完井工程新技术(2).ppt

第七章第七章固固 井井概述概述第一节第一节 套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计第二节第二节 油井水泥油井水泥第三节第三节 影响注水泥质量的因素影响注水泥质量的因素概述概述1 1、固井工程的概念、固井工程的概念 为为了了加加固固井井壁壁，保保证证继继续续钻钻进进，封封隔隔油油、气气和和水水层层，保保证证勘勘探探期期间间的的分分层层试试油油及及在在整整个个开开采采中中合合理理的的油油气气生生产产，为为此此下下入入优优质质钢钢管管，并并在在井井筒筒与与钢钢管管环环空空充充填填好好水水泥泥的的作作业，称为固井工程。业，称为固井工程。概述概述2 2、工艺介绍、工艺介绍l 下套管下套管l 注水泥注水泥l 候凝候凝l 检测评价检测评价概述概述3 3、固井目的、固井目的l封封隔隔易易塌塌、易易漏漏等等复复杂杂地地层层，保保证证钻钻井井顺利进行顺利进行l封封隔隔油油气气水水层层，建建立立油油气气流流出出通通道道，防防止产层间互窜止产层间互窜l进行增产措施进行增产措施l安装井口安装井口概述概述4 4、内容、内容n套管与下套管套管与下套管n水泥与注水泥水泥与注水泥概述概述5 5、对固井质量的要求、对固井质量的要求l套管有足够的强度套管有足够的强度能承受井下各种外力作用，能承受井下各种外力作用，抗腐蚀、不断、不裂、不抗腐蚀、不断、不裂、不变形变形l水泥环有可靠的密封水泥环有可靠的密封环环空空封封固固段段不不窜窜、不不漏漏、能经受高压挤注的考验能经受高压挤注的考验概述概述6 6、固井工程的特殊性、固井工程的特殊性(1)(1)(1)(1)是是是是一一一一次次次次性性性性工工工工程程程程,如如如如果果果果质质质质量量量量不不不不好好好好,一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下难以补救难以补救难以补救难以补救;(2)(2)(2)(2)是是是是隐隐隐隐蔽蔽蔽蔽性性性性工工工工程程程程,主主主主要要要要流流流流程程程程在在在在井井井井下下下下,施施施施工工工工时时时时不不不不能能能能直直直直接接接接观观观观察察察察,质质质质量量量量控控控控制制制制往往往往往往往往决决决决定定定定于于于于设设设设计计计计的的的的准准准准确确确确性性性性和和和和准准准准备备备备工工工工作作作作的的的的好好好好坏坏坏坏,受受受受多多多多种种种种因因因因素素素素的的的的综综综综合合合合影响影响影响影响;(3)(3)(3)(3)影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行影响后续工程的进行;(4)(4)(4)(4)是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程是一项花钱多的工程;(5)(5)(5)(5)施施施施工工工工时时时时间间间间短短短短,工工工工序序序序内内内内容容容容多多多多,作作作作业业业业量量量量大大大大,是是是是技技技技术术术术强的工程强的工程强的工程强的工程.第第1 1节节套管及套管柱强度设计套管及套管柱强度设计第第1 1节节套管柱设计套管柱设计套管柱的主要功能套管柱的主要功能：s 抗挤抗挤s 抗拉抗拉s 抗内压抗内压s 密封密封第第1 1节节套管柱设计套管柱设计套管柱的辅助功能套管柱的辅助功能：s圆度圆度s壁厚均匀性壁厚均匀性s抗腐蚀抗腐蚀s最小的流动阻力最小的流动阻力s良好的上扣性能及重复互换性能良好的上扣性能及重复互换性能s耐磨（硬度指标）耐磨（硬度指标）第第1 1节节套管柱设计套管柱设计套管柱的组成套管柱的组成 由不同强度的套管段组成由不同强度的套管段组成原因：原因：原因：原因：s套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。s外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同，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。即套管须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管系列。系列。系列。系列。第第1 1节节套管柱设计套管柱设计套管柱的类型套管柱的类型z表层套管表层套管z技术套管（中间套管）技术套管（中间套管）z生产套管（油层套管）生产套管（油层套管）z尾管（技术尾管、生产尾管）尾管（技术尾管、生产尾管）第第1 1节节套管柱设计套管柱设计一、套管规范简介一、套管规范简介s对对所所用用套套管管系系列列的的统统一一规规定定，叫叫套套管管规规范范。规规定定了了套套管管生生产产的的尺尺寸寸、钢钢级级、壁厚、连接方式等壁厚、连接方式等s目目前前一一般般使使用用的的美美国国APIAPI套套管管规规范范。