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1、第07章_固井与完井技术图图3-8-1-1 套管类型套管类型（a）正常压力井；（）正常压力井；（b）异常压力井）异常压力井一、套管柱类型及作用一、套管柱类型及作用 第一节第一节 井身结构设计井身结构设计1、地质方面的数据岩性剖面及其故障提示 地层孔隙压力剖面 地层破裂压力剖面四、井身结构设计中所需要的基础数据四、井身结构设计中所需要的基础数据2、工工程程类类数数据据抽吸压力与激动压力允许值（抽吸压力与激动压力允许值（Sb或或Sg）地层压裂安全增值（地层压裂安全增值（Sf）井涌条件允许值（井涌条件允许值（Sb）压差允值（压差允值（PN与与Pa）美美 国：国：Sb或或Sg取取0.06中原油田：中原
2、油田：Sb=0.050.08；Sg=0.070.10该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增该值是为了避免将上层套管鞋处地层压裂的安全增值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该值，它与预测破裂压力值的精度有关，可以根据该地区的统计数据来确定。以等效密度表示地区的统计数据来确定。以等效密度表示gcm3。美国现场将美国现场将Sf取值为取值为0.024，中原油田取值为，中原油田取值为0.03此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用此值是衡量井涌的大小，用泥浆等效密度差表示（用于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的于压井计算，另一种计量方法是以进入井眼的流体的总体积来表示，多用于
3、报警）。美国现场取值为总体积来表示，多用于报警）。美国现场取值为0.06。该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得该值可由各油田根据出现井涌的数据统计和分析后得出。中原油田将出。中原油田将Sk值定为值定为0.060.14。裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大，裸眼中，泥浆液柱压力与地层孔隙压力的差值过大，除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接除使机械钻速降低外，而且也是造成压差卡钻的直接原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已原因，这会使下套管过程中，发生卡套管事故，使已钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确钻成的井眼无法进行固井和完井工作。压差允值的确定，
4、各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆定，各油田可以从卡钻资料中（卡点深度，当时泥浆密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。密度、卡点地层孔隙压力等）反算出当时的压差值。再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压再由大量的压差值进行统计分析得出该地区适合的压差允值。差允值。1）液体压力体系的压力梯度分布）液体压力体系的压力梯度分布套套管管层层次次和和下下入入深深度度是是以以力力学学为为基基础础的的，因因此此首首先先要要分分析析井内压力体系的压力梯度分布。井内压力体系的压力梯度分布。2）最大泥浆密度）最大泥浆密度max某某一一层层套套管管的的钻钻进进井井段段中中所所用用的的最最大大
5、泥泥浆浆密密度度和和该该井井段段中中的最大地层压力有关。的最大地层压力有关。即：即：max=pmax+Sb （4）式中式中 max某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm3；pmax该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，该井段中的最大地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm3；Sb抽吸压力允许值，抽吸压力允许值，g/cm3。1、套管层次和下入深度的确定、套管层次和下入深度的确定五、井身结构设计方法及步骤五、井身结构设计方法及步骤3）最大井内压力梯度）最大井内压力梯度B为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压力梯为了避免将井段内的地层压裂，应求得最大井内压
