套管柱及其强度设计ppt课件

1、一、套管的类型及其性能一、套管的类型及其性能1、基本概念、基本概念1、基本概念、基本概念 API对套管进行了相应的分级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：八种共十级即： H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和和Q125，前，前6种类型为抗硫的，其余种类型为抗硫的，其余为非抗硫的。为非抗硫的。1、基本概念、基本概念APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管) )甲方钻井手册甲方钻井手册P192P1921、基本概念、基本概念psis510 APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管) )1、基本概

2、念、基本概念APIAPI套管规范及强度套管规范及强度(5(5寸套管寸套管) )2、套管的联接、套管的联接二、套管柱的载荷分析及套管强度二、套管柱的载荷分析及套管强度1、轴向载荷及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度一般设计中是不予考虑出于安全浮力温度变化引起的力碰后时产生的力摩擦力其它附加拉力力注水泥引起的附加应应力套管弯曲引起的附加拉力本身自重产生的轴向,.（1轴向载荷种类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。教材大。教材P258 式式77API标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的，对于标准中套

3、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。予考虑。 教材教材P259 式式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。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。教材教材 P259 式式711其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。

4、而剩余的其它的附加力。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。虑。1、轴向载荷及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度（1轴向载荷种类轴向载荷种类实际设计中，一般不考虑浮力对实际设计中，一般不考虑浮力对轴向载荷的作用，则设计结果偏于安轴向载荷的作用，则设计结果偏于安全。全。但在计算精度要求较高的情况下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管材强度性能，此时往往不能简单的给予忽略。给予忽略。1、轴向载荷

5、及套管的抗拉强度、轴向载荷及套管的抗拉强度有直接的影响。有直接的影响。2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度一般情况下，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。来计算套管承受的外挤载荷。 地地质质构构造造力力的的影影响响盐盐岩岩层层、膏膏岩岩等等）；易易流流动动的的岩岩石石挤挤压压力力（；地地层层流流体体产产生生的的静静压压力力力力；管管外外泥泥浆浆柱柱产产生生的的静静压压2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度套管内全掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套

6、管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井身结构井身结构2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度的几何形状和套管所承受负荷的状况。理论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，分析和实验研究表明，套管径厚比套管径厚比d / 外径外径/壁厚较大时：失壁厚较大时：失稳破坏；稳破坏；当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。图图3-8-2-3 套管套管截面的挤毁截面的挤毁2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度其中2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度标准

7、双轴应力椭标准双轴应力椭圆公式圆公式ss套管的屈服强度套管的屈服强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度轴向载荷轴向载荷拉拉伸伸紧紧缩缩周向载荷周向载荷内压强度内压强度外挤强度外挤强度双轴应力椭圆：轴向载荷对套管抗外挤强度的影响st sZ 2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度、外挤压载荷及套管的抗挤强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度BiodPPghioioPPBiopPPgh等于

8、管内的减去管外的地层流体压力等于管内的减去管外的地层流体压力 式中：式中：PB井底压力，井底压力，MPa；Pio井口压力，井口压力，MPa；d钻井液密度，钻井液密度，g/cm3；p地层流体密度，地层流体密度，g/cm3；3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度套管内全掏空套管内全掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井身结构井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度套管内部分掏空载荷载荷井井深深载荷载荷井井深深套管内载荷套管内载荷套管外载荷套管外载荷载荷载荷井井深

9、深有效载荷有效载荷套管内液面套管内液面井底井底井身结构井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度、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。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，但气泡仍然保持下，气泡上升到井口，但气泡仍然保持原有的压力，那么原有的压力，那么3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套

10、管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度、内压载荷及套管的抗内压强度4、套管柱强度设计、套管柱强度设计大约占总费用大约占总费用20%左右。左右。4.1、套管强度设计的原则、套管强度设计的原则具体的原则有三点具体的原则有三点4.1、套管强度设计的原则、套管强度设计的原则具体的原则有三点具体的原则有三点4.2、常用的设计方法、常用的设计方法4.3、各层套管设计的特点、各层套管设计的特点特点：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 各各种情况。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

