【石油工程课程设计】套管柱及其强度设计.ppt
《【石油工程课程设计】套管柱及其强度设计.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《【石油工程课程设计】套管柱及其强度设计.ppt(75页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1,石油工程设计固井工程设计,杨明合石油工程学院,2,一、套管的类型及其性能二、套管柱的载荷分析及套管强度三、套管柱强度设计四、注水泥工艺,3,一、套管的类型及其性能,1、基本概念油井套管是优质钢材制成的无缝管或焊接管,两端均加工有锥形螺纹。大多数的套管是用套管接箍连接组成套管柱。表征套管的主要特性参数有套管尺寸、钢级和壁厚。(API SPEC 5A:C75、C95、P110的套管只能用无缝管制造),4,1、基本概念,(1)套管的尺寸(又称名义外径、公称直径等)是指套管本体的外径,实际上套管尺寸已经标准化了。套管尺寸的确定是井身结构设计的重要内容之一,前面已经介绍过。,5,1、基本概念,(2)
2、套管的钢级 API标准规定套管本体的钢材应达到规定的强度,用钢级表示。套管钢级由字母及其后面的数码组成,字母没有特殊含义,但数码代表套管的强度。,API对套管进行了相应的分级(H、J、K、N、C、L、P、Q八种共十级)即:H40、J55、K55、C75、L80、N80、C90、C95、P110和Q125,前6种类型为抗硫的,其余为非抗硫的。,6,1、基本概念,API套管规范及强度(5寸套管)甲方钻井手册P192,7,1、基本概念,值得注意的是:API规定,钢级代号后面的数值乘以1000,即为套管(以kpsi为单位)的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外,也适应于非API 标准的套管。(1MPa
3、=145.04psi;psi:磅/英寸2)只有屈服强度 对H2S提敏感的,但对CO2则影响很小,可以数年内不破坏,而在H2S盐的环境中会在一小时内破坏。,API套管规范及强度(5寸套管),8,1、基本概念,(3)套管的壁厚 是指套管本体处管体的厚度,又称为套管名义壁厚。套管的壁厚也已经标准化了。和套管壁厚直接相关联的就是套管的名义质量(或名义重量),指定是套管单位长度的质量(或重量)。,API套管规范及强度(5寸套管),9,2、套管的联接,套管柱通常都是由同一外径、相同(或不同)钢级、壁厚的套管用接箍联接组成的。联接是由螺纹来实现的,螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。套管螺纹都是锥形螺纹,在
4、API规范中分为五大类。前四类属API 标准,第五类系非API标准。,10,二、套管柱的载荷分析及套管强度,套管柱:(1)在入井、注水泥以及以后生产的不同时期,套管柱的受力也是不断变化的。(2)在不同的地层和地质条件下,套管柱所承受的外载荷也是不同的。如在井下的盐岩层对套管柱的压力梯度则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;在易坍塌油层生前的前、中、后期对套管柱的外挤压力也不尽相同。经过长期的生产实践证明,虽套管柱的受力复杂,但是影响套管柱的基本载荷主要有以下几种:轴向载荷;外挤压力;内压力。其它载荷如套管弯曲载荷、振动载荷等都考虑到安全系数中去了。,1
5、1,1、轴向载荷及套管的抗拉强度,(1)轴向载荷种类自重产生的轴向拉力,是轴向应力产生的基本原因。在井口最大。教材P258 式77API标准中套管的强度值是没有考虑弯曲应力的影响的,对于井眼上存在大的斜度或狗腿时,这样由于弯曲的影响就增大了套管的轴向拉力。特别是在靠近扣处易形成裂缝损坏,故应给予考虑。教材P259 式710在深井或超井的注水泥过程中,由于注水泥浆量较大,故在水泥还未返出套鞋处时,将对套管柱产生一较大的附加轴向应力。教材 P259 式711其它的附加力。摩擦力一般认为是与浮力相抵消的。而剩余的力由于计算复杂,有时难以预料,故一般用安全系数来进行考虑。,12,1、轴向载荷及套管的抗
