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1、第19卷第1期西南石油学院学报Vol.19No.11997年2月JournalofSouthwestPetroleumInstituteFeb1997套管柱强度设计计算何世明刘崇建张玉隆徐壁华(石油工程系)摘要本文对套管三轴应力设计原理进行了讨论,推导了三轴应力强度公式,对套管柱的受力情况进行了全面分析;同时提出了以等安全系数法为基础的改进等安全系数法,该方法在外载考虑上比等安全系数法更全面合理,设计步骤有所改进。以提出的方法为基础,结合现场实际,在微机上开发了相应的商品化软件,在现场获得了广泛使用。主题词套管
2、柱设计;套管强度;套管压力;套管应力;三维模型;计算机程序中图法分类号TE256.1套管柱强度分析及设计计算是否符合实际情况,关系到钻井的顺利进行和油气井的寿命,同时对钻井成本也影响极大,对此,国内外钻井科技工作者进行了大量的研究,使套管柱设计日趋完善,取得了可喜的成绩。早期的套管柱设计是采用单轴应力设计,随后采用双轴应力设计,但是,随着钻井技术的发展和勘探开发的需要,钻井深度越来越深,地质条件越来越复杂,油井工作条件也越来越恶烈,单轴应力设计和双轴应力设计已不能满足钻井和油气井开发的要求,常常造成油气井套管的先期破坏,为此
3、,人们提出了套管三轴应力设计。该方法的理论基础是Von-Mis-es屈服理论,它考虑了轴向载荷、外挤压力和内压力对抗拉强度、抗外挤强度和抗内压强度的相互影响,因此这种设计符合井下实际条件。我们以该方法为基础,同时对传统的等安全系数法进行了改进提出了改进的等安全系数法,并结合现场实际情况,开发了一套多功能的套管柱计算机辅助设计软件,以有利于现场推广使用。1套管柱的三轴应力和三轴应力状态下的强度1.1三轴应力公式进行三轴应力设计,首先必须计算在各种外载作用下套管柱所受的三轴应力,在内外压力和轴向载荷作用下,套管柱处于三轴力状态,
4、由弹性力学的拉梅公式,并考虑套管柱受力的轴对称性和轴向应力沿径向的均匀分布,可知套管柱内应力分布如下:2222Piri-Poro(Pi-Po)riro1r=22-222(1)ro-riro-rir2222Piri-Poro(Pi-Po)riro1=22+222(2)ro-riro-rir19961216修改稿本文为八五国家重点攻关项目:85-204-11-03中的内容。54西南石油学院学报1997年Tez=22(3)(ro-ri)(
5、1),(2)式表明了在内外压力作用下,径向应力和周向应力的大小与内外压力差有关,也与套管计算半径r有关。对套管强度设计最关心的是最大径向应力和周向应力,理论推导表明,当套管未受弯曲应力时,套管内壁ri处首先达到屈服,即最大径向应力和周向应力发生在内管壁处,故由(1),(2)式可得:rmax=-Pi(4)222Pi(ri+ro)2Poromax=22-22(5)ro-riro-rir,,z均取拉应力为正,反之为负。1.2三轴应力状态下的强度公式三轴应力状态下的强度是指套管柱在三轴应力作用下抗挤毁
6、、抗破裂和抗拉断的能力。它与三轴应力的大小和套管本身的屈服强度有关。由于API强度是在单轴应力条件下得到的,所以三轴设计时不能直接用。为此,须求出三轴强度与API强度之间的关系才能进行三轴设计.利用Von-Mises屈服准则及三轴强度与内外压力和轴向应力之间的关系,再用API强度与内外压力和轴向应力之间的关系,经推导可得:20.5由弹3z+Pi(z+Pi)Pca=Pco1--(6)向载P4y2y2420.5ri(z+Po)3roz+PoPba=Pbo440.5+1-44(7)3ro+riy
7、3ro+ri(y2222240.5Ta=(Piri-Poro)+[To-3(Pi-Po)ro](8)(6),(7),(8)式分别为三轴抗挤、抗内压和抗拉强度设计公式,它们表示了三轴强度与API强度和内外压力、轴向应力之间的关系。可用以进行三轴应力设计和校核。由(6)式知:当设计和校核时不考虑内压(Pi=0)时,三轴抗挤强度变为双轴抗挤强ef20.53zz度,即:Pca=Pco1--(9)4y2ylesse不考虑内压,也不考虑轴向应力(Pi=0,z=0)时,变为API抗挤强度,即Pca=Pco。
8、由(7)式知:当所设计的套管不是厚壁管,且不考虑外压力影响,(Po=0)时,式(7)变为双轴抗内压强度公式:of20.5pz3zPba=Pbo+1-(10)2y4yha当既不考虑外压又不考虑轴向应力时,(Po=0,z=0),变为单轴抗内压强度
