复杂井套管柱载荷分析及优化设计理论和技术
高难度复杂井试油、完井工程问题分析及其对策
高温高压高产深井试油完井工程问题研究建议
如上所述，高温高压深井试油、完井中出现了一些问题，其中有些问题已经 基本得到解决，有些问题有待深入研究。根据对存在问题的分析，结合国内外技 术发展现状，建议深入进行下列研究： （1）动态试油、 动态试油、完井管柱力学分析 试油、完井包括下管柱、替液、射孔、 酸压、排液、开关井等多个过程，在此过程中，井下管柱、套管处于动态载荷作 用下，而目前的研究只考虑静态工序，因此，建议进行该项研究；同时进行试油 完井管柱振动与减振分析，动态试油完井管柱力学仿真计算（软件）研究。 （2）试油完井系统压力分析 试油系统压力分析、预测是选择井口、井下 工具等级，合理组合油嘴、分配压力、减轻（避免）冲蚀的依据，为此，建议进 行：垂直多相管流分析、水平多相管流分析、多相节流分析。 （3） 完井工艺研究 完井投产作业历来受重视程度不够， 至今没有一个系 统的研究项目，也没有全面完整的规范标准供采用。近几年，随着中石油天然气 板块业务的快速发展，产能建设工作量增长迅速，而目前作业难度越来越大（高 压气井、酸性气田、深井超深井、新工具新工艺越来越多）、安全环保的要求越 来越高、 出现的问题逐渐增多。 大部分完井投产作业的设计、 方案选择缺乏依据， 仅凭国内外工具服务商的推荐选择“最好”的（也就是最贵的），缺乏自主技术； 工具设备缺乏有效的检查实验措施；现场施工监督管理薄弱，质量控制体系不健 全；等等。同时，由于研究和认识不够，各油田完井管柱不同程度的出现了一些 问题。比如，因 G3－125 钢材太贵，西南油气田分公司在龙岗地区用 31/2″× 5.49mmG3-125 油管完井，管柱壁厚是不是够？若干年后，强度够不够？ 为此，建议进行该项研究，以目前普遍存在的气井套压升高问题为突破口 和切入点，先系统分析套压升高、井下管柱振动、磨损原因，同时广泛调研国内 外高温高压气井完井工艺，对比、分析现有工艺的优缺点；再从管柱选材、扣型 选择、封隔器及坐封方式选择、管柱（壁厚、管径）优化组合、完井液优选、现 场操作规范、作业后评估等方面给出适合各油田工况的、性能/价格比好的完井 工艺。
完井管柱载荷和强度分析
：
Ｆ ｚ ＋Ｆ ｏ
（ ９ ） ２ 应 力 分来自析 ２ ． １ 轴 向应力分析。轴 向应力为
情况 ， 以便于项 目能够顺利进行 ， 可以建立进度情况表如表 １ 。
结束 语
开 发 与创 新 ， ２ ０ １ ０ ， ２ ３ （ ６ ） ： １ ７ ７ — １ ７ ８ ． ［ ２ 】 贾朱红 ， 张晓冬． 基于 Ｉ ２ Ｃ总线的单主 多从 单片机之 间的通信 ［ Ｊ ］ ． 经过 实践 ， 采 用 了新 的教学方 法之后 ， 改变 了学生 理论课被 动 单片机 开发 与应 用， ２ ０ ０ ９ ， ２ ５ （ ３ — ２ ） ： １ ０ １ — １ ０ ２ ．
计 井下施工 时， 必须对 管柱进行严格的强度 分析和载荷校正 。 关键词 ： 完井管柱 ； 强度 分析 ； 安全性
１ 载 荷 分 析
’
１ ． １ 稳定力 的计算 。关于稳定力 的定义为 ：
Ｆ ｏ＝ Ｐｏ
一
一
（ １ ０ ）
以
４
（ １ ）
式中 Ｐ 广 管柱 内部压力 ， Ｐ ａ ； Ｐ 管柱外部压力 ， Ｐ ａ ； 式中 Ｆ 一实际轴 向载荷 ， 包括真实载荷和附加轴向载荷 ， Ｎ； Ａ 『 ＿ 管柱外径横截面积 ， ｍ ； Ａ ｒ 管柱内径横截 面积 ， ｍ Ａ 一管柱横截面积 ， ｍｚ 。 １ ． ２真实轴力 的计算。真实轴力 Ｆ Ｚ 包括管柱活塞力 ， 温度变形 ， ２ ． ２周向应力 和径 向应力分析 。管柱的周 向和径 向应力的计算 ， 坐封力和流体摩阻引起 的轴 向载荷 。 通过拉美公式得 ：
学 习的状态 ， 提高了理论助 推实践 、 实践巩 固理论的效果 ； 改变了学 【 ３ 】 王 先彪 ． 单 片机 应用 系统设 计与 实现［ Ｍ 】 ． 北京 ： 清华 大学 出版社 ， ０ １ ４： ６ ６ ． 生验 证实验 的状态 ， 激发 了学 生的学习主动性 和热情 ； 改变 了学 校 ２ 教学 和企业需要联系松散的状态 ， 提升了知识 转化 为能 力的效率 。 ［ ４ ］ 史洁 ， 田云． 单 片机 原理及 应 用【 Ｍ】 ． 北京 ： 清华 大学出版社 ， ２ ０ １ ２ ：
套管柱及其强度设计
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：
◆ 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=145.04psi；psi：磅/英寸2）
◆ 只有屈服强度 s 105 psi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。
• 地质构造力的影响
•
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。
2、外挤压载荷及套管的抗挤强度
套管内全掏空
载荷
载荷
载荷
井身结构
井 深
套管内载荷
井 深
套管外载荷
井 深
套管内液面
有效载荷
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。
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。
1、基本概念
（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。
1、轴向载荷及套管的抗拉强度
热采水平井弯曲段套管柱失效载荷分析
机
械
Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｐ Ｅ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ Ｅ Ｕ Ｍ Ｍ Ａ Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ｅ Ｒ Ｙ
２ ０ １ ３年
第４ １ 卷
第 ７期
●油 气 田开 发 工 程
热 采 水 平 井弯 曲段 套 管 柱 失 效 载 荷 分 析
黄 红 端 闫相 祯 赵 帅
（ 中国石油 大学 （ 华 东）储 运与建筑工程 学院）
ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ａｓ ｆ ａ ｒ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎｇ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄｉ ｎｇ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｒ ｎ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈｅ ｈ ｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ． Ｉ ｔ ｉ ｓ ｓ ｕ ｇ ｇ ｅ ｓ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ｗｅ ｌ ｌ ｃ ａ ｓ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ，ｈ ｉ ｇ ｈ。 ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｐｉ ｐｅ ｓ ｓ ｈ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｙ ｉ ｅ ｌ ｄ ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｏ ｆ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｔ ｈ ｅ ｍａ ｒ ｌ ｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ｗｅ ｌ ｌ ；ｈ ｏ ｒ ｉ ｚ ｏ ｎｔ ａ ｌ ｗｅ ｌ ｌ ； Ｃａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ； ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ；ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ； ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｏ ａ ｄ； ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ；ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
《——套管柱载荷分析》课件
3
塌陷和坍塌
解释套管柱因地层塌陷或高压坍塌而导致的失效机制，并提供应对策略。
套管柱安全评估
基于强度的评估
介绍利用套管柱强度参数进行 安全评估的方法和步骤。
基于可靠性的评估
探讨利用可靠性理论进行套管 柱安全评估的原理和应用。
懒人方法
分享一种简化的套管柱安全评 估方法，便于工程师在快节奏 工作中使用。
2
及其对工程的影响。
使用计算方法对案例中的套管柱进行承
载能力分析和评估。
3
套管柱安全评估方法比较
比较不同安全评估方法在案例中的应用， 从而确定最佳评估方法。
结论和展望
1 问题总结
总结套管柱载荷分析中的关键问题和需要注意的要点。
2 研究展望
提出未来套管柱载荷分析的研究方向和发展趋势。
参考文献
相关论文
《套管柱载荷分析》PPT 课件
本课程将介绍套管柱载荷分析的重要性和方法，以及套管柱的承载能力、失 效机理、安全评估和优化设计。通过案例分析和结论展望，掌握套管柱载荷 分析的关键知识。
概述
定义套管柱载荷
解释套管柱承受的力和负荷，以及其对井下操作的影响。
分类和来源
分类不同类型的套管柱载荷，并探讨其来源，如重力、压力和地震等。
列出与套管柱载荷分析相关的重要论文和研究成果。
标准规范
提供与套管柱设计和安全评估相关的国际和行业标准指南。
套管柱承载能力
1 常见的计算方法
2 应注意的问题
介绍套管柱承载能力的计算方法，如公式法、 有限元法和经验方法。
指出在计算套管柱承载能力时需要注意的问 题和常见的误区。
套管柱失效机理
1
腐蚀和磨损
探讨套管柱因腐蚀和磨损而导致的失效机理，并提供防护措施。
复杂载荷作用下套管强度计算的开题报告
复杂载荷作用下套管强度计算的开题报告开题报告题目：复杂载荷作用下套管强度计算背景和意义：随着油气田开采深度的不断增加，高强度套管成为了油气井井下工具中不可或缺的一部分。
然而，在复杂油气田环境下，套管容易遭受各种外部负荷，如受压、受弯和受扭等，从而导致套管失效。
因此，研究如何在复杂载荷作用下计算套管的强度，对于确保油气井的安全产能具有重要意义。
研究内容：本研究致力于研究在复杂载荷作用下计算套管强度的方法，主要包括以下几个方面：1. 套管受弯强度计算方法：套管受沉积物重压和侧向力的作用，会使套管弯曲变形，因此需要研究套管的受弯强度计算方法，从而避免套管弯曲损坏。
2. 套管受压强度计算方法：套管受地层内外差压的作用，也容易造成套管变形和破裂，因此需要研究套管的受压强度计算方法，从而确保套管能够承受内外压力的作用。
3. 套管受扭强度计算方法：在井下操作中，为了获取更多的油气信息，需要进行钻井探测等操作，容易使套管扭曲变形，因此需要研究套管的受扭强度计算方法，从而避免套管变形而影响油气的产出。
4. 套管强度验证方法：研究套管强度计算方法后，需要进行套管强度的验证，以确保计算结果的准确性和可靠性。
研究方法：本研究将采用有限元分析法和实验验证法相结合的方法来研究套管的强度计算问题。
具体分为以下两个步骤：1. 有限元分析模拟：采用有限元分析软件建立套管受弯、受压和受扭的模型，进行计算分析，得出套管的强度，并与理论计算结果进行对比和验证。
2. 实验验证：选取套管在受压、受弯和受扭三种载荷情况下的物理试验，测量试验中套管的变形和破裂情况，进一步验证有限元分析计算结果的正确性。
预期结果：通过本研究的努力，预计能够得到以下结果：1. 研究出适用于复杂载荷下的套管强度计算方法，为油气井井下工具的生产和使用提供理论基础和实践指导。
2. 验证套管强度的数值计算方法的准确性和可靠性。
3. 推进套管强度的研究和应用，为确保油气井井下工具的安全运行提供技术支持。
深水工况下套管柱载荷分析
