套管强度设计例题
第2章 套管柱设计与固井
如果套管柱在水泥凝固前轴向拉伸强度是足够的，有水泥环的套管在水泥凝固 后就不会出现因轴向拉伸引起的破坏。但无水泥环的套管实际上是上下被固 定，当温度和内、外压力改变时就会引起轴力的改变。
1、水泥凝固前的轴力
自重产生的拉力、弯曲产生的附加拉力、注水泥时产生的附加力、动载、摩阻等。
（1）自重引起的拉力
力过大时只能放压，井内液、气分布复杂。其内压力分布作这样的处理：在井
口处取设备允许压力，套管鞋处取地层破裂压力，两者之间呈线性关系。任意
深度的内压力：
pi
=
p gp
+
p f − pgp Hf
⋅H
式中：pgp——井口设备允许内压力，帕。
2、油层套管的内压力
（1）油管带封隔器时：
典型的完井方法如右图所示，油层套管与油管之间 充满完井液。受内压力最严重的情况是生产初期， 气通过油管丝扣进入油管与油层套管的环空，在环 空封闭的条件下(套管闸门常闭)，气泡运移到井口 仍保持产层压力。内压力分布：
以套管内全掏空计算。
①单纯抗挤可下深度
进行套管抗外挤强度设计时，应该考虑套管内压力的平衡效果，以有效 外挤压力来设计。不过这时的内压力应取可能出现的最小值。技术套管应以 固井后钻进中严重漏失来考虑，可能出现套管内全掏空或部分套管掏空。油 层套管在生产末期地层压力枯竭，套管内全掏空。
表层套管只有在下得很深时才考虑抗挤问题，做法与技术套管相同。
¾套管柱设计：抗挤、抗拉、抗内压设计。 ¾“自由套管”：双向应力设计，有时须考虑内外压力和温度改变引起的附 加拉力。 ¾等安全系数法：设计套管柱一项强度时要使各段受力最严重的部位安 全系数相等，并以其它各项强度满足要求为前提。
（一）安全系数的选取
管强计算题答案
题1、 426×6管道，管材16Mn ，设计压力6.27MPa ，试求下列情况下的管道强度：（1）温度变化55℃；（2）曲率半径1000D 的弯曲段（分两种情况：不考虑和考虑温度变化）。
（1）已知：管径D =0.426m ，壁厚δ = 0.006m ， 规定最低屈服强度=295sMPa σ设计压力P = 6.27MPa ，温度变化Δt = 55˚C ，输油管道设计系数F = 0.72。
环向应力PD222.58MPa F 212.4s 2MPa h σ==>σ=δ轴向应力PD71.83a 2t MPa σ=ν-Eα∆=-δ上式中：管材泊松系数ν= 0.3，弹性模量E = 210GPa ，管材热膨胀系数α = 1.2×10-5。
Pa 0.9265.5MPa eqh a sσ=σ-σ=294.41M ≥σ= 故管道强度不符合校核条件。
（2）弯曲管段的轴向应力1052ED MPa aRσ=±=±规范：埋地管道的弹性敷设管段，在轴向应力中应计入轴向弯曲产生的应力。
当取压应力时为最不利情况，按最大剪应力屈服条件校核。
222.6(105)327.60.9265.5eq h a MPa MPa sσσσσ=-=--=>=弯曲管段不满足强度条件。
P183（例7-1）：100000m3油罐，直径D ＝85.0m ，罐高H ＝19.2m ，每层板高度h=2.4m ，罐材料的许用应力[σ]=208MPa ，焊缝系数φ＝1.0，储液相对密度ρ＝1.0。
试分别按中国、日本和英国标准用定点法计算下三圈壁板厚度，并与美国变点法计算结果进行比较。
解：中国SH3046标准：()[]120.00490.3tH DC C ρδσφ-=++[]22208138.6733s MPa σσ==⨯=C1=C2=0mm底下第一层壁板厚度：()[]()1230.00490.30.0049101019.20.38537.85208 1.0tH DC C mmρδσφ-=++⨯⨯⨯-⨯==⨯.底下第二层壁板厚度：19.2 2.416.8H m =-=()[]()1230.00490.30.0049101016.80.38533.64208 1.0t H DC C mmρδσφ-=++⨯⨯⨯-⨯==⨯.底下第三层壁板厚度：16.8 2.414.4H m =-=()[]()1230.00490.30.0049101014.40.38528.23208 1.0t H DC C mmρδσφ-=++⨯⨯⨯-⨯==⨯.