SYT5731-1995套管柱井口悬挂载荷计算方法

SY中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5731一1995套管柱井口悬挂载荷计算方法19951108发布19960501实施中国石油天然气总公司发布目J口本标准主要内容是确定套管柱井口悬挂载荷的计算方法因套管在井口装载固定后，受力状况将随井内条件变化而改变因此套管柱井口装载时，应事先依据井下条件及以后变化的条件，计算套管柱井下受力和确定悬挂载荷、这种载荷能够满足预期情况要求，所以说套管柱井口悬挂载荷计算是套管强度设计与完井工艺中一项重要内容目前，国内关于悬挂载荷的确定没有统一的规范，编制本标准完善了套管柱强度设计的最终内容，同时基于我国油田完井井口存在一定的质量问题，部分井出现自由段套管早期损坏及易发生螺纹泄漏的现象出于现场需要而提出本计算方法。确定套管柱井口装载时的悬挂载荷，采用的基本原理是考虑各因素后，控制水泥面返深位置上套管轴向力等干该深度上套管的稳定力，以此作为中性点，而保持自由段套管不受压缩载荷。具体计算采用图解法，可以通过简单的受力分析与计算并绘图。即可确定合理的悬挂载荷本标准的附录A是标准的附录本标准由石油钻井工程专业标准化委员会提出并归口。本标准起草单位华北石油管理局第二钻井工程公司。本标准主要起草人徐惠峰熊歧目次前言1范围“”一”，”12套管柱井口装载的基本原则”“13套管柱井口悬挂载荷计算的主要参数”14套管柱井口悬挂载荷计算程序”“”“”15图解法悬挂载荷计算步骤”“”“，“2附录A标准的附录悬挂载荷计算题例，”“10中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T57311995套管柱井口悬挂载荷计算方法1范围本标准规定了套管柱井口装载基本原则、悬挂载荷计算主要参数及计算程序和方法。本标准适用于油气井技术套管和油层套管的井口悬挂载荷的设计和计算。2套管柱井口装载的基本原则21应使用符合标准的套管头22保持井口装载后，自由段套管在后续生产的全过程中不应受压及发生轴向弯曲。23依据套管柱强度设计要求，确定的井口悬挂载荷，应保证套管柱有合理的抗拉安全系数有硫化氢腐蚀的井，悬挂载荷计算应限定套管柱轴向载荷。24井口高度应符合钻井过程及完井生产规定，并满足密封要求。25由于受套管柱结构及各种外载因素的影响在进行固井设计时，应预先进行悬挂载荷计算，并可调整套管柱的抗拉强度及管外水泥返深，从而确定合理悬挂载荷。26装载后井口形成的最大悬挂载荷，除保证管柱有最低的抗拉安全系数，还需校核套管头卡瓦的临界轴向载荷3套管柱井口悬挂载荷计算的主要参数主要参数包括A套管柱的强度钢级、壁厚段长及螺纹联结强度B水泥返深。水泥浆及钻井液密度C后续作业的井下温度变化及管内液柱密度变化D试油及开采引起的管内压力变化E井口装载时、套管柱实际自由段套管长度FL井口控制的回压等。4套管柱井口悬挂载荷计算程序41确定悬挂载荷的原则A确定自由段套管轴向力除考虑所受的各种外载力外，还应预计到该层套管在后续作业的外载力影响B保证水泥面处套管轴向力至少等于稳定力，使其自由段套管不发生弯曲C施加在井口上的悬挂载荷，保证套管柱上的中性点轴向力等于稳定力的点称为中性点在水泥返深面以下42悬挂载荷计算方法及程序421采用图解计算法422计算程序4221确定套管柱每一段的底部和顶部轴向力，4222计算套管柱每一段的顶部和底部稳定力，中国石油夭然气总公司19951108批准作出轴向力与深度的关系曲线。作出稳定力与深度的关系曲线。19960501实施ISY/T5731一19954223轴向力线与稳定力线交点即为中性点。该点在水泥面以上时，该点至水泥面的套管段将受压发生轴向弯曲，为防止弯曲，应使水泥面深度处套管段轴向力等于稳定力需增加的悬挂载荷等于水泥面上稳定力减去水泥面上轴向力或224最终要确定的井口悬挂总载荷等于套管柱顶部井口轴向力减去水泥面深度上一段套管段底部轴向力再加上增加的悬挂载荷。4225根据井口悬挂总载荷，校核套管柱的抗拉安全系数及套管头卡瓦临界轴向载荷。图解法悬挂载荷计算步骤计算用符号和代号见表1表1悬挂载荷计算用符号和代号序号代号名称单位L月套管内截面积NLMZ，月。