套管柱强度设计计算

已知数据井深D=3233.3 m 钻井液密度ρd=1.15 g/cm3套管外径d=139.7mm 油管线重q=25.3 Kg/m 水密度ρW =1.0 g/cm3抗外挤强度Sc=43.3 MP 抗拉强度St=1548 KN抗内压屈服强度Si=53.4 MP 管体屈服强度1766 KN各安全系数：抗外挤强度Sc=1.0 抗拉强度St=1.8N抗内压屈服强度Si=1.1强度校核1. 校核抗外挤强度井底外挤压力最大Poc=9.81×ρd×D×10-3=9.81×1.15×3233.3×10-3=36.48 KPSc=σ/ Poc=43.3/36.48=1.19＞1.0符合要求Poc—套管外挤压力，kPa；D —计算点深度，m；ρd—管外钻井液密度，g/cm3；2. 校核抗拉强度井口处受拉应力最大Fo=q×L×10-3=25.3×9.81×3233.3×10-3=802.48 KNSt=σ/ Fo=1548/802.48=1.93 ＞1.8符合要求Q—套管单位长度的名义重力，N/m；L—套管长度，m；Fa—井口处套管的轴向拉力，KN；3.校核抗内压强度关井时井口最易受内压力破坏此时井口压力等于井底压力（净水柱压力）Pgas=9.81×ρW×D×10-6=9.81×1000×3233.3×10-6=312.72Pi=P gas/e1.1155×10-4GD= P gas/e0.00011155GD=31.10Si=Pri/Pi=53.4/31.10=1.72＞1.1符合要求Pgas —井底天然气压力， MPa；Pi—井口内压力，MPa；D—井深，m；G—天然气与口气密度之比，一般取0.55；4.对油管水泥返高处进行抗外挤强度校核Pcc=Pc×（1.03-0.74×Fm/Fs）=43.3×（1.03-0.74×802.48/1766）=30.04 MPSc=σ/ Pcc=43.3/30.04=1.44＞1.0Pcc—存在轴向拉力时的最大允许抗外挤强度，MPa；Pc—无轴向拉力时套管的强度外挤强度，MPa；Fm—轴向拉力，kN；Fs—套管管体屈服强度 kN；；。

一、井身结构设计1.1、钻井液压力体系1.1.1、最大泥浆密度ρmax=ρpmax+Sh （1-1）式中：ρmax-某层套管钻进井段中所用最大泥浆密度，g/cm 3.ρpmax-该井段中所用地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm 3Sb-抽吸压力允许值得当量密度，取0.036 g/cm 3。

发生井涌情况时：ρfnk=ρpmax+Sb+Sf+HniHp max .Sk （1-2） 式中：ρfnk-第n 层套管以下发生井涌时，在井内最大压力梯度作用下，上部地层不被压裂所应有的地层破裂压力梯度，g/cm 3Hni-第n 层套管下入深度初选点，mSk-压井时井内压力增高值的等效密度，取0.06g/cm 3Sf-地层压裂安全增值，取0.03g/cm 3。

1.1.2 校核各层套管下到初选点深度Hni 时是否会发生压差卡套ΔPm=9.81Hmm （ρpmax+Sb-ρpmin ）×10-3 （1-3） 式中：ΔPm-第n 层套管钻进井段内实际的井内最大静止压差，MPaρpmin-该井段内最小地层孔隙压力梯度等效密度，g/cm 3.Hmm-该井段内最小地层孔隙压力梯度的最大深度，mΔPN-避免发生压差卡套的许用压差，取12MPa 。

1.2 井身结构的设计根据邻井数据，绘制地层压力与破裂压力剖面图，如下图所示：图1-1 地层压力与破裂压力剖面图（1）油层套管下入深度初选点H2的确定由于井深为2160m ，所以确定油层套管的下入深度为2155m 。

（2）表层套管下入深度初选点H1的确定试预取H1i=390m ，由邻井参数得：ρpmax=1.1g/cm 3、Hpmax=2160m 。

以及发生井涌时，由公式1-2并代入各值得：ρf1k=1.1+0.036+0.03+3902160×0.06=1.498g/cm 3根据邻井数据可知390m 以下的最小破裂压力梯度为ρfmin=1.5g/cm 3，因为ρf1k<ρfmin 且相近，所以确定表层套管下入深度初选点为H1=390m 。

