固井培训2-套管设计

套管柱强度设计、校核方法与规范西南石油学院石油工程学院徐璧华基本设计原理介绍主要内容设计原则基本原理与方法基本特点套管外载计算方法套管强度计算方法设计方法在软件中使用的方法套管设计的思路设计原则目的在现有套管材料中，选择一个套管柱组合，使其能保证安全的情况下具有较低的成本。原则强度：能满足井下各种工况下各种外载的作用成本：经济套管强度×安全系数套管外载基本原理设计方法–分析套管外载–计算要求的套管强度–选择套管校核方法–分析套管外载–计算套管强度是否满足外载基本特点外载状态是变化的–不同类型套管，可能的最大外载分布不同–外载沿井深分布不同–不同井况下，考虑的外载不同定向井、水平井、盐岩流动地层套管柱的实际强度是变化的–浮力影响–轴向力、周向力对抗挤强度的影响关键点外载分布状态分析计算套管实际强度的降低计算不同的计算方法构成不同的设计方法套管外载计算方法外载类型–常规外载：轴向力、外挤力、内压力–特殊外载：弯曲应力、岩层应力外载计算状态可能出现的最危险状态具体计算方法轴向力计算考虑因素–自重–浮力–弯曲应力计算方法分布情况HT轴向力计算考虑浮力后的轴向力分布(浮力系数法)HT轴向力计算用台阶力法计算：考虑浮力是集中作用在套管界面变化的位置！浮力的大小：Tf=Ph*A轴向力为：fTqLT1000/轴向力计算考虑浮力后的轴向力分布(台阶力法)HT外挤力计算计算方法–全掏空考虑–按有效外载考虑具体计算–管外压力考虑–管内压力考虑外挤力计算例：生产井或管内液面只可能降到一定深度的井hHZPePiH内压力计算计算方法具体计算–表层套管、技术套管和技术尾管–生产套管和生产尾管内压力计算内压力分布：PiPeH套管强度计算套管承受外载的能力－－套管强度–抗拉强度–抗挤强度–抗内压强度关键问题：套管在井下实际是受三向应力作用套管在三向应力下抗挤强度要降低强度计算单向强度的选用多向应力下套管的抗挤强度–双向应力计算–三向应力计算套管实际强度考虑非均布抗挤强度高温套管强度套管缺陷的影响–椭圆套管套管磨损预测设计方法强度设计方法–等安全系数法–部标方法强度校核方法存在问题准确分析外载情况安全系数的选择套管性能国内外套管强度设计方法介绍分析国内外套管强度设计方法设计外载的确定与计算方法套管实际强度的计算方法设计安全系数的选择套管选择原则：外载×安全系数套管实际强度构成不同的套管设计方法套管设计应考虑的关键问题1）国内外套管强度设计及特点国外：–最大载荷设计法–（前）西德套管设计法(BEB)–AMOCO套管设计法国内：–1988年标准：类似西德设计方法–2001年标准最大载荷设计法特点(1)最大载荷法设计外载荷都是按可能出现的最大载荷计算的，这样虽然很安全，但要付出过高的成本；(2)设计内压力一律按气井计算是不合适的，因为气井和油井的内压力是不相同的，应该分油井和气井计算；(3)设计采用图解法虽然简单明了，但设计烦琐，误差大且不利于程序计算；(4)没有考虑塑性地层和跨蹋地层等因素对外压力的影响；(5)没有考虑温度对套管强度的影响；最大载荷设计法特点(6)没考虑内外压力及轴向力联合作用对套管强度的影响，即三轴应力的影响；(7)井口内压力按井口设备的工作压力计算是不合适的，因为井口压力的大小由地层压力确定，而不是由井口设备确定；(8)有效外压力应是固井时最大泥浆密度产生的液柱压力减去下次钻井使用的最小泥浆密度乘以漏失系数的压力，一律按全掏空计算不符合实际；(9)油层套管内压力按套管鞋附近的地层破裂压力再加上0.12g/cm3的液柱压力而不考虑管外流体压力的抵消作用是不合适的；(10)油层套管有效外压力按下套管时的泥浆密度计算外压力，而不考虑内压力对外压力的抵消作用，也是不合适的。