油田化學(xué)套力計算規(guī)定一、概述

油田化學(xué)套力計算是確保油氣井固井作業(yè)順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。套力計算涉及對套管柱在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，以確定合適的固井參數(shù)。本規(guī)范旨在提供一套系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法，涵蓋套管柱的軸向力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)載荷等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的確定。通過規(guī)范計算，可以有效避免固井過程中因套力異常導(dǎo)致的工程事故，保障固井質(zhì)量。

二、套力計算的基本原理

套力計算基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的基本原理，主要考慮以下因素：

（一）套管柱的機械特性

（二）井筒內(nèi)流體壓力的影響

（三）地面操作引起的動態(tài)載荷

三、套力計算的具體步驟

（一）參數(shù)采集

1.套管參數(shù)采集：記錄套管的外徑、壁厚、彈性模量、屈服強度等機械性能參數(shù)。

2.井筒參數(shù)采集：測量井深、井眼軌跡（方位角、傾角）、環(huán)空流體密度等。

3.操作參數(shù)采集：記錄水泥漿密度、頂替速率、固井作業(yè)時的溫度變化等。

（二）靜態(tài)力計算

1.自重載荷計算：根據(jù)套管密度和井深，計算套管柱自重產(chǎn)生的軸向力。

-計算公式：F_self=ρ_casing×L×A

-ρ_casing：套管密度（kg/m3）

-L：井深（m）

-A：套管橫截面積（m2）

2.壓差載荷計算：根據(jù)井筒內(nèi)流體壓力與水泥漿壓力的差值，計算對套管的側(cè)向壓力。

-計算公式：F_pressure=(P_fluid-P_cement)×A

-P_fluid：井筒內(nèi)流體壓力（Pa）

-P_cement：水泥漿壓力（Pa）

-A：套管橫截面積（m2）

（三）動態(tài)力計算

1.頂替壓力引起的動態(tài)載荷：

-計算步驟：

(1)確定頂替速率和流體粘度，計算摩阻壓力。

(2)考慮井眼彎曲導(dǎo)致的附加摩擦力。

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)頂替速率為0.5m3/h，流體粘度為0.001Pa·s，井眼彎曲角度為5°，則摩阻壓力可按以下公式估算：

-P_friction=μ×Q/(A×v)×sin(θ)

-μ：流體粘度

-Q：頂替流量

-A：套管橫截面積

-v：頂替速度（m/s）

-θ：井眼彎曲角度

2.水泥漿膨脹應(yīng)力：

-計算步驟：

(1)根據(jù)水泥漿類型和溫度變化，計算膨脹系數(shù)。

(2)估算水泥漿膨脹產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)水泥漿膨脹系數(shù)為1.2×10??/°C，溫度變化20°C，則膨脹應(yīng)力為：

-σ_expansion=α×ΔT×E

-α：膨脹系數(shù)

-ΔT：溫度變化

-E：套管彈性模量

（四）總套力計算

1.合成軸向力：將自重載荷、壓差載荷、動態(tài)載荷及水泥漿膨脹應(yīng)力疊加，得到總軸向力。

-計算公式：F_total=F_self+F_pressure+F_dynamic+F_expansion

2.彎曲應(yīng)力校核：

-計算套管柱在井眼軌跡下的彎曲應(yīng)力，確保應(yīng)力值低于套管屈服強度。

-示例校核：假設(shè)套管屈服強度為550MPa，最大彎曲應(yīng)力計算結(jié)果為300MPa，則滿足安全要求。

四、注意事項

1.計算過程中需考慮安全系數(shù)，一般取1.1～1.5。

2.對于特殊井況（如高壓氣層、復(fù)雜井眼），需增加冗余校核。

3.實際作業(yè)中，動態(tài)參數(shù)（如頂替速率）需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整。