套管柱结构与强度设计套管柱结构是石油工程中常用的一种结构形式，它由多个套管组合而成，通常用于油井的钻探和生产过程中。

套管柱的设计需要考虑到其承受外部压力和内部流体压力时的强度问题，以确保其能够在复杂的地质条件下安全地运行。

首先，我们需要了解套管柱结构的基本组成。

一般来说，套管柱由多个套管和接头组合而成。

每个套管都有自己的内径、外径、壁厚等参数，而接头则用于连接不同大小或类型的套管。

在实际应用中，还需要考虑到其他因素如防腐、防爆等问题。

接下来，我们需要考虑到套管柱在承受外部压力时所需具备的强度。

这主要包括两个方面：弯曲强度和挤压强度。

对于弯曲强度来说，我们需要计算出套管在受到侧向载荷时所能承受的最大应力值。

这需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。

同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的支撑方式、地质条件等因素。

对于挤压强度来说，我们需要计算出套管在承受内部流体压力时所能承受的最大应力值。

这同样需要考虑到材料本身的性质、壁厚、长度等因素，并采用相关公式进行计算。

同时，在实际应用中，还需要考虑到套管的接头、防爆措施等因素。

除了以上两个方面，我们还需要考虑到套管柱在复杂地质条件下所需具备的其他强度。

例如，在遇到断层或者地震等情况时，套管柱需要具备足够的抗震和抗变形能力。

这需要在设计时考虑到不同情况下套管柱结构的变化和调整。

总之，套管柱结构设计是石油工程中非常重要的一环。

它不仅涉及到工程安全和效率问题，还涉及到环境保护和资源利用问题。

因此，在进行设计时，我们需要充分考虑各种因素，并采用科学合理的方法进行计算和优化。

只有如此，才能确保套管柱结构在实际应用中具备足够的强度和稳定性。

2014-2015学年第二学期《完井工程》《套管柱强度校核》上机报告班级：石油工程12级1班姓名：李国锋学号：教师：一、欲解决问题的说明某井177.8毫米油层套管下至井深3600m，ρ=1.6g/cm3，水泥返到地面，预计气层深度3700m处七层压力Pp=59Mpa，尾管射孔完井，油管不带封隔器生产。

试对井段套管柱强度校核。

二、问题求解分析过程①设计方法按照各段所选套管钢级壁厚，查找套管对应抗挤强度，丝扣连接强度，以及抗内压强度，计算各段套管段底外挤力，段顶拉力，以及天然气充满井时的内压力。

从而求得抗挤、抗拉、抗内压系数。

②主要公式Sc=Pc/ρgHSt=Fst/Fm 其中Fm=qgLSi=Pi/（Pp/e1.1155×10-4GD）③符号说明程序中出现符号主要有：Pc——套管受到的外挤力Fm——套管收到的下部套管重力之和Fs——套管的屈服强度Fst——套管的丝扣滑脱强度Sc——套管抗挤系数St——套管抗拉系数Si——套管抗内压系数D——表示某段套管下入深度L——表示某段套管长度三、程序功能介绍及代码①程序功能本程序可以代替人工进行某一井段套管柱强度校核，通过程序可以查看各个井段套管柱是否符合各个安全系数要求。

