石油工程課程設(shè)計(jì)套管柱及其強(qiáng)度設(shè)計(jì).ppt

1,石油工程設(shè)計(jì) 固井工程設(shè)計(jì),楊明合 石油工程學(xué)院,2,一、套管的類型及其性能 二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度 三、套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì) 四、注水泥工藝,3,一、套管的類型及其性能,1、基本概念 油井套管是優(yōu)質(zhì)鋼材制成的無縫管或焊接管，兩端均加工有錐形螺紋。 大多數(shù)的套管是用套管接箍連接組成套管柱。 表征套管的主要特性參數(shù)有套管尺寸、鋼級(jí)和壁厚。 （API SPEC 5A：C75、C95、P110的套管只能用無縫管制造）,4,1、基本概念,（1）套管的尺寸 （又稱名義外徑、公稱直徑等）是指套管本體的外徑，實(shí)際上套管尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。 套管尺寸的確定是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，前面已經(jīng)介紹過。,5,1、基本概念,（2）套管的鋼級(jí) API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定套管本體的鋼材應(yīng)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度，用鋼級(jí)表示。 套管鋼級(jí)由字母及其后面的數(shù)碼組成，字母沒有特殊含義，但數(shù)碼代表套管的強(qiáng)度。, API對(duì)套管進(jìn)行了相應(yīng)的分級(jí)（H、J、K、N、C、L、P、Q八種共十級(jí)）即： H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和Q125，前6種類型為抗硫的，其余為非抗硫的。,6,1、基本概念,API套管規(guī)范及強(qiáng)度(5寸套管)甲方鉆井手冊(cè)P192,7,1、基本概念,值得注意的是： API規(guī)定，鋼級(jí)代號(hào)后面的數(shù)值乘以1000，即為套管（以kpsi為單位）的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了極少數(shù)例外，也適應(yīng)于非API 標(biāo)準(zhǔn)的套管。（1MPa=145.04psi；psi：磅/英寸2） 只有屈服強(qiáng)度 對(duì)H2S提敏感的，但對(duì)CO2則影響很小，可以數(shù)年內(nèi)不破壞，而在H2S鹽的環(huán)境中會(huì)在一小時(shí)內(nèi)破壞。,API套管規(guī)范及強(qiáng)度(5寸套管),8,1、基本概念,（3）套管的壁厚 是指套管本體處管體的厚度，又稱為套管名義壁厚。 套管的壁厚也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。和套管壁厚直接相關(guān)聯(lián)的就是套管的名義質(zhì)量（或名義重量），指定是套管單位長度的質(zhì)量（或重量）。,API套管規(guī)范及強(qiáng)度(5寸套管),9,2、套管的聯(lián)接,套管柱通常都是由同一外徑、相同（或不同）鋼級(jí)、壁厚的套管用接箍聯(lián)接組成的。 聯(lián)接是由螺紋來實(shí)現(xiàn)的，螺紋聯(lián)接是套管質(zhì)量和強(qiáng)度檢驗(yàn)的重點(diǎn)。 套管螺紋都是錐形螺紋，在API規(guī)范中分為五大類。前四類屬API 標(biāo)準(zhǔn)，第五類系非API標(biāo)準(zhǔn)。,10,二、套管柱的載荷分析及套管強(qiáng)度,套管柱: （1）在入井、注水泥以及以后生產(chǎn)的不同時(shí)期，套管柱的受力也是不斷變化的。 （2）在不同的地層和地質(zhì)條件下，套管柱所承受的外載荷也是不同的。 如在井下的鹽巖層對(duì)套管柱的壓力梯度則要按上覆巖石的壓力梯度計(jì)算；在酸化壓裂時(shí)承受的內(nèi)壓力與正常采油時(shí)的壓力就不同；在易坍塌油層生前的前、中、后期對(duì)套管柱的外擠壓力也不盡相同。 經(jīng)過長期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，雖套管柱的受力復(fù)雜，但是影響套管柱的基本載荷主要有以下幾種： 軸向載荷；外擠壓力；內(nèi)壓力。 其它載荷如套管彎曲載荷、振動(dòng)載荷等都考慮到安全系數(shù)中去了。,11,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（1）軸向載荷種類 自重產(chǎn)生的軸向拉力，是軸向應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因。在井口最大。教材P258 式77 API標(biāo)準(zhǔn)中套管的強(qiáng)度值是沒有考慮彎曲應(yīng)力的影響的，對(duì)于井眼上存在大的斜度或狗腿時(shí)，這樣由于彎曲的影響就增大了套管的軸向拉力。特別是在靠近扣處易形成裂縫損壞，故應(yīng)給予考慮。 教材P259 式710 在深井或超井的注水泥過程中，由于注水泥漿量較大，故在水泥還未返出套鞋處時(shí)，將對(duì)套管柱產(chǎn)生一較大的附加軸向應(yīng)力。教材 P259 式711 其它的附加力。摩擦力一般認(rèn)為是與浮力相抵消的。而剩余的力由于計(jì)算復(fù)雜，有時(shí)難以預(yù)料，故一般用安全系數(shù)來進(jìn)行考慮。,12,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（1）軸向載荷種類,實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般不考慮浮力對(duì)軸向載荷的作用，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安全。 但在計(jì)算精度要求較高的情況下（如高溫高壓井），為了更好的發(fā)揮管材強(qiáng)度性能，此時(shí)往往不能簡單的給予忽略。