三轴应力套管强度设计
三轴应力强度设计
4 三轴应力强度4.1 三轴抗挤强度ca 1()]2a ico Pp p p Y σ+=式中：P ca —三维应力作用下的抗挤压力，MPaP co —API 套管抗挤压力值，MPa σa —轴向应力，MPa P i —管内液柱压力，MPa Y p —管材屈服强度，Mpa上式就是三轴应力下套管的抗挤强度与 API 抗挤强度之间的关系，用来计算三向应力下套管的抗挤强度，以及套管强度的校核计算。
由公式可以得出以下结论：1）轴向拉伸将降低套管的抗挤强度，如下图所示图3-1 轴向载荷与抗挤强度2）内压力进一步降低套管的抗挤毁强度值，当管内存在内压时，套管的三维抗挤压力强度值小于二维方程计算的抗挤强度值，当内压力为零时，三维与二维的计算结果相同，即 P i =0 时：1()]2a ca co Pp p Y σ=3）既不考虑内压力也不考虑轴向力时，即 Pi=0，σa=0 ，变为单轴应力强度，也就是 API 套管强度。
4.2 三轴抗内压强度2ba()a oboPpp pYσ+=+式中：P ba—三维应力下的抗内压强度，MPaP bo—API套管抗挤强度，MPa上式就是三维应力下的抗内压强度与API套管抗内压强度之间存在的数学关系，从公式中可以得到以下结论：1）轴向拉伸使得套管增大了抗内压强度值，考虑管外压力的三维抗内压值是正确的，并且在井眼底部与API抗内压强度值相等，二维抗内压值在井底偏低，在顶部偏高。
2）当设计套管为薄壁套管时，套管内半径与套管外半径近似相等，也就是ri ≈ro，上式将变成：1[()2a oba boPpp pYσ+=3）当设计套管为薄壁管管，并且不考虑内压力的影响（P o=0）时，上式将会变成双轴应力强度：1[()2aba boPp pYσ=4. 当设计套管为薄壁管管，既不考虑内压力，也不考虑抗外压力的影响时，即为API 抗内压强度，P ba=P bo。
4.3 三轴抗拉强度32210()a i i o oT p r p rπ-=-+式中：Ta—三轴应力下的抗拉强度，kN。
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
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
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
组合载荷下套管柱强度设计的三向应力圆理论
我 国自 ２ Ｏ世 纪 ６ Ｏ年 代开 始 引进 该 理 论 ，并将 其 应 』 用 于 我 国套 管柱 强度 设计 标 准 中 ］ 。笔 者 在 文献 ［ ］ ５
中 ， 对 双 向应 力 椭 圆 理 论 的 正 确 性 提 出 了 疑 问 。该 文
力 和 周 向应 力 ｄ。考 虑到 管 内外 液 体 密度 不 同 ，套
联 系 电 话 ：０ ４ ）３ ６ ６ （５ ６ ８ ９２ ２
有着 很 大 的差 别 。现 以垂 直 井 眼 内的浮 体状 态 下 的套
维普资讯
・２・
石
油
钻
探
技
术
２０ ０ ２年 ８月
一
Ａ。 （ ， Ｐ ） （ Ａｉ户。 ｉ／ 一
浆 固结之 前 的浮 体状 态 ；一 种是 水 泥浆 固结 之 后 的 固 结 状 态 。两 种状 态 下套 管 柱 的受 力状 况 是 不 同的 ， 且
收 稿 日期 ： ０ ２ ０ — ７ ２ ０ — ６２
作 者 简 介 ： 志 勇 （ ９ ７ ） 男 ， 西 蓝 田 人 ， ９２年 毕 业 于 北 韩 １３一 ， 陕 １６ 京 石 油 学 院 油 井 工 程 专 业 ， 授 ， 士 生 导 师 ， 要 研 究 方 向 为 定 向 教 博 主 钻 井技 术 和 钻 井 力 学 。 系 本 刊 顾 问。
多 年 来 ，套 管 柱 强 度 设 计 中 应 用 最 为 广 泛 的 是
“ 向应 力椭 圆” 论 ¨ ． 理 论 已被 ＡＰ 标 准 采用 ｊ 双 理 该 Ｉ ，
管 柱 为例 ，进 行 理论 推 导 。
如 图 １ 示 ，套 管 在井 内受 到 自重 和管 内外液 压 所
的作 用 ， 在 三 向应 力状 态 下 ， 处 即轴 向应力 、 向应 径
三套管换热器热膨胀拉脱应力的确定
三套管换热器热膨胀拉脱应力的确定易刚【摘要】通过建立三套管换热器内外管及管板的数学模型,推导计算出由于热膨胀差产生的拉脱应力公式,从而避免了诸如边缘力矩系数等众多难以确定的参数,找到一种实际可操作的,基本反映氧化铝生产溶出车间现场实际的三套管换热器热膨胀拉脱应力的计算公式.并根据某氧化铝厂三套管换热器的物料及运行参数,应用该公式进行了热膨胀拉脱应力的计算,且进行了管板与换热管焊缝的剪切强度计算.【期刊名称】《有色金属设计》【年(卷),期】2016(043)001【总页数】3页(P21-23)【关键词】三套管换热器;热膨胀拉脱应力;焊缝剪切强度计算【作者】易刚【作者单位】贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州贵阳550081【正文语种】中文【中图分类】TF801+.2氧化铝生产中，特别是在管道化溶出生产工艺里，溶出车间的三套管换热器作为溶出车间的核心设备，起着举足轻重的作用。
该设备类似固定管板式热交换器，其特点为单程换热器管程较长(一般为65～85 m)，内外管温差大。
其工作原理为：内管(管程)输送低温料浆，内外管间(壳程)为高温二次蒸汽和新蒸汽，通过换热将料浆从90℃加热到260℃左右，才能充分进行溶出反应。
由于每程套管长度较长且内外管温差较大，导致内外管热膨胀量差异较大，因此在两端管板处会产生较大的温差应力。
