三轴应力套管强度设计
三轴应力强度设计
4 三轴应力强度4.1 三轴抗挤强度ca 1()]2a ico Pp p p Y σ+=式中：P ca —三维应力作用下的抗挤压力，MPaP co —API 套管抗挤压力值，MPa σa —轴向应力，MPa P i —管内液柱压力，MPa Y p —管材屈服强度，Mpa上式就是三轴应力下套管的抗挤强度与 API 抗挤强度之间的关系，用来计算三向应力下套管的抗挤强度，以及套管强度的校核计算。
由公式可以得出以下结论：1）轴向拉伸将降低套管的抗挤强度，如下图所示图3-1 轴向载荷与抗挤强度2）内压力进一步降低套管的抗挤毁强度值，当管内存在内压时，套管的三维抗挤压力强度值小于二维方程计算的抗挤强度值，当内压力为零时，三维与二维的计算结果相同，即 P i =0 时：1()]2a ca co Pp p Y σ=3）既不考虑内压力也不考虑轴向力时，即 Pi=0，σa=0 ，变为单轴应力强度，也就是 API 套管强度。
4.2 三轴抗内压强度2ba()a oboPpp pYσ+=+式中：P ba—三维应力下的抗内压强度，MPaP bo—API套管抗挤强度，MPa上式就是三维应力下的抗内压强度与API套管抗内压强度之间存在的数学关系，从公式中可以得到以下结论：1）轴向拉伸使得套管增大了抗内压强度值，考虑管外压力的三维抗内压值是正确的，并且在井眼底部与API抗内压强度值相等，二维抗内压值在井底偏低，在顶部偏高。
2）当设计套管为薄壁套管时，套管内半径与套管外半径近似相等，也就是ri ≈ro，上式将变成：1[()2a oba boPpp pYσ+=3）当设计套管为薄壁管管，并且不考虑内压力的影响（P o=0）时，上式将会变成双轴应力强度：1[()2aba boPp pYσ=4. 当设计套管为薄壁管管，既不考虑内压力，也不考虑抗外压力的影响时，即为API 抗内压强度，P ba=P bo。
4.3 三轴抗拉强度32210()a i i o oT p r p rπ-=-+式中：Ta—三轴应力下的抗拉强度，kN。
套管强度校核
水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力
有效外压力：
Poe Po Pib
式中 Poe——有效外压力；
Po——外压力；
Pib——支撑内压力。
1.径向外挤压力
有效外压力：
一、套管外载分析与计算
表层套管：井漏造成全掏空
技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空的情况，
序言
套管柱的类型 表层套管
技术套管（中间套管）
生产套管（油层套管）
尾管（技术尾管、生产尾管）
回接套管
一、套管外载分析与计算
1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
一、套管外载分析与计算
2、动载
一、套管外载分析与计算
（2）支撑内压力
对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力
的计算式为
Pib 0
P n ( H H L ) ib 0.0098
（ 0≤ H ≤ H L ） （ H L＜ H ≤ H B）
1.外挤压力
一、套管外载分析与计算
（3）有效外压力
对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需
套管柱及其强度设计
Step2 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； 计算公式精确性↑，安全系数↓： 对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情 况考虑； API规定的安全系数：
◆ API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi为单 位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API 标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2）
◆ 只有屈服强度 s 105 psi对H2S提敏感的，但对CO2则影响很小，
可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。
• 地质构造力的影响
•
一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空 来计算套管承受的外挤载荷。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷
载荷
载荷
井身结构
井 深
套管内载荷
井 深
套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API抗挤强度
抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。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。
1、基本概念
（1）套管的尺寸 （又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外 径，实际上套管尺寸已经标准化了。
