第5講 [第二章 套管柱及注水泥設(shè)計]——套管柱載荷分析

1、第二章 套管柱及注水泥設(shè)計,第一節(jié) 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計 第二節(jié) 生產(chǎn)套管尺寸的確定 第三節(jié) 套管柱強(qiáng)度設(shè)計 第四節(jié) 注水泥技術(shù) 第五節(jié) 復(fù)雜類型井套管柱設(shè)計和注水泥技術(shù)簡介,第三節(jié) 套管柱強(qiáng)度設(shè)計,一、套管的類型及其性能二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度三、定向井套管柱載荷計算四、套管柱強(qiáng)度設(shè)計,第三節(jié) 套管柱設(shè)計,套管柱強(qiáng)度設(shè)計的任務(wù)：事先設(shè)計出強(qiáng)度足夠的套管柱，保證能夠經(jīng)受入井后各種外載的作用，且成本上是最低的，符合“即安

2、全又經(jīng)濟(jì)”原則。目前一般使用符合美國API套管規(guī)范的進(jìn)口和國產(chǎn)套管，主要包括套管的尺寸、鋼級、壁厚、連接方式等?！?國內(nèi)主要有: 天鋼、寶鋼、成鋼；◆ 國外主要有：日本、德國、美國、施特佳；,第三節(jié) 套管柱設(shè)計,一、套管的類型及其性能,1、基本概念油井套管是優(yōu)質(zhì)鋼材制成的無縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。大多數(shù)的套管是用套管接箍連接組成套管柱。表征套管的主要特性參數(shù)有套管尺寸、鋼級和壁厚。（API SPEC 5A：

3、C75、C95、P110的套管只能用無縫管制造）,1、基本概念,（1）套管的尺寸 （又稱名義外徑、公稱直徑等）是指套管本體的外徑，實際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過。,1、基本概念,（2）套管的鋼級 API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度，用鋼級表示。套管鋼級由字母及其后面的數(shù)碼組成，字母沒有特殊含義，但數(shù)碼代表套管的強(qiáng)度。,API對套管進(jìn)行了相應(yīng)的分級（H、J

4、、K、N、C、L、P、Q八種共十級）即： H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和Q125，前6種類型為抗硫的，其余為非抗硫的。,1、基本概念,API套管規(guī)范及強(qiáng)度(5寸套管)《甲方鉆井手冊》P192,,1、基本概念,值得注意的是：◆ API規(guī)定，鋼級代號后面的數(shù)值乘以1000，即為套管（以kpsi為單位）的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了極少數(shù)例外，也適應(yīng)于非API 標(biāo)準(zhǔn)的套管。（1MPa=145.04p

5、si；psi：磅/英寸2）◆ 只有屈服強(qiáng)度 對H2S提敏感的，但對CO2則影響很小，可以數(shù)年內(nèi)不破壞，而在H2S～鹽的環(huán)境中會在一小時內(nèi)破壞。,,API套管規(guī)范及強(qiáng)度(5寸套管),,1、基本概念,（3）套管的壁厚 是指套管本體處管體的厚度，又稱為套管名義壁厚。套管的壁厚也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。和套管壁厚直接相關(guān)聯(lián)的就是套管的名義質(zhì)量（或名義重量），指定是套管單位長度的質(zhì)量（或重量）。,API套管規(guī)

6、范及強(qiáng)度(5寸套管),,1、基本概念,除上述API標(biāo)準(zhǔn)套管外，國外還研究和開發(fā)了滿足特殊使用條件的非API標(biāo)準(zhǔn)套管，包括：深井的超高強(qiáng)度套管；酸性環(huán)境用套管；高抗擠毀套管；用于常溫油氣井的高強(qiáng)度套管；這些特殊套管的應(yīng)用，相當(dāng)程度上解決了深井、高壓井、高腐蝕井、海洋和近海油氣田、沙漠腹地油氣田開發(fā)所面臨的難題，并為水平井及熱采井等推廣打下了基礎(chǔ)。資料表明，特殊套管的使用比例正逐年提高。,1、基本概念,,2、套管的聯(lián)接,套管柱通常

7、都是由同一外徑、相同（或不同）鋼級、壁厚的套管用接箍聯(lián)接組成的。聯(lián)接是由螺紋來實現(xiàn)的，螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強(qiáng)度檢驗的重點。套管螺紋都是錐形螺紋，在API規(guī)范中分為五大類。前四類屬API 標(biāo)準(zhǔn)，第五類系非API標(biāo)準(zhǔn)。,2、套管的聯(lián)接,（a） （b） （c）（a）圓螺紋連接

