套管强度校核

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 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w 表 层 套 管w 技 术 套 管 （ 中 间 套 管 ）w 生 产 套 管 （ 油 层 套 管 ）w 尾 管 （ 技 术 尾 管 、 生 产 尾 管 ）w 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 ： 2、 动 载特 点 ： 瞬 时 地 、 单 一 地 作 用 在 套 管 上 。产 生 原 因 ：l起 下 钻 时 速 度 变 化 产 生 的 动 载l阻 、 卡 套 管 时 提 拉 动 载l摩 擦 动 载l碰 压 动 载l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 力一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 1.外 挤 压 力w 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 ）w 水 泥 浆 液 柱 压 力w 地 层 中 流 体 压 力w 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w 有 效 外 压 力 ：式 中 Poe有 效 外 压 力 ； Po外 压 力 ； P ib支 撑 内 压 力 。 ibooe PPP 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 1.径 向 外 挤 压 力w 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w 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w 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 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 。 ZP mo 0098.0 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 1.外 挤 压 力（ 2） 支 撑 内 压 力w 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 。w 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 。w 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w 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 平 衡 关 系 可 得 漏失 面 深 度 为 ： )1( nswnL HH 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 钻 井 液 盐水H n H L swnnLn HHH )( 1.外 挤 压 力（ 2） 支 撑 内 压 力w 对 于 技 术 套 管 非 全 掏 空 的 情 况 ， 支 撑 内 压 力的 计 算 式 为 0 ibP )(0098.0 Lnib HHP （ 0 H H L） （ H L H H B） 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 1.外 挤 压 力（ 3） 有 效 外 压 力w 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w 对 于 技 术 套 管 非 全 掏 空 的 情 况 ， 有 效 外 压 力 为 （ 0 H H L） （ H L H H B） HP moe 0098.0 HP moe 0098.0 )(0098.0 HHP mnLnoe 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 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w 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 、 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w 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 ： HPP nsi 0098.0 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 ：w1） 井 口 防 喷 装 置 （ 防 喷 器 及 压 井 管 线 等 ） 许 用 最 高 压 力 。 w2） 套 管 鞋 处 附 近 地 层 破 裂 压 力 所 决 定 的 许 用 井 口 压 力 。 w3） 下 部 高 压 油 气 喷 出 时 可 能 出 现 的 井 口 内 压 力 。 Bnfs HP )(0098.0 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 w 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 ） HHPP oBopi 0098.0)0098.0( )(10115.1 4/ HHpi BePP 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 2.