🏛5.1 套管的功能與類型
套管的六大功能
- 隔離地層（防止流體互串）
- 防止地層塌陷（支撐不穩定地層）
- 控制地層壓力（安裝防噴器）
- 提供導管用於安裝井口設備
- 保護淡水含水層（環保要求）
- 提供後續完井作業的基礎
套管類型說明
| 類型 | OD範圍 | 功能描述 |
|---|---|---|
| 導管（Conductor） | 16"–30" | 最外層，防止地表流沙塌陷，設置井口 |
| 表層套管（Surface） | 9⅝"–20" | 隔離淡水層，安裝BOP |
| 中間套管（Intermediate） | 7"–13⅜" | 隔離問題地層（漏失、異常壓力） |
| 生產套管（Production） | 4½"–9⅝" | 目的層隔離，完井基礎 |
| 尾管（Liner） | 4½"–7" | 不延伸至井口，懸掛於上層套管 |
| 擴大管（Tieback） | 與尾管相同 | 將尾管向上延伸至井口 |
典型套管程序示意圖（陸地深井）
套管程序（由外至內 / 由淺至深）
導管
24–30"
30–100m
30–100m
表層套管
13⅜–20"
300–800m
300–800m
技術套管
9⅝–13⅜"
1500–3000m
1500–3000m
生產套管
7–9⅝"
至完鑽深度
至完鑽深度
尾管
4½–7"
目的層
目的層
※ 各層套管之間以水泥固井（Cementing），確保密封隔離
📐5.2 套管設計原則（經濟與安全）
安全原則
- 安全係數（Design Factor）≥ 1.0（通常取1.1–1.25）
- 考慮最不利荷載組合
- 考慮腐蝕環境（H₂S、CO₂）
- 滿足地層壓力梯度要求
- 符合環保法規（保護淡水層）
- 提供必要的緊急關井能力
- 考慮固井品質對密封的影響
經濟原則
- 最小化套管層數（每層成本高）
- 選用最低等級符合要求的鋼材
- 優化套管壁厚（避免過度設計）
- 考慮套管組合設計（不同等級混用）
- 使用標準API規格（貨源充足）
- 選擇容易下入的配合間隙
- 固井成本與套管成本平衡
套管程序深度設計依據
| 設計考量 | 影響深度的因素 | 設計方法 |
|---|---|---|
| 異常壓力地層 | 地層壓力超過正常靜水壓力，需要較重泥漿 | 套管下至進入異常壓力前的穩定地層 |
| 漏失帶（低破裂壓） | 地層破裂壓力低，若繼續加重泥漿會發生漏失 | 套管下至漏失帶以下，固井後再鑽深 |
| 不穩定地層 | 頁岩吸水膨脹、鹽岩流動 | 套管及時下入隔離，防止縮徑 |
| 地層壓力梯度視窗 | 地層壓力梯度至破裂壓力梯度之間的視窗決定可安全鑽進的範圍 | 視窗過窄須增加套管層數 |
| 環保要求 | 淡水含水層深度 | 表層套管必須鑽過並封隔淡水層 |
🔬5.3 套管串所受負荷分析
套管設計必須同時考慮三種主要負荷：張力（拉伸）、崩潰壓力（外壓）、
破裂壓力（內壓），並確保各負荷下的安全係數符合規範。
① 張力負荷（Tensile Load）
張力來源
- • 自重（最主要，尤其深套管）
- • 固井水泥漿産生的摩擦力
- • 起拉套管時的動態張力
- • 溫度變化引起的熱應力
- • 注水試壓時的增壓
張力設計計算
F_self_weight = Wt × L × (1 - ρ_m / ρ_s)
F_self_weight：套管在泥漿中的有效重量（kN）
Wt：每米線重（kg/m）
L：套管串長度（m）
ρ_m：泥漿密度；ρ_s：鋼密度 = 7.85 g/cm³
Wt：每米線重（kg/m）
L：套管串長度（m）
ρ_m：泥漿密度；ρ_s：鋼密度 = 7.85 g/cm³
SF_tension = P_yield / F_max_actual ≥ 1.6–1.8
P_yield：管材額定屈服拉力（kN）
F_max_actual：最大實際張力
安全係數典型值：1.6–2.0
F_max_actual：最大實際張力
安全係數典型值：1.6–2.0
② 崩潰壓力（Collapse Pressure）
崩潰負荷情境
最嚴苛情境：空管崩潰
當套管內部為空氣（最壞情況），管外為全泥漿柱， 外壓差最大。常用於表層套管設計。
一般情境
考慮固井後水泥漿面以上環空無流體支撐， 水泥面以下套管受外部地層流體壓力和地壓。
崩潰壓力計算
P_collapse_design = ρ_m × g × H / 1000
P_collapse_design：設計崩潰壓力（MPa）
ρ_m：外部流體密度（kg/m³）
g：重力加速度 = 9.81 m/s²
H：深度（m）
ρ_m：外部流體密度（kg/m³）
g：重力加速度 = 9.81 m/s²
H：深度（m）
SF_collapse = P_collapse_rated / P_collapse_design ≥ 1.0–1.125
P_collapse_rated：API標準崩潰壓力額定值
安全係數典型值：1.0–1.125
安全係數典型值：1.0–1.125
③ 破裂壓力（Burst Pressure）
破裂負荷情境
最嚴苛情境：完全排空（Gas Kick）
井內充滿氣體（最輕流體），地面關井， 套管承受最大內壓。用於生產套管設計。
中間套管情境
下方地層發生衝噴並關井， 上方地層壓力加上氣柱靜壓。
破裂壓力計算
P_burst_design = P_formation - P_outside_fluid
P_burst_design：設計破裂壓力（MPa）
P_formation：地層壓力（MPa）