11、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；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）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）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。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：以内压载荷筛选初始套管；根据外挤载荷进行自

12、下而上设计； 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、具体的设计步骤1.10 1.331.10iS ，一般取1.00 1.251.00cS ，一般取1.60 2.001.80tS ，一般取4.5、具体的设计步骤、具体的设计步骤4.5、具体的设计步骤、具体的设计步骤)81. 9/(22cdcSPD211DDL8 . 1)/(1111qLFSst4.5、具体的设计步骤、具体的设计步骤4.5、具体的设计步骤、具体的设计步骤miinmnntisiiinmnnmiisitiqqLSFLqLqLFS1111/)(/)/(如果如果LiLi还没有能够

13、达到井口，则第还没有能够达到井口，则第i i段上部选用抗拉强度更大的套管进行计算。段上部选用抗拉强度更大的套管进行计算。4.5、具体的设计步骤、具体的设计步骤例：某井例：某井7（177.8mm套管下入深度套管下入深度3500m，井内钻井液密度，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。抗挤安全系数不低于低于1.00，抗拉安全系数不低于，抗拉安全系数不低于1.75。试设计此井套管柱。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、钻井液密度水泥

14、返高及套管强度性能表等）。返高及套管强度性能表等）。4.6、设计举例、设计举例尺寸：尺寸：177.8mm，下深，下深3500m，钻井液，钻井液d=1.3g/cm3，固井水泥返高，固井水泥返高2800m，安全，安全系数：抗挤系数：抗挤Sc=1.125，抗拉：，抗拉：ST=1.80。套管的性能表格可以从中查各种套管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。厚。pco1=dgD110-6 =1.30.0098350045.5MPa 式中式中: pco1：套管在井底所受外挤压力，

15、：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，即于或小于抗挤强度，即 pco1SC10-6D1 式中式中 D1：第一段套管抗挤强度，：第一段套管抗挤强度，MPa；SC：抗挤安全系数。：抗挤安全系数。根据根据D1即可由套管强度性能表中选出下部第一段套管。即可由套管强度性能表中选出下部第一段套管。由套管性能表查得由套管性能表查得N80、壁厚、壁厚11.51mm套管，其抗挤强度为套管，其抗挤强度为: D1 =60.5MPa。 因此，实际安全系数为：因此，实际安全系数为： 33. 15 .

16、4546.60111 coDDPS 第段套管第段套管D1=35004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高28003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，其可下深度为的套管，其可下深度为62210 CcDgSD 则第一段套管使用长度则第一段套管使用长度L1=D1-D2; 第段第段第段第段D2D1=35004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥

17、返高2800N-80、11.51mm若选：若选：N-80，壁厚，壁厚10.36mm，抗挤强度，抗挤强度D2=49.35MPa， 实际取第二段下入深度实际取第二段下入深度D2=3300m 则第一段套管长度：则第一段套管长度：L1=D1-D2=3500-3300=200m D1=3500D2=33004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mm833078001300.-1 FB第一段套管每米重量为第一段套管每米重量为0.476KN，抗拉强度，抗拉强度3048kN 浮力系数浮力系数校核第二段套管抗挤强度：安全系数：校核第二段套管抗挤强度：安全系

18、数：SC2 423833793048111. cTTWS 1.80 （平安）（平安）1.150. 621033008913003549CS1.125平安）平安） 第一段套管抗拉安全系数：第一段套管抗拉安全系数：ST1 第一段套管重为：第一段套管重为： . Wcd1=BFqc1Lcs1=0.8330.476200=79.33kND1=3500D2=33004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mmm.32600101251130089033810663 CdCgSD 4确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。确定第三段套管可下深度和第

19、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，第三段套管选选N-80、壁厚、壁厚9.19mm，抗挤，抗挤C3=38.03MPa 按抗挤强度第三段套管下入深度为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。和第三段底部都应考虑双向应力的影响。D1=3500D2=3300D3=26004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800N-80、10.36mmN-80、9.