内 压 力（ 2） 支 撑 外 压 力w 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w 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 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 ： HP swob 0098.0 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 ：w 对 于 表 层 套 管 和 技 术 套 管 ：w 对 于 油 层 套 管 油 井 ： 气 井 ： HPP swnsie )(0098.0 HHPP oswoopie )(0098.0)0098.0( HePP swHHpi B 0098.0/ )(10115.1 4 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w 注 意 图 中 ， 支 撑 外 压 和 内 压 曲 线 的 斜 率 变 化 。w 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 井 、 不 同 类 型 的 套 管 ， 所 受 外 载 是 不 一 样 的 。 w 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w 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 以 其 它 方 式 考 虑 。w 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w 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 k iik LqT 1 k ibik LqT 1 Fb qBq smFB 1 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*A轴 向 力 为 ：一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 H T一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 w 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(-) m ax 一 、 套 管 外 载 分 析 与 计 算 对 所 用 套 管 系 列 的 统 一 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 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 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w 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 w 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 w 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）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w 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-80-55KpsiSS-95-80Kpsiw 套 管 钢 材 的 抗 硫 能 力 ： 有 抗 硫 能 力 的 套 管 钢 级 H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90二 、 套 管 强 度 w 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 。w 套 管 所 具 有 的 抵 抗 外 载 的 能 力 称 为 套 管 强 度 w 套 管 所 能 承 受 的 最 大 外 挤 压 力 称 为 套 管 的 抗 挤 强度 w 套 管 所 能 承 受 的 最 大 内 压 力 称 为 套 管 的 抗 内 压 强度 w 套 管 所 能 承 受 的 最 大 轴 向 拉 力 称 为 套 管 的 抗 拉 强度 。 因 为 在 轴 向 拉 力 的 作 用 下 ， 套 管 的 破 坏 一 般 是 发 生 在 套 管 本 体 与 接 箍 的 螺 纹 连 接 处 ， 因 此 套管 的 抗 拉 强 度 又 常 称 为 连 接 强 度 或 接 头 拉 伸 强 度 。 二 、 套 管 强 度 套 管 强 度 系 列 ：二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 2） 轴 向 拉 力 作 用 下 套 管 的 失 效 形 式原 因 ： 轴 向 载 荷 过 大 失 效 形 式 :(1)丝 扣 （ 接 箍 ） 滑 脱(2)丝 扣 断 裂(3)管 体 断 裂(4)氢 脆 二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 2） 轴 向 拉 力 作 用 下 套 管 的 失 效 形 式w丝 扣 （ 接 箍 ） 滑 脱 对 圆 扣 套 管 是 常 见 的失 效 形 式 。 二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 2） 轴 向 拉 力 作 用 下 套 管 的 失 效 形 式w 丝 扣 断 裂条 件 ：拉 力 大 于 丝 扣 连 接 强 度 ， 小 于 本 体 强 度 。位 置 ：丝 扣 最 后 一 个 啮 合 螺 纹 处 （ 扣 根 ）（ 直 径 最 小 ）二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 2） 轴 向 拉 力 作 用 下 套 管 的 失 效 形 式w管 体 断 裂条 件 ：拉 力 小 于 丝 扣 连 接 强 度 ， 大 于 本 体 强度 。 