第6讲-[第二章-套管柱及注水泥设计]——套管柱强度设计方法

第二章套管柱及注水泥设计第1节井身结构设计第2节生产套管尺寸的确定第3节套管柱强度设计第4节注水泥技术第5节复杂类型井套管柱设计和注水泥技术简介第3节套管柱强度设计1.套管、套管柱2.套管柱的载荷分析及套管强度3.定向井套管柱载荷计算4.套管柱强度设计4、套管柱强度设计4.1、套管强度设计的原则总的原则：在最经济的条件下使井眼得到可靠的保护。这个设计不但要能保证在钻进时的安全性，更要能保证在整个油井使用期间的安全性。从这二点来讲，套管的设计是相当复杂的一个工作。●对开发井，可以设计出成本最低的套管柱（以成本优先）；●对勘探井，则往往需按最大估算应力来设计（安全为主）。总之，安全的保障越大，那么费用就越高的，因为这个费用大约占总费用20%左右。4.1、套管强度设计的原则（1）能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要。钻进：不同压力层的隔离，异常压力段，坍塌地层等；油气层的开发：地层压力随开采的变化，及岩层的蠕变等；产层的改造：注水、注气等导致的压力和温度的变化等等。（2）在承受外载时应有一定的储备能力。由于外载的计算复杂、困难，有时难以计算，故在设计中为了应付各种可能出现的复杂情况，在设计时必须留有一定的储备能力，如安全系数的选择。（开发井和勘探井就不同）具体的原则有三点4.1、套管强度设计的原则（3）经济性要好。由于总的原则的限制，故为了节约成本，往往需要考虑不同钢级、不同壁厚套管的组合设计。现场一般多为2～3种钢级，壁厚也宜选用2～3种，不能过多。具体的原则有三点4.2、常用的设计方法常规的方法是自下而上分段设计。等安全系数法（最常用）（√）边界载荷法最大载荷法（√）AMOW法BEB法（图解法）前苏联的设计方法4.3、各层套管设计的特点特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以下各层套管的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。侧重点：主要是考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重）特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产可能出现的各种情况。侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压（后期生产）特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。侧重点：抗拉（下入较浅），抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深）表套技套油套4.4、等安全系数（进行套管柱设计）这种方法是最简单也是现场中使用最广泛的一种方法，实践证明，在一般的井中是比较安全的。但对于超深井，HTHP井（海洋上钻井）一般是不易使用。（SY5322-88或SY5322-2000标准）任何一种方法进行设计，都与载荷的计算有关，若计算出的载荷不同，那么设计出的管柱可能有较大的差别。等安全系数法（总的要求）：在最危险截面上是安全的。具体原则：①以内压载荷筛选初始套管；②根据外挤载荷进行自下而上设计；③最后按抗拉强度进行设计、校核上部套管。4.5、具体的设计步骤Step1收集资料，掌握已知条件；井身结构，压力剖面等，套管的库存等。Step2确定安全系数；载荷计算的精确性↑，安全系数↓；计算公式精确性↑，安全系数↓：对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情况考虑；API规定的安全系数：1.10~1.331.10iS，一般取1.00~1.251.00cS，一般取1.60~2.001.80tS，一般取4.5、具体的设计步骤Step3计算内压载荷，筛选符合内压强度的套管；内压载荷由套管内外的流体综合产生。内压最大的情况一般出现在井涌关井和特殊作业（压裂、…、注水）时，内压的计算中间套管与生产套管是不同的。中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍；生产套管的计算方法在按补充方法进行。4.5、具体的设计步骤Step4计算外挤载荷，依据外挤载荷确定套管下入长度；（1）一般的情况下都是按全井掏空的最危险情况考虑，计算公式：教材P260式7—12或P267，按此式初选第一段套管，下深为D1；选择壁厚和钢级较低的套管作为第二段套管，下入深度：（2）则第一段下入长度为：（3）校核第一段的抗拉强度：（4）对深井、超深井，当注入水泥量较大时，还应考虑其产生的附加轴向拉力；同时还应当考虑套管接箍的强度。)81.9/(][22cdcSPD211DDL8.1)/(1111qLFSst4.5、具体的设计步骤Step5双轴应力的计算与校核从双轴应力椭圆中知道，当轴向应力不为零时，会对套管的抗外挤和抗内压产强度生影响（具体的影响见前面）。对于套管柱的长超过水泥面或中性点时，则应考虑由于重力影响而导致的抗外挤强度的下降。按教材公式7—14计算双轴应力下的抗挤强度。所以双轴应力的抗外挤计算的内容为：按双向应力计算，如果强度不够，则要用试算法把下一段适当向上适当延伸，直到满足要求为止（或选择高钢级的套管）。4.5、具体的设计步骤Step6按抗拉设计确定上部各段套管长度愈向上，Pc↓，而轴向拉力↑，故应改为抗拉进行设计。（轴向拉力为主要矛盾）；则第i段顶部截面的强度必须满足：miinmnntisiiinmnnmiisitiqqLSFLqLqLFS1111/)](/[)/(如果Li还没有能够达到井口，则第i段上部选用抗拉强度更大的套管进行计算。4.5、具体的设计步骤Step7抗内压安全系数校核。（选用）对事先没按抗内压筛选套管的井，一般的还要进行抗内压的校核。公式见教材P268式7—22例：某井7″（177.8mm）套管下入深度3500m，井内钻井液密度1.3g/cm3，水泥返至2800m。要求进行抗挤、抗拉设计。抗挤安全系数不低于1.00，抗拉安全系数不低于1.75。试设计此井套管柱。1）掌握已知条件（套管尺寸和下入深度、安全系数、钻井液密度水泥返高及套管强度性能表等）。