套管弯曲引起的附加拉力 Fbd，在井斜狗腿较大 经验公式 ：
Fbd 0.073Dco Ac
KN
Dco—套管外径，cm ；Ac — 套管截面积，cm2 ； θ—每25m 井斜角的变化，0/ 25m
11 定向井、水平井及大狗腿直井中，应考虑弯曲附加拉力。
第一节 套管柱设计
注水泥引起的附加拉力 Fc
• 高塑性岩石，按上覆岩层压力计算，梯度 23～27kPa/m。
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第一节 套管柱设计
套管内全掏空
载荷 载荷
载荷
井身结构
井 深
井 深
井 深
套管内液面
套管外载荷
套管内载荷
有效外载荷
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（2）套管抗挤强度：指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。 失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工 作不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管
盐岩层对套管柱的压力梯度要按上覆岩石的压力梯度计算；
在酸化压裂时承受的内压力与正常采油时的压力就不同； 在易坍塌油层生产的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不同
• 长期生产实践证明，影响套管柱的基本载荷主要有以下几种：
①轴向载荷；②外挤压力；③内压力。
其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑至安全系数中
损坏严重者油气井报废。
• 外挤作用下破坏形式： — 径厚比大时，失稳破坏(失圆、挤扁)
— 径厚比小时，强度破坏
• 根据现有套管尺寸，绝大部分是失稳破坏，其抗挤强度可 在钻井手册或套管手册中查得。
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第一节 套管柱设计
（3）有轴向载荷时的套管抗挤强度（双向应力）
套管内微小单元，外载作用下产生三向应力
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第二节 注水泥技术
注水泥基本要求
（1）水泥浆返高和管内水泥塞高度符合设计要求 （2）注水泥段环空钻井液全被水泥浆替换，无残留
（3）水泥石与套管及井壁胶结强度足够，耐酸化
压裂及冲击。
（4）凝固后管外不冒油、气、水，环空内各压力
体系不互窜。 （5）水泥石能经受油、气、水长期侵蚀。
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第二节 注水泥技术
短圆螺纹 长圆螺纹 梯形螺纹 直连形螺纹 特殊螺纹
符号或代号
STC/ CSG/ C1 LTC/ LCSG/ C2 BTC/ BCSG/ C33 XL/ XCSG/ CHX /
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API标准
非API标准
第一节 套管柱设计
二、套管柱载荷分析及套管强度
• 套管柱在井内所受外载复杂，不同时期（下套管、注水泥、 后期开采等）、不同地层和地质条件下套管柱受力也不同。
技套
油套
特点：下入深度大，在其中下入油管，特别注意后期生产 可能出现的各种情况。 侧重点：抗拉（下入深），抗外挤（下入深），抗内压 27 （后期生产）
第二节 套管柱设计
4、套管柱设计的等安全系数法
（1）基本设计思路（自下而上）
计算可能出现最大内压力，筛选符合抗内压强度套管 下部套管段按抗挤设计，上部按抗拉设计，各危险断 面最小安全系数要大于或等于规定值。 通式：套管强度 ≥ 外载×安全系数 水泥面以上套管抗挤强度考虑双向应力影响 轴向拉力通常按套管在空气中的重力计算； 当考虑双向应力时，按浮重计算。
• 对油井水泥的基本要求：
（1）配浆性好，在规定时间内保持流动性； （2）在井下温度及压力下性能稳定； （3）在规定时间内凝固并达到一定强度； （4）能和外加剂相配合，调节各种性能； （5）水泥石具有很低的渗透性。
石油工程本科班
完井工程
Well Completion Engineering
石油工程学院
1
第二章
主要内容: — 1.套管柱设计 — 2.油井水泥和注 水泥 — 3.生产套管的损 坏与防护
套管柱设计与固井
一开 表层套管 二开 中间套管
(技术套管)
三开
oil zone 生产套管
(油层套管 ) 2
第二章
20
实际设计时，通常按套管内完全充满天然气时计算。
第一节 套管柱设计
套管内全掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
井 深
井 深
井 深
套管内液面
套管内压载荷
套管外载荷
有效内压载荷
第一节 套管柱设计
套管内部分掏空
载荷 载荷 载荷 井身结构
套管内液面
井 深
套管内压载荷
井 深
套管外载荷
井 深
井底 有效内压载荷
第一节 套管柱设计
2
按拉为正、压为负，椭圆形方程。 椭圆图上, 百分比为纵坐标, 百分比为横坐标 16 .
