第6講-第二章-套管柱及注水泥設(shè)計(jì)-套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

第二章套管柱及注水泥設(shè)計(jì)第1節(jié)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第2節(jié)生產(chǎn)套管尺寸的確定第3節(jié)套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)第4節(jié)注水泥技術(shù)第5節(jié)復(fù)雜類型井套管柱設(shè)計(jì)和注水泥技術(shù)簡介第3節(jié)套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)1. 套管、套管柱2. 套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度3. 定向井套管柱載荷計(jì)算4. 套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)4、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則總的原則：在最經(jīng)濟(jì)的條件下使井眼得到可靠的保護(hù)。這個(gè)設(shè)計(jì)不但要能保證在鉆進(jìn)時(shí)的安全性，更要能保證在整個(gè)油井使用期間的安全性。從這二點(diǎn)來講，套管的設(shè)計(jì)是相當(dāng)復(fù)雜的一個(gè)工作。●對(duì)開發(fā)井，可以設(shè)計(jì)出成本最低的套管柱（以成本優(yōu)先）；●對(duì)勘探井，則往往需按最大估算應(yīng)力來設(shè)計(jì)（安全為主）?？傊踩谋Ｕ显酱?，那么費(fèi)用就越高的，因?yàn)檫@個(gè)費(fèi)用大約占總費(fèi)用20%左右。4.1、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jìn)：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(dǎo)致的壓力和溫度的變化等等。（2）在承受外載時(shí)應(yīng)有一定的儲(chǔ)備能力。由于外載的計(jì)算復(fù)雜、困難，有時(shí)難以計(jì)算，故在設(shè)計(jì)中為了應(yīng)付各種可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，在設(shè)計(jì)時(shí)必須留有一定的儲(chǔ)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(diǎn)4.1、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則（3）經(jīng)濟(jì)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(jí)、不同壁厚套管的組合設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)一般多為2～3種鋼級(jí)，壁厚也宜選用2～3種，不能過多。具體的原則有三點(diǎn)4.2、常用的設(shè)計(jì)方法常規(guī)的方法是自下而上分段設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法4.3、各層套管設(shè)計(jì)的特點(diǎn)特點(diǎn)：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(diǎn)：主要是考慮內(nèi)壓設(shè)計(jì)。（井噴關(guān)井時(shí)情況最為嚴(yán)重）特點(diǎn)：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(diǎn)：抗拉（下入深），抗外擠（下入深），抗內(nèi)壓（后期生產(chǎn)）特點(diǎn)：下入的深度較深；隔離和封隔各種復(fù)雜地層；在井噴時(shí)承受較大內(nèi)壓；具有較強(qiáng)的耐磨性。側(cè)重點(diǎn)：抗拉（下入較淺），抗內(nèi)壓（井噴關(guān)井），抗外擠（下入井深）表套技套油套4.4、等安全系數(shù)（進(jìn)行套管柱設(shè)計(jì)）這種方法是最簡單也是現(xiàn)場(chǎng)中使用最廣泛的一種方法，實(shí)踐證明，在一般的井中是比較安全的。但對(duì)于超深井，HTHP井（海洋上鉆井）一般是不易使用。（SY5322-88或SY5322-2000標(biāo)準(zhǔn)）任何一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，都與載荷的計(jì)算有關(guān)，若計(jì)算出的載荷不同，那么設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(jìn)行自下而上設(shè)計(jì)；

③最后按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核上部套管。4.5、具體的設(shè)計(jì)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(jì)算的精確性↑，安全系數(shù)↓；計(jì)算公式精確性↑，安全系數(shù)↓：對(duì)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(shè)計(jì)步驟Step3計(jì)算內(nèi)壓載荷，篩選符合內(nèi)壓強(qiáng)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(guān)井和特殊作業(yè)（壓裂、…、注水）時(shí)，內(nèi)壓的計(jì)算中間套管與生產(chǎn)套管是不同的。中間套管的計(jì)算方法如我們教材上P263介紹；生產(chǎn)套管的計(jì)算方法在按補(bǔ)充方法進(jìn)行。4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟Step4計(jì)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(xiǎn)情況考慮，計(jì)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(jí)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(qiáng)度：（4）對(duì)深井、超深井，當(dāng)注入水泥量較大時(shí)，還應(yīng)考慮其產(chǎn)生的附加軸向拉力；同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮套管接箍的強(qiáng)度。4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟Step5雙軸應(yīng)力的計(jì)算與校核從雙軸應(yīng)力橢圓中知道，當(dāng)軸向應(yīng)力不為零時(shí)，會(huì)對(duì)套管的抗外擠和抗內(nèi)壓產(chǎn)強(qiáng)度生影響（具體的影響見前面）。對(duì)于套管柱的長超過水泥面或中性點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)考慮由于重力影響而導(dǎo)致的抗外擠強(qiáng)度的下降。按教材公式7—14計(jì)算雙軸應(yīng)力下的抗擠強(qiáng)度。所以雙軸應(yīng)力的抗外擠計(jì)算的內(nèi)容為：按雙向應(yīng)力計(jì)算，如果強(qiáng)度不夠，則要用試算法把下一段適當(dāng)向上適當(dāng)延伸，直到滿足要求為止（或選擇高鋼級(jí)的套管）。4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟Step6按抗拉設(shè)計(jì)確定上部各段套管長度愈向上，Pc↓，而軸向拉力↑，故應(yīng)改為抗拉進(jìn)行設(shè)計(jì)。（軸向拉力為主要矛盾）；則第i段頂部截面的強(qiáng)度必須滿足：

