SY/T 5731-2025 套管柱井口悬挂载荷计算及装定方法

　　ICS 75.020 CCS E 13

　　中华人民共和国石油天然气行业标准

　　SY/T 5731—2025

　　代替SY/T 5731—2012

　　套管柱井口悬挂载荷计算及装定方法

　　Casing string wellhead setting suspension load calculation method

　　2025—09-28发布 2026—03-28实施

　　国家能源局 发布

　　SY/T 5731—2025

　　目 次

　　SY/T 5731—2025

　　前 言

　　本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规 定起草。

　　本文件代替SY/T 5731—2012《套管柱井口悬挂载荷计算方法》,与SY/T 5731—2012相比，除结 构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：

　　a) 将标准名称更改为《套管柱井口悬挂载荷计算及装定方法》;

　　b) 删除了“温度增量梯度”的术语和定义(见2012年版的3.3);

　　c) 增加了水泥垂直返深、套管下入垂深的符号及代号(见第4章);

　　d) 更改了套管柱井口装定悬挂载荷计算的基本原则(见第5章，2012年版的第5章);

　　e) 更改了井口套管横截面的有效轴向力计算方法(见6.2.4,2012年版的7.1.3);

　　f) 增加了井口压力变化引起的附加轴向力的简化算法(见6.3.2);

　　g) 更改了温度变化引起的附加轴向力的计算(见6.3.3,2012年版的7.2.3);

　　h) 增加了全井段封固井井口悬挂载荷计算方法(见6.5);

　　i) 删除了特殊工艺井计算方法(见2012年版的7.7.6);

　　j) 删除了分级注水泥器固井的计算实例(见2012年版的7.8和附录B)。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由石油工业标准化技术委员会石油钻井工程专业标准化委员会提出并归口。

　　本文件起草单位：中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院、中国石油集团工程技术 研究院有限公司、中国石油集团测井有限公司测井技术研究院、中海油能源发展股份有限公司工程技 术分公司、德州大陆架石油工程技术有限公司、中石化石油工程技术研究院有限公司。

　　本文件主要起草人：王佳佳、于志强、李萍、徐明磊、柳鹤、杨恺、杨万有、刘志龙、姚辉前、 陶谦、付潇、何悦峰、王金帅、吴永超、贾培娟、于琛、范永涛、王建龙、雷中清、张连水、韩自 立、王学正、罗洁、刘轩、郑锋。

　　本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：

　　——1995年首次发布为SY/T 5731——1995,2012年第一次修订;

　　——本次为第二次修订。

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　　套管柱井口悬挂载荷计算及装定方法

　　1 范围

　　本文件规定了套管柱井口装定基本原则、悬挂载荷计算及装定方法。

　　本文件适用于油气井(包括直井、定向井、水平井等)技术套管和生产套管井口悬挂载荷和提拉 长度的计算。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适 用于本文件。

　　GB/T 28911 石油天然气钻井工程术语

　　SY/T 5729 稠油热采井固井作业规程

　　3 术语和定义

　　GB/T 28911界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　有效轴向力 effective axial force

　　套管横截面上所受的真实轴向力与稳定力的合成轴向力。

　　3.2

　　附加轴向力 additional axial force

　　附加在套管横截面上的轴向力增量。

　　3.3

　　套管长度增量 casing length increment

　　套管装定时需要上提或下放的长度。

　　4 符号及代号

　　符号及代号见表1,表1中符号及代号适用于本文件。

　　表1套管柱井口装定悬挂载荷计算用符号及代号

　　SY/T 5731—2025

　　表 1( 续 )

　　SY/T 5731—2025

　　表 1 (续)

　　5 套管柱井口装定悬挂载荷计算的基本原则

　　套管柱井口装定悬挂载荷计算应遵循以下原则。

　　a) 应使用符合设计要求的套管头。

　　b) 井口装定后，自由段套管在后续生产的过程中不应受压。

　　c) 依据套管柱强度设计要求，应校核井口套管合理的抗拉安全系数;尾管回接、封隔器坐封等 需要下压密封的井，悬挂载荷应考虑工具的轴向允许下压最大载荷。

　　d) 装定后井口形成的最大悬挂载荷，除保证管柱的抗拉安全系数，还应校核套管头卡瓦的临界 轴向载荷;还应考虑上层套管的承载能力。

　　e) 根据计算结果指导现场的装定作业，井口装定悬挂载荷大于自由套管段重力，大于井口密封 所需要的最小悬挂载荷，小于井口安全允许的最大载荷，满足套管柱强度校核要求。

