套管强度设计例题

设计举例：

例题：某井177.8 mm(7 英寸)油层套管下至3500 m ，下套管时的钻井液密度为1.303

/cm g ，水泥返至2800 m ，预计井内最大内压力 35 MPa ，试设计该套管柱 （规定最小段长500 m ）。规定的安全系数：Sc=1.0，Si = 1.1，St =1.8

解：（1）计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管

抗内压强度设计条件为： 筛选套管：

C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110 按成本排序：

N-80 < C-75 < L-80 < C-90< C-95< P-110 （2）按抗挤设计下部套管段，水泥面以上双向应力校核 1）计算最大外挤力， 选择第一段套管

Pa D p m oc 5.4463535003.181.981.9max =⨯⨯==ρ

1oc c c p S p ⋅≤

5.446350.15.4463548401=⨯≥ 安全

2）选择第二段套管

选低一级套管，第一段抗拉强度校核

22oc c c p S p ⋅≤ 229.81m c c D S p ρ⋅≤

2237301

29259.819.81 1.3 1.0

c m c p D m

S ρ≤

==⨯⨯

第二段套管可下深度D 2，第一段套管长度L 1 取D 2=2900m (留有余量)

m D D L 60029003500211=-=-=

双向应力强度校核，最终确定D 2和L 1

D 2 =2900 m ＞2800 m ，超过水泥面，考虑双向应力

危险截面：水泥面2800m 处 浮力系数：834.085

.73.111=-=-=s m f K ρρ 轴向拉力：

()()水泥面11222800 0.8340.42346000.379529002800243.2m B F K q L q D kN

⎡⎤=+-⎣⎦

⎡⎤=⨯⨯+⨯-=⎣⎦

存在轴向拉力时的最大限度允许抗外挤强度：

水泥面

22

2243.21.030.7437301 1.030.74354922686.7m ca c s F p p kPa F ⎛⎫

⎛⎫=-=⨯-= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭

2280035492

0.9919.81 1.32800

ca C oc p S p '=

==<⨯⨯ 不安全

解决办法： 将第一段套管向上延伸至水泥面以上。 预定D 2 = 2700 m ，L 1 = 800 m ；

重新双向应力强度校核：（按以上同样方法）

套管1 ： 危险截面 2800 m 处，Sc= 1.31 > 1.0 安全 水泥胶结面处 套管2： 危险截面 2700 m 处，Sc = 1.02 > 1.0 安全 两段套管交接处 试取D 2 = 2700 m ，L 1 = 800m 计算套管抗拉安全系数：112655.6

7.84 1.80.4234800

sll t a F S F '=

==>⨯ 安全 最终结果：D 2 = 2700 m ，L 1 = 800m 3）选择第三段套管；

轴向拉力：()

211223 m B F K q L q D D ⎡⎤=+-⎣⎦

存在轴向拉力时的最大限度允许抗外挤强度：

2333

23

3

1.030.74

1.09.81m c s ca c ccD m F p F p S p D ρ⎛

⎫

- ⎪⎝

⎭

'=

=≥

试算法，取 D3 =1700 m , 计算得 Sc= 1.03 计算第二段顶部的抗拉安全系数

()

()211223 0.42348000.379427001700718a F q L q D D kN

=+-=⨯+⨯-=

2222308.6

3.2 1.8718

sl t a F S F '=

==> 安全 最终结果 D 3=1700 m , L 2=1000m

（3）上部1700 m 处套管需进行设计，转为抗拉设计 1） 计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：33

33233

sl sl t t a a F F S S F F q L '=

=≥+ m q F S F L o t sl 11173357

.07188.11.1966323

3≤-=-≤

实取：L3 = 1100m ，则

2）确定第四段套管使用长度 kN L q F F o o 10873357.011007183323=⨯+=+=

查表得：应比第三段套管抗拉强度高，与第一段套管相同 计算第四段套管许用长度 L4：

m q F S F L o t sl 7.8584234

.010878.11.2611334

3=-=-=

实际距井口还有600 m, 取L4 = 600 m ;

3444

4

4

1.030.74

9.81108748401 1.030.74

3007 4.82 1.09.81 1.3600

m c s ca c ccD m F p F p S p D ρ⎛

⎫- ⎪⎝

⎭

=

=⎛⎫

⨯- ⎪⎝⎭=

=≥⨯⨯ 安全

最终结果 ：L4= 600 m , D4=600 m