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高温高压井套管柱设计和强度校核

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套管强度校核.

套管强度校核.
特点：瞬时地、单一地作用在套管上。 产生原因：
起下钻时速度变化产生的动载 阻、卡套管时提拉动载 摩擦动载 碰压动载
密度差产生的附加拉力
一、套管外载分析与计算 作用在套管上的主要载荷应是：
轴向力：自重、浮力 外挤压力
内压力
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力
管外钻井液液柱压力:（水泥
不返到井口时，上部有一段套 管外为钻井液。该段套管称为 自由套管）
以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：
Pi Ps 0.0098n H
2.内压力
一、套管外载分析与计算
（1）内压力
确定井口内压力的三种方法是：
1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。
Ps 0.0098 ( f n ) H B
要按全掏空考虑的技术套管，有效外压力为
Poe 0.0098m H
（0≤H≤HL） 对于技术套管非全掏空的情况，有效外压力为 P 0.0098 H
oe m
Poe 0.0098 [ n H L ( n m ) H ] （ H L＜ H ≤ H B）
一、套管外载分析与计算
一、套管外载分析与计算
径向内压力：
管内流体压力 压裂作业等增产
措施时的压力
2.内压力
一、套管外载分析与计算
（1）内压力
对于表层套管和技术套管，当在下一井段钻进过程中
发生井涌而进行压井时，套管的内压力为井口内压力
与管内流体（钻井液与涌入流体——气、水、油或混
合物）的液柱压力之和。由于井涌情况的多样性，所
压力计算
对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管

完井管柱载荷和强度分析

完井管柱载荷和强度分析
＝
：
Ｆ ｚ ＋Ｆ ｏ
（ ９ ） ２ 应 力 分来自析 ２ ． １ 轴 向应力分析。轴 向应力为
情况 ， 以便于项 目能够顺利进行 ， 可以建立进度情况表如表 １ 。
结束 语
开 发 与创 新 ， ２ ０ １ ０ ， ２ ３ （ ６ ） ： １ ７ ７ — １ ７ ８ ． ［ ２ 】 贾朱红 ， 张晓冬． 基于 Ｉ ２ Ｃ总线的单主 多从 单片机之 间的通信 ［ Ｊ ］ ． 经过 实践 ， 采 用 了新 的教学方 法之后 ， 改变 了学生 理论课被 动 单片机 开发 与应 用， ２ ０ ０ ９ ， ２ ５ （ ３ — ２ ） ： １ ０ １ — １ ０ ２ ．
计 井下施工 时， 必须对 管柱进行严格的强度 分析和载荷校正 。 关键词 ： 完井管柱 ； 强度 分析 ； 安全性
１ 载 荷 分 析
’
１ ． １ 稳定力 的计算 。关于稳定力 的定义为 ：
Ｆ ｏ＝ Ｐｏ
一
一
（ １ ０ ）
以
４
（ １ ）
式中 Ｐ 广 管柱 内部压力 ， Ｐ ａ ； Ｐ 管柱外部压力 ， Ｐ ａ ； 式中 Ｆ 一实际轴 向载荷 ， 包括真实载荷和附加轴向载荷 ， Ｎ； Ａ 『 ＿ 管柱外径横截面积 ， ｍ ； Ａ ｒ 管柱内径横截 面积 ， ｍ Ａ 一管柱横截面积 ， ｍｚ 。 １ ． ２真实轴力 的计算。真实轴力 Ｆ Ｚ 包括管柱活塞力 ， 温度变形 ， ２ ． ２周向应力 和径 向应力分析 。管柱的周 向和径 向应力的计算 ， 坐封力和流体摩阻引起 的轴 向载荷 。 通过拉美公式得 ：
学 习的状态 ， 提高了理论助 推实践 、 实践巩 固理论的效果 ； 改变了学 【 ３ 】 王 先彪 ． 单 片机 应用 系统设 计与 实现［ Ｍ 】 ． 北京 ： 清华 大学 出版社 ， ０ １ ４： ６ ６ ． 生验 证实验 的状态 ， 激发 了学 生的学习主动性 和热情 ； 改变 了学 校 ２ 教学 和企业需要联系松散的状态 ， 提升了知识 转化 为能 力的效率 。 ［ ４ ］ 史洁 ， 田云． 单 片机 原理及 应 用【 Ｍ】 ． 北京 ： 清华 大学出版社 ， ２ ０ １ ２ ：

