石油工程课程设计套管柱及其强度设计.ppt

1,石油工程设计 固井工程设计,杨明合 石油工程学院,2,一、套管的类型及其性能 二、套管柱的载荷分析及套管强度 三、套管柱强度设计 四、注水泥工艺,3,一、套管的类型及其性能,1、基本概念 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。 大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。 表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚。 （API SPEC 5A：C75、C95、P110的套管只能用无缝管制造）,4,1、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。,5,1、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。, API对套管进行了相应的分级（H、J、K、N、C、L、P、Q八种共十级）即： H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和Q125，前6种类型为抗硫的，其余为非抗硫的。,6,1、基本概念,API套管规范及强度(5寸套管)甲方钻井手册P192,7,1、基本概念,值得注意的是： 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 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。,API套管规范及强度(5寸套管),8,1、基本概念,（3）套管的壁厚 是指套管本体处管体的厚度，又称为套管名义壁厚。 套管的壁厚也已经标准化了。和套管壁厚直接相关联的就是套管的名义质量（或名义重量），指定是套管单位长度的质量（或重量）。,API套管规范及强度(5寸套管),9,2、套管的联接,套管柱通常都是由同一外径、相同（或不同）钢级、壁厚的套管用接箍联接组成的。 联接是由螺纹来实现的，螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。 套管螺纹都是锥形螺纹，在API规范中分为五大类。前四类属API 标准，第五类系非API标准。,10,二、套管柱的载荷分析及套管强度,套管柱: （1）在入井、注水泥以及以后生产的不同时期，套管柱的受力也是不断变化的。 （2）在不同的地层和地质条件下，套管柱所承受的外载荷也是不同的。 如在井下的盐岩层对套管柱的压力梯度则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；在易坍塌油层生前的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不尽相同。 经过长期的生产实践证明，虽套管柱的受力复杂，但是影响套管柱的基本载荷主要有以下几种： 轴向载荷；外挤压力；内压力。 其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑到安全系数中去了。,11,1、轴向载荷及套管的抗拉强度,（1）轴向载荷种类 自重产生的轴向拉力，是轴向应力产生的基本原因。在井口最大。教材P258 式77 API标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的，对于井眼上存在大的斜度或狗腿时，这样由于弯曲的影响就增大了套管的轴向拉力。特别是在靠近扣处易形成裂缝损坏，故应给予考虑。 教材P259 式710 在深井或超井的注水泥过程中，由于注水泥浆量较大，故在水泥还未返出套鞋处时，将对套管柱产生一较大的附加轴向应力。教材 P259 式711 其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。而剩余的力由于计算复杂，有时难以预料，故一般用安全系数来进行考虑。,12,1、轴向载荷及套管的抗拉强度,（1）轴向载荷种类,实际设计中，一般不考虑浮力对轴向载荷的作用，则设计结果偏于安全。 但在计算精度要求较高的情况下（如高温高压井），为了更好的发挥管材强度性能，此时往往不能简单的给予忽略。,13,1、轴向载荷及套管的抗拉强度,（2）轴向载荷下套管抗拉强度 目前我国现场中所用的套管绝大多数为API标准圆扣套管：扣为V型，扣根与扣尖为圆孤形。 从API的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出，绝大部分套管的破坏形式是滑扣，特别是对于圆螺纹，本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。 所以一般在设计中，除了考虑套管的屈服强度外，还要考虑套管丝扣的连接强度。 值得注意的是，在轴向载荷下，不仅存在连接强度的问题，而且还由于双轴应力效应对抗内压、抗外压强度都有影响，同时对套管丝扣的密封也有直接的影响。,14,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,（1）外挤载荷种类 （假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）,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。,15,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,套管内全掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井身结构,16,2、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。 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。 套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明， 套管径厚比d / （外径/壁厚）较大时：失稳破坏； 当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。,图3-8-2-3 套管截面的挤毁,17,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,（2）套管的API抗挤强度 API 5C3通告详细叙述了测定套管抗外挤强度的程序（轴向应力为0 ） 。 在外挤压力作用下，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。,18,19,2、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 在实际的情况中，套管的轴向载荷是不为零的。从套管的应力分析基础出发，实际上套管的受力是三维的。,s套管的屈服强度,20,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,周向载荷,内压强度,外挤强度,无轴向载荷时：套管的抗外挤（内压）强度为一常数（表现为圆形）。,有轴向载荷时：套管的抗外挤（内压）强度受轴向外载荷影响（表现为椭圆形） 。,双轴应力椭圆：轴向载荷对套管抗外挤强度的影响,21,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,22,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,计算实例,23,3、内压载荷及套管的抗内压强度,（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） 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。 