套管柱

套管柱套管抗擠強(qiáng)度

套管抗擠強(qiáng)度是套管在外擠壓力下破壞應(yīng)力的大小。套管受外擠壓力破壞和縱向壓桿的不穩(wěn)定破壞相似，也是一種不穩(wěn)定變形破壞。目前根據(jù)徑厚比（套管外徑與壁厚的比值）不同，可分為失穩(wěn)破壞與強(qiáng)度破壞兩種形式。徑厚比較大時(shí)屬于失穩(wěn)破壞；徑厚比較小時(shí)屬于強(qiáng)度破壞。根據(jù)現(xiàn)有套管尺寸，大部分套管屬于失穩(wěn)破壞。不同鋼級(jí)、直徑、壁厚的套管抗擠強(qiáng)度的大小，可以查閱有關(guān)手冊(cè)。

套管柱套管抗拉強(qiáng)度

套管柱通常是用接箍把套管連接而成，在確定套管抗拉強(qiáng)度時(shí)，一方面要考慮套管本體的強(qiáng)度，另一方面要考慮絲扣部分的連接強(qiáng)度。絲扣連接強(qiáng)度隨絲扣類型而變化，一般圓形絲扣連接強(qiáng)度小于套管管體強(qiáng)度，梯形絲扣連接強(qiáng)度多數(shù)情況下大于管體強(qiáng)度。各類套管管體抗拉強(qiáng)度和絲扣連接強(qiáng)度值可以查閱有關(guān)手冊(cè)。

套管柱套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度

套管在內(nèi)壓力作用下鋼材達(dá)到屈服極限時(shí)的內(nèi)壓力。套管多數(shù)屬薄壁管，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度可采用薄壁管公式計(jì)算。各類套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度可以查閱有關(guān)手冊(cè)。

各國(guó)根據(jù)各自的條件規(guī)定了自己的套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，目前，最常見的有等安全系數(shù)法，邊界載荷法，最大載荷法，AMOCO 法，西德 BEB 方法，以及前蘇聯(lián)的方法等。

套管柱等安全系數(shù)法

在套管柱設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，整個(gè)套管柱應(yīng)由不同強(qiáng)度（不同的壁厚、鋼級(jí)、連接螺紋所決定）的多段外徑相同的套管串組成，每段的最小安全系數(shù)應(yīng)等于或者大于規(guī)定的安全系數(shù)，我們把這種方法稱為等安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。近些年來，等安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法一般多先根據(jù)抗內(nèi)壓或抗擠強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，選出符合要求的套管后再進(jìn)行抗擠或者抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)與抗拉設(shè)計(jì)。

套管柱邊界載荷法

該方法的抗擠設(shè)計(jì)方法和抗內(nèi)壓與等安全系數(shù)設(shè)計(jì)法基本相同，邊界載荷也就是分段套管設(shè)計(jì)的依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定的最大強(qiáng)度余量。僅在中上部套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)改為由抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而不用抗拉強(qiáng)度被安全系數(shù)除所得到可用強(qiáng)度，并且用第一段以抗拉設(shè)計(jì)的套管抗拉強(qiáng)度和安全系數(shù)所決定的邊界載荷算得的許用強(qiáng)度來選用以上各段套管，其關(guān)系如下：

依據(jù)抗拉設(shè)計(jì)的第一段套管：抗拉強(qiáng)度/安全系數(shù)=可用強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度-可用強(qiáng)度=邊界載荷

依據(jù)抗拉設(shè)計(jì)的第二段套管：抗拉強(qiáng)度-邊界載荷=可用強(qiáng)度

后面的均用各段套管的抗拉強(qiáng)度減去同一個(gè)邊界載荷，從而得出他們的可用強(qiáng)度，并以此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)各段的使用長(zhǎng)度。這種方法設(shè)計(jì)出的各套管之間邊界載荷均相等，并不是安全系數(shù)相等，這樣設(shè)計(jì)避免了所選套管強(qiáng)度剩余過多，從而減少套管的總重，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更為合理經(jīng)濟(jì)。

套管柱最大載荷法

這是美國(guó)提出的一種設(shè)計(jì)方法，其基本思路是將套管按技術(shù)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(zhì)及大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法是先按內(nèi)壓力篩選套管，再按有效外擠力及拉應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并考慮雙軸應(yīng)力對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響，各段套管的長(zhǎng)度是通過圖解法確定的，該方法對(duì)外載考慮細(xì)致，設(shè)計(jì)精確。

