油套管API抗挤毁强度公式计算
套管全管壁屈服挤毁压力计算
套管全管壁屈服挤毁压力计算孙永兴;林元华;施太和;刘素君;陈丽萍;张帆【摘要】分析了API屈服挤毁公式和ISO全管壁屈服挤毁压力公式,认为:API Bulletin 5C3屈服挤毁设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,内壁开始屈服时套管还有很大的抗挤余量,对于D/t＜15的厚壁及特厚壁套管,若按API提供的这种最小屈服挤毁公式计算,会造成管材浪费或选择套管难的问题;而ISO全管壁屈服挤毁压力公式并非是全管壁屈服公式,可能并不适合所有壁厚段套管强度的计算.为此,根据弹塑性力学理论推导出了任意屈服半径处及全管壁屈服时的挤毁强度公式.通过计算对比可知,对于D/t≤15的厚壁管(API Bulletin 5C3用屈服公式计算套管强度)用von Mises屈服准则计算的套管内壁起始屈服挤毁强度值,要比现行的API Bulletin 5C3屈服挤毁值高15.45%,而全管壁屈服挤毁值至少要比API Bulletin 5C3屈服挤毁值高出32.78%.%The analysis of API 5C3 yield collapse formula and ISO through-wall yield collapse formula shows that the basic design principle of API 5C3 is the failure of inner wall. In fact,casing wall still has a great of collapsing when yielding. For casing (D/t＜15) and special thick casing, the formula for determination of minimum yield collapsing provided by API will result in the casing waste or the difficulty in choosing casing. While the ISO through-wall yield collapse formula is not completely through-wall yield collapse formula which cannot be used for all casing. The yield collapse formula for arbitrary radius and the through-wall yield is obtained by elastic-plastic mechanics theory. The comparison shows that for casing (D/t＜15),initial yield collapse strength for inner casing calculated by von Mises yield criterion is 15. 45％ higher than that of usingAPI 5C3, and the through-wall yield collapse strength is 32. 78％ higher than that of using API 5C3's.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2011(039)001【总页数】4页(P48-51)【关键词】套管;屈服应力;抗压强度【作者】孙永兴;林元华;施太和;刘素君;陈丽萍;张帆【作者单位】中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;CNPC石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;CNPC 石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;CNPC石油管工程重点实验室(西南石油大学),四川,成都,610500;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300;中国石油川庆钻探工程有限公司,钻采工程技术研究院,四川,广汉,618300【正文语种】中文【中图分类】TE925+.2套管是油气井生产中重要的设施，一般要承受较高的外挤压力，当这种压力超过套管本身的强度时(非API值)，套管就会被挤毁，影响钻井施工，严重时甚至导致全井报废。
