第5讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——套管柱载荷分析
第2章 套管柱设计与固井
如果套管柱在水泥凝固前轴向拉伸强度是足够的，有水泥环的套管在水泥凝固 后就不会出现因轴向拉伸引起的破坏。但无水泥环的套管实际上是上下被固 定，当温度和内、外压力改变时就会引起轴力的改变。
1、水泥凝固前的轴力
自重产生的拉力、弯曲产生的附加拉力、注水泥时产生的附加力、动载、摩阻等。
（1）自重引起的拉力
力过大时只能放压，井内液、气分布复杂。其内压力分布作这样的处理：在井
口处取设备允许压力，套管鞋处取地层破裂压力，两者之间呈线性关系。任意
深度的内压力：
pi
=
p gp
+
p f − pgp Hf
⋅H
式中：pgp——井口设备允许内压力，帕。
2、油层套管的内压力
（1）油管带封隔器时：
典型的完井方法如右图所示，油层套管与油管之间 充满完井液。受内压力最严重的情况是生产初期， 气通过油管丝扣进入油管与油层套管的环空，在环 空封闭的条件下(套管闸门常闭)，气泡运移到井口 仍保持产层压力。内压力分布：
以套管内全掏空计算。
①单纯抗挤可下深度
进行套管抗外挤强度设计时，应该考虑套管内压力的平衡效果，以有效 外挤压力来设计。不过这时的内压力应取可能出现的最小值。技术套管应以 固井后钻进中严重漏失来考虑，可能出现套管内全掏空或部分套管掏空。油 层套管在生产末期地层压力枯竭，套管内全掏空。
表层套管只有在下得很深时才考虑抗挤问题，做法与技术套管相同。
¾套管柱设计：抗挤、抗拉、抗内压设计。 ¾“自由套管”：双向应力设计，有时须考虑内外压力和温度改变引起的附 加拉力。 ¾等安全系数法：设计套管柱一项强度时要使各段受力最严重的部位安 全系数相等，并以其它各项强度满足要求为前提。
（一）安全系数的选取
套管及套管柱汇总
形成窜槽的原因：
• 套管不居中； • 井眼不规则；
• 水泥浆性能及顶替措施不当。
– 接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。
（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜
引起油气水上窜的原因： ①水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力 逐渐减小的现象。 ②桥堵引起失重，从而引起油气水上窜； ③水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。 ④套管内原来有压力，放压后使套管收缩。 ⑤泥饼的存在，影响地层——水泥间（第二界面）的胶结。
第三节
2、油井水泥的主要成分
油井水泥
油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和 少量铁矿石。
1）水泥熟料主要成分
（1）硅酸三钙3CaO· SiO2（简称C3S）
• 水泥的主要成份，一般的含量为 40％～65％。 • 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 • 高早期强度水泥中含量可达60％～65％，缓凝水泥中含量在40 ％～45％。 （2）硅酸二钙2CaO· SiO2（简称C2S）， • 含量一般在24％～30％之间；
第二节
一、套管规范
套管及套管柱
套管：优质无缝钢管。一端为公扣，直接车在管体上；一端为带
母扣的套管接箍。
套管的尺寸系列：
图
单根套管示意图
1——接箍
2——套管本体
API标准套管：4 1/2“，5”，5 1/2“，6 5/8”，7“， 7 5/8”， 8 5/8“， 9 5/8"，10 3/4"，11 3/4"，13 3/8"，16"，18 5/8"，20"；共14种。 壁厚：5.21～16.13 mm。 套管的钢级 API标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95， P-110，Q-125。（数字×1000为套管的最小屈服强度 kpsi）。 连接螺纹的类型 API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型 （XL）
第6讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法
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由套管性能表查得N－80、壁厚11.51mm套管，其抗挤强度为: 泥
σD1 =60.5MPa。
返 高
因此，实际安全系数为:
SD1
D1
Pco1
60.46 45.5
1.33
D1=3500
4.6.设计举例
3）确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度。
由于外挤压力愈往上愈小, 根据既安全又经济的原则, 第
②N-80、10.36mm 水
泥
D2=3300
返
高①
D1=3500
4.6.设计举例
4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。
显然第三段套管底部由于承受其下部套管
可下深的度重:量, 其抗挤强度必定下降, 下入深度就
