高抗挤毁套管基本知识

1、开发背景

自 20 世纪 70 年代以来，油田套管损坏问题十分严重。据统计 到

2002 年底，我国油田套管损坏井数已达两万多口， 国外也存在同 样问题。

一般来说，除套管设计和施工方面的原因之外造成上述大量套 管非正常损坏的主要原因有：高压注水造成断层或泥岩层进水，导 致地应力异常及地层位移变化，使套管错断或破裂；地层压力变化 不平衡造成地层岩石骨架变形，在进水的滑移面上产生错切位移； 盐岩、泥岩吸水蠕变非均匀外挤应力导致套管缩径或挤毁；疏松砂 岩出砂造成套管围岩坍塌挤毁套管或使套管弯曲变形； 射孔、出砂、 压裂等作业使套管破裂； 热采井的高温循环载荷使套管拉断或脱扣； 弱胶结地层压实作用产生附加载荷使套管弯曲；地层矿物、地下水 或注入水使套管腐蚀穿孔甚至难以承受设计载荷而破坏等等。

统计资料表明，国内油田多数套损属于套管不能承受外挤力而 产生损坏。以国内某油田为例，截止 2001 年底，该油田统计套损井 1599 口，其中套管被挤毁井 1198 口，占套损井总数的 75%。并且 多数套管损井的使用寿命低于设计年限。井况的恶化不仅破坏了注 采井网，影响了增产增注措施的实施，而且还造成储量和产量的损 失，从而严重影响着油田的稳定与发展。

几十年来，生产厂家和油田用户在防治套管的被挤毁方面进行 了不懈的努力。在油田方，开发了双层复合套管， （两层套管之间填 充高强度水泥），以及增加套管外水泥强度和厚度等办法来提高下井 套管的高抗挤毁强度；而生产厂家则在提高套管的抗挤毁能力方面 进行了深入的研究， 在对

套管的抗挤毁强度影响因素的研究中发现， D/T 、不圆度、壁厚均匀度、材料强度、套管壁厚、残余应力 等对套 管的抗挤毁强度具有显著影响。在认清了这些影响因素的基础上， 通过对这些因素进行有效地控制， 进而开发了一系列的高抗挤套管。 这类高抗挤毁套管，比同规格同钢级的 API 套管的抗挤毁强度高出 20%~60%，有些规格抗挤毁强度甚至较 API 更高一钢级套管和更厚 一级壁厚套管的抗挤毁强度还要高。 API 规格高抗挤毁套管的研制， 解决了部分常规的油田需要，但在一些油田对套管抗挤强度的特殊

要求，则仍然无能为力。 20 世纪 90 年代之前， 尽管市场对高抗挤 毁套管有急切的需求，但由于各种条件的局限， 在选用高抗挤毁套 管方面，只能局限在 API 规格范围内。这种解决方案在许多情况下 并不能真正解决问题。仍以前面提及的某油田为例，为解决油水井 套管抗挤毁问题，将下井套管从 80Ksi 钢级提高到 110Ksi 钢级高抗 挤毁套管，将∮ 139.7×9.17mm

的壁厚提高到∮ 139.7×10.54mm 的 壁厚（ API 5CT 规范中的最大壁厚） 。然而，这样做的结果也只能将 油水井寿命由原来的平均 6年提高到

7 年。

如何防范盐膏层蠕变挤毁套管， 是某油田长期攻关解决的重大 技术难题。通过对该油田现场统计分析与反演得出：盐膏层蠕变对 生产套管产生的最大等效外挤压力为 167Mpa，而 API 标准套管（内 径不低于 118mm

的现有套管）的最大抗挤强度尚未超过 120Mpa， 因而无法克服如此巨大的盐膏层外挤载荷。

目前国内各个油田套损情况都很严重。 尤其是对含岩盐层、泥 岩层的油田以及实施注水、热采等工艺的油田。油田套损的主要原 因基本上都可以归咎于套管受到了非均匀载荷的影响。

