套管强度校核ppt课件.ppt

第一节套管及套管柱强度设计 序言 套管柱的主要功能抗挤抗拉抗内压密封 对套管的要求圆度壁厚均匀性抗腐蚀最小的流动阻力良好的上扣性能及重复互换性能耐磨 硬度指标 套管柱的组成由不同强度的套管段组成原因 套管受到各种类型外力作用 须具有一定强度 外载大小 类型不同 所需的强度要求也不同 须有一系列不同尺寸 不同强度的套管 即套管系列 序言 套管柱的类型表层套管技术套管 中间套管 生产套管 油层套管 尾管 技术尾管 生产尾管 回接套管 序言 一 套管外载分析与计算 1 静载特点 长期作用 联合作用在套管上 类型 轴向拉力径向外挤压力径向内压力弯曲附加拉力温差应力 2 动载特点 瞬时地 单一地作用在套管上 产生原因 起下钻时速度变化产生的动载阻 卡套管时提拉动载摩擦动载碰压动载密度差产生的附加拉力 一 套管外载分析与计算 轴向力 自重 浮力外挤压力内压力 作用在套管上的主要载荷应是 一 套管外载分析与计算 1 外挤压力管外钻井液液柱压力 水泥不返到井口时 上部有一段套管外为钻井液 该段套管称为自由套管 水泥浆液柱压力地层中流体压力易流动岩层的侧压力等 一 套管外载分析与计算 1 外挤压力有效外压力 式中Poe 有效外压力 Po 外压力 Pib 支撑内压力 一 套管外载分析与计算 1 径向外挤压力有效外压力 表层套管 井漏造成全掏空技术套管 井漏发生 但不可能造成发生全漏空的情况 因此技术套管的下部还有支撑内压力作用油层套管 一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力 开发后期可能抽油或气举采油 因为这时套管内的内压力会降得很低 若近似认为内压力为零 则其受载情况与表层套管类似 即为全掏空 一 套管外载分析与计算 1 外挤压力 1 外压力在水泥面 环空内水泥的顶面 以上应按钻井液液柱压力计算对于水泥封固段 当发生上述最大有效外压力时 管外环空中的水泥已经凝固 水泥环 水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环 应有助于套管承受外压力 但难于准确计算 因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压力计算 一 套管外载分析与计算 1 外挤压力 2 支撑内压力对于表层套管 油层套管这种可能全掏空的情况 支撑内压力为零 对于技术套管非全掏空的情况 在漏失面以上 即井深小于漏失面深度的套管段 支撑内压力为零 在漏失面以下 即井深大于漏失面深度的套管段 作用有管内钻井液液柱压力 因此 要计算支撑内压力 首先要知道漏失面的深度 一 套管外载分析与计算 1 径向外挤压力 2 支撑内压力漏失面深度确定 假设下一次钻进钻至下一层套管的下入深度 下一井段的目的井深 时发生井漏 并假设漏失层的孔隙压力为地层盐水柱压力 根据压力平衡关系可得漏失面深度为 一 套管外载分析与计算 钻井液 盐水 Hn HL 1 外挤压力 2 支撑内压力对于技术套管非全掏空的情况 支撑内压力的计算式为 0 H HL HL H HB 一 套管外载分析与计算 1 外挤压力 3 有效外压力对于表层套管 油层套管这种可能全掏空的情况 需要按全掏空考虑的技术套管 有效外压力为对于技术套管非全掏空的情况 有效外压力为 0 H HL HL H HB 一 套管外载分析与计算 a 全掏空 b 非全掏空图7 3有效外挤压力对比示意图1 外压力2 支撑内压力3 有效外压力 全掏空与非全掏空两种不同的情况下 套管柱所受的有效外压力不一样 对于全掏空情况 有效外压力是井底最大 井口最小 为零 对于非全掏空情况 有效外压力是中间大 井口和井底小 显然 这种不同的外载情况会使套管柱设计的结果不同 一 套管外载分析与计算 2 内压力套管柱所受的内压力主要来自于钻井液 地层流体 油 气 水 压力以及特殊作业 如压井 酸化压裂 挤水泥等 时所施加的压力 与外挤压力类似 对内压力也是分析计算危险工况时的有效内压力 有效内压力为Pie Pi Pob对于表层套管和技术套管 如果在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时 套管柱所受的有效内压力最大 而对于油层套管 油井和气井的情况不一样 要根据采油 采气工艺情况考虑相关的危险工况 一 套管外载分析与计算 径向内压力 管内流体压力压裂作业等增产措施时的压力 一 套管外载分析与计算 2 内压力 1 内压力对于表层套管和技术套管 当在下一井段钻进过程中发生井涌而进行压井时 套管的内压力为井口内压力与管内流体 钻井液与涌入流体 气 水 油或混合物 的液柱压力之和 由于井涌情况的多样性 所以关于套管内压力的计算有多种方法 