采油设计课程设计-有杆抽油系统的设计.doc

石油工程课程设计（采油工程部分）姓名：xxx 班级：xxx学号：xxx序号：xxx 指导老师：xxx 18目 录1.有杆抽油系统的设计目的12. 设计内容12.1设计依据的资料12.2 设计具体内容22.3 机械设备的类型和规格22.4有杆抽油系统的设计原则33.设计步骤44.设计计算方法55.设计所需基本参数55.1有杆抽油系统设计基本资料55.2油井产能预测或流压的确定65.3 初选抽汲参数65.4 初选抽油杆柱85.5 有杆抽油装置的设计（API方法）96.参考文献177.设计小结、体会与建议171.有杆抽油系统的设计目的有杆泵采油是由以“三抽”设备（抽油机、抽油杆、抽油泵）为主的有杆抽油系统来实现的。即在抽油机的驱动下，通过下入井中的抽油杆带动抽油泵柱塞上、下往复运动，将井液抽汲到地面。当一口油井或一个开发区块确定采用有杆泵采油后，必须正确地选择抽油设备并确定其工作参数。选择抽油设备必须以油井产量和下泵深度作为确定抽油机、杆、泵和电动机类型与大小的基本依据；确定工作参数必须在已选定设备的基础上，保证设备既能满足产量要求，又有良好的工作效率。如果设备类型及工作参数与油层生产能力和油井条件不相适应，就不能保证油井在高产量、高泵效下稳定生产。油井投产后，还必须在实际生产中检验抽油设备是否按预想情况进行工作。此外，即使在短时间内设备适合油层和油井条件，但生产一段时间后，由于油层供油能力变化，含水上升和设备工作性能的变化等，将会使二者不相适应而影响油井产量和泵效，这就要求使用者根据油井条件的变化适当调整抽汲参数或更换抽油设备。进行有杆抽油系统设计的主要目的： （1）为给定的某一口新油井或转抽井选定一套合理的机、杆、泵的组合，并确定其合理的工作参数的配合。（2）对症在生产的油井提供工作参数的调整措施。2. 设计内容2.1设计依据的资料油杆抽油系统设计所需的资料包括以下几个方面：1.油井静态资料地层压力 =15 MPa ；饱和压力 =8.5 MPa ；油井含水率 =0.6，小数 ；油层中部深度 =1860 m ；油管尺寸及长度 Dti=62 mm ；可供选用的抽油杆尺寸及长度 25mm杆368m，22mm杆360m，19mm杆272m ；可供选用的抽油机类型 CYJ10-2.7-48B, CYJ8-3-48B型；可供选用的抽油泵泵径 =38.1、44.5、57.15 mm ；可供选用的电机类型 Y225M-8；抽汲液体中水的密度 =1.02 kg/；原油密度 =0.85 kg/ ；杆柱使用系数 SF =0.9 ，小数2.油井动态资料试井产量 =36 ；对应的试井井底压力 =9 MPa ；井口套管生产压力 =0.1 MPa ；采液指数 J =42.2 设计具体内容在依据资料条件下，通过系统设计，最后可完成的设计内容包括以下三个方面：1 定油井产量或已知产量下的流压2 计算各种载荷并确定系统中机械设备的类型和规格确定系统的工作参数2.3 机械设备的类型和规格机械设备主要是指抽油机、抽油杆、抽油泵和原动机（1）抽油机确定抽油机的类型是游梁式还是非游梁式，如选用游梁式抽油机，还需进一步确定是常规式、偏置式、前置式或空气平衡式；如选用非游梁式抽油机，也需确定其具体的类型。选定类型后，进一步确定其规格。此外，还应根据抽油机的负荷及冲程选用或校核减速箱，最后确定出具体的机型，例如：常规式抽油机CYJ10-2.7-48B。（2）抽油杆首先要确定是选用常规钢制抽油杆还是选用连续抽油杆、中控抽油杆，或其他非金属抽油杆；类型确定后，需进一步确定杆的长度，、强度等级及直径；对多级杆应确定选用几种直径及每种直径的杆长。例如：选择D级86杆，总长1000m，其中25mm杆368m，22mm杆360m，19mm杆272m。对于装扶正器的抽油杆柱，应确定扶正器的类型、尺寸、材料、数量，以及各扶正器的安装位置。在有些产量大的井中，稠油泵的柱塞直径大于油杆内径，抽油杆柱下端需状脱接器。这是设计者还需选定脱接器的类型和规格。（3）抽油泵确定泵的类型，包括是选用管式泵、杆式泵、套管泵以及整筒泵，还是选用衬套泵等等，其次是确定泵的内径、柱塞长度及可运动长度，柱塞与衬套的配合间隙等级等。例如：56的管式衬套泵，柱塞长度1.2m，柱塞可运动长度3m，配合间隙为级。当泵下端需装砂锚或气锚时，设计者还需确定这些设备的类型与规格。