（前）西德套管设计法特点(1)用泥浆柱压力与盐水柱压力的差值确定漏失面位置，并依此计算外压力。这一假设不全面。因为漏层压力不一定都是盐水柱压力，孔隙和裂缝发育的地层不符合这种规律；(2)井口内压力用40%的井涌余量计算没有理论依据。应按排除溢到井口时最大井口套压的公式计算或关井气柱上升至井口的压力计算；(3)设计时只考虑轴向拉力对抗挤强度的影响，没有考虑外挤压力对轴拉力的影响，即三轴应力的影响；(4)外挤压力没有考虑不稳定地层的影响，如塑性蠕变地层的影响及非均匀外压力的作用。(5)用作图法设计烦琐，不方便；(6)不管是否气井都按气井计算内压力是不符合实际的；AMOCO套管设计法特点（1）AMOCO设计法抗挤和抗内压采用了三轴应力设计，符合套管实际受力状况。但轴向拉伸未采用三轴抗拉强度；（2）外载计算根据套管类型和工况选择性进行计算，比较符合实际，但未考虑地层因素的影响；（3）采用三轴应力设计的最大优点是能满足既安全又经济的目的；（4）要达到真正的三轴设计，还必须建立套管三轴抗拉强度公式；（5）AMOCO设计需进一步完善，才能成为真正的三轴设计；（6）AMOCO设计法是目前最先进的套管设计法，既用图解法设计，也可用解析法设计。SY/T-2000：套管柱强度设计方法主要特点：•套管的抗挤强度、抗内压强度和抗拉强度采用三轴应力强度，能真实反应套管的实际强度，可以满足既安全又经济的原则；•套管外载计算按照套管类型、井型（直井或定向井）、地层特性等选择性确定。使设计外载更加符合实际和更加准确；•采用等安全系数和解析法，便于程序化设计；•既可进行直井套管设计，也可进行定向井、水平井套管设计；SY/T-2000：套管柱强度设计方法主要特点：*有效外挤压力计算采用采用掏空系数而不采用漏失面，使设计更加灵活方便；*有效内压力计算分气井和油井计算，使得更加符合实际。气井井口压力按循环溢流气柱到达井口时最大套压计算；井底压力按井口压力加上液柱压力计算，这样更准确。有效内压力为最大内压力与盐水柱压力之差。特殊条件下套管抗挤强度计算方法分析1、非均布外载下套管的抗挤强度非均布载荷的产生非均布载荷下套管力学模型及其求解单向径向应力1、非均布外载下套管的抗挤强度套管最大应力分布规律最大应力与包角的关系1、非均布外载下套管的抗挤强度kkPPkqietc146.03017.05.02kkPPkqietc073.0151.05.02表一单向非均布载荷对套管抗挤强度的影响套管尺寸（mm）钢级壁厚（mm）API抗挤强度（ＭＰa）非均布抗挤强度（ＭＰa）下降倍数127C-759.1968.679.287.4127C-7512.793.117.485.33177.8C-759.1935.994.777.55177.8C-7512.6566.678.977.431、非均布外载下套管的抗挤强度双向径向应力力学模型1、非均布外载下套管的抗挤强度kkPPkqietc133.01615.05.02kkPPkqietc067.0081.05.02表二双向非均布载荷对套管抗挤强度的影响套管尺寸（mm）钢级壁厚（mm）API抗挤强度（ＭＰa）非均布外挤强度（ＭＰa）下降倍数127C-759.1968.6715.824.34127C-7512.793.129.593.15177.8C-759.1935.998.24.39177.8C-7512.6566.6715.34.361、非均布外载下套管的抗挤强度2、椭圆套管的抗挤强度PPDtYEgSDthe0,,,式中，P－套管的挤毁压力PDtYE0,,－近理想套管的挤毁函数；gSDt,－椭圆度对挤毁强度的影响函数；he－偏心度对挤毁强度的影响函数。