套管柱及其强度设计

套管柱及其强度设计
井身结构，压力剖面等，套管的库存等。
Step2 确定安全系数；
载荷计算的精确性↑ ，安全系数↓ ； 计算公式精确性↑，安全系数↓： 对于特别情况（如含有腐蚀性气体H2S、CO2）则安全系数需按特殊情 况考虑； API规定的安全系数：
◆ API规定，钢级代号后面的数值乘以1000，即为套管（以kpsi为单 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 s 105 psi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。
• 地质构造力的影响
•
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。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷
载荷
载荷
井身结构
井 深
套管内载荷
井 深
套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
（2）套管的API抗挤强度
抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管 受外挤作用时，其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破 坏。
1、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，前面已经介绍过。
1、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。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度

水平井多级压裂套管柱建模及套管抗挤强度分析

水平井多级压裂套管柱建模及套管抗挤强度分析

水平井多级压裂套管柱建模及套管抗挤强度分析贾飞鹏;孙建华;张乐【摘要】页岩气水平井在压裂作业过程中具有压力大、作用时间长、井筒内温度变化幅度大等特点,由温度变化引起的温度应力对套管抗挤强度有显著的影响.考虑套管与井壁、封隔器的作用,建立了水平井多级套管柱的受力模型、温度应力模型,推导出了考虑温度和套管与井壁作用产生轴向应力影响下的套管抗挤强度公式,通过MATLAB编程计算分析了壁厚、钢级、温度变化幅度、注液压力对套管抗挤强度的影响规律.计算结果表明:温度变化幅度、套管内压、壁厚对套管抗挤强度有显著的影响,温差、内压越大套管抗挤强度越小,最高可使套管的抗挤强度降低24％.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】5页(P59-62,69)【关键词】套管;温差;内压;抗挤强度【作者】贾飞鹏;孙建华;张乐【作者单位】西安石油大学机械工程学院,陕西西安 710065;中国石油集团石油管工程技术研究院,陕西西安 710077;中石化中原储气库有限责任公司,河南濮阳457001;西安石油大学机械工程学院,陕西西安 710065;中国石油集团石油管工程技术研究院,陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】TE357.11随着常规天然气的衰竭，页岩气已逐渐成为开发的热点。

截止2018年4月，根据全国矿产资源新增储量数据显示全国累计探明页岩气地质储量已超过1×1012m3[1]。

但页岩气储层具有极低孔隙度和渗透率的特征，需要经过水力压裂产生人工裂缝的改造方式，来提高页岩气储层的连通性和流动性从而提高页岩气井的采收率[2-6]。

国内近年来广泛采用的多级体积压裂改造技术来提高页岩气田效益[7]。

同时，这种压裂方式具有施工压力大、排量大、作业时间长、压裂液直接和套管接触的特点，造成在压裂施工作业过程中井筒温度下降幅度大，使得套管柱的力学环境更加复杂[8，9]。

导致套管频繁地被挤毁变形失效，影响了压裂施工效果，制约了页岩气的高效开发和利用。

套管强度校核全解

套管强度校核全解
（1）套管尺寸（又叫名义外径或公称直径）：本
体外径
4-1/2”, 5”, 51/2”, 65/8”, 7”, 7-5/8”, 8-5/8”, 9-5/8”, 10-3/4”, 11-3/4”, 16”, 28-5/8”, 20”, 30”....
二、套管强度
目 前 国 内外所生产 的套管尺寸 及钻头及尺 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。
第一节
套管及套管柱强度设计
序言
套管柱的主要功 对套管的要求 圆度 能 壁厚均匀性 抗挤 抗腐蚀 最小的流动阻力 抗拉 良好的上扣性能及重复互 抗内压 换性能 耐磨（硬度指标） 密封
序言
套管柱的组成 由不同强度的套管段组成 原因： 套管受到各种类型外力作用，须具有一定强度。 外载大小、类型不同，所需的强度要求也不同， 须有一系列不同尺寸、不同强度的套管。即套管 系列。
一、套管外载分析与计算
（2）支撑内压力
对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力
的计算式为
Pib 0
P n ( H H L ) ib 0.0098
（ 0≤ H ≤ H L ） （ H L＜ H ≤ H B）
1.外挤压力
一、套管外载分析与计算
（3）有效外压力
对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需
以关于套管内压力的计算有多种方法，常用方法是：
Pi Ps 0.0098n H
2.内压力
一、套管外载分析与计算
（1）内压力
确定井口内压力的三种方法是：
1）井口防喷装置（防喷器及压井管线等）许用最高压力。 2）套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力。
Ps 0.0098 ( f n ) H B