日本JIS B8501标准：()0.30.2m D H C f ρδφ-=+底下第一层壁板厚度：208,0.85,0m f MPa C mm φ===()()0.30.28519.20.3145.430.22080.85m D H Cf mmρδφ-=+⨯-⨯==⨯⨯底下第二层壁板厚度：19.2 2.416.8H m =-= 1.0φ= ()()0.30.28516.80.3139.660.22081m D H Cf mmρδφ-=+⨯-⨯==⨯⨯底下第三层壁板厚度：16.8 2.414.4H m =-= 1.0φ= ()()0.30.28514.40.3133.890.22081m D H Cf mmρδφ-=+⨯-⨯==⨯⨯英国BS2654标准：()980.320DH p C Sδρ=-++⎡⎤⎣⎦ 208,0,0S MPa p C mm =≈=底下第一层壁板厚度：()()980.3208598119.20.337.8520208DH p C Smm δρ=-++⎡⎤⎣⎦=⨯⨯⨯-=⎡⎤⎣⎦⨯底下第二层壁板厚度：19.2 2.416.8H m =-=()()980.3208598116.80.333.0420208DH p C Smm δρ=-++⎡⎤⎣⎦=⨯⨯⨯-=⎡⎤⎣⎦⨯底下第三层壁板厚度：16.8 2.414.4H m =-=()()980.3208598114.40.328.2320208DH p C S mm δρ=-++⎡⎤⎣⎦=⨯⨯⨯-=⎡⎤⎣⎦⨯某5万m3单盘式外浮顶油罐的基本设计数据为：油罐内径D ＝60.0m ，浮船外径D1＝59.5m ，浮船内径D2＝53.5m ，浮舱底板倾角α＝0.015rad ，单盘钢板厚度δ＝6mm 。
套管强度校核
水泥浆液柱压力 地层中流体压力 易流动岩层的侧压力等
一、套管外载分析与计算
1.外挤压力
有效外压力：
Poe Po Pib
式中 Poe——有效外压力；
Po——外压力；
Pib——支撑内压力。
1.径向外挤压力
有效外压力：
一、套管外载分析与计算
表层套管：井漏造成全掏空
技术套管：井漏发生，但不可能造成发生全漏空的情况，
序言
套管柱的类型 表层套管
技术套管（中间套管）
生产套管（油层套管）
尾管（技术尾管、生产尾管）
回接套管
一、套管外载分析与计算
1、静载 特点：长期作用、联合作用在套管上。 类型：
轴向拉力 径向外挤压力 径向内压力 弯曲附加拉力 温差应力
一、套管外载分析与计算
2、动载
一、套管外载分析与计算
（2）支撑内压力
对于技术套管非全掏空的情况，支撑内压力
的计算式为
Pib 0
P n ( H H L ) ib 0.0098
（ 0≤ H ≤ H L ） （ H L＜ H ≤ H B）
1.外挤压力
一、套管外载分析与计算
（3）有效外压力
对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，需
管道及储罐强度设计复习题
1.荷载包括：永久荷载、可变荷载、偶然荷载。
P12.地下管道产生轴向应力的原因是温度变化和环向应力的泊松效应。
P83.固定支墩的设计主要是确定它的长宽高尺寸。
确定时主要从支墩的受力平衡、支墩不倾覆、支墩下面的土壤有足够的地耐压三个方面考虑。
P124.弯道使管道增大了柔性（也即弹性）或管系热胀的可能性。
P225.弯道之所以有较大的柔性，主要是由于在弯曲半径方向，管子截面上出现了扁率。
P226.三通的开孔补强设计方法采用等面积补强法。
P267.环向应力：由管道的内压产生，在有外压的情况下，管道外压也引起环向应力。
P288.轴向应力：内压、外压、热膨胀以及其他力和弯矩都可能产生轴向力。
P289.与地下管道一样，地上管道也是根据环向应力决定壁厚，再与轴向应力组合进行校核。
P4710.垂直载荷包括管道自重、保温结构重量、管内输送介质重量、管道附件重量。
P5111.通常管道的跨度可按管子的强度和刚度两个条件来确定。
P5512.常见的补偿方式是设置一些可伸缩的装置或弯曲管段。
常见的波纹式补偿器和填料函式补偿器。
弯曲管段的结构形式有L/Z/Π/Ω型补偿器、P7013.海水对海底管道线的作用力，包括垂直力（升力）和水平力两部分，其中水平力又有速度力（阻力）和惯性力两项。
P8914.将海底管道埋置于海底面以下，可以不再受波浪、潮流的直接作用，从而获得管道在海底的稳定性。