如果两端管板处温差应力过大，在生产过程中会导致换热管与管板处焊缝被拉裂，从而导致高温高压物料泄漏，造成严重的生产安全隐患。
三套管换热器类似固定式管板热交换器，但由于三套管换热器管板与换热管连接的力学模型与GB/T 151-2014《热交换器》管板计算方法的力学模型不太一致，因此只能采用该标准的管板计算方法进行类似计算，仅供参考之用，且由于该方法计算起来非常复杂，需要确定很多系数，但这些系数在实际生产中很难准确确定，甚至无法确定。
故有的设计只根据生产情况粗略地确定某些数据，误差很大，既不经济也满足不了生产需要，有时甚至会给生产带来安全隐患。
套管磨损及地应力对深井套管柱强度的影响分析
套管磨损及地应力对深井套管柱强度的影响分析X张 坤(胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017) 摘 要:油田开发过程中,采油套管损坏给油田造成了巨大的经济损失。
采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度,以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度,以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。
研究表明,当磨损度为10%时,套管的剩余抗外挤强度、剩余抗内压强度降低约30%;套管内壁的Mises 应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。
关键词:套管损坏;地应力;磨损;安全可靠性;剩余强度 中图分类号:T E931.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)07—0055—04 在钻井和采油过程中,套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油气水层及封固各种复杂地层的作用。
近年来,我国油气田套管损坏十分严重,采油套管损坏已经给油田造成了巨大的经济损失。
导致油水井套管状况变差,甚至损坏的原因是多方面的。
根据国内外油田开发几十年的经验分析可知,引起套管损坏的因素可大致分为地质因素、工程因素和腐蚀三大类。
对于具体的一个油田或一口油、水井的套管损坏,其中某类因素很可能起主导作用,其它为次要因素,而更多则是这些因素综合作用的结果[1～4]。
针对深井中的技术套管磨损问题,采用弹性力学解析及有限元方法,建立了套管-水泥环-地层组合体模型,通过分析非均匀地应力作用下磨损量对套管强度,以及不同地层性质对套管地应力外挤载荷的影响,为以后深井套管柱强度的设计与校核提供了一定的理论依据。
1 磨损套管的剩余强度现场实测资料表明,套管磨损一般为月牙型磨损。
由于月牙型磨损部位壁厚最薄,且存在较大不圆度和壁厚不均度等几何缺陷,当均匀外挤压力作用于套管时,将产生附加弯矩,形成应力集中区,进而出现屈服,该区域实际承载迅速降低,塑性区迅速由内壁向外壁扩展,在套管磨损处发展成塑性铰,引起整个结构失稳,造成套管挤毁失效。
套管强度设计例题
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 =⨯⨯==ρ1oc 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⋅≤223730129259.819.81 1.3 1.0c m c p D mS 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 1D 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222243.21.030.7437301 1.030.74354922686.7m ca c s F p p kPa F ⎛⎫⎛⎫=-=⨯-= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22800354920.9919.81 1.32800ca 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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（3-2）
pcc pc (1.03 0.74
Fm ) Fs
（3-3）
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 四、内压力及抗内压强度
1.内压力：套管柱所受内压力的来源有地层流体进入套管产生 的压力及生产中特殊作业时的外来压力。 当井口敞开式，套管内压力等于管内流体产生的压力，当井口 关闭时，内压力等于井口与流体压力之和。井口压力的确定方式有 三种： （1）假定套管内全是天然气，则井口处内压：
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 五、套管强度设计原则和方法
1.套管强度设计原则： 套管柱的强度设计是依据套管所受的外载，根据套管的强度 建立一个安全的平衡关系：
套管强度 外载 安全系数
设计的原则考虑以下三个方面： （1）应能满足钻井作业、油气层开发和生产层改造的需要要好。 套管设计中相关安全系数：抗外挤安全系数=1.0；抗内压安 全系数=1.1；套管抗拉力强度安全系数=1.8