4.套力計算結(jié)果應(yīng)與固井設(shè)計軟件進行交叉驗證，確保準(zhǔn)確性。

一、概述

油田化學(xué)套力計算是確保油氣井固井作業(yè)順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。套力計算涉及對套管柱在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，以確定合適的固井參數(shù)。本規(guī)范旨在提供一套系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法，涵蓋套管柱的軸向力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)載荷等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的確定。通過規(guī)范計算，可以有效避免固井過程中因套力異常導(dǎo)致的工程事故，保障固井質(zhì)量。

二、套力計算的基本原理

套力計算基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的基本原理，主要考慮以下因素：

（一）套管柱的機械特性

套管柱的機械特性是計算套力的基礎(chǔ)，主要包括套管的材料屬性、幾何尺寸和連接方式。

1.材料屬性：套管通常由高強度鋼材制成，其彈性模量、屈服強度、抗拉強度等是關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)直接影響套管柱在受力時的變形和承載能力。例如，彈性模量較高的套管柱在相同載荷下變形較小，而屈服強度高的套管則更能抵抗塑性變形。

2.幾何尺寸：套管的外徑、壁厚直接影響其橫截面積和截面模量，進而影響其承載能力。外徑較大的套管通常具有更高的抗彎和抗壓能力，而壁厚則直接影響其抗壓強度和疲勞壽命。

3.連接方式：套管柱通過接箍連接，接箍的強度和密封性對整體套力計算有重要影響。接箍的剛度通常低于套管本體，因此在計算中需考慮接箍的彈性變形對總套力的影響。

（二）井筒內(nèi)流體壓力的影響

井筒內(nèi)流體的壓力是套管柱受力的重要組成部分，主要包括地層壓力、井筒液柱壓力和水泥漿壓力。這些壓力通過井壁作用于套管柱，產(chǎn)生側(cè)向力和軸向力。

1.地層壓力：地層壓力是指井筒內(nèi)某深度的地層孔隙壓力，其大小和分布直接影響套管柱的側(cè)向應(yīng)力。當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂诰惨褐鶋毫r，套管柱會受到額外的側(cè)向壓縮應(yīng)力，需通過套管壁厚和材料強度來抵抗。

2.井筒液柱壓力：井筒液柱壓力是指井筒內(nèi)液體的重力產(chǎn)生的壓力，其大小與液體密度和井深成正比。液柱壓力通過井筒作用于套管柱，產(chǎn)生軸向力和側(cè)向力。在固井作業(yè)中，水泥漿的密度和流量會影響液柱壓力的分布，進而影響套力計算。

3.水泥漿壓力：水泥漿在固井過程中起到填充和固井的作用，其壓力會影響套管柱的軸向力和側(cè)向力。水泥漿的壓力通常通過控制流量和排量來調(diào)節(jié)，需確保其壓力在套管柱的承載能力范圍內(nèi)。

（三）地面操作引起的動態(tài)載荷

地面操作引起的動態(tài)載荷主要包括頂替壓力、振動和溫度變化等因素，這些動態(tài)載荷會增加套管柱的應(yīng)力和變形，需在計算中予以考慮。

1.頂替壓力：頂替壓力是指水泥漿在井筒內(nèi)流動時產(chǎn)生的壓力，其大小與流量、粘度和井眼幾何形狀有關(guān)。頂替壓力會導(dǎo)致套管柱受到額外的動態(tài)載荷，需通過計算摩阻壓力和加速度力來評估其影響。

2.振動：地面操作時，泵送設(shè)備和鉆機等設(shè)備會產(chǎn)生振動，振動會通過井筒傳遞到套管柱，增加其動態(tài)應(yīng)力和疲勞風(fēng)險。在套力計算中，需考慮振動頻率和幅值對套管柱的影響，必要時增加安全系數(shù)。

