第六章　固井（2）.ppt

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1、第一节套管强度设计,第七章 固井,套管强度（单向受力）,套管,外径1,.,第一节套管强度设计,第六章 固井,抗拉连接丝扣抗外挤本体抗内压丝扣端,Pcc 为考虑轴向力影响后套管实际的抗挤强度,轴向拉力作用下套管的抗挤强度:,第一节套管强度设计,第六章 固井,有效外压力:,第一节套管强度设计,第六章 固井,有效外挤压力对比示意图（a）全掏空 （b）非全掏空1外压力 2支撑内压力 3有效外压力,表、油,技,有效内压力:,第一节套管强度设计,第六章 固井,（a） （b） （c）（a）表层或技术套管 （b）油井油层套管 （c）气井油层套管 1内压力 2支撑外压力 3有效内压力,轴向拉力:,第一节套管强度

2、设计,第六章 固井,1-不考虑浮力 2-考虑浮力,三、套管柱强度设计1.套管柱强度设计方法 安全系数法： 套管强度外载设计安全系数或：套管强度外载设计安全系数,第一节套管强度设计,第六章 固井,设计安全系数 （标准）,第一节套管强度设计,第六章 固井,技术套管： 有效外压力按非全掏空情况； 有效内压力按井口内压力为套管鞋处附近地层破裂压力所决定的许用井口压力情况； 轴向拉力计算考虑钻井液浮力。,第一节套管强度设计,第六章 固井,对外载的考虑方法不同其设计结果也不同。下面以技术套管为例介绍套管设计的一般步骤：,（a）抗挤设计 （b）抗内压设计 （c）抗拉设计 （d）复合套管柱1外载 2设计外载

3、3套管强度,第一节套管强度设计,第六章 固井,（1）掌握已知条件 进行套管柱设计所需的数据：套管尺寸和下入深度设计安全系数固井时钻井液密度套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度地层盐水密度下次钻进目的井深、下次钻进所用最高钻井液密度套管强度数据表,第一节套管强度设计,第六章 固井,（1）进行套管柱抗挤强度设计a. 计算漏失面深度。b. 计算设计外压力。设计外压力为：,第一节套管强度设计,第六章 固井,c. 据设计外压力选择抗挤强度满足要求的套管（要考虑轴向拉力对套管抗挤强度的影响）。 即所选择的套管应满足：,第一节套管强度设计,第六章 固井,d. 将套管柱抗挤设计结果列表。,第一节套管强度设

4、计,第六章 固井,（2）进行套管柱抗内压强度设计 a. 计算井口内压力。 b. 计算设计内压力。 设计内压力为：,第一节套管强度设计,第六章 固井,c. 将套管的抗内压强度与设计内压进行比较，对抗内压强度不满足要求的井段的套管进行更换，以满足抗内压强度的要求。 即套管的抗内压强度应满足：,第一节套管强度设计,第六章 固井,d. 将套管柱抗内压设计结果列表,第一节套管强度设计,第六章 固井,（3）进行套管柱抗拉强度设计 a. 根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱的设计拉力。 设计拉力为：,第一节套管强度设计,第六章 固井,b. 将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度不满足要求的

5、井段的套管进行更换，以满足抗拉强度的要求。 即套管的抗拉强度应满足：,第一节套管强度设计,第六章 固井,第一节套管强度设计,第六章 固井,（4）将套管柱强度设计结果列表设计过程：从下到上，抗挤设计，抗内压和抗拉校核。 如果因强度不够而更换套管时，更换了套管的壁厚，则套管柱的拉力要重新计算，再按新计算的拉力校核强度。,第一节套管强度设计,第六章 固井,（a）抗挤设计 （b）抗内压设计 （c）抗拉设计 （d）复合套管柱1外载 2设计外载 3套管强度,第一节套管强度设计,第六章 固井,2. 套管柱强度设计举例 例：某井244.5 mm（9.625）技术套管，下入深度3200 m，固井时钻井液密度1.

6、35 g/cm3。套管鞋处附近地层破裂压力的当量钻井液密度为2.10 g/cm3，下次钻进目的井深为4600 m，下次钻进所用最高钻井液密度为1.60 g/cm3，地层盐水密度取1.07 g/cm3。抗挤设计安全系数为1.125，抗内压设计安全系数为1.1，抗拉设计安全系数为1.80（考虑钻井液浮力）。试进行该套管柱的强度设计。,第一节套管强度设计,第六章 固井,（1）由题知各有关参数为： HB=3200m，m=1.35g/cm3，f=2.10gg/cm3，Hn=4600m，n=1.60 g/cm3，sw=1.07g/cm3 设计安全系数为：Sc=1.125，Sb=1.1，St=1.8（考虑浮

