固井培訓2-套管設計ppt課件

1、套管柱強度設計、校核方法與規(guī)范,西南石油學院石油工程學院 徐璧華,基本設計原理介紹,主要內容,設計原則 基本原理與方法 基本特點 套管外載計算方法 套管強度計算方法 設計方法 在軟件中使用的方法 套管設計的思路,設計原則,目的 在現(xiàn)有套管材料中，選擇一個套管柱組合， 使其能保證安全的情況下具有較低的成本。 原則 強度：能滿足井下各種工況下各種外載的作用 成本：經(jīng)濟 套管強度安全系數(shù) 套管外載,基本原理,設計方法 分析套管外載 計算要求的套管強度 選擇套管 校核方法 分析套管外載 計算套管強度是否滿足外載,基本特點,外載狀態(tài)是變化的 不同類型套管，可能的最大外載分布不同 外載沿井深分布不同 不同

2、井況下，考慮的外載不同 定向井、水平井、鹽巖流動地層 套管柱的實際強度是變化的 浮力影響 軸向力、周向力對抗擠強度的影響,關鍵點,外載分布狀態(tài)分析計算 套管實際強度的降低計算,不同的計算方法構成不同的設計方法,套管外載計算方法,外載類型 常規(guī)外載：軸向力、外擠力、內壓力 特殊外載：彎曲應力、巖層應力 外載計算狀態(tài) 可能出現(xiàn)的最危險狀態(tài) 具體計算方法,軸向力計算,考慮因素 自重 浮力 彎曲應力 計算方法 分布情況,H,T,軸向力計算,考慮浮力后的軸向力分布 (浮力系數(shù)法,H,T,軸向力計算,用臺階力法計算： 考慮浮力是集中作用在套管界面變化的位置！ 浮力的大小： Tf=Ph*A 軸向力為,軸向力

3、計算,考慮浮力后的軸向力分布 (臺階力法,H,T,外擠力計算,計算方法 全掏空考慮 按有效外載考慮 具體計算 管外壓力考慮 管內壓力考慮,外擠力計算,例：生產(chǎn)井或管內液面只可能降到一定深度的井,h,H,Z,Pe,Pi,H,內壓力計算,計算方法 具體計算 表層套管、技術套管和技術尾管 生產(chǎn)套管和生產(chǎn)尾管,內壓力計算,內壓力分布,Pi,Pe,H,套管強度計算,套管承受外載的能力套管強度 抗拉強度 抗擠強度 抗內壓強度 關鍵問題： 套管在井下實際是受三向應力作用 套管在三向應力下抗擠強度要降低,強度計算,單向強度的選用 多向應力下套管的抗擠強度 雙向應力計算 三向應力計算,套管實際強度考慮,非均布抗

4、擠強度 高溫套管強度 套管缺陷的影響 橢圓套管 套管磨損預測,設計方法,強度設計方法 等安全系數(shù)法 部標方法 強度校核方法,存在問題,準確分析外載情況 安全系數(shù)的選擇 套管性能,國內外套管強度設計方法介紹分析,國內外套管強度設計方法,設計外載的確定與計算方法 套管實際強度的計算方法 設計安全系數(shù)的選擇 套管選擇原則： 外載 安全系數(shù) 套管實際強度 構成不同的套管設計方法,套管設計應考慮的關鍵問題,1）國內外套管強度設計及特點,國外： 最大載荷設計法 （前）西德套管設計法(BEB) AMOCO套管設計法,國內： 1988年標準：類似西德設計方法 2001年標準,最大載荷設計法特點,1) 最大載荷

5、法設計外載荷都是按可能出現(xiàn)的最大載荷計算的，這樣雖然很安全，但要付出過高的成本； (2) 設計內壓力一律按氣井計算是不合適的，因為氣井和油井的內壓力是不相同 的，應該分油井和氣井計算； (3) 設計采用圖解法雖然簡單明了，但設計煩瑣，誤差大且不利于程序計算； (4) 沒有考慮塑性地層和跨蹋地層等因素對外壓力的影響； (5) 沒有考慮溫度對套管強度的影響,最大載荷設計法特點,6) 沒考慮內外壓力及軸向力聯(lián)合作用對套管強度的影響，即三軸應力的影響； (7) 井口內壓力按井口設備的工作壓力計算是不合適的，因為井口壓力的大小由地層壓力確定，而不是由井口設備確定； (8) 有效外壓力應是固井時最大泥漿密

6、度產(chǎn)生的液柱壓力減去下次鉆井使用的最小泥漿密度乘以漏失系數(shù)的壓力，一律按全掏空計算不符合實際； (9) 油層套管內壓力按套管鞋附近的地層破裂壓力再加上0.12g/cm3的液柱壓力而不考慮管外流體壓力的抵消作用是不合適的； (10)油層套管有效外壓力按下套管時的泥漿密度計算外壓力，而不考慮內壓力對外壓力的抵消作用，也是不合適的,前）西德套管設計法特點,1) 用泥漿柱壓力與鹽水柱壓力的差值確定漏失面位置，并依此計算外壓力。這一假設不全面。因為漏層壓力不一定都是鹽水柱壓力，孔隙和裂縫發(fā)育的地層不符合這種規(guī)律； (2) 井口內壓力用40%的井涌余量計算沒有理論依據(jù)。應按排除溢到井口時最大井口套壓的公式