,13,1、軸向載荷及套管的抗拉強(qiáng)度,（2）軸向載荷下套管抗拉強(qiáng)度 目前我國現(xiàn)場(chǎng)中所用的套管絕大多數(shù)為API標(biāo)準(zhǔn)圓扣套管：扣為V型，扣根與扣尖為圓孤形。 從API的套管抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際可以看出，絕大部分套管的破壞形式是滑扣，特別是對(duì)于圓螺紋，本體拉斷的情況要比滑扣情況少的多。 所以一般在設(shè)計(jì)中，除了考慮套管的屈服強(qiáng)度外，還要考慮套管絲扣的連接強(qiáng)度。 值得注意的是，在軸向載荷下，不僅存在連接強(qiáng)度的問題，而且還由于雙軸應(yīng)力效應(yīng)對(duì)抗內(nèi)壓、抗外壓強(qiáng)度都有影響，同時(shí)對(duì)套管絲扣的密封也有直接的影響。,14,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（1）外擠載荷種類 （假設(shè)管外水泥沒有凝固，管外是鉆井液）,一般情況下，外擠載荷按最危險(xiǎn)的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空來計(jì)算套管承受的外擠載荷。,15,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,套管內(nèi)全掏空,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,有效載荷,套管內(nèi)液面,井身結(jié)構(gòu),16,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（2）套管的API抗擠強(qiáng)度 抗外擠強(qiáng)度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。套管受外擠作用時(shí)，其破壞形式主要是喪失穩(wěn)定性而不是強(qiáng)度破壞。 失穩(wěn)后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下工作不能通過，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套管損壞嚴(yán)重者油氣井報(bào)廢。 套管抗擠強(qiáng)度取決于材料性能、橫截面的幾何形狀和套管所承受負(fù)荷的狀況。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明， 套管徑厚比d / （外徑/壁厚）較大時(shí)：失穩(wěn)破壞； 當(dāng)套管徑厚比較?。禾坠軐l(fā)生強(qiáng)度破壞。,圖3-8-2-3 套管截面的擠毀,17,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（2）套管的API抗擠強(qiáng)度 API 5C3通告詳細(xì)敘述了測(cè)定套管抗外擠強(qiáng)度的程序（軸向應(yīng)力為0 ） 。 在外擠壓力作用下，套管斷面可能發(fā)生三種擠壓或彎曲形式：彈性擠壓、塑性擠壓和臨界強(qiáng)度擠壓。三種擠壓形式的轉(zhuǎn)化受管體幾何形狀和材料性能的制約。如圖所示。,針對(duì)以上對(duì)抗外擠強(qiáng)度形式的分析，API提出了四種計(jì)算套管擠壓公式：彈性擠壓、塑性過渡擠壓、塑性擠壓和屈服擠壓。,18,19,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,（3）有軸向載荷時(shí)的套管抗擠強(qiáng)度 在實(shí)際的情況中，套管的軸向載荷是不為零的。從套管的應(yīng)力分析基礎(chǔ)出發(fā)，實(shí)際上套管的受力是三維的。,s套管的屈服強(qiáng)度,20,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,周向載荷,內(nèi)壓強(qiáng)度,外擠強(qiáng)度,無軸向載荷時(shí)：套管的抗外擠（內(nèi)壓）強(qiáng)度為一常數(shù)（表現(xiàn)為圓形）。,有軸向載荷時(shí)：套管的抗外擠（內(nèi)壓）強(qiáng)度受軸向外載荷影響（表現(xiàn)為橢圓形） 。,雙軸應(yīng)力橢圓：軸向載荷對(duì)套管抗外擠強(qiáng)度的影響,21,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,22,2、外擠壓載荷及套管的抗擠強(qiáng)度,計(jì)算實(shí)例,23,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,（1）內(nèi)壓載荷 （假設(shè)管外的水泥已凝固，管外的壓力用地層流體計(jì)算） 內(nèi)壓力的來源：地層流體進(jìn)入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)（注水、壓裂）時(shí)的壓力。 內(nèi)壓力的確定：在老區(qū)可以參考鄰近的資料，但在新區(qū)，內(nèi)壓少就很難確定。當(dāng)井口開時(shí)，內(nèi)壓力易于計(jì)算，且數(shù)值較小，但當(dāng)井涌關(guān)井時(shí)則內(nèi)壓力就顯的十分突出。 井的深淺對(duì)內(nèi)壓力的影響：當(dāng)井較淺時(shí)，內(nèi)壓力是比較小的。且一般的套管內(nèi)壓強(qiáng)度抗外擠強(qiáng)度，故設(shè)計(jì)中問題不明顯。但隨著井深的增加，內(nèi)壓問題就很突出，有時(shí)甚至超過了抗外擠。,24,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,25,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,井底的壓力： 套管內(nèi)有效內(nèi)壓載荷： 井口有效內(nèi)壓載荷： 井底有效內(nèi)壓載荷：,等于管內(nèi)的減去管外的地層流體壓力,在實(shí)際的計(jì)算時(shí)，一般是按套管全部掏空的情況考慮的。