套管抗挤毁强度计算

套管全管壁屈服挤毁压力计算孙永兴;林元华;施太和;刘素君;陈丽萍;张帆【摘要】分析了API屈服挤毁公式和ISO全管壁屈服挤毁压力公式,认为:API Bulletin 5C3屈服挤毁设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,内壁开始屈服时套管还有很大的抗挤余量,对于D/t＜15的厚壁及特厚壁套管,若按API提供的这种最小屈服挤毁公式计算,会造成管材浪费或选择套管难的问题;而ISO全管壁屈服挤毁压力公式并非是全管壁屈服公式,可能并不适合所有壁厚段套管强度的计算.为此,根据弹塑性力学理论推导出了任意屈服半径处及全管壁屈服时的挤毁强度公式.通过计算对比可知,对于D/t≤15的厚壁管(API Bulletin 5C3用屈服公式计算套管强度)用von Mises屈服准则计算的套管内壁起始屈服挤毁强度值,要比现行的API Bulletin 5C3屈服挤毁值高15.45%,而全管壁屈服挤毁值至少要比API Bulletin 5C3屈服挤毁值高出32.78%.%The analysis of API 5C3 yield collapse formula and ISO through-wall yield collapse formula shows that the basic design principle of API 5C3 is the failure of inner wall. In fact,casing wall still has a great of collapsing when yielding. For casing (D/t＜15) and special thick casing, the formula for determination of minimum yield collapsing provided by API will result in the casing waste or the difficulty in choosing casing. While the ISO through-wall yield collapse formula is not completely through-wall yield collapse formula which cannot be used for all casing. The yield collapse formula for arbitrary radius and the through-wall yield is obtained by elastic-plastic mechanics theory. The comparison shows that for casing (D/t＜15),initial yield collapse strength for inner casing calculated by von Mises yield criterion is 15. 45％ higher than that of usingAPI 5C3, and the through-wall yield collapse strength is 32. 78％ higher than that of using API 5C3's.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2011(039)001【总页数】4页(P48-51)【关键词】套管;屈服应力;抗压强度【作者】孙永兴;林元华;施太和;刘素君;陈丽萍;张帆【作者单位】中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;CNPC石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;CNPC 石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;CNPC石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300【正文语种】中文【中图分类】TE925+.2套管是油气井生产中重要的设施，一般要承受较高的外挤压力，当这种压力超过套管本身的强度时(非API值)，套管就会被挤毁，影响钻井施工，严重时甚至导致全井报废。

油气井套管柱强度计算方法文献调研报告 1抗挤强度计算方法1.1 前苏联1930年布尔卡柯夫首先提出了油气井套管抗挤强度计算公式，而1933年铁摩辛柯从另外的途径也得到了该公式[1]，因此该公式被命名为布-铁公式：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ222242312311.1 （1） 式中：K=t/D ，为壁厚与外径之比。

布尔卡柯夫[2, 3]通过实验验证了该公式，并发现该公式计算得到的套管抗挤强度要比实验值小1.13倍，同他认为处于压缩状态下工作的屈服极限为拉伸状态下工作的屈服极限1.1倍，即⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ2222423123124.1 （2） 随后式（2）被前苏联国家石油研究采用，在上世纪四十年代作为国家标准进行使用。

从上世纪50年代开始，前苏联颁布的ГОСТ632-50、ГОСТ632-57、ГОСТ632-64 分别采用了不同形式的萨尔奇索夫（Г.М.Саркисов）公式作为抗挤强度的计算依据。

萨尔奇索夫公式不但考虑了套管不圆度的影响，而且同时考虑了壁厚不均度的影响。

1960年5月，萨尔奇索夫在前苏联“石油业”杂志上发表的最新形式的套管抗挤强度公式为：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P ρσρρσρρσ202min 320min 320min 42312311.1（3）式中：D t K min min =，D t K 00=，min0K K =ρ 随着套管抗挤毁理论的发展，人们对套管抗静水外压的理论有了许多新的认识[4]，曾经在苏联流行了二十多年并作为国家标准的基础理论的萨尔索夫公式，终于遇到了耶内敏柯（Ереценко）等人的挑战。