7、計算或關井氣柱上升至井口的壓力計算； (3) 設計時只考慮軸向拉力對抗擠強度的影響，沒有考慮外擠壓力對軸拉力的影響，即三軸應力的影響； (4) 外擠壓力沒有考慮不穩(wěn)定地層的影響，如塑性蠕變地層的影響及非均勻外壓力的作用。 (5) 用作圖法設計煩瑣，不方便； (6) 不管是否氣井都按氣井計算內壓力是不符合實際的,AMOCO套管設計法特點,1） AMOCO設計法抗擠和抗內壓采用了三軸應力設計，符合套管實際受力狀況。但軸向拉伸未采用三軸抗拉強度； （2） 外載計算根據(jù)套管類型和工況選擇性進行計算，比較符合實際，但未考慮地層因素的影響； （3） 采用三軸應力設計的最大優(yōu)點是能滿足既安全又經(jīng)濟的目的；

8、（4） 要達到真正的三軸設計，還必須建立套管三軸抗拉強度公式； （5） AMOCO設計需進一步完善，才能成為真正的三軸設計； （6） AMOCO 設計法是目前最先進的套管設計法，既用圖解法設計，也可用解析法設計,SY/T-2000：套管柱強度設計方法主要特點,套管的抗擠強度、抗內壓強度和抗拉強度采用三軸應力強度，能真實反應套管的實際強度，可以滿足既安全又經(jīng)濟的原則； 套管外載計算按照套管類型、井型（直井或定向井）、地層特性等選擇性確定。使設計外載更加符合實際和更加準確； 采用等安全系數(shù)和解析法，便于程序化設計； 既可進行直井套管設計，也可進行定向井、水平井套管設計,SY/T-2000：套管柱強

9、度設計方法主要特點,有效外擠壓力計算采用采用掏空系數(shù)而不采用漏失面，使設計更加靈活方便； * 有效內壓力計算分氣井和油井計算，使得更加符合實際。氣井井口壓力按循環(huán)溢流氣柱到達井口時最大套壓計算；井底壓力按井口壓力加上液柱壓力計算，這樣更準確。有效內壓力為最大內壓力與鹽水柱壓力之差,特殊條件下套管抗擠強度計算方法分析,1、非均布外載下套管的抗擠強度,非均布載荷的產(chǎn)生 非均布載荷下套管力學模型及其求解,單向徑向應力,1、非均布外載下套管的抗擠強度,套管最大應力分布規(guī)律 最大應力與包角的關系,1、非均布外載下套管的抗擠強度,1、非均布外載下套管的抗擠強度,雙向徑向應力力學模型,1、非均布外載下套管的

10、抗擠強度,1、非均布外載下套管的抗擠強度,2、橢圓套管的抗擠強度,2、橢圓套管的抗擠強度,3、高溫套管力學模型及求解,在深井復雜條件下，可能遇到高溫地層，熱采井的溫度也很高，從而在套管柱上產(chǎn)生附加的溫度應力。研究表明，溫度應力與上覆巖層壓力和液柱壓力有相同的數(shù)量級。所以，高溫套管強度設計時必須考慮溫度應力的影響,徑向附加溫度應力的計算式如下,3、高溫套管力學模型及求解,3、高溫套管力學模型及求解,3、高溫套管力學模型及求解,CNPC套管設計規(guī)范SY/T-2000介紹,推薦設計規(guī)范介紹,套管強度規(guī)范 (1)無論哪種套管類型和工況都必須采用三軸應力強度； (2)對于塑性蠕變地層，如鹽膏層、吸水膨脹

11、地層等必須進行非均布抗擠強度校核。嚴重塑性蠕變地層采用單向非均布抗擠強度校核；一般塑性蠕變地層采用雙向非均布抗擠強度校核； (3) 特殊情況下應進行橢圓強度校核,有效外載規(guī)范 有效外擠壓力 (1) 對穩(wěn)定地層按固井時的最大泥漿密度產(chǎn)生的液柱壓力計算最大外壓力，有效外壓力則根據(jù)鉆下一層井眼使用的最小泥漿密度和漏失情況確定： (2) 對于不穩(wěn)定地層按巖石側壓力計算最大外壓力，有效外壓力則根據(jù)鉆下一層井眼使用的最小泥漿密度和漏失情況確定,推薦套管設計規(guī)范介紹,有效內壓力 無論是油井還是氣井一律按下次鉆井使用的最大泥漿密度計算井底最大內壓力,其有效內壓力則根據(jù)是否氣井確定： 對于氣井，按氣體定率公式計算任意井深的內壓力，然后減去管外對應井深的鹽水柱壓力得該井深處的有效內壓力； 對于油井，任意井深處的有效內壓力等于下次鉆井使用的最大泥漿密度在該井深處產(chǎn)生的液柱壓力減去管外對應井深處的鹽水柱壓力,推薦套管設計規(guī)范介紹,有效拉力 對于直井一率按浮重計算，其他附加拉力一律考慮在安全系數(shù)中；對定向井、水平井除了浮重外還要考慮摩阻力和彎曲力產(chǎn)生的拉力,推薦木套管設計規(guī)范介紹,安全系數(shù) 按前面列出的各種井型的安全系數(shù)范圍進行選擇。對開發(fā)井選下限，對探井選上限；對淺井選下限，對深井選上限?？傊淳聴l件復