油套管抗内压强度计算公式
油套管抗内压强度计算公式在石油钻探和生产过程中，油套管是一种重要的管道设备，用于保护井眼、固定井壁、输送油气等作用。
而油套管的抗内压强度是评定其安全性能的重要指标之一。
在设计和使用油套管时，需要对其抗内压强度进行计算，以确保其能够承受井下压力的作用，保障井下作业的安全进行。
油套管抗内压强度计算公式是用来计算油套管在内压作用下的承载能力的理论公式。
其计算过程需要考虑油套管的材料特性、几何形状、壁厚、内外径、工作条件等多个因素，以得出合理的抗内压强度数值。
下面我们将介绍油套管抗内压强度计算公式的基本原理和具体计算方法。
首先，油套管的抗内压强度计算公式可以用以下一般形式表示：P = 2St/D 0.8Pw。
其中，P表示油套管的抗内压强度，单位为MPa；S表示油套管的抗拉强度，单位为MPa；t表示油套管的壁厚，单位为mm；D表示油套管的外径，单位为mm；Pw表示井下压力，单位为MPa。
在实际计算中，需要根据油套管的具体情况和工作条件，确定S、t、D和Pw 的数值，然后代入上述公式进行计算。
下面我们将逐步介绍这些参数的确定方法。
首先是油套管的抗拉强度S。
油套管的抗拉强度是指其在拉伸状态下的最大承载能力，通常由材料的力学性能和工艺处理等因素决定。
在实际计算中，可以通过材料的相关标准和规范，查找到具体材料的抗拉强度数值。
一般来说，油套管的抗拉强度在设计和使用中应有一定的安全系数，以确保其在工作条件下不会发生拉伸破坏。
其次是油套管的壁厚t和外径D。
油套管的壁厚和外径是直接影响其抗内压强度的重要参数。
在实际计算中，需要根据油套管的设计要求和工作条件，确定其壁厚和外径的数值。
一般来说，油套管的壁厚和外径会受到材料成本、重量、强度等多个因素的影响，需要在满足设计要求的前提下进行合理的选择。
最后是井下压力Pw。
井下压力是指油套管在工作条件下所承受的内压力，通常由井底压力和地层压力等因素共同决定。
在实际计算中，需要根据井下地层情况和工作条件，确定井下压力的数值。
套管抗挤毁强度计算
105.60 103.48 -20.1
Ф177.8×10.36 N80Q 0.0006826 0.021320 16.6145 580
69.80
70.49 0.99
Ф177.8×10.36 CS-80T 0.0005311 0.009586 16.7274 580
72.2
70.87 -1.84
Ф177.8×10.36 CS-110T 0.0013796 0.036693 16.8864 803
The Calculation of Casing Collapse Strength
Shen Zhaoxi (Tubular Goods Research Center of CNPC)
Abstract According to the elastic theory, the calculation formula of the ideal casing is introduced
公式（3）和（4）是理想套管在均匀外压作用下的抗挤强度计算公式，取二者之中的较 小值。但实际工程中，套管不是理想圆管，往往存在内径、外径和壁厚不均匀，以及残余应 力等缺陷，有必要对公式（3）和（4）进行修正。以外径不圆度和壁厚不均度及残余应力为 参数，文献[4]对理想套管抗挤强度进行了修正。但是从统计学观点来看，外径不圆度和壁厚 不均度仅仅考虑到了实测尺寸的最大和最小值，没有考虑到中间值的影响，而中间值才是分 布概率最大的。因此本文根据统计学原理，认为外径和壁厚的实测值变异系数才能更准确的 反映套管的几何缺陷程度[1]。根据文献[5]，套管实际抗挤强度与理想套管失稳外压和内表面 屈服外压的关系如下：
p
图 1 理想圆管力学模型
设套管外径为 2b，内径为 2a，壁厚为 t，材料弹性模量为 E，泊松比为 μ ，受均匀外压
油气井套管柱强度计算方法文献调研报告
油气井套管柱强度计算方法文献调研报告 1抗挤强度计算方法1.1 前苏联1930年布尔卡柯夫首先提出了油气井套管抗挤强度计算公式，而1933年铁摩辛柯从另外的途径也得到了该公式[1]，因此该公式被命名为布-铁公式：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ222242312311.1 （1） 式中：K=t/D ，为壁厚与外径之比。
布尔卡柯夫[2, 3]通过实验验证了该公式，并发现该公式计算得到的套管抗挤强度要比实验值小1.13倍，同他认为处于压缩状态下工作的屈服极限为拉伸状态下工作的屈服极限1.1倍，即⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P σσσ2222423123124.1 （2） 随后式（2）被前苏联国家石油研究采用，在上世纪四十年代作为国家标准进行使用。