常用方法是 一 套管外载分析与计算 2 内压力 1 内压力确定井口内压力的三种方法是 1 井口防喷装置 防喷器及压井管线等 许用最高压力 2 套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力 3 下部高压油气喷出时可能出现的井口内压力 一 套管外载分析与计算 对于油层套管 分油井与气井采用不同的计算方法 以下是关于油层套管内压力的计算方法之一 对于油井 认为采油初期 产层压力较高 井口有内压力作用于套管 套管的内压力为井口内压力与原油的液柱压力之和 式中括号项即为井口内压力 对于气井 井口也有内压力作用于套管 当考虑气体自重及其压缩性后 套管内任意深度处的内压力为 式中令井深Z为零即得井口内压力 一 套管外载分析与计算 2 内压力 2 支撑外压力在无水泥段 因钻井液降解及固相沉降 其液柱压力可能降低对水泥封固段 可能水泥环并不完整 地层压力可能作用于管柱上 按盐水柱计算支撑外压力可能比实际外压力偏小 但可使有效内压力偏大而使管柱趋于安全 所以 在支撑外压力计算中一般无论是水泥面以上还是水泥面以下均按地层盐水柱压力计算 即 一 套管外载分析与计算 2 内压力 3 有效内压力由上所述 可得套管柱有效内压力的计算方法 对于表层套管和技术套管 对于油层套管油井 气井 一 套管外载分析与计算 a b c 图7 4有效内压力对比示意图 a 表层或技术套管 b 油井油层套管 c 气井油层套管1 内压力2 支撑外压力3 有效内压力 注意图中 支撑外压和内压曲线的斜率变化 对于表层套管或技术套管 有效内压力是井口最小 井底最大 对于油层套管 有效内压力是井口最大 井底最小 可见 不同类型的井 不同类型的套管 所受外载是不一样的 现场有时还采用直接用井口压力Ps作为整个套管柱有效内压力的方法 即假设从井口到井底有效内压力均为Ps 从图可见 对于油层套管 采用这种方法显然是安全的 不过可能有点不经济 但可使内压力计算 进而使套管柱的抗内压设计更简捷 一 套管外载分析与计算 sw n sw o sw 曲线 3 轴向拉力一般情况下 套管柱在入井过程中 即下套管过程中 承受的拉力最大 这时 除了套管柱的自重外 还有上提下放时的动载 上提时弯曲井段处的阻力 或者是遇卡上提时多提的拉力等附加拉力 在计算时 一般只计算套管的自重 将动载 遇卡上提多提的拉力等附加拉力用设计安全系数考虑 或以其它方式考虑 套管柱一般是由几段套管组成 在计算套管自重所产生的轴向拉力时 通常需要计算的是各段套管顶 底端的轴向拉力 显然 某段套管顶端的拉力即是其上面一段套管底端的拉力 其底端的拉力即是其下面一端套管顶端的拉力 一 套管外载分析与计算 轴向拉力 自重浮力 W 一 套管外载分析与计算 3 轴向拉力轴向拉力计算方法 当不考虑钻井液的浮力时 计算的是套管在空气中的重量 当考虑钻井液的浮力时 计算的是套管在钻井液中的重量 常简称为浮重 一般可用台阶法和浮力系数法计算其中 一 套管外载分析与计算 用台阶力法计算 考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置 浮力的大小 Tf Ph A轴向力为 一 套管外载分析与计算 考虑浮力后的轴向力分布 台阶力法 H T 一 套管外载分析与计算 很显然 套管柱自重所产生的轴向拉力的分布规律是井底最小 为零 往上逐渐增大 井口拉力最大 图7 5套管轴向拉力沿井深分布示意图1 不考虑浮力2 考虑浮力 一 套管外载分析与计算 4 弯曲附加拉力如果井眼存在较大的井斜变化或狗腿时 由于套管弯曲效应的影响将增大套管的拉力负荷 特别是在靠近丝扣啮合处易形成裂缝损坏 由于API套管的连接强度没有考虑弯曲应力 所以设计时应从套管的连接强度中扣除弯曲效应的影响 Z Z max 一 套管外载分析与计算 对所用套管系列的统一规定 叫套管规范 规定了套管生产的尺寸 钢级 壁厚 连接方式等 目前一般使用的美国API套管规范 其规定的有关性能主要有 套管尺寸 套管壁厚 螺纹类型与套管钢级 二 套管强度 1 套管基本参数套管的基本参数为套管尺寸 套管壁厚 或单位长度名义重量 螺纹类型与套管钢级 1 套管尺寸 又叫名义外径或公称直径 本体外径4 1 2 5 51 2 65 8 7 7 5 8 8 5 8 9 5 8 10 3 4 11 3 4 16 28 5 8 20 30 套管尺寸的选择与钻头尺寸相配合 井身结构设计 二 套管强度 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头及尺寸已标准系列化 套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化 二 