3.溫度變化：固井過程中，水泥漿的水化反應(yīng)會釋放熱量，導(dǎo)致井筒溫度升高。溫度變化會影響套管柱的彈性模量和應(yīng)力分布，需通過熱應(yīng)力計算來評估其影響。例如，溫度升高會導(dǎo)致套管柱膨脹，增加軸向力；而溫度降低則會導(dǎo)致套管柱收縮，減少軸向力。

三、套力計算的具體步驟

（一）參數(shù)采集

1.套管參數(shù)采集：記錄套管的外徑、壁厚、彈性模量、屈服強度等機械性能參數(shù)。

-外徑：套管的外徑通常在100mm至500mm之間，具體數(shù)值取決于井眼尺寸和固井要求。

-壁厚：套管的壁厚通常在6mm至20mm之間，壁厚越大，套管的強度和剛度越高，但成本也越高。

-彈性模量：套管的彈性模量通常在200GPa至210GPa之間，表示套管在受力時的變形程度。

-屈服強度：套管的屈服強度通常在400MPa至550MPa之間，表示套管在受力時開始發(fā)生塑性變形的臨界應(yīng)力。

2.井筒參數(shù)采集：測量井深、井眼軌跡（方位角、傾角）、環(huán)空流體密度等。

-井深：井深通常在幾百米至幾千米之間，深井的固井作業(yè)更具挑戰(zhàn)性，需考慮更復(fù)雜的力學(xué)因素。

-井眼軌跡：井眼軌跡的復(fù)雜程度直接影響套管柱的彎曲應(yīng)力和疲勞風(fēng)險。方位角和傾角的變化會導(dǎo)致套管柱在不同方向上受到不同的應(yīng)力，需通過井眼軌跡數(shù)據(jù)計算彎曲應(yīng)力。

-環(huán)空流體密度：環(huán)空流體密度通常在800kg/m3至1200kg/m3之間，流體密度越高，對套管的側(cè)向壓力越大。

3.操作參數(shù)采集：記錄水泥漿密度、頂替速率、固井作業(yè)時的溫度變化等。

-水泥漿密度：水泥漿密度通常在1200kg/m3至1800kg/m3之間，密度越高，對套管的側(cè)向壓力越大，但也能更好地平衡地層壓力。

-頂替速率：頂替速率通常在0.1m3/h至1m3/h之間，頂替速率越高，摩阻壓力越大，但固井作業(yè)時間越短。

-溫度變化：固井作業(yè)時的溫度變化范圍通常在20°C至50°C之間，溫度變化會影響水泥漿的水化反應(yīng)和套管的熱應(yīng)力，需通過熱應(yīng)力計算來評估其影響。

（二）靜態(tài)力計算

1.自重載荷計算：根據(jù)套管密度和井深，計算套管柱自重產(chǎn)生的軸向力。

-計算公式：F_self=ρ_casing×L×A

-ρ_casing：套管密度（kg/m3）

-L：井深（m）

-A：套管橫截面積（m2）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)套管密度為7800kg/m3，井深為2000m，套管外徑為273.1mm，壁厚為9.19mm，則套管橫截面積A=π×(139.552-134.462)=3.14×(19385.6-18077.1)=4.85×10?mm2=4.85×10?2m2。自重載荷F_self=7800×2000×4.85×10?2=7.61×10?N=7610kN。

2.壓差載荷計算：根據(jù)井筒內(nèi)流體壓力與水泥漿壓力的差值，計算對套管的側(cè)向壓力。

-計算公式：F_pressure=(P_fluid-P_cement)×A

-P_fluid：井筒內(nèi)流體壓力（Pa）

-P_cement：水泥漿壓力（Pa）

-A：套管橫截面積（m2）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)井筒內(nèi)流體壓力為20MPa，水泥漿壓力為25MPa，套管橫截面積A為4.85×10?2m2，則側(cè)向壓力F_pressure=(20×10?-25×10?)×4.85×10?2=-2.42×10?N=-2420kN（負(fù)值表示壓縮力）。