套管柱AMOCO 套管設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法在載荷分析及設(shè)計(jì)方法上都有獨(dú)特之處，主要特點(diǎn)：在抗擠設(shè)計(jì)中考慮拉應(yīng)力對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的影響，即進(jìn)行雙軸應(yīng)力計(jì)算，在計(jì)算外載時(shí)考慮到接箍處的受力，在計(jì)算內(nèi)壓力時(shí)也考慮拉應(yīng)力的影響，再設(shè)計(jì)中采用了解析方法和圖解方法，避免了試湊法的繁瑣。

套管柱前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法較為繁瑣，其設(shè)計(jì)思想是考慮外載按不同的時(shí)期的變化，考慮不同井段的抗拉安全系數(shù)不同，不考慮雙向應(yīng)力，但是當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到管體屈服強(qiáng)度的 50%時(shí)，把抗拉安全系數(shù)增加到 10%。

套管柱BEB 設(shè)計(jì)方法

該方法主要是圖解法，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將套管分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中考慮抗外擠及內(nèi)壓強(qiáng)度時(shí)，必須考慮拉應(yīng)力的影響，拉應(yīng)力一律按在鉆井液中的浮重計(jì)算，并考慮浮力作用在套管底部的界面上使底部受壓應(yīng)力。

套管柱主要作用為保護(hù)、封隔各種復(fù)雜地層、穩(wěn)定井壁、建立油氣通道、安裝井口裝置等。套管是石油工業(yè)中使用數(shù)量最多的一種管材，它是通過螺紋連接成套管柱從而進(jìn)行工作的。 套管柱主要包括套管頭、表層套管、技術(shù)套管、生產(chǎn)套管、下部結(jié)構(gòu)、尾管等等。

套管柱套管頭

在井口上懸掛套管的裝置，按照正規(guī)要求，每下完一層套管并注完水泥固井后，應(yīng)卸掉聯(lián)頂節(jié)，在套管的頂部接上套管頭，以密封兩層套管之間的環(huán)形空間，并懸掛第二層套管柱和承受其部分重量。例如，標(biāo)準(zhǔn)的井口裝置應(yīng)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(shù)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(jù)連接方式的不同，套管頭又分為絲扣式和法蘭式兩大類。近年來國(guó)外生產(chǎn)出自動(dòng)密封式套管頭，適用于高壓氣井。

套管柱表層套管

為防止井眼上部地表疏松層的坍塌，封隔上部淡水層，使之不受鉆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(yīng)根據(jù)疏松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(jù)下入套管層數(shù)和生產(chǎn)套管直徑大小來確定。

套管柱技術(shù)套管

又稱中間套管，是在表層套管和生產(chǎn)套管之間，由于鉆井技術(shù)的限制所下入的套管。技術(shù)套管可以是一層或幾層。迫使下入技術(shù)套管的原因很多，如下部鉆遇高壓油、氣層，而上部地層破裂壓力梯度不足以承受重鉆井液所產(chǎn)生的壓力梯度，需要下技術(shù)套管封閉上部地層。又如鉆遇較厚疏松砂層或膨脹性頁(yè)巖，而鉆井液性能又無法控制時(shí)，也需要下入技術(shù)套管。技術(shù)套管的尺寸，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)套管直徑和套管層數(shù)多少來確定。

套管柱生產(chǎn)套管

又稱油層套管或采氣套管。油 (氣)井中下入的最后一層套管，是給油氣由井底至井口創(chuàng)建一條牢固的通路，并使油氣不致漏入其他低壓地層。生產(chǎn)套管尺寸是根據(jù)生產(chǎn)層的產(chǎn)量來確定的。通常采用5″(127mm)，6″(152mm)兩種尺寸，在產(chǎn)量特別大的油氣井也有采用8″(203mm)套管作為生產(chǎn)套管的。

套管柱下部結(jié)構(gòu)

指套管柱下部裝置附件的總稱。套管種類不同，下部結(jié)構(gòu)不同，技術(shù)套管和生產(chǎn)套管下部結(jié)構(gòu)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(huán)，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(zhì)量。