确保套管柱安全。

②程序运行界面见图1③附源程序代码Private Sub Command1_Click()Dim L1, L2, L3, L4, L5 As Integer Dim D1, D2, D3, D4, D5 As Integer Dim Sc1, Sc2, Sc3, Sc4, Sc5 As Single Dim St1, St2, St3, St4, St5 As Single Dim Si1, Si2, Si3, Si4, Si5 As Single Dim bh1, bh2, bh3, bh4, bh5 As Single Dim ρ As SingleD1 = Val(Text26.Text)ρ = Val(Text27.Text)Pp = Val(Text28.Text)L1 = Val(Text5.Text)L2 = Val(Text4.Text)L3 = Val(Text3.Text)L4 = Val(Text2.Text)L5 = Val(Text1.Text)bh1 = Text20.Textbh2 = Text19.Textbh3 = Text18.Textbh4 = Text17.Text图1 bh5 = Text16.Text'根据段长自动计算井段'Text15.Text = D1Text14.Text = D1 - L1Text13.Text = Text14.TextD2 = Text13.TextText12.Text = D2 - L2Text11.Text = Text12.TextD3 = Text11.TextText10.Text = D3 - L3Text9.Text = Text10.TextD4 = Text9.TextText8.Text = D4 - L4Text7.Text = Text8.TextD5 = Text7.TextText6.Text = D5 - L5'第一段校核'If bh1 = 8.05 Thenq1 = 34.22: Pc1 = 26400000: Pi1 = 43710000: Fst1 = 1966000ElseIf bh1 = 9.19 Thenq1 = 38.69: Pc1 = 37296000: Pi1 = 49918000: Fst1 = 2308000ElseIf bh1 = 10.36 Thenq1 = 43.15: Pc1 = 48398000: Pi1 = 56253000: Fst1 = 2656000ElseIf bh1 = 11.51 Thenq1 = 47.62: Pc1 = 59293000: Pi1 = 62461000: Fst1 = 2989000ElseIf bh1 = 12.65 Thenq1 = 52.08: Pc1 = 70189000: Pi1 = 63706000: Fst1 = 3319000End IfSc1 = Round((Pc1 / (ρ * 9810 * D1)), 2)Label30.Caption = Sc1Fm1 = 9.81 * q1 * L1St1 = Round((Fst1 / Fm1), 2)Label35.Caption = St1Si1 = Round((Pi1 * (2.7183 ^ (0.00011155 * 0.55 * D1)) / (Pp * 1000000)), 2)Label40.Caption = Si1'第二段校核'If bh2 = 8.05 Thenq2 = 34.22: Pc2 = 26400000: Pi2 = 43710000: Fst2 = 1966000ElseIf bh2 = 9.19 Thenq2 = 38.69: Pc2 = 37296000: Pi2 = 49918000: Fst2 = 2308000ElseIf bh2 = 10.36 Thenq2 = 43.15: Pc2 = 48398000: Pi2 = 56253000: Fst2 = 2656000ElseIf bh2 = 11.51 Thenq2 = 47.62: Pc2 = 59293000: Pi2 = 62461000: Fst2 = 2989000ElseIf bh2 = 12.65 Thenq2 = 52.08: Pc2 = 70189000: Pi2 = 63706000: Fst2 = 3319000End IfSc2 = Round((Pc2 / (ρ * 9810 * D2)), 2)Label29.Caption = Sc2Fm2 = (9.81 * q2 * L2) + Fm1St2 = Round((Fst2 / Fm2), 2)Label34.Caption = St2Si2 = Round((Pi2 * (2.7183 ^ (0.00011155 * 0.55 * D2)) / (Pp * 1000000)), 2)Label39.Caption = Si2'第三段校核'If bh3 = 8.05 Thenq3 = 34.22: Pc3 = 26400000: Pi3 = 43710000: Fst3 = 1966000ElseIf bh3 = 9.19 Thenq3 = 38.69: Pc3 = 37296000: Pi3 = 49918000: Fst3 = 2308000ElseIf bh3 = 10.36 Thenq3 = 43.15: Pc3 = 48398000: Pi3 = 56253000: Fst3 = 2656000ElseIf bh3 = 11.51 Thenq3 = 47.62: Pc3 = 59293000: Pi3 = 62461000: Fst3 = 2989000ElseIf bh3 = 12.65 Thenq3 = 52.08: Pc3 = 70189000: Pi3 = 63706000: Fst3 = 3319000End IfSc3 = Round((Pc3 / (ρ * 9810 * D3)), 2)Label28.Caption = Sc3Fm3 = (9.81 * q3 * L3) + Fm2St3 = Round((Fst3 / Fm3), 2)Label33.Caption = St3Si3 = Round((Pi3 * (2.7183 ^ (0.00011155 * 0.55 * D3)) / (Pp * 1000000)), 2)Label38.Caption = Si3'第四段校核'If bh4 = 8.05 Thenq4 = 34.22: Pc4 = 26400000: Pi4 = 43710000: Fst4 = 1966000ElseIf bh4 = 9.19 Thenq4 = 38.69: Pc4 = 37296000: Pi4 = 49918000: Fst4 = 2308000ElseIf bh4 = 10.36 Thenq4 = 43.15: Pc4 = 48398000: Pi4 = 56253000: Fst4 = 2656000ElseIf bh4 = 11.51 Thenq4 = 47.62: Pc4 = 59293000: Pi4 = 62461000: Fst4 = 2989000ElseIf bh4 = 12.65 Thenq4 = 52.08: Pc4 = 70189000: Pi4 = 63706000: Fst4 = 3319000End IfSc4 = Round((Pc4 / (ρ * 9810 * D4)), 2)Label27.Caption = Sc4Fm4 = (9.81 * q4 * L4) + Fm3St4 = Round((Fst4 / Fm4), 2)Label32.Caption = St4Si4 = Round((Pi4 * (2.7183 ^ (0.00011155 * 0.55 * D4)) / (Pp * 1000000)), 2)Label37.Caption = Si4'第五段校核'If bh5 = 8.05 Thenq5 = 34.22: Pc5 = 26400000: Pi5 = 43710000: Fst5 = 1966000ElseIf bh5 = 9.19 Thenq5 = 38.69: Pc5 = 37296000: Pi5 = 49918000: Fst5 = 2308000ElseIf bh5 = 10.36 Thenq5 = 43.15: Pc5 = 48398000: Pi5 = 56253000: Fst5 = 2656000ElseIf bh5 = 11.51 Thenq5 = 47.62: Pc5 = 59293000: Pi5 = 62461000: Fst5 = 2989000ElseIf bh5 = 12.65 Thenq5 = 52.08: Pc5 = 70189000: Pi5 = 63706000: Fst5 = 3319000End IfSc5 = Round((Pc5 / (ρ * 9810 * D5)), 2)Label26.Caption = Sc5Fm5 = (9.81 * q5 * L5) + Fm4St5 = Round((Fst5 / Fm5), 2)Label31.Caption = St5Si5 = Round((Pi5 * (2.7183 ^ (0.00011155 * 0.55 * D5)) / (Pp * 1000000)), 2)Label36.Caption = Si5End Sub四、应用举例为了检验程序是否可用，是否可以准确无误的达到预期设计效果，代入数据检验程序是否可以准确无误的达到目的要求。