6、拉强度,(1)轴向载荷种类,实际设计中,一般不考虑浮力对轴向载荷的作用,则设计结果偏于安全。但在计算精度要求较高的情况下(如高温高压井),为了更好的发挥管材强度性能,此时往往不能简单的给予忽略。,13,1、轴向载荷及套管的抗拉强度,(2)轴向载荷下套管抗拉强度目前我国现场中所用的套管绝大多数为API标准圆扣套管:扣为V型,扣根与扣尖为圆孤形。从API的套管抗拉强度试验和现场的实际可以看出,绝大部分套管的破坏形式是滑扣,特别是对于圆螺纹,本体拉断的情况要比滑扣情况少的多。所以一般在设计中,除了考虑套管的屈服强度外,还要考虑套管丝扣的连接强度。值得注意的是,在轴向载荷下,不仅存在连接强度的问题,而
7、且还由于双轴应力效应对抗内压、抗外压强度都有影响,同时对套管丝扣的密封也有直接的影响。,14,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,(1)外挤载荷种类(假设管外水泥没有凝固,管外是钻井液),一般情况下,外挤载荷按最危险的情况考虑,即按套管内全部掏空来计算套管承受的外挤载荷。,15,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,套管内全掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井身结构,16,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,(2)套管的API抗挤强度抗外挤强度是指挤毁套管试件需要的最大外挤压力。套管受外挤作用时,其破坏形式主要是丧失稳定性而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁(轻者)或破裂,使钻头或其它井下工
8、作不能通过,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表明,套管径厚比d/(外径/壁厚)较大时:失稳破坏;当套管径厚比较小:套管将发生强度破坏。,图3-8-2-3 套管截面的挤毁,17,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,(2)套管的API抗挤强度API 5C3通告详细叙述了测定套管抗外挤强度的程序(轴向应力为0)。在外挤压力作用下,套管断面可能发生三种挤压或弯曲形式:弹性挤压、塑性挤压和临界强度挤压。三种挤压形式的转化受管体几何形状和材料性能的制约。如图所示。,针对以上对抗外挤强度形式的分析
9、,API提出了四种计算套管挤压公式:弹性挤压、塑性过渡挤压、塑性挤压和屈服挤压。,18,19,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,(3)有轴向载荷时的套管抗挤强度在实际的情况中,套管的轴向载荷是不为零的。从套管的应力分析基础出发,实际上套管的受力是三维的。,s套管的屈服强度,20,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,周向载荷,内压强度,外挤强度,无轴向载荷时:套管的抗外挤(内压)强度为一常数(表现为圆形)。,有轴向载荷时:套管的抗外挤(内压)强度受轴向外载荷影响(表现为椭圆形)。,双轴应力椭圆:轴向载荷对套管抗外挤强度的影响,21,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,22,2、外挤压载荷及套管的抗挤强度,
10、计算实例,23,3、内压载荷及套管的抗内压强度,(1)内压载荷(假设管外的水泥已凝固,管外的压力用地层流体计算)内压力的来源:地层流体进入套管产生压力;生产中的特殊作业(注水、压裂)时的压力。内压力的确定:在老区可以参考邻近的资料,但在新区,内压少就很难确定。当井口开时,内压力易于计算,且数值较小,但当井涌关井时则内压力就显的十分突出。井的深浅对内压力的影响:当井较浅时,内压力是比较小的。且一般的套管内压强度抗外挤强度,故设计中问题不明显。但随着井深的增加,内压问题就很突出,有时甚至超过了抗外挤。,24,3、内压载荷及套管的抗内压强度,25,3、内压载荷及套管的抗内压强度,井底的压力:套管内有