不可能达到2600m, 否则其底部安全系数必 ＜1.125。
由于第二段比第三段强度大, 应将第二段套 管长度增长, 即减少第三段的下入深度, 提 高其底部的抗挤系数, 以补偿双向应力的影 响。
③
D3=2300
2800
第二章 套管柱及注水泥设计
第1节 井身结构设计 第2节 生产套管尺寸的确定 第3节 套管柱强度设计 第4节 注水泥技术 第5节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
第3节 套管柱强度设计
1. 套管、套管柱 2. 套管柱的载荷分析及套管强度 3. 定向井套管柱载荷计算 4. 套管柱强度设计
4.套管柱强度设计
特殊情况考虑；
API规定的安全系S数i : 1.10 ~ 1.33，一般取1.10 Sc 1.00 ~ 1.25，一般取1.00 St 1.60 ~ 2.00，一般取1.80
4.5.具体的设计步骤
Step3 计算内压载荷, 筛选符合内压强度的套管； 内压载荷由套管内外的流体综合产生。内压最大的情况一般出现在井 涌关井和特殊作业（压裂、…、注水）时, 内压的计算中间套管与生 产套管是不同的。 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； 生产套管的计算方法在按补充方法进行。
套管柱及其强度设计
Step2 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； 计算公式精确性↑，安全系数↓： 对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情 况考虑； API规定的安全系数：
◆ 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 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，
可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。
• 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
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。
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。
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 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度， 用钢级表示。
□ 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。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
套管设计1
第三象限是轴向压缩与外挤压力的联 合作用 ，从图上可知轴向压力能 提高套 管抗外挤强度 ，在套管柱设计中不考虑
更为安全。
第四象限是拉伸与外挤的联合作用，
从曲线可看出，轴向拉力的存在使套管 的抗挤强度降低，因此在套管柱设计中 应考虑进去。在API常规套管柱设计中一 般都考虑这一影响。
3、套管抗内压强度
套管抗破裂能力和抗挤强度一样，取决于套管横截面的几何形状、材料强度和所承受载 荷的状况。套管在内压力下的破坏是属于强度破坏。 抗内压强度计算公式是在把套管视为两端开口薄壁圆筒、筒内受到均匀分布压力作用的 假设条件下导出的。由材料力学可知两端开口薄壁圆筒受均匀内压pi时，周向应力σψ为
范围内线性化双向应力计算法误差小于2%。另外，为了简化σDc的计算，可使计算式 写为 K′称为双向应力外挤压力系数，其值随套管轴向拉力与管体屈服强度的比值而变化， 可查有关数据表
σDc=K′σD
套管挤毁压力随轴向负荷增加的变化曲线
（图中未明确画出弹、塑性抗挤强度曲 线）。纵坐标为挤毁压力，横坐标为给 定某种钢级套管的径厚比。曲线0没有轴 向负荷，随曲线序号增加，轴向拉力增 加，曲线4的轴向拉力最大。虚线Ⅰ为一 种给定的套管截面下轴各负荷为零时呈 现塑性挤毁，但随着轴向负荷增大到某 一定值时，失效模式（形式）变成极限 强度挤毁（即屈服强度挤毁，把原初始 图3-8-2-5 有轴向负荷时的挤毁曲线 屈服强度换成极限强度为条件得出）。 虚线Ⅱ示出初始挤毁模式（曲线0没有轴向负荷）是弹性的。注意，将挤毁压 力保持在最初的弹性挤毁值，使套管的轴向负荷增加到曲线1，此时挤毁负荷 （即抗挤强度）没有因轴向负荷而减小。从这一点开始，随着轴向负荷的增加， 挤毁负荷将减小，失效模式通过塑性挤毁和极限强度挤毁区。 从图3-8-2-5和上述分析可知，套管的抗挤强度和破坏形式，不仅与钢材性能和 断面几何形状有关，而且也与受力状况有关。
套管及套管柱ppt课件
②阻止钻井液进入套管内，减轻套管柱的重量。
类型：浮箍、差压充满浮箍及带挡圈的浮箍 3.套管扶正器
作用：扶正套管，提高固井质量。
4.磁性定位套管 5.联顶节 作用：用来在下套管后到固井作业结束之前，悬挂套管柱的套管短节。 联顶节方入：联顶节在转盘面以下的长度，它要保证四通、防喷器等 装置安装的拆卸的要求。