套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。
1、基本概念
（2）套管的钢级 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度， 用钢级表示。
□ 套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码 代表套管的强度。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
套管设计基础
p: 内压力
p
pLeabharlann 井内气体压力分布精确算法示意图
p0为第 0 步的压力； pf为地 层压力； pi 为第 i 步的压力； pi+1 为第 i+1 步的压力； pn 为第 n 步的压力； i 为第 i 步的气体密度； Ti 为第 i 步 的温度； Zi为第 i 步的气体 压缩因子； hi 为第 i 步的气 柱高度； mg为气体分子量； R为普适气体常数。
pi i 1000R Z i Ti
mg
载荷分析
用简化公式和精确算法计算的井口压力比较
0
1000
地层压力 简化公式 精确算法 井涌气体密度=0.700s.g. 温度梯度：2.00℃/100m 井涌气体类型：凝析气
2000
垂深（m）
3000
4000
5000
6000 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
定义一种套管
5. 单根套管的长度
6. 公称重量
(包括接箍重量的平均值，kg/m)
(e.g. 47 lb/ft=70 kg/m)
s e
Casing Threads and Couplings
API round threads - short
API round thread - long
{ CSG }
套管柱载荷的特点
载荷
内压分布
轴向力分布
外压分布
井深
套管柱优化设计问题概述
组合套管柱总费用的组成
C ci
C ci
ci fi Si
i 1, , n
组合载荷下套管柱强度设计的三向应力圆理论
我 国自 ２ Ｏ世 纪 ６ Ｏ年 代开 始 引进 该 理 论 ，并将 其 应 』 用 于 我 国套 管柱 强度 设计 标 准 中 ］ 。笔 者 在 文献 ［ ］ ５
中 ， 对 双 向应 力 椭 圆 理 论 的 正 确 性 提 出 了 疑 问 。该 文
力 和 周 向应 力 ｄ。考 虑到 管 内外 液 体 密度 不 同 ，套
联 系 电 话 ：０ ４ ）３ ６ ６ （５ ６ ８ ９２ ２
有着 很 大 的差 别 。现 以垂 直 井 眼 内的浮 体状 态 下 的套
维普资讯
・２・
石
油
钻
探
技
术
２０ ０ ２年 ８月
一
Ａ。 （ ， Ｐ ） （ Ａｉ户。 ｉ／ 一
浆 固结之 前 的浮 体状 态 ；一 种是 水 泥浆 固结 之 后 的 固 结 状 态 。两 种状 态 下套 管 柱 的受 力状 况 是 不 同的 ， 且
收 稿 日期 ： ０ ２ ０ — ７ ２ ０ — ６２
作 者 简 介 ： 志 勇 （ ９ ７ ） 男 ， 西 蓝 田 人 ， ９２年 毕 业 于 北 韩 １３一 ， 陕 １６ 京 石 油 学 院 油 井 工 程 专 业 ， 授 ， 士 生 导 师 ， 要 研 究 方 向 为 定 向 教 博 主 钻 井技 术 和 钻 井 力 学 。 系 本 刊 顾 问。
多 年 来 ，套 管 柱 强 度 设 计 中 应 用 最 为 广 泛 的 是
“ 向应 力椭 圆” 论 ¨ ． 理 论 已被 ＡＰ 标 准 采用 ｊ 双 理 该 Ｉ ，
管 柱 为例 ，进 行 理论 推 导 。
如 图 １ 示 ，套 管 在井 内受 到 自重 和管 内外液 压 所
的作 用 ， 在 三 向应 力状 态 下 ， 处 即轴 向应力 、 向应 径
三套管换热器热膨胀拉脱应力的确定
三套管换热器热膨胀拉脱应力的确定易刚【摘要】通过建立三套管换热器内外管及管板的数学模型,推导计算出由于热膨胀差产生的拉脱应力公式,从而避免了诸如边缘力矩系数等众多难以确定的参数,找到一种实际可操作的,基本反映氧化铝生产溶出车间现场实际的三套管换热器热膨胀拉脱应力的计算公式.并根据某氧化铝厂三套管换热器的物料及运行参数,应用该公式进行了热膨胀拉脱应力的计算,且进行了管板与换热管焊缝的剪切强度计算.【期刊名称】《有色金属设计》【年(卷),期】2016(043)001【总页数】3页(P21-23)【关键词】三套管换热器;热膨胀拉脱应力;焊缝剪切强度计算【作者】易刚【作者单位】贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州贵阳550081【正文语种】中文【中图分类】TF801+.2氧化铝生产中，特别是在管道化溶出生产工艺里，溶出车间的三套管换热器作为溶出车间的核心设备，起着举足轻重的作用。
该设备类似固定管板式热交换器，其特点为单程换热器管程较长(一般为65～85 m)，内外管温差大。
其工作原理为：内管(管程)输送低温料浆，内外管间(壳程)为高温二次蒸汽和新蒸汽，通过换热将料浆从90℃加热到260℃左右，才能充分进行溶出反应。
由于每程套管长度较长且内外管温差较大，导致内外管热膨胀量差异较大，因此在两端管板处会产生较大的温差应力。