其其规定的有关性能主要有。规定的有关性能主要有。一、套管规范简介一、套管规范简介1 1、尺寸系列尺寸系列（又叫名义外径或公称直径）（又叫名义外径或公称直径）4-1/2”,4-1/2”,5”,5 1/2”,6 5/8”,7”,5”,5 1/2”,6 5/8”,7”,7-5/8”,8-5/8”,9-5/8”,10-3/4”,7-5/8”,8-5/8”,9-5/8”,10-3/4”,11-3/4”,16”,28-5/8”,20”,30”.11-3/4”,16”,28-5/8”,20”,30”.一、套管规范简介一、套管规范简介套管尺寸的选择套管尺寸的选择与钻头尺寸相配合！与钻头尺寸相配合！-井身结构设计井身结构设计一、套管规范简介一、套管规范简介2 2、钢级系列钢级系列APIAPIAPIAPI钢级有钢级有钢级有钢级有10101010种：种：种：种：H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125.非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如非标准的钢级，也较广泛使用，如NKK,S,SS,VNKK,S,SS,VNKK,S,SS,VNKK,S,SS,V等。等。等。等。APIAPIAPIAPI规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以规定钢级代号后面的数字乘以1000100010001000PSiPSiPSiPSi(6894.8Pa)(6894.8Pa)(6894.8Pa)(6894.8Pa)即为该即为该即为该即为该钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度钢材的最小屈服强度。如如如如:N-80-80*1000PsiN-80-80*1000PsiN-80-80*1000PsiN-80-80*1000Psi但也有个别例外但也有个别例外但也有个别例外但也有个别例外:S-80-55KpsiS-80-55KpsiS-80-55KpsiS-80-55KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80KpsiSS-95-80Kpsi一、套管规范简介一、套管规范简介2 2、钢级系列钢级系列APIAPIAPIAPI钢级有钢级有钢级有钢级有10101010种：种：种：种：H-40,J-55,K-55,N-80,C-H-40,J-55,K-55,N-80,C-75,L-80,C-90,C-95,P-110,Q-12575,L-80,C-90,C-95,P-110,Q-125.套管钢材的抗硫能力：套管钢材的抗硫能力：有抗硫能力的套管钢级有抗硫能力的套管钢级H-40,J-55,K-55,X-52,C-75,L-80,C-90H-40,J-55,K-55,X-52,C-75,L-80,C-90一、套管规范简介一、套管规范简介3 3、套管螺纹类型与螺纹连接套管螺纹类型与螺纹连接lAPIAPIAPIAPI标准螺纹类型：标准螺纹类型：标准螺纹类型：标准螺纹类型：短园螺纹，短园螺纹，短园螺纹，短园螺纹，STC,CSG,C1STC,CSG,C1STC,CSG,C1STC,CSG,C1长园螺纹，长园螺纹，长园螺纹，长园螺纹，LTC,LTC,LTC,LTC,LCSG,C2LCSG,C2LCSG,C2LCSG,C2梯型螺纹，梯型螺纹，梯型螺纹，梯型螺纹，BTC,BTC,BTC,BTC,BCSG,C33BCSG,C33BCSG,C33BCSG,C33直连型螺纹，直连型螺纹，直连型螺纹，直连型螺纹，XL,XCSG,C11XXL,XCSG,C11XXL,XCSG,C11XXL,XCSG,C11Xl与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。与螺纹类型相对应的螺纹连接也有四种。螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接螺纹连接指套管本体与结箍之间的连接。另有一些非标准螺纹由厂家定义。另有一些非标准螺纹由厂家定义。另有一些非标准螺纹由厂家定义。另有一些非标准螺纹由厂家定义。一、套管规范简介一、套管规范简介套管强度系列：套管强度系列：套管套管套管套管外径外径外径外径1 1外径外径外径外径2 2.钢级钢级钢级钢级.壁厚壁厚壁厚壁厚.扣型扣型扣型扣型.强度强度强度强度.强度系列强度系列强度系列强度系列一、套管规范简介一、套管规范简介如何选用这些套管，选择原则：如何选用这些套管，选择原则：外载外载安全系数安全系数 套管强度套管强度第第1 1节节套管柱设计套管柱设计二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（一）、套管所受载荷分类与特点（一）、套管所受载荷分类与特点二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1 1、静载、静载特点：特点：长期作用、联合作用在套管上。