川西高温高压气井井筒完整性优化设计及应用

川西高温高压气井井筒完整性优化设计及应用

ｔａ ａｅｗｏｎ ｕ ｈ ｒｍｏｔｅｅ ｎ ｅｕｔ ｇｉ ａ ｌｗｅｂ ｒ ｉ ｒ ｈ ｍｂ ｒ２ｏ ａ ｅｉ ｓ ｉｈ ａ ｏｌｗｅ ｈ ｔｃｓ ｒｏ ｔｉ ｔｅｆ ｅ ｓ ｌ ｓ ｏ ｍｅ ｔ ｓ ｌｎ ｇ ｓｗｅｌ ｌ ｅｆ ｌ ｅｉ ｔｅＭｅ ｅ ｆＸ＠ ｈ ＷｅｔＳｃ ｕ ｎ．ｆｌ ｄ ｒ ｉ ｎ ｌ ｏ ａｕ ｎ ｎ ｏ
关键词 ： 井筒完整性 ； 优化设计 ； 套管防磨 ； 防腐
中 图分 类 号 ： Ｅ ８ ； ９ １ ． 文 献 标 识 码 ： Ｉ） ：０ ３ ６ ￣． ｓ．０ ８ ３ ６ ２ １ ．２０ ２ Ｔ ９ ３ＴＥ ３ ２ Ａ Ｘ Ｉ１ ．９ ９ ｉ ｎ １ ０ —２ ３ ．０ １０ ．８ ｓ
摘
要： 川西须二 气藏埋藏深 ， 具有 高温、 高压、 ｏ３ 的特 点， 含 ２ 恶劣工况 导致井 筒失效 问题 十分 突 出。统计分析表 明导致 川
西须二 气井井筒失效最主要 的 因素是套 管磨损 ， 其次为 ｃ ２ ｏ 腐蚀 ， 再次是 井 Ｉ失效 ， ３ ＂ 还有粘扣 、 管质 量缺陷等失 效模 式。根 套
ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ，ｏ３ ｅ ｒ ｇ ｎ ａ ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ｌ ｎ ｉ ｍｎ ｎ ａ ａ ｓ ｄ ｐ ｏ ｎ ｎ ｌ ｏ ｅ ｆｉ ｒ ．Ｓ ａ ｉ ｉｓａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｆ ｄ ｕ ｅ ｅａ ｕ ｅ ２ｂ ａ ｉ ，ａ ｄ ｈ ｒ ｈ ｏ ｅ ａｉ ａ ｖ ｒ ｎ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔｈ ｓｃ ｕ ｅ ｒ ｍｉ ｅ ｔｗｅ ｂ ｒ ｌ ｅ ｔ ｔ ｔ ｎ ｎ ｌ ｓ ｉ ｓｏ ｔ ｌ ａｕ ｓｃ ｓ ｎ
Ｏｐｔｍ ａ ｓｇ ｆｗｅｌｉ ｅ ｒ ｔ ｎ ｔ ｐｐｌｃ ｔｏ ｎ ＨＰＨＴ ａ ｌ ｉ ｌｄｅ ｉｎ ｏ ｌ ｎｔｇ ｉｙ ａ ｄ ｉｓａ ｉａ ｉ ｎ ｉ ｇ ｓｗｅｌ

定向井中油管柱优化与强度计算校核

定向井中油管柱优化与强度计算校核一、油管对产量的敏感性分析与油管柱设计优化油管直径的大小对气(油)井的产量起控制和调节流量的作用。

管径选择既要考虑初期产能,也要考虑开发后期产能、举升工艺和可能采取的增产措施。

同时,并不是管径越大产量就越高。

一定油气层压力下,用大直径油管柱时,由于大直径油管中的滑脱损失反而使得比采用较小直径油管时的产量要低。

也就是说,对于特定油气井系统来说,只有某个范围的油管直径最合适。

对于高产井,在油层物性、流体参数、完井条件泄油面积等参数一定时,应根据影响多相垂直(倾斜)管流压力梯度分布的主要因素(油管尺寸、产量气液比、粘度、含水率等)进行油管尺寸和产量的敏感性分析。