,式中：PB井底壓力，MPa；Pio井口壓力，MPa； d鉆井液密度，g/cm3；p地層流體密度，g/cm3；,26,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,套管內(nèi)全掏空,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,有效載荷,套管內(nèi)液面,井身結(jié)構(gòu),27,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,套管內(nèi)部分掏空,套管內(nèi)載荷,套管外載荷,有效載荷,套管內(nèi)液面,井底,井身結(jié)構(gòu),28,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,生產(chǎn)套管內(nèi)壓力計(jì)算則與其它不同。其與完井方式有關(guān)。典型的完井方式如下圖。在油井的生產(chǎn)初期，油管接頭螺紋產(chǎn)生漏氣，氣泡由裂縫進(jìn)入油管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)形空間，在封閉的情況下，氣泡上升到井口，但氣泡仍然保持原有的壓力，那么,29,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,（2）套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度,30,3、內(nèi)壓載荷及套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度,計(jì)算實(shí)例,31,4、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）。 總之，安全的保障越大，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。,32,4.1、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),33,4.1、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)?，F(xiàn)場(chǎng)一般多為23種鋼級(jí)，壁厚也宜選用23種，不能過多。,具體的原則有三點(diǎn),34,4.2、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,35,4.3、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,36,4.4、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：以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；根據(jù)外擠載荷進(jìn)行自下而上設(shè)計(jì)； 最后按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核上部套管。,37,4.5、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)：,38,4.5、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。,39,4.5、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712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。,40,4.5、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714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）。,41,4.5、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。,42,4.5、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722,43,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)。抗擠安全系數(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d=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)）,44,2）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=dgD110-6 =1.30.0098350045.5MPa 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 pco1SC10-6D1 式中 D1：第一段套管抗擠強(qiáng)度，MPa；SC：抗擠安全系數(shù)。 根據(jù)D1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N80、壁厚11.51mm套管，其抗擠強(qiáng)度為: D1 =60.5MPa。 因此，實(shí)際安全系數(shù)為：,第段套管,D1=3500,4.6、設(shè)計(jì)舉例,45,3）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=dgD210-6,式中: D2第二段套管的可下深度，m； D2第二段套管抗擠強(qiáng)度，MPa。,則第一段套管使用長度L1=D1-D2;,D2Pco2SC,第段,第段,D2,D1=3500,4.6、設(shè)計(jì)舉例,N-80、11.51mm,46,若選：N-80，壁厚10.36mm，抗擠強(qiáng)度D2=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,D1=3500,D2=3300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,N-80、11.51mm,N-80、10.36mm,47,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=0.8330.476200=79.33kN,D1=3500,D2=3300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,N-80、11.51mm,N-80、10.36mm,48,4）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C3=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。