长期作用、联合作用在套管上。类型：类型：s 轴向拉力轴向拉力s 径向外挤压力径向外挤压力s 径向内压力径向内压力s 弯曲附加拉力弯曲附加拉力s 温差应力温差应力二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算l轴向拉力轴向拉力：自重、浮力自重、浮力W二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算l径向外挤压力：径向外挤压力：管外液柱压力管外液柱压力地层挤压地层挤压环空加压环空加压二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算l径向内压力：径向内压力：管内流体压力管内流体压力压裂作业等压力压裂作业等压力二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2 2、动载动载特点：瞬时地、单一地作用在套管上特点：瞬时地、单一地作用在套管上。产生原因：产生原因：l起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载起下钻时速度变化产生的动载l阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载阻、卡套管时提拉动载l摩擦动载摩擦动载摩擦动载摩擦动载l碰压动载碰压动载碰压动载碰压动载l密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力密度差产生的附加拉力二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算轴向拉力轴向拉力外挤压力外挤压力内压力内压力作用在套管上的主要载荷应是：作用在套管上的主要载荷应是：二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（二）、轴向拉力与套管抗拉强度（二）、轴向拉力与套管抗拉强度1 1、轴向拉力计算、轴向拉力计算1.1 1.1 套管自重产生的轴向拉力套管自重产生的轴向拉力 浮力对轴向载荷有减小作用，因此，浮力对轴向载荷有减小作用，因此，设计时考虑与不考虑浮力时选用的安全设计时考虑与不考虑浮力时选用的安全系数应有一定区别系数应有一定区别二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(1).(1).不考虑浮力时套管自重拉力不考虑浮力时套管自重拉力分布规律分布规律分布规律分布规律：在套管柱上由下向上逐渐增大在套管柱上由下向上逐渐增大在套管柱上由下向上逐渐增大在套管柱上由下向上逐渐增大最大值位置最大值位置最大值位置最大值位置：井口处井口处井口处井口处计算方法计算方法计算方法计算方法：T T T T井口处套管轴向拉力井口处套管轴向拉力井口处套管轴向拉力井口处套管轴向拉力,KNKNKNKNq q q q单位长度套管的重量，单位长度套管的重量，单位长度套管的重量，单位长度套管的重量，N/mN/mN/mN/mL L L L套管长度，套管长度，套管长度，套管长度，m m m mHT二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(2).(2).考虑浮力时套管自重拉力考虑浮力时套管自重拉力浮力考虑方法浮力考虑方法：l浮力系数法浮力系数法l台阶力法台阶力法二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算用浮力系数法计算用浮力系数法计算：考虑套管单位长度重量被泥浆的浮力所考虑套管单位长度重量被泥浆的浮力所减少！减少！T T T Tb b b b套管在泥浆中的重量，套管在泥浆中的重量，套管在泥浆中的重量，套管在泥浆中的重量，KNKNKNKNB B B BF F F F浮力系数浮力系数浮力系数浮力系数B BF F=1-=1-m m/g g二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算考虑浮力后的轴向力分布考虑浮力后的轴向力分布(浮力系数法浮力系数法)HT 我国现场套管柱设计一般不考虑浮力，我国现场套管柱设计一般不考虑浮力，认为在下套管或活动套管时，认为在下套管或活动套管时，浮力被套管浮力被套管柱与井壁摩擦产生的附加力所抵消柱与井壁摩擦产生的附加力所抵消。