第6讲 [第二章 套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法

等安全系数法（总的要求）：在最危险截面上是安全的。 等安全系数法（总的要求）：在最危险截面上是安全的。 ）：在最危险截面上是安全的 具体原则： 以内压载荷筛选初始套管； 根据外挤载荷进行自下而上设计； 具体原则：①以内压载荷筛选初始套管；②根据外挤载荷进行自下而上设计； ③最后按抗拉强度进行设计、校核上部套管。 最后按抗拉强度进行设计、校核上部套管。
4.5、具体的设计步骤 、
Step6 按抗拉设计确定上部各段套管长度
愈向上，Pc↓，而轴向拉力↑ 故应改为抗拉进行设计。（轴向拉力为 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）； 主要矛盾）； 则第i段顶部截面的强度必须满足： 则第i段顶部截面的强度必须满足：
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 套管柱强度设计 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
第3节 套管柱强度设计 节
1. 套管、套管柱 套管、 2. 套管柱的载荷分析及套管强度 3. 定向井套管柱载荷计算 4. 套管柱强度设计
4.5、具体的设计步骤 、
Step4 计算外挤载荷，依据外挤载荷确定套管下入长度； 计算外挤载荷，依据外挤载荷确定套管下入长度；
（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 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 12或P267，按此式初选第一段套管，下深为D1； 较低的套管作为第二段套管，下入深度： 较低的套管作为第二段套管，下入深度：
4、套管柱强度设计 、
4.1、 4.1、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。 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 这个设计不但要能保证在钻进时的安全性， 井使用期间的安全性。从这二点来讲， 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。 工作。 ● 对开发井，可以设计出成本最低的套管柱（以成本优先）； 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（安全为主）。 对勘探井，则往往需按最大估算应力来设计（安全为主）。 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 总之，安全的保障越大，那么费用就越高的， 占总费用20%左右 占总费用20%左右。 左右。
油套
特点：下入深度大，在其中下入油管， 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 种情况。 种情况。 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产） 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产） ），抗外挤 ），抗内压 各
4.4、等安全系数（进行套管柱设计） 、等安全系数（进行套管柱设计）
第 ① 段 管
p
根据σD1即 根据 套管 套管强度 N 80
-6 co1SC×10 ≤σD1
2800 套
第一段套管抗挤强度， 抗挤安全系数。 式中 σD1：第一段套管抗挤强度，MPa SC：抗挤安全系数。 中 下部第一段套管。 下部第一段套管。
水 泥 返 高
壁厚11.51mm套管， 抗挤强度 : 套管， 壁厚 套管
4.5、具体的设计步骤 、
Step1 收集资料，掌握已知条件； 收集资料，掌握已知条件；
井身结构，压力剖面等，套管的库存等。 井身结构，压力剖面等，套管的库存等。
Step2 确定安全系数； 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ 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 ： 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 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； 情况考虑； API规定的安全系数： 规定的安全系数： 规定的安全系数
4.1、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。 能满足钻井作业 油气层开发和产层改造的需要 钻井作业、 的需要。
钻进：不同压力层的隔离，异常压力段，坍塌地层等； 钻进：不同压力层的隔离，异常压力段，坍塌地层等；
具 体 的 原 则 有 三 点
油气层的开发：地层压力随开采的变化，及岩层的蠕变等； 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。 产层的改造：注水、注气等导致的压力和温度的变化等等。
技套
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； 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。 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） 侧重点：抗拉（下入较浅），抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深） ），抗内压 ），抗外挤
D2 = [ Pc 2 ] /(9.81ρ d S c )
（2）则第一段下入长度为： 则第一段下入长度为： （3）校核第一段的抗拉强度： 校核第一段的抗拉强度：
L1 = D1 − D2
S t1 = Fs1 /( L1q1 ) ≥ 1.8
（4）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 对深井、超深井，当注入水泥量较大时， 力；同时还应当考虑套管接箍的强度。 同时还应当考虑套管接箍的强度。