套管强度 1 套管基本参数 2 套管壁厚与套管单位长度名义重量套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度 套管壁厚有时又称为套管名义壁厚 套管壁厚也已标准系列化套管单位长度名义重量又称为套管公称重量 指的是包括接箍在内的 套管单位长度上的平均重量套管壁厚 套管单位长度名义重量二者是直接相关的 二 套管强度 1 套管基本参数 3 螺纹类型套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在 与套管的强度和密封性能密切相关 API标准的螺纹类型有4种 短圆螺纹 英文缩写STC 长圆螺纹 英文缩写LTC 梯形螺纹 英文缩写BTC 直连型螺纹 英文缩写XL 用于无接箍套管 二 套管强度 二 套管强度 a b c 图7 6API螺纹连接示意图 a 圆螺纹连接 b 梯形螺纹连接 c 直连型螺纹连接 4 套管钢级API钢级有10种 H J K N C L P Q X 非标准的钢级 也较广泛使用 如NKK S SS V等 API规定钢级代号后面的数字乘以1000PSi 6894 8Pa 即为该钢材的最小屈服强度 如 N 80 80 1000Psi但也有个别例外 S 80 55KpsiSS 95 80Kpsi套管钢材的抗硫能力 有抗硫能力的套管钢级H 40 J 55 K 55 X 52 C 75 L 80 C 90 二 套管强度 采用非API标准有两种情况 一是套管的尺寸 钢级与壁厚按照API规范 只是在螺纹连接上采用非API标准的特殊螺纹连接型式 这主要是为了解决螺纹连接的高密封要求问题 二是套管的尺寸 壁厚与螺纹连接型式按照API规范 但使用特殊的套管钢级 这是为了解决套管腐蚀和高应力问题 二 套管强度 2 套管强度 1 套管强度外载可分为三种 即作用在管柱外壁上的外挤压力 作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内方向与管柱轴线平行的轴向拉力 套管所具有的抵抗外载的能力称为套管强度套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度套管所能承受的最大内压力称为套管的抗内压强度套管所能承受的最大轴向拉力称为套管的抗拉强度 因为在轴向拉力的作用下 套管的破坏一般是发生在套管本体与接箍的螺纹连接处 因此套管的抗拉强度又常称为连接强度或接头拉伸强度 二 套管强度 套管强度系列 套管 二 套管强度 2 套管强度 2 轴向拉力作用下套管的失效形式原因 轴向载荷过大失效形式 1 丝扣 接箍 滑脱 2 丝扣断裂 3 管体断裂 4 氢脆 二 套管强度 2 套管强度 2 轴向拉力作用下套管的失效形式丝扣 接箍 滑脱对圆扣套管是常见的失效形式 二 套管强度 2 套管强度 2 轴向拉力作用下套管的失效形式丝扣断裂条件 拉力大于丝扣连接强度 小于本体强度 位置 丝扣最后一个啮合螺纹处 扣根 直径最小 二 套管强度 2 套管强度 2 轴向拉力作用下套管的失效形式管体断裂条件 拉力小于丝扣连接强度 大于本体强度 二 套管强度 2 套管强度 3 套管抗拉强度的选用抗拉强度 min 丝扣部分抗拉强度 管体抗拉强度 1 圆螺纹套管丝扣抗拉强度 min 抗滑脱强度 丝扣拉断强度 2 梯形扣和直连型套管以丝扣或管体抗拉强度为标准 二 套管强度 丝扣抗拉强度的计算目的 根据材料的强度计算出丝扣抗拉强度抗滑脱强度丝扣拉断强度 二 套管强度 2 套管强度 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度API所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时的强度 如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能承受的最大外挤压力值 套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态 两种及两种以上外载同时作用状态 在复合外载作用下 套管的强度要发生变化 有时套管的强度增加 有时套管的强度降低 二 套管强度 套管强度怎么变化 在外压力与轴向力或内压力与轴向力作用下 管柱内的应力状态为三向应力状态 三个主应力分别为轴向应力 周向应力和径向应力 根据第四强度理论 可得套管在多向应力下的强度条件为 c s第四强度理论变为 二 套管强度 由于套管为薄壁或中厚壁管 在这三个应力中 r t 故在上面方程中忽略其影响后可得出方程 式中 z s和 t s分别表示轴向应力和周向应力在屈服应力中占的比例 二 套管强度 用 z s的百分数为横坐标 