套管柱設計(大部分)

第二章套管柱及注水泥設計第1節(jié)井身結構設計第2節(jié)生產(chǎn)套管尺寸確實定第3節(jié)套管柱設計第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2.2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度〔假設管外水泥沒有凝固，管外是鉆井液〕1〕外擠載荷種類一般情況下，外擠載荷按最危險的情況考慮，即按套管內(nèi)全部掏空來計算套管承受的外擠載荷。2.2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度載荷井深載荷井深套管內(nèi)載荷套管外載荷載荷井深有效載荷套管內(nèi)全掏空套管內(nèi)液面2.2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度2〕套管的API抗擠強度〔軸向應力為0〕抗外擠強度是指擠毀套管試件需要的最大外擠壓力。API5C3通告詳細表達了測定套管抗外擠強度的程序。在外擠壓力和軸向拉力作用下，套管斷面可能發(fā)生三種擠壓或彎曲形式：彈性擠壓、塑性擠壓和臨界強度擠壓。三種擠壓形式的轉化受管體幾何形狀和材料性能的制約。如下圖。針對以上對抗外擠強度形式的分析，API提出了四種計算套管擠壓公式：彈性擠壓、塑性過渡擠壓、塑性擠壓和屈服擠壓。其中2.2、外擠壓載荷及套管的抗擠強度〔3〕有軸向載荷時的套管抗擠強度2.3、內(nèi)壓載荷及抗內(nèi)壓強度〔1〕內(nèi)壓載荷〔假設管外的水泥已凝固，管外的壓力用地層流體計算〕內(nèi)壓力的來源地層流體進入套管產(chǎn)生壓力；生產(chǎn)中的特殊作業(yè)〔注水、壓裂〕時的壓力。內(nèi)壓力確實定在老區(qū)可以參考鄰近的資料，但在新區(qū)，內(nèi)壓少就很難確定。當井口開時，內(nèi)壓力易于計算，且數(shù)值較小，但當井涌關井時那么內(nèi)壓力就顯的十分突出。井的深淺對內(nèi)壓力的影響當井較淺時，內(nèi)壓力是比較小的。且一般的套管內(nèi)壓強度>抗外擠強度，故設計中問題不明顯。但隨著井深的增加，內(nèi)壓問題就很突出，有時甚至超過了抗外擠。2.3、內(nèi)壓載荷及抗內(nèi)壓強度2.3、內(nèi)壓載荷及抗內(nèi)壓強度那么井底的壓力：套管內(nèi)有效內(nèi)壓載荷 井口： 井底：等于管內(nèi)的減去管外的地層流體壓力在實際的計算時，一般是按套管全部掏空的情況考慮的。載荷井深載荷井深套管內(nèi)載荷套管外載荷載荷井深有效載荷2.3、內(nèi)壓載荷及抗內(nèi)壓強度套管內(nèi)全掏空套管內(nèi)液面載荷井深載荷井深套管內(nèi)載荷套管外載荷載荷井深有效載荷2.3、內(nèi)壓載荷及抗內(nèi)壓強度套管內(nèi)液面套管內(nèi)局部掏空2.3、內(nèi)壓力及抗內(nèi)壓強度生產(chǎn)套管內(nèi)壓力計算那么與其它不同。其與完井方式有關。典型的完井方式如以下圖。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2.3、內(nèi)壓力及抗內(nèi)壓強度2.4、套管的〔腐蝕〕損壞套管的損壞從總體上來分3、定向井套管柱載荷計算及其強度設計定向井套管柱強度設計總體上與直井相同。在彎曲井段，由于彎曲效應增大了套管柱的拉力載荷，套管的彎曲應力對套管柱抗拉強度影響較大。3.1、套管柱彎曲半徑與套管平安入井的條件〔1〕套管柱的彎曲半徑(R)：套管管體允許的彎曲半徑稱為套管柱彎曲半徑?！矄挝唬?ο)/100m〕 E——鋼材彈性模量〔206×103MPa〕；D——套管的外徑〔cm〕； Yp——鋼材的屈服強度〔KPa〕；K1——抗彎平安系數(shù)(K1=1.8)； K2——螺紋連接處的平安系數(shù)(K2=3)?！?〕井眼軌跡半徑(R0)計算：K——井眼的曲率半徑，(ο)/100m；〔3〕套管平安入井的條件是：3.2、套管柱彎曲應力計算E——鋼材彈性模量〔206×103MPa〕；D——套管的外徑〔cm〕；K——井眼的曲率半徑，(ο)/100m；3.4、上提管柱平安系數(shù)計算公式4、套管伸長與縮回計算4.1、套管在外力作用下伸長計算Δl——伸長量〔m〕；W——套管線重〔N/m〕；L——套管總長度〔m〕；A——套管截面積〔cm2〕；E——鋼材彈性模量〔206×103MPa〕；ρm——鉆井液密度〔g/cm3〕；ξ——鋼材熱膨脹系數(shù)〔ξ=12.1×10-6m/(m℃)〕；ΔT——套管變形前后溫度差值〔℃〕；（1）在自重作用下伸長量計算公式：（2）在鉆井液中的伸長計算經(jīng)驗公式：（3）在熱應力作用下伸長（或縮短）計算公式4.2、固井后套管回縮計算固井后，由于下部封固段水泥的凝固，使井口套管承受的自重載荷明顯減少，原來已經(jīng)拉伸的套管會由于受力的減少而回縮。