将不同直径油管的压力(p)、产量(q)关系曲线画在坐标图上来分析油管尺寸对产量的敏感性,确定某一产量(或压力)下的最佳油管尺寸,保证井筒中的压力梯度(压力损耗)最小。

油管尺寸太小,流速过高、磨阻损失会增大;油管太大,流速偏低、气体滑脱效应严重。

优选油管尺寸的方法或目标函数:①一定井口压力时,获得最大产量的油管尺寸为最佳油管尺寸②一定产量下,生产气油比最小、气体膨胀能利用率最大、保持自喷时间最长的油管尺寸为最佳油管尺寸。

井口油压较低时,大直径油管的产量要比小直径油管的产量高;但随油压增高到某一值时,由于大直径油管的滑脱损失增大,使得大直径油管的产量反而比小直径油管的要低。

因此,针对不同油气田不同开发期选定油管材、设计油管柱时,既要综合分析油藏地层流体特性、预测各开发阶段油气井产能还要考虑到举升工艺和可能采取的井下增产措施原则上,以满足气(油)井工况要求,在对井深、井斜 (弯曲)、压力、温度、工作环境介质物性、受力状况分析研究等的基础上,从经济安全角度设计优化油管柱、计算校核强度。

单级油管柱,需要计算油管柱的强度和安全系数,确定管径、管材和下入深度;多级管柱组合则要按等安全系数法计算校核分级强度确定各级油管串的管材、管径、钢级和下入深度。

中国石油天然气集团公司固井技术规范

中国石油天然气集团公司固井技术规范（试行）中国石油天然气集团公司2009年5月目录第一章总则1第二章固井设计1第一节设计依据和内容1第二节压力和温度1第三节管柱和工具、附件2第四节前置液和水泥浆4第五节下套管和注水泥5第六节应急预案和施工组织6第三章固井预备6第一节钻井设备6第二节井口预备6第三节井眼预备6第四节套管和工具、附件7第五节水泥和外加剂9第六节固井设备及井口工具10第七节仪器外表11第四章固井施工11第一节下套管作业11第二节注水泥作业12第三节固井过程质量评判13第五章固井质量评判14第一节差不多要求14第二节水泥环评判15第三节质量鉴定16第四节管柱试压和井口装定17第六章专门井固井17第一节天然气井17第二节深井超深井18第三节热采井19第四节定向井、大位移井和水平井19第五节调整井20第七章挤水泥和注水泥塞20第一节挤水泥20第二节注水泥塞22第八章专门固井工艺23第一节分级注水泥23第二节尾管注水泥23第三节内管注水泥25第九章附则25中国石油天然气集团公司固井技术规范总则固井是钻井工程的关键环节之一，固井质量关于延长油气井寿命和发挥油气井产能具有重要作用。

为提升固井治理和技术水平，保证作业安全和质量，更好地为勘探开发服务，依据有关规定制定本规范。

固井工程应从设计、预备、施工和检验环节严格把关，采纳适应地质和油气藏特点及钻井工艺的先进适用固井技术，实现安全、优质、经济、可靠的目的。

固井作业应严格按照固井设计执行。

固井设计设计依据和内容应以钻井地质设计、钻井工程设计、实钻资料和测井资料为基础，依据有关技术规定、规范、标准进行固井设计并在施工前按审批程序完成设计审批。

进行固井设计时应从井身质量、井眼稳固、井底清洁、钻井液和水泥浆性能、固井施工等方面考虑阻碍施工安全和固井质量的因素。

固井设计中至少应包含以下内容：（1）构造名称、井位、井不、井型、井号等信息。

（2）实钻地质和工程、录井、测井资料等基础数据。

定向井中油管柱优化与强度计算校核

定向井中油管柱优化与强度计算校核一、油管对产量的敏感性分析与油管柱设计优化油管直径的大小对气(油)井的产量起控制和调节流量的作用。

管径选择既要考虑初期产能,也要考虑开发后期产能、举升工艺和可能采取的增产措施。

同时,并不是管径越大产量就越高。

一定油气层压力下,用大直径油管柱时,由于大直径油管中的滑脱损失反而使得比采用较小直径油管时的产量要低。

也就是说,对于特定油气井系统来说,只有某个范围的油管直径最合适。

对于高产井,在油层物性、流体参数、完井条件泄油面积等参数一定时,应根据影响多相垂直(倾斜)管流压力梯度分布的主要因素(油管尺寸、产量气液比、粘度、含水率等)进行油管尺寸和产量的敏感性分析。

