固井作业2

1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24.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。ALEDTbd6101802Z(+)Z(-)max一、套管外载分析与计算3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41、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5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61、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71、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8二、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9（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10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112、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12套管强度系列：套管外径1外径2…...钢级…...壁厚…...扣型…...强度…...强度系列二、套管强度132、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142、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152、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162、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172、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18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DLYDLUDLAPppjpj14.014.05.0283.1095.059.0pjpjUAP095.0二、套管强度192、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？？20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：22221zrrttzc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：22222szrrttz方程反映了材料屈服强度不变的条件下，各应力之间的关系二、套管强度21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：122ststszsz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22用σz/σs的百分数为横坐标，用σt/σs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122ststszsz二、套管强度t/sz/s123423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Ⅰ00拉伸－内压z，tⅡ00压缩－内压z，tⅢ00压缩－外挤z，tⅣ00拉伸－外挤z，t对IV象限，表明轴向拉伸对套管的抗挤能力有影响。二、套管强度轴向拉力作用下对套管抗挤强度的影响有多大？？24ATz10ATss10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sszTT25（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tdPccct2tdPccs2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σs二、套管强度26（4）轴向拉力作用下套管的抗挤强度载荷方程ATz10ATss10tdPccct2tdPccs21)()()(22cccccssPPPTTTT二、套管强度sszTTcccstPP122ststszsz27csscccPKTTTTPP214312Pcc为考虑轴向力影响后套管实际的抗挤强度二、套管强度1)()()(22cccccssPPPTTTT281、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、套管柱强度设计套管类型抗挤设计安全系数Sc抗内压设计安全系数Sb抗拉设计安全系数St表层套管1.0～1.11.1～1.21.6～1.8技术套管1.0～1.1251.1～1.331.6～2.0生产套管1.0～1.21.1～1.41.6～1.9291、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30三、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31三、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。32三、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。33三、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。coeodSPP)1(nswnLZZoeP有效外挤压力34三、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。odccPP35三、套管柱强度设计图7-9套管柱抗挤设计图36三、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PbPid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。37三、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）tdTSTdtTT38三、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