套管设计基础

套管柱的定义
• 由不同种类套管及一些固井附件串接而成 的管柱。
二、套管柱的受力分析及套管强度
（一）轴向拉力及套管的抗拉强度 （二）外挤压力及套管的抗挤强度 （三）内压力及抗内压强度
套管中任一点处应力状态
sr st
为径向应力 为周向应力
sz
为轴向应力
（一）轴向拉力及套管的抗拉强度
Casing Design - Tension
套管柱优化设计问题概述
段数越多越费用越低
nm
m n 为允许的最大套管段数 为套管的实际段数
套管柱优化设计问题概述
通径受实际条件限制
Ddrift Ddrift _ min
Ddrift Ddrift_min 为套管的通径 为允许的最小通径
套管柱优化设计问题概述
段长受实际条件限制
Si Smin
管体的内屈服压力 接箍的内屈服压力 在内压力作用下的抗漏失能力
p: 内压力
p
p
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。
轴向力计算中考虑的因素
• 在计算轴向力时，主要考虑的因素是自重， 其它可能要考虑的因素: 井眼形状、动载、 泥浆的浮力、弯曲和温度等。
垂直井轴向力计算
n
n+1
T
T qi Li
i 1
n
qnLn
2
q2L2 q1L1
1
常规套管强度计算
管体抗拉强度计算
TR
TR

d 4
2 o
d YP
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
为套管柱的总费用(或总质量) 为第i段套管的费用(或质量)
fi
Si n
为第i段套管的单价(或线密度)
为第i段套管的长度 为套管的实际段数
四、套管柱设计示例
采用复合套管柱克服盐膏层的高外挤压力
盐膏层
普通套管在盐 膏层段被挤毁 P-110 139.79.17 TP130TT 152.416.90
盐膏层
普通套管柱
复合套管柱
垂深：2160.00 ~ 2360.00 m 盐膏层 垂深：2950.33 ~ 3169.64 m
红色：TP130TT×152.4mm16.9mm 蓝色：P110×139.7mm×10Fra Baidu bibliotek54mm
API Design Factors (typical)
Required
10,000 psi 100,000 lbf 10,000 psi Collapse 1.125
Design
11,250 psi 180,000 lbf 11,000 psi
Tension Burst
1.8 1.1
套管柱优化设计问题概述
200 180 160
套管抗挤强度(MPa)
140 120 100 80 60 40 20 0 -20 10 20 30
实际挤毁压力 屈服强度挤毁压力 塑性挤毁压力 塑弹性挤毁压力 弹性挤毁压力
40
50
60
外径/壁厚
外径为127.0 mm、N-80钢级套管的抗挤强度
（三）内压力及抗内压强度
套管设计 - 破裂 (源于内压力)
piR do t YP 为最小内部屈服压力 为套管的公称外径 为套管的壁厚 为套管的最小屈服强度
套管双轴强度计算
计算轴向应力
计算折减屈服强度
（用于替换API抗挤强度公式中屈服强度）
由API抗挤强度公式计算抗挤强度
套管中任一点处应力强度计算
1 2 2 2 s r s t s t s z s z s r se 2
压
轴向（kN）
拉
TP130TT 152.416.9
P-110 139.79.17
盐膏层井段套管抗挤安全系数对比
抗挤安全系数 P1109.17(1) 2.3(2) 1.24 1.35 1.06 1.02 1.38 1.06 4.6(2) 0.62 0.68 0.53 0.51 0.69 0.53 P11010.54(1) 2.3(2) 1.62 1.76 1.39 1.32 1.80 1.38 4.6(2) 0.81 0.88 0.69 0.66 0.90 0.69 TP130TT16.9(1) 2.3(2) 2.88 3.06 2.41 2.34 3.14 2.41 4.6(2) 1.44 1.56 1.22 1.17 1.60 1.22
静止均匀流体压力的计算
流体密度 垂深
poc gH
压力 重力加速度
常规套管强度计算
API抗挤强度计算公式
• 屈服强度挤毁公式（理论公式） • 塑性挤毁公式（半经验公式） • 塑弹性挤毁公式（半经验公式） • 弹性挤毁公式（实验修正弹性失 稳理论公式）
小
径 厚 比
大
常规套管强度计算
API抗挤强度公式计算结果
压力（kPa）
常规的载荷计算：内压
内压力计算模型
内压力计算模型有：
– – – – – 预设井涌量法； Prentice方法； Kastor方法； 简化内压设计法； 司钻法和等候加重法。
这些方法对于深井需要修正。
常规的载荷计算：内压
预设井涌量法示意图
井口 内压力 气体
钻井液
井涌点
井深
常规的载荷计算：内压
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
se
为应力强度