6、力梯度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不度。在正常作业时和井涌压井时，井内压力梯度有所不同。同。（1）正常作业情况）正常作业情况最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压最大井内压力梯度发生在下放钻柱时，由于产生激动压力而使井内压力升高。如增高值为力而使井内压力升高。如增高值为Sg，则最大井内压力，则最大井内压力梯度梯度Br为：为：Br=max+Sg （5）（2）发生井涌情况（关封井器并加回压）发生井涌情况（关封井器并加回压）为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最为了平衡地层孔隙压力制止井涌而压井时，也将产生最大井内压力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表大井内压
7、力梯度。压井时井内压力增高值以等效密度表示为示为Sb，则，则最大井内压力梯度等效密度最大井内压力梯度等效密度Bk为：为：Bk=max+Sk （6）但（但（6）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深）式只适用于发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深Hpmax的井底处。而对于井深为的井底处。而对于井深为Hn处，则：处，则：Br=fSf 或或 Bk=fSf （8）式中式中 f为上一层套管鞋处薄弱地层为上一层套管鞋处薄弱地层破裂压力等效密度值，破裂压力等效密度值，g/cm3；Sf地层压裂安全增值，地层压裂安全增值，g/cm3。（7）由上式可见，当由上式可见，当Hn值小时值小时（即深度较浅时）（即深度
8、较浅时）Bk值大值大，即压力梯度，即压力梯度大，反之当大，反之当Hn值大时，值大时，Bk小。如图小。如图3-8-1-2所示。所示。ak值随值随Hn变化变化呈双曲线分布。呈双曲线分布。图图3-8-1-2 井内压力井内压力梯度与井深关系梯度与井深关系为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被为了确保上一层套管鞋处裸露地层不被压裂，则应有：压裂，则应有：套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之套管层次和下入深度设计的实质是确定两相邻套管下入深度之差，它差，它取决于裸眼井段的长度取决于裸眼井段的长度。在这裸眼井段中，应使钻进过程中。在这裸眼井段中，应使钻进过程中及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏
9、，并在钻进和下套管时不发及井涌压井时不会压裂地层而发生井漏，并在钻进和下套管时不发生压差卡钻事故。生压差卡钻事故。设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，设计前必须有所设计地区的地层压力剖面和破裂压力剖面图，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，图中纵坐标表示深度，横坐标表示地层孔隙压力和破裂压力梯度，皆以等效密度表示。皆以等效密度表示。设计时由下而上逐层确定下入深度。设计时由下而上逐层确定下入深度。油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设油层套管的下入深度主要决定于完井方法和油气层的位置。因此设计的步骤是由中间套管开始。计的步骤是由中间套管
10、开始。2 2、设计方法及步骤、设计方法及步骤、设计方法及步骤、设计方法及步骤1）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点）、各层套管（油层套管除外）下入深度初选点Hn的确定。的确定。套管下入深度的依据是，套管下入深度的依据是，其下部井段钻进过程中预计的最大其下部井段钻进过程中预计的最大井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。井内压力梯度不致使套管鞋处裸露地层被压裂。根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的根据最大井内压力梯度可求得上部地层不致被压裂所应有的地层破裂压力梯度地层破裂压力梯度fnr。正常作业下钻时，由（正常作业下钻时，由（4），（），（5），（），（8）式，有：）式，
11、有：fnr=pmax+Sb+Sg+Sf （9）式中式中 fnr第第n层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度层套管以下井段下钻时，在最大井内压力梯度 作用下，作用下，上部裸露地层不被压裂所应有的地层破上部裸露地层不被压裂所应有的地层破 裂压力梯度，裂压力梯度，g/cm3；pmax第第n层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效层套管以下井段预计最大地层孔隙压力等效 密度，密度，g/cm3。发生井涌情况时，由（发生井涌情况时，由（4）、（）、（7）（）（8）式，有：）式，有：(10)式中式中 fnk第第n层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力层套管以下井段发生井涌时，在井内最大压力 梯度作用下，上