因此，要求從井口釋放套管回縮的距離，以保證套管不至于被拉斷。回縮量計算公式如下：ρm——鉆井液密度〔g/cm3〕；E——鋼材彈性模量〔206×103MPa〕；5、套管柱強度設計5.1、套管強度設計的原那么總的原那么：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平安性，更要能保證在整個油井使用期間的平安性。從這二點來講，套管的設計是相當復雜的一個工作。對開發(fā)井，可以設計出本錢最低的套管柱〔以本錢優(yōu)先〕；對勘探井，那么往往需按最大估算應力來設計?？傊桨驳谋Ｕ显酱?，那么費用就越高的，因為這個費用大約占總費用20%左右。5.1、套管強度設計的原那么〔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?！?〕在承受外載時應有一定的儲藏能力。 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藏能力，如平安系數(shù)的選擇。〔開發(fā)井和勘探井就不同〕〔3〕經(jīng)濟性要好。 由于總的原那么的限制，故為了節(jié)約本錢，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。具體的原那么有三點5.2、常用的設計方法常規(guī)的方法是自下而上分段設計。等平安系數(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5.3、各層套管設計的特點表層套管特點：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局部或全部重量；安裝有防噴器、采油樹等。側重點：主要是考慮內(nèi)壓設計?！簿畤婈P井時情況最為嚴重〕技術套管特點：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。側重點：抗拉〔下入較淺〕，抗內(nèi)壓〔井噴關井〕，抗外擠〔下入井深〕油套〔生產(chǎn)套管〕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。側重點：抗拉〔下入深〕，抗外擠〔下入深〕，抗內(nèi)壓〔后期生產(chǎn)〕5.4、等平安系數(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平安的。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，假設計算出的載荷不同，那么設計出的管柱可能有較大的差異。等平安系數(shù)法〔總的要求〕：在最危險截面上是平安的。具體原那么：①以內(nèi)壓載荷篩選初始套管；②根據(jù)外擠載荷進行具體設計；③最后按抗拉強度進行校核。5.5、具體的設計步驟Step1收集資料，掌握條件；井身結構，壓力剖面等，套管的庫存等。Step2確定平安系數(shù)；載荷計算的精確性↑，平安系數(shù)↓；計算公式精確性↑，平安系數(shù)↓：對于特別情況〔如含有腐蝕性氣體H2S、CO2〕那么平安系數(shù)需按特殊情況考慮；API規(guī)定的平安系數(shù)：5.5、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)套管的計算方法在補充中進行介紹。5.5、具體的設計步驟Step4計算擠壓載荷；〔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〕那么第一段下入長度為：〔3〕校核第一段的抗拉強度：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。5.5、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)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，那么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，那么要把下一段適當向上延伸，直到滿足要求為止。5.5、具體的設計步驟Step6按抗拉設計確定上部各段套管愈向上，Pc↓，而軸向拉力↑，故應