8、 （b）梯形螺紋連接 （c）直連型螺紋連接,API螺紋連接示意圖,2、套管的聯(lián)接,● API 標(biāo)準(zhǔn)螺紋的優(yōu)點：加工容易，一般精度，油田現(xiàn)場容易加工配接有關(guān)短節(jié)，成本低。采用一般操作條件聯(lián)接，易于修扣和現(xiàn)場處理。在有優(yōu)質(zhì)密封脂配合使用，對流體密封條件可達(dá)69MPa 及149℃?？梢灾貜?fù)上扣使用?！?API 標(biāo)準(zhǔn)螺紋的缺點：過高壓力及氣體不能滿足密封要求。API 螺紋的

9、聯(lián)接強(qiáng)度僅是管體抗拉強(qiáng)度的80％。在有腐蝕流體的環(huán)境，因API 接箍的“干擾值”過大，過大的圓周應(yīng)力容易產(chǎn)生接箍的氫脆應(yīng)力破壞或發(fā)生應(yīng)變裂紋。,2、套管的聯(lián)接,● 非API 標(biāo)準(zhǔn)的特殊螺紋制造和設(shè)計具有以下特點：力求聯(lián)接強(qiáng)度大于或等于管體抗拉強(qiáng)度。提供更高級密封，主要采取金屬對金屬的密封設(shè)計。不容易在現(xiàn)場配接短節(jié)，要求嚴(yán)格的操作條件和成本高。具有扭矩臺肩，滿足上扣扭矩強(qiáng)度要求，可控制過大的圓周應(yīng)力(周向應(yīng)力)。聯(lián)接處(或接箍

10、)的外徑能夠達(dá)到盡可能小的程度。,二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度,套管柱:（1）在入井、注水泥以及以后生產(chǎn)的不同時期，套管柱的受力也是不斷變化的。（2）在不同的地層和地質(zhì)條件下，套管柱所承受的外載荷也是不同的。如在井下的鹽巖層對套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計算；在酸化壓裂時承受的內(nèi)壓力與正常采油時的壓力就不同；在易坍塌油層生前的前、中、后期對套管柱的外擠壓力也不盡相同。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐證明，雖套管柱的受力復(fù)雜，但是

11、影響套管柱的基本載荷主要有以下幾種：①軸向載荷；②外擠壓力；③內(nèi)壓力。其它載荷如套管彎曲載荷、振動載荷等都考慮到安全系數(shù)中去了。,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（1）軸向載荷種類自重產(chǎn)生的軸向拉力，是軸向應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因。在井口最大。教材P258 式7—7API標(biāo)準(zhǔn)中套管的強(qiáng)度值是沒有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對于井眼上存在大的斜度或狗腿時，這樣由于彎曲的影響就增大了套管的軸向拉力。特別是在靠近扣處易形成裂縫損壞，故應(yīng)給予考慮。

12、教材P259 式7—10在深井或超井的注水泥過程中，由于注水泥漿量較大，故在水泥還未返出套鞋處時，將對套管柱產(chǎn)生一較大的附加軸向應(yīng)力。教材 P259 式7—11其它的附加力。摩擦力一般認(rèn)為是與浮力相抵消的。而剩余的力由于計算復(fù)雜，有時難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來進(jìn)行考慮。,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（1）軸向載荷種類,實際設(shè)計中，一般不考慮浮力對軸向載荷的作用，則設(shè)計結(jié)果偏于安全。但在計算精度要求較高的情況下（如高溫高壓井），

13、為了更好的發(fā)揮管材強(qiáng)度性能，此時往往不能簡單的給予忽略。,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（2）軸向載荷下套管抗拉強(qiáng)度目前我國現(xiàn)場中所用的套管絕大多數(shù)為API標(biāo)準(zhǔn)圓扣套管：扣為V型，扣根與扣尖為圓孤形。從API的套管抗拉強(qiáng)度試驗和現(xiàn)場的實際可以看出，絕大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對于圓螺紋，本體拉斷的情況要比滑扣情況少的多。 所以一般在設(shè)計中，除了考慮套管的屈服強(qiáng)度外，還要考慮套管絲扣的連接強(qiáng)度。值得注意的是，在軸向載荷下，不

14、僅存在連接強(qiáng)度的問題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對抗內(nèi)壓、抗外壓強(qiáng)度都有影響，同時對套管絲扣的密封也有直接的影響。,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（1）外擠載荷種類 （假設(shè)管外水泥沒有凝固，管外是鉆井液）,,一般情況下，外擠載荷按最危險的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空來計算套管承受的外擠載荷。,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,套管內(nèi)全掏空,,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,,,,,,有效載荷,,套管內(nèi)液面,,井身結(jié)構(gòu),2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)

15、度,（2）套管的API抗擠強(qiáng)度抗外擠強(qiáng)度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。套管受外擠作用時，其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強(qiáng)度破壞。失穩(wěn)后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下工作不能通過，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套管損壞嚴(yán)重者油氣井報廢。 套管抗擠強(qiáng)度取決于材料性能、橫截面的幾何形狀和套管所承受負(fù)荷的狀況。理論分析和實驗研究表明，套管徑厚比d / δ（外徑/壁厚）較大時：失穩(wěn)破壞；當(dāng)套管徑厚比較?。禾?/p>