11、效内压载荷:井口有效内压载荷:井底有效内压载荷:,等于管内的减去管外的地层流体压力,在实际的计算时,一般是按套管全部掏空的情况考虑的。,式中:PB井底压力,MPa;Pio井口压力,MPa;d钻井液密度,g/cm3;p地层流体密度,g/cm3;,26,3、内压载荷及套管的抗内压强度,套管内全掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井身结构,27,3、内压载荷及套管的抗内压强度,套管内部分掏空,套管内载荷,套管外载荷,有效载荷,套管内液面,井底,井身结构,28,3、内压载荷及套管的抗内压强度,生产套管内压力计算则与其它不同。其与完井方式有关。典型的完井方式如下图。在油井的生产初期,油管
12、接头螺纹产生漏气,气泡由裂缝进入油管和生产套管之间的环形空间,在封闭的情况下,气泡上升到井口,但气泡仍然保持原有的压力,那么,29,3、内压载荷及套管的抗内压强度,(2)套管抗内压强度,30,3、内压载荷及套管的抗内压强度,计算实例,31,4、套管柱强度设计,4.1、套管强度设计的原则总的原则:在最经济的条件下使井眼得到可靠的保护。这个设计不但要能保证在钻进时的安全性,更要能保证在整个油井使用期间的安全性。从这二点来讲,套管的设计是相当复杂的一个工作。对开发井,可以设计出成本最低的套管柱(以成本优先);对勘探井,则往往需按最大估算应力来设计(安全为主)。总之,安全的保障越大,那么费用就越高的,
13、因为这个费用大约占总费用20%左右。,32,4.1、套管强度设计的原则,(1)能满足钻井作业、油气层开发和产层改造的需要。钻进:不同压力层的隔离,异常压力段,坍塌地层等;油气层的开发:地层压力随开采的变化,及岩层的蠕变等;产层的改造:注水、注气等导致的压力和温度的变化等等。(2)在承受外载时应有一定的储备能力。由于外载的计算复杂、困难,有时难以计算,故在设计中为了应付各种可能出现的复杂情况,在设计时必须留有一定的储备能力,如安全系数的选择。(开发井和勘探井就不同),具体的原则有三点,33,4.1、套管强度设计的原则,(3)经济性要好。由于总的原则的限制,故为了节约成本,往往需要考虑不同钢级、不
14、同壁厚套管的组合设计。现场一般多为23种钢级,壁厚也宜选用23种,不能过多。,具体的原则有三点,34,4.2、常用的设计方法,常规的方法是自下而上分段设计。等安全系数法(最常用)()边界载荷法最大载荷法()AMOW法BEB法(图解法)前苏联的设计方法,35,4.3、各层套管设计的特点,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:主要是考虑内压设计。(井喷关井时情况最为严重),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(后期生产),特点:下入的深度较深;
15、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(下入较浅),抗内压(井喷关井),抗外挤(下入井深),表套,技套,油套,36,4.4、等安全系数(进行套管柱设计),这种方法是最简单也是现场中使用最广泛的一种方法,实践证明,在一般的井中是比较安全的。但对于超深井,HTHP井(海洋上钻井)一般是不易使用。(SY5322-88或SY5322-2000标准)任何一种方法进行设计,都与载荷的计算有关,若计算出的载荷不同,那么设计出的管柱可能有较大的差别。,等安全系数法(总的要求):在最危险截面上是安全的。具体原则:以内压载荷筛选初始套管;根据外挤载荷进行自下而上设计;最后按抗
16、拉强度进行设计、校核上部套管。,37,4.5、具体的设计步骤,Step1 收集资料,掌握已知条件;井身结构,压力剖面等,套管的库存等。Step2 确定安全系数;载荷计算的精确性,安全系数;计算公式精确性,安全系数:对于特别情况(如含有腐蚀性气体H2S、CO2)则安全系数需按特殊情况考虑;API规定的安全系数:,38,4.5、具体的设计步骤,Step3 计算内压载荷,筛选符合内压强度的套管;内压载荷由套管内外的流体综合产生。内压最大的情况一般出现在井涌关井和特殊作业(压裂、注水)时,内压的计算中间套管与生产套管是不同的。中间套管的计算方法如我们教材上P263介绍;生产套管的计算方法在按补充方法进
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 石油工程课程设计 石油 工程 课程设计 管柱 及其 强度 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2202133.html