【石油天然气行业标准(SY)】 套管柱井口悬挂载荷计算方法

石油工业标准化技术委员会CPSCSY
中华人民共和国石油天然气行业标准SY/ T 5731—1995
套管柱井口悬挂载荷计算方法
1995-11-08发布
中国石油天然气总公司
1996-05-01实施
套管柱井口装载的基本原则
套管柱井口悬挂载荷计算的主要参数3
4套管柱井口悬挂载荷计算程序
图解法悬挂载荷计算步骤
附录A(标准的附录）悬挂载荷计算题例次
1范围
石油工业标准化技术委员会CPSC中华人民共和国石油天然气行业标准套管柱井口悬挂载荷计算方法
SY/T 5731-1995
本标准规定了套管柱并口装载基本原则、悬挂载荷计算主要参数及计算程序和方法。本标准适用于油气井技术套管和油层套管的井口悬挂载荷的设计和计算。2套管柱井口装载的基本原则
2.1应使用符合标准的套管头。
2.2保持并口装载后，自由段套管在后续生产的全过程中，不应受压及发生轴向弯曲。2.3依据套管柱强度设计要求，确定的井口悬挂载荷，应保证套管柱有合理的抗拉安全系数；有硫化氢腐蚀的井，悬挂载荷计算应限定套管柱轴向载荷。2.4井口高度应符合钻井过程及完井生产规定，并满足密封要求。2.5由于受套管柱结构及各种外载因素的影响，在进行固井设计时，应预先进行悬挂载荷计算，并可调整套管柱的抗拉强度及管外水泥返深，从而确定合理悬挂载荷。2.6装载后井口形成的最大悬挂载荷，除保证管柱有最低的抗拉安全系数，还需校核套管头卡瓦的临界轴向载荷。
3套管柱井口悬挂载荷计算的主要参数主要参数包括：
a）套管柱的强度：钢级、壁厚、段长及螺纹联结强度；b）．水泥返深，水泥浆及钻井液密度；c）后续作业的井下温度变化及管内液柱密度变化；d）试油及开采引起的管内压力变化；井口装载时，套管柱实际自由段套管长度；e)
f）井口控制的回压等。
4套管柱井口悬挂载荷计算程序
4.1确定悬挂载荷的原则
a）确定自由段套管轴向力除考虑所受的各种外载力外，还应预计到该层套管在后续作业的外载力影响；
b）保证水泥面处套管轴向力至少等于稳定力，使其自由段套管不发生弯曲；C）施加在井口上的悬挂载荷，保证套管柱上的中性点（轴向力等于稳定力的点称为中性点）在水泥返深面以下。
4.2悬挂载荷计算方法及程序
4.2.1采用图解计算法。
4.2.2计算程序：
4.2.2.1确定套管柱每--段的底部和顶部轴向力，作出轴向力与深度的关系曲线，4.2.2.2计算套管柱每段的顶部和底部稳定力，作出稳定力与深度的关系曲线。中国石油天然气总公司1995-11-08批准1996-05-01实施
石油工业标准化术秀冕会CPSC
4.2.2.3轴向力线与稳定力线交点即为中性点。该点在水泥面以上时，该点至水泥面的套管段将受压发生轴向弯曲、为防止弯曲,应使水泥面深度处套管段轴向力等于稳定力，需增加的悬挂载荷等于水泥面上稳定力减去水泥面上轴向力。4.2.2.4最终要确定的井口悬挂总载荷等于套管柱顶部（井口)轴向力减去水泥面深度上一段套管段底部轴向力再加上增加的悬挂载荷。4.2.2.5根据井口悬挂总载荷，校核套管柱的抗拉安全系数及套管头卡瓦临界轴向载荷。图解法悬挂载荷计算步骤
计算用符号和代号(见表1)
表1悬挂载荷计算用符号和代号
套管内截面积
套管外截面积
套管截面积
第1段套管内截面积
第2段套管内截面积
第n-1段套管内截面积
第段套管内截面积
管柱内截面积与管壁截面积的平均比值卡瓦压碎因素
套管外径
钢材弹性系数(2.1×10°）
作用于浮箍底面的力(负值)
作用于浮箍顶面的力（正值)
第1与第2段套管台肩处台肩力
第n-,段与第n段(井口)套管台肩处台肩力密度套管台肩处的台肩力变量
第1与第2段套管台肩力变量
第2与第3段套管台肩力变量
第m-1套管段与第n段套管台肩力变量在第2段与第3段套管处形成的台肩力卡瓦临界轴向载荷
套管柱下深，浮箍深度
第2段套管下深
第3段套管下深
第段套管下深
水泥面深度
卡瓦长度
卡瓦系数(2.636)
浮箍处稳定力
石油工业称准化独味婴费会CPSC表1(续)
水泥面处套管稳定力
第2段套管顶部稳定力
第3段套管底部稳定力
第\段套管顶部(井口)稳定力
密度由\…变至\后的套管稳定力井口装载悬挂总载荷