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 如如如如果果果果井井井井眼眼眼眼存存存存在在在在较较较较大大大大的的的的井井井井斜斜斜斜变变变变化化化化或或或或狗狗狗狗腿腿腿腿时时时时，由由由由于于于于套套套套管管管管弯弯弯弯曲曲曲曲效效效效应应应应的的的的影影影影响响响响将将将将增增增增大大大大套套套套管管管管的的的的拉拉拉拉力力力力负负负负荷荷荷荷，特特特特别别别别是是是是在在在在靠靠靠靠近近近近丝丝丝丝扣扣扣扣啮啮啮啮合合合合处处处处易易易易形形形形成成成成裂裂裂裂缝缝缝缝损损损损坏坏坏坏，由由由由于于于于APIAPIAPIAPI套套套套管管管管的的的的连连连连接接接接强强强强度度度度没没没没有有有有考考考考虑虑虑虑弯弯弯弯曲曲曲曲应应应应力力力力，所所所所以以以以设设设设计计计计时时时时应应应应从从从从套套套套管管管管的的的的连连连连接接接接强强强强度度度度中中中中扣扣扣扣除除除除弯弯弯弯曲曲曲曲效应的影响。效应的影响。效应的影响。效应的影响。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力影响：影响：使套管在弯曲井段增加了一附加拉力。使套管在弯曲井段增加了一附加拉力。应用：应用：定向井、水平井、大位移井。定向井、水平井、大位移井。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.21.2 弯曲附加拉力弯曲附加拉力 Z(+)Z(-)maxE钢的弹性模量，E=2.1*108千帕D套管外径，厘米 井斜变化角，度A套管截面积，平方厘米 L弯曲段长度，米T弯曲产生的附加力，千牛 1.3 1.3 套管内套管内水泥浆水泥浆使套管柱产生的使套管柱产生的附加拉力附加拉力 在深井或超深井注水泥过程中，由于注水泥浆量大，在深井或超深井注水泥过程中，由于注水泥浆量大，水泥密度比井内泥浆密度大得多时，在水泥浆未返出套管水泥密度比井内泥浆密度大得多时，在水泥浆未返出套管鞋，将使套管柱产生一个较大得附加轴向拉力。鞋，将使套管柱产生一个较大得附加轴向拉力。千牛H,管内水泥浆柱高度，米；,水泥浆密度，克/厘米3 泥浆密度，克/厘米3；d，套管内径，厘米二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.4 1.4 1.4 1.4 其它附加拉力其它附加拉力其它附加拉力其它附加拉力 1)1)1)1)下套管过程中的冲击载荷产生的附加拉力下套管过程中的冲击载荷产生的附加拉力下套管过程中的冲击载荷产生的附加拉力下套管过程中的冲击载荷产生的附加拉力 2)2)2)2)遇卡时由于井壁摩擦产生的附加拉力；遇卡时由于井壁摩擦产生的附加拉力；遇卡时由于井壁摩擦产生的附加拉力；遇卡时由于井壁摩擦产生的附加拉力；3)3)3)3)注水泥过程中，套管往复运动刮泥饼产生的附注水泥过程中，套管往复运动刮泥饼产生的附注水泥过程中，套管往复运动刮泥饼产生的附注水泥过程中，套管往复运动刮泥饼产生的附 加拉力加拉力加拉力加拉力 .在在在在一一一一般般般般的的的的套套套套管管管管设设设设计计计计中中中中，没没没没有有有有具具具具体体体体考考考考虑虑虑虑这这这这些些些些附附附附加加加加拉拉拉拉力力力力，而是通过安全系数的选用将其概括在内。而是通过安全系数的选用将其概括在内。而是通过安全系数的选用将其概括在内。而是通过安全系数的选用将其概括在内。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.5 1.5 1.5 1.5 有效轴向拉力有效轴向拉力有效轴向拉力有效轴向拉力考虑套管在井内所受各种轴力的综合状态。考虑套管在井内所受各种轴力的综合状态。考虑套管在井内所受各种轴力的综合状态。考虑套管在井内所受各种轴力的综合状态。考虑方法：考虑方法：考虑方法：考虑方法：z考虑套管在泥浆中的浮重考虑套管在泥浆中的浮重考虑套管在泥浆中的浮重考虑套管在泥浆中的浮重z在弯曲井段加上弯曲载荷在弯曲井段加上弯曲载荷在弯曲井段加上弯曲载荷在弯曲井段加上弯曲载荷z其它轴向力考虑在安全系数之内其它轴向力考虑在安全系数之内其它轴向力考虑在安全系数之内其它轴向力考虑在安全系数之内二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2 2、轴向拉力作用下的套管强度、轴向拉力作用下的套管强度(抗拉强度）抗拉强度）2.12.1 轴向拉力作用下套管的失效形式轴向拉力作用下套管的失效形式原因：轴向载荷过大原因：轴向载荷过大 失效形式失效形式:(1)(1)丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱(2)(2)丝扣断裂丝扣断裂(3)(3)管体断裂管体断裂(4)(4)氢脆氢脆（a）（b）（c）图7-6 API螺纹连接示意图（a）圆螺纹连接 （b）梯形螺纹连接 （c）直连型螺纹连接二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(1)(1)丝扣（接箍）滑脱丝扣（接箍）滑脱 对圆扣套管是常见的对圆扣套管是常见的失效形式。