用 t s的百分数为纵坐标 可绘出如图所示的椭圆图 称为双向应力椭圆图 z为正 受拉 z为负 受压 t为正 内压 t为负 外挤 二 套管强度 从该椭圆中 可看出 z与 t的变化关系为象限 z s t s载荷状态影响 0 0拉伸 内压 z t 0压缩 内压 z t 0 0拉伸 外挤 z t 二 套管强度 轴向应力 管体抗拉强度 二 套管强度 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度轴向载荷与轴向应力计算 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度周向应力与外挤力 内压力 的关系 设在轴向拉力T作用下套管发生外挤破坏的临界 有效 外压力为Pcc 该临界外压力即为轴向拉力作用下套管的抗挤强度 利用薄壁圆筒理论可得出周向应力计算公式 当无轴向拉力时 套管发生破坏的临界外压力即为套管的抗挤强度 用Pc表示 按薄壁筒模型 这时套管内的周向应力达到套管钢材的屈服强度 s 二 套管强度 4 轴向拉力作用下套管的抗挤强度载荷方程 二 套管强度 Pcc为考虑轴向力影响后套管实际的抗挤强度 二 套管强度 1 套管柱强度设计方法目前套管柱强度设计中所采用的方法基本上均是安全系数法 即要求 套管强度 外载 设计安全系数设计安全系数确定 与外载和强度相对应 也有三种 抗挤设计安全系数 抗内压设计安全系数 抗拉设计安全系数 分别以Sc Sb St表示 三 套管柱强度设计 1 套管柱强度设计方法如果令 设计外载 外载 设计安全系数则按安全系数法设计套管柱也就是要求 套管强度 设计外载所设计出的套管柱应该是既满足抗挤要求 又满足抗内压要求和抗拉要求 从前述的套管柱受力分析中可见 套管柱所受的各种外载沿管柱的分布规律是不一样的 如技术套管 若下次钻进中井漏未漏空 则其有效外压力为中间大 井口和井底小 而其轴向拉力是井口最大 井底最小 为满足这二者的同时要求 同时考虑经济性 则整个管柱应由强度不同的几段管柱组成 在不同部位的管柱满足不同主要矛盾的要求 这种由几段强度不同的管柱组成的套管柱称为复合套管柱 三 套管柱强度设计 三 套管柱强度设计 a b c 图7 8套管柱强度设计示意图 a 抗挤设计 b 抗拉设计 c 复合套管柱1 外载2 设计外载3 套管强度 三 套管柱强度设计 如果是表层套管或是油层套管 或是需要按全掏空考虑的技术套管 由于有效外压力的分布与上不一样 井底最大 井口最小 为零 因此套管柱的设计结果会不一样 即是说 由于套管柱类型不同 地层情况不同 井的生产工艺不同 套管柱的受力情况不一样 因此套管柱的设计结果会不一样 由于受力情况不一样 还可采用不同的设计步骤 以使设计更快捷 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 外载按以下条件计算 有效外压力按非全掏空情况 有效内压力按井口内压力为套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力情况 轴向拉力计算考虑钻井液浮力 1 掌握已知条件进行套管柱设计所需的数据包括套管尺寸和下入深度 设计安全系数 固井时钻井液密度 套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度 地层盐水密度 下次钻进目的井深 下次钻进所用最高钻井液密度 以及套管强度数据表 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 2 进行套管柱抗挤强度设计计算漏失面深度 计算设计外压力 有效外挤压力 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 2 进行套管柱抗挤强度设计据设计外压力选择抗挤强度满足要求的套管 要考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响 选择条件将套管柱抗挤设计结果列表 并给出本段套管抗挤设计图 三 套管柱强度设计 图7 9套管柱抗挤设计图 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 3 进行套管柱抗内压设计计算设计内压Pid PieSb选择抗内压强度满足要求的套管Pb Pid对比抗挤设计结果与抗内压设计结果 在各井段内选择强度高的套管 将套管柱抗挤强度设计与抗内压强度设计综合结果列表 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 4 进行套管柱抗拉强度根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果 