套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)

中國石化石油勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井研究所、中國石油大學(xué)（北京）2100433B

丁士東、覃成錦等。

各國根據(jù)各自的條件規(guī)定了自己的套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，目前，最常見的有等安全系數(shù)法，邊界載荷法，最大載荷法，AMOCO 法，西德 BEB 方法，以及前蘇聯(lián)的方法等。

套管柱等安全系數(shù)法

在套管柱設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，整個(gè)套管柱應(yīng)由不同強(qiáng)度（不同的壁厚、鋼級(jí)、連接螺紋所決定）的多段外徑相同的套管串組成，每段的最小安全系數(shù)應(yīng)等于或者大于規(guī)定的安全系數(shù)，我們把這種方法稱為等安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。近些年來，等安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法一般多先根據(jù)抗內(nèi)壓或抗擠強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，選出符合要求的套管后再進(jìn)行抗擠或者抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)與抗拉設(shè)計(jì)。

套管柱邊界載荷法

該方法的抗擠設(shè)計(jì)方法和抗內(nèi)壓與等安全系數(shù)設(shè)計(jì)法基本相同，邊界載荷也就是分段套管設(shè)計(jì)的依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定的最大強(qiáng)度余量。僅在中上部套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)改為由抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而不用抗拉強(qiáng)度被安全系數(shù)除所得到可用強(qiáng)度，并且用第一段以抗拉設(shè)計(jì)的套管抗拉強(qiáng)度和安全系數(shù)所決定的邊界載荷算得的許用強(qiáng)度來選用以上各段套管，其關(guān)系如下：

依據(jù)抗拉設(shè)計(jì)的第一段套管：抗拉強(qiáng)度/安全系數(shù)=可用強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度-可用強(qiáng)度=邊界載荷

依據(jù)抗拉設(shè)計(jì)的第二段套管：抗拉強(qiáng)度-邊界載荷=可用強(qiáng)度

后面的均用各段套管的抗拉強(qiáng)度減去同一個(gè)邊界載荷，從而得出他們的可用強(qiáng)度，并以此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)各段的使用長度。這種方法設(shè)計(jì)出的各套管之間邊界載荷均相等，并不是安全系數(shù)相等，這樣設(shè)計(jì)避免了所選套管強(qiáng)度剩余過多，從而減少套管的總重，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更為合理經(jīng)濟(jì)。

套管柱最大載荷法

這是美國提出的一種設(shè)計(jì)方法，其基本思路是將套管按技術(shù)套管、表層套管、有層套管等分類將每一類套管的載荷按其外在性質(zhì)及大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法是先按內(nèi)壓力篩選套管，再按有效外擠力及拉應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并考慮雙軸應(yīng)力對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響，各段套管的長度是通過圖解法確定的，該方法對(duì)外載考慮細(xì)致，設(shè)計(jì)精確。

套管柱AMOCO 套管設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法在載荷分析及設(shè)計(jì)方法上都有獨(dú)特之處，主要特點(diǎn)：在抗擠設(shè)計(jì)中考慮拉應(yīng)力對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響，即進(jìn)行雙軸應(yīng)力計(jì)算，在計(jì)算外載時(shí)考慮到接箍處的受力，在計(jì)算內(nèi)壓力時(shí)也考慮拉應(yīng)力的影響，再設(shè)計(jì)中采用了解析方法和圖解方法，避免了試湊法的繁瑣。

套管柱前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法較為繁瑣，其設(shè)計(jì)思想是考慮外載按不同的時(shí)期的變化，考慮不同井段的抗拉安全系數(shù)不同，不考慮雙向應(yīng)力，但是當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到管體屈服強(qiáng)度的 50%時(shí)，把抗拉安全系數(shù)增加到 10%。

套管柱BEB 設(shè)計(jì)方法

該方法主要是圖解法，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將套管分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中考慮抗外擠及內(nèi)壓強(qiáng)度時(shí)，必須考慮拉應(yīng)力的影響，拉應(yīng)力一律按在鉆井液中的浮重計(jì)算，并考慮浮力作用在套管底部的界面上使底部受壓應(yīng)力。

套管柱套管抗擠強(qiáng)度

套管抗擠強(qiáng)度是套管在外擠壓力下破壞應(yīng)力的大小。套管受外擠壓力破壞和縱向壓桿的不穩(wěn)定破壞相似，也是一種不穩(wěn)定變形破壞。目前根據(jù)徑厚比（套管外徑與壁厚的比值）不同，可分為失穩(wěn)破壞與強(qiáng)度破壞兩種形式。徑厚比較大時(shí)屬于失穩(wěn)破壞；徑厚比較小時(shí)屬于強(qiáng)度破壞。根據(jù)現(xiàn)有套管尺寸，大部分套管屬于失穩(wěn)破壞。不同鋼級(jí)、直徑、壁厚的套管抗擠強(qiáng)度的大小，可以查閱有關(guān)手冊。

套管柱套管抗拉強(qiáng)度

套管柱通常是用接箍把套管連接而成，在確定套管抗拉強(qiáng)度時(shí)，一方面要考慮套管本體的強(qiáng)度，另一方面要考慮絲扣部分的連接強(qiáng)度。絲扣連接強(qiáng)度隨絲扣類型而變化，一般圓形絲扣連接強(qiáng)度小于套管管體強(qiáng)度，梯形絲扣連接強(qiáng)度多數(shù)情況下大于管體強(qiáng)度。各類套管管體抗拉強(qiáng)度和絲扣連接強(qiáng)度值可以查閱有關(guān)手冊。

套管柱套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度

套管在內(nèi)壓力作用下鋼材達(dá)到屈服極限時(shí)的內(nèi)壓力。套管多數(shù)屬薄壁管，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度可采用薄壁管公式計(jì)算。各類套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度可以查閱有關(guān)手冊。

《復(fù)雜地層深井井身結(jié)構(gòu)與套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)》主要針對(duì)地層信息存在不確定性的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下對(duì)油氣井工程設(shè)計(jì)中深井、超深井井身結(jié)構(gòu)和套管柱強(qiáng)度問題進(jìn)行了論述。主要內(nèi)容包括：國內(nèi)外深井、超深井井身結(jié)構(gòu)對(duì)比，地層信息不確定條件下地層壓力剖面的構(gòu)建方法，套管層次及下入深度確定方法，井身結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，套管鉆頭系列優(yōu)選，復(fù)雜井況條件下套管柱強(qiáng)度分析與計(jì)算，以及套管失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

《復(fù)雜地層深井井身結(jié)構(gòu)與套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)》適合從事鉆井工程設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)人員參考，也可供石油工程相關(guān)專業(yè)師生與工程技術(shù)人員參考。