,D1=3500,D2=3300,D3=2600,4.6、設(shè)計(jì)舉例,N-80、10.36mm,N-80、9.19mm,49,4）確定第三段套管可下深度和第二段套管的使用長度。,可下深度：,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。,D1=3500,D2=3300,D3=2600,4.6、設(shè)計(jì)舉例,50,4）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（?。┲匾鹛坠芸箶D強(qiáng)度的降低，即按雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)套管柱。,D1=3500,D2=3300,D3=？,或按課本公式7-14進(jìn)行計(jì)算。,4.6、設(shè)計(jì)舉例,51,4）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。,D1=3500,D2=3300,D3=？,4.6、設(shè)計(jì)舉例,52,4）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+5000.43150.833=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,D1=3500,D2=3300,D3=？,4.6、設(shè)計(jì)舉例,53,5）用試算法求第三段在雙向應(yīng)力作用下的可下深度。, 首先假設(shè)下至2300m。 第二段長：L2=3300-2300=1000m 第二段（?。┲兀?W2=0.83310000.4135=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=2740kN,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,54,5）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。,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,55,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）,D1=3500,D2=3300,D3=2300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,56,7）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Ti ，則該段套管頂截面的抗拉安全系數(shù)ST為,D1=3500,D2=3300,D3=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,此處i=3,57,（安全）,第四段選用，N-80，10.36mm，長度： L4=D-L1-L2-L3=3500-200-1000-2000=300m q4=0.4315KN/m， W4=3000.4315=129kN,第三段取2000m，抗拉符合要求,(安全),實(shí)取L3=2000m，W3=20000.3869=774kN 第三段頂端抗拉安全系數(shù),抗拉安全系數(shù),D1=3500,D2=3300,D3=2300,D4=300,4.6、設(shè)計(jì)舉例,58,資料表明，中深井或深井，地層壓力在正常力梯度下，按以上設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)出的套管柱，一般能滿足抗內(nèi)壓要求； 若實(shí)際抗內(nèi)壓安全系數(shù)SI小于所規(guī)定抗內(nèi)壓安全系數(shù)，則控制井口壓力，井口壓力限制在套管（或井口裝置）允許的最大壓力之內(nèi)或?qū)⑻坠苤O(shè)計(jì)步驟改為先作抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，選出滿足抗內(nèi)壓強(qiáng)度的套管后再作抗擠和抗拉設(shè)計(jì)。,8）抗內(nèi)壓安全系數(shù)校核,4.6、設(shè)計(jì)舉例,59,4.6、設(shè)計(jì)舉例,D1=3500,D2=3300,D3=2300,D4=300,N-80、壁厚10.36mm,N-80、壁厚9.19mm,N-80、壁厚10.36mm,N-80、壁厚11.51mm,外擠載荷,軸向載荷,井深,60,我們的產(chǎn)品,61,我們的產(chǎn)品,62,我們的產(chǎn)品,63,四、注水泥工藝,（一）注水泥技術(shù)的內(nèi)容和要求 1、主要內(nèi)容 選擇水泥類型； 設(shè)計(jì)水泥漿性能； 選擇水泥外加劑（或外摻料）； 井眼準(zhǔn)備； 注水泥工藝設(shè)計(jì)；,64,（一）注水泥技術(shù)的內(nèi)容和要求,2、基本要求 水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞必須符合設(shè)計(jì)要求； 注水泥段環(huán)空的泥漿應(yīng)全部被水泥漿頂替干凈，不竄槽； 水泥環(huán)（水泥石）有足夠的連接強(qiáng)度和封固性能，不發(fā)生油氣水竄，能經(jīng)受住酸化、壓裂等； 水泥石能抗（油、氣、水的長期）腐蝕。,（重點(diǎn)）,65,（二）API油井水泥分級(jí)方法,1、分級(jí) 鑒于油井水泥特殊的使用環(huán)境及對(duì)性能的要求，建立了專門的油井水泥分級(jí)方法。 目前API水泥分A、B、C、D、E、F、G 和H八個(gè)級(jí)別，每種水泥適用于不同的井況，此外還根據(jù)水泥抗硫酸鹽能力進(jìn)行分類。分為： 普通型（O） 中抗硫型（MSR） 高抗硫型（HSR）。,66,（二）API油井水泥分級(jí)方法,67,（二）API油井水泥分級(jí)方法,68,（二）API油井水泥分級(jí)方法,6