套管外截面积MMZ3A套管截面积MM之4月门第段套管内截面积5月2第2段套管内截面积MMZ台月。一1第，卜1段套管内截面积MMZ月第尹1段套管内截面积MMZ8一瓦管柱内截面积与管壁截面积的平均比值_9C卡瓦压碎因素10D。套管外径CLNE钢材弹性系数21义1。协N/CL们212只作用于浮箍底面的力负值N】之几作用干浮箍顶面的力正值N14凡第1与第2段套管台肩处台肩力NR一五2第”一、段与第N段井口套管台肩处台肩力N16F密度丫。套管台肩处的台肩力变TN1，八几第1与第2段套管台肩力变TN8凡第2与第3段套管台肩力变T19么凡，第”一1套管段与第N段套管台肩力变量N2O尸诱八1在第2段与第3段套管处形成的台肩力NNULL二L丁一兀卡瓦临界轴向载荷1、N1_马，套管柱下深，浮箍深度M23H，第2段套管下深11飞24场第3段套管下深M一一SY/T57311995表1续序号代号名称单待25州一，第”段套管下深一瓦一26F,水泥面深度一27I一一一一一卡瓦长度28J一一钾卜一一一一一一卡瓦系数2636一29K,浮箍处稳定力一N3。一K,水泥面处套管稳定力N3LK,第7_段套管顶部稳定力N32凡第3段套管底部稳定力、33K_第“段套管顶部井口、稳定力34K密度由，J。变至。后的套管稳定力上_扭35一IKF井口装载悬挂总载荷N36人FY1M条件或考虑变T后井口悬挂总载荷37L,第】段套管长度38L,第2段套管长度39乙飞第3段套管长度一4041乙42乙143八乙，444L,45OL44,P47P48PL49尸，Z50PO，51P,52几53么P54尸J55G569ISY/TS，31一1匆弓表1宪名称单位57NULL一一一一籩SQ。属履套香辰丽万蔽辐高为一一一一洲曰一一一一一N581产QJ第段套管顶部轴向力，N59Q2第段套管底部轴向力N60Q3第2段套管顶那轴向力N6QI第，一1段套管顶部抽向力L_N622。，一第，段套管底部轴向力N63一，Q，2第刀段套管顶部井口轴向力N64忿卜泥面处套，轴向力一一NI姆台乙长度变化受限制而形成的附加轴向力N斗些里些竺竺塑丝竺熨竺竺匕一一一一一一一、全一叩佛段”晰的枷力性一互囚卜一一一对第3段套管班部影响后的抽向力增沮度数Q一Q一QS一盯叻一胡一胡69，0冲L第1段套借里力N，11L叭第2段套管宜力N72甲、第段套管重力入73甲”第陀段套管重力N74一伴飞第2段套管水泥封过的套管盆力一一N75衅增加的悬挂载荷N76甲，加深后增加的悬挂载荷N77S抗拉安全系数，8S设计要求的最小抗拉安全系数一，9下水泥浆密度807钻井液密度9/CM38丁，M加深钻进的钻井液密度9/CM，821凌。泊松比。J吕3NULL一“T钢材热协胀系败13XL。为1/亡84套管最小屈服强度N/MRNZ反2计算静液柱压力作用于套管浮艳截面及台肩上的力见图AL绞11作用于浮箍底面的力FI乐2LI浮箍深度H静液柱压力POL按1式计算P。二00098H。YMH，一H。妙1”二“”土4SP/T5731一19955212由P。压力形成的力F,按2式计算F,一尸。A522作用于浮箍顶面的力几5221浮箍顶面静液柱压力P按3式计算P,00098H,35222井口回压尸。按4式计算。尸。尸OF一尸14若敞压候凝,P。二05223由P,压力形成的力几按5式计算F2尸。】AIL523作用于套管台肩处的力凡，凡，凡一，5231设。为套管柱段数5232第1段与第2段套管台肩处台肩力凡按6式计算F,一P,P_A,一A,567，P,00098热丁、5233套管柱结构设计为”段，由井底向井口分别为第1段，第2段，第I段，由于管壁厚度不同形成台肩。台肩力向上为负值，向下为正值，并由此形成台肩力F3,凡FI53计算套管柱各段在空气中重力531第1段套管重W按8式计算。W一98L,Q,“二“532设套管柱由1“。段组成、则各段重W。按9式计算。W，98LQ954计算各段套管上的轴向力541第1段套管底部浮箍处轴向力Q。按10式计算。QOF,十凡542第1段套管顶部轴向力Q按11式计算QIQO川，543第2段套管底部轴向力Q按12式计算QZQ、凡544第2段套管顶部轴向力Q按13式计算。