2、椭圆套管的抗挤强度表五套管椭圆度和偏心度对套管抗挤强度的影响套管尺寸(mm)177.8177.8177.8177.8127127127127钢级P110P110P110P110C75C75C75C75壁厚(mm)12.6512.6512.6512.6512.712.712.712.7椭圆度.01.02.03.04.01.02.03.04偏心度.01.02.03.04.01.02.03.04API强度MPa）91.5491.5491.5491.5494.994.994.994.9临界强度(MPa)81.5571.246458.591.5878177强度下降(％)10.922.23036.13.48.314.618.93、高温套管力学模型及求解在深井复杂条件下，可能遇到高温地层，热采井的温度也很高，从而在套管柱上产生附加的温度应力。研究表明，温度应力与上覆岩层压力和液柱压力有相同的数量级。所以，高温套管强度设计时必须考虑温度应力的影响。(1)未固井时rabarErtrdrrarcatrdr1112222222(1.32)(2)固井后(水泥石与岩石的热弹性常数相同)cbrbeTtrdrnabE222112212211,211121(3)固井后(水泥石与岩石的热弹性常数不同)212112222111,211abnlwababErcbectrdrctrdrblnnt32322222111114111径向附加温度应力的计算式如下3、高温套管力学模型及求解3、高温套管力学模型及求解PETbanbebcbLncbT12222121222212221112112PPPcT3、高温套管力学模型及求解CNPC套管设计规范SY/T-2000介绍推荐设计规范介绍套管强度规范(1)无论哪种套管类型和工况都必须采用三轴应力强度；(2)对于塑性蠕变地层，如盐膏层、吸水膨胀地层等必须进行非均布抗挤强度校核。严重塑性蠕变地层采用单向非均布抗挤强度校核；一般塑性蠕变地层采用双向非均布抗挤强度校核；(3)特殊情况下应进行椭圆强度校核。有效外载规范有效外挤压力(1)对稳定地层按固井时的最大泥浆密度产生的液柱压力计算最大外压力，有效外压力则根据钻下一层井眼使用的最小泥浆密度和漏失情况确定：(2)对于不稳定地层按岩石侧压力计算最大外压力，有效外压力则根据钻下一层井眼使用的最小泥浆密度和漏失情况确定：推荐套管设计规范介绍有效内压力无论是油井还是气井一律按下次钻井使用的最大泥浆密度计算井底最大内压力,其有效内压力则根据是否气井确定：对于气井，按气体定率公式计算任意井深的内压力，然后减去管外对应井深的盐水柱压力得该井深处的有效内压力；对于油井，任意井深处的有效内压力等于下次钻井使用的最大泥浆密度在该井深处产生的液柱压力减去管外对应井深处的盐水柱压力。推荐套管设计规范介绍有效拉力对于直井一率按浮重计算，其他附加拉力一律考虑在安全系数中；对定向井、水平井除了浮重外还要考虑摩阻力和弯曲力产生的拉力。推荐木套管设计规范介绍安全系数按前面列出的各种井型的安全系数范围进行选择。对开发井选下限，对探井选上限；对浅井选下限，对深井选上限。总之按井下条件复杂程度和设计数据准确程度选择安全系数的大小。推荐套管设计规范介绍设计应用序号外径(mm)下深(m)段长(m)规格(单位段重+钢级+扣型)累重(KN)StScSi1177.85998.01138.0510.8N/m,VMA140,BTC581.2910.251.121.09关键位置安全系数:深度:5500抗挤安全系数:1.081深度:5990抗挤安全系数:1.063深度:4199抗挤安全系数:1.002在不稳定地层底部，套管非均布抗挤系数:单向径向非均部抗挤系数:0.288双向径向非均部抗挤系数:0.524外载计算方法:强度计算模型:二维应力模型井眼类型:直井不考虑浮力有效外挤力考虑:管内部分漏失,掏空系数0.7管外液柱压力计算