P_outside_fluid：外部流體壓力（MPa）
P_formation：地層壓力（MPa）
P_outside_fluid：外部流體壓力（MPa）
P_burst_rated = 0.875 × 2 × Yp × t / OD
0.875：尺寸容差係數（-12.5%壁厚）
Yp：最小屈服強度（psi）
t：標稱壁厚（inches）
OD：外徑（inches）
SF_burst ≥ 1.1–1.25
Yp：最小屈服強度（psi）
t：標稱壁厚（inches）
OD：外徑（inches）
SF_burst ≥ 1.1–1.25
三軸（Von Mises）應力校核
對於高應力情況（深井、高溫、大斜度），應進行三軸應力校核， 同時考慮軸向應力、切向應力和徑向應力的綜合效應。
σ_VME = √[ (σ_a - σ_θ)² + (σ_θ - σ_r)² + (σ_r - σ_a)² ] / √2
σ_VME：Von Mises等效應力（需 < Yp）
σ_a：軸向應力（拉伸/壓縮）
σ_θ：切向（環向）應力
σ_r：徑向應力
Yp：材料最小屈服強度
σ_a：軸向應力（拉伸/壓縮）
σ_θ：切向（環向）應力
σ_r：徑向應力
Yp：材料最小屈服強度
🔩5.4 套管鋼料等級與連接型式
API 套管鋼料等級
| 等級 | 最小屈服強度 (psi) | 最大屈服強度 (psi) | 最小抗拉強度 (psi) | 適用說明 |
|---|---|---|---|---|
| H-40 | 40,000 | 80,000 | 60,000 | 淺層導管，低應力要求 |
| J-55 | 55,000 | 80,000 | 75,000 | 表層套管，一般地層 |
| K-55 | 55,000 | 80,000 | 95,000 | 抗拉強度較J-55高 |
| N-80 | 80,000 | 110,000 | 100,000 | 中深層，兩種型別（N80-1 / N80Q） |
| L-80 | 80,000 | 95,000 | 95,000 | 抗H₂S腐蝕（SSC），硫化物環境 |
| C-90 | 90,000 | 105,000 | 100,000 | 中等H₂S環境 |
| C-95 | 95,000 | 110,000 | 105,000 | 高強度，一般中深井 |
| T-95 | 95,000 | 110,000 | 105,000 | H₂S環境（NACE MR0175） |
| P-110 | 110,000 | 140,000 | 125,000 | 深層高壓，非H₂S環境 |
| Q-125 | 125,000 | 150,000 | 135,000 | 超深井，高拉伸應力 |
套管連接螺紋型式
API 標準螺紋
| 螺紋型式 | 特點 | 適用 |
|---|---|---|
| STC（Short Thread Coupling） | 短螺紋，最低密封性 | 導管，低壓地層 |
| LTC（Long Thread Coupling） | 長螺紋，密封性中等 | 表層套管，一般地層 |
| BTC（Buttress Thread Coupling） | 梯形螺紋，高拉伸強度 | 深井，高拉伸負荷 |
| Extreme Line（XL） | 外加密封面，一體成型 | 高壓，氣井 |
高性能特殊螺紋
Gas-Tight 金屬對金屬密封
采用金屬密封面（Metal-to-Metal Seal）和扭矩台肩（Torque Shoulder）， 密封性遠超標準API螺紋，適合高壓氣井、CO₂和H₂S環境。
常見品牌（高性能螺紋）
VAM TOP、Tenaris TenarisHydril、NJO、Hydril CS等， 各廠商有不同等級，需根據工況選擇。
H₂S腐蝕環境選材原則（NACE MR0175/ISO 15156）
在含H₂S環境（酸性油氣田）中，鋼材容易發生硫化物應力腐蝕開裂（SSC），
必須選用符合NACE MR0175/ISO 15156標準的抗SSC材料。
⛔ H₂S敏感鋼材
P-110、Q-125等高強度鋼（屈服強度>80 ksi）在H₂S環境中容易SSC失效， 不可在H₂S分壓 > 0.05 psia環境使用。
⚠️ H₂S限制使用
N-80 Type1在低H₂S含量環境可謹慎使用， 需配合緩蝕劑注入等保護措施。
✅ H₂S適用鋼材
L-80、C-90、T-95等特殊等級符合NACE標準， 其硬度和微觀組織經過特殊控制，具有良好的抗SSC能力。
🧮5.5 套管組合設計（Combo Design）
在實際工程中，通常不使用單一規格的套管（浪費）， 而是在同一套管串中採用不同鋼材等級、不同壁厚的套管組合， 以在各深度段達到最低成本設計。
組合設計原則
繪製地層壓力梯度和破裂壓力梯度剖面
↓
計算各深度的設計崩潰和破裂壓力
↓
從底部開始選滿足崩潰的最低等級規格
↓
從頂部校核張力，必要時升級
↓
確認各段安全係數，輸出最終方案
典型生產套管組合示例
| 深度段 | 規格 | 原因 |
|---|---|---|
| 0–1000 m | 7" L-80 26 lb/ft | 頂部承受高張力，需L-80抗H₂S |
| 1000–2500 m | 7" N-80 23 lb/ft | 中段，兼顧崩潰和破裂需求 |
| 2500–3800 m | 7" P-110 23 lb/ft | 高壓段需高強度以抵抗破裂 |
| 3800–4200 m（目的層） | 7" P-110 26 lb/ft | 高崩潰壓力需增加壁厚 |