如果两端管板处温差应力过大，在生产过程中会导致换热管与管板处焊缝被拉裂，从而导致高温高压物料泄漏，造成严重的生产安全隐患。
三套管换热器类似固定式管板热交换器，但由于三套管换热器管板与换热管连接的力学模型与GB/T 151-2014《热交换器》管板计算方法的力学模型不太一致，因此只能采用该标准的管板计算方法进行类似计算，仅供参考之用，且由于该方法计算起来非常复杂，需要确定很多系数，但这些系数在实际生产中很难准确确定，甚至无法确定。
故有的设计只根据生产情况粗略地确定某些数据，误差很大，既不经济也满足不了生产需要，有时甚至会给生产带来安全隐患。
套管磨损及地应力对深井套管柱强度的影响分析
套管磨损及地应力对深井套管柱强度的影响分析X张 坤(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017) 摘 要:油田开发过程中,采油套管损坏给油田造成了巨大的经济损失。
采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度,以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度,以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。
研究表明,当磨损度为10%时,套管的剩余抗外挤强度、剩余抗内压强度降低约30%;套管内壁的Mises 应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。
关键词:套管损坏;地应力;磨损;安全可靠性;剩余强度 中图分类号:T E931.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)07—0055—04 在钻井和采油过程中,套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油气水层及封固各种复杂地层的作用。
近年来,我国油气田套管损坏十分严重,采油套管损坏已经给油田造成了巨大的经济损失。
导致油水井套管状况变差,甚至损坏的原因是多方面的。
根据国内外油田开发几十年的经验分析可知,引起套管损坏的因素可大致分为地质因素、工程因素和腐蚀三大类。
对于具体的一个油田或一口油、水井的套管损坏,其中某类因素很可能起主导作用,其它为次要因素,而更多则是这些因素综合作用的结果[1～4]。
针对深井中的技术套管磨损问题,采用弹性力学解析及有限元方法,建立了套管-水泥环-地层组合体模型,通过分析非均匀地应力作用下磨损量对套管强度,以及不同地层性质对套管地应力外挤载荷的影响,为以后深井套管柱强度的设计与校核提供了一定的理论依据。
1 磨损套管的剩余强度现场实测资料表明,套管磨损一般为月牙型磨损。
由于月牙型磨损部位壁厚最薄,且存在较大不圆度和壁厚不均度等几何缺陷,当均匀外挤压力作用于套管时,将产生附加弯矩,形成应力集中区,进而出现屈服,该区域实际承载迅速降低,塑性区迅速由内壁向外壁扩展,在套管磨损处发展成塑性铰,引起整个结构失稳,造成套管挤毁失效。
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 =⨯⨯==ρ1oc 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⋅≤223730129259.819.81 1.3 1.0c m c p D mS 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 1D 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222243.21.030.7437301 1.030.74354922686.7m ca c s F p p kPa F ⎛⎫⎛⎫=-=⨯-= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22800354920.9919.81 1.32800ca 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。
套管柱结构与强度设计
套管柱结构与强度设计套管柱结构是石油工程中常用的一种结构形式，它由多个套管组合而成，通常用于油井的钻探和生产过程中。
套管柱的设计需要考虑到其承受外部压力和内部流体压力时的强度问题，以确保其能够在复杂的地质条件下安全地运行。
首先，我们需要了解套管柱结构的基本组成。
一般来说，套管柱由多个套管和接头组合而成。
每个套管都有自己的内径、外径、壁厚等参数，而接头则用于连接不同大小或类型的套管。
在实际应用中，还需要考虑到其他因素如防腐、防爆等问题。
接下来，我们需要考虑到套管柱在承受外部压力时所需具备的强度。
这主要包括两个方面：弯曲强度和挤压强度。
对于弯曲强度来说，我们需要计算出套管在受到侧向载荷时所能承受的最大应力值。
这需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。
同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的支撑方式、地质条件等因素。