将不同直径油管的压力(p)、产量(q)关系曲线画在坐标图上来分析油管尺寸对产量的敏感性,确定某一产量(或压力)下的最佳油管尺寸,保证井筒中的压力梯度(压力损耗)最小。

油管尺寸太小,流速过高、磨阻损失会增大;油管太大,流速偏低、气体滑脱效应严重。

优选油管尺寸的方法或目标函数:①一定井口压力时,获得最大产量的油管尺寸为最佳油管尺寸②一定产量下,生产气油比最小、气体膨胀能利用率最大、保持自喷时间最长的油管尺寸为最佳油管尺寸。

井口油压较低时,大直径油管的产量要比小直径油管的产量高;但随油压增高到某一值时,由于大直径油管的滑脱损失增大,使得大直径油管的产量反而比小直径油管的要低。

因此,针对不同油气田不同开发期选定油管材、设计油管柱时,既要综合分析油藏地层流体特性、预测各开发阶段油气井产能还要考虑到举升工艺和可能采取的井下增产措施原则上,以满足气(油)井工况要求,在对井深、井斜 (弯曲)、压力、温度、工作环境介质物性、受力状况分析研究等的基础上,从经济安全角度设计优化油管柱、计算校核强度。

单级油管柱,需要计算油管柱的强度和安全系数,确定管径、管材和下入深度;多级管柱组合则要按等安全系数法计算校核分级强度确定各级油管串的管材、管径、钢级和下入深度。

套管强度校核全解

Poe0.009mH 8
对于Po 技e 术0套.0管0非9全mH 8掏空的情况，有效（外0压≤H力≤为HL）
P o e0 .0[ 0 n H 9 L (8 n m )H ]（HL＜H≤HB）
一、套管外载分析与计算
全掏空与非（全a）掏全空掏两空种不同的情（况b下），非套全管掏柱空所受的有效外 压力不一样图。7-3 有效外挤压力对比示意图 对1于—全—掏外空压情力况，2—有—效支外撑压内力压是井力底最3—大—，有井效口外最压小力（为 零）；
套管柱一般是由几段套管组成。在计算套管自重所产 生的轴向拉力时，通常需要计算的是各段套管顶、底 端的轴向拉力。显然，某段套管顶端的拉力即是其上
一、套管外载分析与计算
轴向拉力：
自重 浮力
W
3.轴向拉一力、套管外载分析与计算
轴向拉力计算方法：
当不考虑钻井液的浮力时，计算的是套管在空气中的重量；
目前国 内外所生产 的套管尺寸 及钻头及尺 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。
二、套管强度
二、套管强度
1、套管基本参数
（2）套管壁厚与套管单位长度名义重量
套管壁厚指的是套管本体处套管壁的厚度，套 管壁厚有时又称为套管名义壁厚。套管壁厚也 已标准系列化
套管单位长度名义重量又称为套管公称重量， 指的是包括接箍在内的、套管单位长度上的平
二、套管强度
1、套管基本参数
（3）螺纹类型
套管螺纹及螺纹连接是套管质量的关键所在，与 套管的强度和密封性能密切相关。API标准的螺纹 类型有4种：
短圆螺纹（英文缩写STC） 长圆螺纹（英文缩写LTC） 梯形螺纹（英文缩写BTC）
全。P 所o以b，0.在0支0撑9s外w 8H 压力计算中一般无论是水泥面以
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套管 直径 mm
套管 地层压力当量密度 泥浆
鞋深 孔隙压力破裂压力 密度
m
kg L kg L kg L
井底 温度 ℃
备 注
24415 17718
3850 4568
1180 2108
2123 2132
2120 2127
177 技术套管
203
生产套管 下尾管后回接
图 2 为温度对套管屈服强度影响曲线, 它是根据 该型号套管在不同温度下屈服值下降系数计算得到 的。 图中虚线代表套管的本体屈服强度曲线; 实线表 示经过温度影响校核后的有效屈服强度, 它是一条连 续的曲线, 从中可观察到任意井深处屈服强度值的变 化量。 由图 2 可以看出, 在高温高压井中, 温度对套 管屈服强度影响较大, 在该例中最大值达到 7% , 下降 值为 532145kN。
图 2 温度对屈服强度的影响
图 3 为双轴应力计算结果, 同时给出了载荷曲线 (粗实线)、 套管本体抗外挤强度曲线 (细实线) 和在 轴向力作用下的有效抗外挤强度曲线 (虚线)。套管有
第 30 卷第 1 期 杨明合等: 高温高压井套管柱设计和强度校核
·27·