从上世纪50年代开始，前苏联颁布的ГОСТ632-50、ГОСТ632-57、ГОСТ632-64 分别采用了不同形式的萨尔奇索夫（Г.М.Саркисов）公式作为抗挤强度的计算依据。
萨尔奇索夫公式不但考虑了套管不圆度的影响，而且同时考虑了壁厚不均度的影响。
1960年5月，萨尔奇索夫在前苏联“石油业”杂志上发表的最新形式的套管抗挤强度公式为：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=y y y c EK K e EK K e EK K P ρσρρσρρσ202min 320min 320min 42312311.1（3）式中：D t K min min =，D t K 00=，min0K K =ρ 随着套管抗挤毁理论的发展，人们对套管抗静水外压的理论有了许多新的认识[4]，曾经在苏联流行了二十多年并作为国家标准的基础理论的萨尔索夫公式，终于遇到了耶内敏柯（Ереценко）等人的挑战。
套管设计基础
p: 内压力
p
pLeabharlann 井内气体压力分布精确算法示意图
p0为第 0 步的压力； pf为地 层压力； pi 为第 i 步的压力； pi+1 为第 i+1 步的压力； pn 为第 n 步的压力； i 为第 i 步的气体密度； Ti 为第 i 步 的温度； Zi为第 i 步的气体 压缩因子； hi 为第 i 步的气 柱高度； mg为气体分子量； R为普适气体常数。
pi i 1000R Z i Ti
mg
载荷分析
用简化公式和精确算法计算的井口压力比较
0
1000
地层压力 简化公式 精确算法 井涌气体密度=0.700s.g. 温度梯度：2.00℃/100m 井涌气体类型：凝析气
2000
垂深（m）
3000
4000
5000
6000 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
定义一种套管
5. 单根套管的长度
6. 公称重量
(包括接箍重量的平均值，kg/m)
(e.g. 47 lb/ft=70 kg/m)
s e
Casing Threads and Couplings
API round threads - short
API round thread - long
{ CSG }
套管柱载荷的特点
载荷
内压分布
轴向力分布
外压分布
井深
套管柱优化设计问题概述
组合套管柱总费用的组成
C ci
C ci
ci fi Si
i 1, , n
用可靠性理论解析API套管强度的计算公式
摘 要 ： 对 美 国 石 油 学会 （ Ｉ制 定 的 套 管 强 度 计 算 公 式 中 引用 的 若 干 个 修 正 系 数 理 论 意 义 不 明 确 的 问 题 ， 论 了 ＡＰ 套 管 多个 针 ＡＰ ） 讨 Ｉ
属 性 参 量 的分 布 规 律 和 分 布 参 数 。采 用 基 于 Ｍｏ ｔ— ａ ｌ 法 的 Ｌ ｔ ｐ ｒ ｕ ｅ随机 模 拟 方 法 ， 拟 得 出 了套 管 强度 的 分 布 规 律 ｎｅＣ ｒ ｏ方 ａｉ Ｈｙ ｅ ｅ ｂ ｎ 模 以及 套 管 几 何 尺 寸 和 管 材 力 学 性 能 的 随机 性对 套 管 强度 随 机 性 的 影 响 规 律 。运 用 可 靠 性 理 论 建 立 了 套 管 强度 的 可 靠 度 计 算 模 型 ，
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｉ ｎ ｔｔ ｅｐ ｏ ｌ ｍ ｆｅ ｕ ｖ ｃ ｌ ｏ ｒ ｃｉ ｎ ｃ ｅ ｉｉｎ ｏ ｍ ｕａ ｆ ａ ｉ ｇ ｓ ｒ ｎ ｔ ｕ ｔ ｄ ｉ ｈ ｍｉ ｇ ａ ｈ ｒ ｂ ｅ ｏ ｑ ｉｏ ａ ｒ ｅ ｔｏ ｏ ｆ ｃｅ ｔ ｒ ｌｓ ｏ ｓｎ ｔ ｅ ｇ ｈ ｑ ｏ ｅ ｔ ｅＡｍｅ ｉａ ｔ ｏ ｅ ｍ ｎ ｃ ｆ ｃ ｎ ｒｃ ｎ Ｐｅｒ ｌ ｕ Ｉ — ｓ ｉｕ ｅ （ ｔ ｔ ＡＰＩ ｔ ），ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｒ ｉｓａ ｄ ｄ ｓ ｒｂ ｔ ｎ ｏ ａ ａ ｔ ｒ ｏ ａ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｏ ｈ ｅ ｕａ ｉ ｅ ｎ ｉｔ ｉ ｕ ｉ ｆｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｆ ｒｃ ｓｎ ｒ ｐ ｒ ｉ ｆＡＰ１ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｕ ａ ｉ ｅ ｆ ａ ｉ ｇ ｔ ｏ ｅ ｗｅ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｅ ｒ ｇ ｌｒｔ ｓ ｏ ｓｎ ｉ ｃ