第二部分固井基础知识第一章基本概念1、什么叫固井？固井是指向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注以水泥浆，把套管与井壁紧固起来的工作。

2、什么叫挤水泥？是水泥浆在压力作用下注入井中某一特定位置的施工方法。

3、固井后套管试压的标准是什么？5英寸、51/2英寸试压15MPa，30分钟降压不超过?0.5MPa，7英寸，95/8英寸分别为10MPa和8MPa，30分钟不超过0.5MPa；103/4—133/8英寸不超过6MPa，30分钟压降不超0.5MPa。

4、什么叫调整井？为挽回死油区的储量损失，改善断层遮挡地区的注水开发效果以及调整平面矛盾严重地段的开发效果所补钻井叫调整井。

5、什么叫开发井？亦属于生产井的一种，是指在发现的储油构造上第一批打的生产井。

6、什么叫探井？在有储油气的构造上为探明地下岩层生储油气的特征而打的井。

7、简述大庆油田有多少种不同井别的井？有探井、探气井、资料井、检查井、观察井、标准井、生产井、调整井、更新井、定向井、泄压井等。

8、什么叫表外储层？是指储量公报表以外的储层（即未计算储量的油层）。

包括：含油砂岩和未划含油砂岩的所有含没产状的储层。

9、固井质量要求油气层底界距人工井底不少于多少米？探井不少于多少米？固井质量要求，调整井、开发井油、气层底界距人工井底不少于25米（探井不少于15米）。

10、调整井（小于等于1500米）按质量标准井斜不大于多少度？探井（小于等于3000米）按质量标准井斜不大于多少度？调整井按质量标准井斜不大于3度。

探井按质量标准井斜不大于5度。

11、调整井（小于等于1500米）井底最大水平位移是多少？探井（小于等于3000米）井底最大水平位移是多少？调整井井底最大水平位移是40米。

探井井底最大水平位移80米。

12、目前大庆油田常用的固井方法有哪几种？（1）常规固井（2）双密度固井（变密度固井）（3）双级注固井（4）低密度固井（5）尾管固井13、目前大庆油田形成几套固井工艺？（1）多压力层系调整井固井工艺技术。

煤层气有限责任公司企业标准煤层气钻井工程作业规程煤层气有限责任公司企业标准煤层气钻井工程作业规程1. 开钻程序钻头尺寸套管类型套管尺寸一开ф311.1 表层套管ф244.5二开ф215.9 生产套管ф139.7（ф177.8）2.地层条件复杂情况下，可采用表 2 所示的井身结构设计。