（4）原动机 确定原动机的类型与规格，明确是选用异步电动机还是天然气发动机。如选用异步电动机，还需明确是哪一种电机，是Y系列、 系列或是超高转差率异步电动机，最后确定原动机的具体型号，例如：Y225M-8型电动机。 在确定系统中个机械设备的同时，还要选定系统的工作参数，这里主要指的是抽油机的冲程长度S、冲数n、所需的平衡力矩M，然后根据S、n、M即可进一步确定连杆销轴在曲柄上的位置、电动机小皮带轮尺寸以及平衡重的调整位置。2.4有杆抽油系统的设计原则要合理地设计有杆抽油系统，应遵循以下几条基本原则。（1）符合油层及油井的工作条件 所选的抽油设备，应该适应该井或该地区的自然条件和生产条件，诸如气候条件、地表条件、流体物性条件、生产维护条件等等。（2）能充分发挥油层的生产能力 所选择的抽油设备，应该在其经济寿命期内，能满足油井在开发界限上的最大供液能力，以防止因抽油设备的现在而使油井生产受到影响。具体的讲，就是所需的抽油机需适应其经济寿命期内的油井产液能力，以防止在抽油机主要部件尚未到维修高峰期时，因满足不了油井排液量的需要而过着换型，造成经济损失。对选用的泵、杆来说，须适应一个检泵周期内的油井产能，以防止在泵况良好时因规格过小满足不了排液量和负载的变化需要而提前作业更好。只有这样才能保证油井在合理协调状况下长时期稳定生产，不出现因更换设备规格而造成的无谓施工或设备的浪费。（3）设备利用率较高且能满足安全生产的需要 所选的抽油设备，应在使用周期中的大部分时间内有较高的载荷利用率，扭矩利用率，电机利用率以及抽油杆应力利用率等经济技术指标，但又不至于因超负荷而造成设备非寿命损坏。（4）有较高的系统效率和经济效益 选用抽油设备应从多方面统筹考虑，尽可能采用先进技术设备，把高指标、低成本、低消耗统筹考虑，并获得尽可能高的经济效益。3.设计步骤由于有杆抽油系统的各个部件是相互联系、共同工作、不可分割的，所以，企图首先完全的确定其中的某一环节，然后在此基础上进行设计计算，一次性地确定出系统的各个部分，在实际中几乎是不可能的。例如，抽油机的负荷决定于泵、杆，而泵、杆的运动反过来受抽油机的制约。由于上述特点，基本上都用的是试算法，一般都包括以下几个步骤，即： 确定油井产量或已知产量下的流压根据原始要求和条件（Q、H、等）初选设备及工作参数对初选出的系统进行校核设计计算将核算结果与原始要求进行对比，如不满足，则需改变初选参数或初选设备，再进行核算，如此进行，知道满足要求为止。由此可见，油杆抽油机系统的设计，就是根据油井的条件和生产动态，使用按物理逻辑关系建立的有关解析表达式，从产能预测开始逐步计算，以此选出满足要求的泵、杆、机等抽油设备4.设计计算方法设计计算方法大致分为三大类：近似公式计算法、以点模拟计算及工作为基础的API RP 11L所推荐的方法、解振动方程的纯数学方法。 在以上三种方法中，近似公式计算法应用方便，但计算API方法是模拟电子计算机上通过大量模拟实验得到的，虽然它也是在若干假设基础上得到的，但它比较近似公示的计算精度高，因此，以API RP 11L方法为设计依据介绍有杆抽油系统的设计计算 。5.设计所需基本参数5.1有杆抽油系统设计基本资料地层平均压力： Pr=18 MPa 原油饱和压力： Pb=8.5MPa 含水率：fw=60% 油层中部深度：H=1860 m 油管内径：Dti=62 mm(2.44Lin) 原油相对密度：0.85 地层水相对密度：1.02 杆柱的使用系数：SF=0.9 产液指数：J=4.0m3/(dMpa) 试井产量：Qt=36 m3/d 设计产量（配产）：Qx=34 m3/d 井口套管压力：Pc=0.1 Mpa泵入口温度：80 GOR（气油比）：40m3/m3 标准状况下压力：Psc=0.101MPa重力加速度：g=9.8 m/s25.2油井产能预测或流压的确定1.确定井底流压=J(-)=26/d =+=+/1.8=44.89/d而=26/d 则0，此时产量与流压呈线性关系则下的井底流压可通过下式计算：=-/J=6 Mpa2、确定沉没压力（2.537 Mpa）计算沉没压力由公式以上公式计算沉没压力，为未知数 可自己设定一个值=0.65 =2.537 Mpa3、确定下泵深度（1178m）=+(1-) =0.952 g/cm3泵挂深度由公式 可得=1499 m5.3 初选抽汲参数1、泵效泵效采用如下公式计算： =1-0.4 =0.722 （PD，泵的理论排量）=/ =45.33/dsn=/(1.131) sn=45.33/(1.131)由于s、n、都是未知的，应采用不同的泵径来确定S、N的组合由于油管内径=62mm，因而泵径不应大于油管内径，则可供选择的泵径为： 38.1mm，44.45mm，57.15mm则有：1. =38.1mm时，sn=32.5 m/min2.