ｓ ｒ ｎｇ ｈ ｓ ｒｂ ｉ ｅ ｅ ｏｂ ａ ｎ ｄ ｅ ｎｓ ｏ ｔｎ ｙ ｒ ｕｂ ｔ ｈａｓｉ ｉ ｕ ａ ｉｎ ｅ ｈｏ ｂａ ｅ ｏｎ Ｍ ｏｎｔ — ｒｏ ｅ ｈｏ ｔ ｅ ｔ ｄｉｔｉ ｕｔｏｎ ｗ ｒ ｔ ｉ ｅ ｂｙ ｍ ａ ｆＬａ ｉ Ｈ ｐｅ ｃ ｅ ｓｏｃ ｔｃ ｓｍ ｌ ｔｏ ｍ ｔ ｄ ｓ ｄ ｅ Ｃａ ｌ ｍ ｔ ｄ． Ｔ ｈ ｅ
纯外压下套管弹塑性抗挤强度的计算
、 、 ． 产
套管弹塑性抗挤强度 计算模型的建立与求解
１ 双剪统一强度理论 ． 双剪统一强度理论是一种全新的考虑了中间主
压缩， 应变的 平面 拉密弹性解为［： ］ ’ 内Ｊ １ ｒｒ 一ａ２ ／
Ｕ＝ １ ｒ ｒ 一 － ｒｂ ａＰ ／
由上述计算结果与试验值的比较可知： （）按 Ｖｎ ｅ准则计算值偏大， ｒｃ 准 １ ｏ Ｍｓ ｉｓ Ｔｅ ａ ｓ 则计算值与试验值较接近； （）随ａ的降低 （ ２ 即材料抗压强度的增大） ， 抗挤强度提高； （）笔者的计算值比 Ａ Ｉ ３ Ｐ 公式能更准确预测
２０ 年 ０６
第３ 卷 ４
第１期 １
了 ｒ 、 、
、 １ １
０＝ 不 ｒ ， － － ０ １ ｒ ａ ２Ｐ ／ ｂ
４ １ ｒｒ ＋二２ ／
应力影响的适用于各种不同材料的强度准则， 它用 一个统一的模型、简单的数学表达式。其数学表达
式为’ 仁： ］
对于平面应变弹塑性问题的研究， ： ，为中间主应 ｖ ＜ 力， ： ｍ（： 。） ２， 且，＝ ，＋ 。 ／ 式中ｍ值为２ －ｍ ＜ 在弹性区，可取 ｍ ｐ 在塑性区， －１ －， １ ＝ ， ２ ｍ ｝ ０ 当取ｍ＝ ， １ 若规定。： Ｏ ， ， Ｏｉ 则分析可得 ｒ ｒ ２ ３
关键词 双剪统一强度理论 套管 弹塑性抗挤强度 初始几何缺陷
。 ａ ，，
引
公
ｒ ＝ Ｑ ，一 了一 一丁ｌ ＇ ＋ Ｑ， 二 Ｑ， １ Ｄ ？ ｏ ）
日
１ 十 Ｄ 一
纯外压下套管弹塑性挤毁计算判 Ｑ３
表１ 试样初始几何缺陷、残余应力及材料屈服强度
套管编号
不圆度／ ％
１ Ｔ ２ Ｔ ３ Ｔ ４ Ｔ ５ Ｔ
套管抗挤特性及高抗挤套管——《油套管标准研究、油套管失效分析及典型案例》(4)
套 管的挤毁压力 比 Ａ Ｉ ｕｌ Ｃ 高或 者高 ２ ％～ Ｐ Ｂ ｌ５ ２ ５ ３ ％，但不能笼统地称其为高抗挤套管 ，而应根据 ０ 影响因素如椭 圆度 、残余应力 、 屈服强度来界定 比
就会产生 “ 塑性流动” ．使套管受到挤压 。由于地 较合理 。椭圆度对挤毁压力影响很大 ，对塑性挤毁 弹过 渡 挤 毁影 响最 大 。椭 圆 度在 某 些 情 况 下 层 出砂造成套管径 向非均匀外挤压力 ，在地层上覆 和 塑／
出 ．高抗挤 套管是 采用 一种 特殊 生产 操作 获得 的产
要型式 ．抗挤毁特性是衡量套管承受外压作用不发
生失 稳变形 的能力 。临界挤毁 抗力 是 套管 强度设 计
的重要依据。 套 管柱外 压力 主要 由管外 钻井 液 和水泥 浆液 柱 压力 ．地层 中 的油 、气 、水 压力及 上覆 地压 力 和地
１ 高抗挤套管［ ］ １ － ３
什么是高抗挤套管 ，目 前没有明确的规定。有
人把 某 一 单 位 长 度 重 量 级 钢 管 具 有 比按 Ａ ＩＢ ｌ Ｐ ｕｌ
值高 ： （ ）在整个 Ｄ ｔ 围内 ，挤毁压 力试验 值 比 ２ ／范
Ａ Ｉ Ｐ 计算 值高 。
图 ２ ＭＷＣ ９ 是 一 ５钢 级 套 管 与 Ａ ＩＣ ５钢 级 套 Ｐ ９ 管 抗挤 压 试 验对 比。进 行 试验 的套 管 从 １ ７ｍ ２ ｍ （ ｎ到 ２４５ｍｍ（￣ｉ） ５ｉ） ４． ９－ｎ 。试验 值 比较分 散 ，这
压力 的联合作 用下 ．套 管将发 生挤 毁 和错 断 。注 蒸 可 使套 管 的挤 毁压 力减 小 ３ ％ （ １。 ０ 图 ）
对按 Ａ Ｉ Ｐ 标准生产 的 Ｃ ５以及更高钢级 的套 ７ 汽单井吞吐稠油热采井的套管损坏除与热应力超过 其作业温度下的屈服强度有关外 ，还与其抗挤特性 管 ．进行 了许多次挤毁试验 ，其明确的结果是 ： （ ）套管 的实 际的屈服点 比 Ａ Ｉ １ Ｐ 规定的下限 的变化 密切相 关 。