煤矿大口径直排钻孔套管抗挤强度计算

　　[摘要]近年来在煤矿安全生产中大口径直排钻孔得到越来越广泛的应用。这类井孔套管直径大、重量大，在套管下入井孔过程中，一旦出现套管被挤毁的事故，将造成巨大经济损失。本文根据美国石油协会常规套管抗挤强度的计算公式，先进行理论计算，然后采用修正系数对理论计算结果进行修正，最终得出套管的实际抗挤强度，在霍州煤电集团某煤矿直排钻孔的施工中进行了应用，工程取得圆满成功，验证了大口径套管抗挤强度计算方法的可行性。

　　[关键词]煤矿直排钻孔 大直径套管 抗挤强度计算 修正系数

　　1引言

　　随着煤矿开采向深层发展，水害问题，特别是奥陶系岩溶水对煤炭资源的开采已构成严重威胁，为解决采矿中的安全防护及排水问题，近几年很多煤矿采取施工直排钻孔加强矿井排水能力，为煤矿安全生产提供了有力的保障。煤矿直排钻孔的直径一般为500～900mm，井孔深度在300～800m不等，下入井孔内的套管直径一般在400～800mm之间。由于井孔直径和套管直径都比较大，这类井孔施工周期长、难度大、施工费用高，一旦发生套管损毁事故，将造成极大经济损失，因此，对套管抗挤强度要求已经成为套管选型的决定性因素。

　　20世纪60年代，美国石油协会（API）在大量试验的基础上得出了套管抗挤强度计算公式，直到现在仍然被应用于预测套管抗挤强度。但此公式计算套管强度只用于常规油田标准套管（Φ139.7mm、Φ177.8mm、Φ244.5mm、Φ339.7mm等尺寸），非标大直径套管很少涉及。煤矿直排钻孔要求排量大，所下套管直径远远超出油田系统套管直径范围（通常直径为Φ426mm、Φ530mm、Φ630mm、Φ720mm等）。煤矿直排钻孔套管直径大、重量大，施工过程中常采用浮力阀方式下套管（即把套管底部用逆止阀封闭，借助钻井液浮力以减轻重量下管），此方法在减轻下套管提升力的同时，使得套管内外压强不均，套管在下入井孔过程中，井孔内钻井液将对套管产生横向（井孔为纵向）内挤力，随着套[摘要]近年来在煤矿安全生产中大口径直排钻孔得到越来越广泛的应用。这类井孔套管直径大、重量大，在套管下入井孔过程中，一旦出现套管被挤毁的事故，将造成巨大经济损失。本文根据美国石油协会常规套管抗挤强度的计算公式，先进行理论计算，然后采用修正系数对理论计算结果进行修正，最终得出套管的实际抗挤强度，在霍州煤电集团某煤矿直排钻孔的施工中进行了应用，工程取得圆满成功，验证了大口径套管抗挤强度计算方法的可行性。

　　[关键词]煤矿直排钻孔 大直径套管 抗挤强度计算 修正系数

　　管下深，内挤力越来越大，一旦套管抗挤强度小于内挤力，套管将被挤毁，造成孔内事故，为避免此类压差毁管事故发生，大直径套管抗挤强度计算显得尤为重要。

　　本文根据美国石油协会（API）常规套管抗挤强度计算公式和直排钻孔下管实例对大直径套管抗挤强度进行分析计算。

　　2 API套管抗挤强度计算公式

　　设定套管截面为理想圆形，壁厚均匀，无冲击外力，只有静水压力时套管的抗挤强度。工程实际和理论研究表明，套管有以下两种外压挤毁模式。

　　①稳定性不够，套管呈现弹性失稳破坏。1937年W. O. Clinedinst提出圆管失稳计算公式：

　　P= （1）

　　②套管强度不够，套管发生材料屈服破坏。根据Von Mises屈服准则导出圆管屈服计算公式：

　　P=2.25 δ （2）

　　式中：P —压力（MPa）；E —弹性模量（MPa）； μ—泊松比；D —套管外径（mm）；T —套管厚度（mm）；δ —屈服强度（MPa）。

　　上述（1）、（2）式是在理想状态下得到的套管抗挤强度公式，应用时取二者之中较小值。但实际应用过程中套管往往存在内径、外径和壁厚不均匀，以及由于井孔弯曲引起的套管弯曲应力等，实际抗挤强度要比（1）、（2）式小，通常要采用0.7125的修正系数对上述公式进行修正，此修正系数是根据实际API套管大量试验资料统计得到。

　　3 霍州煤电集团某煤矿直排钻孔套管抗挤强度实际计算

　　2011年4月，石家庄金石地质勘测有限公司负责施工霍州煤电集团某煤矿直排钻孔，此钻孔二开直径750mm，下入Φ630mm×12mm套管（无缝钢管，钢号20），井深500m，钻机采用石家庄煤矿机械厂生产的TST-2000型钻机，配套使用A型钻塔，提升能力70t，由于Φ630mm×12mm套管自重达91吨，必须采用浮力阀方式下管，为防止套管在下入过程中挤毁，必须提前进行套管抗挤强度的校核计算。

　　查得Φ630mm×12mm套管（无缝钢管，钢号20）屈服强度最小为275 MPa，弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.25。

　　①若套管出现弹性失稳破坏，根据API套管失稳计算公式得：

　　P==3.16MPa

　　②若套管出现材料屈服强度破坏，根据API套管屈服强度计算公式得： P=2.25δ=2.25×275MPa=11.56MPa

　　③取（1）、（2）中较小值，可得Φ630mm×12mm套管（无缝钢管，钢号20）理论抗挤强度为P=3.16 Mpa，最后套管抗挤强度由修正系数修正得：P0=0.7125P=0.7125×3.16MPa=2.25MPa

　　④计算Φ630mm×12mm套管最大下深，由压强公式：P0=ρ液gh

　　式中：P0-套管抗挤强度（Mpa）；ρ液-钻井液比重，1.1×103kg/m3；

　　得： h===208.7m

　　即：Φ630mm×12mm套管采用浮力阀方式下入，套管空置段不可大于208.7m，否则外界钻井液压力将超过套管抗挤强度，导致套管被挤毁。在实际操作过程中套管空置段控制在150m以内，其余用钻井液填充。套管下入井孔底部时，所受浮力为156t，套管自重91t，套管内钻井液重为102t，钻机及钻塔在37t拉力下将Φ630mm×12mm套管安全下至井底。

　　4结语

　　大口径直排钻孔是近年来煤矿水害防治的工程项目，随着煤矿开采向深层发展，此类工程钻孔逐渐在很多煤矿施工。由于目前大口径套管还没有统一的抗挤强度计算标准和实验数据，致使大口径直排钻孔下套管作业挤毁事故时有发生。

　　本文利用石油系统API套管强度计算公式在大口径套管上延伸应用，为实际施工提供了一定依据。通过多个煤矿直排钻孔下管作业实际应用，验证了大口径套管抗挤强度计算方法的可行性，这对今后施工大口径直排钻孔下管作业有一定指导性。随着管材加工精度的提高和直排钻孔下管作业经验的不断积累，大直径套管抗挤强度计算方法将得到进一步的完善和修正。

　　参考文献

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　　[2]李子丰.油气井杆管柱力学及应用[M].北京：石油工业出版社，2008.

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　　[4]申昭熙，冯耀荣，解学东等.套管抗挤强度分析及计算[J].西南石油大学学报，2008，30（03）.