2018/11/24
第三节
2、油井水泥的主要成分
油井水泥
油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和 少量铁矿石。
1）水泥熟料主要成分
（1）硅酸三钙3CaO· SiO2（简称C3S）
• 水泥的主要成份，一般的含量为 40％～65％。 • 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 • 高早期强度水泥中含量可达60％～65％，缓凝水泥中含量在40 ％～45％。 （2）硅酸二钙2CaO· SiO2（简称C2S）， • 含量一般在24％～30％之间；
• 第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。 在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。
• 第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。
轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。 由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当 考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。 2018/11/24
第二节
2.套管的破坏
1）拉伸破坏 (1)丝扣（接箍）滑脱
σ
z
σ t >>σ r , σ r 可以忽略。变为双向应
力问题。 由第四强度理论： σ
z 2
+σ
t
2
-σ zσ t =σ
s
2
σ
r
变换为椭圆方程：
σ
t
《——套管柱载荷分析》课件
3
塌陷和坍塌
解释套管柱因地层塌陷或高压坍塌而导致的失效机制，并提供应对策略。
套管柱安全评估
基于强度的评估
介绍利用套管柱强度参数进行 安全评估的方法和步骤。
基于可靠性的评估
探讨利用可靠性理论进行套管 柱安全评估的原理和应用。
懒人方法
分享一种简化的套管柱安全评 估方法，便于工程师在快节奏 工作中使用。
2
及其对工程的影响。
使用计算方法对案例中的套管柱进行承
载能力分析和评估。
3
套管柱安全评估方法比较
比较不同安全评估方法在案例中的应用， 从而确定最佳评估方法。
结论和展望
1 问题总结
总结套管柱载荷分析中的关键问题和需要注意的要点。
2 研究展望
提出未来套管柱载荷分析的研究方向和发展趋势。
参考文献
相关论文
《套管柱载荷分析》PPT 课件
本课程将介绍套管柱载荷分析的重要性和方法，以及套管柱的承载能力、失 效机理、安全评估和优化设计。通过案例分析和结论展望，掌握套管柱载荷 分析的关键知识。
概述
定义套管柱载荷
解释套管柱承受的力和负荷，以及其对井下操作的影响。
分类和来源
分类不同类型的套管柱载荷，并探讨其来源，如重力、压力和地震等。
列出与套管柱载荷分析相关的重要论文和研究成果。
标准规范
提供与套管柱设计和安全评估相关的国际和行业标准指南。
套管柱承载能力
1 常见的计算方法
2 应注意的问题
介绍套管柱承载能力的计算方法，如公式法、 有限元法和经验方法。
指出在计算套管柱承载能力时需要注意的问 题和常见的误区。
套管柱失效机理
1
腐蚀和磨损
探讨套管柱因腐蚀和磨损而导致的失效机理，并提供防护措施。
中海油固井学习班概要教学资料
三、套管柱设计方法
c. 计算出不同井深下套管所需的各种强度， 从现有套管中选择出满足这些要求的套管；
三、套管柱设计方法
d. 对所选套管进行校核和调整
三、套管柱设计方法
3. 等安全系数设计法
3.1 设计原则
要求所设计的各段套管的最小安全系数 应等于规定的安全系数值。
安全系数＝套管强度/计算外载ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三、套管柱设计方法
三、套管柱设计方法
工程上对选择套管的有关限制：
在要求抗腐蚀的条件下，应先选用抗硫套管或 高一钢级的套管； 套管段数和种类的数量不应太多，一般应小于4 －5段； 井口一根套管应为全井最大壁厚； 对复杂井要计算井口的瞬时最大载荷。
三、套管柱设计方法
2. 选择步骤
a.确定套管在井下可能遇到的最大外载情况 ；
二、套管外载分析与套管强度计算
径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等压力
二、套管外载分析与套管强度计算
2、动载
特点：瞬时地、单一地作用在套管上。
起下钻时速度变化产生的动载 阻、卡套管时提拉动载 摩擦动载 碰压动载 密度差产生的附加拉力
二、套管外载分析与套管强度计算
作用在套管上的主要载荷应是：
外载×安全系数 套管强度
第1部分 套管柱设计
二、套管外载分析与套管强度计算
（一）、载荷分类与特点
1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
二、套管外载分析与套管强度计算
轴向拉力：自重、浮力
W
二、套管外载分析与套管强度计算
径向外挤压力： 管外液柱压力 地层挤压 环空加压
a. 计算公式
第3讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具.