二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 3） 套 管 抗 拉 强 度 的 选 用抗 拉 强 度 min丝 扣 部 分 抗 拉 强 度 ， 管 体 抗拉 强 度 （ 1） 圆 螺 纹 套 管丝 扣 抗 拉 强 度 =min抗 滑 脱 强 度 ， 丝 扣 拉 断 强度 （ 2） 梯 形 扣 和 直 连 型 套 管以 丝 扣 或 管 体 抗 拉 强 度 为 标 准二 、 套 管 强 度 丝 扣 抗 拉 强 度 的 计 算目 的 ： 根 据 材 料 的 强 度 计 算 出 丝 扣 抗 拉 强 度抗 滑 脱 强 度丝 扣 拉 断 强 度 二 、 套 管 强 度 2、 套 管 强 度（ 4） 轴 向 拉 力 作 用 下 套 管 的 抗 挤 强 度 w API所 公 布 的 套 管 强 度 数 据 是 套 管 受 相 应 的 单 一 外载 作 用 时 的 强 度 ， 如 抗 挤 强 度 是 套 管 仅 受 外 挤 压力 作 用 时 套 管 所 能 承 受 的 最 大 外 挤 压 力 值 ；w 套 管 柱 在 井 下 一 般 是 处 于 复 合 外 载 作 用 状 态 （ 两种 及 两 种 以 上 外 载 同 时 作 用 状 态 ） 。 在 复 合 外 载作 用 下 ， 套 管 的 强 度 要 发 生 变 化 ， 有 时 套 管 的 强度 增 加 ， 有 时 套 管 的 强 度 降 低 。二 、 套 管 强 度 在 外 压 力 与 轴 向 力 或 内 压 力 与 轴 向 力 作 用 下 ， 管 柱内 的 应 力 状 态 为 三 向 应 力 状 态 ， 三 个 主 应 力 分 别 为轴 向 应 力 、 周 向 应 力 和 径 向 应 力 ：二 、 套 管 强 度 由 于 套 管 为 薄 壁 或 中 厚 壁 管 ， 在 这 三 个 应 力 中 ， r 0 0 拉 伸 内 压 z， t 0 压 缩 内 压 z， t 0 0 Pid对 比 抗 挤 设 计 结 果 与 抗 内 压 设 计 结 果 ， 在 各 井 段 内 选 择强 度 高 的 套 管 ； 将 套 管 柱 抗 挤 强 度 设 计 与 抗 内 压 强 度 设计 综 合 结 果 列 表 。 三 、 套 管 柱 强 度 设 计w 技 术 套 管 柱 设 计 一 般 步 骤 ：4） 进 行 套 管 柱 抗 拉 强 度w根 据 抗 挤 设 计 和 抗 内 压 设 计 的 综 合 结 果 ， 计 算 套 管 柱的 设 计 拉 力 ， 即w将 套 管 的 抗 拉 强 度 与 设 计 拉 力 进 行 比 较 ， 对 抗 拉 强 度不 满 足 要 求 的 井 段 的 套 管 进 行 更 换 ， 以 满 足 抗 拉 强 度的 要 求 ， 即 （ Tt接 头 拉 伸 强 度 ） 三 、 套 管 柱 强 度 设 计w 技 术 套 管 柱 设 计 一 般 步 骤 ：4） 进 行 套 管 柱 抗 拉 强 度w需 要 注 意 的 是 ， 如 果 因 抗 拉 强 度 不 够 而 更 换 套 管 时 更换 了 套 管 的 壁 厚 ， 则 套 管 柱 的 拉 力 要 重 新 计 算 ， 再 按新 计 算 的 拉 力 校 核 抗 拉 强 度 。 如 果 这 样 更 换 的 套 管 是在 套 管 柱 的 中 部 或 下 部 ， 还 要 重 新 校 核 一 下 套 管 柱 的抗 挤 强 度 ， 因 为 由 于 拉 力 的 变 化 会 导 致 轴 向 拉 力 下 套管 抗 挤 强 度 的 变 化 。w水 泥 面 之 上 进 行 双 轴 应 力 校 核 5） 将 套 管 柱 强 度 设 计 结 果 列 表 。 三 、 套 管 柱 设 计 方 法 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w 某 井 177.8mm套 管 ， 下 入 深 度 3500m, 井 内钻 井 液 密 度 1.30g/cm3,水 泥 返 至 井 深 2800m。抗 挤 安 全 系 数 为 1.125,抗 拉 安 全 系 数 为 1.8(不考 虑 浮 力 影 响 )， 井 口 抗 内 压 安 全 系 数 为 1.1.w 解 （ 1） 按 抗 挤 强 度 设 计 第 一 段 套 管按 全 掏 空 计 算 井 底 地 外 挤 压 力Pb=0.0098*1.3*3500=45.5(MPa) 第 一 段 套 管 应 具 有 的 抗 挤 强 度 为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 挤 强 度 为 60.46MPa 实 际 抗 挤 安 全 系 数 为 ：Sc1=60.46/51.19=1.181 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w （ 2） 第 一 段 套 管 得 顶 截 面 位 置 取 决 于 第 二段 套 管 得 可 下 深 度 ， 第 二 段 套 管 选 用 抗 挤强 度 低 低 一 级 的 套 管 ， 可 选 N-80,壁 厚10.36mm套 管 ， 其 抗 挤 强 度 为 49.35MPa,抗 拉 强 度 Tt=2708kN,Ts=3066kN,重 量 为431.5N/m.第 二 段 套 管 的 可 下 深 度 为 ：实 取 第 二 段 套 管 的 深 度 为 3300m,则 第 一 段 套 管的 段 长 为 w L1=3500-3300=200m )(3374125.1*30.1*0098.0 35.492 mH 3500m3300m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )（ 3） 校 核 第 一 段 套 管 的 抗 拉 系 数 （ 上 端 面 ） 和第 二 段 套 管 的 抗 挤 系 数 （ 下 端 面 ）w 第 一 段 套 管 的 重 量 为 476kN/m， 抗 拉 强 度 为 3048kN,浮 力 系 数 为 ：Bf=1-1.3/7.8=0.833第 一 段 套 管 的 浮 重 为 ：T1=200*0.476=95.24kN (空 气 中 的 重 量 )T1=200*0.476*0.833=79.33kN (钻 井 液 中 的 重 量 )第 一 段 套 管 的 抗 拉 系 数St1=3048/95.24=32 (安 全 )第 二 段 套 管 的 抗 挤 系 数 Sc1=49.35/(0.0098*1.30*3300)=1.15 (安 全 ) 