三轴应力套管强度设计

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静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 二、轴向拉Fra Baidu bibliotek及套管的抗拉强度
套管的轴向拉力是由套管的自重所产生的，在一些条件下还应考虑附加 拉力。 （1）套管自重产生的轴向拉力，在套管上是自下而上逐渐增大，在井 口处套管所承受的拉力最大，其拉力Fo 为： （2-1） 实际上套管下入井内还受钻井液的浮力，各处的拉力比在空气中所受 的拉力小。考虑浮力时拉力F m为：
pi
pgas e
1.115510 4 GD

p gas e0.00011155 GD
（4-1）
（2）以井口防喷器装置所能承受的压力为井口压力。 （3）以套管鞋处的地层破裂压力值决定井口内压力：
pi D(G f G f )
（4-2）
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三轴应力套管强度设计 四、内压力及抗内压强度
2 2 z t2 z t s
（3-2）
pcc pc (1.03 0.74
Fm ) Fs
（3-3）
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三轴应力套管强度设计 四、内压力及抗内压强度
1.内压力：套管柱所受内压力的来源有地层流体进入套管产生 的压力及生产中特殊作业时的外来压力。 当井口敞开式，套管内压力等于管内流体产生的压力，当井口 关闭时，内压力等于井口与流体压力之和。井口压力的确定方式有 三种： （1）假定套管内全是天然气，则井口处内压：
式中： G f 为套管鞋处地层破裂压力梯度 G f 为附加系数。 2.套管的抗内压强度： 套管在承受内压力时的破坏形式是套管的爆裂。 实际上套管承受内压时的破坏形式除管体的破坏之外，螺纹连 接处密封失效也是一种破坏形式，密封失效的压力比管体爆裂时要 小。螺纹连接处密封失效的压力值是难以计算的。对于抗内压要求 较高的套管，应当采用优质的润滑密封油脂涂在螺纹处，并按规定 的力矩上紧螺纹。
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三轴应力套管强度设计
谢谢大家
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中国石油大学（华东）
三轴应力套管强度设计 PPT答辩
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三轴应力套管强度设计
一、前言 二、轴向拉力及套管的抗拉强度 三、外挤压力及套管的抗挤强度 四、内压力及抗内压强度 五、套管强度设计原则和方法
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三轴应力套管强度设计 一、前言
套管强度设计和校核关系到安全钻进和油气井寿命，同时也影 响到钻井成本。初期的套管柱设计是采用单轴应力设计，这种设计 没有考虑外压和轴向力相互作用的影响。理论分析表明，轴向；拉 力会使套管额定抗挤强度降低，而轴向拉力会使套管额定抗挤强度 增加，反之亦然。所以进入80年代以来，国外提出了同时考虑内外 压力和轴向应力相互作用的设计方法，这就是套管柱三轴应力设计。 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 型螺纹。大多数的套管使用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于 封固井壁的裸露岩石。 油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准。我国现用 的套管标准与美国的API标准类似。
三轴应力套管强度设计 二、轴向拉力及套管的抗拉强度
（3）套管内注入水泥引起附加应力：注入水泥浆时，水泥浆与管外液 体密度相差较大，水泥浆未返出套管底部时，管内液体将使套管产生一个 拉应力，可按下式计算：
Fc h
m d
1000
d cin
2

4
（2-4）
（4）其他附加应力：在下套管过程中的动载，如上提套管或者刹车时 的附加拉力，注水泥时泵压的变化等，皆可产生一定的附加应力。这些力 是难以计算的，通常是考虑用浮力减轻来抵消或加大安全系数。 套管柱所受轴向拉力一般为井口最大，是危险截面。套管柱受拉力引 起的破坏形式有两种：套管本体被拉断、螺纹处滑脱（滑扣）。圆口套管 的螺纹滑脱负荷比套管本体的屈服拉力要小，因此在套管使用中给出各种 套管的滑扣负荷是用螺纹滑脱时的总拉力来表示。
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三轴应力套管强度设计 五、套管强度设计原则和方法
1.套管强度设计原则： 套管柱的强度设计是依据套管所受的外载，根据套管的强度 建立一个安全的平衡关系：
套管强度 外载 安全系数
设计的原则考虑以下三个方面： （1）应能满足钻井作业、油气层开发和生产层改造的需要； （2）在承受外载时应有一定的储备能力； （3）经济性要好。 套管设计中相关安全系数：抗外挤安全系数=1.0；抗内压安 全系数=1.1；套管抗拉力强度安全系数=1.8
3 F o qL10
Fm
qL(1
d ) 103 s
（2-2）
（2）套管弯曲引起的附加应力：套管弯曲时，增大了套管的拉力载荷， 当弯曲变化率不大时，用简化经验公式计算：
F d ocAc bd 0.073
-每25m的井斜变化角度
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（2-3） 静思笃行 持中秉正
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三轴应力套管强度设计 五、套管强度设计原则和方法
1.套管强度设计方法： 套管柱的设计是通常是由下而上分段设计的。按常规，自下 而上把最下一段套管称为第一段，其上称为第二段，依次上推等 等。具体方法有以下几种： （1）等安全系数法； （2）边界载荷法； （3）最大载荷法； （4）AMOCO设计方法； （5）BEB设计方法； （6）前苏联的设计方法。 套管柱的强度设计中，不宜将套管分的太复杂，实际上应当 采用2-3种钢级的套管，壁厚也只宜选用2-3种。
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三轴应力套管强度设计 三、外挤压力及套管的抗挤强度
1.外挤压力：套管柱所受的外挤压力，主要来自管外液体的压力、 地层中流体的压力、高塑性岩石的侧向挤压力及其他作业时产生的压力。 一般情况下，常规套管的设计中，外挤压力按最危险的情况考虑， 即按套管全部掏空，套管承受钻井液柱压力计算，其最大外挤压力为：
poc 9.81d D
（3-1）
2.套管的抗挤强度：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，丧失稳定性的形式主要是在压力破坏作用下失圆、 挤扁。
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三轴应力套管强度设计 三、外挤压力及套管的抗挤强度
3.有轴向载荷时的抗挤强度：实际应用中，套管处于双向应力的 作用，设套管自重引起的轴向拉应力为 z ，由外挤力或内压力引起的 套管圆周向应力 t 及径向应力 r ，径向应力远小于周向应力，忽略 不计。据第四强度理论，套管破坏强度条件： 式中： s 为套管钢材的屈服强度。 可看出上式为一个椭圆方程。 存在轴向拉应力时，有套管抗挤强度的计算公式：