sr
st sz
为径向应力
为周向应力 为轴向应力
三、套管设计的原则
保安全，求经济！
套管柱优化设计问题概述
套管柱安全的必要条 件
RCg z, t FDg z, t Lg z, t
RCg FDg 为套管的广义额定载荷 为广义设计系数
Lg
z t
为广义载荷
为任意的井深 为套管使用期间任一时刻
套管单轴、双轴和三轴强度比较
安全区域
危险区域
套管单轴、双轴和三轴强度比较
安全区域
危险区域
套管单轴、双轴和三轴强度比较
安全区域
危险区域
满足三轴应力设计准则的套管柱不 一定安全，但不满足三轴应力设计准则 的设计肯定是有问题的。虽然此方法替 代不了单轴和双轴强度模型，但它是套 管柱强度设计的有益发展和补充，给套 管柱安全增加了一道防线。
D/t
Provided by Siderca Plc, Argentina
套管的分类
1. 套管的外径 2. 壁厚
(e.g. 9 5/8” 244.5 mm) (e.g. 1/2” 12.7 mm)
3. 材料的钢级 (e.g. N-80) 4. 接箍螺纹的类型
(e.g. API LCSG) (e.g. Range 3)
2 i

为套管的管体抗拉强度
do
di YP
为套管的公称外径
为套管的公称内径 为套管的最小屈服强度
（二）外挤压力及套管的抗挤强度
Casing Design - Collapse 套管设计 - 挤毁 p
p: External Pressure p: 外压力
Collapse Failure From External Pressure 外压力作用下挤毁失效
等候加重法示意图
井口 内压力
气体
原钻井液
加重钻井液 井涌点
井深
常规的载荷计算：内压
自喷井生产套管内压力计算示意图
常规的载荷计算：内压
自喷井生产套管内压力计算示意图
井口 内压力
封隔液
封隔器 产层压力
井深
常规套管强度计算
管体抗内压强度计算
2YP t piR 0.875 do
Note: Collapse pressure is affected by axial stress 注：挤毁压力受轴向应力影响
外挤压力计算的一般原则
• 套管外压一般假设等于地层压力，对于表层套管 一般假设管内全掏空，技术套管一般假设部分掏 空，掏空的程度由实际情况定，生产套管一般假 设全掏空。
{ LCSG }
Buttress
Extreme line
{ BCSG }
{ XCSG }
Other … See Halliburton Book...
单根套管的长度分类
• Range 1(R-1): 16~25 ft (4.88~7.62 m) • Range 2(R-2): 25~34 ft (7.62~10.36 m) • Range 3(R-3): ≥34 ft (≥10.36 m)
套管设计
一、初识套管 二、套管柱的受力分析及套管强度 三、套管强度设计原则 四、套管柱设计示例
一、初识套管
Typical Manufacture of Casing (Seamless)
Provided by Siderca Plc, Argentina
Typical Manufacture of Casing (Welded)
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 }
简化内压力设计法示意图
井口 气体 内压力 饱和压力
原油
井涌点
井深
常规的载荷计算：内压
Prentice方法示意图
井口 内压力
钻井液
气体 井涌点
井深
常规的载荷计算：内压
Kaster方法示意图
井口 Pb/3 内压力
Pb 井涌点
井深
常规的载荷计算：内压
司钻法示意图
井口 内压力
气体
钻井液
井涌点 井深
常规的载荷计算：内压
-8000 -6000 -4000 -2000 -200,000 0 2000 4000 6000 8000 -200,000
内
-100,000 -100,000
压力 (kPa)
0
0
100,000
100,000
外
200,000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 200,000 2000 4000 6000 8000
Si 为第i段套管的长度 Smin 为允许的最小套管段长度
套管柱优化设计问题概述
限定套管的选择范围
tw , J , G
tw J G
in
tw , J , G | Given
为套管的壁厚 为套管的接箍类型 为套管的钢级
套管柱设计程序框图
套管强度校核 步骤包括：抗 拉强度校核、 双轴强度校核、 三轴强度校核 （可选）。
井名
下深 m
段长 m
文 72-369 文 90-46 文 13-428 濮 142
2725.0 225.0 2480.0 310.0 3240.0 390.0 3290.0 190.0 2410.0 300.0 3242.0 341.0
注：(1)此数字为套管壁厚，单位为mm；(2)此数字为盐膏层的压力系数。
Wellhead 套管头
Tubing Head 油管头
Production Casing 生产套管
Casing Head 套管头
Surface Casing 表层套管 Base Plate 底板
Conductor Pipe 导管
中国石油大学(北京)石油天然气工程学院
套管柱设计讲义
进一步学习的参考资料
• Rabia H.. 套管设计基础，华仲篪译. 北 京：石油工业出版社，1995 • 郝俊芳，龚伟安编著．套管强度计算与设 计．北京：石油工业出版社，1987. 115 • SY/T5322-2000，套管柱强度设计方法，国 家石油和化学工业局 • 李克向主编．钻井手册（甲方），上 册．北京：石油工业出版社，1990年6月： 135~139