第6講-第二章-套管柱及注水泥設計-套管柱強度設計方法

第二章套管柱及注水泥設計第1節(jié)井身結(jié)構(gòu)設計第2節(jié)生產(chǎn)套管尺寸的確定第3節(jié)套管柱強度設計第4節(jié)注水泥技術第5節(jié)復雜類型井套管柱設計和注水泥技術簡介第3節(jié)套管柱強度設計1. 套管、套管柱2. 套管柱的載荷分析及套管強度3. 定向井套管柱載荷計算4. 套管柱強度設計4、套管柱強度設計4.1、套管強度設計的原則總的原則：在最經(jīng)濟的條件下使井眼得到可靠的保護。這個設計不但要能保證在鉆進時的安全性，更要能保證在整個油井使用期間的安全性。從這二點來講，套管的設計是相當復雜的一個工作?！駥﹂_發(fā)井，可以設計出成本最低的套管柱（以成本優(yōu)先）；●對勘探井，則往往需按最大估算應力來設計（安全為主）?？傊?，安全的保障越大，那么費用就越高的，因為這個費用大約占總費用20%左右。4.1、套管強度設計的原則（1）能滿足鉆井作業(yè)、油氣層開發(fā)和產(chǎn)層改造的需要。鉆進：不同壓力層的隔離，異常壓力段，坍塌地層等；油氣層的開發(fā)：地層壓力隨開采的變化，及巖層的蠕變等；產(chǎn)層的改造：注水、注氣等導致的壓力和溫度的變化等等。（2）在承受外載時應有一定的儲備能力。由于外載的計算復雜、困難，有時難以計算，故在設計中為了應付各種可能出現(xiàn)的復雜情況，在設計時必須留有一定的儲備能力，如安全系數(shù)的選擇。（開發(fā)井和勘探井就不同）具體的原則有三點4.1、套管強度設計的原則（3）經(jīng)濟性要好。 由于總的原則的限制，故為了節(jié)約成本，往往需要考慮不同鋼級、不同壁厚套管的組合設計?，F(xiàn)場一般多為2～3種鋼級，壁厚也宜選用2～3種，不能過多。具體的原則有三點4.2、常用的設計方法常規(guī)的方法是自下而上分段設計。等安全系數(shù)法（最常用）（√）邊界載荷法最大載荷法（√）AMOW法BEB法（圖解法）前蘇聯(lián)的設計方法4.3、各層套管設計的特點特點：下入的深度淺；在其頂部安裝有套管頭，要承受以下各層套管的部分或全部重量；安裝有防噴器、采油樹等。側(cè)重點：主要是考慮內(nèi)壓設計。（井噴關井時情況最為嚴重）特點：下入深度大，在其中下入油管，特別注意后期生產(chǎn)可能出現(xiàn)的各種情況。側(cè)重點：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)）特點：下入的深度較深；隔離和封隔各種復雜地層；在井噴時承受較大內(nèi)壓；具有較強的耐磨性。側(cè)重點：抗拉（下入較淺），抗內(nèi)壓（井噴關井），抗外擠（下入井深）表套技套油套4.4、等安全系數(shù)（進行套管柱設計）這種方法是最簡單也是現(xiàn)場中使用最廣泛的一種方法，實踐證明，在一般的井中是比較安全的。但對于超深井，HTHP井（海洋上鉆井）一般是不易使用。（SY5322-88或SY5322-2000標準）任何一種方法進行設計，都與載荷的計算有關，若計算出的載荷不同，那么設計出的管柱可能有較大的差別。等安全系數(shù)法（總的要求）：在最危險截面上是安全的。具體原則：①以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；②根據(jù)外擠載荷進行自下而上設計；