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。 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。,24,3、内压载荷及套管的抗内压强度,25,3、内压载荷及套管的抗内压强度,井底的压力： 套管内有效内压载荷： 井口有效内压载荷： 井底有效内压载荷：,等于管内的减去管外的地层流体压力,在实际的计算时，一般是按套管全部掏空的情况考虑的。,式中：PB井底压力，MPa；Pio井口压力，MPa； d钻井液密度，g/cm3；p地层流体密度，g/cm3；,26,3、内压载荷及套管的抗内压强度,套管内全掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井身结构,27,3、内压载荷及套管的抗内压强度,套管内部分掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井底,井身结构,28,3、内压载荷及套管的抗内压强度,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，但气泡仍然保持原有的压力，那么,29,3、内压载荷及套管的抗内压强度,（2）套管抗内压强度,30,3、内压载荷及套管的抗内压强度,计算实例,31,4、套管柱强度设计,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。 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。 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）。 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。,32,4.1、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。 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）,具体的原则有三点,33,4.1、套管强度设计的原则,（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23种钢级，壁厚也宜选用23种，不能过多。,具体的原则有三点,34,4.2、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,35,4.3、各层套管设计的特点,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）,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）,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）,表套,技套,油套,36,4.4、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SY5322-2000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：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； 最后按抗拉强度进行设计、校核上部套管。,37,4.5、具体的设计步骤,Step1 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。 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：,38,4.5、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； 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。 中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍； 生产套管的计算方法在按补充方法进行。,39,4.5、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； （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712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： （2）则第一段下入长度为： （3）校核第一段的抗拉强度： （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力；同时还应当考虑套管接箍的强度。,40,4.5、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714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，则要用试算法把下一段适当向上适当延伸，直到满足要求为止（或选择高钢级的套管）。,41,4.5、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。（轴向拉力为主要矛盾）； 则第i段顶部截面的强度必须满足：,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。,42,4.5、具体的设计步骤,Step7 抗内压安全系数校核。（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。公式见教材P268式722,43,例：某井7（177.8mm）套管下入深度3500m，井内钻井液密度1.3g/cm3，水泥返至2800m。要求进行抗挤、抗拉设计。抗挤安全系数不低于1.00，抗拉安全系数不低于1.75。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、钻井液密度水泥返高及套管强度性能表等）。,4.6、设计举例,尺寸：177.8mm，下深3500m，钻井液d=1.3g/cm3，固井水泥返高2800m，安全系数：抗挤Sc=1.125，抗拉：ST=1.80。 套管的性能表格（可以从中查各种套管的性能参数）,44,2）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=dgD110-6 =1.30.0098350045.5MPa 式中: pco1：套管在井底所受外挤压力，MPa。 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 pco1SC10-6D1 式中 D1：第一段套管抗挤强度，MPa；SC：抗挤安全系数。 根据D1即可由套管强度性能表中选出下部第一段套管。 由套管性能表查得N80、壁厚11.51mm套管，其抗挤强度为: D1 =60.5MPa。 因此，实际安全系数为：,第段套管,D1=3500,4.6、设计举例,45,3）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，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，其可下深度为,Pco2=dgD210-6,式中: D2第二段套管的可下深度，m； D2第二段套管抗挤强度，MPa。