页岩气压裂套管抗外挤强度设计技术领域
本发明涉及页岩气田建井过程中，采用套管固井的完井方式后，保障压裂作业时套管安
全的抗外挤强度设计方法。
背景技术
开采页岩气时，压裂过程中通常需要较大排量，一般采用套管固井的完井方法。压裂作
业后，套管内径缩小等异常情况时有发生。现场的这一问题反映了目前压裂套管强度设计方
法存在不足。
套管的抗内压强度要求满足压裂时的泵注排量和井口泵压极限等条件；现场在做压裂设
计时没有进行专门的抗外挤强度校核，抗外挤强度设计和校核是在钻井工程设计中完成。设
计思路是套管强度要大于套管内外的压差。涉及液柱压力(压裂液、钻井液等)时一般按静
水压考虑。
仅有抗内压设计不能满足压裂时的特殊要求，抗外挤设计中需要注意到压裂中可能出现
的异常情况(如“负水击”)。
发明内容
根据典型的压裂施工曲线，如图1所示，建立套管内压裂液的水力瞬变模型：
式中，
Q为流量，H为水头，A为套管截面积，D为套管直径，g为重力系数，a为套管中波速，f为
摩擦系数，θ为该井段与水平方向夹角。
模型的边界条件：井口处流量为大于零的的常数；裂缝处井段位置压强为裂缝延伸压力。
模型的初始条件：井口处流量为设计排量，射孔处流量为破裂压力下压裂液向地层渗入
的流量，中间各处流量由插值获得；井内各处压强均对应地层破裂压力。
某处套管内径缩小，其中一种可能是井内该处附近井段出现过异常低压，使外围与井内
压差超过了该处套管的抗外挤强度，被地层挤瘪。对于决定压裂套管强度的计算来说，必须
知道负水击压力降低值沿管道全长的分布情况，对比现场方法，找出可能发生套管内径缩小
的危险井段位置，重新设计。
由模型可知，地层破裂压力与裂缝延伸压力之差越大，压力波动也越大；随着流量Q增
加，摩阻对压力波动产生的抑制作用也更显著，使瞬变流更快衍变成稳态流。瞬变流阶段，
摩阻沿管长的分布是随时间改变的，可能产生较大波动。
参考图2、图3，理论上，瞬变模型可找出危险井段位置，同时确定失效发生的具体时刻。
得到套管抗外挤的安全条件为：
σh-H＜p
σh是套管的外围压力，H是管内出现的最低压力，p是套管的抗外挤强度。
附图说明
图1典型的压裂压力及排量随时间变化的示意图
图2计算模型中管长100米，水平放置，曲线为距出口20米处的压力波动。其他主要参数有，
管内径0.1米，地层破裂压力70MPa，裂缝延伸压力40MPa，波速1200m/s，摩擦系数0.01，
重力常数9.806。
图3同图2模型，第60步时(地层破裂后0.167秒)压力沿管长分布示意图。
具体实施方式
在用特征线法求解H和Q时，可采取逐次逼近的Newton-Raphson法。模型当中的摩擦损
失采用达西-威西巴赫(Darcy-Weisbach)公式计算。由于井下套管长几千米，摩擦损失很大，
为了避免一阶近似法所出现的不稳定，应采用预估校正法或二阶近似法。
真实的井眼轨迹为一空间曲线，内径也会发生改变，可分段处理，但必须对各段采用相
同的时间增量，以便在连接处可以利用边界条件。连接处的局部损失可忽略不计。
抗挤强度设计中的套管内压需对各时段进行校核，如图3所示。