效抗外挤强度变化趋势为: 在轴向应力零点以下和以 上, 套管的抗外挤强度分别出现了增加和下降的趋势。 相应地在井底和井口分别达到了最大值, 变化值分别 为 1163M Pa 和 10171M Pa。值得注意的是, 在井底套 管的抗外挤强度增加了 1163M Pa, 对于高温高压井这 个增量是不能够忽视的。
(4) 达到设计要求, 输出设计结果, 否则重新选择 套管, 重复以上计算。
四、 设 计 实 例
结合南海西部油田某井套管柱 (第一层) 设计计
算的实例[4], 给出使用该方法计算的结果。其中该层套
管尺寸为 <24415mm、型号为AM S、P 2110, 其它参数 见表 1。
表 1 套管柱设计参数
五、 结 论
11 从温度对套管柱强度的影响、下部套管柱双轴 应力计算等几个方面讨论了高温高压对套管柱设计和 强度校核的影响 。
21 提出了一套适用于高温高压井套管柱设计和 强度校核的理论方法, 并设计了该方法的计算步骤, 编 制了相应的计算软件。
31 通过现场应用, 该方法能满足高温高压井套管 柱设计计算精度的要求, 且切实可行。
[ 收稿日期 ] 2001208215; [ 改回日期 ] 2002201208 [ 第一作者联系电话 ] (0716) 8430736 [ 作者简介 ] 杨明合 (1976—) , 男, 湖北荆州人, 在读硕士研究生, 主要从事钻井工艺、石油钻井仪器及配套软件的开发和研制等工作。
·26·
石 油 钻 探 技 术 2002 年 2 月
三、 套管柱设计步骤
在考虑温度影响及双轴应力作用的基础上, 采用 迭代法进行套管柱强度校核计算, 可以得到高温高压 井套管柱设计方法步骤:
(1) 分别进行抗挤和抗内压计算, 求得套管柱所 受的外挤载荷和内压载荷;
(2) 根据套管柱所受的外挤载荷和内压载荷进行 套管柱初选;
(3) 采用迭代法进行套管柱强度校核计算, 检验 是否满足设计要求;
下面给出第 k 点截面处的计算步骤: (k 的初始值 取 0)
(1) 计算第 k 点的井深 H k = H - k ∃H 。 (2) 求出该点的温度 T k [3]。井口的温度为 T 1, 井 底的温度为 T 2= T 1+ H 168, 利用直线插值公式, 可 以求得 k 点的温度值 T k。 (3) 计算第 k 点由于温度的影响套管屈服强度下 降的系数 K 。 (4) 计算 k 点套管在温度影响下的有效屈服强度 值 P T。 (5) 计算 k 点套管柱截面上的应力值 (轴向力) Y A。 (6) 计算 k 点抗拉安全系数 S T。如果 S T 小于设计 安全系数, 表明套管抗拉强度不够, 结束程序。 (7) 计算 k 点套管的有效抗外挤强度 P ca值、抗外 挤安全系数 S C。如果 S C 小于设计安全系数, 表明套管 抗外挤强度不够, 结束程序。 (8) 计算 k ′点套管的有效抗内压值 P I、抗内压安 全系数 S i。如果 S i 小于设计安全系数, 表明套管抗内 压强度不够, 结束程序。 (9) k = k + 1, 计算第 k + 1 点井深H k+ 1。若H k < 0, 停止计算, 输出设计结果, 若H k> 0, 转到步骤 (1)。 无论是对单一套管柱、 复合套管柱还是挂接尾管 的情况, 所采用的计算方法均相同。
南海西部公司, 2001.
Ca s ing D es ign and Strength Checkout in HTHP W ells
Yang M inghe1, X ia Hongnan1, J in Y equan1, W ang Y uezh i1, D uan Y isheng2, W ang Y ouhua2
图 1 温度2强度系数变化曲线
31 双轴应力计算
在高温高压套管柱设计中, 大都选择特殊管材, 因 而可供选择的余地较小。 在实际计算中, 为了提高计 算精度, 充分挖掘套管潜力, 不但要考虑轴向拉力对 套管抗外挤强度的减弱, 还应考虑在零轴向力点以下, 由于受轴向压应力引起套管抗外挤强度的增加。 这种 情况对于由于高温高压的影响, 不容易找到合适的管 材而又必需满足设计安全系数的情况很有实际意义。 而在常规套管柱设计中, 为了安全起见, 都忽略了对 这种情况的计算, 而认为对套管强度没有影响。
第 30 卷第 1 期 2002 年 2 月
! 固井与泥浆#
石 油 钻 探 技 术 PETROL EUM DR ILL IN G T ECHN IQU ES