![第3讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具.](https://img.taocdn.com/s3/m/33bb9f1210661ed9ad51f3bf.png)
关键曲线）；
② 确定待钻井的井身结构各设计系数； ③ 确定生产套管的下入深度； ④ 确定中间套管或尾管的下入深度； ⑤ 确定表层套管的下入深度；
⑥ 确定各层套管的尺寸和套管外水泥的
返深及相应的钻头尺寸。
设计顺序： 由下向上、由内向外进行逐层设计
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
地层Q 350ຫໍສະໝຸດ 井身结构◆设计顺序： 由下向上、由内向外。
N2d 940
生产套管→技术套管→表层套管
N1t 1940
N1s 2245
◆
设计关键：中间套管设计
E2-3a 2950
E1-2z 3570
K2d 3600 （未穿）
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
确定套管下入深度的依据，是在钻下部井段的过
第五节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
第一节 井身结构设计
一、套管的类型（套管的层次） 二、井身结构设计的原则
三、依据两条压力曲线进行设计
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法 五、套管尺寸和井眼尺寸的选择 六、水泥返深设计 七、现场井身结构设计方法 参考文献：SY/T5431-1996 井身结构设计
三、依据两条压力曲线进行设计
（一）井身结构设计内容
◆ ◆
套管层次和下入深度； 井眼尺寸(钻头尺寸)与套 管尺寸的配合。
井身结构设计是“钻井工程设计” 的基础。它不仅关系到钻井技术经 济指标和钻井工作的成效，也关系
到生产层的保护和产能的维持。
技术套管
油层尾管
三、依据两条压力曲线进行设计
（二）井身结构设计的步骤 ① 绘制待钻井的压力梯度曲线图(两条
关于_套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具体设计
![关于_套管柱及注水泥设计]——井身结构设计--具体设计](https://img.taocdn.com/s3/m/85b6de140912a216147929f9.png)
p 0.00981( m fw ) Dmin
（ 3）
（二）中间套管设计
当有可能发生压差卡钻时，用下式重新计算中间套管下入深度：
pper
pN fw Sb 0.00981 Dmin
抽汲压力系数
深度为Dmin处对应的地层压力当量密度 在压差允许值下最大地层压力当量密度
1 940 N
1s
2 245 E
2-3a
决定表套是否被压破取决于钻进D1 ～D2井段时井
内最大压力（或最大当量泥浆密度）; D2 ～D3井段对表套套管鞋薄弱地层有没有影响？
D2
2
950
E
1-2z
或者说对表套的下入深度有没有影响？
3
570 K
D3
四、依据两条压力曲线进行井身结构设计的具体方法
（一）设计基本原理
（二）中间套管设计
（2）发生溢流（井涌）时
假设当钻至最大地层压力点对应深度（ Dpmax ）处时，发生一个大小为 S k 的溢流，此时需要停泵并关闭防喷器。若假设套管下深为D2x，同时考虑到地 层破裂压力评价误差，容易导出此时地层设计破裂压力当量密度ρff :
ff pmax Sb S f Dpmax D2 x Sk
●
分两种情况计算ρff ：
（1）正常作业（不会发生井涌）时 （2）发生溢流（井涌）时
（二）中间套管设计
（1）正常作业时（不会发生井涌时）：
ff pmax Sb Sg S f
激动压力系数 抽汲压力系数 破裂压力安全增值
图中（裸眼段）最大地层压力对应的当量密度值
地层设计破裂压力当量密度
实例分析
解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度 为2.04g/cm3，位于4250m。
深水工况下套管柱载荷分析
深水工况下套管柱载荷分析钱锋;高德利;蒋世全【摘要】Comparing to common offshore drilling and onshore drilling, deepwater drilling is more dangerous and expensive.It is imperative to develop a better easing design method, which can avoid or reduce down-hole accident caused by improper design.Since the scarce consideration of deepwater drilling features in SY/T 