（三）動態(tài)力計算

1.頂替壓力引起的動態(tài)載荷：

-計算步驟：

(1)確定頂替速率和流體粘度，計算摩阻壓力。

-計算公式：P_friction=μ×Q/(A×v)×sin(θ)

-μ：流體粘度（Pa·s）

-Q：頂替流量（m3/s）

-A：套管橫截面積（m2）

-v：頂替速度（m/s）

-θ：井眼彎曲角度（°）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)流體粘度為0.001Pa·s，頂替流量為0.5m3/h=1.39×10??m3/s，套管橫截面積A為4.85×10?2m2，頂替速度v為0.1m/s，井眼彎曲角度θ為5°，則摩阻壓力P_friction=0.001×1.39×10??/(4.85×10?2×0.1)×sin(5°)=3.6×10?Pa=0.036MPa。

(2)考慮井眼彎曲導(dǎo)致的附加摩擦力。

-附加摩擦力計算公式：F_friction_add=μ×F_pressure×sin(θ)

-F_pressure：側(cè)向壓力（N）

-μ：摩擦系數(shù)

-θ：井眼彎曲角度（°）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)側(cè)向壓力F_pressure為2420kN，摩擦系數(shù)μ為0.1，井眼彎曲角度θ為5°，則附加摩擦力F_friction_add=0.1×2420×103×sin(5°)=2.12×10?N=212kN。

2.水泥漿膨脹應(yīng)力：

-計算步驟：

(1)根據(jù)水泥漿類型和溫度變化，計算膨脹系數(shù)。

-膨脹系數(shù)通常在1×10??/°C至2×10??/°C之間，具體數(shù)值取決于水泥漿類型和水化反應(yīng)。

(2)估算水泥漿膨脹產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

-計算公式：σ_expansion=α×ΔT×E

-α：膨脹系數(shù)（1/°C）

-ΔT：溫度變化（°C）

-E：套管彈性模量（Pa）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)膨脹系數(shù)α為1.5×10??/°C，溫度變化ΔT為20°C，套管彈性模量E為200GPa=200×10?Pa，則膨脹應(yīng)力σ_expansion=1.5×10??×20×200×10?=6.0×10?Pa=600MPa。

（四）總套力計算

1.合成軸向力：將自重載荷、壓差載荷、動態(tài)載荷及水泥漿膨脹應(yīng)力疊加，得到總軸向力。

-計算公式：F_total=F_self+F_pressure+F_dynamic+F_expansion

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)自重載荷F_self為7610kN，壓差載荷F_pressure為-2420kN，動態(tài)載荷F_dynamic為212kN，水泥漿膨脹應(yīng)力F_expansion為600MPa×4.85×10?2m2=29.1kN，則總軸向力F_total=7610-2420+212+29.1=5431.1kN。

2.彎曲應(yīng)力校核：

-計算套管柱在井眼軌跡下的彎曲應(yīng)力，確保應(yīng)力值低于套管屈服強度。

-彎曲應(yīng)力計算公式：σ_bend=M/W

-M：彎矩（N·m）

-W：截面模量（m3）

-示例校核：假設(shè)彎矩M為1000kN·m，套管外徑為273.1mm，壁厚為9.19mm，則截面模量W=π×(139.552-134.462)/32=3.14×(19385.6-18077.1)/32=14.6×10??m3。彎曲應(yīng)力σ_bend=1000×103/14.6×10??=6.8×10?Pa=680MPa。假設(shè)套管屈服強度為550MPa，彎曲應(yīng)力680MPa大于屈服強度，需調(diào)整設(shè)計參數(shù)（如增加套管壁厚或降低水泥漿密度）以降低彎曲應(yīng)力。

