【文章內(nèi)容簡介】 、后期開采等）、不同地層和地質(zhì)條件下套管柱受力也不同。 ? 鹽巖層對套管柱的壓力梯度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； ? 在易坍塌油層生產(chǎn)的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不同 ? 長期生產(chǎn)實踐證明，影響套管柱的基本載荷主要有以下幾種： ①軸向載荷；②外擠壓力；③內(nèi)壓力。 其它載荷如套管彎曲載荷、振動載荷等都考慮至安全系數(shù)中 52 ?自重引起的拉力 Fm， 在井口最大 qmi — 第 I 種套管在鉆井液中單位長度的重力， N/m 。 Li — 第 I 種套管的長度， m ； n — 組成套管柱的套管種類（鋼級、厚度） 。 ?套管彎曲引起的附加拉力 Fbd， 在井斜狗腿較大 經(jīng)驗公式 ： KN Dco— 套管外徑， cm ； Ac — 套管截面積， cm2 ； θ— 每 25m 井斜角的變化， 0/ 25m 定向井、水平井及大狗腿直井中，應(yīng)考慮彎曲附加拉力。 3311( 1 ) 1 0 1 0nndm i i m i iii sF q L q L K N?? ????? ? ? ? ??? c o cF D A??第二節(jié) 套管柱設(shè)計 軸向載荷及套管抗拉強度 53 ?注水泥引起的附加拉力 Fc KN ?其它附加拉力 ? 上提或下放套管的動載、井壁摩擦力等； ? 一般在安全系數(shù)中考慮。 ?套管的抗拉強度 ? 套管所受軸向拉力一般在井口最大 ? 拉應(yīng)力破壞形式： 脫扣、本體拉斷 ? 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉強度 h — 管內(nèi)水泥漿高 ， m； ρm— 水泥漿密度， g/cm3； ρd— 鉆井液密度， g/cm3； dci — 套管內(nèi)徑， cm。 cidmc dhF 241000)( ??? ???第二節(jié) 套管柱設(shè)計 54 外擠載荷及套管抗外擠強度 （ 1）外擠壓力 — 主要載荷： ? 一般情況下按套管內(nèi)部全掏空時管外壓力計算： MPa ? 高塑性巖石，按上覆巖層壓力計算，梯度 23～ 27kPa/m。 81oc dpD ??管外液柱壓力 地層中流體壓力 高塑性巖石側(cè)向擠壓力 地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力等 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 55 套管內(nèi)全掏空 載荷 井深 套管內(nèi)載荷 套管外載荷 載荷 井深 有效外載荷 套管內(nèi)液面 載荷 井深 井身結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 56 外擠載荷及套管抗外擠強度 （ 2）套管抗擠強度： 指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。 ? 外擠作用下破壞形式： ? 根據(jù)現(xiàn)有套管尺寸，絕大部分是失穩(wěn)破壞，其 抗擠強度 可 在鉆井手冊或套管手冊中查得。 — 徑厚比大時，失穩(wěn)破壞 (失圓、擠扁 ) — 徑厚比小時，強度破壞 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 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)，套管損壞嚴重者油氣井報廢。 57 （ 3）有軸向載荷時的套管抗擠強度（雙向應(yīng)力） 套管內(nèi)微小單元，外載作用下產(chǎn)生三向應(yīng)力 由第四強度理論： 對于薄壁管， 可忽略，變?yōu)殡p向應(yīng)力問題。 變換為橢圓方程： 按拉為正、壓為負，橢圓形方程。 , zrt ???rrt ??? ,??222 stztz ????? ???1222???????????????????stzstsz???????橢圓圖上 , 百分比為縱坐標 , 百分比為橫坐標 . st ?? / sz ?? /])()()[(21 222 rzztrts ??????? ??????第二節(jié) 套管柱設(shè)計 58 軸向受壓 抗內(nèi)壓強度降低 軸向拉力 抗內(nèi)壓強度增加 軸向受壓 抗擠強度增加 軸向拉力 抗擠強度降低 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 59 由強度條件的雙向應(yīng)力橢圓可以看出 : ? 第一象限 : 軸向拉伸與內(nèi)壓聯(lián)合作用 軸向拉力 抗內(nèi)壓強度增加 . ? 第二象限 : 軸向壓縮與內(nèi)壓聯(lián)合作用 軸向受壓 抗內(nèi)壓強度降低 . ? 第三象限 : 軸向壓縮與外擠聯(lián)合作用 軸向受壓 抗外擠強度增加 . ? 第四象限 : 軸向拉伸與外擠聯(lián)合作用 軸向拉力 抗外擠強度降低 （需考慮） 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 60 考慮軸向拉力影響時的抗外擠強度公式 PCC的推導 : 如圖 : tdp ccct 2???由雙向應(yīng)力橢圓方程，當 σZ =0時 , 22 st ?? ?根據(jù)上式則有 : tdp ccs 2??由上 2式代入雙向應(yīng)力橢圓方程，簡化得 ( 1 . 0 3 0 . 7 4 )mc c csFppF? ? ? Fm— 軸向拉力， KN； Fs— 管體屈服強度， KN； ， MPa 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 61 62 考慮管外平衡壓力，一般井口內(nèi)壓最大?？紤]三種最危險情況： ? 套管內(nèi)完全充滿天然氣并關(guān)井時的內(nèi)壓力； ? 以井口裝置承壓能力作為套管在井口所受的內(nèi)壓力； ? 以套管鞋處的地層破裂壓力值確定井口內(nèi)壓力。 實際設(shè)計時，通常按套管內(nèi)完全充滿天然氣時計算。 41 . 1 1 5 5 1 0gasi GDppe??? — 井底氣壓， Mpa G — 天然氣與空氣密度比 , gasp)( ffi GGDp ???ffGG?