第二章 套管柱设计与固井.

大庆：8976口，占16%以上； 吉林：2861口，占30%以上； 胜利：3000多口，占10%以上； 中原：占投产井数23.3%； 并且各油田套损井数有上升趋势。
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管：优质钢材制成的无缝管或焊接管，一端为公扣，直接 车在管体上；一端为带母扣的套管接箍。
表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚
套管弯曲引起的附加拉力 Fbd，在井斜狗腿较大 经验公式 ：
Fbd 0.073Dco Ac
KN
Dco—套管外径，cm ；Ac — 套管截面积，cm2 ； θ—每25m 井斜角的变化，0/ 25m
11 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。
第一节 套管柱设计
注水泥引起的附加拉力 Fc
其中，字母只是标识，数字代表套管的强度。 如： N-80套管，最小屈服强度=80 kpsi=551.58MPa • 套管的壁厚: 套管本体处管体的厚度，壁厚：5.21~16.13 mm 关系套管的线重，指套管单位长度的质量
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第一节 套管柱设计
API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P192
石油工程本科班
完井工程
Well Completion Engineering
石油工程学院
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第二章
主要内容: — 1.套管柱设计 — 2.油井水泥和注 水泥 — 3.生产套管的损 坏与防护
套管柱设计与固井
一开 表层套管 二开 中间套管
(技术套管)
三开
oil zone 生产套管
(油层套管 ) 2
第二章
盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；
在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同； 在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同
• 长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：
①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。
其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中
• 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 23～27kPa/m。
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第一节 套管柱设计
套管内全掏空
载荷 载荷
载荷
井身wk.baidu.com构
井 深
井 深
井 深
套管内液面
套管外载荷
套管内载荷
有效外载荷
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（2）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。 失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工 作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管
损坏严重者油气井报废。
• 外挤作用下破坏形式： — 径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁)
— 径厚比小时，强度破坏
• 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可 在钻井手册或套管手册中查得。
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第一节 套管柱设计
（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）
套管内微小单元，外载作用下产生三向应力
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第一节 套管柱设计
1、轴向载荷及套管抗拉强度
自重引起的拉力 Fm，在井口最大
n d Fm qi Li (1 ) 103 qmi Li 103 KN s i 1 i 1 n
qmi — 第 I 种套管在钻井液中单位长度的重力，N/m ; Li — 第 I 种套管的长度， m ； n — 组成套管柱的套管种类（钢级、厚度）。
( m d )h 2 KN Fc d ci 1000 4
其它附加拉力 • 一般在安全系数中考虑。 套管的抗拉强度
h —管内水泥浆高，m； ρm—水泥浆密度，g/cm3； ρd—钻井液密度，g/cm3； dci —套管内径，cm。
• 上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；
• 套管所受轴向拉力一般在井口最大
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管尺寸： 又称名义外径、公称直径等，是指套管本体的外 径；API标准，共14 种尺寸。
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 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， API标准， 8种10级
H-40, J-55, K-55, C-75, L-80, N-80, C- 90, C-95, P-110, Q-125
由第四强度理论：
对于薄壁管，
s
1 [( t r ) 2 ( t z ) 2 ( z r ) 2 ] 2
可忽略，变为双向应力问题。
套管柱设计与固井
井身结构—油井基础，全井骨架 固井工程—套管柱设计和注水泥 不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否顺利生产和寿命。 2006年3月25日，重庆开县罗家2井， 套管破损，地下井漏， H2S喷出， 12000人紧急疏散，2口井报废。
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第二章
套管柱设计与固井
70年代以来，我国油气田套管损坏现象十分严重。 1998年底大庆、吉林、中原、胜利、辽河等10多油田套损 井达14000多口，若按每口井较低成本150万元计，仅套损直 接损失210亿元，还不计油井损坏停产损失。 2005年，套损严重油田累计套损井数和占投产井数比例：
• 拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断 • 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（1）外挤压力—主要载荷： 管外液柱压力 地层中流体压力 高塑性岩石侧向挤压力 地质构造应力等
• 一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：
poc 0.00981d D MPa
短圆螺纹 长圆螺纹 梯形螺纹 直连形螺纹 特殊螺纹
符号或代号
STC/ CSG/ C1 LTC/ LCSG/ C2 BTC/ BCSG/ C33 XL/ XCSG/ CHX /
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API标准
非API标准
第一节 套管柱设计
二、套管柱载荷分析及套管强度
• 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、 后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接 组成的管柱， 特殊情况下也使用无接箍套管柱
• 联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。
• 套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，API 标准和非API标准。
类数
1 2 3 4 5
标准
名称