计算套管柱的设计拉力 即将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较 对抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换 以满足抗拉强度的要求 即 Tt接头拉伸强度 三 套管柱强度设计 技术套管柱设计一般步骤 4 进行套管柱抗拉强度需要注意的是 如果因抗拉强度不够而更换套管时更换了套管的壁厚 则套管柱的拉力要重新计算 再按新计算的拉力校核抗拉强度 如果这样更换的套管是在套管柱的中部或下部 还要重新校核一下套管柱的抗挤强度 因为由于拉力的变化会导致轴向拉力下套管抗挤强度的变化 水泥面之上进行双轴应力校核5 将套管柱强度设计结果列表 三 套管柱设计方法 确定设计条件 安全系数 外载计算方式 按内压筛选套管 求井底外挤力 选第一段套管 选第二段套管 计算其可下深度 计算第一段套管长度和有关安全系数 选第三段套管 或 选套管 按套管抗拉强度计算其可下深度 抗内压安全系数校核 注意 抗挤应按双轴应力进行计算 三 套管柱强度设计 油层套管 某井177 8mm套管 下入深度3500m 井内钻井液密度1 30g cm3 水泥返至井深2800m 抗挤安全系数为1 125 抗拉安全系数为1 8 不考虑浮力影响 井口抗内压安全系数为1 1 解 1 按抗挤强度设计第一段套管按全掏空计算井底地外挤压力Pb 0 0098 1 3 3500 45 5 MPa 第一段套管应具有的抗挤强度为Pc1 Pb sc 45 5 1 125 51 19 MPa 由套管性能表查得N 80 壁厚11 51mm套管 其抗挤强度为60 46MPa实际抗挤安全系数为 Sc1 60 46 51 19 1 181 N 80 壁厚11 51mm 三 套管柱强度设计 油层套管 2 第一段套管得顶截面位置取决于第二段套管得可下深度 第二段套管选用抗挤强度低低一级的套管 可选N 80 壁厚10 36mm套管 其抗挤强度为49 35MPa 抗拉强度Tt 2708kN Ts 3066kN 重量为431 5N m 第二段套管的可下深度为 实取第二段套管的深度为3300m 则第一段套管的段长为L1 3500 3300 200m 3500m 3300m 三 套管柱强度设计 油层套管 3 校核第一段套管的抗拉系数 上端面 和第二段套管的抗挤系数 下端面 第一段套管的重量为476kN m 抗拉强度为3048kN 浮力系数为 Bf 1 1 3 7 8 0 833第一段套管的浮重为 T1 200 0 476 95 24kN 空气中的重量 T1 200 0 476 0 833 79 33kN 钻井液中的重量 第一段套管的抗拉系数St1 3048 95 24 32 安全 第二段套管的抗挤系数Sc1 49 35 0 0098 1 30 3300 1 15 安全 3500m 3300m 三 套管柱强度设计 油层套管 第二段套管的顶截面取决于第三段套管的可下深度 第三段套管选N 80 壁厚9 10套管 386 9N m 抗拉强度2354kN Ts 2740kN 抗挤强度为38 03MPa 按抗挤计算第三段套管的可下深度 H3 38 03 0 0098 1 3 1 125 2600m由于第三段套管要承受其下第一和第二段套管的重量 其抗挤强度下降 因此要减小第三段套管的下入深度 如果不减小 抗挤强度不够 水泥面处套管柱的轴向力为T1 T2 79 33 500 0 4315 0 833 259kN 3500m 3300m 水泥面2800m 三 套管柱强度设计 油层套管 校核水泥面的抗挤强度 3500m 3300m 水泥面2800m 三 套管柱强度设计 油层套管 计算第三段套管的可下深度 采用双轴应力设计 找到一个井深 使第三段套管的下截面在拉力作用下 其抗挤安全系数接近1 125假设第三段套管下至2300m 则第二段套管的段长为L2 1000m第二段套管在空气中的重量 T2 1000 0 4315 431 5kN第二段套管在钻井液中的重量 T2 0 833 431 5 359 4kN第三段套管下端面的拉力T1 T2 79 3 359 4 438 7kN考虑双轴应力后第三段套管的抗挤强度为Pcc3 Pc3 K 34 67MPa第三段套管的抗挤安全系数为Sc3 34 67 0 0098 1 3 2300 1 159 安全 3500m 3300m 水泥面2800m 2300m 三 套管柱强度设计 油层套管 校核第二段套管顶截面的抗拉安全系数 Tt2 2708kN St2 Tt2 T1 T2 2708 95 24 431 5 5 14 安全 校核第三段套管顶部 井口 的抗拉强度因为T3 235