5724-2008 casing string strength design method, it is of great importance to research on a competent casing design methodology for deepwater drilling. In this paper the most dangerous operating conditions in deepwater drilling is considered, and burst, collapse and axial loads are analyzed and calculated. An example is given to show that the primary design method does not meet the need of deepwater casing design, and deepwater drilling conditions have a crucial influence on casing selection. This research achievement has also provided references to the design and application of the onshore and shallow water well casing strength design.%深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况.目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足.考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析.分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提.该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】4页(P16-19)【关键词】深水套管;管柱设计;载荷;强度【作者】钱锋;高德利;蒋世全【作者单位】中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;中海石油研究中心,北京,100027【正文语种】中文【中图分类】TE249套管柱强度设计包括套管柱内压、外挤、拉伸以及三者共同作用下的强度设计，其目的是在最经济的条件下，保证油井使用的整个期间，作用在套管上的最大应力在允许的安全范围内。
套管受力分析
6.1引言套管在井下一般都承受非均匀水平外挤压力，同时套管本身又有壁厚不均 度、椭圆度、制造残余应力等缺陷。
本文首先讨论壁厚不均椭圆套管抗均匀载 荷强度，然后研究等壁厚圆形套管抗非均匀载荷强度，最后给出若干计算实例 并从中得出结论，为研究套管的挤毁问题提供初步的理论依据。
6.2壁厚不均椭圆套管的抗均匀载荷强度壁厚不均度是指最大壁厚与最小壁厚之差除以平均壁厚，即2t maxtmint maxtmin不圆度是指套管长轴与短轴之差除以平均直径，即美国石油学会（API ）应用统计回归方法建立了一套计算套管抗挤强度的 经验公式。
它不考虑不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响，而是在大量 套管挤毁试验数据的基础上，应用统计回归方法求出适用于不同径厚比公式的 系数A 、B 、C 和F 、G 。
当前美国以及许多产油国家是以 API 规范作为套管的 抗挤强度计算标准的。
1994年10月，公布了 API BULL. 5C3第六版。
前后对 照，计算公式只有个别变化。
API 的套管抗挤强度计算公式已经处于相对稳定 状态，但是，研究工作并未停止。
石油工业中使用的套管一般是是合金无缝钢管。
一般情况下，它同时存在 着不圆度和壁厚不均两种原始缺陷。
关于套管的尺寸精度对套管抗挤强度的降 低问题，国外有很多大公司在进行研究而且得出了可喜的成果。
证明了套管的 不圆度、壁厚不均度对抗挤强度的影响是相当可观的。
油田一般不检查套管不 圆度、壁厚不均度，因此具体在每口井上，每个损坏点的结构尺寸影响到底多 大是不可能搞清楚的。
但是，不圆度、壁厚不均度对套管抗挤强度的影响是不 容忽视的。
最早（1930年）考虑这一问题的是布尔卡柯夫（By 孔raKOB ） ，他 得出了变壁厚椭圆套管抗挤强度的计算公式。
这就是布尔卡柯夫公式：套管受力分析2 D maxD min DmaxD min(6— 1) 式中：1933年，铁木辛哥(Timoshenko )从另外的途径也得到了与前者类似的公式：(6—2)上式又叫rMHM 公式(苏联国家石油研究所)，在四十年代曾作为套管抗 挤强度的计算公式。
套管及套管柱
•API标准：从开始混拌到水泥浆稠度达到 100 BC（水泥稠度单位）所 用的时间。