20、19mm4确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。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：可下深度： 显然第三段套管底部由于承受其下部套管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，下入深度的重量，其抗挤强度必定下降，下入深度就不可能达到就不可能达到2600m，否则其底部安全系，否则其底部安全系数必数必1.125。由于第二段比第三段强度大，应将第二段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，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，以补偿双向应力提高其底部的抗挤系数，以补偿双向应力的影响。的影响。但第二

21、段增长后，轴向拉力增加，由于双但第二段增长后，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。下端抗挤强度降低，可采用试算法。 D1=3500D2=3300D3=26004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高28004双轴应力计算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，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，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。即按双轴应力设计套管柱。D1=3500D2=3300D3=？或按课本公式或按课

22、本公式7-14进行计算。进行计算。4.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800 4双轴应力计算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。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。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。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

23、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。上部各段套管。D1=3500D2=3300D3=？4.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高280047.75MPa)0.74-49.35(1.03)0.74-(1.03D2DC2 306625921FgWW 4双轴应力计算双轴应力计算首先对水泥面处抗挤安全系数首先对水泥面处抗挤安全系数SC2校核。第二段校核。第二段套管线重套管线重0.4315KN/m，段长，段长3300-2800=500m。水。水泥面下套管浮重：泥面下套管浮重：W1+W

24、2=79.33+5000.43150.833=259kN按公式按公式7-14计算轴向拉力下抗挤强度，第二段管计算轴向拉力下抗挤强度，第二段管体屈服强度体屈服强度Fg2=3066kN 。3111102800130089754710662.CD2 mgDCgDS （平安）（平安） 水泥面处抗挤符合要求水泥面处抗挤符合要求D1=3500D2=3300D3=？4.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高28005用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。 D1=3500D2=3300D3=23004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高28005用试算法求

25、第三段在双向应力作用下的可下深度。用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。 MPa.).0.74-(1.03D3DC3673427407438 第三段底部双轴应力下抗挤强度为第三段底部双轴应力下抗挤强度为 抗挤安全系数：抗挤安全系数： 159110230013008967341066333. gDSdDCD 1.125，平，平安安 第三段下至第三段下至2300m时抗挤安全。时抗挤安全。 D1=3500D2=3300D3=23004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800可见第三段可见第三段N-80、9.19mm延伸至井口抗拉强延伸至井口抗拉强度不符合要求。度不符合要求。 1.66.

26、 386902300543195235432133cccjTWWWFS1.80不安全）不安全） 5.14. 54319527082122ccjTWWFS（平安）（平安） 6校核第二段套管顶部截面积的抗拉安全不考虑浮度）校核第二段套管顶部截面积的抗拉安全不考虑浮度）第二段抗拉强度第二段抗拉强度Fj2=2708kN 第二段抗拉符合要求。第二段抗拉符合要求。 若将第三段设计到井口：若将第三段设计到井口：Fj3=2354kN，q3=0.3869kN） D1=3500D2=3300D3=23004.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高28007按抗拉强度设计确定上部各段套管：按抗拉强度设计确定上部各段

27、套管：ninW11 第第 i 段抗拉强度段抗拉强度Ti ，则该段套管顶截面的抗拉安全，则该段套管顶截面的抗拉安全系数系数ST为为 niniTiTWqLS11 )(ninTTicdiiWSqL111 m20195 .431958 . 123543869. 013 LD1=3500D2=3300D3=2300设自下而上第设自下而上第 i 段以下各套管的总重为段以下各套管的总重为:4.6、设计举例、设计举例水泥返高水泥返高2800此处此处i=389. 11297795 .431952708432144 ccccTTWWWWS （平安）（平安） 第四段选用，第四段选用，N-80，10.36mm，长度：，长度： L4=D-L1-L2-L3=3500-200-1000-2000=300m q4=0.4315KN/m， W4=3000.4315=129kN第三段取第三段取2000m，抗拉符合要求，抗拉符合要求81. 17745 .4319523543 TS(平安平安)实取实取L3=2000m，W3=20000.3869=774kN第三段顶端抗拉安全系数第三段顶端抗拉安全系数 抗拉安全系数抗拉安全系数水泥返高水泥返高2800D1=3500D2=3300D3