P9815.有时可确认利用锚杆将管道与岩盘基础锚固在一起，或是利用螺旋锚杆将管道与坚硬土基锚固在一起，用以保持管道在近岸区段海底面上的稳定性。
P10016.管道产生屈曲的原因，通常有外压作用下的弹性失稳、机械作用或管道本身缺陷造成的局部屈曲、弯曲屈曲和像“压杆”一样的纵向屈曲等。
P12117.在海洋管道敷设过程中，特别是深水管道，选定合理的δD(径厚比)是极为重要的，有时可以通过物理模型实验取得有关参数。
P13718.地震主要通过断层错动、土壤液化和地面振动影响管道。
2010 完井工程A卷 及答案
2010 完井工程A卷答案一、名词解释1、井身结构：套管层次，每层套管下深；套管和井眼尺寸配合。
2、先期裸眼完井法是钻头钻至油层顶部附近后，取出钻具下套管注水泥浆固井，水泥浆从套管和井壁之间的环形空间上返至预定高度，待水泥浆凝固后，从套管中下入直径较小的钻头，钻穿水泥塞和油层，直至达到设计井深。
3、水泥浆失重：是指水泥浆发生物理、化学变化时不能对地层传递有效压力。
4、窜槽：水泥浆不能将环空中钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的现象。
5、碰压：在注水泥的最后，将上胶塞顶到阻流环处，上、下胶塞碰到一起将通道堵死，泵压急剧上升，称为碰压。
6、负压射孔：油气层压力大于井内液柱压力下射孔。
7、泥侵：钻井液中的固相物质侵入储层的现象。
8、砂桥：地层砂粒或充填砂粒在炮眼周围构成的圆拱结构。
9、端部脱砂：端部脱砂技术理论的出发点是使携砂液于裂缝端部位置发生桥塞，这时裂缝净压力急剧升高，从而导致裂缝宽度增加。
10、管内砾石充填：二、判断正误1、尾管和技术套管的重合段一般大于50m.。
2、套管柱的设计通常是自下而上分段进行的。
34破坏。
56789、10。
1250mPa.s3、井身结构设计主要依据是：地层孔隙压力剖面和地层破裂压力剖面。
4、套管柱受力分析和设计主要考虑基本载荷力为轴向拉力、内压力和外挤力。
5、N80套管的最小屈服强度是80KPsi6、水泥主要成分C2S 、C3S 、C3A 、C4AF。
7、砾石充填时，砾石直径是地层中砂的中径的6-8倍时防砂效果最佳。
8、将射孔器输送到射孔层段通常采用电缆输送方式和油管输送方式。
9、根据测试仪器下入的工具，油气井测试主要分为钻杆地层测试和电缆地层测试。
10、刮管工序目的就是把套管内壁上的水泥及炮眼毛刺清除掉。
11、压裂时，有效闭合应力小于30MPa时，一般选择石英砂作为支持剂。
12、定向井各种抽油泵只能下在井身科度小于30度的稳科段四、简答1、套管分类及作用、各层套管柱的设计特点（1）表层套管。
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。
东北石油大学课程设计弯曲段套管抗挤强度有限元讲解
东北石油大学课程设计年月日东北石油大学课程设计任务书课程计算力学课程设计题目弯曲段套管抗挤强度有限元分析专业工程力学姓名学号主要内容：石油工业中，API（美国石油学会）套管强度计算公式是没有考虑任何缺陷的套管强度计算公式，井下套管的使用都是通过API套管强度标准设计的。
但是在实际使用的套管都存在一定的缺陷，如出厂的不圆度、壁厚不均度等，使用过程中套管内壁被钻杆接头磨损和套管在弯曲段时的弯曲。
这些因素或多或少地影响着套管抗挤强度，当套管抗挤强度降低到一定程度时就会造成套管损坏，影响油气资源开发的经济效益。
研究和分析弯曲段套管的抗挤强度就可以知道套管曲率对套管抗挤强度的影响关系，就可以指导现场套管的设计和选材。
套管钢级为N80，屈服强度551.6MPa，泊松比0.3，弹性模量206GPa，外径177.8mm，壁厚13.72mm。
套管曲率取2°/100m、4°/100m、6°/100m、8°/100m、10°/100m，分析计算各种曲率条件下的套管抗挤强度。
基本要求：在课程设计期间，巩固有限元理论知识，掌握边界处理方法，能够应用有限元分析软件ANSYS求解工程中的实际问题，了解力学分析软件的前后处理，掌握有限元分析流程。
在3周时间内，应用ANSYS软件完成课题题目的有限元分析与计算，提交所设计题目的有限元模型、结果和命令流文件，提交5000字左右论文1份（附录为分析过程命令流）。
