第2章 套管柱设计与固井

（一）套管轴向力
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
1、抗拉安全系数
丝扣：n j = 1.6～1.8 ，短期强拉时不能低于1.3； 管体：ns = 1.3～1.5 。
塑性大的地层(如岩盐、泥膏岩、膨胀性页岩)会发生“塑性流动”，使处于 该井段的套管承受很高的外挤压力，其上限可达到上覆岩层压力的值，即可 达22.65千帕／米的压力梯度，个别的还要高一些。并且外挤压力有可能不是 各向均匀作用而使套管发生弯曲。另外，在断层、破碎带和有残余地应力的 井段，以及疏松的储油层大量出砂后都可能挤坏套管。这些井段的套管外挤 力应按上覆岩层压力考虑。在注水泥施工方面也应有相应的措施。
长圆扣的丝扣薄弱，梯形扣则可能管体薄弱。
2、抗内压安全系数
ni = 1.0～1.33
3、抗挤安全系数 nc = 1.0～1.125 ，水泥面以下可取0.85。 在特殊条件下，如地层含腐蚀性流体（硫化氢、有机
硫、二氧化碳等）的井只考虑强度问题是不够的：
¾对于含硫井，可选用抗硫套管。设计含硫油气井的套管柱应尽可能减 少拉应力，因为应力越高钢材抗硫性越差，并且高强度的套管抗硫性 差。 ¾对于其它类型的腐蚀，可采用防腐剂、阴极保护、套管防腐涂层等措 施。
H
圆扣套管的丝扣抗滑扣力通常比本体的屈服拉力要小，故常用丝扣连接强度
作为套管抗拉强度；其余扣型套管需比较丝扣连接强度和本体屈服强度，取二
者中较小者作为套管抗拉强度。
具体参数可查阅《钻井手册（甲方）》1990年版或者《钻井工程技术手册》
2005年版。
2、抗内压强度：
内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效。
（3）注水泥引起的附加拉力
Fc
=
(ρm
−
ρd
)gh ⋅
πd
2 cin
4
F
（4）其它附加拉力
铅直
套管
上提或下放套管时的动载、井壁摩擦力等，一般在安 柱轴
全系数中考虑。
力示
意图
2、“自由套管”的轴力变化
H
“自由套管”是指环空没有注水泥的套管段。该段套管实际上是顶部被固定
在井口，下部被水泥固住。
在套管的长期工作中，由于内外压力和温度的改变，该段套管轴力要改 变。求这个改变的轴力时，先设想解除一端约束让其伸长(由内外压力和温度 改变引起的部分)，其后设想作用一个力让它恢复原状，就是套管轴力的改变 量。套管初轴力以水泥凝固时为准，因为注水泥的段有时可能不长或水泥可 能漏失，所以一般就取套管处于泥浆中的轴力。
第三象限：轴向压缩 与外挤联合作用，压缩 使外挤强度增强。
第四象限：轴向拉伸 与外挤联合作用，拉伸 使外挤强度降低。
通过力学推导，可得到考虑轴向拉力影响时的抗外挤强度公式：
pcc = pc ⋅ K
式中：
其中：K =
1−
3 4
⎜⎜⎝⎛
F ps
⎟⎟⎠⎞2
−
1 2
F ps
Pc为无轴向拉力时套管的外挤强度，MPa，可由手册查出；
内外压力改变引起的伸长： 式中:
Δl j
=
− 2μl j
EAj
(ΔPi Ai
− ΔPD AD )
△lj——第j段套管的伸长，米；
μ——波桑系数，0.3；
lj——第j段套管的长度，米； E——钢材弹性模量，帕；
Aj——第j段套管的截面积，米； Ai——套管内面积，平方米；Ao——套管外径对应的面积，平方米； ΔPi ——套管内压力的平均增量，帕；先求出段顶和段底的内压力增量，然后 取平均而得。
3、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，Q125。（数字为套管钢材的最小屈服强度，单位为 kpsi，千磅/平方英寸）。 1 kpsi=6.8948 MPa 其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。
ΔP o ——套管外压力的平均增量，帕。先求出段顶和段底的外压力增量，然后 取平均而得。
温度改变引起的伸长：
ΔlT = α ΔT L
式中：
ΔlT ——温度改变引起的伸长，米；
α ——钢材热胀系数，米／米·℃；α = 12.42 ×10−6 米 / 米⋅DC
L ——“自由套管”长度，米；
ΔT ——井口和水泥面温度增量的平均值，℃
第2章 套管柱设计与固井
¾第一节 套管柱强度设计 ¾第二节 油井水泥和注水泥（略） ¾第三节 生产套管的损坏与防护
第一节 套管柱强度设计
一、套管柱受力分析
套管柱在井内所受外载复杂。在不同时期（下套管过程中、注水泥时、后 期开采等过程中）套管柱的受力也不同。 在分析和设计中主要考虑基本载荷：轴向拉力、外挤压力及内压力。 套管柱设计时按最危险情况考虑。
假设套管受到均匀的浮力作用，一段套管造成的轴力F等于该段套管在泥浆中 的重力(俗称“浮重”)：
W f = K f qgl
式中： Wf——一段套管在泥浆中的重力，牛；q——套管单位长度重量，千
克／米；l——套管段长，米；
Kf——泥浆浮力系数； K f = 1− ρd ——钻井液密度，g/cm3；
ρd ρs
此时套管所受最大内压力，是发生在套管鞋处地层被压裂的时候。这时
套管内压分布为：
p = p e−1.115×10−4 ( H f −H )d
i
f
p = p e−1.115×10−4 ( H f −H )d
i
f
式中：
pf p
pi——套管任意深度的内压力，帕； pf——套管鞋处地层破裂压力，帕； Hf——套管鞋深度，米； H——套管任意深度，米；
4、连接螺纹的类型：
API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL）
5、套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管
柱。特殊情况下也使用无接箍套管柱。
（二）套管的强度
F
铅直
1、抗拉强度：
套管 柱轴
套管所受轴向拉力一般在井口最大。
力示
意图
由拉应力引起的破坏形式：本体被拉断、丝扣滑扣。
二、套管的规范和强度
（一）套管的规范
1、套管：
优质无缝钢管。两端均为公扣，直接车在管体上；一端接带母扣的套管 接箍。
2、套管的尺寸系列：
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。小直径的套管壁厚小一些，大直径的套管壁 厚大一些。 另外有非标准的钢级和壁厚。
ρs——套管钢材密度，g/cm3 ,一般取为7.85 g/cm3 。
（2）套管弯曲引起的附加拉力
BL = 61.1DAK
式中：D——套管直径，厘米； A——套管横截面积，平方厘米； K——井眼曲率，度／30米； BL——弯曲载荷，牛。
在定向井、水平井以及狗腿度严重的直井中设计套管柱时，应考虑弯曲引起 的附加拉力。
近似处理 实际分布
d——天然气相对密度，即标准状态下(1大气压，20℃)
同体积天然气重量与空气重量之比，甲烷为0.554。 Hf
为了应用方便，常将上式的曲线处理成直线，如右图。 H
套管内充满天然气时 内压力分布示意图
（2）井口设备能力受限时的内压力分布：
当井口设备能力受限时，井口内压力只能控制在设备允许压力之内。井涌后压
σz
经过力学理论分析发现：轴向拉力与外挤压力联合作用下，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。
双向应力椭圆
第一象限：轴向拉伸 与内压联合作用，拉伸 使内压强度增强。
第二象限：轴向压缩 与内压联合作用，压缩 使内压强度降低。