套管柱主要作用為保護、封隔各種複雜地層、穩定井壁、建立油氣通道、安裝井口裝置等。
基本介紹
- 中文名：套管柱
- 外文名：casing string
- 結構組成：套管頭、表層、技術、生產套管等
- 強度分類：抗擠、抗拉、抗內壓強度
- 設計方法：安全係數法、邊界載荷法等
- 損壞原因：鑽井工程。井下作業等因素
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簡介
套管柱主要作用為保護、封隔各種複雜地層、穩定井壁、建立油氣通道、安裝井口裝置等。套管是石油工業中使用數量最多的一種管材，它是通過螺紋連線成套管柱從而進行工作的。套管柱主要包括套管頭、表層套管、技術套管、生產套管、下部結構、尾管等等。
結構組成
套管頭
在井口上懸掛套管的裝置，按照正規要求，每下完一層套管並注完水泥固井後，應卸掉聯頂節，在套管的頂部接上套管頭，以密封兩層套管之間的環形空間，並懸掛第二層套管柱和承受其部分重量。例如，標準的井口裝置應包括：在表層套管上接表層套管的套管頭，其中的套管懸掛器接技術套管；在表層套管頭上安裝油層套管頭，其中的套管懸掛器上接油層套管；在油層套管頭上安裝油管頭，油管則接在其中的油管懸掛器上。根據連線方式的不同，套管頭又分為絲扣式和法蘭式兩大類。近年來國外生產出自動密封式套管頭，適用於高壓氣井。
表層套管
為防止井眼上部地表疏鬆層的坍塌，封隔上部淡水層，使之不受鑽井工作的污染和安裝井口防噴裝置而下的套管。表層套管下入深度應根據疏鬆地層深度和上部地層破裂壓力梯度來確定。表層套管直徑大小，根據下入套管層數和生產套管直徑大小來確定。
技術套管
又稱中間套管，是在表層套管和生產套管之間，由於鑽井技術的限制所下入的套管。技術套管可以是一層或幾層。迫使下入技術套管的原因很多，如下部鑽遇高壓油、氣層，而上部地層破裂壓力梯度不足以承受重鑽井液所產生的壓力梯度，需要下技術套管封閉上部地層。又如鑽遇較厚疏鬆砂層或膨脹性頁岩，而鑽井液性能又無法控制時，也需要下入技術套管。技術套管的尺寸，應根據生產套管直徑和套管層數多少來確定。
生產套管
又稱油層套管或採氣套管。油 (氣)井中下入的最後一層套管，是給油氣由井底至井口創建一條牢固的通路，並使油氣不致漏入其他低壓地層。生產套管尺寸是根據生產層的產量來確定的。通常採用5″(127mm)，6″(152mm)兩種尺寸，在產量特別大的油氣井也有採用8″(203mm)套管作為生產套管的。
下部結構
指套管柱下部裝置附屬檔案的總稱。套管種類不同，下部結構不同，技術套管和生產套管下部結構由下至上一般由下列部件組成：水泥引鞋(或生鐵引鞋+套管鞋)，浮箍，承托環，套管扶正器和泥餅刮針。下入套管下部裝置部件的目的是為了使套管順利下入井中和提高固井質量。
尾管
又稱鑽井襯管，在已下套管的井內，只對裸眼井段下套管注水泥，而套管頂點未延伸到井口的套管柱，稱尾管。尾管根據下入井內目的不同，分採油尾管、技術尾管、保護尾管和回接尾管。採油尾管作為完井套管，代替生產套管用；技術尾管用來加深技術套管； 保護尾管用於修復損壞或斷落的套管；回接尾管是把下部尾管回接到技術套管內，覆蓋已損壞的套管。
套管強度分類
套管抗擠強度
套管抗擠強度是套管在外擠壓力下破壞應力的大小。套管受外擠壓力破壞和縱向壓桿的不穩定破壞相似，也是一種不穩定變形破壞。目前根據徑厚比（套管外徑與壁厚的比值）不同，可分為失穩破壞與強度破壞兩種形式。徑厚比較大時屬於失穩破壞；徑厚比較小時屬於強度破壞。根據現有套管尺寸，大部分套管屬於失穩破壞。不同鋼級、直徑、壁厚的套管抗擠強度的大小，可以查閱有關手冊。
套管抗拉強度
套管柱通常是用接箍把套管連線而成，在確定套管抗拉強度時，一方面要考慮套管本體的強度，另一方面要考慮絲扣部分的連線強度。絲扣連線強度隨絲扣類型而變化，一般圓形絲扣連線強度小於套管管體強度，梯形絲扣連線強度多數情況下大於管體強度。各類套管管體抗拉強度和絲扣連線強度值可以查閱有關手冊。
套管抗內壓強度