=44.45mm时，sn=24 m/min3.=57.15mm时，sn=14.4 m/min原则上：sn=20-50 m/min 则：1、2符合要求选用=38.1mm和=44.45mm的泵径 柱塞长度选用1.2m，防冲距0.8m根据不同的泵径，选择不同的s、n组合 =38.1mm sn=32.5 m/min则有：n（次/min）68912s (m)5.4714.0633.6112.708=44.45mm sn=24 m/min则有：n（次/min）68912s (m)432.6672 5.4 初选抽油杆柱 Dp=38.1mm, sn=32.5=38.1mm, sn=32.5 m/min=g/4=12.523 kN=15a/L=49.82次/minn/=n/()=0.2s（m）5.4174.0633.6112.708n（次/min）68912n/n00.1050.140.15710.212取S=0.8 查图Sp/S-N/N0关系曲线得 /=0.2(kN)62.61562.6262.61562.62 (kN.m)11.55915.4117.3423.12=(1/)/(),则有：mm/(kN.m)0.0580.0430.03850.03以上计算的弹性系数值大于表7-6中的，故全部舍去0.036虽然符合抽油杆柱中的弹性系数值，但是仍然太大，故也将其舍去=44.45mm，sn=24 m/min=g/4=17.045 kNNo=15a/L=49.82 次/minn/=n/()=0.2 s（m）432.6672n（次/min）68912n/n00.0820.110.1230.165取S=0.8 查图Sp/S-N/N0关系曲线得 /=0.2(kN)85.5685.2385.2385.23 (kN.m)21.3128.4131.95742.62=(1/)/(),则有：mm/(kN.m)0.0310.0230.02090.02以上计算的弹性系数值只有0.04不符合, 其他三组符合要求综合可知，只有=44.45mm，sn =24 m/min时符合抽油杆柱的设计。5.5 有杆抽油装置的设计（API方法）5.5.1有杆抽油装置的设计（API方法）原理1954年，美国成立了一个非营利性的“有杆抽油研究公司”，由中西部研究院在模拟计算机上完成了一系列研究。API RP 11L方法就是在归纳和总结电模拟研究成果的基础上提出来的。该方法经API专门组推荐，于1967年公布发表，它是由以无因次量表示的一系列图表和关系式所组成。1. API法的假设条件（1） 普通游梁式抽油机，且当尾部轴承在冲程中部时，该点处于曲柄轴正上方；（2） 模拟的是相对低滑差的原动机；（3） 模拟的是上粗下细的级次抽油杆；（4） 泵完全充满（没有气体影响和液体撞击现象）（5） 井下摩擦正常；（6） 假定油管锚定的；（7） 抽油机是完全平衡的，并且假定传动效率喂100%。2. 基本示功图当冲数N=0时。示功图表示静载的变化，此时，光杆最大负荷 PPRL=Wrf +F0光杆最小负荷 MPRL=Wrf当冲数N0时，示功图是考虑动载以后光杆载荷的变化，此时，光杆最大负荷 PPRL=Wrf +F1光杆最小负荷 MPRL=Wrf-F2 式中 F0 作用在整个活塞截面积上的液柱载荷，即上下冲程中载荷之差，KN； Wrf抽油杆在液中的重量，KN； F1最大载荷系数，是液柱载荷F0与上冲程最大动载之和； F2 最小载荷系数，即下冲程最大动载荷。3.无因次变量API法引用了两个无因次自变量：（1） 无因次冲数(或)：冲数N与抽油杆柱固有频率(或)之比。（2） 无因次杆柱伸长（无因次冲程）:抽油杆柱的伸长量与光杆冲程S之比。此外，API法还引入了五个无因次变量：（1） 无因次最大动载荷（2） 无因次最小动载荷（3） 无因次扭矩（4） 无因次载荷（5） 无因次活塞冲程根据计算出的无因次自变量值(或)和，查无因次曲线图或根据插值可以确定以上五个无因次变量的值，代入公式便可求出所需的工作特性参数。