12、部地层不被压裂所应有的地层破裂梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂 压力梯度，压力梯度，g/cm3；Hni第第n层套管下入深度初选点，层套管下入深度初选点，m。对对比比（9）、（10）两两式式，显显然然，fnkfnr，所所以以，一一般般用用fnk计计算算，在在肯定不会发生井涌时，用肯定不会发生井涌时，用fnr计算计算。对中间套管，可用试算法试取对中间套管，可用试算法试取Hni值代入式中求值代入式中求fnk，然后由设计，然后由设计井的地层破裂压力梯度曲线上求得井的地层破裂压力梯度曲线上求得Hni深度时实际的地层破裂压力梯深度时实际的地层破裂压力梯度。如计算的值度。如计算的值fnk与实际相
13、差不多且略小于实际值时，则与实际相差不多且略小于实际值时，则Hni即为即为下入初选点。否则另取一下入初选点。否则另取一Hni值计算，直到满足要求为止。值计算，直到满足要求为止。2）、校核各层套管下到初选点深度）、校核各层套管下到初选点深度Hni时是否会发生压差卡钻。时是否会发生压差卡钻。先先求求出出该该井井段段中中最最大大泥泥浆浆密密度度与与最最小小地地层层孔孔隙隙压压力力之之间间的的最最大静止压差大静止压差Prn为：为：Prn=9.81Hmm（pmin+Sb-min）10-3 （11）式中式中 Prn第第n层套管钻进井段内实际的井内最大静止层套管钻进井段内实际的井内最大静止 压差，压差，MP
14、a；pmin该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，该井段内最小地层孔隙压力梯度效密度，g/cm3；Hmin该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，m。比较比较Prn和和P（压差允值，正常压力地层用（压差允值，正常压力地层用PN，异常压，异常压力地层用力地层用Pa）。）。当当PrnP时时，则，则不易发生压差卡钻不易发生压差卡钻，Hm即为该层套管即为该层套管下入深度。下入深度。当当PrnP时时，则，则可能发生压差卡钻可能发生压差卡钻，这时，该层套管下，这时，该层套管下深深Hn应浅于初选点应浅于初选点Hni。Hn的计算如下：的计算如下：令令Prn=P，则允许的，
15、则允许的最大地层孔隙压力最大地层孔隙压力pper为：为：由地层孔隙压力梯度曲面图上查由地层孔隙压力梯度曲面图上查pper所在井深即该层套管下入所在井深即该层套管下入深度深度Hn。3）、当当中中间间套套管管下下入入深深度度浅浅于于初初选选点点HnHni时时，则则需需要要下下尾尾管管并要确定尾管下入深度并要确定尾管下入深度Hn+1（i）确定尾管下入深度初选点确定尾管下入深度初选点H(n+1)i。由由中中间间套套管管鞋鞋处处的的地地层层破破裂裂压压力力梯梯度度fn可可求求得得允允许许的的最最大大地地层层孔孔隙压力梯度隙压力梯度pper，由（，由（2-90）式，有：）式，有：式中式中 fn中间套管鞋处
16、地层破裂压力梯度，中间套管鞋处地层破裂压力梯度，g/cm3；pper中间套管鞋处地层破裂压力梯度为中间套管鞋处地层破裂压力梯度为fn时，其下井段所允许时，其下井段所允许 的最大地的最大地 层孔隙压力梯度，层孔隙压力梯度，g/cm3；Hn中层套管下深，中层套管下深，m；H(n+1)i尾管下入深度初选点，尾管下入深度初选点，m。其他符号代表意义同前。其他符号代表意义同前。（13）（ii）校核尾管下入到深度初选点校核尾管下入到深度初选点H(n+1)i时，是否会发生压差下时，是否会发生压差下钻。钻。校核方法同前所述。校核方法同前所述。4）、必封点的确定。）、必封点的确定。以上套管层次、下入深度的确定是
17、以井内压力以上套管层次、下入深度的确定是以井内压力系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影系统平衡为基础，以压力剖面为依据的。但某些影响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面响钻进的复杂情况因素目前还不能反映到压力剖面上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、上。如吸水膨胀易塌泥页岩、含蒙脱石的泥页岩、岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复岩膏层、盐岩层蠕变、胶结不良的砂岩等。某些复杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，杂情况的产生又与时间因素有关，如钻进速度快，浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速浸泡水时间短，复杂情况并不显示出来，反之钻速慢，上部某些地层裸露时