深水工况下套管柱载荷分析钱锋;高德利;蒋世全【摘要】Comparing to common offshore drilling and onshore drilling, deepwater drilling is more dangerous and expensive.It is imperative to develop a better easing design method, which can avoid or reduce down-hole accident caused by improper design.Since the scarce consideration of deepwater drilling features in SY/T 5724-2008 casing string strength design method, it is of great importance to research on a competent casing design methodology for deepwater drilling. In this paper the most dangerous operating conditions in deepwater drilling is considered, and burst, collapse and axial loads are analyzed and calculated. An example is given to show that the primary design method does not meet the need of deepwater casing design, and deepwater drilling conditions have a crucial influence on casing selection. This research achievement has also provided references to the design and application of the onshore and shallow water well casing strength design.%深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况.目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足.考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析.分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提.该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】4页(P16-19)【关键词】深水套管;管柱设计;载荷;强度【作者】钱锋;高德利;蒋世全【作者单位】中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京,102249;中海石油研究中心,北京,100027【正文语种】中文【中图分类】TE249套管柱强度设计包括套管柱内压、外挤、拉伸以及三者共同作用下的强度设计，其目的是在最经济的条件下，保证油井使用的整个期间，作用在套管上的最大应力在允许的安全范围内。
【石油工程课程设计】套管柱及其强度设计(1)
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。
具
体
的 （2）在承受外载时应有一定的储备能力。
原
则
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，
有 三
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）
API套管规范及强度(5寸套管)
8
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API规范中分为五大类。前四类属API 标 准，第五类系非API标准。
类数 1 2 3 4 5
□ 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。
5
1、基本概念
API套管规范及强度(5寸套管)《甲方钻井手册》P192
6
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=145.04psi；psi：磅/英寸2）
● 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，因为这个费用大约 占总费用20%左右。
31
4.1、套管强度设计的原则
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复杂井套管柱载荷分析及优化设计理论和技
术
在复杂油气井工程中，套管柱优化设计问题具有重要的实际意义，它包括套管柱所受载荷的分析、套管强度的计算和套管柱优化设计模型及其求解。
我们通过分析三维井眼中套管柱单元的受力，提出了三维井眼轴向载荷的通用算法，它适用于所有类型井眼中套管柱上提、下放和静止状态的轴向载荷计算。
根据静水压力和岩石力学原理，提出适合深井和含盐膏层井组合（复合或多径）套管柱设计的组合外压力模型。
提出了新的计算气柱压力分布的算法，以此对前人的套管柱内压计算模型进行了修正，得到修正的预设井涌量法、修正的Prentice方法。
修正的司钻法、修正的等候加重法，适合于深井及超深井套管柱的设计。
提出了扩展的套管柱优化设计模型和求解此模型的排序筛选法，并结合前人的和本研究的载荷分析模型、套管柱优化模型、套管强度计算模型和数据库查询技术，开发出比较通用的套管柱载荷
分析及优化设计软件，其功能和国外知名软件功能对比如表1所示。
表1 与国外软件功能对比结果
比较内容本软件Landmark Stress Check 内压修正预设井涌量法、修正Prentice方法、修正司钻
预设井涌量法
法和修正等候加重法。
外压软件采用组合外压力计算模型。
类似。
该软件不仅在渤海油田定向井、大港油田大位移井及新疆油田超深井的套管设计中得到应用，而且采用该软件校核了5口西江大位移井及4口含盐膏层井的套管柱设计方案等，取得了令人满意的结果。