•API标准中规定在初始的 15～30 min时间内，稠化值应当小于 30 BC。 好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50 BC以内。
第三节
③水泥浆的失水 一般用30分钟的失水量表示。 ④水泥浆的稠化时间 • • 从液态转变为固态的时间。
L i---- 第I种套管的长度，m；
n —— 组成套管柱的套管种类（钢级、壁厚）。 2）外挤压力 •主要载荷：管外液柱的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石（盐膏层、 泥岩层）的侧向挤压力等。 •常规情况下按套管全淘空时的管外压力计算：
p oc 9 . 81 m H
•有大段盐膏层的特殊情况下，有时将上式中的钻井液密度替换为上覆岩层 压力的当量密度进行计算。
套管柱附件由下到而上一般顺序：引鞋、回压阀、扶正器、泥饼刷、 联顶节。
第三节
• • • • • • • •
油井水泥
一、油井水泥的分类和水化作用 1.API水泥的分类
A级：深度范围 0～1828.8 m，温度76.7℃。 B级：深度范围 0～1828.8 m，属中热水泥，温度至 76.7℃，有中抗硫和 高抗硫两种。 C级：深度范围0～1828.8 m，温度至 76.7℃，高早期强度水泥，分普通、 中抗硫及高抗硫三种。 D级：深度范围1828.8～3050 m，温度76～127℃，用于中温、中压条件， 分为中抗硫及高抗硫两种。 E级：深度范围 3050～4270 m，温度76～143℃，用于高温、高压条件， 分为中抗硫及高抗硫两种。 F级：深度范围为 3050～4880 m，温度 110～160℃，用于超高温和超高 压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。 G级及H级：深度范围为 0～2440 m，温度0～93℃，分为中抗硫及高抗硫 两种。 J级：深度范围为 3660～4880 m，温度49～160。
内外液压作用下套管柱屈曲载荷的级数解
内外液压作用下套管柱屈曲载荷的级数解近年来，液压作用下套管柱的屈曲力学问题一直是工程技术领域关注的焦点。
由于液压作用非常复杂，传统的数学模型难以有效表述液压力的变化，因此，迄今为止，一些关于液压作用下套管柱屈曲载荷的研究仍未解决。
本文旨在解决这一问题，通过综合运用有限元和级数解理论，构建出关于液压作用下套管柱屈曲载荷的数学模型。
首先，本文的研究根据《土力学》的原理，对液压作用下套管柱的屈曲载荷进行了理论分析，确定其完全屈曲 formula表达式。
基于该表达式，研究小组结合级数解理论，采用地址将其简化为一系列相对简单的函数，从而将液压作用下套管柱屈曲载荷问题转化为一个多元非线性方程组问题。
其次，研究小组采用有限元法，将液压作用下套管柱屈曲载荷的多项式系数和非线性方程组转化为有限元形式的有限元系统，然后采用数值计算方法，求解这一有限元系统，得到液压作用下套管柱屈曲载荷的精准解。
最后，为了验证已求出的结果，研究小组建立了相应的实验装置，在实际液压作用下套管柱的载荷实验中，在精确计算液压作用后，实验结果与数学模型相符，证明了本文所构建的液压作用下套管柱屈曲载荷的数学模型的准确性。
总之，本文构建了一个解决液压作用下套管柱屈曲载荷的数学模型，通过联合级数解理论和有限元法，将液压作用下套管柱屈曲载荷问题转化为可以求解的多项式形式，并已经成功地在实际液压作用下
套管柱的载荷实验中得出了精确的数学解，从而为工程应用提供了有效的参考依据。
由此可见，通过综合利用有限元和级数解理论，液压作用下套管柱屈曲载荷的研究仍有一定的价值。
未来，研究人员将继续深入探索液压的力学行为，提出更具可靠性和适用性的液压模型，为相关研究和应用提供更多的理论支持。
套管强校核
一、套管外载分析与计算
考虑浮力后的轴向力分布 (台阶力法)
T
H
第28页/共81页
一、套管外载分析与计算
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
• 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 第29页/共81页
• 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、
第24页/共81页
一、套管外载分析与计算
轴向拉力：
自重 浮力
W
第25页/共81页
一、套管外载分析与计算
3.轴向拉力
• 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； k
Tk qi Li
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”, 85/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”....