四、注意事項

1.計算過程中需考慮安全系數(shù)，一般取1.1～1.5。安全系數(shù)的引入是為了彌補計算中可能存在的誤差和不確定性，確保套管柱在實際作業(yè)中的安全性。例如，假設(shè)總軸向力F_total為5431.1kN，安全系數(shù)取1.2，則設(shè)計軸向力為F_design=5431.1×1.2=6517.3kN。

2.對于特殊井況（如高壓氣層、復(fù)雜井眼），需增加冗余校核。特殊井況通常具有更高的地質(zhì)風(fēng)險和工程挑戰(zhàn)，需通過更嚴(yán)格的分析和校核來確保固井作業(yè)的安全性。例如，對于高壓氣層，需校核套管柱的抗壓強度和密封性，確保其能夠承受高壓氣體的侵入；對于復(fù)雜井眼，需校核套管柱的彎曲應(yīng)力和疲勞壽命，確保其能夠承受井眼軌跡變化帶來的力學(xué)載荷。

3.實際作業(yè)中，動態(tài)參數(shù)（如頂替速率）需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整。實際固井作業(yè)中，頂替速率等動態(tài)參數(shù)會受到現(xiàn)場條件的影響，需根據(jù)實際情況進行調(diào)整。例如，當(dāng)井眼不清潔時，需降低頂替速率以避免井眼堵塞；當(dāng)井眼通暢時，可提高頂替速率以縮短固井作業(yè)時間。

4.套力計算結(jié)果應(yīng)與固井設(shè)計軟件進行交叉驗證，確保準(zhǔn)確性。固井設(shè)計軟件通常具有更完善的計算模型和算法，能夠更準(zhǔn)確地模擬固井作業(yè)過程中的力學(xué)響應(yīng)，因此需將套力計算結(jié)果與固井設(shè)計軟件進行交叉驗證，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

一、概述

油田化學(xué)套力計算是確保油氣井固井作業(yè)順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。套力計算涉及對套管柱在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，以確定合適的固井參數(shù)。本規(guī)范旨在提供一套系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法，涵蓋套管柱的軸向力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)載荷等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的確定。通過規(guī)范計算，可以有效避免固井過程中因套力異常導(dǎo)致的工程事故，保障固井質(zhì)量。

二、套力計算的基本原理

套力計算基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的基本原理，主要考慮以下因素：

（一）套管柱的機械特性

（二）井筒內(nèi)流體壓力的影響

（三）地面操作引起的動態(tài)載荷

三、套力計算的具體步驟

（一）參數(shù)采集

1.套管參數(shù)采集：記錄套管的外徑、壁厚、彈性模量、屈服強度等機械性能參數(shù)。

2.井筒參數(shù)采集：測量井深、井眼軌跡（方位角、傾角）、環(huán)空流體密度等。

3.操作參數(shù)采集：記錄水泥漿密度、頂替速率、固井作業(yè)時的溫度變化等。

（二）靜態(tài)力計算

1.自重載荷計算：根據(jù)套管密度和井深，計算套管柱自重產(chǎn)生的軸向力。

-計算公式：F_self=ρ_casing×L×A

-ρ_casing：套管密度（kg/m3）

-L：井深（m）

-A：套管橫截面積（m2）

2.壓差載荷計算：根據(jù)井筒內(nèi)流體壓力與水泥漿壓力的差值，計算對套管的側(cè)向壓力。

-計算公式：F_pressure=(P_fluid-P_cement)×A

-P_fluid：井筒內(nèi)流體壓力（Pa）

-P_cement：水泥漿壓力（Pa）

-A：套管橫截面積（m2）

（三）動態(tài)力計算

1.頂替壓力引起的動態(tài)載荷：

-計算步驟：

(1)確定頂替速率和流體粘度，計算摩阻壓力。

(2)考慮井眼彎曲導(dǎo)致的附加摩擦力。

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)頂替速率為0.5m3/h，流體粘度為0.001Pa·s，井眼彎曲角度為5°，則摩阻壓力可按以下公式估算：