16、管將發(fā)生強(qiáng)度破壞。,圖3-8-2-3 套管截面的擠毀,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（2）套管的API抗擠強(qiáng)度API 5C3通告詳細(xì)敘述了測定套管抗外擠強(qiáng)度的程序（軸向應(yīng)力為0 ） 。在外擠壓力作用下，套管斷面可能發(fā)生三種擠壓或彎曲形式：彈性擠壓、塑性擠壓和臨界強(qiáng)度擠壓。三種擠壓形式的轉(zhuǎn)化受管體幾何形狀和材料性能的制約。如圖所示。,針對以上對抗外擠強(qiáng)度形式的分析，API提出了四種計算套管擠壓公式：彈性擠壓、塑性過渡擠壓、塑性擠壓

17、和屈服擠壓。,,,,,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（3）有軸向載荷時的套管抗擠強(qiáng)度在實際的情況中，套管的軸向載荷是不為零的。從套管的應(yīng)力分析基礎(chǔ)出發(fā)，實際上套管的受力是三維的。,,σs套管的屈服強(qiáng)度,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,,,,周向載荷,內(nèi)壓強(qiáng)度,外擠強(qiáng)度,無軸向載荷時：套管的抗外擠（內(nèi)壓）強(qiáng)度不受影響（表現(xiàn)為圓形）。,有軸向載荷時：套管的抗外擠（內(nèi)壓）強(qiáng)度受軸向外載荷影響（表現(xiàn)為橢圓形） 。,,雙軸應(yīng)力橢圓：軸向載荷對

18、套管抗外擠強(qiáng)度的影響,,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,,計算實例,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,（1）內(nèi)壓載荷（假設(shè)管外的水泥已凝固，管外的壓力用地層流體計算）內(nèi)壓力的來源：地層流體進(jìn)入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（注水、壓裂）時的壓力。內(nèi)壓力的確定：在老區(qū)可以參考鄰近的資料，但在新區(qū)，內(nèi)壓少就很難確定。當(dāng)井口開時，內(nèi)壓力易于計算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌關(guān)井時則內(nèi)壓力就顯的十分突出。井的深淺對

19、內(nèi)壓力的影響：當(dāng)井較淺時，內(nèi)壓力是比較小的。且一般的套管內(nèi)壓強(qiáng)度>抗外擠強(qiáng)度，故設(shè)計中問題不明顯。但隨著井深的增加，內(nèi)壓問題就很突出，有時甚至超過了抗外擠。,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,井底的壓力：套管內(nèi)有效內(nèi)壓載荷——：井口有效內(nèi)壓載荷：井底有效內(nèi)壓載荷：,等于管內(nèi)的減去管外的地層流體壓力,在實際的計算時，一般是按套管全部掏空的情況考慮的。,,式中：PB——井底壓力，MPa；Pio——

20、井口壓力，MPa；ρd——鉆井液密度，g/cm3；ρp——地層流體密度，g/cm3；,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,套管內(nèi)全掏空,,,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,,,,,,有效載荷,,套管內(nèi)液面,井身結(jié)構(gòu),,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,套管內(nèi)部分掏空,,,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,,,,,,有效載荷,,,,,套管內(nèi)液面,井底,井身結(jié)構(gòu),3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,生產(chǎn)套管內(nèi)壓力計算則與其它不同。其與完井方式有關(guān)。典型的完井方式

21、如下圖。在油井的生產(chǎn)初期，油管接頭螺紋產(chǎn)生漏氣，氣泡由裂縫進(jìn)入油管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)形空間，在封閉的情況下，氣泡上升到井口，但氣泡仍然保持原有的壓力，那么,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,（2）套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,,計算實例,4、套管的（腐蝕）損壞,套管的損壞從總體上來分,,三、定向井套管柱載荷計算,定向井套管柱強(qiáng)度設(shè)計總體上與直井相同。在彎曲井段，由于彎曲效應(yīng)增大了套管柱的拉力載荷，套管的彎曲應(yīng)力對套管柱

22、抗拉強(qiáng)度影響較大。,1、套管柱彎曲半徑與套管安全入井的條件,（1）套管柱的彎曲半徑(R)：套管管體允許的彎曲半徑稱為套管柱彎曲半徑。 （單位：(ο)/100m） E——鋼材彈性模量（206×1

23、03MPa）；D——套管的外徑（cm）； Yp——鋼材的屈服強(qiáng)度（KPa）；K1——抗彎安全系數(shù)(K1=1.8)； K2——螺紋連接處的安全系數(shù)(K2=3)。（2）井眼軌跡半徑(R0)計算： K——井眼的曲率半徑，(ο)/100m；（3）套管安全入井的條件是：,2、套管柱彎曲應(yīng)力計算,E——鋼材彈性模量（206×103MPa）；D——套管的外徑（cm）； K——井