失效形式。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(2)(2)丝扣断裂丝扣断裂条件条件：拉拉力力大大于于丝丝扣扣连连接接强强度度，小小于于本本体体强度。强度。位置位置：丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）丝扣最后一个啮合螺纹处（扣根）（直径最小）（直径最小）二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(3)(3)管体断裂管体断裂条件条件：拉拉力力小小于于丝丝扣扣连连接接强强度度，大大于于本本体体强度。强度。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2.22.2 套管抗拉强度的选用套管抗拉强度的选用抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度minminminmin丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度丝扣部分抗拉强度，管体抗拉强度 （1 1）圆螺纹套管）圆螺纹套管丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度丝扣抗拉强度=minminminmin抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度抗滑脱强度，丝扣拉断强度 （2 2）梯形扣和直连型套管）梯形扣和直连型套管以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准以丝扣或管体抗拉强度为标准 二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（三）、外挤压力与套管抗挤强度（三）、外挤压力与套管抗挤强度外挤压力的产生：外挤压力的产生：z泥浆、水泥浆液柱压力泥浆、水泥浆液柱压力z地层流体压力地层流体压力z易流动岩层侧压力易流动岩层侧压力二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.1.外挤压力计算外挤压力计算1.11.1 外挤压力的计算外挤压力的计算考虑方法考虑方法：管内按全掏空的最危险状态考虑管内按全掏空的最危险状态考虑管内按全掏空的最危险状态考虑管内按全掏空的最危险状态考虑计算方法计算方法：PePePePe外挤压力，外挤压力，外挤压力，外挤压力，MpaMpaMpaMpaH H H H计算点深度，计算点深度，计算点深度，计算点深度，m m m m m m m m管外泥浆（或盐水）密度，管外泥浆（或盐水）密度，管外泥浆（或盐水）密度，管外泥浆（或盐水）密度，g/cmg/cmg/cmg/cm3 3 3 3二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算外挤力分布外挤力分布：沿井深增加，最大在井底沿井深增加，最大在井底沿井深增加，最大在井底沿井深增加，最大在井底。HPe二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算说明：说明：a.a.水水水水泥泥泥泥环环环环有有有有一一一一定定定定的的的的承承承承载载载载能能能能力力力力，实实实实际际际际的的的的外外外外挤挤挤挤力力力力在在在在水水水水泥泥泥泥面面面面以下没有这么大，可分段考虑；以下没有这么大，可分段考虑；以下没有这么大，可分段考虑；以下没有这么大，可分段考虑；b.b.b.b.在在在在有有有有易易易易流流流流动动动动地地地地层层层层的的的的情情情情况况况况下下下下（如如如如盐盐盐盐岩岩岩岩层层层层、泥泥泥泥盐盐盐盐层层层层），套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；套管所受的外挤力应按上覆岩层的压力梯度计算；c.c.c.c.在在在在很很很很多多多多井井井井中中中中，并并并并不不不不可可可可能能能能发发发发生生生生全全全全掏掏掏掏空空空空的的的的外外外外挤挤挤挤状状状状态态态态，故故故故按按按按上上上上面面面面方方方方法法法法计计计计算算算算出出出出的的的的外外外外挤挤挤挤力力力力偏偏偏偏大大大大，这这这这样样样样便便便便可可可可能能能能造造造造成成成成选选选选择择择择套套套套管管管管的的的的浪浪浪浪费费费费。现现现现行行行行的的的的方方方方法法法法是是是是根根根根据据据据各各各各层层层层套套套套管管管管具具具具体体体体可能出现的最大工况，按有效载荷计算。