-P_friction=μ×Q/(A×v)×sin(θ)

-μ：流體粘度

-Q：頂替流量

-A：套管橫截面積

-v：頂替速度（m/s）

-θ：井眼彎曲角度

2.水泥漿膨脹應(yīng)力：

-計算步驟：

(1)根據(jù)水泥漿類型和溫度變化，計算膨脹系數(shù)。

(2)估算水泥漿膨脹產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)水泥漿膨脹系數(shù)為1.2×10??/°C，溫度變化20°C，則膨脹應(yīng)力為：

-σ_expansion=α×ΔT×E

-α：膨脹系數(shù)

-ΔT：溫度變化

-E：套管彈性模量

（四）總套力計算

1.合成軸向力：將自重載荷、壓差載荷、動態(tài)載荷及水泥漿膨脹應(yīng)力疊加，得到總軸向力。

-計算公式：F_total=F_self+F_pressure+F_dynamic+F_expansion

2.彎曲應(yīng)力校核：

-計算套管柱在井眼軌跡下的彎曲應(yīng)力，確保應(yīng)力值低于套管屈服強度。

-示例校核：假設(shè)套管屈服強度為550MPa，最大彎曲應(yīng)力計算結(jié)果為300MPa，則滿足安全要求。

四、注意事項

1.計算過程中需考慮安全系數(shù)，一般取1.1～1.5。

2.對于特殊井況（如高壓氣層、復(fù)雜井眼），需增加冗余校核。

3.實際作業(yè)中，動態(tài)參數(shù)（如頂替速率）需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整。

4.套力計算結(jié)果應(yīng)與固井設(shè)計軟件進行交叉驗證，確保準(zhǔn)確性。

一、概述

油田化學(xué)套力計算是確保油氣井固井作業(yè)順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。套力計算涉及對套管柱在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)進行分析，以確定合適的固井參數(shù)。本規(guī)范旨在提供一套系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法，涵蓋套管柱的軸向力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)載荷等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的確定。通過規(guī)范計算，可以有效避免固井過程中因套力異常導(dǎo)致的工程事故，保障固井質(zhì)量。

二、套力計算的基本原理

套力計算基于材料力學(xué)和流體力學(xué)的基本原理，主要考慮以下因素：

（一）套管柱的機械特性

套管柱的機械特性是計算套力的基礎(chǔ)，主要包括套管的材料屬性、幾何尺寸和連接方式。

1.材料屬性：套管通常由高強度鋼材制成，其彈性模量、屈服強度、抗拉強度等是關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)直接影響套管柱在受力時的變形和承載能力。例如，彈性模量較高的套管柱在相同載荷下變形較小，而屈服強度高的套管則更能抵抗塑性變形。

2.幾何尺寸：套管的外徑、壁厚直接影響其橫截面積和截面模量，進而影響其承載能力。外徑較大的套管通常具有更高的抗彎和抗壓能力，而壁厚則直接影響其抗壓強度和疲勞壽命。

3.連接方式：套管柱通過接箍連接，接箍的強度和密封性對整體套力計算有重要影響。接箍的剛度通常低于套管本體，因此在計算中需考慮接箍的彈性變形對總套力的影響。

（二）井筒內(nèi)流體壓力的影響

井筒內(nèi)流體的壓力是套管柱受力的重要組成部分，主要包括地層壓力、井筒液柱壓力和水泥漿壓力。這些壓力通過井壁作用于套管柱，產(chǎn)生側(cè)向力和軸向力。

1.地層壓力：地層壓力是指井筒內(nèi)某深度的地層孔隙壓力，其大小和分布直接影響套管柱的側(cè)向應(yīng)力。當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂诰惨褐鶋毫r，套管柱會受到額外的側(cè)向壓縮應(yīng)力，需通過套管壁厚和材料強度來抵抗。