主要参考资料：[1] 刘巨保．石油设备有限元分析[M]．北京：石油工业出版社，1996．[2] 刘扬，刘巨保，罗敏．有限元分析及应用[M]．中国电力出版社，2008．[3] 罗敏，张强．ANSYS应用—基础篇[M]．大庆石油学院自编教材，2008．[4] 祝效华，余志祥．ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]．电子工业出版社，2004．完成期限指导教师专业负责人年月日目录第1章概述 (1)1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义 (1)1.2 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容 (1)第2章理论分析 (3)2.1套管抗挤强度分析 (3)2.2 SOLID45简介 (3)第3章偏磨套管抗挤强度有限元分析 (5)3.1 问题描述 (5)3.2 ANSYS有限元模型建立及求解 (5)结论 (14)第1章概述1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注。
管道及储罐强度设计题库之欧阳法创编
管道及储罐强度设计（第二次）改动的地方:简答题第三题，计算题第一题，计算题第十一题名词解释1.工作压力在正常操作条件下，容器可能达到的最高压力2．材料强度是指载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力。
屈服点和抗拉强度是钢材常用的强度判据。
3．储罐的小呼吸罐内储液(油品)在没有收、发作业静止储存情况下，随着环境气温、压力在一天内昼夜周期变化，罐内气相温度、储液(油品)的蒸发速度、蒸气(油气)浓度和蒸欧阳治创编2021.03.10气压力也随着变化，这种排出或通过呼吸阀储液蒸气(油气)和吸入空气的过程叫做储罐的小呼吸4.自限性局部屈服或小量塑性变形就可以使变形连续条件得到局部或全部的满足，塑性变形不再继续发展并以此缓解以致完全消除产生这种应力的原因。
5．无力矩理论(薄膜理论)假定壁厚与直径相比小得多，壳壁象薄膜一样，只能承受拉(压)应力弯曲内力的影响，而不能承受弯矩和弯曲应力，或者说，忽略这样计算得到的应力，称薄膜应力。
6．壳体中面壳体厚度中点构成的曲面，中面与壳体内外表面等距离。
7．安全系数考虑到材料性能、载荷条件、设计方法、加工制造和操作等方面的不确定因素而确定的质量保证系数。
欧阳治创编2021.03.108．容器最小壁厚由刚度条件确定，且不包括腐蚀裕量的最小必须厚度。
(1)对碳素钢、低合金钢制容器：(2)对高合金钢制容器：不小于2mm(3)对封头：9.一次应力一次应力:由于压力和其他机械荷载所引起与内力、内力矩平衡所产生的，法向或切向应力，随外力荷载的增加而增加。
10.储罐的小呼吸损耗罐内储液(油品)在没有收、发作业静止储存情况下，随着环境气温、压力在一天内昼夜周期变化，罐内气相温度、储液(油品)的蒸发速度、蒸气(油气)浓度和蒸气压力也随着变化，这种排出或通过呼吸阀储液蒸气(油气)和吸入空气的过程所造成的储液(油品)损耗称欧阳治创编2021.03.10作储罐小呼吸损耗11耦联振动周期和波面晃动周期耦联振动周期：罐内液体和储罐结合在一起的第一振动周期。
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设计举例：
例题：某井177.8 mm(7 英寸)油层套管下至3500 m ，下套管时的钻井液密度为1.303
/cm g ，水泥返至2800 m ，预计井内最大内压力 35 MPa ，试设计该套管柱 （规定最小段长500 m ）。
规定的安全系数：Sc=1.0，Si = 1.1，St =1.8
解：（1）计算最大内压力，筛选符合抗内压要求的套管
抗内压强度设计条件为： 筛选套管：
C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110 按成本排序：
N-80 < C-75 < L-80 < C-90< C-95< P-110 （2）按抗挤设计下部套管段，水泥面以上双向应力校核 1）计算最大外挤力， 选择第一段套管