7、力） 套管强度性能数据查手册。 浮力系数：,（2）进行套管柱抗挤强度设计。a. 计算漏失面深度。b. 计算设计外压力。对于0H1524m井段：对于1524mH3200m井段：,第一节套管强度设计,第六章 固井,c. 根据设计外压力选择抗挤强度满足要求的套管 设计下部第一段套管 计算出三个特殊点的设计外压力： 井 口：Pod = 0 漏失面处：Pod = 0.014881524 = 22.677（MPa） 井 底：Pod = 26.883 - 0.0027563200 = 18.064（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,先不考虑双轴应力问题初选套管： 根据设计外压力（井底设计外压力18

8、.064MPa，漏失面处设计外压力22.677MPa），查套管强度性能数据表，下部第一段选用N-80、壁厚10.03mm的长圆扣套管，其有关数据如下 q1=0.5838kN/m，Pc1=21.305MPa，Pb1=39.645MPa，Tt1=3278.3kN，Ts1=4074.6kN,第一节套管强度设计,第六章 固井,内压,该段套管的底端深度就是本套管柱的下入井深，需要计算确定的是其顶端井深。当不考虑双轴应力问题时，令： 由： Pc1=Pod 得： H1顶=(26.883 - Pc1)/0.002756 =(26.883 - 21.305)/0.002756=2024（m） 将深度值圆整到10

9、m，即取H1顶为2030m。,第一节套管强度设计,第六章 固井,往下取整,当考虑双轴应力问题时，采用试算法：(a)先计算在上述顶端井深条件下套管顶、底端的双轴应力抗挤强度；近似认为顶、底端之间的双轴应力抗挤强度为线性分布，求出该双轴应力抗挤强度直线的方程。(b)令双轴应力抗挤强度与设计外压力相等，求出第一次修正后的顶端井深。,第一节套管强度设计,第六章 固井,(c)计算在第一次修正后的顶端井深条件下，套管顶端的双轴应力抗挤强度与设计外压力，将二者比较，如果二者相差不大（如小于1%），可将该修正后的井深作为其顶端井深。(d)如果二者相差较大，则以第一次修正后的顶端井深为条件，重复步骤(a)、 (

10、b)与(c)，直到满足要求为止。,第一节套管强度设计,第六章 固井,当H1顶=2030 m时，第一段套管长度为 L1=3200 2030=1170（m） T1 = q1L1BF = 0.583811700.8280 = 565.6（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,连接第一段套管顶端的井深、双轴应力抗挤强度点（2030m，19.672MPa）和底端的井深、双轴应力抗挤强度点（3200m，21.305MPa），可得双轴应力抗挤强度直线，求得该直线的方程为：,令： 由： Pcc1=Pod 可求得第一次修正后的井深： H1顶 = ( 26.883 16.839 ) / ( 0.001396

11、+ 0.002756 ) = 2420（m）,第一节套管强度设计,第六章 固井,L1=3200 2030=1170（m）,载荷变化,L1 = 3200 2420 = 780（m） T1 = 0.58387800.8280=377.0（kN） Pod1顶 = 26.883 0.0027562420= 20.213（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,满足要求,设计第二段套管 根据设计外压力（漏失面处设计外压力为22.677MPa），第二段选用N-80、壁厚11.05mm的长圆扣套管，其有关数据如下： q2=0.6348kN/m，Pc2=26.269MPa，Pb2=43.644MPa，Tt

12、2=3669.8kN，Ts2=4470.5kN 在漏失面处的拉力为： T2漏失面 = 377.0 + 0.6348( 2420 1524 )0.8280 = 848.0（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,T1 =377.0（kN）,双轴应力抗挤强度为：,漏失面处：Pod = 0.014881524 = 22.677（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,载荷定，直接考虑,设计第三段套管 第二段套管的顶端深度（从其长度）取决于第三段套管的下入深度。因为从漏失面往上，设计外压力逐渐降低，故可选比第二段抗挤强度低一级的套管（可降低钢级，也可降低壁厚）。此处第三段选用与第一段相同的N-8

13、0、壁厚10.03mm的长圆扣套管，其有关数据同第一段： q3=0.5838kN/m，Pc3=21.305MPa，Pb3=39.645MPa，Tt3=3278.3kN，Ts3=4074.6kN,第一节套管强度设计,第六章 固井,当不考虑双轴应力时的下入深度： 令： 由： Pc3=Pod为了便于设计，假定第三段套管顶端深度为0，第三段顶端的最终深度待第四段套管确定，往下方法类同。 H3底 = Pc3 / 0.01488 = 21.305 / 0.01488 = 1430（m） L2 = 2420 1430 = 990（m） T2 = T1 + q2L2BF = 377.0 + 0.6348990