2.井筒液柱壓力：井筒液柱壓力是指井筒內(nèi)液體的重力產(chǎn)生的壓力，其大小與液體密度和井深成正比。液柱壓力通過井筒作用于套管柱，產(chǎn)生軸向力和側(cè)向力。在固井作業(yè)中，水泥漿的密度和流量會影響液柱壓力的分布，進而影響套力計算。

3.水泥漿壓力：水泥漿在固井過程中起到填充和固井的作用，其壓力會影響套管柱的軸向力和側(cè)向力。水泥漿的壓力通常通過控制流量和排量來調(diào)節(jié)，需確保其壓力在套管柱的承載能力范圍內(nèi)。

（三）地面操作引起的動態(tài)載荷

地面操作引起的動態(tài)載荷主要包括頂替壓力、振動和溫度變化等因素，這些動態(tài)載荷會增加套管柱的應(yīng)力和變形，需在計算中予以考慮。

1.頂替壓力：頂替壓力是指水泥漿在井筒內(nèi)流動時產(chǎn)生的壓力，其大小與流量、粘度和井眼幾何形狀有關(guān)。頂替壓力會導(dǎo)致套管柱受到額外的動態(tài)載荷，需通過計算摩阻壓力和加速度力來評估其影響。

2.振動：地面操作時，泵送設(shè)備和鉆機等設(shè)備會產(chǎn)生振動，振動會通過井筒傳遞到套管柱，增加其動態(tài)應(yīng)力和疲勞風(fēng)險。在套力計算中，需考慮振動頻率和幅值對套管柱的影響，必要時增加安全系數(shù)。

3.溫度變化：固井過程中，水泥漿的水化反應(yīng)會釋放熱量，導(dǎo)致井筒溫度升高。溫度變化會影響套管柱的彈性模量和應(yīng)力分布，需通過熱應(yīng)力計算來評估其影響。例如，溫度升高會導(dǎo)致套管柱膨脹，增加軸向力；而溫度降低則會導(dǎo)致套管柱收縮，減少軸向力。

三、套力計算的具體步驟

（一）參數(shù)采集

1.套管參數(shù)采集：記錄套管的外徑、壁厚、彈性模量、屈服強度等機械性能參數(shù)。

-外徑：套管的外徑通常在100mm至500mm之間，具體數(shù)值取決于井眼尺寸和固井要求。

-壁厚：套管的壁厚通常在6mm至20mm之間，壁厚越大，套管的強度和剛度越高，但成本也越高。

-彈性模量：套管的彈性模量通常在200GPa至210GPa之間，表示套管在受力時的變形程度。

-屈服強度：套管的屈服強度通常在400MPa至550MPa之間，表示套管在受力時開始發(fā)生塑性變形的臨界應(yīng)力。

2.井筒參數(shù)采集：測量井深、井眼軌跡（方位角、傾角）、環(huán)空流體密度等。

-井深：井深通常在幾百米至幾千米之間，深井的固井作業(yè)更具挑戰(zhàn)性，需考慮更復(fù)雜的力學(xué)因素。

-井眼軌跡：井眼軌跡的復(fù)雜程度直接影響套管柱的彎曲應(yīng)力和疲勞風(fēng)險。方位角和傾角的變化會導(dǎo)致套管柱在不同方向上受到不同的應(yīng)力，需通過井眼軌跡數(shù)據(jù)計算彎曲應(yīng)力。

-環(huán)空流體密度：環(huán)空流體密度通常在800kg/m3至1200kg/m3之間，流體密度越高，對套管的側(cè)向壓力越大。

3.操作參數(shù)采集：記錄水泥漿密度、頂替速率、固井作業(yè)時的溫度變化等。

-水泥漿密度：水泥漿密度通常在1200kg/m3至1800kg/m3之間，密度越高，對套管的側(cè)向壓力越大，但也能更好地平衡地層壓力。

-頂替速率：頂替速率通常在0.1m3/h至1m3/h之間，頂替速率越高，摩阻壓力越大，但固井作業(yè)時間越短。

-溫度變化：固井作業(yè)時的溫度變化范圍通常在20°C至50°C之間，溫度變化會影響水泥漿的水化反應(yīng)和套管的熱應(yīng)力，需通過熱應(yīng)力計算來評估其影響。