Pa D p m oc 5.4463535003.181.981.9max =⨯⨯==ρ
1oc c c p S p ⋅≤
5.446350.15.4463548401=⨯≥ 安全
2）选择第二段套管
选低一级套管，第一段抗拉强度校核
22oc c c p S p ⋅≤ 229.81m c c D S p ρ⋅≤
2237301
29259.819.81 1.3 1.0
c m c p D m
S ρ≤
==⨯⨯
第二段套管可下深度D 2，第一段套管长度L 1 取D 2=2900m (留有余量)
m D D L 60029003500211=-=-=
双向应力强度校核，最终确定D 2和L 1
D 2 =2900 m ＞2800 m ，超过水泥面，考虑双向应力
危险截面：水泥面2800m 处 浮力系数：834.085
.73.111=-=-=s m f K ρρ 轴向拉力：
()()水泥面11222800 0.8340.42346000.379529002800243.2m B F K q L q D kN
⎡⎤=+-⎣⎦
⎡⎤=⨯⨯+⨯-=⎣⎦
存在轴向拉力时的最大限度允许抗外挤强度：
水泥面
22
2243.21.030.7437301 1.030.74354922686.7m ca c s F p p kPa F ⎛⎫
⎛⎫=-=⨯-= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭
2280035492
0.9919.81 1.32800
ca C oc p S p '=
==<⨯⨯ 不安全
解决办法： 将第一段套管向上延伸至水泥面以上。
预定D 2 = 2700 m ，L 1 = 800 m ；
重新双向应力强度校核：（按以上同样方法）
套管1 ： 危险截面 2800 m 处，Sc= 1.31 > 1.0 安全 水泥胶结面处 套管2： 危险截面 2700 m 处，Sc = 1.02 > 1.0 安全 两段套管交接处 试取D 2 = 2700 m ，L 1 = 800m 计算套管抗拉安全系数：112655.6
7.84 1.80.4234800
sll t a F S F '=
==>⨯ 安全 最终结果：D 2 = 2700 m ，L 1 = 800m 3）选择第三段套管；
轴向拉力：()
211223 m B F K q L q D D ⎡⎤=+-⎣⎦
存在轴向拉力时的最大限度允许抗外挤强度：
2333
23
3
1.030.74
1.09.81m c s ca c ccD m F p F p S p D ρ⎛
⎫
- ⎪⎝
⎭
'=
=≥
试算法，取 D3 =1700 m , 计算得 Sc= 1.03 计算第二段顶部的抗拉安全系数
()
()211223 0.42348000.379427001700718a F q L q D D kN
=+-=⨯+⨯-=
2222308.6
3.2 1.8718
sl t a F S F '=
==> 安全 最终结果 D 3=1700 m , L 2=1000m
（3）上部1700 m 处套管需进行设计，转为抗拉设计 1） 计算第三段套管按抗拉要求的允许使用长度 L3 由：33
33233
sl sl t t a a F F S S F F q L '=
=≥+ m q F S F L o t sl 11173357
.07188.11.1966323
3≤-=-≤
实取：L3 = 1100m ，则
2）确定第四段套管使用长度 kN L q F F o o 10873357.011007183323=⨯+=+=
查表得：应比第三段套管抗拉强度高，与第一段套管相同 计算第四段套管许用长度 L4：
m q F S F L o t sl 7.8584234
.010878.11.2611334
3=-=-=
实际距井口还有600 m, 取L4 = 600 m ;
3444
4
4
1.030.74
9.81108748401 1.030.74
3007 4.82 1.09.81 1.3600
m c s ca c ccD m F p F p S p D ρ⎛
⎫- ⎪⎝
⎭
=
=⎛⎫
⨯- ⎪⎝⎭=
=≥⨯⨯ 安全
最终结果 ：L4= 600 m , D4=600 m。