【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(duì)套管柱的壓力梯度要按上覆巖石的壓力梯度計(jì)算； ? 在酸化壓裂時(shí)承受的內(nèi)壓力與正常采油時(shí)的壓力就不同； ? 在易坍塌油層生產(chǎn)的前、中、后期對(duì)套管柱的外擠壓力也不同 ? 長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)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(dòng)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(zhǎng)度的重力， N/m 。 Li — 第 I 種套管的長(zhǎng)度， m ； n — 組成套管柱的套管種類（鋼級(jí)、厚度） 。 ?套管彎曲引起的附加拉力 Fbd， 在井斜狗腿較大 經(jīng)驗(yàn)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(jì) 軸向載荷及套管抗拉強(qiáng)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(dòng)載、井壁摩擦力等； ? 一般在安全系數(shù)中考慮。 ?套管的抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(jì) 54 外擠載荷及套管抗外擠強(qiáng)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(shí)管外壓力計(jì)算： MPa ? 高塑性巖石，按上覆巖層壓力計(jì)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(jì) 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(jì) 56 外擠載荷及套管抗外擠強(qiáng)度 （ 2）套管抗擠強(qiáng)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(qiáng)度 可 在鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)中查得。 — 徑厚比大時(shí)，失穩(wěn)破壞 (失圓、擠扁 ) — 徑厚比小時(shí)，強(qiáng)度破壞 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 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(guò)，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套管損壞嚴(yán)重者油氣井報(bào)廢。 57 （ 3）有軸向載荷時(shí)的套管抗擠強(qiáng)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(qiáng)度理論： 對(duì)于薄壁管， 可忽略，變?yōu)殡p向應(yīng)力問(wèn)題。 變換為橢圓方程： 按拉為正、壓為負(fù)，橢圓形方程。 , zrt ???rrt ??? ,??222 stztz ????? ???1222???????????????????stzstsz???????橢圓圖上 , 百分比為縱坐標(biāo) , 百分比為橫坐標(biāo) . st ?? / sz ?? /])()()[(21 222 rzztrts ??????? ??????第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 58 軸向受壓 抗內(nèi)壓強(qiáng)度降低 軸向拉力 抗內(nèi)壓強(qiáng)度增加 軸向受壓 抗擠強(qiáng)度增加 軸向拉力 抗擠強(qiáng)度降低 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 59 由強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度降低 （需考慮） 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 60 考慮軸向拉力影響時(shí)的抗外擠強(qiáng)度公式 PCC的推導(dǎo) : 如圖 : tdp ccct 2???由雙向應(yīng)力橢圓方程，當(dāng) σZ =0時(shí) , 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(jiǎn)化得 ( 1 . 0 3 0 . 7 4 )mc c csFppF? ? ? Fm— 軸向拉力， KN； Fs— 管體屈服強(qiáng)度， KN； ， MPa 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 61 62 考慮管外平衡壓力，一般井口內(nèi)壓最大。考慮三種最危險(xiǎn)情況： ? 套管內(nèi)完全充滿天然氣并關(guān)井時(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通常按套管內(nèi)完全充滿天然氣時(shí)計(jì)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(qiáng)度 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 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(jì) 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(qiáng)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(qiáng)度可由鉆井手冊(cè)或套管手冊(cè)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(jí)套管。 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 66 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 67 三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 目的： 確定合理套管 鋼級(jí) 、 壁厚 以及每種套管 井深區(qū)間 。 設(shè)計(jì)原則 ? 滿足強(qiáng)度要求，在任何危險(xiǎn)截面上都應(yīng)滿足下式： 套管強(qiáng)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(shí)應(yīng)有一定儲(chǔ)備能力 ? 經(jīng)濟(jì)性要好，多選擇 2～ 3種鋼級(jí)、 2～ 3種壁厚，不能過(guò)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(qiáng)度（抗滑扣）安全系數(shù) St= 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 68 常用套管柱設(shè)計(jì)方法 （ 1）等安全系數(shù)法 各危險(xiǎn)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(jì)，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(jì)時(shí)，套管柱上下考慮同一個(gè)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(jì) 69 各層套管柱的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 特點(diǎn)：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(diǎn)： 主要考慮內(nèi)壓設(shè)計(jì) 。（井噴關(guān)井時(shí)情況最為嚴(yán)重） 表套 特點(diǎn)：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時(shí)承受較大內(nèi)壓；具有較強(qiáng)的耐磨性。 側(cè)重點(diǎn)： 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(diǎn)：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(diǎn)： 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(jì) 70 （ 1）基本設(shè)計(jì)思路（自下而上） ? 計(jì)算可能出現(xiàn)最大內(nèi)壓力，篩選符合抗內(nèi)壓強(qiáng)度套管 ? 下部套管段按抗擠設(shè)計(jì)，上部按抗拉設(shè)計(jì)，各危險(xiǎn)斷面最小安全系數(shù)要大于或等于規(guī)定值。 通式： 套管強(qiáng)度 ≥ 外載 安全系數(shù) ? 水泥面以上套管抗擠強(qiáng)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(jì)算； 當(dāng)考慮雙向應(yīng)力時(shí)，按浮重計(jì)算。 第二節(jié) 套管柱設(shè)計(jì) 套管柱設(shè)計(jì)的等安全系數(shù)法 71 （ 2）設(shè)計(jì)步驟： 例題： 某井 mm （ 7 ”）油層套管下至 3500 m，下套管時(shí)鉆井液密度為 ，水泥返至 2800 m ，預(yù)計(jì)井內(nèi)最大內(nèi)壓力 35 MPa，試設(shè)計(jì)該套管柱 （規(guī)定最小段長(zhǎng) 500 m ） . 解： 安全系數(shù) ： Sc= , Si = , St = 。 ? 計(jì)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(qiáng)度 查手冊(cè) 篩選套管鋼級(jí)： C75 , L80 , N80 , C90 ,C95 , P110 將鋼級(jí)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(jì) 72 ?按抗擠設(shè)計(jì)下部套管段，水泥面以上雙向應(yīng)力校核 （ 1） 計(jì)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(jì) 73 （ 2） 選擇第二段套管； 選低一級(jí)套管，第一段抗拉強(qiáng)度校核 查表： 第二段套管可下深度 D2，第一段套管長(zhǎng)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(jì) 74 ? 雙向應(yīng)力強(qiáng)度校核，最終確定 D2 和 L1