　　f) 固井施工中如发生漏失，应根据现场施工情况，重新计算并调整井口悬挂载荷。

　　6 套管柱井口装定悬挂载荷计算方法

　　6.1 套管柱井口悬挂载荷计算主要参数

　　套管柱井口悬挂载荷计算主要参数包括：

　　a) 套管柱的结构与参数;

　　b) 水泥垂直返深，套管内外流体密度;

　　c) 分级固井时的分级注水泥器位置;

　　d) 后续作业的井下温度变化;

　　e) 后续作业的管内、外井口压力变化;

　　f) 井口装定时，套管柱实际自由段套管长度。

　　6.2 装定前套管柱轴向力计算 6.2.1 套管计算分段原则

　　装定前，套管柱坐挂在转盘上，管柱内液体是顶替液，管柱外水泥面以下是水泥浆，水泥面以上 是前置液，然后是钻井液。套管的计算段按照套管的壁厚及流体的密度按照从上到下划分为N 段。

　　6.2.2 套管浮力系数计算

　　套管浮力系数K; 按公式(1)计算：

　　…………………………………(1)

　　2

　　6.2.3 浮箍所受浮力引起的有效轴向力计算

　　如果使用带浮箍的套管柱进行固井，则水泥浆垂直作用在浮箍截面上的浮力引起的附加轴向力

　　△F₁按公式(2)计算：

　　…………………………(2)

　　若不带浮箍固井，则所受附加轴向力为0。

　　6.2.4 井口套管横截面的有效轴向力计算

　　井口套管横截面的有效轴向力F。按公式(3)计算：

　　6.3 附加轴向力计算

　　6.3.1 附加轴向力产生原因

　　………………………………

　　(3)

　　套管装定后，在后续的作业过程中，套管内外温度和压力的变化，都会引起套管柱的附加轴 向力。

　　6.3.2 压力变化引起的附加轴向力计算

　　在后续作业中，套管内、外井口压力的增量分别为△P 和△P 。 根据弹性力学拉梅公式，自由 段套管内外压力变化引起的附加轴向力△F, 可按公式(4)计算：

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　　………………………

　　(4)

　　或简化为单一管柱，可按公式(5)进行计算：

　　△F,=2×10⁶μ(△PA-△P4) (5)

　　6.3.3 温度变化引起的附加轴向应力计算

　　当井内温度达到稳定后，井口温度增量△T。为实测井口温度与地面环境温度之差，井底处的温 度增量△T 为实测井底温度和井底静止温度之差。假定整个井筒中流体与套管柱热传递效率均等， 则温度变化引起的附加轴向力△F 按公式(6)计算：

　　……………………………

　　(6)

　　套管钢材的温度膨胀系数λ取12.1×10-⁶℃-¹,套管钢材的弹性模量E 与温度的关系见表2。 表2套管钢材弹性模量E值

　　6.4 非全井段封固井井口悬挂载荷计算方法

　　6.4.1 水泥面处套管横截面上的有效轴向力计算

　　对非全井段封固井，水泥未返至井口，水泥面处套管横截面上的有效轴向力Fs 按公式(7)计算：

　　…………………………………

　　(7)

　　6.4.2 水泥面处总附加轴向力计算

　　由温度、压力变化引起的水泥面处总附加轴向力△F, 按公式(8)计算：

　　△F₅=△F,+△F (8)

　　6.4.3 井口装定时套管柱提力增量和长度计算

　　非全井段封固井套管柱井口装定在水泥凝固后完成，装定时套管柱拉力增量△Fs 按公式(9)计算：

　　若△L, 为正，则为上提长度;若△L 为负，则为下放长度。

　　6.5 全井段封固井井口悬挂载荷计算方法

　　对高产井、天然气井、储气库井、热采井等其他全井段封固井，水泥返至井口，套管柱井口装定 应在水泥初凝前完成。

　　热采井的套管柱温度变化大，其预拉力和套管柱长度增量计算方法按SY/T 5729的规定执行。

　　其他全井段封固井套管柱井口装定悬挂载荷应考虑温度对附加轴向力的影响，温度引起的附加轴 向力△F.按公式(6)计算，井口装定时施加于套管柱顶端的总悬挂载荷Fyg按公式(12)计算：

　　6.6 分级固井时井口悬挂载荷计算方法

　　6.6.1 井口套管横截面的有效轴向力

　　带分级注水泥器的多级固井，应以第一级固井后的工况参数，按照分段原则对井内套管进行分 段，并用6.2.2～6.2.4中给出的方法计算最终井口套管横截面的有效轴向力。