可能出现的最大工况，按有效载荷计算。可能出现的最大工况，按有效载荷计算。可能出现的最大工况，按有效载荷计算。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算分段计算外挤力：分段计算外挤力：水泥面以上按泥浆密度；水泥面以上按泥浆密度；水泥面以下按盐水密度。水泥面以下按盐水密度。HPe水泥面二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算有塑性流动地层：有塑性流动地层：该该地地层层段段按按上上覆覆岩岩层层压力计算压力计算HPe塑性地层二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.21.2 有效外挤压力计算有效外挤压力计算原则：原则：原则：原则：考考考考虑虑虑虑管管管管外外外外实实实实际际际际的的的的外外外外挤挤挤挤力力力力情情情情况况况况和和和和管管管管内内内内压压压压力力力力对对对对它它它它的的的的抵销作用。抵销作用。抵销作用。抵销作用。计算方法计算方法：P Pe e=P=Pc c-P-Pi i其中其中P Pi i内压力内压力P Pi i的计算方法不同，也使得的计算方法不同，也使得P Pe e有多种算法。有多种算法。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（1 1）探井或套管内压力可能下降很低的井）探井或套管内压力可能下降很低的井考虑状态：最危险状态考虑状态：最危险状态-管内全掏空管内全掏空具体算法具体算法:z管外水泥面上按泥浆密度管外水泥面上按泥浆密度管外水泥面上按泥浆密度管外水泥面上按泥浆密度z管外水泥面以下按盐水压力管外水泥面以下按盐水压力管外水泥面以下按盐水压力管外水泥面以下按盐水压力z特殊地层（塑性地层）按实际外挤力计算特殊地层（塑性地层）按实际外挤力计算特殊地层（塑性地层）按实际外挤力计算特殊地层（塑性地层）按实际外挤力计算二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（2 2 2 2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井考虑状态：管内有一定内压存在考虑状态：管内有一定内压存在具体算法具体算法:PePe=Pc-Pi=Pc-Pi二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（2 2 2 2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井hH计算举例计算举例计算举例计算举例:计算方法：计算方法：计算方法：计算方法：分段计算分段计算分段计算分段计算计算深度为计算深度为计算深度为计算深度为Z,Z,0 Z h0 Z hh Z Hh Z HH ZH ZZ二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算（2 2 2 2）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井）生产井或管内液面只可能降到一定深度的井hHZPePiH二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算管内液面深度的确定管内液面深度的确定：根据现场具体井况确定。根据现场具体井况确定。根据现场具体井况确定。根据现场具体井况确定。技术套管技术套管技术套管技术套管：以以以以下下下下次次次次开开开开钻钻钻钻后后后后发发发发生生生生井井井井漏漏漏漏，井井井井内内内内管管管管中中中中泥泥泥泥浆浆浆浆液液液液面面面面降降降降至至至至平平平平衡地层压力的情况来考虑。衡地层压力的情况来考虑。衡地层压力的情况来考虑。衡地层压力的情况来考虑。生产套管生产套管生产套管生产套管：可按地层流体在地层压力下进入管内的高度计算。可按地层流体在地层压力下进入管内的高度计算。可按地层流体在地层压力下进入管内的高度计算。可按地层流体在地层压力下进入管内的高度计算。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2.2.套管的抗挤强度（单一外力作用）套管的抗挤强度（单一外力作用）目的：利用材料强度计算抗挤强度目的：利用材料强度计算抗挤强度 二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2.12.1套管在外挤力下的失效形式套管在外挤力下的失效形式套套管管径径厚厚比比的的范范围围不不同同，套套管管破破坏坏的的形形式式也也有有所所不不同同，其其变变化化相相似似于于受受压压直直杆杆件件的的破破坏。坏。