式中： G f 为套管鞋处地层破裂压力梯度 G f 为附加系数。 2.套管的抗内压强度： 套管在承受内压力时的破坏形式是套管的爆裂。 实际上套管承受内压时的破坏形式除管体的破坏之外，螺纹连 接处密封失效也是一种破坏形式，密封失效的压力比管体爆裂时要 小。螺纹连接处密封失效的压力值是难以计算的。对于抗内压要求 较高的套管，应当采用优质的润滑密封油脂涂在螺纹处，并按规定 的力矩上紧螺纹。
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计
谢谢大家
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
3 F o qL10
Fm
qL(1
d ) 103 s
（2-2）
（2）套管弯曲引起的附加应力：套管弯曲时，增大了套管的拉力载荷， 当弯曲变化率不大时，用简化经验公式计算：
F d ocAc bd 0.073
-每25m的井斜变化角度
秋记与你分享
（2-3） 静思笃行 持中秉正
pi
pgas e
1.115510 4 GD
p gas e0.00011155 GD
（4-1）
（2）以井口防喷器装置所能承受的压力为井口压力。 （3）以套管鞋处的地层破裂压力值决定井口内压力：
pi D(G f G f )
（4-2）
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 四、内压力及抗内压强度
中国石油大学（华东）
三轴应力套管强度设计 PPT答辩
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计
一、前言 二、轴向拉力及套管的抗拉强度 三、外挤压力及套管的抗挤强度 四、内压力及抗内压强度 五、套管强度设计原则和方法
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 一、前言
套管强度设计和校核关系到安全钻进和油气井寿命，同时也影 响到钻井成本。初期的套管柱设计是采用单轴应力设计，这种设计 没有考虑外压和轴向力相互作用的影响。理论分析表明，轴向；拉 力会使套管额定抗挤强度降低，而轴向拉力会使套管额定抗挤强度 增加，反之亦然。所以进入80年代以来，国外提出了同时考虑内外 压力和轴向应力相互作用的设计方法，这就是套管柱三轴应力设计。 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 型螺纹。大多数的套管使用套管接箍连接组成套管柱。套管柱用于 封固井壁的裸露岩石。 油井套管有其特殊的标准，每种套管都应符合标准。我国现用 的套管标准与美国的API标准类似。
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 五、套管强度设计原则和方法
1.套管强度设计方法： 套管柱的设计是通常是由下而上分段设计的。按常规，自下 而上把最下一段套管称为第一段，其上称为第二段，依次上推等 等。具体方法有以下几种： （1）等安全系数法； （2）边界载荷法； （3）最大载荷法； （4）AMOCO设计方法； （5）BEB设计方法； （6）前苏联的设计方法。 套管柱的强度设计中，不宜将套管分的太复杂，实际上应当 采用2-3种钢级的套管，壁厚也只宜选用2-3种。
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 三、外挤压力及套管的抗挤强度
1.外挤压力：套管柱所受的外挤压力，主要来自管外液体的压力、 地层中流体的压力、高塑性岩石的侧向挤压力及其他作业时产生的压力。 一般情况下，常规套管的设计中，外挤压力按最危险的情况考虑， 即按套管全部掏空，套管承受钻井液柱压力计算，其最大外挤压力为：
三轴应力套管强度设计 二、轴向拉力及套管的抗拉强度
（3）套管内注入水泥引起附加应力：注入水泥浆时，水泥浆与管外液 体密度相差较大，水泥浆未返出套管底部时，管内液体将使套管产生一个 拉应力，可按下式计算：
Fc h
m d
1000
d cin
2
4
（2-4）
（4）其他附加应力：在下套管过程中的动载，如上提套管或者刹车时 的附加拉力，注水泥时泵压的变化等，皆可产生一定的附加应力。这些力 是难以计算的，通常是考虑用浮力减轻来抵消或加大安全系数。 套管柱所受轴向拉力一般为井口最大，是危险截面。套管柱受拉力引 起的破坏形式有两种：套管本体被拉断、螺纹处滑脱（滑扣）。圆口套管 的螺纹滑脱负荷比套管本体的屈服拉力要小，因此在套管使用中给出各种 套管的滑扣负荷是用螺纹滑脱时的总拉力来表示。
poc 9.81d D
（3-1）
2.套管的抗挤强度：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，丧失稳定性的形式主要是在压力破坏作用下失圆、 挤扁。
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 三、外挤压力及套管的抗挤强度
3.有轴向载荷时的抗挤强度：实际应用中，套管处于双向应力的 作用，设套管自重引起的轴向拉应力为 z ，由外挤力或内压力引起的 套管圆周向应力 t 及径向应力 r ，径向应力远小于周向应力，忽略 不计。据第四强度理论，套管破坏强度条件： 式中： s 为套管钢材的屈服强度。 可看出上式为一个椭圆方程。 存在轴向拉应力时，有套管抗挤强度的计算公式：
秋记与你分享
静思笃行 持中秉正
三轴应力套管强度设计 二、轴向拉力及套管的抗拉强度
套管的轴向拉力是由套管的自重所产生的，在一些条件下还应考虑附加 拉力。 （1）套管自重产生的轴向拉力，在套管上是自下而上逐渐增大，在井 口处套管所承受的拉力最大，其拉力Fo 为： （2-1） 实际上套管下入井内还受钻井液的浮力，各处的拉力比在空气中所受 的拉力小。考虑浮力时拉力F m为：