18、间长或在长时间浸泡下，慢，上部某些地层裸露时间长或在长时间浸泡下，则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻则发生坍塌、膨胀、缩径等情况。这需要根据已钻过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。过井的经验来确定某些应及时封隔的地层即必封点。某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，某些地区没有复杂情况则不必确定必封点。另外，为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非为了求得控制复杂情况所需的坍塌压力梯度值是非常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来常必要的，这样可以在确定必封点上不必凭经验来进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与进行。如中原油田对盐膏层引起的缩径复杂情况与石
19、油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小石油大学合作研究，得出了控制井眼面积收缩率小于于0.1%h所需的泥浆密度值。图所需的泥浆密度值。图3-8-1-3表示盐膏层在表示盐膏层在该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。该面积收缩率下随井深变化所需的泥浆密度值。图图3-8-1-3 井眼收缩率在井眼收缩率在0.1%/h下，下，不同井深所需泥浆密度值不同井深所需泥浆密度值 套套管管尺尺寸寸及及井井眼眼（钻钻头头）尺尺寸寸的的选选择择和和配配合合涉涉及及到到采采油油、勘勘探探以以及钻井工程的顺利进行和成本。及钻井工程的顺利进行和成本。1、设计中考虑的因素、设计中考虑的因素1）、生生产产套套管管尺尺寸
20、寸应应满满足足采采油油方方面面要要求求。根根据据生生产产层层的的产产能能、油油管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。管大小、增产措施及井下作业等要求来确定。2）、对对于于探探井井，要要考考虑虑原原设设计计井井深深是是否否要要加加深深，地地质质上上的的变变化化会会使使原原来来预预告告难难于于准准确确，是是否否要要本本井井眼眼尺尺寸寸上上留留有有余余量量以以便便增增下下中中间间套管，以及对岩心尺寸要求等。套管，以及对岩心尺寸要求等。3）、要要考考虑虑到到工工艺艺水水平平，如如井井眼眼情情况况、曲曲率率大大小小、井井斜斜角角以以及及地地质复杂情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制质复杂
21、情况带来的问题。并应考虑管材、钻头等库存规格的限制2、套管和井眼尺寸的选择和确定方法、套管和井眼尺寸的选择和确定方法1）、确确定定井井身身结结构构尺尺寸寸一一般般由由内内向向外外依依次次进进行行，首首先先确确定定生生产产套套管管尺尺寸寸，再再确确定定下下入入生生产产套套管管的的井井眼眼尺尺寸寸，然然后后确确定定中中层层套套管管尺尺寸寸等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。等，依此类推，直到表层套管的井眼尺寸，最后确定导管尺寸。六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合六、套管尺寸与井眼尺寸选择及配合3、套管及井眼尺寸标准组
22、合、套管及井眼尺寸标准组合 目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管目前国内外所生产的套管尺寸及钻头尺寸已标准系列化。套管与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图与其相应井眼的尺寸配合基本确定或在较小范围内变化。图3-8-1-4给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时，先确定最后一层套管给出了套管和井眼尺寸选择表。使用该表时，先确定最后一层套管（或尾管）尺寸。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。（或尾管）尺寸。表的流程表明要下该层套管可能需要的井眼尺寸。实线表明套管与井眼尺寸的常用配合，它有足够的间隙以下入该套实线表明套管与井眼尺寸的常用配合，它有足够的间隙以下
