三轴应力套管强度设计

1、静思笃行 持中秉正 秋记与你分享中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计PPTPPT答辩答辩静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计一、前言一、前言二、轴向拉力及套管的抗拉强二、轴向拉力及套管的抗拉强度度三、外挤压力及套管的抗挤强三、外挤压力及套管的抗挤强度度四、内压力及抗内压强度四、内压力及抗内压强度五、套管强度设计原则和方法五、套管强度设计原则和方法静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计一、前言一、前言 套管强度设计和校核关系到安全钻进和油气井寿命，同时也影响到钻井成本。初期的套管柱设

2、计是采用单轴应力设计，这种设计没有考虑外压和轴向力相互作用的影响。理论分析表明，轴向；拉力会使套管额定抗挤强度降低，而轴向拉力会使套管额定抗挤强度增加，反之亦然。所以进入80年代以来，国外提出了同时考虑内外压力和轴向应力相互作用的设计方法，这就是套管柱三轴应力设计。 油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥型螺纹。大多数的套管使用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于封固井壁的裸露岩石。 油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准。我国现用的套管标准与美国的API标准类似。静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计二、轴向拉力及套管的抗拉强度二、轴向拉

3、力及套管的抗拉强度 套管的轴向拉力是由套管的自重所产生的，在一些条件下还应考虑附加拉力。 （1）套管自重产生的轴向拉力，在套管上是自下而上逐渐增大，在井口处套管所承受的拉力最大，其拉力 为： （2-1） 实际上套管下入井内还受钻井液的浮力，各处的拉力比在空气中所受的拉力小。考虑浮力时拉力F F m为： （2-2） （2）套管弯曲引起的附加应力：套管弯曲时，增大了套管的拉力载荷，当弯曲变化率不大时，用简化经验公式计算： （2-3） -每25m的井斜变化角度oF310qLFo310)1(sdmqLFcocbdAdF073.0静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计二

4、、轴向拉力及套管的抗拉强度二、轴向拉力及套管的抗拉强度 （3）套管内注入水泥引起附加应力：注入水泥浆时，水泥浆与管外液体密度相差较大，水泥浆未返出套管底部时，管内液体将使套管产生一个拉应力，可按下式计算： （2-4） （4）其他附加应力：在下套管过程中的动载，如上提套管或者刹车时的附加拉力，注水泥时泵压的变化等，皆可产生一定的附加应力。这些力是难以计算的，通常是考虑用浮力减轻来抵消或加大安全系数。 套管柱所受轴向拉力一般为井口最大，是危险截面。套管柱受拉力引起的破坏形式有两种：套管本体被拉断、螺纹处滑脱（滑扣）。圆口套管的螺纹滑脱负荷比套管本体的屈服拉力要小，因此在套管使用中给出各种套管的滑扣

5、负荷是用螺纹滑脱时的总拉力来表示。410002cindmcdhF静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计三、外挤压力及套管的抗挤强度三、外挤压力及套管的抗挤强度 1.外挤压力：套管柱所受的外挤压力，主要来自管外液体的压力、地层中流体的压力、高塑性岩石的侧向挤压力及其他作业时产生的压力。 一般情况下，常规套管的设计中，外挤压力按最危险的情况考虑，即按套管全部掏空，套管承受钻井液柱压力计算，其最大外挤压力为： （3-1） 2.套管的抗挤强度：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，丧失稳定性的形式主要是在压力破坏作用下失圆、挤扁。 Dpdoc81

6、.9静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计三、外挤压力及套管的抗挤强度三、外挤压力及套管的抗挤强度 3.有轴向载荷时的抗挤强度：实际应用中，套管处于双向应力的作用，设套管自重引起的轴向拉应力为 ，由外挤力或内压力引起的套管圆周向应力 及径向应力 ，径向应力远小于周向应力，忽略不计。据第四强度理论，套管破坏强度条件： （3-2） 式中： 为套管钢材的屈服强度。 可看出上式为一个椭圆方程。 存在轴向拉应力时，有套管抗挤强度的计算公式： （3-3）ztr222stztzs)74. 003. 1 (smcccFFpp静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计

7、三轴应力套管强度设计四、内压力及抗内压强度四、内压力及抗内压强度 1.内压力：套管柱所受内压力的来源有地层流体进入套管产生的压力及生产中特殊作业时的外来压力。 当井口敞开式，套管内压力等于管内流体产生的压力，当井口关闭时，内压力等于井口与流体压力之和。井口压力的确定方式有三种： （1）假定套管内全是天然气，则井口处内压： （4-1） （2）以井口防喷器装置所能承受的压力为井口压力。 （3）以套管鞋处的地层破裂压力值决定井口内压力： （4-2）GDgasGDgasiepepp00011155. 0101155. 14)(ffiGGDp静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套

8、管强度设计四、内压力及抗内压强度四、内压力及抗内压强度 式中： 为套管鞋处地层破裂压力梯度 为附加系数。 2.套管的抗内压强度： 套管在承受内压力时的破坏形式是套管的爆裂。 实际上套管承受内压时的破坏形式除管体的破坏之外，螺纹连接处密封失效也是一种破坏形式，密封失效的压力比管体爆裂时要小。螺纹连接处密封失效的压力值是难以计算的。对于抗内压要求较高的套管，应当采用优质的润滑密封油脂涂在螺纹处，并按规定的力矩上紧螺纹。fGfG静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计五、套管强度设计原则和方法五、套管强度设计原则和方法 1.套管强度设计原则： 套管柱的强度设计是依据套

9、管所受的外载，根据套管的强度建立一个安全的平衡关系： 设计的原则考虑以下三个方面： （1）应能满足钻井作业、油气层开发和生产层改造的需要； （2）在承受外载时应有一定的储备能力； （3）经济性要好。 套管设计中相关安全系数：抗外挤安全系数=1.0；抗内压安全系数=1.1；套管抗拉力强度安全系数=1.8安全系数外载套管强度静思笃行 持中秉正 秋记与你分享三轴应力套管强度设计三轴应力套管强度设计五、套管强度设计原则和方法五、套管强度设计原则和方法 1.套管强度设计方法： 套管柱的设计是通常是由下而上分段设计的。按常规，自下而上把最下一段套管称为第一段，其上称为第二段，依次上推等等。具体方法有以下几种： （1）等安全系数法； （2）边界载荷法；