4.计算公式（1）柱塞冲程 注:如油管柱是锚定的，,故代表锚定的油管柱的公式（2）泵排量 （3） 光杆最大载荷 （4） 光杆最小载荷 （5） 曲柄最大扭矩 式中时，最大扭矩的调整值。当时，先根据和经查得到调整百分数c（用内插法）。再用调整百分数c和计算:（6） 光杆马力 （7） 要求平衡重量 5.5.2当选用S=3m ,N=8 次/min，(Dp=44.45mm)时各参数计算S=3m ,N=8 次/min (Dp=44.45mm)qr=1.42kg/mFc=1.137、 Er=(1/Kr)/(Lp10-3)=0.029 mm/(kN.m)Et=(1/Kt)/(Lp10-3)=0.00414 mm/(kN.m)Fo=103Dp2Lplg/4=17.045 kN1/kr=ErL10-3=0.035 m/kNSkr=S/(1/kr)=85.751kNFo/Skr=0.19877N/No=N/(15a/L)=0.1606N/No=(N/No)/Fc=0.110951/Kt=EtL=0.00488 m/kN求Sp和PDSp/S=0.8Sp=(Sp/s)s-Fo(1/Kt)=2.3169mPD=1.13110-3SpNDp2=41.419m3/d由于设计的产量为34m3/d，而通过参数计算出的泵排量为41.419m3/d，满足相对误差小于10%的要求Wr=qrgL=16.39 kNWrf=Wr(1-l/s)=14.402 kNWrf/(Skr)=0.16795由相关图版可查得无因次参数如下：F1/(Skr)=0.28F2/(Skr)=0.062T/(S2kr)=0.21F3/(Skr)=0.18C=0.05Ta=1+(Wrf/Skr-0.3)0.5=0.934求工作参数光杆最大载荷PPRLPPRL=Wrf+(F1/Skr)Skr=38413 N 光杆最小载荷MPRLMPRL=Wrf-(F2/Skr)Skr=9257.2 N 曲柄最大扭矩PTPT=2T/(S2kr)SkrS0.5Ta=25.228 kN.m 杆马力PRHPPRHP=F3/(Skr)SkrSN/60=6.1741 kW要求平衡值CBECBE=1.06(Wrf+Fo0.5)=24.3 kN抽油杆强度校核最粗的抽油杆直径为15.9mmAtop=15.923.14/4=198.46 mm2min=MPRL/Atop=46.646 N/mm2查表得T=965 N/mm2 a=(T/4+0.5626min)SF=240.74 N/mm2max=PPRL/Atop=193.56 N/mm2很明显，amaxRs=（max-min）/(a-min)=0.7569满足0.5Rs1因而抽油杆柱校核准确，S=3 m，N=8次/min ，Dp=44.45mm满足要求杆应力利用率：max/amax/a=0.80401有效扬程HeHe=Hm-(Pwf1000)/(lg)=895.33 m水力功率HPhHPh=QHelg/86400=3.2871 kW电动机输出功率PiPi=PRHP/s=8.4955 kW系统效率=HPh/Pi=0.3869计算举升效率LELE=HPh/PRHP=0.5324计算经济指数EIEI=(PPRLPTPRHP)/LE=11238 kN2.m.kW5.5.3当选用S=2.67m ,N=9 次/min，(Dp=44.45mm)时各参数计算S=2.67,N=9(Dp=44.45mm)qr=1.59 kg/mFc=1.061、Er=(1/Kr)/(Lp10-3)=0.0261 mm/(kN.m)Et=(1/Kt)/(Lp10-3)=0.00414 mm/(kN.m)Fo=103Dp2Lplg/4=17.045kN1/kr=ErL10-3=0.03074m/kNSkr=S/(1/kr)=86.8454kNFo/Skr=0.19627N/No=N/(15a/L)=0.14192N/No=(N/No)/Fc=0.133761/Kt=EtL=0.00488m/kN求Sp和PDSp/S=0.8Sp=(Sp/s)s-Fo(1/Kt)=2.05288mPD=1.13110-3SpNDp2=41.2868m3/d由于设计的产量为34m3/d，而通过参数计算出的泵排量为41.2868m3/d，满足相对误差小于10%的要求Wr=qrgL=18.355kNWrf=Wr(1-l/s)=16.129kNWrf/(Skr)=0.18572由相关图版可查得无因次参数如下：F1/(Skr)=0.3F2/(Skr)=0.0652T/(S2kr)=0.22F3/(Skr)=0.2C=0.05Ta=1+(Wrf/Skr-0.3)0.5=0.94286求工作参数光杆最大载荷PPRLPPRL=Wrf+(F1/Skr)Skr=42183N光杆最小载荷MPRLMPRL=Wrf-(F2/Skr)Skr=10484N曲柄最大扭矩PTPT=2T/(S2kr)SkrS0.5Ta=24.0491kN.m 