③最后按抗拉強度進行設計、校核上部套管。4.5、具體的設計步驟Step1收集資料，掌握已知條件；井身結(jié)構(gòu)，壓力剖面等，套管的庫存等。Step2確定安全系數(shù)；載荷計算的精確性↑，安全系數(shù)↓；計算公式精確性↑，安全系數(shù)↓：對于特別情況（如含有腐蝕性氣體H2S、CO2）則安全系數(shù)需按特殊情況考慮；API規(guī)定的安全系數(shù)：4.5、具體的設計步驟Step3計算內(nèi)壓載荷，篩選符合內(nèi)壓強度的套管；內(nèi)壓載荷由套管內(nèi)外的流體綜合產(chǎn)生。內(nèi)壓最大的情況一般出現(xiàn)在井涌關井和特殊作業(yè)（壓裂、…、注水）時，內(nèi)壓的計算中間套管與生產(chǎn)套管是不同的。中間套管的計算方法如我們教材上P263介紹；生產(chǎn)套管的計算方法在按補充方法進行。4.5、具體的設計步驟Step4計算外擠載荷，依據(jù)外擠載荷確定套管下入長度；（1）一般的情況下都是按全井掏空的最危險情況考慮，計算公式：教材P260式7—12或P267，按此式初選第一段套管，下深為D1；選擇壁厚和鋼級較低的套管作為第二段套管，下入深度：（2）則第一段下入長度為：（3）校核第一段的抗拉強度：（4）對深井、超深井，當注入水泥量較大時，還應考慮其產(chǎn)生的附加軸向拉力；同時還應當考慮套管接箍的強度。4.5、具體的設計步驟Step5雙軸應力的計算與校核從雙軸應力橢圓中知道，當軸向應力不為零時，會對套管的抗外擠和抗內(nèi)壓產(chǎn)強度生影響（具體的影響見前面）。對于套管柱的長超過水泥面或中性點時，則應考慮由于重力影響而導致的抗外擠強度的下降。按教材公式7—14計算雙軸應力下的抗擠強度。所以雙軸應力的抗外擠計算的內(nèi)容為：按雙向應力計算，如果強度不夠，則要用試算法把下一段適當向上適當延伸，直到滿足要求為止（或選擇高鋼級的套管）。4.5、具體的設計步驟Step6按抗拉設計確定上部各段套管長度愈向上，Pc↓，而軸向拉力↑，故應改為抗拉進行設計。（軸向拉力為主要矛盾）；則第i段頂部截面的強度必須滿足：

如果Li還沒有能夠達到井口，則第i段上部選用抗拉強度更大的套管進行計算。4.5、具體的設計步驟Step7抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核。（選用）對事先沒按抗內(nèi)壓篩選套管的井，一般的還要進行抗內(nèi)壓的校核。公式見教材P268式7—22例：某井7″（177.8mm）套管下入深度3500m，井內(nèi)鉆井液密度1.3g/cm3，水泥返至2800m。要求進行抗擠、抗拉設計?？箶D安全系數(shù)不低于1.00，抗拉安全系數(shù)不低于1.75。試設計此井套管柱。1）掌握已知條件（套管尺寸和下入深度、安全系數(shù)、鉆井液密度水泥返高及套管強度性能表等）。4.6、設計舉例尺寸：177.8mm，下深3500m，鉆井液ρd=1.3g/cm3，固井水泥返高2800m，安全系數(shù)：抗擠Sc=1.125，抗拉：ST=1.80。套管的性能表格（可以從中查各種套管的性能參數(shù)）2）根據(jù)外擠壓力和抗擠安全系數(shù)確定下部第一段套管鋼級和壁厚。pco1=ρdgD1×10-6=1.3×0.0098×3500≈45.5MPa

式中:pco1：套管在井底所受外擠壓力，MPa。因下部第一段套管所受的井底外擠壓力和安全系數(shù)的乘積應等于（或小于）抗擠強度，即

pco1SC×10-6≤σD1

式中σD1：第一段套管抗擠強度，MPa；SC：抗擠安全系數(shù)。根據(jù)σD1即可由套管強度性能表中選出下部第一段套管。由套管性能表查得N－80、壁厚11.51mm套管，其抗擠強度為:σD1

=60.5MPa。因此，實際安全系數(shù)為：

第①段套管D1=35004.6、設計舉例水泥返高28003）確定第二段套管可下深度和第一段套管的使用長度。由于外擠壓力愈往上愈小，根據(jù)既安全又經(jīng)濟的原則，第二段套管可選鋼級或壁厚較低一級（即抗擠強度小一級）的套管，其可下深度為Pco2=ρdgD2×10-6式中:D2——第二段套管的可下深度，m；

σD2——第二段套管抗擠強度，MPa。則第一段套管使用長度L1=D1-D2;σD2≥Pco2×SC第①段第②段D2D1=35004.6、設計舉例水泥返高2800N-80、11.51mm若選：N-80，壁厚10.36mm，抗擠強度σD2=49.35MPa，實際取第二段下入深度D2=3300m則第一段套管長度：L1=D1-D2=3500-3300=200m

