤挤压压力力（；地地层层流流体体产产生生的的静静压压力力力力；管管外外泥泥浆浆柱柱产产生生的的静静压压2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度套管内全掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井身结构井身结构2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度（2）套管的）套管的API抗挤强度抗挤强度抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管受外挤作用时，受外挤作用时，其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破坏。坏。失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。管损坏严重者油气井报废。套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明，管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明，套管径厚比套管径厚比d/（外径（外径/壁厚）较大时：失稳破坏；壁厚）较大时：失稳破坏；当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。图图3-8-2-3 套管套管截面的挤毁截面的挤毁2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度（2）套管的）套管的API抗挤强度抗挤强度API 5C3通告详细叙述了测定套管抗外挤强度的程序通告详细叙述了测定套管抗外挤强度的程序（轴向应力为（轴向应力为0）。在外挤压力作用下，套管断面可能发生三种挤压或弯曲形式：弹性挤压、在外挤压力作用下，套管断面可能发生三种挤压或弯曲形式：弹性挤压、塑性挤压和临界强度挤压。三种挤压形式的转化受管体几何形状和材料性能的塑性挤压和临界强度挤压。三种挤压形式的转化受管体几何形状和材料性能的制约。如图所示。制约。如图所示。其中2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度）有轴向载荷时的套管抗挤强度在实际的情况中，套管的轴向载荷是不为零的。从在实际的情况中，套管的轴向载荷是不为零的。从套管的应力分析基础出发，实际上套管的受力是三维的。套管的应力分析基础出发，实际上套管的受力是三维的。标准双轴应力椭标准双轴应力椭圆公式圆公式s s套管的屈服强度套管的屈服强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度轴向载荷轴向载荷拉拉伸伸压压缩缩周向载荷周向载荷内压强度内压强度外挤强度外挤强度双轴应力椭圆：轴向载荷对套管抗外挤强度的影响st sZ 2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度（1）内压载荷）内压载荷（假设管外的水泥已凝固，管外的压力用地层流体计算）假设管外的水泥已凝固，管外的压力用地层流体计算）内压力的来源：内压力的来源：地层流体进入套管产生压力；生产中的特殊作业（地层流体进入套管产生压力；生产中的特殊作业（注水、压裂）时的压力。注水、压裂）时的压力。内压力的确定：内压力的确定：在老区可以参考邻近的资料，但在新区，内压少就在老区可以参考邻近的资料，但在新区，内压少就很难确定。当井口开时，内压力易于计算，且数值较小，但当井涌很难确定。当井口开时，内压力易于计算，且数值较小，但当井涌关井时则内压力就显的十分突出。关井时则内压力就显的十分突出。井的深浅对内压力的影响：井的深浅对内压力的影响：当井较浅时，内压力是比较小的。且一当井较浅时，内压力是比较小的。且一般的套管内压强度般的套管内压强度 抗外挤强度，故设计中问题不明显。但随着井抗外挤强度，故设计中问题不明显。但随着井深的增加，内压问题就很突出，有时甚至超过了抗外挤。深的增加，内压问题就很突出，有时甚至超过了抗外挤。3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度 井底的压力：井底的压力：套管内有效内压载荷套管内有效内压载荷：井口井口有效内压载荷：有效内压载荷：井底井底有效内压载荷：有效内压载荷：BiodPPghioioPPBiopPPgh等于管内的减去管外的地层流体压力等于管内的减去管外的地层流体压力 式中：式中：PB井底压力，井底压力，MPa；Pio井口压力，井口压力，MPa；d钻井液密度，钻井液密度，g/cm3；p地层流体密度，地层流体密度，g/cm3；3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度套管内全掏空套管内全掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井身结构井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度套管内部分掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井底井底井身结构井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度生产套管生产套管内压力计算则与其它不同。内压力计算则与其它不同。其与完井方式有关。典型的完井方式如其与完井方式有关。典型的完井方式如下图。在油井的生产初期，油管接头螺下图。在油井的生产初期，油管接头螺纹产生漏气，气泡由裂缝进入油管和生纹产生漏气，气泡由裂缝进入油管和生产套管之间的环形空间，在封闭的情况产套管之间的环形空间，在封闭的情况下，气泡上升到井口，但气泡仍然保持下，气泡上升到井口，但气泡仍然保持原有的压力，那么原有的压力，那么3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度4、套管的（腐蚀）损坏、套管的（腐蚀）损坏人为的损坏注水诱发力流体的动静力如定向井中摩擦力施加的外力断层的滑移断层区间的非均匀力盐层的流动导致变形地层力物理损坏盐物质氢脆化学的腐蚀损坏122NaCCOSH三、定向井套管柱载荷计算三、定向井套管柱载荷计算1、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件12200pEDRK KY05730/RK0RR2、套管柱弯曲应力计算、套管柱弯曲应力计算w0=2001146000DEDEKR3、上提管柱安全系数计算公式、上提管柱安全系数计算公式wYY=Q+F(W+A)+(fw sin)s套管抗拉强度轴向载荷小结小结思考题思考题