23、入该套管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合（间隙较小）。如选用虚管及注水泥。虚线表示不常用的尺寸配合（间隙较小）。如选用虚线所示的组合时，则须对套管接箍、泥浆密度、注水泥及井眼曲率线所示的组合时，则须对套管接箍、泥浆密度、注水泥及井眼曲率大小等应予注意。大小等应予注意。2）、）、生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面生产套管根据采油方面要求来定。勘探井则按照勘探方面要求来定。要求来定。3）、）、套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会套管与井眼之间有一定间隙，间隙过大则不经济，过小会导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水形成水泥桥。间隙值导致下套管困难及注水泥后水泥过早脱水
24、形成水泥桥。间隙值一般最小在一般最小在9.512.7mm（3/81/2in）范围，最好为）范围，最好为19mm（3/4in）。）。图图3-8-1-5 例题井的压力例题井的压力剖面及井身结构剖面及井身结构例例1某某井井井井深深H=4400m，地地层层孔孔隙隙压压力力梯梯度度及及破破裂裂压压力力梯梯度度剖剖面见图面见图3-8-1-5。设计给定：设计给定：Sb=0.036g/cm3；Sg=0.04g/cm3；Sk=0.06g/cm3；Sf=0.03g/cm3；PN=12MPa；Pa=18MPa。油层套管采用油层套管采用139.7mm（51/2in）套管。）套管。解：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为解
25、：由图上查得最大地层孔隙压力梯度为2.04g/cm3，位于，位于4250m。确定中间套管下入深度。确定中间套管下入深度。（i）确定下入深度初选点确定下入深度初选点H2i。由（由（10）式）式试取试取H2i=3400m，将，将3400m代入上式得：代入上式得：由图上查得由图上查得3400m处处f3400=2.19g/cm3因为因为f2kf3400且相似，所以确定中且相似，所以确定中间套管下入深度初选点为间套管下入深度初选点为2i=3400m。图图3-8-1-5 例题井的例题井的压力剖面及井身结构压力剖面及井身结构将各值代入得：将各值代入得：因为因为Pr2PN，所以中间套管下深应浅于初选点。，所以
26、中间套管下深应浅于初选点。令令Pr2=Ppper由（由（1-12）式得：）式得：由由图图中中地地层层孔孔隙隙压压力力梯梯度度曲曲线线上上查查出出与与=1.435g/cm3对对应应的的井井深深为为3200m，则中间套管下入深度，则中间套管下入深度H2=3200m。由于由于H2H2i，所以还必须下入尾套管。，所以还必须下入尾套管。（ii）校核中间套管下入到初选点校核中间套管下入到初选点3400m过程中是否会发生差卡套过程中是否会发生差卡套管。管。由图上查得：由图上查得：3400m处，处，f3400=1.57g/cm3；Hmm=3050m，min=1.07g/cm3则由（则由（1-11）式得：）式得
27、：Pr2=9.813050（1.57+0.036-1.07）10-3=16.037MPa确定表层套管下深确定表层套管下深H1。由（由（10）式，将各值代入有：）式，将各值代入有：试取试取H1=850m，代入上式得：，代入上式得：由剖面图查得井深由剖面图查得井深850m处处f850=1.740g/cm3，因，因flkf850，且相近，所以满足设计要求。且相近，所以满足设计要求。图图3-8-1-5 例题井的压力剖例题井的压力剖面及井身结构面及井身结构确定各层套管及相应井眼尺寸。确定各层套管及相应井眼尺寸。已知油层套管规定为已知油层套管规定为114.3mm（41/2in），由图（），由图（3-8-1
28、-4）套管和）套管和井眼尺寸选择，按常用的尺寸配（按实线）可得出井眼尺寸选择，按常用的尺寸配（按实线）可得出114.3mm套管相套管相应井眼尺寸为应井眼尺寸为155.5mm（67/8in），尾管用），尾管用196.9mm（73/4in）相应井）相应井眼为眼为241.3mm（91/2in）。中层套管选用）。中层套管选用273mm（103/4in），相应井），相应井眼尺寸为眼尺寸为347.6mm（143/4in）。表层套管用）。表层套管用406.4mm（16in），相），相应井眼尺寸用应井眼尺寸用508mm（20in）。以上所选用的配合还要结合库存的）。以上所选用的配合还要结合库存的套管及钻头规格
29、以及钻机负责情况来考虑，否则要作适当修改。套管及钻头规格以及钻机负责情况来考虑，否则要作适当修改。例例2 具有异常低破裂压力具有异常低破裂压力漏失层的井身结构设计如图漏失层的井身结构设计如图（3-8-1-6）所示。设计时，）所示。设计时，同样由压力剖面上最大地层同样由压力剖面上最大地层孔隙压力处开始，向上逐层孔隙压力处开始，向上逐层确定，设计方法及步骤同前。确定，设计方法及步骤同前。向下在封隔高压层后，用低向下在封隔高压层后，用低密度泥浆钻到预定井深度下密度泥浆钻到预定井深度下尾管。如果下边地层有油气尾管。如果下边地层有油气时，也可将尾管回接作为油时，也可将尾管回接作为油层套管。层套管。第二节