2、挤毁失效机理

2.1 、套管失效基本形式

套管的失效形式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、

蚀。

脱：管体螺纹从接箍内滑脱

漏：螺纹连接处失去密封

粘：螺纹粘扣

挤：管体挤毁

破：管体受内压爆破

裂：拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等

磨：套管与钻柱互相磨损

蚀：腐蚀及应力腐蚀

2.2 套管挤毁的失效机理。

高强度高抗挤套管主要用于深井及超深井或地层条件复杂对套 管性能要求苛刻的场合。 因此，要求套管具有高的抗拉及连接强度， 优异的抗挤毁能力，良好的密封性能等良好的综合性能，而其中的 核心是套管的抗挤毁能力。套管被挤毁主要是分为套管在外挤压力 作用下的破坏形式和地层流体内压力作用下的破坏形式。当外挤压 力和地层流体内压力使套管的管壁上产生的应力强度达到或超过套 管屈服强度时 , 管体发生了塑性变形，即发生套管挤毁的失效。

2.2.1 外挤压力及套管的抗挤强度

2.2.1.1 外挤压力 套管柱所承受的外挤压力主要来自管外泥浆柱压力，地层中流 体压力、易流动岩层侧压力以及挤水泥和压裂时的挤压力。在水泥 面

以上套管柱是承受的泥浆柱压力。在水泥封固段水泥环具有一定 承载能力，但计算困难，目前 API 套管柱设计中仍按泥浆柱压力计 算，油田一般按盐水柱压力 （盐水压力梯度 10.7-11.52 千帕／米 ）计 算。

计算外挤压力时，在 API 常规套管柱设计中都按最危险情况考 虑，即认为套管内没有液柱压力的全掏空状态，如钻井过程中发生 井漏、井喷或开采后期。

外挤压力按以下公式进行计算

P=0.01

式中 γm——套管外环空泥浆密度 （或盐水密度 ） ，克／厘米 3，

H ——计算点井深，米，

P ——套管柱所受外挤压力，兆帕。

上式表明，井底套管柱受到外挤压力最大，愈往上愈小。

2.2.1.2 套管抗挤强度 套管柱在外挤压力作用下的破坏形式，除少数小直径和厚壁的 套管外，主要是失稳破坏，而不是强度破坏。

失稳后的套管被挤扁 （ 轻者） 或破裂，使钻头或其它井下工具不 能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者 油气井报废。

套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承 受负荷的状况。 理论分析和实验研究指出， 套管径厚比 d/t （ 外径／ 壁厚） 较大时，属于失稳破坏。即当外挤压力达到套管抗挤强度时， 套管管壁产生弯曲变形 （挤扁） 或破 裂。当套管径厚比较小，外挤压力达到套管抗挤强度时，套管将发 生强度破坏。以下为没有轴向负荷条件下，不同径厚比有相应

的不 同抗挤强度计算公式。如下图。1

PE= 46.95 105

(D/t) (D/t)

抗外挤强度随 D/t 的变化关系

（ 1）对于厚壁管 D/t<15 来说，在挤毁发生之前，切应力就将

超过材料的屈服强度，发生屈服强度挤毁。

PYp=2Yp （D/t） 21

（D/t）2

（2） 塑性挤毁区的最小挤毁压力可由下式计算：

A P p=Yp A B -C D/t

系数 A、 B、 C 以及适用的 D/t 范围可由资料查出。

（3）塑性与过度挤毁区的最小挤毁压力 PT 可由下式计算：

系数 F、 G以及适用的 D/t 范围可由资料查出

4）弹性挤毁条件是以理论弹性不稳定毁坏为依据。只适用于

薄壁管（ D/t>+25 ）。弹性挤毁区的最小挤毁压力由下式计算：

适用的 D/t 范围可由资料查出T=Yp F

D/t

油田管类的大多数挤毁发生在塑性区和过渡区。

3、 API 出版物一览表

下列出版物归 API 管材标准化委员管理辖，可向美国石油学会出版 发行部订购。地址：

1220L Street,Northwest,Washington,DC20006,(202)682-8375

3.1、规范

API Srec 5CT 套管和油管规范 该规范内容包括各种钢级的无缝和焊接套管、油管、接箍、 短节和连接管及其制造方法、化学成分和机械性能要求、试验方法 和尺寸要求。

