第5讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱载荷分析

第二章套管柱及注水泥设计第一节井身结构设计第二节生产套管尺寸的确定第三节套管柱强度设计第四节注水泥技术第五节复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介第三节套管柱强度设计一、套管的类型及其性能二、套管柱的载荷分析及套管强度三、定向井套管柱载荷计算四、套管柱强度设计第三节套管柱设计套管柱强度设计的任务：事先设计出强度足够的套管柱，保证能够经受入井后各种外载的作用，且成本上是最低的，符合“即安全又经济”原则。目前一般使用符合美国API套管规范的进口和国产套管，主要包括套管的尺寸、钢级、壁厚、连接方式等。◆国内主要有:天钢、宝钢、成钢；◆国外主要有：日本、德国、美国、施特佳；第三节套管柱设计一、套管的类型及其性能1、基本概念油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管，两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚。（APISPEC5A：C75、C95、P110的套管只能用无缝管制造）1、基本概念（1）套管的尺寸（又称名义外径、公称直径等）是指套管本体的外径，实际上套管尺寸已经标准化了。套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一，前面已经介绍过。1、基本概念（2）套管的钢级API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度，用钢级表示。套管钢级由字母及其后面的数码组成，字母没有特殊含义，但数码代表套管的强度。API对套管进行了相应的分级（H、J、K、N、C、L、P、Q八种共十级）即：H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和Q125，前6种类型为抗硫的，其余为非抗硫的。1、基本概念API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P1921、基本概念值得注意的是：◆API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi为单位）的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API标准的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2）◆只有屈服强度对H2S提敏感的，但对CO2则影响很小，可以数年内不破坏，而在H2S～盐的环境中会在一小时内破坏。psis510API套管规范及强度(5寸套管)1、基本概念（3）套管的壁厚是指套管本体处管体的厚度，又称为套管名义壁厚。套管的壁厚也已经标准化了。和套管壁厚直接相关联的就是套管的名义质量（或名义重量），指定是套管单位长度的质量（或重量）。API套管规范及强度(5寸套管)1、基本概念除上述API标准套管外，国外还研究和开发了满足特殊使用条件的非API标准套管，包括：深井的超高强度套管；酸性环境用套管；高抗挤毁套管；用于常温油气井的高强度套管；这些特殊套管的应用，相当程度上解决了深井、高压井、高腐蚀井、海洋和近海油气田、沙漠腹地油气田开发所面临的难题，并为水平井及热采井等推广打下了基础。资料表明，特殊套管的使用比例正逐年提高。1、基本概念2、套管的联接套管柱通常都是由同一外径、相同（或不同）钢级、壁厚的套管用接箍联接组成的。联接是由螺纹来实现的，螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。套管螺纹都是锥形螺纹，在API规范中分为五大类。前四类属API标准，第五类系非API标准。类数标准名称符号或代号1API标准短圆螺纹STC/CSG/C12长圆螺纹LTC/LCSG/C23梯形螺纹BTC/BCSG/C334直连形螺纹XL/XCSG/CHX5非API标准特殊螺纹/2、套管的联接（a）（b）（c）（a）圆螺纹连接（b）梯形螺纹连接（c）直连型螺纹连接API螺纹连接示意图2、套管的联接●API标准螺纹的优点：加工容易，一般精度，油田现场容易加工配接有关短节，成本低。采用一般操作条件联接，易于修扣和现场处理。在有优质密封脂配合使用，对流体密封条件可达69MPa及149℃。可以重复上扣使用。●API标准螺纹的缺点：过高压力及气体不能满足密封要求。API螺纹的联接强度仅是管体抗拉强度的80％。在有腐蚀流体的环境，因API接箍的“干扰值”过大，过大的圆周应力容易产生接箍的氢脆应力破坏或发生应变裂纹。2、套管的联接●非API标准的特殊螺纹制造和设计具有以下特点：力求联接强度大于或等于管体抗拉强度。提供更高级密封，主要采取金属对金属的密封设计。不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力(周向应力)。联接处(或接箍)的外径能够达到尽可能小的程度。二、套管柱的载荷分析及套管强度套管柱:（1）在入井、注水泥以及以后生产的不同时期，套管柱的受力也是不断变化的。（2）在不同的地层和地质条件下，套管柱所承受的外载荷也是不同的。如在井下的盐岩层对套管柱的压力梯度则要按上覆岩石的压力梯度计算；在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同；在易坍塌油层生前的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不尽相同。经过长期的生产实践证明，虽套管柱的受力复杂，但是影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑到安全系数中去了。1、轴向载荷及套管的抗拉强度一般设计中是不予考虑出于安全浮力温度变化引起的力碰后时产生的力摩擦力④其它附加拉力力③注水泥引起的附加应应力②套管弯曲引起的附加拉力①本身自重产生的轴向,............（1）轴向载荷种类自重产生的轴向拉力，是轴向应力产生的基本原因。在井口最大。教材P258式7—7API标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的，对于井眼上存在大的斜度或狗腿时，这样由于弯曲的影响就增大了套管的轴向拉力。特别是在靠近扣处易形成裂缝损坏，故应给予考虑。