李子豐，楊海軍，陳 飛

（1.燕山大學石油工程研究所，河北秦皇島066004；2.中國石油西氣東輸管道公司儲氣庫管理處，江蘇金壇213251）

在套管柱設(shè)計中，套管外擠壓力（外擠壓強）、尤其是蠕變性地層段的套管外擠壓力的計算十分重要。蠕變性地層段的套管外擠壓力為上覆巖層壓力［1］，《鉆井手冊（甲方）》也推薦了這種算法［2］，并作為設(shè)計規(guī)范。SY／T 5724—2008《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》卻將蠕變性地層段套管的外擠壓力與巖石的泊松比聯(lián)系起來［3］。兩者產(chǎn)生機理不同，數(shù)值不同，哪個對？

1 問題分析

在文獻［3］13頁，套管有效外擠壓力計算公式表達為：

式中：pce為套管外擠壓力，MPa；ν為地層巖石的泊松比，一般取0.3～0.5；Gv為上覆巖層壓力梯度，MPa／m；km為掏空系數(shù)；ρw為完井液密度，g／cm3；h為計算點垂深，m。

首先，看ν代表什么物理意義？ν是材料的一個彈性參數(shù)，是橫向變形量與縱向變形量的比值。ν＝0.5時，說明材料不可壓縮。ν與材料的蠕變性無關(guān)，不能代表材料的蠕變性。

式（1）用到的物理模型是：在自由的、完全彈性的地層中鉆一個孔，然后放入套管，固上水泥，待凝結(jié)后，再施加上覆巖層壓力。而實際的物理模型是：在已經(jīng)具有了上覆巖層壓力、黏彈性的地層中鉆一個孔，然后放入套管，固上水泥；凝結(jié)后，上覆巖層壓力會逐漸傳到套管上［1，4］。以上分析表明，該物理模型和根據(jù)該物理模型推導(dǎo)得到的式（1）都是錯誤的。文獻［5－11］都采用先在沒有施加地應(yīng)力的地層上鉆孔、下套管固井，然后再施加地應(yīng)力的物理模型，也都是錯誤的。一切采用彈性地層假設(shè)，將套管的外擠力與地層的彈性參數(shù)聯(lián)系起來的模型都是錯誤的。

除此之外，SY／T 5724—2008沒有采用法定計量單位。

文獻［12］對該問題也作了討論，該文存在如下問題：

1）采用的是先在沒有施加地應(yīng)力的地層上鉆孔、下套管固井，然后再施加地應(yīng)力的物理模型。

2）“當蠕變穩(wěn)定之后，套管的地應(yīng)力載荷等于套管－地層彈性模型的套管載荷”的論述是錯誤的。如果地層是彈性的，則地應(yīng)力永遠也施加不到套管上。如果地層是黏彈性固體，則最終加在套管上的外擠壓力與地層的彈性模量、地層的泊松比、套管的彈性模量、套管的泊松比、套管的厚度、套管內(nèi)的壓力、鉆井時液柱壓力、井眼裸露時間、固井水泥漿壓力有關(guān)；如果鉆完井長時間空井后再下套管固井，則地應(yīng)力也永遠也加不到套管上。如果地層是流變的，則最終加在套管上的外擠壓力是上覆巖層壓力。

3）“實際算例表明，套管地應(yīng)力載荷等于上覆巖層壓力并不足以使套管變形，套管變形要求套管地應(yīng)力載荷大于上覆巖層壓力”這句話中，大于上覆巖層壓力的套管地應(yīng)力載荷從何而來？

4）“隨著地層流變，套管地應(yīng)力載荷逐漸增大，在某些情況下，套管地應(yīng)力載荷可能大于上覆巖層壓力，甚至達到上覆巖層壓力的1.4倍”這句話中，這多出的0.4倍的壓力從何而來？因此，文獻［12］關(guān)于套管地應(yīng)力載荷的分析也是錯誤的。

2 正確的計算方法

在蠕變性地層段，套管所受的外擠壓力［1，4］具體表現(xiàn)為：1）注水泥前，為鉆井液柱壓力；2）注水泥后但沒有凝結(jié)時，為鉆井液柱壓力＋水泥漿液柱壓力；3）水泥漿凝固完，為鉆井液柱壓力＋水泥石內(nèi)清水液柱壓力；4）固井一段時間后，逐漸變?yōu)樯细矌r層壓力。

在套管設(shè)計中，蠕變性地層段的套管外擠壓力應(yīng)該取全過程的最大值，即上覆巖層壓力［2］148：

式中：pee為套管外擠壓力，kPa；z為計算點垂深，m；Go為上覆巖層壓力梯度，kPa／m。

3 結(jié) 論

1）鉆井施工過程中的巖石力學理論分析表明，蠕變性地層段的套管有效外擠壓力等于地層的上覆巖層壓力。

2）SY／T 5724—2008《套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計》中，關(guān)于蠕變性地層段的套管有效外擠壓力的計算公式是錯誤的。

3）《鉆井手冊（甲方）》中關(guān)于蠕變性地層段的套管外擠壓力的計算公式是正確的，建議采用《鉆井手冊（甲方）》中的蠕變性地層段的套管有效外擠壓力計算公式進行套管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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［2］《鉆井手冊（甲方）》編寫組.鉆井手冊：甲方：上冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1990：148，229，313.Writing Group of Drilling Manual（Part A）.Drilling manual：part A：Ⅰ［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，1990：148，229，313.

［3］SY／T 5724—2008 套管柱結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計［S］.SY／T 5724—2008 Design for casing string structure and strength［S］.

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