套管柱尾管

又稱鉆井襯管，在已下套管的井內(nèi)，只對(duì)裸眼井段下套管注水泥，而套管頂點(diǎn)未延伸到井口的套管柱，稱尾管。尾管根據(jù)下入井內(nèi)目的不同，分采油尾管、技術(shù)尾管、保護(hù)尾管和回接尾管。采油尾管作為完井套管，代替生產(chǎn)套管用；技術(shù)尾管用來加深技術(shù)套管； 保護(hù)尾管用于修復(fù)損壞或斷落的套管；回接尾管是把下部尾管回接到技術(shù)套管內(nèi)，覆蓋已損壞的套管。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外油田的研究調(diào)查，套管損壞的主要形式有：變形、破裂、套管錯(cuò)斷、腐蝕疲勞破漏等。分析表明，套管柱損害的主要原因有：

套管柱鉆井工程因素

鉆井因素主要包括鉆井工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工兩個(gè)因素，比如不合理的套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)、井眼曲率過大（曲率半徑太?。┦沟锰坠苤诰滤惺艿膹澢鷳?yīng)力過大等。

套管柱井下作業(yè)因素

井下作業(yè)因素主要包括采油和試油過程中井管內(nèi)過度掏空，酸化、壓裂、射孔、修井、打撈以及反復(fù)測(cè)井過程中導(dǎo)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。

套管柱固井工程因素

固井工程因素包括施工、固井設(shè)計(jì)和檢測(cè)三個(gè)方面，比如套管在井口的固定方式不合理、固井的質(zhì)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(jī)械磨損、不合理的注水泥相關(guān)設(shè)計(jì)等，導(dǎo)致已被封固的套管柱受到的很大外擠壓力，以致套管損壞。

套管柱地質(zhì)因素

地質(zhì)因素主要包括油層出砂、泥頁(yè)巖膨脹、巖鹽層蠕變、地層構(gòu)造應(yīng)力的釋放、地應(yīng)力場(chǎng)失去原有的地層壓力平衡等。

套管柱套管質(zhì)量因素

套管的質(zhì)量因素主要是指套管在出廠時(shí)質(zhì)量就存在機(jī)械制造缺陷而不合格，以及在套管擺放、運(yùn)輸、下井過程中等產(chǎn)生的機(jī)械損壞等。如果將套管質(zhì)量存在問題的套管下入井中，套管柱將在內(nèi)壓力、軸向拉伸載荷、彎曲附加載荷、外擠壓力等各種外力的共同作用下產(chǎn)生破壞而失效。

套管柱腐蝕疲勞因素

套管柱注水注氣因素

稠油過程熱采以及調(diào)整井高壓注氣注水，斷層修復(fù)或錯(cuò)動(dòng)，泥巖的水化膨脹導(dǎo)致套管受到非常大的外壓力而使得套管損傷。

在瓷套內(nèi)腔充以六氟化硫氣體絕緣的套管。通常用作氣體絕錄金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的出線套管。電容式套管以油紙或膠紙為主要絕緣，并以電容屏來均勻徑向及軸向電場(chǎng)分布的套管?，F(xiàn)代高壓電氣設(shè)備的電器套管及穿墻套管多為電容式套管。電容式套管的核心部分是電容芯，它是由多層油紙或膠紙構(gòu)成的密集絕緣體。絕緣層間夾進(jìn)金屬箔電極，構(gòu)成多個(gè)同心圓柱形的電容器。同心圓柱形電容器電極的直徑由內(nèi)向外依次增加，而其長(zhǎng)度則依次減少。電極的直徑及長(zhǎng)度按一定規(guī)律選取，使徑向及軸向的電場(chǎng)分布趨于均勻，以使在滿足電氣性能要求的前提下套管的尺寸最小。為改善金屬箔電極邊緣處的電場(chǎng)分布，有時(shí)采用半導(dǎo)體極板或半導(dǎo)體滾邊的金屬箔極板 。

以瓷套內(nèi)腔充填的絕緣油加絕緣屏障為主要絕緣的套管。僅在瓷套內(nèi)充以絕緣油的套管，即瓷一油套管多用于110kV及以下的電壓等級(jí)。對(duì)于更高的電壓等級(jí)則采用導(dǎo)電桿包絕緣紙或套膠紙筒的措施，或在油隙中加入多層同心圓柱絕緣屏障，以提高擊穿電壓。有時(shí)還在絕緣屏障上敷設(shè)金屬極板，以均勻電場(chǎng)分布。

套管扶正器是裝在套管柱上使套管柱在井眼內(nèi)居中的裝置。是套管附件之一。