杆马力PRHPPRHP=F3/(Skr)SkrSN/60=6.95632kW要求平衡值CBECBE=1.06(Wrf+Fo0.5)=26.1306kN抽油杆强度校核最粗的抽油杆直径为15.9mmAtop=15.923.14/4=198.46 mm2min=MPRL/Atop=52.828N/mm2查表得T=965 N/mm2a=(T/4+0.5626min)SF=243.87N/mm2max=PPRL/Atop=212.56N/mm2很明显，amaxRs=（max-min）/(a-min)=0.8361满足0.5Rs1因而抽油杆柱校核准确，S=2.67m，N=9次/min，Dp=44.45mm满足要求杆应力利用率：max/amax/a=0.87158有效扬程HeHe=Hm-(Pwf1000)/(lg)=895.328m水力功率HPhHPh=QHelg/86400=3.28708kW电动机输出功率PiPi=PRHP/s=9.57182kW系统效率=HPh/Pi=0.34341计算举升效率LELE=HPh/PRHP=0.47253计算经济指数EIEI=(PPRLPTPRHP)/LE=14934kN2.m.kW5.5.4当选用S=2m ,N=12次/min，(Dp=44.45mm)时各参数计算S=2m ,N=12 次/min，(Dp=44.45 mm)qr=2.12 kg/mFc=1.11、Er=(1/Kr)/(Lp10-3)=0.0196Et=(1/Kt)/(Lp10-3)=0.00414Fo=103Dp2Lplg/4=17.045 kN1/kr=ErL10-3=0.0231 m/kNSkr=S/(1/kr)=86.626 kNFo/Skr=0.19676N/No=N/(15a/L)=0.1892N/No=(N/No)/Fc=0.170481/Kt=EtL=0.00488 m/kN求Sp和PDSp/S=0.8Sp=(Sp/s)s-Fo(1/Kt)=1.5169 mPD=1.13110-3SpNDp2=40.676 m3/d由于设计的产量为34m3/d，而通过参数计算出的泵排量为40.67m3/d，满足相对误差小于10%的要求Wr=qrgL=24.473 kNWrf=Wr(1-l/s)=21.51Wrf/(Skr)=0.24825由相关图版可查得无因次参数如下：F1/(Skr)=0.32F2/(Skr)=0.112T/(S2kr)=0.25F3/(Skr)=0.188C=0.03Ta=1+(Wrf/Skr-0.3)0.5=0.9741求工作参数 光杆最大载荷PPRLPPRL=Wrf+(F1/Skr)Skr=49226N 光杆最小载荷MPRLMPRL=Wrf-(F2/Skr)Skr=11976N 柄最大扭矩PTPT=2T/(S2kr)SkrS0.5Ta=21.096kN.m 杆马力PRHPPRHP=F3/(Skr)SkrSN/60=6.5143W 求平衡值CBECBE=1.06(Wrf+Fo0.5)=31.83kN抽油杆强度校核最粗的抽油杆直径为19.1mmAtop=19.123.14/4=286.4mm2min=MPRL/Atop=41.82N/mm2查表得T=965 N/mm2a=(T/4+0.5626min)SF=238.3 N/mm2max=PPRL/Atop=171.80918N/mm2很明显，amaxRs=（max-min）/(a-min)=0.6601426满足0.5Rs1因而抽油杆柱校核准确，S=2m，N=12次/min，Dp=44.45mm满足要求杆应力利用率：max/amax/a=0.7213有效扬程HeHe=Hm-(Pwf1000)/(lg)=895.33m水力功率HPhHPh=QHelg/86400=3.2871k