煤矿大口径直排钻孔套管抗挤强度计算近年来在煤矿安全生产中大口径直排钻孔得到越来越广泛的应用。

这类井孔套管直径大、重量大，在套管下入井孔过程中，一旦出现套管被挤毁的事故，将造成巨大经济损失。

本文根据美国石油协会常规套管抗挤强度的计算公式，先进行理论计算，然后采用修正系数对理论计算结果进行修正，最终得出套管的实际抗挤强度，在霍州煤电集团某煤矿直排钻孔的施工中进行了应用，工程取得圆满成功，验证了大口径套管抗挤强度计算方法的可行性。

标签：煤矿直排钻孔大直径套管抗挤强度计算修正系数1引言随着煤矿开采向深层发展，水害问题，特别是奥陶系岩溶水对煤炭资源的开采已构成严重威胁，为解决采矿中的安全防护及排水问题，近几年很多煤矿采取施工直排钻孔加强矿井排水能力，为煤矿安全生产提供了有力的保障。

煤矿直排钻孔的直径一般为500～900mm，井孔深度在300～800m不等，下入井孔内的套管直径一般在400～800mm之间。

由于井孔直径和套管直径都比较大，这类井孔施工周期长、难度大、施工费用高，一旦发生套管损毁事故，将造成极大经济损失，因此，对套管抗挤强度要求已经成为套管选型的决定性因素。

20世纪60年代，美国石油协会（API）在大量试验的基础上得出了套管抗挤强度计算公式，直到现在仍然被应用于预测套管抗挤强度。

但此公式计算套管强度只用于常规油田标准套管（Φ139.7mm、Φ177.8mm、Φ244.5mm、Φ339.7mm 等尺寸），非标大直径套管很少涉及。

煤矿直排钻孔要求排量大，所下套管直径远远超出油田系统套管直径范围（通常直径为Φ426mm、Φ530mm、Φ630mm、Φ720mm等）。

煤矿直排钻孔套管直径大、重量大，施工过程中常采用浮力阀方式下套管（即把套管底部用逆止阀封闭，借助钻井液浮力以减轻重量下管），此方法在减轻下套管提升力的同时，使得套管内外压强不均，套管在下入井孔过程中，井孔内钻井液将对套管产生横向（井孔为纵向）内挤力，随着套近年来在煤矿安全生产中大口径直排钻孔得到越来越广泛的应用。

东北石油大学课程设计年月日东北石油大学课程设计任务书课程计算力学课程设计题目弯曲段套管抗挤强度有限元分析专业工程力学姓名学号主要内容：石油工业中，API（美国石油学会）套管强度计算公式是没有考虑任何缺陷的套管强度计算公式，井下套管的使用都是通过API套管强度标准设计的。

但是在实际使用的套管都存在一定的缺陷，如出厂的不圆度、壁厚不均度等，使用过程中套管内壁被钻杆接头磨损和套管在弯曲段时的弯曲。

这些因素或多或少地影响着套管抗挤强度，当套管抗挤强度降低到一定程度时就会造成套管损坏，影响油气资源开发的经济效益。

研究和分析弯曲段套管的抗挤强度就可以知道套管曲率对套管抗挤强度的影响关系，就可以指导现场套管的设计和选材。

套管钢级为N80，屈服强度551.6MPa，泊松比0.3，弹性模量206GPa，外径177.8mm，壁厚13.72mm。

套管曲率取2°/100m、4°/100m、6°/100m、8°/100m、10°/100m，分析计算各种曲率条件下的套管抗挤强度。

基本要求：在课程设计期间，巩固有限元理论知识，掌握边界处理方法，能够应用有限元分析软件ANSYS求解工程中的实际问题，了解力学分析软件的前后处理，掌握有限元分析流程。

在3周时间内，应用ANSYS软件完成课题题目的有限元分析与计算，提交所设计题目的有限元模型、结果和命令流文件，提交5000字左右论文1份（附录为分析过程命令流）。

主要参考资料：[1] 刘巨保．石油设备有限元分析[M]．北京：石油工业出版社，1996．[2] 刘扬，刘巨保，罗敏．有限元分析及应用[M]．中国电力出版社，2008．[3] 罗敏，张强．ANSYS应用—基础篇[M]．大庆石油学院自编教材，2008．[4] 祝效华，余志祥．ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]．电子工业出版社，2004．完成期限指导教师专业负责人年月日目录第1章概述 (1)1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义 (1)1.2 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容 (1)第2章理论分析 (3)2.1套管抗挤强度分析 (3)2.2 SOLID45简介 (3)第3章偏磨套管抗挤强度有限元分析 (5)3.1 问题描述 (5)3.2 ANSYS有限元模型建立及求解 (5)结论 (14)第1章概述1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注。