\条件或考虑变量后井口悬挂总载荷第1段套管长度
第2段套管长度
第3段套管长度
1～段的套管长度
由密度与温度引起的管柱长度总变量AF:对第2段水泥未封段套管压缩长度AF3、AF对第3段套管压缩长度
由AP引起的管柱压缩长度
由△T引起的自由段套管伸长
管内静液柱压力
管外静液柱压力
井口套管回压
采油时井口内压
浮箍处环空静液柱压力
浮箍顶面静液柱压力
第2段套管底面台肩处静液柱压力\形成的管内的内压力平均变化值套管抗拉强度
套管单位长度的重量
第n段套管单位长度的重量
石油工业粽准化技术器员会CPSC表1(完)
第丨段套管底部浮箍处轴向力
第1段套管顶部轴向力
第2段套管底部轴向力
第2段套管顶部轴向力
第1-1段套管顶部轴向力
第1段套管底部轴向力
第\段套管顶部(井口)轴向力
水泥面处套管轴向力
AL长度变化受限制而形成的附加轴向力AQ对第2段套管顶部影响后的轴向力AQ对第3段套管底部影响后的轴向力AQ对第3段套管顶部影响后的轴向力增温度数
第丨段套管重力
第2段套管重力
第3段套管重力
第Ⅱ段套管重力
第2段套管水泥封过的套管重力
增加的悬挂载荷
加深后增加的悬挂载荷
抗拉安全系数
设计要求的最小抗拉安全系数
水泥浆密度
钻井液密度
加深钻进的钻井液密度
泊松比(0.3)
钢材热膨胀系数(13×10-6）
套管最小屈服强度
计算静液柱压力作用于套管浮箍截面及台肩上的力（见图A1)5.2.1
作用于浮箍底面的力F
浮箍深度H,静液柱压力P。,按(1)式计算P。= 0.0098[h +(H, - h\]
石油工业标准华本会CPSC
5.2.1.2由P。压力形成的力F,按(2)式计算。F=-P,A
5.2.2作用于浮箍顶面的力F2
5.2.2.1浮箍顶面静液柱压力P，按(3)式计算。P., = 0.0098H,m
5.2.2.2并口回压P，按(4)式计算。P,= P- Pi
若澈压候凝,P，=0。
5.2.2.3由P。压力形成的力Fz按(5)式计算。F,= P。A.
5.2.3作用于套管台肩处的力F3F,Fn-1设Ⅱ为套管柱段数。
5.2.3.2第1段与第2段套管台肩处台肩力F3按(6)式计算。F, = - (P, + P,2)(A. - A,)
P,=0.0098H,m
5.2.3.3套管柱结构设计为1段，由井底向井口分别为第1段，第2段，(2bZxz.net
（3）
（4）
，第n段，由于管壁厚
度不同、形成台肩、台肩力向上为负值，向下为正值，并由此形成台肩力F3.F4Fn-1°5.3计算套管柱各段在空气中重力第1段套管重W，按(8)式计算。
W,= 9.8Lr4,
5.3.2设套管柱由1～n段组成.则各段重W，按(9)式计算。W.= 9.8L.q.
5.4计算各段套管上的轴向力
5.4.1第1段套管底部浮箍处轴向力Q。按(10)式计算。Q。= F,+ F2
5.4.2第1段套管顶部轴向力Q,按(11)式计算。Q,=Q.+W,
5.4.3第2段套管底部轴向力Q，按(12)式计算。2,=Q,+ F.
5.4.4第2段套管顶部轴向力O，按(13)式计算。2,=Q,+W2
（8）
（10）
（12）
石油工业标准华术秀冕会CPSC
5.4.5依次计算至井口最末一段套管.第n段底部轴向力Qu+按(14)式计算。Q-=Q,+ Fu+
第n段套管顶部(井口)轴向力Q计按(15)式计算。5.4.6
Q,+2=Q+,+W,
5.5计算套管柱稳定力
5.5.1浮箍处稳定力K,(浮箍顶面稳定力与K，值相同为正值)按(16)式计算。K,=PA,-PA
5.5.2水泥面处套管稳定力K，按(17)式计算、设若水泥面处已封过第1段套管顶部、进人第2段套管段情况K, = (P.+ 0.0098mh,)A,- (0.0098)m,h,)A。5.5.3第2段套管顶部稳定力K；按（18)式计算。K,= (P.+ 0.0098mH.)A z- (0.0098mH,)A5.5.4第3段套管底部稳定力K4按(19)式计算。K = (P. + 0.00987m H,)A , - (0.0098..H,)A。5.5.5依次计算至第n段套管顶部(井口)稳定力Kl+2按(20)式计算。Ku+?