教材P259式7—10在深井或超井的注水泥过程中，由于注水泥浆量较大，故在水泥还未返出套鞋处时，将对套管柱产生一较大的附加轴向应力。教材P259式7—11其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。而剩余的力由于计算复杂，有时难以预料，故一般用安全系数来进行考虑。1、轴向载荷及套管的抗拉强度（1）轴向载荷种类实际设计中，一般不考虑浮力对轴向载荷的作用，则设计结果偏于安全。但在计算精度要求较高的情况下（如高温高压井），为了更好的发挥管材强度性能，此时往往不能简单的给予忽略。1、轴向载荷及套管的抗拉强度（2）轴向载荷下套管抗拉强度目前我国现场中所用的套管绝大多数为API标准圆扣套管：扣为V型，扣根与扣尖为圆孤形。从API的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出，绝大部分套管的破坏形式是滑扣，特别是对于圆螺纹，本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。所以一般在设计中，除了考虑套管的屈服强度外，还要考虑套管丝扣的连接强度。值得注意的是，在轴向载荷下，不仅存在连接强度的问题，而且还由于双轴应力效应对抗内压、抗外压强度都有影响，同时对套管丝扣的密封也有直接的影响。2、外挤压载荷及套管的抗挤强度（1）外挤载荷种类（假设管外水泥没有凝固，管外是钻井液）一般情况下，外挤载荷按最危险的情况考虑，即按套管内全部掏空来计算套管承受的外挤载荷。地质构造力的影响盐岩层、膏岩等）；易流动的岩石挤压力（；地层流体产生的静压力力；管外泥浆柱产生的静压2、外挤压载荷及套管的抗挤强度套管内全掏空载荷井深载荷井深套管内载荷套管外载荷载荷井深有效载荷套管内液面井身结构2、外挤压载荷及套管的抗挤强度（2）套管的API抗挤强度抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。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。失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究表明，套管径厚比d/δ（外径/壁厚）较大时：失稳破坏；当套管径厚比较小：套管将发生强度破坏。图3-8-2-3套管截面的挤毁2、外挤压载荷及套管的抗挤强度（2）套管的API抗挤强度API5C3通告详细叙述了测定套管抗外挤强度的程序（轴向应力为0）。在外挤压力作用下，套管断面可能发生三种挤压或弯曲形式：弹性挤压、塑性挤压和临界强度挤压。三种挤压形式的转化受管体几何形状和材料性能的制约。如图所示。针对以上对抗外挤强度形式的分析，API提出了四种计算套管挤压公式：弹性挤压、塑性过渡挤压、塑性挤压和屈服挤压。其中2、外挤压载荷及套管的抗挤强度（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度在实际的情况中，套管的轴向载荷是不为零的。从套管的应力分析基础出发，实际上套管的受力是三维的。标准双轴应力椭圆公式σs套管的屈服强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度轴向载荷拉伸压缩周向载荷内压强度外挤强度无轴向载荷时：套管的抗外挤（内压）强度不受影响（表现为圆形）。有轴向载荷时：套管的抗外挤（内压）强度受轴向外载荷影响（表现为椭圆形）。双轴应力椭圆：轴向载荷对套管抗外挤强度的影响stsZ2、外挤压载荷及套管的抗挤强度2、外挤压载荷及套管的抗挤强度计算实例3、内压载荷及套管的抗内压强度（1）内压载荷（假设管外的水泥已凝固，管外的压力用地层流体计算）内压力的来源：地层流体进入套管产生压力；生产中的特殊作业（注水、压裂）时的压力。内压力的确定：在老区可以参考邻近的资料，但在新区，内压少就很难确定。当井口开时，内压力易于计算，且数值较小，但当井涌关井时则内压力就显的十分突出。井的深浅对内压力的影响：当井较浅时，内压力是比较小的。且一般的套管内压强度抗外挤强度，故设计中问题不明显。但随着井深的增加，内压问题就很突出，有时甚至超过了抗外挤。3、内压载荷及套管的抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度井底的压力：套管内有效内压载荷——：井口有效内压载荷：井底有效内压载荷：BiodPPgh'ioioPPBiopPPgh等于管内的减去管外的地层流体压力在实际的计算时，一般是按套管全部掏空的情况考虑的。式中：PB——井底压力，MPa；Pio——井口压力，MPa；ρd——钻井液密度，g/cm3；ρp——地层流体密度，g/cm3；等于零3、内压载荷及套管的抗内压强度套管内全掏空载荷井深载荷井深套管内载荷套管外载荷载荷井深有效载荷套管内液面井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度套管内部分掏空载荷井深载荷井深套管内载荷套管外载荷载荷井深有效载荷套管内液面井底井身结构3、内压载荷及套管的抗内压强度生产套管内压力计算则与其它不同。其与完井方式有关。典型的完井方式如下图。在油井的生产初期，油管接头螺纹产生漏气，气泡由裂缝进入油管和生产套管之间的环形空间，在封闭的情况下，气泡上升到井口，但气泡仍然保持原有的压力，那么3、内压载荷及套管的抗内压强度（2）套管抗内压强度3、内压载荷及套管的抗内压强度计算实例4、套管的（腐蚀）损坏套管的损坏从总体上来分人为的损坏注水诱发力流体的动静力如定向井中摩擦力施加的外力断层的滑移断层区间的非均匀力盐层的流动导致变形地层力物理损坏盐物质氢脆化学的腐蚀损坏122NaCCOSH三、定向井套管柱载荷计算定向井套管柱强度设计总体上与直井相同。在弯曲井段，由于弯曲效应增大了套管柱的拉力载荷，套管的弯曲应力对套管柱抗拉强度影响较大。1、套管柱弯曲半径与套管安全入井的条件（1）套管柱的弯曲半径(R)：套管管体允许的弯曲半径称为套管柱弯曲半径。（单位：(ο)/100m）E——钢材弹性模量（206×103MPa）；D——套管的外径（cm）；Yp——钢材的屈服强度（KPa）；K1——抗弯安全系数(K1=1.8)；K2——螺纹连接处的安全系数(K2=3)。（2）井眼轨迹半径(R0)计算：K——井眼的曲率半径，(ο)/100m；（3）套管安全入井的条件是：12200pEDRKKY05730/RK0RR2、套管柱弯曲应力计算E——钢材弹性模量（206×103MPa）；D——套管的外径（cm）；K——井眼的曲