30、第二节 套管柱设计套管柱设计 套管柱设计的主要内容是套管柱设计的主要内容是根据套管柱在井内所受的外根据套管柱在井内所受的外载，载，正确选择套管的钢级和壁厚，正确选择套管的钢级和壁厚，使之既要有足够的强度，使之既要有足够的强度，以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形，又要符合节以保证下入井内的套管不断、不裂、不变形，又要符合节约钢材、降低成本的要求。约钢材、降低成本的要求。由于对套管柱在井下的受力和由于对套管柱在井下的受力和设计方法的不同考虑，所设计出的套管柱是不相同的，究设计方法的不同考虑，所设计出的套管柱是不相同的，究竟哪一种设计最佳，要经过长期的生产和各种作业考验后竟哪一种设计最佳，要经过
31、长期的生产和各种作业考验后才能做出正确的判断。这里着重介绍经过长期生产实践考才能做出正确的判断。这里着重介绍经过长期生产实践考验的验的API常规设计理论与方法。常规设计理论与方法。一、套管柱外载分一、套管柱外载分从套管柱入井、注水泥到以后生产的不同时期，套管柱的受从套管柱入井、注水泥到以后生产的不同时期，套管柱的受力是变化的，且在不同的地层和地质条件下，套管柱所受的力是变化的，且在不同的地层和地质条件下，套管柱所受的外载是不相同的。人们经过长期大量生产实践和分析表明：外载是不相同的。人们经过长期大量生产实践和分析表明：虽然套管柱受力是复杂的，但是虽然套管柱受力是复杂的，但是影响套管柱设计的基本
32、载荷影响套管柱设计的基本载荷是轴向拉力、外挤压力和内压力。是轴向拉力、外挤压力和内压力。在设计中应根据不同情况在设计中应根据不同情况按该井最危险情况来考虑套管柱所承受的基本载荷。按该井最危险情况来考虑套管柱所承受的基本载荷。轴轴向向拉拉力力（1）套管本身自重产生的轴向拉力套管本身自重产生的轴向拉力Wc=qcLcs10-3（2）井眼弯曲产生的附加拉力井眼弯曲产生的附加拉力 WCb=0.0733dAcs（3）套管内的水泥浆使套管柱产生的附加拉力套管内的水泥浆使套管柱产生的附加拉力（4）其它附加拉力其它附加拉力 目目前前API套套管管柱柱设设计计中中仍仍按按钻钻井井液液液液柱柱压压力力计计算算，我我
33、国国一一些些油田按盐水柱压力（压力梯度为油田按盐水柱压力（压力梯度为10.711.52kPa/m）计算。）计算。在在具具有有高高塑塑性性的的岩岩层层，如如盐盐岩岩层层、泥泥岩岩层层段段，在在一一定定条条件件下下，垂垂直直方方向向的的岩岩层层压压力力能能全全部部加加给给套套管管。此此时时，套套管管柱柱的的外外挤挤压压力应按力应按上覆岩层压力上覆岩层压力计算，其压力梯度为计算，其压力梯度为2327kPa/m。计计算算外外挤挤压压力力时时，在在API常常规规套套管管柱柱设设计计中中都都按按最最危危险险情情况况考虑考虑，即认为套管内没有液柱压力的全掏空状态。，即认为套管内没有液柱压力的全掏空状态。外挤
34、压力计算式为外挤压力计算式为 p=dgDW10-6管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力管外钻井液液柱压力地层中流体压力地层中流体压力易流动岩层侧压力易流动岩层侧压力易流动岩层侧压力易流动岩层侧压力挤水泥和压裂时的挤压力挤水泥和压裂时的挤压力挤水泥和压裂时的挤压力挤水泥和压裂时的挤压力外外挤挤压压力力套套管管柱柱内内压压力力的的来来源源主主要要是是地地层层流流体体（油油、气气、水水）压压力力以以及及特特殊殊作作业业时时所所施施加加的的压压力力（如如酸酸化化压压裂裂、挤挤水水泥泥等等）。因因地地层层压压力难以预先准确确定，所以准确确定套管柱内压力是困难的。力难以预先准确确定，所以
35、准确确定套管柱内压力是困难的。井井深深较较小小时时，地地层层压压力力相相对对较较低低，一一般般中中、薄薄壁壁厚厚套套管管的的抗抗内内压压强强度度都都相相应应地地大大于于抗抗挤挤强强度度，因因此此内内压压力力的的确确定定及及套套管管柱柱抗抗内内压压设设计计的的问问题题不不突突出出。随随着着井井深深和和井井底底压压力力的的增增加加，由由内内压压力力引引起起的的套套管管柱柱强强度度问问题题和和经经济济问问题题，已已引引起起人人们们的的重重视视。目目前前对对内内压力的考虑和计算方法压力的考虑和计算方法主要有下述三种：主要有下述三种：1）最最大大地地表表内内压压力力按按套套管管内内完完全全充充满满天天然
36、然气气考考虑虑。一一般般按按井井口口处处内内压压力力作作用用于于整整个个套套管管柱柱考考虑虑。由由于于井井口口以以下下有有外外挤挤压压力力同同时时作用，所以认为井口是最危险的。作用，所以认为井口是最危险的。2）以以井井口口装装置置承承压压能能力力作作为为控控制制套套管管内内压压力力的的依依据据。当当井井口口内内压压力力超超过过井井口口装装置置允允许许压压力力时时，应应放放喷喷。很很显显然然这这种种情情况况是是井井口口内压力和套管抗内压强度大于井口装置承压能力。内压力和套管抗内压强度大于井口装置承压能力。3 3、内压力、内压力、内压力、内压力 3）以井口压力及套管内、外压差之和来计算有效内压力。