细长杆压弯（失稳）细长杆压弯（失稳）短粗杆塑性变形破坏短粗杆塑性变形破坏 二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算套管按径厚比分类为套管按径厚比分类为：厚壁：厚壁：厚壁：厚壁：D/t D/t D/t D/t 10 10 10 10中厚壁：中厚壁：中厚壁：中厚壁：10 10 10 10 30D/t 30D/t 30D/t 30 失效形式失效形式：x薄壁套管：薄壁套管：薄壁套管：薄壁套管：弹性失稳弹性失稳弹性失稳弹性失稳x厚壁套管：厚壁套管：厚壁套管：厚壁套管：强度破坏强度破坏强度破坏强度破坏x中厚壁套管：塑性变形中厚壁套管：塑性变形中厚壁套管：塑性变形中厚壁套管：塑性变形二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算套管失效形式：套管失效形式：主要是主要是失稳破坏失稳破坏，而不是强度破坏。，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁或破裂失稳后的套管被挤扁或破裂二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2.22.2套管抗挤强度计算套管抗挤强度计算 APIAPIAPIAPI根根根根据据据据上上上上面面面面套套套套管管管管的的的的不不不不同同同同失失失失效效效效形形形形式式式式，给给给给出出出出了了了了一一一一套套套套抗挤强度计算公式，即：抗挤强度计算公式，即：抗挤强度计算公式，即：抗挤强度计算公式，即：l最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度最小屈服抗挤强度l最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度最小塑性抗挤强度l最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度最小塑弹性抗挤强度l最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度最小弹性抗挤强度 二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算3.3.套管在多向载荷作用下的强度变化与计算套管在多向载荷作用下的强度变化与计算多向载荷下套管应力分析多向载荷下套管应力分析(1)(1)受力条件：受力条件：内压、外挤、轴向力内压、外挤、轴向力(2)(2)应力分布：应力分布：三个正应力作用三个正应力作用二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算三个正应力三个正应力轴向应力轴向应力周向应力周向应力径向应力径向应力trz z z r r t t z z t t r r二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算3.13.1 套管双轴应力椭圆套管双轴应力椭圆a.a.方程建立方程建立 由由由由材材材材料料料料力力力力学学学学理理理理论论论论可可可可知知知知，套套套套管管管管在在在在外外外外载载载载作作作作用用用用下下下下，其其其其单元体上受三个正应力作用，单元体上受三个正应力作用，单元体上受三个正应力作用，单元体上受三个正应力作用，z z z z轴向应力轴向应力轴向应力轴向应力 t t t t周向应力周向应力周向应力周向应力 r r r r径向应力径向应力径向应力径向应力ztr二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算这三个应力共同作用时合成应力为（这三个应力共同作用时合成应力为（这三个应力共同作用时合成应力为（这三个应力共同作用时合成应力为（MisesMisesMisesMises方程）：方程）：方程）：方程）：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：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 c s s其平衡方程有：其平衡方程有：其平衡方程有：其平衡方程有：管柱内的应力状态为三向应力状态，三个主应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。设套力分别为轴向应力、周向应力和径向应力。设套管自重产生的轴向应力为管自重产生的轴向应力为z z，外压力或内压力产外压力或内压力产生的周向应力为生的周向应力为t t、径向应力为径向应力为r r。