Q二Q2W210111355711I995545浓I,13，一,RC汁_儿汽巴义LJ呀川又二断二口。”一。一141546第段套顶部又井R轴向勺2按1夭式计界口_，0斗一155讨算套管柱稳定力551浮箍处稳定力KI浮箍顶面稳定力与K值相同为正值，按16式计算戈P,A一孔11,552水泥面处套管稳定力凡按17式计算。设若水泥面处已封过第1段套管顶部、进人第2段套管段情况，KAP,000981HRII一000981N,HA”“553第2段套管顶部稳定力K按18式计算。K一P00098MH户A,一00098,、H,A,18554第1段套管底部稳定力K,按19式计算K,P,OA098I,IH,A，一00098YHA。119555依次计算至第段套管顶部气井口，隐定力K,十按20式计算瓦，2一几A。20AU,56绘制套管受力图确定悬挂载衍561依据54及55计算的轴向力与稳定力绘制与深度的关系曲线即套管受力图，见附录A标准的附录、图A2由图中获得穗定力线与轴向力线相交的交点1即为确定弯曲的中性点位置若该点在水泥面以下、则不会发生套管弯曲井口装载时，可控制中性点于水泥面，确定井口装载悬挂总载荷KF按21式计算KFQ，十2一Q。21设若水泥面深度在第2段套管范围内，则Q,QTVZ22IV,二98H,一HQL23I562S,0尸S一KF57122卡瓦临界铀向载荷按式4849校核，要求凡KF4849FCAAX10C1D。J/1DJ/I一】58计算举例悬挂载荷计算题例见附录A标准的附录。附录A标准的附录悬挂载荷计算题例A1题例某井以P3LLMM钻头采用钻井液密度140G/CM,GI2445MM技术套管下深3200M注人密度190G/CM3的水泥浆返至井深2000M套管柱结构见表A1及表A2,套管柱井下受力条件见图AL该井将加深至4500M完钻加深钻进采用的钻井液密度为180G/CM3，井温将增加431C。计算P2445MM技术套管井口装载的合理悬挂载荷、井口采用敞压候凝表A1套管柱数据之一段号MT1CM钢级螺纹类型MWMM单位长度重TKG/MJR2T】32002700500N80，LCSG10035960298011056480】10_1622700100017001199700070003100001000表A2套管柱数据之二段号4HRMMIRAMM外截面积MM内截面积MM螺纹滑脱载荷KN套管累积重量T12445224446951395503278329802224238840366981801622053819040256209903A2A21A22A3厄例圈示及计算用符号及代号套管柱井下受力条件，见图AL计算用符号和代号按51计算主要今胜设计计算用主要参数见表A310尺矛洲洲嵘附汰附以W衍一牛第3段套，。逻钻井液欢叭第2段套管如行R一水泥浆荞第1段套管价W题浮扭图AL套管柱井下受力条件表A3设计计算用主要参数序号代号数值_单位L月肠951111飞12，月39550MMZ3刁LZ3吕840MMZ4产刁381901111飞二气石2沙107N引衍一冬一广一毯2的二70从8NULL一籌IIL】0011一日表A3完序号代号数值单位9八2000M10I150CMI1J263612L,500M13L1700N214L,1000M15尸。0MPA16PP32783KN17尸R36698KN18PP40256KN19975960KG/M20926480KG/M21937000KG/M22S,I623AT4324AT13X10_F1/25W,292040X104N26WZ107夕568X10,N27W,680000X1少N28YO19G/CM297M149/CM30Y认18G/CM31P03不三一刁一550N/MMA4A41题例的计葬程序与步骤计算静液柱压力作用于套管浮箍面及套管台肩的力A411计算作用于浮箍底面的力F,POI00098H,YMH,H,YJ000982000X1432002000X19149784MPAF,P,A。二49784X46951233,7408X100NA412计算作用于浮箍顶面的力几P,00098H,YM00098X3200X1443904MPA12P,0F,_P,PI,A,，一43904395501736403X104NA413计算套管台肩处的台肩力几，凡A4131第1段与第2段套管台肩处P_00098H27M00098X2700X1,437044MPAF3”一P,P_A,A237,0443955038840一。