表 2 复杂地层条件下煤层气钻井井身结构表单位为毫米开钻程序钻头尺寸套管类型套管尺寸一开ф444.5 表层套管ф339.7二开ф311.1 技术套管ф244.5三开ф215.9 生产套管ф139.7（ф177.8）在打井很少或未打过井的地区，为了先取得地层、煤层和储层参数资料，可在二开时先用ф95mm或ф118mm 钻头钻小井眼，在煤层部位进行小井眼取心、测试和测井等。

综合分析评价，若有工业生产价值，再用ф215.9mm 钻头扩眼钻进，下生产套管；否则，测井后打水泥塞封井。

3.4 井口及井控装置设计3.4.1 各次开钻井口和井控装置设计,参照SY/T 5964 标准并结合钻煤层气井具体情况进行设计。

3.4.2 井控技术要求及试压，参照 SY/T 6426 标准进行设计。

3.5 钻井循环介质设计3.5.1 钻井循环介质设计依据应根据地质设计提供的地层压力，掌握压力系数，在钻井设计时选定压差，并用当量循环密度进行验算，最后确定钻井循环介质类型、密度等技术指标以及这些指标的允许使用范围。

3.5.2 煤层气井钻井循环介质设计应包括以下主要因素（不局限于这些因素）：3.5.2.1 尽量减少对煤储层的伤害，保护煤储层；3.5.2.2 稳定和保护井壁，平衡地层压力，以保障钻进施工安全；3.5.2.3 润滑、冷却钻头。

3.5.3 钻井循环介质优选原则：3.5.3.1 取心、裸眼测试的参数井、试验井及生产井，选用清水、无粘土钻井液或优质钻井液；3.5.3.2 生产井（包括直井和定向井），选用优质钻井液、无粘土钻井液、清水和气体（空气、氮气、充气）循环介质及泡沫循环介质。

钻井工程试题及答案一、选择题二、填空题三、名词说明1．何谓双向应力椭圆？答：在轴向上套管承担有下部套管的拉应力，在径向上存在有套管内的压力或管外液体的外挤力，套管处于双向应力的作用中。

依照第四强度理论，列套管破坏的强度条件方程：σz2+σt2-σtσz=σs2改写为: (σz/σs)2-(σzσt)/ σs2+(σt/σs)2=1得一椭圆方程。

用σz/σs的百分比为横坐标，用σt/σs的百分比为纵坐标，绘出的应力图，称为双向应力椭圆。

2．何谓前置液体系？答：前置液是注水泥过程中所用的各种前置液体的总称。

前置液体系是用于在注水泥之前，向井中注入的各种专门液体。

四、简答题1．简述套管的的种类及其功用。

答：（1）表层套管，表层套管是开始下入的最短最浅的一层套管，表层套管要紧有两个作用：一是在其顶部安装套管头，并通过套管头悬挂和支承后续各层套管；二是隔离地表浅水层和浅部复杂地层，使淡水层不受钻井液污染。

（2）中间套管，亦称技术套管。

介于表层套管和生产套管之间的套管都称中间套管，中间套管的作用是隔离不同地层孔隙压力的层系戒易塌易漏等复杂地层。

（3）生产套管。

生产套管是钻达目的层后下入的最后一层套管，其作用是爱护生产层，并给油气从产层流到地面提供通道。

（4）钻井衬管，亦称钻井尾管。

钻井衬管常在已下入一层中间套管后采纳，即只要裸眼井段下套管注水泥，套管柱不延伸至井口。

采纳钻井衬管能够减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头的负荷，同时又可节约大量套管和水泥，降低固井成本。

2．井身结构设计的原则是什么？答：进行井身结构设计所遵循的原则要紧有：（1）有效地爱护油气层，使不同地层压力的油气层免受钻井液的损害。

（2）应幸免漏、喷、塌、卡等井下复杂情形的发生，为全井顺利钻进制造条件，以获得最短建井周期。

（3）钻下部地层采纳重钻井液时产生的井内压力不致压裂上层套管外最薄弱的裸露地层。

（4）下套管过程中，井内钻井液柱的压力和地层压力之间的压力差，不致产生压差卡套管现象。