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南方海相探区重点钻井技术研究及软件开发套管强度设计
套管强度设计
套管柱从入井开始起是否会破坏对于随后的钻进或是以后的油气生产都是至关重要
的。套管柱在井下是否会破坏取决于作用在套管上的外载和套管本身强度的相对大小。套管
柱所受的外载，从套管柱入井后是变化的，甚至套管本身的强度也要发生变化。套管柱强度
设计的任务就是要事先设计出强度足够的套管柱以保证能经受入井后各种外载的作用，同时
在保证套管不破坏的前提下，还应使所设计出的套管柱在成本上是最低的，这就是通常所说
的套管柱设计的“既安全又经济”的原则。
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南方海相探区重点钻井技术研究及软件开发套管强度设计
第一节套管柱外载分析与计算
套管柱从入井开始就受有各种外载的作用，而且，在以后的不同生产工序（或工作）情
况（简称工况）下其所受的外载大小是不一样的。为了使设计出的套管柱安全，必须对各种
可能出现的工况下的外载作用情况及外载大小进行分析，找出最危险（即外载最大）的工况，
按最危险工况计算套管柱所受外载值，以此进行套管柱强度设计。
套管柱在井下的受力是复杂的，但经过长期生产实践的分析和证明，其所受的基本外载
可分为三种，即作用在管柱外壁上的外挤压力、作用在管柱内壁上的内压力和作用在管柱内
方向与管柱轴线平行的轴向拉力。
一.外挤压力
套管柱所受的外挤压力主要来自管外钻井液液柱压力（水泥不返到井口时，上部有一段
套管外为钻井液。该段套管称为自由套管）、水泥浆液柱压力、地层中流体压力、易流动岩
层的侧压力等。套管柱在受有外压力（外挤压力常简称为外压力）作用时，管内可能还作用
有内压力，该内压力要抵消一部分外压力（该内压力习惯上称为支撑内压力），因此实际对
套管起挤压作用的是减去该内压力后所剩余的外压力，称为有效外压力。对外挤压力分析计
算也就是要分析计算其有效外压力。有效外压力为：
PPP（1）
oeoib
式中Poe——有效外压力，MPa；
Po——外压力，MPa；
Pib——支撑内压力，MPa。
分析表明，对于表层套管和技术套管，如在下一井段钻进过程中发生井漏时有效外压力
将最大（这时管内压力很小）。但是漏的情况还不一样，对于表层套管，因为其一般下得比
较浅，很可能井漏后井内钻井液液面（称为漏失面）在表层套管以下（这种情况称为全漏空，
又常称全掏空），这时就没有支撑内压力作用；对于技术套管，一般不会发生全漏空的情况，
因此技术套管的下部还有支撑内压力作用。同样是技术套管，在不同地区，井内漏失程度也
会有差别，因此有效外压力也会不一样。
而对于油层套管，一般在采油后期产层压力降得很低的时候产生最大有效外压力（开发
后期可能抽油或气举采油），因为这时套管内的内压力会降得很低。若近似认为内压力为零，
则其受载情况与表层套管类似，即为全掏空。
1．外压力
对于外压力的计算，很显然，在水泥面（环空内水泥的顶面）以上应按钻井液液柱压力
计算。对于水泥封固段，当发生上述最大有效外压力时，管外环空中的水泥已经凝固，水泥
环（水泥浆在环空内凝固后的环状水泥石称为水泥环）应有助于套管承受外压力，但难于准
确计算，因此从安全角度考虑现场上一般将水泥面以下水泥环段的外压力也按钻井液液柱压
力计算。
因此，套管柱的外压力计算式为：
P0.0098H（2）
om
式中H——井深，m；
3
ρ——固井时钻井液密度，g/cm。
m
2．支撑内压力
支撑内压力的计算要分情况。对于表层套管、油层套管这种可能全掏空的情况，支撑内
压力为零：