14、0.8280 = 897.4（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,T3 = T2 + q3L3BF = 897.4 + 0.583814300.8280 = 1588.6（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,连接第三段套管顶端的井深、双轴应力抗挤强度点（0，15.901MPa）和底端的井深、双轴应力抗挤强度点（1430m，18.568MPa）可得双轴应力抗挤强度直线，求得该直线的方程为： 令： 由： Pcc3=Pod 求得第三段套管底端第一次修正后的井深： H3底 = 15.901 / ( 0.01488 0.001865 )= 1220（m）,第一节套管强度设计,第六章 固井,校

15、核修正井深后底端的双轴应力抗挤强度： L2 = 2420 1220 = 1200（m） T2 = T1 + q2L2BF = 377.0 + 0.634812000.8280 = 1007.7（kN） Pod3底 = 0.014881220 = 18.154（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,满足要求,设计第四段套管 第四段选用J-55、壁厚10.03mm的长圆扣套管，其有关数据如下： q4=0.5838kN/m，Pc4=17.720MPa，Pb4=27.234MPa，Tt4=2313.1kN，Ts4=2802.4kN,第一节套管强度设计,第六章 固井,第四段套管的设计方法与第三段类

16、似。仍先假设第四段套管的顶端深度为零。 令Pc4=Pod，求得当不考虑双轴应力时的下入深度： H4底 = Pc4 / 0.01488 = 17.720 / 0.01488 = 1190（m） L3 = 1220 1190= 30（m） T3 = T2 + q3L3BF = 1007.7 + 0.5838300.8280 = 1022.2（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,T4 = T3 + q4L4BF = 1022.2 + 0.583811900.8280 = 1597.4（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,连接第四段套管顶端和底端的双轴应力抗挤强度点（1190m，13.58

17、1MPa），可得双轴应力抗挤强度直线方程为： 令： 由： Pcc4=Pod 求得第四段套管底端第一次修正后的井深： H4底 = 10.360 / ( 0.01488 0.002707 ) = 850（m）,第一节套管强度设计,第六章 固井,L3 = 1220 850 = 370（m）T3 = T2 + q3L3BF = 1007.7 + 0.58383700.8280 = 1186.6（kN） Pod4底 = 0.01488850 = 12.648（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,套管柱抗挤强度设计图,第一节套管强度设计,第六章 固井,第三可伸延至井口，为了经济选低一级的钢材,d.

18、 将套管柱抗挤设计结果列表,第一节套管强度设计,第六章 固井,（3）进行套管柱抗内压强度设计 a. 计算井口内压力。 b. 计算设计内压力。,第一节套管强度设计,第六章 固井,c. 将按抗挤设计出的套管的抗内压强度与设计内压力相比较，对不满足抗内压要求者进行更换。 Pid4底 = 17.248 + 0.005713850 = 22.104（MPa） Pid3底 = 17.248 + 0.0057131220 = 24.218（MPa） Pid2底 = 17.248 + 0.0057132420 = 31.073（MPa） Pid1底 = 17.248 + 0.0057133200 = 35.5

19、30（MPa）,第一节套管强度设计,第六章 固井,以底端为最大,套管柱抗内压强度设计图,第一节套管强度设计,第六章 固井,套管柱抗挤、抗内压强度设计综合结果,第一节套管强度设计,第六章 固井,（4）进行套管柱抗拉强度设计。a. 根据抗挤设计和抗内压设计的综合结果，计算套管柱的设计拉力。 在抗内压设计时，因套管的抗内压强度满足要求，未对抗挤设计所选择的套管进行更换，故可用抗挤设计中已求出的各段套管的拉力计算设计拉力。Td4顶=T4St=1597.41.80 = 2875.3（kN）Td3顶=T3St =1186.61.80 = 2135.9（kN）Td2顶=T2St =1007.71.80 =

20、1813.9（kN）Td1顶=T1St = 377.01.80 = 678.6（kN）,第一节套管强度设计,第六章 固井,以顶端为最大,b. 将套管的抗拉强度与设计拉力进行比较，对抗拉强度不满足要求的井段的套管进行更换。 可见，第一、二、三段套管的抗拉强度均满足要求，而且有余，但第四段套管的抗拉强度不能满足要求 ，将第三段套管一直上升到井口,第一节套管强度设计,第六章 固井,套管强度：抗拉、抗挤、抗内压,（5）将套管柱强度设计结果列表,第一节套管强度设计,第六章 固井,第一节套管强度设计,第六章 固井,设计注意：选用钢级、壁厚不宜过多，丝扣类型统一，以减少施工麻烦。井口一根套管换用全井最大壁厚的套管，便于检查下井工具能否通过及加强井口。含硫化氢气井选用H-40, J-55, K-55, X-52, C-75, L-80, C-90。,“氢脆”,