①②D1=3500D2=3300①4.6、設計舉例水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mm第一段套管每米重量為0.476KN，抗拉強度3048kN浮力系數(shù)校核第二段套管抗擠強度：安全系數(shù)：SC2＞1.80（安全）＞1.125（安全）第一段套管抗拉安全系數(shù)：ST1

第一段套管重為：.Wcd1=BFqc1Lcs1=0.833×0.476×200=79.33kN①②D1=3500D2=33004.6、設計舉例水泥返高2800N-80、11.51mmN-80、10.36mm4）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長度。按抗擠強度選擇鋼級或厚度更低一級的套管，第三段套管選N-80、壁厚9.19mm，抗擠σC3=38.03MPa按抗擠強度第三段套管下入深度為2600m（在水泥面以上），表明第二段套管頂部已超過水泥面。所以在第二段水泥面處和第三段底部都應考慮雙向應力的影響。①②③D1=3500D2=3300D3=2600②4.6、設計舉例水泥返高2800N-80、10.36mmN-80、9.19mm4）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長度?？上律疃龋?/p>

顯然第三段套管底部由于承受其下部套管的重量，其抗擠強度必定下降，下入深度就不可能達到2600m，否則其底部安全系數(shù)必＜1.125。由于第二段比第三段強度大，應將第二段套管長度增長，即減少第三段的下入深度，提高其底部的抗擠系數(shù)，以補償雙向應力的影響。但第二段增長后，軸向拉力增加，由于雙軸應力影響，又將進一步引起第三段套管下端抗擠強度降低，可采用試算法。①②③D1=3500D2=3300D3=26004.6、設計舉例水泥返高28004）雙軸應力計算當按抗擠強度設計套管柱超過水泥面或中和點時，應考慮下部套管柱（?。┲匾鹛坠芸箶D強度的降低，即按雙軸應力設計套管柱。①②③D1=3500D2=3300D3=？或按課本公式7-14進行計算。4.6、設計舉例水泥返高28004）雙軸應力計算計算降低后的抗擠強度值，校核抗擠安全系數(shù)能否滿足要求。若不能滿足要求，采用試算法將下段抗擠強度較大的套管向上延伸，直至抗擠安全系數(shù)滿足要求。這樣可從下向上確定下部各段套管。由于愈往上外擠壓力愈小，故可選擇抗擠強度更小的套管，當?shù)竭_某一深度后，由于套管自重產(chǎn)生的拉力載荷增加，抗拉強度表現(xiàn)為主要矛盾時，則按抗拉設計確定上部各段套管。①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、設計舉例水泥返高28004）雙軸應力計算首先對水泥面處抗擠安全系數(shù)SC2校核。第二段套管線重0.4315KN/m，段長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計算軸向拉力下抗擠強度，第二段管體屈服強度Fg2=3066kN。（安全）水泥面處抗擠符合要求①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、設計舉例水泥返高28005）用試算法求第三段在雙向應力作用下的可下深度?！?/p>

首先假設下至2300m。第二段長：L2=3300-2300=1000m第二段（?。┲兀篧2=0.833×1000×0.4135=359.4kN第一、二段累積浮重W1+W2=79.33+859.4=438.7kN第三段管體屈服強度Fg3=2740kN①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設計舉例水泥返高28005）用試算法求第三段在雙向應力作用下的可下深度。

第三段底部雙軸應力下抗擠強度為抗擠安全系數(shù)：＞1.125，安全第三段下至2300m時抗擠安全。①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設計舉例水泥返高2800可見第三段N-80、9.19mm延伸至井口抗拉強度不符合要求。＜1.80（不安全）（安全）6）校核第二段套管頂部截面積的抗拉安全（不考慮浮度）第二段抗拉強度Fj2=2708kN第二段抗拉符合要求。若將第三段設計到井口：Fj3=2354kN，q3=0.3869kN）①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設計舉例水泥返高28007）按抗拉強度設計確定上部各段套管：第

i

段抗拉強度σTi

，則該段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)ST為①②③D1=3500D2=3300D3=2300設自下而上第

i

段以下各套管的總重為:4.6、設計舉例水泥返高2800此處i=3（安全）第四段選用，N-80，10.36mm，長度：

L4=D-L1-L2-L3=3500-200-1000-2000=300mq4=0.4315KN/m，

W4