套管强度设计

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南方海相探区重点钻井技术研究及软件开发------套管强度设计
第一节
套管柱外载分析与计算
套管柱从入井开始就受有各种外载的作用，而且，在以后的不同生产工序（或工作）情 况（简称工况）下其所受的外载大小是不一样的。为了使设计出的套管柱安全，必须对各种 可能出现的工况下的外载作用情况及外载大小进行分析， 找出最危险 （即外载最大） 的工况， 按最危险工况计算套管柱所受外载值，以此进行套管柱强度设计。 套管柱在井下的受力是复杂的， 但经过长期生产实践的分析和证明， 其所受的基本外载 可分为三种， 即作用在管柱外壁上的外挤压力、 作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内 方向与管柱轴线平行的轴向拉力。 一. 外挤压力 套管柱所受的外挤压力主要来自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。套管柱在受有外压力（外挤压力常简称为外压力）作用时，管内可能还作用 有内压力，该内压力要抵消一部分外压力（该内压力习惯上称为支撑内压力） ，因此实际对 套管起挤压作用的是减去该内压力后所剩余的外压力， 称为有效外压力。 对外挤压力分析计 算也就是要分析计算其有效外压力。有效外压力为：
Poe Po Pib
式中
（1）
Poe——有效外压力，MPa； Po——外压力，MPa； Pib——支撑内压力，MPa。 分析表明， 对于表层套管和技术套管， 如在下一井段钻进过程中发生井漏时有效外压力 将最大（这时管内压力很小） 。但是漏的情况还不一样，对于表层套管，因为其一般下得比 较浅， 很可能井漏后井内钻井液液面 （称为漏失面） 在表层套管以下 （这种情况称为全漏空， 又常称全掏空） ，这时就没有支撑内压力作用；对于技术套管，一般不会发生全漏空的情况， 因此技术套管的下部还有支撑内压力作用。同样是技术套管，在不同地区，井内漏失程度也 会有差别，因此有效外压力也会不一样。 而对于油层套管， 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， 则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空。 1．外压力 对于外压力的计算，很显然，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。对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥 环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准 确计算， 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压 力计算。 因此，套管柱的外压力计算式为：
H L H n (1
式中
sw ) n
（4）
HL ——漏失面深度，m； Hn——下次钻进目的井深，m； ρsw——地层盐水密度，g/cm3（取 1.07 g/cm3～1.17 g/cm3） ； ρn ——下次钻进时所用最高钻井液密度，g/cm3。 因此，对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力的计算式为：
Pob 0.0098 sw H
（15）
在上式支撑外压力计算中，从安全角度考虑，地层盐水密度可取低值。 3．有效内压力 由上所述，可得套管柱有效内压力的计算方法。对于表层套管和技术套管：
Pie Ps 0.0098( n sw ) H
对于油层套管； 油井：
（16）
Pie ( Pp 0.0098 o H B ) 0.0098( sw o ) H
（a） 图2 （a）表层或技术套管 1——内压力
（b） 有效内压力对比示意图 （b）油井油层套管 2——支撑外压力
（c） （c）气井油层套管 3——有效内压力
三. 轴向拉力 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。 在稍后的套管柱设计中将会看到， 一个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。 计算套管自重所产生的轴向拉力， 有考虑钻井液浮力与不考虑钻井液浮力两种方法。 当 不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；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。 对于某一段套管（设为第 k 段） ，当不考虑钻井液的浮力时，其顶端的轴向拉力为包括 其自身在内的下部各段套管的重力之和：
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套管强度设计
套管柱从入井开始起是否会破坏对于随后的钻进或是以后的油气生产都是至关重要 的。 套管柱在井下是否会破坏取决于作用在套管上的外载和套管本身强度的相对大小。 套管 柱所受的外载，从套管柱入井后是变化的，甚至套管本身的强度也要发生变化。套管柱强度 设计的任务就是要事先设计出强度足够的套管柱以保证能经受入井后各种外载的作用， 同时 在保证套管不破坏的前提下， 还应使所设计出的套管柱在成本上是最低的， 这就是通常所说 的套管柱设计的“既安全又经济”的原则。
Poe 0.0098 m H
对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为：
（7）
Poe 0.0098 m H Poe 0.0098[ n H L ( n m ) H ]
（0≤H≤HL） （HL＜H≤HB）
（8） （9）
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Pi ( Pp 0.0098 o H B ) 0.0098 o H
式中
（13）
Pp ——产层压力，MPa； ρo ——原油密度，g/cm3。 对于气井，井口也有内压力作用于套管。当考虑气体自重及其压缩性后，套管内任意深 度处的内压力为（式中令井深 H 为零即得井口内压力） ：
Pi Pp / e1.11510
图 1 是全掏空与非全掏空两种情况下的有效外挤压力对比示意图。
（a） 图1 1——外压力 （a）全掏空
（b） 有效外挤压力对比示意图 （b）非全掏空 3——有效外压力 2——支撑内压力