套管在內壓力作用下鋼材達到屈服極限時的內壓力。套管多數屬薄壁管，其抗內壓強度可採用薄壁管公式計算。各類套管抗內壓強度可以查閱有關手冊。
套管柱強度設計方法
各國根據各自的條件規定了自己的套管柱強度設計方法，目前，最常見的有等安全係數法，邊界載荷法，最大載荷法，AMOCO 法，西德 BEB 方法，以及前蘇聯的方法等。
等安全係數法
在套管柱設計中，為了達到既安全又經濟的目標，整個套管柱應由不同強度（不同的壁厚、鋼級、連線螺紋所決定）的多段外徑相同的套管串組成，每段的最小安全係數應等於或者大於規定的安全係數，我們把這種方法稱為等安全係數設計法。近些年來，等安全係數設計方法一般多先根據抗內壓或抗擠強度進行設計，選出符合要求的套管後再進行抗擠或者抗內壓設計與抗拉設計。
邊界載荷法
該方法的抗擠設計方法和抗內壓與等安全係數設計法基本相同，邊界載荷也就是分段套管設計的依據生產經驗確定的最大強度餘量。僅在中上部套管柱強度設計時改為由抗拉強度設計，而不用抗拉強度被安全係數除所得到可用強度，並且用第一段以抗拉設計的套管抗拉強度和安全係數所決定的邊界載荷算得的許用強度來選用以上各段套管，其關係如下：
依據抗拉設計的第一段套管：抗拉強度/安全係數=可用強度
抗拉強度-可用強度=邊界載荷
依據抗拉設計的第二段套管：抗拉強度-邊界載荷=可用強度
後面的均用各段套管的抗拉強度減去同一個邊界載荷，從而得出他們的可用強度，並以此設計方法設計各段的使用長度。這種方法設計出的各套管之間邊界載荷均相等，並不是安全係數相等，這樣設計避免了所選套管強度剩餘過多，從而減少套管的總重，使得設計結果更為合理經濟。
最大載荷法
這是美國提出的一種設計方法，其基本思路是將套管按技術套管、表層套管、有層套管等分類將每一類套管的載荷按其外在性質及大小進行設計，其設計方法是先按內壓力篩選套管，再按有效外擠力及拉應力進行強度設計，並考慮雙軸應力對抗擠強度的影響，各段套管的長度是通過圖解法確定的，該方法對外載考慮細緻，設計精確。
AMOCO 套管設計方法
該設計方法在載荷分析及設計方法上都有獨特之處，主要特點：在抗擠設計中考慮拉應力對套管抗擠強度的影響，即進行雙軸應力計算，在計算外載時考慮到接箍處的受力，在計算內壓力時也考慮拉應力的影響，再設計中採用了解析方法和圖解方法，避免了試湊法的繁瑣。
前蘇聯的設計方法
BEB 設計方法
該方法主要是圖解法，設計特點是將套管分類進行設計，在設計中考慮抗外擠及內壓強度時，必須考慮拉應力的影響，拉應力一律按在鑽井液中的浮重計算，並考慮浮力作用在套管底部的界面上使底部受壓應力。
套管柱損壞原因
通過對國內外油田的研究調查，套管損壞的主要形式有：變形、破裂、套管錯斷、腐蝕疲勞破漏等。分析表明，套管柱損害的主要原因有：
鑽井工程因素
鑽井因素主要包括鑽井工程設計和現場施工兩個因素，比如不合理的套管柱強度設計、井眼曲率過大（曲率半徑太小）使得套管柱在井下所承受的彎曲應力過大等。
井下作業因素
井下作業因素主要包括採油和試油過程中井管內過度掏空，酸化、壓裂、射孔、修井、打撈以及反覆測井過程中導致套管損壞、深井氣舉措施不合理，加密井與注水井注水壓力過大等。
固井工程因素
固井工程因素包括施工、固井設計和檢測三個方面，比如套管在井口的固定方式不合理、固井的質量不合格、選擇的完井方式不是最佳、套管下入過程中受到機械磨損、不合理的注水泥相關設計等，導致已被封固的套管柱受到的很大外擠壓力，以致套管損壞。
地質因素
地質因素主要包括油層出砂、泥頁岩膨脹、岩鹽層蠕變、地層構造應力的釋放、地應力場失去原有的地層壓力平衡等。
套管質量因素
套管的質量因素主要是指套管在出廠時質量就存在機械製造缺陷而不合格，以及在套管擺放、運輸、下井過程中等產生的機械損壞等。如果將套管質量存在問題的套管下入井中，套管柱將在內壓力、軸向拉伸載荷、彎曲附載入荷、外擠壓力等各種外力的共同作用下產生破壞而失效。
腐蝕疲勞因素
注水注氣因素
稠油過程熱采以及調整井高壓注氣注水，斷層修復或錯動，泥岩的水化膨脹導致套管受到非常大的外壓力而使得套管損傷。
