套管柱及其强度设计1

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1、石油工程设计—固井工程设计杨明合石油工程学院1一、套管的类型及其性能二、套管柱的载荷分析及套管强度三、套管柱强度设计四、注水泥工艺2一、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)31、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

2、经介绍过。41、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。51、基本概念API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P19261、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

3、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。API套管规范及强度(5寸套管)71、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)82、套管的联接套管柱通常都是由同一外径、相同

4、(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/9二、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

5、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。101、轴向载荷及套管的抗拉强度(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

6、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。111、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

7、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。121、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

8、直接的影响。132、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。142、外挤压载荷及套管的抗挤强度

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