第一节 套管柱设计
轴向受压 抗内压强度降低
轴向拉力 抗内压强度增加
轴向受压 抗挤强度增加
轴向拉力 抗挤强度降低
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第一节 套管柱设计
由强度条件的双向应力椭圆可以看出: • 第一象限: 轴向拉伸与内压联合作用
轴向拉力
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第一节 套管柱设计
3、各层套管柱的设计特点
表套
特点：下入的深度浅；在其顶部安装有套管头，要承受以 下各层套管的部分或全部重量；安装有防喷器、采油树等。 侧重点：主要考虑内压设计。（井喷关井时情况最为严重） 特点：下入的深度较深；隔离和封隔各种复杂地层；在井 喷时承受较大内压；具有较强的耐磨性。 侧重点：抗拉，抗内压（井喷关井），抗外挤（下入井深）
• 拉应力破坏形式：脱扣、本体拉断 • 通常用套管抗滑扣力表示套管抗拉强度
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第一节 套管柱设计
2、外挤载荷及套管抗外挤强度
（1）外挤压力—主要载荷： 管外液柱压力 地层中流体压力 高塑性岩石侧向挤压力 地质构造应力等
• 一般情况下按套管内部全掏空时管外压力计算：
poc 0.00981d D MPa
（2）套管抗内压强度 • 内压载荷下的主要破坏形式：爆裂、丝扣密封失效 • 抗内压强度可由钻井手册或套管手册查得 （3）套管的腐蚀 • 原因：在地下与腐蚀性流体接触 • 破坏形式：管体的有效厚度减小，套管承载力降低，钢材 性质变化
• 引起套管腐蚀的主要介质有：气体或液体中的硫化氢、溶
解氧、二氧化碳 • 抗硫套管：API套管系列中的 H K J C L级套管。
( m d )h 2 KN Fc d ci 1000 4
其它附加拉力 • 一般在安全系数中考虑。 套管的抗拉强度
h —管内水泥浆高，m； ρm—水泥浆密度，g/cm3； ρd—钻井液密度，g/cm3； dci —套管内径，cm。
• 上提或下放套管的动载、井壁摩擦力等；
• 套管所受轴向拉力一般在井口最大
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第二章
套管柱设计与固井
第二节 注水泥技术
• 注水泥：从井口经套管柱将水泥浆注入井壁与套管柱
环空，将套管柱和地层岩石固结起来的过程
• 注水泥目的：固定套管+封隔井内的油气水层
注 水 泥 技 术 内 容
选择水泥 设计水泥浆性能 选择水泥外加剂 井眼准备 注水泥工艺设计
本 节 内 容
油井水泥 水泥浆性能 注水泥设备与工艺 注水泥设计与计算 提高注水泥质量措施
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第一节 套管柱设计
一、套管和套管柱
• 套管柱：由同一外径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍联接 组成的管柱， 特殊情况下也使用无接箍套管柱
• 联接是由螺纹来实现的，是套管质量和强度检验的重点。
• 套管螺纹都是锥形螺纹，API规范中分为五大类，API 标准和非API标准。
类数
1 2 3 4 5
标准
名称
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第一节 套管柱设计
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第一节 套管柱设计
三、套管柱强度设计
目的： 确定合理套管钢级、壁厚以及每种套管井深区间。
1、设计原则
• 满足强度要求，在任何危险截面上都应满足下式： 套管强度 ≥ 外载×安全系数 • 应满足钻井作业、油气开发和产层改造需要
• 承受外载时应有一定储备能力
• 经济性要好，多选择2～3种钢级、2～3种壁厚，不能过多 • 安全系数 —抗外挤安全系数 Sc=1.0
—抗内压安数St=1.8
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第一节 套管柱设计
2、常用套管柱设计方法
（1）等安全系数法
各危险截面最小安全系数等于或大于规定的安全系数。 下部抗挤设计，水泥面上按双向应力；上部满足抗拉和抗内压
（2）边界载荷法（拉力余量法）
在抗拉设计时，套管柱上下考虑同一个拉力余量。 （3）另最大载荷法、AMOCO法、西德BEB法及前苏联方法等。
，MPa
Fm—轴向拉力， KN； Fs—管体屈服强度，KN；
Pcc—存在轴向拉应力时的最大允许抗挤强度。
Pc和Fs均可由套管手册查出，当Fm/Fs在0.1-0.5范围内，
上式计算值与理论值相比误差在2%以内。
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第一节 套管柱设计
3、内压载荷及套管抗内压强度
考虑管外平衡压力，一般井口内压最大。考虑三种最危险情况： • 套管内完全充满天然气并关井时的内压力；
固井的特点
（1）是一次性工程（经常无法采取补救措施） （2）是隐蔽性工程（看不见摸不着） （3）一项复杂工程（工期短，工序多，技术强） （4）花钱多的工程（投入大） （5）是钻井工程和完井工程中的一道关键工序
（油井百年大计，固井质量第一）
第二节 注水泥技术
一、油井水泥
波特兰(Portland)水泥（硅酸盐水泥）的一种。
套管柱设计与固井
井身结构—油井基础，全井骨架 固井工程—套管柱设计和注水泥 不仅关系全井能否顺利钻进完井， 而且关系能否顺利生产和寿命。 2006年3月25日，重庆开县罗家2井， 套管破损，地下井漏， H2S喷出， 12000人紧急疏散，2口井报废。
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