对于挤压强度来说，我们需要计算出套管在承受内部流体压力时所能承受的最大应力值。
这同样需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。
同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的接头、防爆措施等因素。
除了以上两个方面，我们还需要考虑到套管柱在复杂地质条件下所需具备的其他强度。
例如，在遇到断层或者地震等情况时，套管柱需要具备足够的抗震和抗变形能力。
这需要在设计时考虑到不同情况下套管柱结构的变化和调整。
总之，套管柱结构设计是石油工程中非常重要的一环。
它不仅涉及到工程安全和效率问题，还涉及到环境保护和资源利用问题。
因此，在进行设计时，我们需要充分考虑各种因素，并采用科学合理的方法进行计算和优化。
只有如此，才能确保套管柱结构在实际应用中具备足够的强度和稳定性。
套管强度校核方法
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。
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。
径向内压力： 管内流体压力 压裂作业等增产措施时的 压力
有效内压力
确定井口内压力的三种方法是： 1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。 3）下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力。
套管尺寸的选择与钻头尺寸相配合！
（2）套管壁厚与套管单位长度名义重量
套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套管壁厚 有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也已标准系列化
套管单位长度名义重量又称为套管公称重量，指的是 包括接箍在内的、套管单位长度上的平均重量
套管壁厚、套管单位长度名义重量二者是直接相关的
非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,V等。 API规定钢级代号后面的数字乘1000PSi(6894.8Pa)
即为该钢材的最小屈服强度。
如: N-80---->80*1000Psi
但也有个别例外: S-80----->55Kpsi； SS-95---->80Kpsi 套管钢材的抗硫能力： 有抗硫能力的套管钢级 H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90
套管三轴应力设计原理和方法
了三 轴 强 度 与
西 南 石 油 学 院 学报
55
年
6 Ε 强 度 和 内 外 压 力 轴向 应 力 之 间的关 系 0
、
#
用 上 述三 式 可 进 行 三 轴应 力 设 计 和校核
#
式中
凡
Ε‘
Ε# Ε‘
由8< . 式 知
∃
— 三 轴抗 内压强 度 — 6 0 抗 挤强 度 — 6 Ε 抗 内压 强度 0 —
#
反之 亦
#
为 此 人 们 提 出 了 双 轴 应 力 没计
,
#
这 种 设 计 考虑 了 外 压 和 轴 向 拉 % , 相 互 作 用 的 不 利 影 响 (
#
在 汕 田 上得 到 广 泛 应 川
、
但 是 这 种 设计 没 有 考 虑 内 压 的 彩 响
#
计 算表 明 内压 对 套 管 柱 的
,
额 定抗 挤 强 度 额定 破 裂强 度 和 领 定 杭 拉 强 度 都 有 较大 影 响 特 别 是对 受较 大 轴 向载 荷 和 内 压 作 用 的厚壁 竹 形 啊更 突 出 所 以 进 入 ? 年代 以 来 国 外 提 出了 同 时考 虑 内外 压 力 和 轴 向 ≅
一
、
#
它 与三 轴 应 力
#
的大 小和 套 管 本 身 的 屈 服 强 度 有 关
设 计时 不能 直 接 川
#
#
0 Μ 山于 八 ( 强 度 是 在 单轴 应 力 条 件下 得 到 的
八Μ (
,
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所以 三轴
#
,
为 此 必须 求 出三 轴 强 度 与
八应 ∀
,
,
强 度 之 问 的 关 系 刁能 进 行 三 轴 设 计
套管头结构应力分析及评价
套管头结构应力分析及评价摘要：采用有限元软件建立套管头整体有限元模型，计算套管头在不同工况条件下的应力。
得到了套管头壳体各部分及内部悬挂器的应力分布状态，依据给出的复杂应力评定标准对其进行强度评价，并计算出不同类型套管头的极限悬挂载荷，为套管头安全可靠的工作提供了技术保证。
结果表明，套管头最终悬挂载荷取决于套管头壳体自身因素、内部悬挂器承受的极限重量和套管自身的强度等三方面的因素。
关键词：套管头；有限元；应力；强度分析套管头是套管和井口装置的重要连接件，是安装井口防喷装置的基础。
套管头连接于表层管，悬挂除表层套管以外的其它套管，承受部分或全部的套管重量，套管头还密封各层套管的环形空间，承受套管环空的压力，具有重要的使用价值。
开展了不同工况条件下套管头力学分析，并对其整体及局部的应力进行应力分析及强度评价，得到不同工况下套管头的极限悬挂载荷。
