第4讲 套管柱设计(大部分)

井 深 套管内载荷
井 深 套管外载荷
井 深
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有效载荷
2.3、内压力及抗内压强度
生产套管内压力计算则与其它不同。 其与完井方式有关。典型的完井方式如 下图。在油井的生产初期，油管接头螺
纹产生漏气，气泡由裂缝进入油管和生
产套管之间的环形空间，在封闭的情况 下，气泡上升到井口，但气泡仍然保持
在实际的计算时，一般是按套管全部掏空的情况考虑的。
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2.3、内压载荷及抗内压强度
载荷 套管内全掏空 载荷 载荷
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
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2.3、内压载荷及抗内压强度
套管内部分掏空
载荷
载荷
载荷
套管内液面
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。
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2.2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套Байду номын сангаас内全掏空
载荷
载荷
载荷
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
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2.2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
WL l 2 AE
2
7.854 m 2 l L × -7 10 4
（3）在热应力作用下伸长（或缩短）计算公式
l l T
Δl——伸长量（m）；W——套管线重（N/m）；L——套管总长度（m）； A——套管截面积（cm2）；E——钢材弹性模量（206×103MPa）； ρm——钻井液密度（g/cm3）； ξ——钢材热膨胀系数（ξ=12.1×10-6m/(m℃)）； ΔT——套管变形前后温度差值（℃）；
2.3、内压载荷及抗内压强度
（1）内压载荷
（假设管外的水泥已凝固，管外的压力用地层流体计算） ① 内压力的来源 地层流体进入套管产生压力；生产中的特殊作 业（注水、压裂）时的压力。
② 内压力的确定 在老区可以参考邻近的资料，但在新区，内压少 就很难确定。当井口开时，内压力易于计算，且数值较小，但 当井涌关井时则内压力就显的十分突出。 ③ 井的深浅对内压力的影响 当井较浅时，内压力是比较小的。 且一般的套管内压强度>抗外挤强度，故设计中问题不明显。但 随着井深的增加，内压问题就很突出，有时甚至超过了抗外挤。
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2.3、内压载荷及抗内压强度
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2.3、内压载荷及抗内压强度
那么井底的压力：
PB P d gh io
套管内有效内压载荷 等于管内的减去管外的地层流体压力 井口： 井底：
PB P p gh io
P 'P io io
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4.2、固井后套管回缩计算
固井后，由于下部封固段水泥的凝固，使井口套管承受 的自重载荷明显减少，原来已经拉伸的套管会由于受力的减 少而回缩。因此，要求从井口释放套管回缩的距离，以保证
套管不至于被拉断。回缩量计算公式如下：
l
L自由长 L封固段长 钢 -L总长 m 10 E
第二章 套管柱及注水泥设计
第1节 井身结构设计
第2节 生产套管尺寸的确定 第3节 套管柱设计 第4节 注水泥技术 第5节 复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介
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2.2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）
1）外挤载荷种类
力 ①管外泥浆柱产生的压 ②地层流体产生的压力 ③易流动的岩石挤压力盐岩层、泥岩层这 损的主要原因。此 是江汉油田和大庆油套 时的外挤压力则为上覆 岩层的压力计算。 ④地质构造力的影响
ρm——钻井液密度（g/cm3）； E——钢材弹性模量（206×103MPa）；
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5、套管柱强度设计
5.1、套管强度设计的原则
总的原则：在最经济的条件下使井眼得到可靠的保护。 这个设计不但要能保证在钻进时的安全性，更要能保证在整个油井 使用期间的安全性。从这二点来讲，套管的设计是相当复杂的一个工作。 ① ② 对开发井，可以设计出成本最低的套管柱（以成本优先）； 对勘探井，则往往需按最大估算应力来设计。
2）套管的API抗挤强度（轴向应力为0 ）
抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。API 5C3通告详细叙 述了测定套管抗外挤强度的程序。 在外挤压力和 轴向拉力作用下，套管断面可能发生三种挤压或弯曲形式： 弹性挤压、塑性挤压和临界强度挤压。三种挤压形式的转化受管体几何形状和 材料性能的制约。如图所示。 针对以上对抗外挤强度形式
原有的压力，那么
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2.3、内压力及抗内压强度
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2.4、套管的（腐蚀）损坏
H 2 S 氢脆 化学的腐蚀损坏 CO2 盐物质 NaC1 盐层的流动导致变形 地层力断层区间的非均匀力 断层的滑移 物理损坏 摩擦力如定向井中 流体的动静力 施加的外力 注水诱发力 人为的损坏
API规定的 i 1.00 安全系数： Sc 1.00 ~1.25，一般取
S 1.10 ~1.33 ，一般取1.10
St 1.60 ~ 2.00，一般取1.80
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5.5、具体的设计步骤
Step3 计算内压载荷，筛选符合内压强度的套管；
内压载荷由套管内外的流体综合产生。内压最大的情况 一般出现在井涌关井和特殊作业（压裂、…、注水）时，内 压的计算中间套管与生产套管是不同的。 ① 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； ② 生产套管的计算方法在补充中进行介绍。
套管柱的长超过水泥面或中性点时，则应考虑由于重力影响
而导致的抗外挤强度的下降。按教材公式7—14计算双轴应 力下的抗挤强度。
所以双轴应力的抗外挤计算的内容为：按双向应力计算，
如果强度不够，则要把下一段适当向上延伸，直到满足要求 为止。
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5.5、具体的设计步骤
Step6 按抗拉设计确定上部各段套管