5.6绘制套管受力图确定悬挂载荷（14）
·（15）
（16）
（19）
（20）
5.6.1依据5.4及5.5计算的轴向力与稳定力，绘制与深度的关系曲线即套管受力图，见附录A（标准的附录)图A2，由图中获得稳定力线与轴向力线相交的交点1即为确定弯曲的中性点位置，若该点在水泥面以下、则不会发生套管弯曲：井口装载时，可控制中性点于水泥面，确定井口装载悬挂总载荷KF按（21)式计算。
KF= Qn+2- Q。
设若水泥面深度在第2段套管范围内、则Q.=Q,+W'
W\,= 9.8(H, - h,)2
(22）
（23）
5.6.2若稳定力线与轴向力线的交点在水泥面以上井段，则该点至水泥面的套管段将发生弯曲、为防止弯曲发生，应增加悬挂载荷AW，该载荷使水泥面处套管轴向力等于稳定力，因此AW为水泥面上稳定力减去水泥面轴向力，按（24）式计算。AW= K,- Q。
设若水泥面在第2段套管范围内.则Q。- Q,+W\
·(24）
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井口悬挂总载荷KF按(25)式计算。KF'= Qt+ AW
5.7后续施工加深钻进悬挂载荷计算5.7.1加深后变化的主要参数有：a）钻井液密度由m变为m；
b）井下静止温度升高AT。
5.7.2钻并液密度为m后台肩力变量△F的计算。5.7.2.1第1段与第2段台肩力变量AF按(26)式计算AF,- 0.0098H,(-m(A,-Az)
5.7.2.2第2段与第3段台肩力变量AF4按(27)式计算。AF = - 0.0098H,(m m)(A ;2 - A 3)若第3段套管壁厚大于第2段套管壁厚，AF4为负值。5.7.2.3第n-1段与第n段台肩力变量△Fm+l按(28)式计算。.AF,+= 0.0098H,(m~ )(A in- - A)5.7.3台肩力变量AF对自由段套管长度的影响。25
（26）
（28）
设若水泥面在第2段套管范围内.套管柱为三段示例.已知△Fs.△F4值，水泥面深度hc。△F，对第2段套管自由段形成的压缩长度AL，按(29)式计算。AL.
AF,(h。- H,)× 10*
E(A- A,)
△F3.AF4对第3段套管形成的压缩长度△L,按(30)式计算。AL
(AF, + AF)H, × 104
E(A。- A)
5.7.4?\m形成管内的内压力平均变化值△P.按(31)式计算。P= 0.0049(.-m)h。
5.7.5AP,对自由段套管压缩长度AL，按(32)式计算。AL,= - 2× 10
受压套管柱内截面积与壁厚截面积平均比值按(33)式计算。A
(h.- H,)A.2
h.(A.- A,)
5.7.6△T引起的自由段套管伸长AL4按(34)式计算。H,A
(29）
(32）
(33）
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AL = αTh,AT× 102
5.7.7加深后因密度与温度变化引起自由段套管总长度变化△L按(35)式计算。AL= AL,+ AL,+ AL,+ AL4
5.7.8AL长度变化受限制而形成的附加轴向力AQ按(36)式计算，L
AQ= EAL× 10-4
5.7.9附加轴向力AQ引起自由段套管轴向力的变化值的计算。5.7.9.1AQ对第2段套管顶部影响后的轴向力Q\，按(37)式计算。Q' = AQ + 9.8(h。- H,)42
5.7.9.2AQ对第3段套管底部影响后的轴向力Q4按(38)式计算。Q4= Q'3- F'4
F', = 0.0098H,(A ,2- Ag)m
5.7.9.3AQ对第3段套管顶部(井口)影响后的轴向力Q*s按(40)式计算Q',= Q4+ 9.8H,1s
5.7.10\条件下自由段套管柱的稳定力K的计算。5.7.10.1水泥面处套管稳定力K，按(41)式计算。K,= 0.0098h (Az-YmA。)
第2段套管顶部稳定力K3按(42)式计算。K',= 0.0098H,(mAz2- mA.)
第3段套管底部稳定力K4按(43)式计算。K = 0.0098H,(mA,3 - ?mA。)
第3段套管顶部(井口)稳定力K按(44)式计算K',= 0
5.7.11绘制套管柱受力图确定悬挂总载荷。：(34)
（35）
（38)
（39）
（42)
（44）
5.7.11.1绘制Q'及K值与深度的关系曲线，见附录A（标准的附录）图A2，求得轴向力线与稳定力线的交点2，即为加深后判断弯曲的中性点位置，该点以下深度至水泥面的套管段将发生弯曲，5.7.11.2为控制套管柱不产生弯曲，应增加一个附加的悬挂载荷△W\.该载荷即是水泥面处稳定力减去水泥面处的轴向力.按(45)式计算。AW'= K',- AQ
井口装载时总悬挂载荷KF按(46)式计算。8
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KF= KF+ AW
5.7.12装载后的井口套管抗拉强度校核及卡瓦临界轴向载荷校核。5.7.12.1
套管抗拉强度按式(47)校核要求S>SP
卡瓦临界轴向载荷按式(48)、（49)校核.要求F≥KF。5.7.12.2
F,= CA,g× 10-3
C = [1+(D。J)/ I+ (D.J / )\}-0.55.8计算举例
悬挂载荷计算题例见附录A(标准的附录)。......
（46）
（47)
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