OIX104NA4132第2段与第3段套管台肩处凡一00098H37MS0,0098XIOOOX1,41372MPAF4PAPAXA,2AA1372388403819008918X104NA42计算套管柱各段在空气中重力W,98L,Q,98XSOOXS9,一292040X104NW,9,SL2Q，一98X1700X64801079568X104NW398L2G398XIOOOX70,006960X104NA43计算套管柱轴向力A431第1段套管底部浮艳处轴向力QAQ。二F,十F22337048X1041736403X10HB00645X104NA432第I段套管顶部轴向力91Q二QEW600645X104十2920401马AO00098YM凡AO0009811100038190000981141100046951二一1202110NA446第3段套管顶部井口稳定力九K,二尸A13由于PO,则K50A45绘图绘制套管受力图作Q与K的深度关系曲线见图A2A46装载时井口悬挂载荷A461由图K与Q线交点于井底在水泥面以下套管不可能发生轴向弯曲当水泥未凝固时井口悬挂载荷即为第3段套管顶部轴向力QS所以井口悬挂载荷为Q5142174411O0NA462控制合理的井口悬挂载荷在水泥凝固后，为使有一平合理的井口悬挂载荷，控制中性点控制于水泥面深度上、则KFQ5QQQAW23349061104982700200064810,96221100NKF14217441100109622110013121221100NA47加深钻井后的井口悬挂载荷确定A471计算参数密度增至7二180G/CM3井下增温AT43CA472计算Y端产生的台肩力增童AFA4721第1段与第2段套管的台肩力增量凡一一14一一AF00098H,Y一下，AUA,二一、0098X270018014039550388400_75巧X104NA4722第2段与第3段套管的台肩力增量凡A凡二一00098H,YM下AA,00098X1000180140388403819002548X100N套管柱受力大小X1ON门石R厂厂VJ/乙七Y点易/尹少R/石RBUT终后产I/产/尸卜只VIA么力/少力F深TR力易、/X/7ES丁ID演AL再、/扩产PL沙，/产丫了J/L子日1卫乙I卜交药月一XO11厂厂口口日图A2套管柱受力图A473计算AF值对套管柱压缩长度A4731AF,对第2段套管自由段压缩长度L八LAF,H一月X10EA_一A一15一07515X100200。一1000X1021X1046951一38840一04412CM【压缩A4732凡和凡对第3段套管压缩长度几1010AFAFH_X10八乙_2EA。一A,一10063XLOX1000X21X1046951一38190X一05470CMA474A475YM值形成管内的内压力平均变化值APAP00049Y二一YMH,00049180一140X2000392MPA尸对自由段套管压缩长度L,，/A、，工一2X10H任I协尸“乙AS/A八H一H,A,H,A,I卜二二一一二一二二十A,/HA。一AIDH,A。一AA，20001卫00X38840200OX46951一388401000X381902000X46951二F8丽“D/4AL,一2X10X2000X032IX10X4574X392一10245CMA476由T引起自由段套管伸长与AL4ATHATX10二13X106X2000X43X101118CMA477总长度变化L值AL“AL,AL十L3十AL4044120547102451118，100567CMA478AL值形成的附加轴向力口口EALX、么L10/1CAS2X10X100567X104/20001000肠951一388401000二46951一38190二一47124X104NAQ值亦是水泥面上套管轴向力Q,A47，因Q形成的套管柱上轴向力变化16AAQ影响的第2段套管顶部轴向力Q3Q3二Q98H,X39_847124X10419820001000648212