注：API Spec 5CT第一版的内容综合了已停用的 APISpec 5A、

5AC、5AX 和 5AQ 最后版本对套管和油管的要求以及 1987 年标准 化会议通过的条款内容。

3.2、API Spec 5D钻杆规范 该规范内容包括所有钢级的无缝钻杆及其制造方法、化学成 分和机械性能要求、试验方法和尺寸要求。

注：API Spec 5D 第一版综合了已停用的 APISpec 5A 和 5AX 最后版本对钻杆的要求以及 1987 年标准化会议通过的条款内容。

3.3、标准

API Std 5B 套管、油管和管线管管螺纹的加工、测量和检验 该标准内容包括对螺纹和螺纹量规的尺寸要求、测量方法的 规定，量规规范及其鉴定以及圆螺纹套管和油管、偏梯形套管、直

连型套管和钻杆的螺纹检查仪器和方法。

3.4、推荐作法

API RP 5A5 新套管、油管和平端钻杆现场检验推荐作法 提供了检查管材产品的统一方法。

API RP 5Bl 套管、油管和管线管螺纹检验测量推荐作法 改推荐作法的目的是为正确使用螺纹的检测技术和设备提供 指导和说明。

API RP 5Cl 套管和油管的维护与使用推荐作法 包括有关套管和油管的使用、运输、贮存、管理和修复。

API RP 5C5 套管和油管连接试验程序推荐作法

3.5 通报

API Bul 5A2 螺纹脂通报 提供用于油田管材的两种螺纹脂的材料要求和性能试验。

API Bul 5C2 套管和油管使用性能通报 包括有关套管和油管的抗挤压力、内屈服压力和接头强度以 及钻杆的最小屈服载荷。

API Bul 5C3 套管、油管、钻杆和管线管性能的计算和公 式的通报

提供了用于不同管子性能的计算公式以及有关其它发展和应 用的资料。

API Bul 5C4 在内压和弯曲共同作用下圆螺纹套管连接强

度通报

提供了圆螺纹套管在弯曲和内压共同作用下的连接强度。

3.6、API Bul 5Tl 缺陷术语通报 提供了钢常见缺陷的英语、法语、德语、意大利语、日语和 西班牙语的定义。

4、墨龙公司开发高抗挤毁套管基本情况

4.1 高抗挤毁规范(附后)

4.2 影响因素

高抗挤套管指相同名义尺寸、相同钢级和壁厚 , 但抗挤强度比 API计算值高的套管。高抗挤套管抗挤强度的提高不是依靠高钢级和 壁厚, 而是通过提高尺寸精度、降低残余应力、严格控制屈服强度公 差等途径得到的。

由于高抗挤套管在不增大壁厚的条件下提高了抗挤 强度, 因此它在深井、超深井钻井中有着广泛的应用。其主要优点 : 在相同外载条件下 , 使用高抗挤套管与使用同钢级、同规格的 AP I 套管相比较而言 ,其壁厚可减小 ,从而减轻了管柱重量、增加了可下深 度、增大了套管通径。

影响套管抗挤性能的因素主要有：屈服强度、残余应力、 D/t比 值、套管椭圆度、壁厚偏差以及轴向应力等等。

套管几何尺寸测量， 外径采用游标卡尺进行检测， 壁厚采用超声 波测厚结合机械测厚方式进行，管体圆度及壁厚偏差按下列公式计 算：

ε=[2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)]*100% μ=[2(Smax-Smin)/(Smax+Smin)] *100%

4.2.1屈服强度的影响

套管的钢级是根据最小屈服极限值而命名的，钢级越高屈服 极限值越大，套管的抗挤能力就越高。

4.2.2残余应力的影响。 套管在生产过程中产生残余应力的主要环节有两处： 一是在轧 制、定减径以及矫直过程中由于不均匀变形产生的残余应力；二 是在热处理过程中，特别是在淬火过程中产生的残余应力。由于 轧制、定减径和淬火过程中产生的残余应力可以通过回火加以消 除，而回火后