可见，全掏空与非全掏空两种不同的情况下，套管柱所受的有效外压力不一样。对于全 掏空情况，有效外压力是井底最大，井口最小（为零） ；对于非全掏空情况，有效外压力是 中间大，井口和井底小。显然，这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同。 二. 内压力 套管柱所受的内压力主要来自于钻井液、 地层流体 （油、 气、 水） 压力以及特殊作业 （如 压井、酸化压裂、挤水泥等）时所施加的压力。与外挤压力类似，对内压力也是分析计算危 险工况时的有效内压力。有效内压力为： Pie ＝ Pi － Pob （10） 式中 Pie——有效内压力，MPa； Pi——内压力，MPa； Pob——支撑外压力，MPa。 分析表明， 对于表层套管和技术套管， 如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井 时，套管柱所受的有效内压力最大。而对于油层套管，油井和气井的情况不一样，要根据采 油、采气工艺情况考虑相关的危险工况。 1．内压力 对于表层套管和技术套管， 当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时， 套管的内 压力为井口内压力与管内流体（钻井液与涌入流体——气、水、油或混合物）的液柱压力之 和。 涌入流体的类型和井涌量的大小对套管实际所受内压力的大小和分布情况都有很大的影 响。在实际中，对于不同的油田、不同的区块、不同的构造，井涌量和涌入流体类型都可能 会不一样。 发现及控制及时井涌量则小， 发现及控制不及时井涌量则大； 涌入流体可能是气、 可能是油、也可能是水，也可能是它们的混合物。由于井涌情况的多样性，所以关于套管内 压力的计算有多种方法。 下次钻进井涌关井时， 套管内压力为井口内压力与钻井液液柱压力 之和：
Pi Ps 0.0098 n H
式中 Ps ——井口内压力，MPa。 井口内压力采用以下三者之一： 1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。
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2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。 根据压力平衡关系，可得这种情况下的井口内压力计算式如下：
Po 0.0098 m H
式中
（2）
H ——井深，m； ρm——固井时钻井液密度，g/cm3。 2．支撑内压力 支撑内压力的计算要分情况。对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内 压力为零：
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Pib 0
Ps 0.0098( f n ) H B
式中
（12）
ρf ——套管鞋处附近地层破裂压力当量钻井液密度，g/cm3。 3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。 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（式中括号项即为井口内压力） ：
（17）
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气井：
Pi Pp / e1.11510
4
(H B H )
0.0098 sw H
（18）Fra Baidu bibliotek
图 2 为几种情况下的有效内压力对比情况。 如图所示，对于表层套管或技术套管，有效内压力是井口最小，井底最大；对于油层套 管，有效内压力是井口最大，井底最小。可见，不同类型的井、不同类型的套管，所受外载 是不一样的。 另外，现场有时还采用直接用井口压力 Ps 作为整个套管柱有效内压力的方法（即假设 从井口到井底有效内压力均为 Ps） 。从图 2 可见，对于油层套管，采用这种方法显然是安全 的，不过可能有点不经济，但可使内压力计算、进而使套管柱的抗内压设计更简捷。
Pib 0 Pib 0.0098 n ( H H L )
式中
（0≤H≤HL） （HL＜H≤HB）
（5） （6）
HB ——套管下入深度，m。 还有其它的关于支撑内压力的计算方法。如果下次钻进有可能发生裂缝、溶洞性漏失， 或者是探井地质情况不是很清楚，则技术套管也可以按全掏空考虑。 3．有效外压力 由上所述，可得套管柱有效外压力的计算方法。对于表层套管、油层套管这种可能全掏 空的情况，及需要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为：
式中
4
( H B H )
（14）
γ ——天然气比重（按纯甲烷为 0.55） ，无因次。 2．支撑外压力 当发生前述最大有效内压力时， 环空中的水泥浆已经凝固成水泥环， 尽管在水泥面以上 套管所受的外压力可能会是钻井液液柱压力、 水泥环也可以有助于套管承受内压力， 但在支 撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算。 按盐水柱 压力计算是基于这样的考虑： 在无水泥段， 因钻井液降解及固相沉降， 其液柱压力可能降低； 对水泥封固段，可能水泥环并不完整，地层压力可能作用于管柱上；按盐水柱计算支撑外压 力可能比实际外压力偏小， 但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全。 所以， 支撑外压力为：
（3）
对于技术套管非全掏空的情况，在漏失面以上（即井深小于漏失面深度的套管段） ，支 撑内压力为零，在漏失面以下（即井深大于漏失面深度的套管段）作用有管内钻井液液柱压 力。要计算支撑内压力，首先要知道漏失面的深度。在实际生产中，漏失是人们尽量要避免 的，但由于各种原因井漏还是时有发生；就是对于开发井，尽管根据以往井或邻井的钻井情 况， 估计在很大程度上都不会发生井漏， 人们在套管柱设计时往往还是要按井漏的情况进行 设计。但是，不管那种情况，事先都不可能知道下次钻进时的实际漏失程度，因此，在套管 柱设计时， 人们往往是根据情况对漏失程度进行一定的假设和预计， 然后按假设和预计的情 况进行设计。 对漏失程度的预计具体体现就是对漏失面深度的预计。 下面是所提出的预计方 法中的一种。 这种方法是假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度 （下一钻进井段的目的 井深）时发生井漏，并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力，于是根据压力平衡关系可 得漏失面深度为：