深井水平井套管强度设计应用探索

深井水平井套管强度设计应用探索
曲永林
靳盛（天津市大港油田石油工程研究院邮编３００２８０）
摘要：随着技术的不断完善和更新，水平井是目前世界范畴
内使用的最为广泛的采油井眼之一，是提高油田开发综合性最有效的途径。

但是，水平井的发展也面临着很多的问题，因此，本文将主要探索深井水平井套管强度设计应用，并对其所受到的强度影响进行分析。

关键词：深井水平井套管；强度设计；探索
应用水平井能够提高有限的勘探和开发效益，能够改变石油企业的经营状况，但是，随着井不断的打深，其地势也越复杂，所以，对于水平井的套管强度也增加了一定的难度，对管柱的设计
也有了更高的要求［１］。

当前，我国很多油田套管破坏的层度相当的严重，给我国经济效益带来了巨大的影响和损失。

所以，在套管设计上要着重考虑，从而避免在套管下入后，套管遭到损坏，导致经济效益下降。

水平井的井眼越复杂，油气井的管套的负载量也将随着变得复杂，套管在水平井的下入问题，是水平井固井的一大难题。

套管在下入井眼倾斜路段之后，就会紧挨着井筒下面的井壁，在套管进入水平段之后，就会平躺在下井壁上，这样不仅减少了套管的重力推动效果，还让地层对管套的摩阻增大；与此同时，弯曲的井筒会迫使套管沿着井眼的轨道弯曲，让套管受到附加弯矩的作用，套管下入困难时由于套管刚度和井筒的弯曲所导致的，因此套管设计还应该考虑不同层度的摩阻影响以及附加轴向力等众多的因素。

一、套管的摩阻分析和计算
建立水平井套管柱刚杆力学计算模型，主要是通过对套管柱的轴向力以及摩阻进行计算，从而来达到预测大钩的负载力和套管下入的深度。

水平井的井眼是一条没有规则的三维空间的曲线，井斜角和方位角都是随着井眼曲线的变化而变化，因此，水平井也会跟随者井身进行弯曲。

由于井眼的轨迹变化是比较复杂的，所以，不仅对井眼的曲线应该适当的进行规划，而且还要对模型进行适当的假设。

最基本的假设包括套管柱与井壁连续接触，套管柱轴线与井眼轴线保持一致，井壁为刚性，则计算单元体为空间斜平面上的一段圆弧，钻井液为宾汉姆流体等。

再对其进行具体的分析，要给该段曲线进行必要的简化。

油气井建井的重要环节在于套管柱的设计和固井，井中套管柱的设计和固井质量的好坏，对井的钻井起到了一定的影响，还对生产和采集能力以及寿命也有一定的影响。

水平井中，套管的小爱如问题是水平井，完井的重点和难点［２］。

二、套管外载力的计算
对套管的受力的正确分析，是套管柱强度设计的重要前提。

套管受力的分析师套管柱强度设计的重要基础之一。

套管柱在钻井和下入以及固井等不同地层的受力情况与其对应的工艺都是比较复杂的，因此，要对其负载量进行正确的分析，特别是对套管在井下，所承受的最危险地段的载荷分析，套管虽然外载情况复杂，受力大小和方向不确定，但是就其对套管的作用，这样才能够保证套管的抗挤和抗裂以及抗拉能力，才能够满足安全钻进与生产的需要。

虽然套管的外载情况比较复杂，其受力的大小与方向也不明确，但是套管的作用包括：内压力和外挤压力以及套管的载荷分析等，在井下的条件是比较复杂的，因此，要考虑各种对套管受力因素的影响，要正确的选择套管组合，从而减小套管破
坏的现象出现，从而保证井眼的有效性［３］。

例如：在水泥地方上，外挤压力对钻井液业主压力的计算可利用公式：
p c =0.00987ρm H ，
其中Ｈ是垂直的深度，ρm 是钻井液的密度。

三、影响套管强度的原因
传统的套管设计中，忽略了套管的制造、套管在不同工况条件下强度的影响。

因此，要通过查找相关的手册来计算套管的强度。

套管在境地的复杂受力情况来看，套管自身强度在受到不同层度影响之后，其强度是有所下降的，因此，在对套管进行设计的时候，一定要正确的计算出套管的强度，加强对套管强度的分析。

1.制造因素对套管强度的影响
套管在生产过程中会出现套管圆度不够、壁厚不均匀以及残余的应力等，在生产过程中，出现磨损、高温、非均匀地应力以及
弯曲等作用力，都会对套管强度带来一定的影响，从而降低套管
强度。

如果套管的圆度不够以及壁厚不均匀，那么根据弹塑性力学理论来研究，其问题可以是平面应变问题，从广义上来说就是平行于平面方向上的应变，在垂直于该面的方向上没有应变力学问题。

有研究表明，残余应压力会降低套管的强度。

如果套管内壁参与拉应力比较小时，在均与的外压力在，套管就会从内到外开始屈服，当套管表面的残余应压力较大时，套管酒水从外到里开始屈服。

因此，抗挤强度，p cd 其中，ｘ＝
0.127e _0.0039ε-0.44(σr /y p )+h n ，p e =2E /[(1-v 2)(D /t )((D /t )-1)2]，
p y =2Y p *(t /D )*[1+t /(2D )]，
ｅ是表示不圆度，ε表示的是壁厚不均度，σr 表示的参与应力，Y p 表示的是棺材的屈服强度，h n 应力，应变曲线形状系数，Ｅ表示杨氏模量，ｖ表示泊松比，Ｄ表示管材的外径，ｔ表示管材的壁厚。

2.外部因素对套管强度的影响套管在入井之后，由于其非均匀地一公里作用而受到非均匀外载的作用，因此在对其进行研究的时候可以假设套管无限长，不考虑套管制造的缺陷，其次，还可以假设套管外壁受到两个相互的垂直外挤力，并且套管的壁面的外载力是从大到小沿壁面环形均匀的变化。

根据公式和实验得出外部罂粟对套管强度的影响，如图１所示。

图1外部因素对套管强度的影响关系
3.套管磨损
套管磨损在比较轻的情况下，套管在钻井过程中不会出现失效的情况，但是磨损会降低套管的强度，给安全钻采以及长期采用造成了很大的威胁，当磨损情况严重时，套管的强度将会大幅度的下降，当超过套管的承受范围时，就会出现一系列的问题，例如：套管破裂失效、井控困难以及井漏等情况的出现。

结束语
随着技术的不断完善和更新，水平井是目前世界范畴内使用的最为广泛的井口之一，是提高油田开发的综合性最强的手段。

面对目前所存在的问题，应该积极的采取防护措施，加强套管的强度设计，并且利用公式计算出在各种应先下，套管所承受的强度。

参考文献：
[1]刘世奇.高温高压深井试气管柱受力分析[D].中国石油大学.2010，（02）：85-87.
[2]韩志勇.关于"套管柱三轴抗拉强度公式"的讨论[J].中国石油大学学报(自然科学
版)，2011，（04）：77-78.[3]黄根炉，陈忠帅，马庆涛.等.弯曲井眼中套管抗挤强度的计算[J].石油机械，2011，（04）：38-40.。