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， 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 中是比较安全的。但对于超深井， 井（海洋上钻井）一般是不易使用。 海洋上钻井）一般是不易使用。 （SY5322-88或SY5322-2000标准） SY5322-88或SY5322-2000标准） 标准 任何一种方法进行设计，都与载荷的 任何一种方法进行设计， 计算有关，若计算出的载荷不同，那么设 计算有关，若计算出的载荷不同， 计出的管柱可能有较大的差别。 计出的管柱可能有较大的差别。
σD1 =60.5MPa。 。
因 ， 安全系数 ：SD1
=
σ D1
P1 co
60.46 = = 1.33 45.5
源自文库
D1=3500
4.6
3）确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度。 ）确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度。 由于外挤压力愈往上愈小，根据既安全又经济的原则， 由于外挤压力愈往上愈小，根据既安全又经济的原则， 第二段套管可选钢级或壁厚较低一级（即抗挤强度小一级） 第二段套管可选钢级或壁厚较低一级（即抗挤强度小一级） 的套管， 的套管，其可下深度为 第 ② 段
S ti ≥ Fsi /( Li q mi + ∑ Ln q mn )
n =1
i −1 −1
⇒ Li = [ Fsi / S ti − (∑ Ln q mn )] /q mi
n =1
i −1
如果L 还没有能够达到井口，则第i段上部选用抗拉强度更大的套管进行计算。 如果Li还没有能够达到井口，则第i段上部选用抗拉强度更大的套管进行计算。
4.3、各层套管设计的特点 、
表套
特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头， 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。 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） 侧重点：主要是考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重） 。（井喷关井时情况最为严重
4.5、具体的设计步骤 、
Step7 抗内压安全系数校核。（选用） 抗内压安全系数校核。（选用） 。（选用
对事先没按抗内压筛选套管的井，一般的还要进行抗内压的校核。 对事先没按抗内压筛选套管的井，一般的还要进行抗内压的校核。公式 见教材P268式 见教材P268式7—22
4.6、设计举例 、
例：某井7″（177.8mm）套管下入深度 某井 （ ）套管下入深度3500m，井内钻井液密度 ， 1.3g/cm3，水泥返至 水泥返至2800m。要求进行抗挤、抗拉设计。抗挤安全系数不 。要求进行抗挤、抗拉设计。 低于1.00，抗拉安全系数不低于1.75。试设计此井套管柱。 ，抗拉安全系数不低于 低于 。试设计此井套管柱。 1）掌握已知条件（套管尺寸和下入深度、安全系数、钻井液密度水泥 ）掌握已知条件（套管尺寸和下入深度、安全系数、 返高及套管强度性能表等）。 返高及套管强度性能表等）。 尺寸： 尺寸：177.8mm，下深 ，下深3500m，钻井液 ， ρd=1.3g/cm3，固井水泥返高 固井水泥返高2800m，安全 ， 系数：抗挤 系数：抗挤Sc=1.125，抗拉：ST=1.80。 ，抗拉： 。 套管的性能表格（ 套管的性能表格（可以从中查各种套管 的性能参数） 的性能参数）
（2）在承受外载时应有一定的储备能力。 在承受外载时应有一定的储备能力。
的 的 的 。 开发 、 ， 和 不同 ， ， 的 力， 力，
4.1、套管强度设计的原则 、
（3）经济性要好。 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、 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， 壁厚套管的组合设计。现场一般多为2 种钢级，壁厚也宜选用2
S i ∈ (1.10 ~ 1.33 )，一般取1.10 S c ∈ (1.00 ~ 1.25 )，一般取1.00 S t ∈ (1.60 ~ 2.00 )，一般取1.80
4.5、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； 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 内压载荷由套管内外的流体综合产生。 关井和特殊作业（压裂、 注水） 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。 管是不同的。 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； 介绍 生产套管的计算方法在按补充方法进行。 生产套管的计算方法在按补充方法进行。
具 体 的 原 则 有 三 点
不能过多。 不能过多。
4.2、常用的设计方法 、
常规的方法是自下而上分段设计。 常规的方法是自下而上分段设计。
等安全系数法（最常用）（√ 等安全系数法（最常用）（√） ）（ 边界载荷法 最大载荷法（ 最大载荷法（√） AMOW法 AMOW法 BEB法 图解法） BEB法（图解法） 前苏联的设计方法
4.5、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 从双轴应力椭圆中知道，当轴向应力不为零时， 压产强度生影响（具体的影响见前面）。对于套管柱的长超过水泥面或中 压产强度生影响（具体的影响见前面）。对于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 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。 7—14计算双轴应力下的抗挤强度。 14计算双轴应力下的抗挤强度 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： 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，则要用试算法把下一段适当向上适 按双向应力计算，如果强度不够， 当延伸，直到满足要求为止（或选择高钢级的套管）。 当延伸，直到满足要求为止（或选择高钢级的套管）。
Pco2=ρdgD2 co2
4.6
2）根据外挤压力和抗挤安全系数确定下部第一段套管钢级和壁 ） 厚。 pco1=ρdgD1×10-6 =1.3×0.0098×3500≈45.5MPa × × 式中: pco1：套管在井底所受外挤压力，MPa。 式中 套管在井底所受外挤压力， 。 因下部第一段套管所受的井底外挤压力和安全系数的乘积应等 于（或小于）抗挤强度，即 或小于）抗挤强度，