由于套管由于套管为薄壁或中厚壁管，径向应力为薄壁或中厚壁管，径向应力r r比周向应力比周向应力t t相对小得多，可将径向应力相对小得多，可将径向应力r r忽略不计，故套管忽略不计，故套管近似为只受轴向应力近似为只受轴向应力z z与周向应力与周向应力t t的二向应的二向应力（又称双向应力）作用。力（又称双向应力）作用。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算在这三个应力中，在这三个应力中，在这三个应力中，在这三个应力中，r r r r 0 000 拉伸内压拉伸内压 z z，t t 0 00 压缩内压压缩内压 z z，t t 0 000 00 Pcc=42.9二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算(四四)、内压力与套管抗内压强度、内压力与套管抗内压强度1.1.内压力计算内压力计算考虑状态考虑状态：可能出现的最大内力可能出现的最大内力内压力为最大一般为井喷关井后内压力为最大一般为井喷关井后内压力为最大一般为井喷关井后内压力为最大一般为井喷关井后或酸化压裂时。或酸化压裂时。或酸化压裂时。或酸化压裂时。内压分布内压分布：以井口为最大以井口为最大二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.1.内压力计算内压力计算计算方法计算方法：有效内压力有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力 管外压力按盐水密度计算；管外压力按盐水密度计算；管外压力按盐水密度计算；管外压力按盐水密度计算；管内压力按液气共存或只有液体计算。管内压力按液气共存或只有液体计算。管内压力按液气共存或只有液体计算。管内压力按液气共存或只有液体计算。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算1.1.内压力计算内压力计算井口压力计算方法：井口压力计算方法：按井口关闭，全井充气计算按井口关闭，全井充气计算：井口压力井口压力PsPs为为：PbPbPbPb地层压力地层压力地层压力地层压力,MPaMPaMPaMPaG-G-G-G-天然气密度天然气密度天然气密度天然气密度 0 0 0 0.55555555L-L-L-L-井深井深井深井深,m m m m一般以Ps作用于整个套管柱考虑，由于井口以下有外挤力同时作用，所以认为井口最危险。二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算 以井口装置的许用最高压力作为以井口装置的许用最高压力作为以井口装置的许用最高压力作为以井口装置的许用最高压力作为井口压力井口压力井口压力井口压力现场常用现场常用现场常用现场常用 当井口压力超过井口装置允许压力时，放喷。当井口压力超过井口装置允许压力时，放喷。当井口压力超过井口装置允许压力时，放喷。当井口压力超过井口装置允许压力时，放喷。很很很很显显显显然然然然这这这这种种种种情情情情况况况况是是是是井井井井口口口口内内内内压压压压力力力力和和和和套套套套管管管管抗抗抗抗内内内内压压压压强强强强度大于井口装置的承压能力。度大于井口装置的承压能力。度大于井口装置的承压能力。度大于井口装置的承压能力。以有效内压力计算有效内压力有效内压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力有效内压力井口压力管内压力管外压力二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算2.2.套管的抗内压强度套管的抗内压强度2.12.12.12.1套管在内压作用下的失效形式套管在内压作用下的失效形式套管在内压作用下的失效形式套管在内压作用下的失效形式套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。套管在内压力下的破坏一般属于强度破坏。2.22.22.22.2抗内压强度的计算抗内压强度的计算抗内压强度的计算抗内压强度的计算 套套套套管管管管管管管管体体体体和和和和接接接接箍箍箍箍处处处处的的的的抗抗抗抗内内内内压压压压强强强强度度度度可可可可能能能能不不不不一一一一致致致致，故故故故需需需需同同同同时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。时计算套管管体与丝扣处的抗内压强度。公式：公式：公式：公式：管体，薄壁圆筒理论管体，薄壁圆筒理论管体，薄壁圆筒理论管体，薄壁圆筒理论接箍接箍接箍接箍二、套管外载分析与套管强度计算二、套管外载分析与套管强度计算薄壁圆筒计算原理：薄壁圆筒计算原理：t tPi若用套管的最小屈服强度 代入，则内压力P即为抗内压强度，用Pi来表示。0.875是允许套管壁厚有12.5%的变化第第1 1节节套管柱设计套管柱设计三、套管柱设计方法三、套管柱设计方法第第1 1节节套