套管强度校核方法

❖ ①确定设计条件：安全系数、外载计算方式 ❖ ②求井底外挤力，选第一段套管 ❖ ③校核套管抗内压、抗拉能力 ❖ ④选第二段套管，计算其可下深度 ❖ ⑤计算第一段套管长度和有关安全系数 ❖ ⑥选第三段套管
❖ …… ❖ <当套管的抗拉安全系数不满足时，改为抗拉设计> ❖ 或<当抗挤强度设计套管柱超过水泥面或轴向力0点后>
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。
套管柱的主要功能 抗挤 抗拉 抗内压 密封
一、套管外载分析
作用在套管上的主要载荷应是：
轴向力：自重、浮力 外挤压力 内压力
套管类型 表层套管 技术套管 生产套管
抗挤设计安全系数 Sc
1.0～1.1
1.0～1.125
1.0～1.2
抗内压设计安全系 数Sb 1.1～1.2
1.1～1.33
1.1～1.4
抗拉设计安全系数 St
1.6～1.8
1.6～2.0
1.6～1.9
（a）
（b）
套管柱强度设计示意图
（c）
（a）抗挤设计 （b）抗拉设计 （c）复合套管柱 1——外载 2——设计外载 3——套管强度
❖ 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
（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）
❖ 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
❖ 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
（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, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90
❖ 如果是表层套管或是油层套管，或是需要按 全掏空考虑的技术套管，由于有效外压力的分布 与上不一样（井底最大；井口最小，为零），因 此套管柱的设计结果会不一样。即是说，由于套 管柱类型不同、地层情况不同、井的生产工艺不 同，套管柱的受力情况不一样，因此套管柱的设 计结果会不一样。由于受力情况不一样，还可采 用不同的设计步骤，以使设计更快捷。
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。
径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等增产措施时的 压力
❖ 有效内压力
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。
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。
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二、套管强度
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。
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。
❖ 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。
轴向拉力： 自重 浮力 弯曲附加拉力
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；
（1）套管尺寸（又叫名义外径或公称直径）
本体外径4-1/2, 5, 5-1/2, 6-5/8, 7, 7-5/8, 85/8, 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！
（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
❖ 技术套管柱设计一般步骤： 外载按以下条件计算：有效外压力按非全掏空情况，有效内 压力按井口内压力为套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许 用井口压力情况，轴向拉力计算考虑钻井液浮力。
掌握已知条件 进行套管柱设计所需的数据包括套管尺寸和下入深度、设计安全系数、 固井时钻井液密度、套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度、 地层盐水密度、下次钻进目的井深、下次钻进所用最高钻井液密度、 以及套管强度数据表。
❖
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
对于气井，井口也有内压力作用于套管。考虑气体自重 及其压缩性后，套管内任意深度处的内压力
❖ 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，或以其它方式考虑。
套管强度系列：
套管
外径1 外径2 …...
钢级 …...
壁厚 …...
扣型 …...
强度 …...
强度系列
三、套管柱强度设计
1、套管柱强度设计方法
❖ 目前套管柱强度设计中所采用的方法基本上均是安全系数法，即要求： 套管强度／外载≥设计安全系数
设计安全系数确定：与外载和强度相对应，也有三种：抗挤设计安 全系数、抗内压设计安全系数、抗拉设计安全系数。
❖ …… ❖ ⑦选套管，按套管抗拉强度计算其可下深度 ❖ ⑧ 抗内压安全系数校核
❖ 其它套管强度设计方法
边界载荷法 最大载荷法 AMOCO 西德BEB方法
谢谢！
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