4.6、设计举例尺寸：177.8mm，下深3500m，钻井液ρd=1.3g/cm3，固井水泥返高2800m，安全系数：抗挤Sc=1.125，抗拉：ST=1.80。套管的性能表格（可以从中查各种套管的性能参数）2）根据外挤压力和抗挤安全系数确定下部第一段套管钢级和壁厚。pco1=ρdgD1×10-6=1.3×0.0098×3500≈45.5MPa式中:pco1：套管在井底所受外挤压力，MPa。因下部第一段套管所受的井底外挤压力和安全系数的乘积应等于（或小于）抗挤强度，即pco1SC×10-6≤σD1式中σD1：第一段套管抗挤强度，MPa；SC：抗挤安全系数。根据σD1即可由套管强度性能表中选出下部第一段套管。由套管性能表查得N－80、壁厚11.51mm套管，其抗挤强度为:σD1=60.5MPa。因此，实际安全系数为：33.15.4546.60111coDDPS第①段套管D1=35004.6、设计举例水泥返高28003）确定第二段套管可下深度和第一段套管的使用长度。由于外挤压力愈往上愈小，根据既安全又经济的原则，第二段套管可选钢级或壁厚较低一级（即抗挤强度小一级）的套管，其可下深度为Pco2=ρdgD2×10-662210CcDgSD式中:D2——第二段套管的可下深度，m；σD2——第二段套管抗挤强度，MPa。则第一段套管使用长度L1=D1-D2;σD2≥Pco2×SC第①段第②段D2D1=35004.6、设计举例水泥返高2800N-80、11.51mm若选：N-80，壁厚10.36mm，抗挤强度σD2=49.35MPa，实际取第二段下入深度D2=3300m则第一段套管长度：L1=D1-D2=3500-3300=200m①②D1=3500D2=3300①4.6、设计举例水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mm833078001300.-1FB第一段套管每米重量为0.476KN，抗拉强度3048kN浮力系数校核第二段套管抗挤强度：安全系数：SC2423833793048111..cTTWS＞1.80（安全）1.150..621033008913003549CS＞1.125（安全）第一段套管抗拉安全系数：ST1第一段套管重为：.Wcd1=BFqc1Lcs1=0.833×0.476×200=79.33kN①②D1=3500D2=33004.6、设计举例水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mmm...32600101251130089033810663CdCgSD4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。按抗挤强度选择钢级或厚度更低一级的套管，第三段套管选N-80、壁厚9.19mm，抗挤σC3=38.03MPa按抗挤强度第三段套管下入深度为2600m（在水泥面以上），表明第二段套管顶部已超过水泥面。所以在第二段水泥面处和第三段底部都应考虑双向应力的影响。①②③D1=3500D2=3300D3=2600②4.6、设计举例水泥返高2800N-80、10.36mmN-80、9.19mm4）确定第三段套管可下深度和第二段套管的使用长度。可下深度：显然第三段套管底部由于承受其下部套管的重量，其抗挤强度必定下降，下入深度就不可能达到2600m，否则其底部安全系数必＜1.125。由于第二段比第三段强度大，应将第二段套管长度增长，即减少第三段的下入深度，提高其底部的抗挤系数，以补偿双向应力的影响。但第二段增长后，轴向拉力增加，由于双轴应力影响，又将进一步引起第三段套管下端抗挤强度降低，可采用试算法。①②③D1=3500D2=3300D3=26004.6、设计举例水泥返高28004）双轴应力计算当按抗挤强度设计套管柱超过水泥面或中和点时，应考虑下部套管柱（浮）重引起套管抗挤强度的降低，即按双轴应力设计套管柱。①②③D1=3500D2=3300D3=？或按课本公式7-14进行计算。4.6、设计举例水泥返高28004）双轴应力计算计算降低后的抗挤强度值，校核抗挤安全系数能否满足要求。若不能满足要求，采用试算法将下段抗挤强度较大的套管向上延伸，直至抗挤安全系数满足要求。这样可从下向上确定下部各段套管。由于愈往上外挤压力愈小，故可选择抗挤强度更小的套管，当到达某一深度后，由于套管自重产生的拉力载荷增加，抗拉强度表现为主要矛盾时，则按抗拉设计确定上部各段套管。①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、设计举例水泥返高280047.75MPa)0.74-49.35(1.03)0.74-(1.03D2DC2306625921FgWW4）双轴应力计算首先对水泥面处抗挤安全系数SC2校核。第二段套管线重0.4315KN/m，段长3300-2800=500m。水泥面下套管浮重：W1+W2=79.33+500×0.4315×0.833=259kN按公式7-14计算轴向拉力下抗挤强度，第二段管体屈服强度Fg2=3066kN。3111102800130089754710662...CD2mgDCgDS（安全）水泥面处抗挤符合要求①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、设计举例水泥返高28005）用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。◆首先假设下至2300m。第二段长：L2=3300-2300=1000m第二段（浮）重：W2=0.833×1000×0.4135=359.4kN第一、二段累积浮重W1+W2=79.33+859.4=438.7kN第三段管体屈服强度Fg3=2740kN①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、设计举例水泥返高28005）用试算法求第三段在双向应力作用下的可下深度。MPa.).0.74-(1.03D3DC3673427407438第三段底部双轴应力下抗挤强度为抗挤安全系数：159110230013008967341066333...gDSdDCD＞1.125，安全第三段下至2300m时抗挤安全。①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、设计举例水泥返高2800可见第三段N-80、9.19mm