37、）以井口压力及套管内、外压差之和来计算有效内压力。当当套管内、外钻井液密度相等时，套管柱上、下内压力也相等，即为套管内、外钻井液密度相等时，套管柱上、下内压力也相等，即为井口压力；当套管柱内、外钻井液密度不相等时，则套管内压力为井口压力；当套管柱内、外钻井液密度不相等时，则套管内压力为井口压力及套管内、外压差之和。在井深井口压力及套管内、外压差之和。在井深DW1处套管内压力处套管内压力pcin1的的计算式为计算式为 pcin1=GDoDW-GDg（DW-DW1）-dgDW110-6 （2-7）式中式中 pcin1井深井深DW1处套管的内压力，处套管的内压力，MPa；GDo上覆岩层压力梯度，上覆
38、岩层压力梯度，MPa/m；DW井深，井深，m；DW1计算点井深，计算点井深，m；GDg天然气压力梯度，天然气压力梯度，MPa/m；d套管外钻井液密度，套管外钻井液密度，kg/m3。为了设计安全，套管的内压力以上覆岩层压力为依据，同是还考虑为了设计安全，套管的内压力以上覆岩层压力为依据，同是还考虑套管内是完全充满天然气，即按套管内右能达到的最大内压力考虑。套管内是完全充满天然气，即按套管内右能达到的最大内压力考虑。在理论上很难确定实际井内是否完全充满天然气或有一定高度液柱在理论上很难确定实际井内是否完全充满天然气或有一定高度液柱（钻井液或油），一般是根据经验确定。（钻井液或油），一般是根据经验确
39、定。目目前前我我国国现现场场所所用用套套管管绝绝大大多多数数为为API标标准准的的圆圆螺螺纹纹套套管管。螺螺纹纹形形状状为为V型型，螺螺纹纹根根和和螺螺纹纹尖尖为为圆圆弧弧形形，每每英英寸寸8扣扣，如如图图3-8-2-1所所示。示。二、套管柱强度计算二、套管柱强度计算1、套管抗拉强度、套管抗拉强度 为了准确掌握套管抗拉强度，美国石油学会曾用为了准确掌握套管抗拉强度，美国石油学会曾用162根根API标准标准长、短圆螺纹套管作拉伸试验，其中包括三种钢级（长、短圆螺纹套管作拉伸试验，其中包括三种钢级（K-55，N-80，P-110）和各种不同尺寸及壁厚的套管。试验结果是）和各种不同尺寸及壁厚的套管。
40、试验结果是14次次管体拉断，管体拉断，符合半经验公式（符合半经验公式（2-8）式：）式：148次次螺纹滑脱，符合半经验公式（螺纹滑脱，符合半经验公式（2-9）。）。Fj=0.095Ajpmin（2-8）（2-9）螺纹滑脱为圆螺纹套管在轴向拉力作用下的主要破坏形式。螺纹滑脱为圆螺纹套管在轴向拉力作用下的主要破坏形式。在在下部套管柱自重（下部套管柱自重（Wc）的作用下（见图）的作用下（见图3-8-2-2），通过螺纹斜面把），通过螺纹斜面把下部载荷（下部载荷（Wc）传递到上部套管上，在每个螺纹的斜面上的轴向截）传递到上部套管上，在每个螺纹的斜面上的轴向截荷，在径向产生一个水平分力，这个径向分力将使管
41、径缩小，接箍荷，在径向产生一个水平分力，这个径向分力将使管径缩小，接箍 胀大，当轴向载荷增大到某一定值胀大，当轴向载荷增大到某一定值 （即滑脱负荷）时，套管就从接箍中滑（即滑脱负荷）时，套管就从接箍中滑 脱出来。脱出来。图图3-8-2-2 套管螺纹连接图套管螺纹连接图1套管；套管；2接箍接箍 圆圆螺螺纹纹套套管管滑滑脱脱负负荷荷小小于于套套管管本本体体趋趋服服拉拉力力负负荷荷，为为了了充充分分利利用用管管体体强强度度，API标标准准还还有有梯梯形形螺螺纹纹和无接箍螺纹套管。和无接箍螺纹套管。值得注意，值得注意，在轴向载荷作用下，在轴向载荷作用下，不仅存在套管连接强度问题，而不仅存在套管连接强度
42、问题，而且常引起螺纹密封性的破坏。且常引起螺纹密封性的破坏。产生丝扣滑脱的原因产生丝扣滑脱的原因产生丝扣滑脱的原因产生丝扣滑脱的原因2 2、套管抗挤强度、套管抗挤强度、套管抗挤强度、套管抗挤强度（1）无轴向载荷作用时套管的抗挤强度）无轴向载荷作用时套管的抗挤强度 套套管管柱柱在在外外挤挤压压力力作作用用下下的的破破坏坏形形式式，除除少少数数小小直直径径和和厚厚壁壁的的套套管管外外，主主要要是是失失稳稳破破坏坏，而而不不是是强度破坏强度破坏。失失稳稳后后的的套套管管被被挤挤扁扁（轻轻者者）或或破破裂裂，使使钻钻头头或或其其它它井井下下工工作作不不能能通通过过，地地层层封封隔隔遭遭到到破破坏坏，将
43、将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。套套管管抗抗挤挤强强度度取取决决于于材材料料性性能能、横横截截面面的的几几何何形形状状和和套套管管所所承承受受负负荷荷的的状状况况。理理论论分分析析和和实实验验研研究究表表明明，套套管管径径厚厚比比d d/c c（外外径径/壁壁厚厚，无无量量纲纲）较较大大时时，属属于于失失稳稳破破坏坏，即即当当外外挤挤压压力力达达到到套套管管抗抗挤挤强强度度时时，套套管管管管壁壁产产生生弯弯曲曲变变形形（挤挤扁扁）或或破破裂裂。当当套套管管径径厚厚比比较较小小，外外挤挤压压力力达达到到套套管管抗抗挤挤强强度度时时，套管将发生
