套管柱结构与强度设计

中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所、中国石油大学（北京）2100433B

丁士东、覃成锦等。

各国根据各自的条件规定了自己的套管柱强度设计方法，目前，最常见的有等安全系数法，边界载荷法，最大载荷法，AMOCO 法，西德 BEB 方法，以及前苏联的方法等。

套管柱等安全系数法

在套管柱设计中，为了达到既安全又经济的目标，整个套管柱应由不同强度（不同的壁厚、钢级、连接螺纹所决定）的多段外径相同的套管串组成，每段的最小安全系数应等于或者大于规定的安全系数，我们把这种方法称为等安全系数设计法。近些年来，等安全系数设计方法一般多先根据抗内压或抗挤强度进行设计，选出符合要求的套管后再进行抗挤或者抗内压设计与抗拉设计。

套管柱边界载荷法

该方法的抗挤设计方法和抗内压与等安全系数设计法基本相同，边界载荷也就是分段套管设计的依据生产经验确定的最大强度余量。仅在中上部套管柱强度设计时改为由抗拉强度设计，而不用抗拉强度被安全系数除所得到可用强度，并且用第一段以抗拉设计的套管抗拉强度和安全系数所决定的边界载荷算得的许用强度来选用以上各段套管，其关系如下：

依据抗拉设计的第一段套管：抗拉强度/安全系数=可用强度

抗拉强度-可用强度=边界载荷

依据抗拉设计的第二段套管：抗拉强度-边界载荷=可用强度

后面的均用各段套管的抗拉强度减去同一个边界载荷，从而得出他们的可用强度，并以此设计方法设计各段的使用长度。这种方法设计出的各套管之间边界载荷均相等，并不是安全系数相等，这样设计避免了所选套管强度剩余过多，从而减少套管的总重，使得设计结果更为合理经济。

套管柱最大载荷法

这是美国提出的一种设计方法，其基本思路是将套管按技术套管、表层套管、有层套管等分类将每一类套管的载荷按其外在性质及大小进行设计，其设计方法是先按内压力筛选套管，再按有效外挤力及拉应力进行强度设计，并考虑双轴应力对抗挤强度的影响，各段套管的长度是通过图解法确定的，该方法对外载考虑细致，设计精确。

套管柱AMOCO 套管设计方法

该设计方法在载荷分析及设计方法上都有独特之处，主要特点：在抗挤设计中考虑拉应力对套管抗挤强度的影响，即进行双轴应力计算，在计算外载时考虑到接箍处的受力，在计算内压力时也考虑拉应力的影响，再设计中采用了解析方法和图解方法，避免了试凑法的繁琐。

套管柱前苏联的设计方法

该设计方法较为繁琐，其设计思想是考虑外载按不同的时期的变化，考虑不同井段的抗拉安全系数不同，不考虑双向应力，但是当拉应力达到管体屈服强度的 50%时，把抗拉安全系数增加到 10%。

套管柱BEB 设计方法

该方法主要是图解法，设计特点是将套管分类进行设计，在设计中考虑抗外挤及内压强度时，必须考虑拉应力的影响，拉应力一律按在钻井液中的浮重计算，并考虑浮力作用在套管底部的界面上使底部受压应力。

套管柱套管抗挤强度

套管抗挤强度是套管在外挤压力下破坏应力的大小。套管受外挤压力破坏和纵向压杆的不稳定破坏相似，也是一种不稳定变形破坏。目前根据径厚比（套管外径与壁厚的比值）不同，可分为失稳破坏与强度破坏两种形式。径厚比较大时属于失稳破坏；径厚比较小时属于强度破坏。根据现有套管尺寸，大部分套管属于失稳破坏。不同钢级、直径、壁厚的套管抗挤强度的大小，可以查阅有关手册。

套管柱套管抗拉强度

套管柱通常是用接箍把套管连接而成，在确定套管抗拉强度时，一方面要考虑套管本体的强度，另一方面要考虑丝扣部分的连接强度。丝扣连接强度随丝扣类型而变化，一般圆形丝扣连接强度小于套管管体强度，梯形丝扣连接强度多数情况下大于管体强度。各类套管管体抗拉强度和丝扣连接强度值可以查阅有关手册。

套管柱套管抗内压强度

套管在内压力作用下钢材达到屈服极限时的内压力。套管多数属薄壁管，其抗内压强度可采用薄壁管公式计算。各类套管抗内压强度可以查阅有关手册。

《复杂地层深井井身结构与套管强度优化设计》主要针对地层信息存在不确定性的复杂地质环境下对油气井工程设计中深井、超深井井身结构和套管柱强度问题进行了论述。主要内容包括：国内外深井、超深井井身结构对比，地层信息不确定条件下地层压力剖面的构建方法，套管层次及下入深度确定方法，井身结构风险评价，套管钻头系列优选，复杂井况条件下套管柱强度分析与计算，以及套管失效风险评价方法。

《复杂地层深井井身结构与套管强度优化设计》适合从事钻井工程设计与施工的技术人员参考，也可供石油工程相关专业师生与工程技术人员参考。