高温高压井套管柱设计和强度校核
V o l. 30, N o. 1 Feb. , 2002
杨明合1, 夏宏南1, 金业权1, 王越之1, 段异生2, 王有华2
图 4 套管计算安全系数图
G g ——天然气的绝对密度, kg L ; K ——套管强度下 降系数; K c——抗外挤强度修正系数; L ——井深, m ; P s——井口压力, M Pa; P T —温度为 T 时的套管有效 屈服强度, M Pa; P ——常温时套管屈服强度, M Pa; P ca—套管的有效抗外挤强度, M Pa; Y A —轴向力, kN ; Y P—套管屈服强度, kN ; P c—无轴向应力时的抗外挤 强度, M Pa; Χc——漏失液面支撑当量密度, kg L ; Χt ——完井液密度, kg L。
(1. P etroleum E ng ineering D ep t. , J iang han P etroleum Inst. , J ing z hou, H ubei, 434102, C h ina; 2. W est C om p any of CN OO C , Z hanj iang , Guang d ong , 524000, C h ina)
在温度升高时, 钢材的各种性质将发生变化。 在
标准 SY5322—88 中, 没有考虑温度场对套管强度的
影响, 因此, 在温高压井套管柱设计中应考虑温度
对套管材料屈服强度的影响。 在实际计算中, 套管有
效屈服强度计算公式为:
PT= K P
(5)
图 1 为某种钢材的套管强度下降系数 K 随温度
T 的变化曲线。值得注意的是, 对于不同型材的套管, 其 K 2T 曲线不同, 一般由套管供应商提供该曲线图。
P i2= P s- 010015L
(2)
对于高温高压井套管柱设计, 由于式 (1)、(2) 忽略
气柱的影响, 取完井液为淡水, 不能满足高温高压井套
管柱设计要求的计算精度, 因此计算公式修正为:
P i1= P s+ 01009807 GgL - 01009807 ΧcL
(3)
P i2= P s+ 01009807 ΧtL - 01009807 ΧcL
Key words: h igh tem p era tu re; h igh p ressu re; ca sing st ring design; st reng th test; b iax ia l st ress; exam p le Abstract: Severa l im po rtan t facto rs influencing ca sing design and st reng th checkou t w ere d iscu ssed in th is p ap er, such a s tem p era tu re and b iax ia l st ress. M eanw h ile, a ca se of theo ries fo r ca sing design and st reng th checkou t, and the ca lcu la t ing p rocess a re g iven. A m a tch ing softw a re is m ade and app lied. T he field app lica t ion show s tha t the m ethod sa t isfies field dem and s.
(1. 江汉石油学院石油工程系, 湖北荆州 434102; 2. 中国海洋石油南海西部公司, 广东湛江 524000)
[ 关键词 ] 高温; 高压; 套管柱设计; 强度试验; 双轴应力; 实例 [ 摘 要 ] 从温度对套管柱强度的影响、下部套管柱双轴应力计算等几个方面讨论了高温高压对套管柱设计和强 度校核的影响 , 提出了一套适用于高温高压井套管柱设计和强度校核的理论方法, 并给出了该方法的计算步骤, 编制 了相应的计算软件。 通过现场应用, 证明该方法切实可行。 [ 中图分类号 ] T E 25611 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100120890 (2002) 0120025203