（二）靜態(tài)力計算

1.自重載荷計算：根據(jù)套管密度和井深，計算套管柱自重產(chǎn)生的軸向力。

-計算公式：F_self=ρ_casing×L×A

-ρ_casing：套管密度（kg/m3）

-L：井深（m）

-A：套管橫截面積（m2）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)套管密度為7800kg/m3，井深為2000m，套管外徑為273.1mm，壁厚為9.19mm，則套管橫截面積A=π×(139.552-134.462)=3.14×(19385.6-18077.1)=4.85×10?mm2=4.85×10?2m2。自重載荷F_self=7800×2000×4.85×10?2=7.61×10?N=7610kN。

2.壓差載荷計算：根據(jù)井筒內(nèi)流體壓力與水泥漿壓力的差值，計算對套管的側(cè)向壓力。

-計算公式：F_pressure=(P_fluid-P_cement)×A

-P_fluid：井筒內(nèi)流體壓力（Pa）

-P_cement：水泥漿壓力（Pa）

-A：套管橫截面積（m2）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)井筒內(nèi)流體壓力為20MPa，水泥漿壓力為25MPa，套管橫截面積A為4.85×10?2m2，則側(cè)向壓力F_pressure=(20×10?-25×10?)×4.85×10?2=-2.42×10?N=-2420kN（負(fù)值表示壓縮力）。

（三）動態(tài)力計算

1.頂替壓力引起的動態(tài)載荷：

-計算步驟：

(1)確定頂替速率和流體粘度，計算摩阻壓力。

-計算公式：P_friction=μ×Q/(A×v)×sin(θ)

-μ：流體粘度（Pa·s）

-Q：頂替流量（m3/s）

-A：套管橫截面積（m2）

-v：頂替速度（m/s）

-θ：井眼彎曲角度（°）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)流體粘度為0.001Pa·s，頂替流量為0.5m3/h=1.39×10??m3/s，套管橫截面積A為4.85×10?2m2，頂替速度v為0.1m/s，井眼彎曲角度θ為5°，則摩阻壓力P_friction=0.001×1.39×10??/(4.85×10?2×0.1)×sin(5°)=3.6×10?Pa=0.036MPa。

(2)考慮井眼彎曲導(dǎo)致的附加摩擦力。

-附加摩擦力計算公式：F_friction_add=μ×F_pressure×sin(θ)

-F_pressure：側(cè)向壓力（N）

-μ：摩擦系數(shù)

-θ：井眼彎曲角度（°）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)側(cè)向壓力F_pressure為2420kN，摩擦系數(shù)μ為0.1，井眼彎曲角度θ為5°，則附加摩擦力F_friction_add=0.1×2420×103×sin(5°)=2.12×10?N=212kN。

2.水泥漿膨脹應(yīng)力：

-計算步驟：

(1)根據(jù)水泥漿類型和溫度變化，計算膨脹系數(shù)。

-膨脹系數(shù)通常在1×10??/°C至2×10??/°C之間，具體數(shù)值取決于水泥漿類型和水化反應(yīng)。

(2)估算水泥漿膨脹產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

-計算公式：σ_expansion=α×ΔT×E

-α：膨脹系數(shù)（1/°C）

-ΔT：溫度變化（°C）

-E：套管彈性模量（Pa）

-示例數(shù)據(jù)：假設(shè)膨脹系數(shù)α為1.5×10??/°C，溫度變化ΔT為20°C，套管彈性模量E為200GPa=200×10?Pa，則膨脹應(yīng)力σ_expansion=1.5×10??×20×200