　　6.6.2 最后一级固井时套管分段方法

　　计算水泥面处套管横截面上的有效轴向力时应以最后一级固井时的工况参数，按照分段原则对分 级注水泥器以上套管进行重新分段。

　　6.6.3 水泥面处套管横截面上的有效轴向力计算

　　最后一级固井时水泥面处轴向力F'按公式(14)计算：

　　………………………………

　　(14)

　　6.6.4 压力、温度变化引起的附加轴向力计算

　　计算压力、温度变化引起的附加轴向力时，应以最后一级水泥面为最终水泥返深，对套管柱进行

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　　重新分段。但水泥面处有效轴向力应按照第一级固井时的液体密度计算。

　　6.6.5 浮箍所受浮力引起的附加轴向力

　　浮箍所受浮力引起的附加轴向力按第一级固井时工况进行计算。

　　6.7 实例

　　套管柱井口装定悬挂载荷计算实例参见附录A。

　　附 录 A

　　(资料性)

　　套管柱井口装定悬挂载荷计算实例

　　A.1 题例

　　某井生产套管外径φ139.7 mm, 下入垂直深度3500 m, 其中垂深0m～500 m 套管壁厚为 9.17 mm, 垂深500 m～2000m 套管壁厚为7.72 mm, 垂深2000m～3500 m套管壁厚为9.17 mm; 采用双密度水泥浆固井，尾浆返至垂深2800m, 水泥浆密度为1.85 g/cm³; 领浆返至垂深1000m, 水 泥浆密度为1.65 g/cm³; 钻井液密度为1.20 g/cm³, 固井时钻井液替浆，固井后不继续钻进。后期生产 过程中井筒中全部充满原油(密度0.85 g/cm³), 井口温度增量为30℃,井底温度增量为10℃。套管 计算分段情况如图A.1 所示。

　　计算分段

　　F。

　　井口

　　图A.1 实例井套管分段情况

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　　A.2 分段套管基础数据

　　实例井分段套管基础数据见表A.1。

　　表A.1实例井分段套管基础数据表

　　A.3 各套管段计算参数

　　实例井各套管段计算参数见表A.2。

　　表A.2实例井各套管段计算参数

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　　表A.2(续)

　　SY/T 5731—2025

　　表A.2 (续)

　　A.4 计算套管浮力系数

　　A.4.1 第1段套管浮力系数：

　　A.4.2 第2段套管浮力系数：

　　A.4.3 第3段套管浮力系数：

　　A.4.4 第4段套管浮力系数：

　　A.4.5 第5段套管浮力系数：

　　A.5 计算浮箍所受浮力引起的附加轴向力

　　浮箍所受浮力引起的附加轴向力为：

　　=10⁶×9.81×[(120-1.65)×12127×1000+(1.20-1.65)×11568×800+(1.20-1.85)×11568×700] =-146.02(kN)

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　　A.6 计算井口横截面的有效轴向力

　　井口横截面的有效轴向力为：

　　=500×0.294791×0.847134+500×0.252313×0.847134+1000×0.252313×0.572634+ 800×0.294791×0.613444+700×0.294791×0.509581-146.02

　　=480.02(kN)

　　A.7 计算水泥面处的有效轴向力

　　水泥面处的有效轴向力为：

　　=F 。-(AH₁q₁Kn+△H₂9₂Kr)

　　=480.02-(500×0.294791×0.847134+500×0.252313×0.847134) =248.29(kN)

　　A.8 计算温度压力变化引起的附加轴向力

　　A.8.1 计算管内压力降低(充满原油)引起的附加轴向力

　　自由段套管内压力变化引起的附加轴向力为：

　　=-12.20(kN)

　　A.8.2 计算温度增量引起的附加轴向力

　　温度增量引起的附加轴向力为：

　　=-175.43(kN)

　　A.9 计算水泥面处总附加轴向力

　　温度、压力变化引起的水泥面处总附加轴向力为：

　　△F₅=△F,+△F.

　　=-12.20-175.43 =-187.63(kN)

　　A.10 计算拉力增量

　　拉力增量为：

　　△F₃=-(F+△F₃)

　　=-(248.29-187.63) = - 60.66(kN)

　　A.11 计算长度增量

　　长度增量为：

　　=-0.085(m)

　　A.12 计算井口悬挂载荷

　　井口悬挂载荷为：

　　F=F+△F₃=480.02-60.66=419.36(kN)

　　根据计算结果指导现场的装定工作，最终井口套管悬挂载荷为419.36 kN, 下放套管0.085m。同 时满足井口悬挂载荷大于自由套管段重力231.74 kN, 大于井口密封所需要的最小自由套管段重力 200 kN, 小于井口安全允许的最大载荷，满足套管柱强度校核要求。