一、整体套管头力学分析模型(1)建立有限元模型。
根据套管头结构特点和载荷特性，选择整个套管头为研究对象，同时考虑壳体开孔对其应力分布的影响、悬挂器螺纹和卡瓦牙在套管重量和内部压力作用下的局部分析，以及内部悬挂器与壳体的接触非线性行为，对套管头及其内部结构进行建模，建立了图1所示的实体模型和三维空间非线性有限元模型，以及悬挂器螺纹和卡瓦牙的局部轴对称模型，见图2。
(2)计算参数。
载荷：套管头受自重、内压、螺栓预紧力、悬挂器及局部悬挂套管作用，而局部套管受到内压和悬挂载荷作用。
边界条件：悬挂器与套管头壳体接触面为接触摩擦边界，表层套管下端为位移约束。
根据固井工艺及套管头承受载荷情况，选取最危险的两种工况对套管头进行应力分析；一级坐挂＋试压35MPa和二级坐挂＋试压70MPa。
二、套管头复杂应力评价标准套管头有限元统一的应力评定标准对套管头本体及内部构件进行评定。
参照SY/5127-2002标准，对于套管头本体的应力评定应将套管头本体的材料分为标准材料和非标准材料。
固井技术规范宣贯材料
➢ 结合实践经验，给出了套管扶正器数量和位置最低要求
– 套管扶正器安放至少应做到套管鞋及以上30～50m每根套管安 放一只、含油气层井段每根套管安放一只、分级箍等工具上下 30～50m每根套管安放一只
第二十二条 前置液使用量问题
➢ 按环空水力学原理和实践经验，考虑到环空尺寸和容 积不同，讨论确定了两个控制指标，任选一个即可
– 给出了采用固井过程质量评价结果进行固井质量评价 的条件
– 提出试压压力高于25MPa时应根据水泥石强度发展 情况确定试压时间
– 给出了在碰压后进行试压的试压方法
重要内容
• 第六章 特殊井固井—天然气井
– 明确了对套管螺纹的要求 – 对分级固井的适应性进行了明确界定 – 提出了尾管重合段的技术指标 – 提出了更高的水泥浆稳定性、水泥石性能、水泥浆密
优化扶正器 – 首次明确提出了水泥浆沉降稳定性和水泥石渗透率试验
重要内容
• 第二章 固井设计
– 明确了采用软件模拟固井过程 – 提出了水泥量计算时容易忽略的问题 – 明确了应尽量采用环空憋压候凝 – 明确了施工组织和应急预案原则
重要内容
• 第三章 固井准备
– 给出了窄安全密度窗口条件下的压稳指标 – 给出了通井时调整钻井液的性能指标 – 给出了不同井况固井时对水泥车的额定压力指标要求 – 给出了与国外招投标要求一致的水泥头技术指标 – 明确提出了对流量计的要求：流量、压力、密度三参数计量
中国石油天然气集团公司固井技术规范
编制情况汇报
汇报提纲
1. 编制过程简介 2. 规范主要内容 3. 技术指标释义
重要内容
• 总则
– 确认了“固井是钻井工程环节” ，指出固井质量的 作用是“延长油气井寿命和发挥油气井产能”
套管强度设计
（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：
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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：
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（3-2）
pcc pc (1.03 0.74
Fm ) Fs
（3-3）
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静思笃行 持中秉正
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：
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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
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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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
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
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。
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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：
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。
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：
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三轴应力套管强度设计 二、轴向拉力及套管的抗拉强度
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：