第5讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——套管柱载荷分析

本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。 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 扣的连接强度。 值得注意的是，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 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
（1）外挤载荷种类
质量（或名义重量），指定是套管单位长度的质量（或重量）。
API套管规范及强度(5寸套管)
1、基本概念
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 的非API标准套管，包括：
深井的超高强度套管；
酸性环境用套管； 高抗挤毁套管； 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
标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2） ◆ 只有屈服强度
s 105 psi 对H2S提敏感的，但对CO2则影响很小，
API套管规范及强度(5寸套管)
可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。
1、基本概念
（3）套管的壁厚 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
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
（1）轴向载荷种类
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 全。 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 管材强度性能，此时往往不能简单的 给予忽略。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
（2）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API标准圆扣 套管：扣为V型，扣根与扣尖为圆孤形。 从API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，
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 例正逐年提高。
1、基本概念
2、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 箍联接组成的。
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。
套管螺纹都是锥形螺纹，在API规范中分为五大类。前四类属API 标 准，第五类系非API标准。
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
（1）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。教材 P258 式7—7
拉力 ①本身自重产生的轴向 API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
应力 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 ②套管弯曲引起的附加 ③注水泥引起的附加应 力 是在靠近扣处易形成裂缝损坏，故应给予考虑。 教材P259 式7—10 摩擦力 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 ④其它附加拉力 碰后时产生的力 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7—11 温度变化引起的力 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。 浮力出于安全, 一般设计中是不予考虑
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 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 又经济”原则。
目前一般使用符合美国API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。 ◆ 国内主要有: 天钢、宝钢、成钢；
◆ 国外主要有：日本、德国、美国、施特佳；
J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、 P110和Q125，前6种类型为抗硫的，其余
为非抗硫的。
1、基本概念
API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P192
1、基本概念
值得注意的是： ◆ API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi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API
等于管内的减去管外的地层流体压力 套管内有效内压载荷——：
井口有效内压载荷：
井底有效内压载荷：
PB P p gh io
在实际的计算时，一般是按套管全部掏空的情况考虑的。
式中：PB——井底压力，MPa；Pio——井口压力，MPa； ρd——钻井液密度，g/cm3；ρp——地层流体密度，g/cm3；
来自百度文库 2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
周向载荷 内压强度
Z s
无轴向载荷时：套管的抗外 挤（内压）强度不受影响（表现 为圆形）。
压 缩
拉 伸
轴向载荷
t s
有轴向载荷时：套管的抗外 挤（内压）强度受轴向外载荷影响 （表现为椭圆形） 。
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
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
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80％。 在有腐蚀流体的环境，因API 接箍的“干扰值”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。
2、套管的联接
● 非API 标准的特殊螺纹制造和设计具有以下特点：
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。
套管径厚比d / δ（外径/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。
图3-8-2-3 套管 截面的挤毁
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API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（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、 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。
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
（2）套管的钢级 用钢级表示。 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，
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。 API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： H40、
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 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
原有的压力，那么
3、内压载荷及套管的抗内压强度
（2）套管抗内压强度
3、内压载荷及套管的抗内压强度
计 算
实
例
4、套管的（腐蚀）损坏
H 2 S 氢脆 化学的腐蚀损坏 CO2 盐物质 NaC1 盐层的流动导致变形 地层力断层区间的非均匀力 断层的滑移 物理损坏 摩擦力如定向井中 流体的动静力 施加的外力 注水诱发力 人为的损坏
3、内压载荷及套管的抗内压强度
套管内全掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
井 深 套管内载荷
井 深 套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
3、内压载荷及套管的抗内压强度
套管内部分掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
套管内液面
井 深
井 深
井 深
井底
套管内载荷
套管外载荷
有效载荷
3、内压载荷及套管的抗内压强度
生产套管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
第三节 套管柱设计
一、套管的类型及其性能
1、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。 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套管尺寸、钢级和壁厚。
（API SPEC
5A：C75、C95、P110的套管只能用无缝管制造）
1、基本概念
（1）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，实际上套管尺寸已经标准化了。
（a）圆螺纹连接
（b）梯形螺纹连接
（c）直连型螺纹连接
2、套管的联接
● API 标准螺纹的优点：
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。 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69MPa 及149℃。
可以重复上扣使用。
● API 标准螺纹的缺点：
（假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）

管 外 泥 浆 柱 产 生 的 静力 ； 压 地 层 流 体 产 生 的 静 压； 力 易 流 动 的 岩 石 挤 压 力盐 岩 层 、 膏 岩 等 ） ； （ 地质构造力的影响
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。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
计 算
实
例
3、内压载荷及套管的抗内压强度
（1）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）
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（ 注水、压裂）时的压力。 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 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。
针对以上对抗外挤强度形式
的分析，API提出了四种计算套
管挤压公式：弹性挤压、塑性过 渡挤压、塑性挤压和屈服挤压。
其中
2、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
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。
σs套管的屈服强度
标准双轴应力椭 圆公式
类数 1 2 API标准 标准 名称 短圆螺纹 长圆螺纹 符号或代号 STC/ CSG/ C1 LTC/ LCSG/ C2
3 4
5 非API标准
梯形螺纹 直连形螺纹
特殊螺纹
BTC/ BCSG/ C33 XL/ XCSG/ CHX
/
2、套管的联接
API
螺 纹 连 接 示 意 图
（a） （b） （c）
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
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 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
3、内压载荷及套管的抗内压强度
井底的压力：
PB Pio d gh
Pio ' Pio
等于零
第二章 套管柱及注水泥设计
第一节 井身结构设计 第二节 生产套管尺寸的确定 第三节 套管柱强度设计 第四节 注水泥技术
第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
第三节 套管柱强度设计
一、套管的类型及其性能 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 四、套管柱强度设计
第三节 套管柱设计
不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。 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)。 联接处(或接箍)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
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
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。 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 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 本载荷主要有以下几种： ①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
井 深 套管内载荷
井 深 套管外载荷
井 深
套管内液面 有效载荷
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API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 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 坏。 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 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 管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明，