3500m3300m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w 第 二 段 套 管 的 顶 截 面 取 决 于 第 三 段 套管 的 可 下 深 度 ， 第 三 段 套 管 选 N-80,壁厚 9.10套 管 (386.9N/m,抗 拉 强 度2354kN,Ts=2740kN)， 抗 挤 强 度 为38.03MPa.,按 抗 挤 计 算 第 三 段 套 管 的可 下 深 度 ：H3=38.03/(0.0098*1.3*1.125) =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 挤 强 度 下 降 ， 因 此 要 减小 第 三 段 套 管 的 下 入 深 度 ， （ 如 果 不 减 小 ，抗 挤 强 度 不 够 ） w 水 泥 面 处 套 管 柱 的 轴 向 力 为w T1+T2=79.33+500*0.4315*0.833=259kN 3500m3300m水 泥 面 2800m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w 校 核 水 泥 面 的 抗 挤 强 度 3500m3300m水 泥 面 2800m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )计 算 第 三 段 套 管 的 可 下 深 度 （ 采 用 双 轴应 力 设 计 ）w 找 到 一 个 井 深 ， 使 第 三 段 套 管 的 下 截 面 在 拉力 作 用 下 ， 其 抗 挤 安 全 系 数 接 近 1.125w 假 设 第 三 段 套 管 下 至 2300 m,则 第 二 段 套 管 的段 长 为 L2=1000mw 第 二 段 套 管 在 空 气 中 的 重 量 ： T2=1000*0.4315=431.5kNw 第 二 段 套 管 在 钻 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 虑 双 轴 应 力 后 第 三 段 套 管 的 抗 挤 强 度 为 Pcc3=Pc3*K=34.67MPaw 第 三 段 套 管 的 抗 挤 安 全 系 数 为 Sc3=34.67/(0.0098*1.3*2300)=1.159 ( 安 全 ) 3500m3300m水 泥 面 2800m2300m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w 校 核 第 二 段 套 管 顶 截 面 的 抗 拉 安 全 系数 （ Tt2=2708kN）St2=Tt2/(T1+T2) =2708/(95.24+431.5) =5.14 (安 全 )校 核 第 三 段 套 管 顶 部 （ 井 口 ） 的 抗 拉 强度 w因 为 T3=2354kN,W3=386.9N/mwST3=2354/(T1+T2+T3)=1.66w井 口 抗 拉 系 数 小 于 1.8,抗 拉 强 度 不 符 合 要 求 。 3500m3300m水 泥 面 2800m2300m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )w (4) 按 抗 拉 设 计 确 定 第 三 段 套 管 的 许用 长 度实 际 取 L3=2000mwT3=2000*0.3869=774kNw第 三 段 套 管 顶 截 面 的 安 全 系 数 为 ：wSt3=2354/(95.24+431.5+774)=1.81 3500m3300m水 泥 面 2800m2300m)(2019)5.43124.95(8.123543869.0 11 11 mTSPqL in nTjiii 2000m 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 (油 层 套 管 )第 四 段 套 管 选 用 N-80,壁 厚 10。36mm， 长 度 为 300m,井 口 的 抗 拉 安 全 系 数 为 ：ST4=2708/(T1+T2+T3+T4) =2708/(95+431.5+779+129) =1.89w (5) 校 核 井 口 内 压wSi=Pi/ps=57.36/ps=1.56 3500m3300m水 泥 面 2800m2300m300m w以 上 介 绍 了 套 管 柱 外 载 分 析 与 计 算 、 套 管 柱 强 度设 计 的 基 本 原 理 和 方 法 ， 同 时 以 技 术 套 管 为 例 介 绍了 套 管 柱 强 度 设 计 的 步 骤 ， 并 给 出 了 设 计 例 子 。w在 现 场 的 套 管 柱 设 计 中 ， 还 会 遇 到 一 些 特 殊 的 问题 ： 如 在 腐 蚀 性 环 境 中 要 考 虑 井 内 流 体 对 套 管 的 腐 蚀 问 题 ，如 硫 化 氢 气 体 、 酸 性 气 体 （ 如 二 氧 化 碳 ） 、 腐 蚀 性 地层 水 中 的 碳 酸 根 和 碳 酸 氢 根 等 对 套 管 的 腐 蚀 问 题 ， 这时 除 强 度 考 虑 外 ， 在 套 管 材 质 上 还 应 选 用 具 有 抗 腐 蚀能 力 的 套 管 。三 、 套 管 柱 强 度 设 计 又 如 对 高 压 气 井 ， 为 防 止 气 体 在 螺 纹 连 接 处 泄 露 ， 应选 用 密 封 性 能 良 好 的 特 殊 螺 纹 套 管 。如 果 管 外 存 在 有 易 流 动 地 层 （ 如 塑 性 盐 层 ） ， 则 在 该地 层 附 近 的 外 压 力 要 按 上 覆 岩 层 压 力 计 算 ， 或 根 据 岩石 蠕 变 理 论 计 算 岩 石 蠕 变 所 产 生 的 挤 压 力 。更 为 严 重 的 是 ， 塑 性 蠕 变 地 层 对 套 管 所 产 生 的 挤 压 力在 周 向 上 往 往 是 非 均 布 的 ， 而 套 管 抵 抗 非 均 布 外 压 力的 能 力 很 低 。 已 有 许 多 理 论 （ 包 括 实 验 ） 来 计 算 这 种非 均 布 载 荷 和 在 这 种 非 均 布 载 荷 下 套 管 的 承 压 能 力 。 三 、 套 管 柱 强 度 设 计 三 、 套 管 柱 设 计 方 法 三 、 套 管 柱 设 计 方 法