套管尺寸的选择
第32页/共81页
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。
第33页/共81页
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
• 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
套管强度校核
3.轴向拉一力、套管外载分析与计算
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。
对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力
的计算式为
Pib 0
（0≤H≤HL）
P ib0 .00n 9 (H 8 H L) （HL＜H≤HB）
精选课件
14
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力
（3）有效外压力
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
Poe0.009 m8 H
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，则其受载情况精与选课表件 层套管类似，即为全掏空10。
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力 （1）外压力
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
T q/1 L0 0T f0
精选课件
28
一、套管外载分析与计算
考虑浮力后的轴向力分布
(台阶力法)
T
精选课件
H
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一、套管外载分析与计算
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
很显然，套管柱自重精选所课件产生的轴向拉力的分 30
4.弯曲附加一拉、力套管外载分析与计算
如: N-80---->80*1000Psi
套管设计的力学基础
第二节套管设计的力学基础一、套管设计的力学基础1.压力法定计量单位规定，压力是作用在每平方米面积上以N(牛顿)为单位的力，国际单位为MPa，英制单位为psi。
横截面积为1m2时的lm高的液柱，作用在底部的压力数值上等于体积为1m3液体的重力。
2.静水压力由均质流体作用于一点处的压力。
静水压力是一种全方位的力，各个方向大小均匀一致。
静水压力增大，会使受力物体的体积缩小，但不会改变其形状。
某点的静水压力等于作用玉该点以上无附加压力液柱重量。
如钻井液密度为×103k g/m3，重力加速度为s2，则在3000米井深位置的静水压力为p=×103×3000×10=(2-1-1)3.静水压力梯度某点的静水压力梯度等于此点的静水压力除以深度，也等于液柱密度乘以重力加速度，单位为MPa/m，常用g/cm3表示，数值等于钻井液密度。
某井，在3000米处压力为，钻井液密度为×103k g/m3，则静水压力梯度为静水压力梯度=3000=m=cm34.浮力浮力是由套管钢材所排开的液体体积产生的力。
该力作用在套管底部，方向向上。
一般情况下，浮力在数值上等于套管底部的静水压力乘以套管的横截面积,按下式计算（单位kN）。
浮力=-10γc L A s(3-2-1)式中γc一一压力梯度，g/cm3；L一一套管深度，m；A s一一管体横截面积，m2。
例：深度为1000m的(7in)，平均重为m的套管柱，在密度为cm3的钻井液中的浮力是多少？浮力=-10×钻井液密度×1000××10-4=在井内充满钻井液的套管柱，钻井液浮力作用在套管下部，产生向上的压应力。
作用在套管柱上的轴向拉力随套管长度增加，在井口轴向拉力最大。
如套管在空气中，则浮力为零，底部轴向应力也为零。
上述情况的轴向应力分布如图3-2-1所示。
浮力随套管深度而变化，在顶部的最大轴向载荷等于套管浮重，下套管时轴向应力计算是以浮重为基础的(见图3-3。
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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。
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，
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，
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。
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
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
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
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
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）
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
（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：
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。
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
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。
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： H4பைடு நூலகம்、
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；
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
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。