如果Li還沒有能夠達(dá)到井口，則第i段上部選用抗拉強(qiáng)度更大的套管進(jìn)行計(jì)算。4.5、具體的設(shè)計(jì)步驟Step7抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核。（選用）對(duì)事先沒按抗內(nèi)壓篩選套管的井，一般的還要進(jìn)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(jìn)行抗擠、抗拉設(shè)計(jì)?？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(shè)計(jì)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(qiáng)度性能表等）。4.6、設(shè)計(jì)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(jí)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(yīng)等于（或小于）抗擠強(qiáng)度，即

pco1SC×10-6≤σD1

式中σD1：第一段套管抗擠強(qiáng)度，MPa；SC：抗擠安全系數(shù)。根據(jù)σD1即可由套管強(qiáng)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(qiáng)度為:σD1

=60.5MPa。因此，實(shí)際安全系數(shù)為：

第①段套管D1=35004.6、設(shè)計(jì)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(jì)的原則，第二段套管可選鋼級(jí)或壁厚較低一級(jí)（即抗擠強(qiáng)度小一級(jí)）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(qiáng)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(shè)計(jì)舉例水泥返高2800N-80、11.51mm若選：N-80，壁厚10.36mm，抗擠強(qiáng)度σD2=49.35MPa，實(shí)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(shè)計(jì)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(qiáng)度3048kN浮力系數(shù)校核第二段套管抗擠強(qiáng)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(shè)計(jì)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(qiáng)度選擇鋼級(jí)或厚度更低一級(jí)的套管，第三段套管選N-80、壁厚9.19mm，抗擠σC3=38.03MPa按抗擠強(qiáng)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(yīng)考慮雙向應(yīng)力的影響。①②③D1=3500D2=3300D3=2600②4.6、設(shè)計(jì)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(qiáng)度必定下降，下入深度就不可能達(dá)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(qiáng)度大，應(yīng)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(bǔ)償雙向應(yīng)力的影響。但第二段增長后，軸向拉力增加，由于雙軸應(yīng)力影響，又將進(jìn)一步引起第三段套管下端抗擠強(qiáng)度降低，可采用試算法。①②③D1=3500D2=3300D3=26004.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28004）雙軸應(yīng)力計(jì)算當(dāng)按抗擠強(qiáng)度設(shè)計(jì)套管柱超過水泥面或中和點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮下部套管柱（浮）重引起套管抗擠強(qiáng)度的降低，即按雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)套管柱。①②③D1=3500D2=3300D3=？或按課本公式7-14進(jìn)行計(jì)算。4.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28004）雙軸應(yīng)力計(jì)算計(jì)算降低后的抗擠強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度更小的套管，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一深度后，由于套管自重產(chǎn)生的拉力載荷增加，抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)為主要矛盾時(shí)，則按抗拉設(shè)計(jì)確定上部各段套管。①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28004）雙軸應(yīng)力計(jì)算首先對(duì)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(jì)算軸向拉力下抗擠強(qiáng)度，第二段管體屈服強(qiáng)度Fg2=3066kN。（安全）水泥面處抗擠符合要求①②③D1=3500D2=3300D3=？4.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28005）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度?！?/p>

首先假設(shè)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(qiáng)度Fg3=2740kN①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28005）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。

第三段底部雙軸應(yīng)力下抗擠強(qiáng)度為抗擠安全系數(shù)：＞1.125，安全第三段下至2300m時(shí)抗擠安全。①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高2800可見第三段N-80、9.19mm延伸至井口抗拉強(qiáng)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(qiáng)度Fj2=2708kN第二段抗拉符合要求。若將第三段設(shè)計(jì)到井口：Fj3=2354kN，q3=0.3869kN）①②③D1=3500D2=3300D3=23004.6、設(shè)計(jì)舉例水泥返高28007）按抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定上部各段套管：第

i

段抗拉強(qiáng)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(shè)自下而上第

i

段以下各套管的總重為:4.6、設(shè)計(jì)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