,则第一段套管使用长度L1=D1-D2;,D2Pco2SC,第段,第段,D2,D1=3500,4.6、设计举例,N-80、11.51mm,46,若选：N-80，壁厚10.36mm，抗挤强度D2=49.35MPa，,实际取第二段下入深度D2=3300m,则第一段套管长度： L1=D1-D2=3500-3300=200m,D1=3500,D2=3300,4.6、设计举例,N-80、11.51mm,N-80、10.36mm,47,第一段套管每米重量为0.476KN，抗拉强度3048kN,浮力系数,校核第二段套管抗挤强度：安全系数：SC2,1.80 （安全）,1.125（安全）,第一段套管抗拉安全系数：ST1,第一段套管重为： . Wcd1=BFqc1Lcs1=0.8330.476200=79.33kN,D1=3500,D2=3300,4.6、设计举例,N-80、11.51mm,N-80、10.36mm,48,4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。 按抗挤强度选择钢级或厚度更低一级的套管，第三段套管选N-80、壁厚9.19mm，抗挤C3=38.03MPa,按抗挤强度第三段套管下入深度为2600m（在水泥面以上），表明第二段套管顶部已超过水泥面。所以在第二段水泥面处和第三段底部都应考虑双向应力的影响。,D1=3500,D2=3300,D3=2600,4.6、设计举例,N-80、10.36mm,N-80、9.19mm,49,4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。,可下深度：,显然第三段套管底部由于承受其下部套管的重量，其抗挤强度必定下降，下入深度就不可能达到2600m，否则其底部安全系数必1.125。 由于第二段比第三段强度大，应将第二段套管长度增长，即减少第三段的下入深度，提高其底部的抗挤系数，以补偿双向应力的影响。 但第二段增长后，轴向拉力增加，由于双轴应力影响，又将进一步引起第三段套管下端抗挤强度降低，可采用试算法。,D1=3500,D2=3300,D3=2600,4.6、设计举例,50,4）双轴应力计算 当按抗挤强度设计套管柱超过水泥面或中和点时，应考虑下部套管柱（浮）重引起套管抗挤强度的降低，即按双轴应力设计套管柱。,D1=3500,D2=3300,D3=？,或按课本公式7-14进行计算。,4.6、设计举例,51,4）双轴应力计算 计算降低后的抗挤强度值，校核抗挤安全系数能否满足要求。 若不能满足要求，采用试算法将下段抗挤强度较大的套管向上延伸，直至抗挤安全系数满足要求。 这样可从下向上确定下部各段套管。 由于愈往上外挤压力愈小，故可选择抗挤强度更小的套管，当到达某一深度后，由于套管自重产生的拉力载荷增加，抗拉强度表现为主要矛盾时，则按抗拉设计确定上部各段套管。,D1=3500,D2=3300,D3=？,4.6、设计举例,52,4）双轴应力计算 首先对水泥面处抗挤安全系数SC2校核。第二段套管线重0.4315KN/m，段长3300-2800=500m。水泥面下套管浮重： W1+W2=79.33+5000.43150.833=259kN 按公式7-14计算轴向拉力下抗挤强度，第二段管体屈服强度Fg2=3066kN 。,（安全）,水泥面处抗挤符合要求,D1=3500,D2=3300,D3=？,4.6、设计举例,53,5）用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。, 首先假设下至2300m。 第二段长：L2=3300-2300=1000m 第二段（浮）重： W2=0.83310000.4135=359.4kN 第一、二段累积浮重 W1+ W2=79.33+859.4=438.7kN 第三段管体屈服强度Fg3=2740kN,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、设计举例,54,5）用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。,第三段底部双轴应力下抗挤强度为,抗挤安全系数：,1.125，安全,第三段下至2300m时抗挤安全。,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、设计举例,55,可见第三段N-80、9.19mm延伸至井口抗拉强度不符合要求。,1.80（不安全）,（安全）,6）校核第二段套管顶部截面积的抗拉安全（不考虑浮度） 第二段抗拉强度Fj2=2708kN,第二段抗拉符合要求。,若将第三段设计到井口：Fj3=2354kN，q3=0.3869kN）,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、设计举例,56,7）按抗拉强度设计确定上部各段套管：,第 i 段抗拉强度Ti ，则该段套管顶截面的抗拉安全系数ST为,D1=3500,D2=3300,D3=2300,设自下而上第 i 段以下各套管的总重为:,4.6、设计举例,此处i=3,57,（安全）,第四段选用，N-80，10.36mm，长度： L4=D-L1-L2-L3=3500-200-1000-2000=300m q4=0.4315KN/m， W4=3000.4315=129kN,第三段取2000m，抗拉符合要求,(安全),实取L3=2000m，W3=20000.3869=774kN 第三段顶端抗拉安全系数,抗拉安全系数,D1=3500,D2=3300,D3=2300,D4=300,4.6、设计举例,58,资料表明，中深井或深井，地层压力在正常力梯度下，按以上设计步骤设计出的套管柱，一般能满足抗内压要求； 若实际抗内压安全系数SI小于所规定抗内压安全系数，则控制井口压力，井口压力限制在套管（或井口装置）允许的最大压力之内或将套管柱设计步骤改为先作抗内压强度设计，选出满足抗内压强度的套管后再作抗挤和抗拉设计。,8）抗内压安全系数校核,4.6、设计举例,59,4.6、设计举例,D1=3500,D2=3300,D3=2300,D4=300,N-80、壁厚10.36mm,N-80、壁厚9.19mm,N-80、壁厚10.36mm,N-80、壁厚11.51mm,外挤载荷,轴向载荷,井深,60,我们的产品,61,我们的产品,62,我们的产品,63,四、注水泥工艺,（一）注水泥技术的内容和要求 1、主要内容 选择水泥类型； 设计水泥浆性能； 选择水泥外加剂（或外掺料）； 井眼准备； 注水泥工艺设计；,64,（一）注水泥技术的内容和要求,2、基本要求 水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求； 注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净，不窜槽； 水泥环（水泥石）有足够的连接强度和封固性能，不发生油气水窜，能经受住酸化、压裂等； 水泥石能抗（油、气、水的长期）腐蚀。,（重点）,65,（二）API油井水泥分级方法,1、分级 鉴于油井水泥特殊的使用环境及对性能的要求，建立了专门的油井水泥分级方法。 目前API水泥分A、B、C、D、E、F、G 和H八个级别，每种水泥适用于不同的井况，此外还根据水泥抗硫酸盐能力进行分类。分为： 普通型（O） 中抗硫型（MSR） 高抗硫型（HSR）。,66,（二）API油井水泥分级方法,67,（二）API油井水泥分级方法,68,（二）API油井水泥分级方法,6