（1）套管柱的弯曲半径(R)：套管管体允许的弯曲半径称为套管柱弯曲 半径。
ED R K1K2 200Yp
（单位：(ο)/100m）
E——钢材弹性模量（206×103MPa）；D——套管的外径（cm）； Yp——钢材的屈服强度（KPa）；K1——抗弯安全系数(K1=1.8)； K2——螺纹连接处的安全系数(K2=3)。
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5.5、具体的设计步骤
Step4 计算挤压载荷；
（1）一般的情况下都是按全井掏空的最危险情况考虑，计算公式：教材 P260式7—12或P267，按此式初选第一段套管，下深为D1；选择壁厚和钢级较低 的套管作为第二段套管，下入深度：
D2 [ Pc 2 ] /(9.81 d S c )
（2）井眼轨迹半径(R0)计算：
R0 5730 / K
K——井眼的曲率半径，(ο)/100m；
（3）套管安全入井的条件是：
R R0
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3.2、套管柱弯曲应力计算
DE DEK w = 200 R0 1146000
E——钢材弹性模量（206×103MPa）； D——套管的外径（cm）； K——井眼的曲率半径，(ο)/100m；
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5.2、常用的设计方法
常规的方法是自下而上分段设计。
等安全系数法（最常用） 边界载荷法 最大载荷法 AMOW法 BEB法（图解法） 前苏联的设计方法
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5.3、各层套管设计的特点
表层套管 ☺ 特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以下各层套管 的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。 ☺ 侧重点：主要是考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重） 技术套管 ☺ 特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井喷时承受较 大内压；具有较强的耐磨性。 ☺ 侧重点：抗拉（下入较浅），抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井 深） 油套（生产套管） ☺ 特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产可能出现的 各种情况。 ☺ 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产）
愈向上，Pc↓，而轴向拉力↑，故应改为抗拉进行设计。 （轴向拉力为主要矛盾）
总之，安全的保障越大，那么费用就越高的，因为这个费用大约占 总费用20%左右。
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5.1、套管强度设计的原则
（1）能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要。
具 体 的 原 则 有 三 点
钻进：不同压力层的隔离，异常压力段，坍塌地层等； 油气层的开发：地层压力随开采的变化，及岩层的蠕变等； 产层的改造：注水、注气等导致的压力和温度的变化等等。 （2）在承受外载时应有一定的储备能力。 由于外载的计算复杂、困难，有时难以计算，故在设计中为了应付 各种可能出现的复杂情况，在设计时必须留有一定的储备能力，如 安全系数的选择。（开发井和勘探井就不同） （3）经济性要好。 由于总的原则的限制，故为了节约成本，往往需要考虑不同钢级、 不同壁厚套管的组合设计。现场一般多为2～3种钢级，壁厚也宜选 用2～3种，不能过多。
（2）则第一段下入长度为：
L1 D1 D2
（3）校核第一段的抗拉强度：
S t1 Fs1 /( L1q1 ) 1.8
对深井、超深井，当注入水泥量较大时，还应考虑其产生的附加轴向拉力； 同时还应当考虑套管接箍的强度。
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5.5、具体的设计步骤
Step5 双轴应力的计算与校核 从双轴应力椭圆中知道，当轴向应力不为零时，会对套 管的抗外挤和抗内压产生影响（具体的影响见前面）。对于
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5.4、等安全系数（进行套管柱设计）
这种方法是最简单也是现场中使 用最广泛的一种方法，实践证明，在 一般的井中是比较安全的。但对于超 深井，HTHP井（海洋上钻井）一般是 不易使用。（SY5322-88或SY53222000标准） 任何一种方法进行设计，都与载 荷的计算有关，若计算出的载荷不同， 那么设计出的管柱可能有较大的差别。
等安全系数法（总的要求）：在最危险截面上是安全的。 具体原则：①以内压载荷筛选初始套管；②根据外挤载荷进行具体设计； ③最后按抗拉强度进行校核。
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5.5、具体的设计步骤
Step1 Step2 收集资料，掌握已知条件； 确定安全系数； ① 载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； ② 计算公式精确性↑，安全系数↓： ③ 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； 井身结构，压力剖面等，套管的库存等。
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3.4、上提管柱安全系数计算公式
套管抗拉强度 Y Y s = = 轴向载荷 Q+F (W+ w A)+ (fw sin )
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4、套管伸长与缩回计算
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4.1、套管在外力作用下伸长计算
（1）在自重作用下伸长量计算公式： （2）在钻井液中的伸长计算经验公式：
的分析，API提出了四种计算套
管挤压公式：弹性挤压、塑性过 渡挤压、塑性挤压和屈服挤压。
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其中
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2.2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度
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套管的 损坏从 总体上
来分
3、定向井套管柱载荷计算及其强度设计
定向井套管柱强度设计总体上与直井相同。
在弯曲井段，由于弯曲效应增大了套管柱的拉力 载荷，套管的弯曲应力对套管柱抗拉强度影响较大。
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3.1、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件