44、强度破坏。套管将发生强度破坏。图图3-8-2-3 套管套管截面的挤毁截面的挤毁无轴向载荷条件下，不同径厚比的相应抗挤强度无轴向载荷条件下，不同径厚比的相应抗挤强度当当d/c不大于表不大于表8-2-1中所列数值时，套管发生屈服破坏中所列数值时，套管发生屈服破坏 当当d/c为表为表3-8-2-2中所列数值时，套管发生塑性失稳破坏中所列数值时，套管发生塑性失稳破坏 当当d/c为表为表3-8-2-3中所列数值时，套管将在弹塑性过渡区发生中所列数值时，套管将在弹塑性过渡区发生失稳破坏失稳破坏 当当d/c大于或等于表大于或等于表3-8-2-4中所列数值时，套管发生弹性失稳中所列数值时，套管发生弹性失稳破坏
45、破坏（2）有轴向载荷作用时套管的抗挤强度）有轴向载荷作用时套管的抗挤强度有轴向载荷作用时套管的抗挤强度分两种情况讨论。有轴向载荷作用时套管的抗挤强度分两种情况讨论。1）套套管管双双向向应应力力椭椭圆圆。套套管管柱柱在在井井内内处处于于复复杂杂受受力力状状态态，有有的的处处于于同同时时受受外外挤挤压压力力与与轴轴向向拉拉伸伸载载荷荷；有有的的处处于于同同时时受受内内压压力力与与轴轴向向压压缩缩载载荷荷（如如同同时时有有内内外外压压力力存存在在时时，可可看看为为抵抵消消后后剩剩余余内内压压力力或或外外挤挤压压力力的的单单项项作作用用）。由由于于轴轴向向载载荷荷的的存存在在，对对套套管管的抗挤强度将
46、发生重要的影响。的抗挤强度将发生重要的影响。设套管自重引起的轴向拉应力为设套管自重引起的轴向拉应力为z，外挤压力或内压力引，外挤压力或内压力引起的周向应力为起的周向应力为及径向应力为及径向应力为r。由于套管为薄壁或中厚壁。由于套管为薄壁或中厚壁管，管，r比比小得多，可忽略不计。故只考虑套管受轴向拉应力小得多，可忽略不计。故只考虑套管受轴向拉应力z及周向应力及周向应力的两向应力作用。根据第四强度理论，的两向应力作用。根据第四强度理论，套管破套管破坏的强度条件为坏的强度条件为 z2+2-z=s2 双向应力椭圆双向应力椭圆 第第一一象象限限是是拉拉伸伸与与内内压压的的联联合合作作用用，表表明明在在轴
47、轴向向拉拉力力作作用用下下能能使使套套管管抗抗内内压压强强度度增增加加，在套管柱设计中一般不考虑将更为安全。在套管柱设计中一般不考虑将更为安全。第二象限是轴向压缩与内压力的联合作用第二象限是轴向压缩与内压力的联合作用，从曲线中可以看出，当套管受到轴向压力作从曲线中可以看出，当套管受到轴向压力作用时会用时会降低套管抗内压强度降低套管抗内压强度。这种情况在井。这种情况在井下只可能发生在套管柱下部，而套管柱下部下只可能发生在套管柱下部，而套管柱下部的主要载荷是外挤压力，所以一般不予考虑。的主要载荷是外挤压力，所以一般不予考虑。第三象限是轴向压缩与外挤压力的联合作第三象限是轴向压缩与外挤压力的联合作用
48、用，从图上可知轴向压力能，从图上可知轴向压力能提高套管抗外挤提高套管抗外挤强度强度，在套管柱设计中不考虑更为安全。，在套管柱设计中不考虑更为安全。第四象限是拉伸与外挤的联合作用第四象限是拉伸与外挤的联合作用，从曲，从曲线可看出，轴向拉力的存在使套管的线可看出，轴向拉力的存在使套管的抗挤强抗挤强度降低度降低，因此在套管柱设计中应考虑进去。，因此在套管柱设计中应考虑进去。在在API常规套管柱设计中一般都考虑这一影响。常规套管柱设计中一般都考虑这一影响。2）轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算公式）轴向拉力作用下套管抗挤强度的计算公式 为了便于计算，国内提出了线性化套管双向应力计算方法，为了便于计算，国
49、内提出了线性化套管双向应力计算方法，其计算公式为其计算公式为 理论上已证明，在理论上已证明，在范范围围内内线线性性化化双双向向应应力力计计算算法法误误差差小小于于2%。另另外外，为为了了简简化化Dc的计算，可使计算式写为的计算，可使计算式写为 Dc=KD K称称为为双双向向应应力力外外挤挤压压力力系系数数，其其值值随随套套管管轴轴向向拉拉力力与与管管体体屈屈服强度的比值而变化，可查有关数据表服强度的比值而变化，可查有关数据表 图图3-8-2-5 有轴向负荷时的挤毁曲线有轴向负荷时的挤毁曲线（图图中中未未明明确确画画出出弹弹、塑塑性性抗抗挤挤强强度度曲曲线线）。纵纵坐坐标标为为挤挤毁毁压压力力，
50、横横坐坐标标为为给给定定某某种种钢钢级级套套管管的的径径厚厚比比。曲曲线线0没没有有轴轴向向负负荷荷，随随曲曲线线序序号号增增加加，轴轴向向拉拉力力增增加加，曲曲线线4的的轴轴向向拉拉力力最最大大。虚虚线线为为一一种种给给定定的的套套管管截截面面下下轴轴各各负负荷荷为为零零时时呈呈现现塑塑性性挤挤毁毁，但但随随着着轴轴向向负负荷荷增增大大到到某某一一定定值值时时，失失效效模模式式（形形式式）变变成成极极限限强强度度挤挤毁毁（即即屈屈服服强强度度挤挤毁毁，把把原原初初始始屈屈服强度换成极限强度为条件得出）。服强度换成极限强度为条件得出）。套管挤毁压力随轴向负荷增加的变化曲线套管挤毁压力随轴向负荷