— 套管鞋處破裂壓力梯度， Mpa/m ； — 附加系數(shù)，取 Mpa/m 。 內(nèi)壓載荷及套管抗內(nèi)壓強度 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 套管內(nèi)全掏空 載荷 井深 載荷 井深 套管內(nèi)壓載荷 套管外載荷 載荷 井深 有效內(nèi)壓載荷 套管內(nèi)液面 井身結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 套管內(nèi)部分掏空 載荷 井深 載荷 井深 套管內(nèi)壓載荷 套管外載荷 載荷 井深 有效內(nèi)壓載荷 套管內(nèi)液面 井底 井身結(jié)構(gòu) 65 （ 2）套管抗內(nèi)壓強度 ? 內(nèi)壓載荷下的主要破壞形式：爆裂、絲扣密封失效 ? 抗內(nèi)壓強度可由鉆井手冊或套管手冊查得 （ 3）套管的腐蝕 ? 原因： 在地下與腐蝕性流體接觸 ? 破壞形式： 管體的有效厚度減小，套管承載力降低，鋼材性質(zhì)變化 ? 引起套管腐蝕的 主要介質(zhì) 有：氣體或液體中的硫化氫、溶解氧、二氧化碳 ? 抗硫套管： API套管系列中的 H K J C L級套管。 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 66 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 67 三、套管柱強度設(shè)計 目的： 確定合理套管 鋼級 、 壁厚 以及每種套管 井深區(qū)間 。 設(shè)計原則 ? 滿足強度要求，在任何危險截面上都應(yīng)滿足下式： 套管強度 ≥ 外載 安全系數(shù) ? 應(yīng)滿足鉆井作業(yè)、油氣開發(fā)和產(chǎn)層改造需要 ? 承受外載時應(yīng)有一定儲備能力 ? 經(jīng)濟性要好，多選擇 2～ 3種鋼級、 2～ 3種壁厚，不能過多 ? 安全系數(shù) — 抗外擠安全系數(shù) Sc= — 抗內(nèi)壓安全系數(shù) Si= — 套管抗拉強度（抗滑扣）安全系數(shù) St= 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 68 常用套管柱設(shè)計方法 （ 1）等安全系數(shù)法 各危險截面最小安全系數(shù)等于或大于規(guī)定的安全系數(shù)。 下部抗擠設(shè)計，水泥面上按雙向應(yīng)力；上部滿足抗拉和抗內(nèi)壓 （ 2）邊界載荷法（拉力余量法） 在抗拉設(shè)計時，套管柱上下考慮同一個拉力余量。 （ 3）另最大載荷法、 AMOCO法、西德 BEB法及前蘇聯(lián)方法等。 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 69 各層套管柱的設(shè)計特點 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： 主要考慮內(nèi)壓設(shè)計 。（井噴關(guān)井時情況最為嚴重） 表套 特點：下入的深度較深；隔離和封隔各種復雜地層；在井噴時承受較大內(nèi)壓；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） 技套 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)） 油套 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 70 （ 1）基本設(shè)計思路（自下而上） ? 計算可能出現(xiàn)最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓強度套管 ? 下部套管段按抗擠設(shè)計，上部按抗拉設(shè)計，各危險斷面最小安全系數(shù)要大于或等于規(guī)定值。 通式： 套管強度 ≥ 外載 安全系數(shù) ? 水泥面以上套管抗擠強度考慮雙向應(yīng)力影響 ? 軸向拉力通常按套管在空氣中的重力計算； 當考慮雙向應(yīng)力時，按浮重計算。 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 套管柱設(shè)計的等安全系數(shù)法 71 （ 2）設(shè)計步驟： 例題： 某井 mm （ 7 ”）油層套管下至 3500 m，下套管時鉆井液密度為 ，水泥返至 2800 m ，預(yù)計井內(nèi)最大內(nèi)壓力 35 MPa，試設(shè)計該套管柱 （規(guī)定最小段長 500 m ） . 解： 安全系數(shù) ： Sc= , Si = , St = 。 ? 計算最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓要求的套管 抗內(nèi)壓強度 查手冊 篩選套管鋼級： C75 , L80 , N80 , C90 ,C95 , P110 將鋼級按成本排序： N80 C75 L80 C90 C95 P110 m a x S M Pa? ? ?3/cmg第二節(jié) 套管柱設(shè)計 72 ?按抗擠設(shè)計下部套管段，水泥面以上雙向應(yīng)力校核 （ 1） 計算最大外擠力， 選擇第一段套管 查表： m a x10 . 0 0 9 8 1 4 4 . 6 3 6= 4 4 . 6 3 6 1 . 0 = 4 4 . 6 3 6o c dc o c cp D M P ap p S M P a???? ? ?1111180 , 10 .36 , 23 4 / ,48 .40 ,30 07 , 26 11 .1cs stN t mmq K N mp MPaF K N F K N?????第二節(jié) 套管柱設(shè)計 73 （ 2） 選擇第二段套管； 選低一級套管，第一段抗拉強度校核 查表： 第二段套管可下深度 D2，第一段套管長度 L1 2222280 , 9 , 795 / ,37. 301 ,268 , 230 cs s tN t m m q KN mp M P aF KN F KN? ? ????221 1 22925 981350 0 290 0 600cdcpDmSL D D m???? ? ? ? ?取 D2 = 2900 m 第二節(jié) 套管柱設(shè)計 74 ? 雙向應(yīng)力強度校核，最終確定 D2 和 L1