北京采油课程设计.doc

目录序言2第一章 设计的基础数据极其分析.31.基础数据. .32.该井采油工程的特点. .3第二章 根据测试点数据绘制IPR曲线41.采油指数的计算：. .42.绘制IPR曲线. .6第三章 井筒多相管流计算. 81.井筒温度分布的计算. .82.不同的压力和温度下流体物性参数计算方法.103.井筒内多相管流计算. .13（1）按深度增量迭代，计算下泵的深度.13（2）按压力增量迭代方法，计算泵排出口的压力.20第四章 悬点载荷及抽油杆柱设计计算201.抽油杆的选取. .202.抽油杆的悬点载荷的计算. .213.抽油机的校核. .23 （1）最大扭矩计算公式. .24（2）电动机功率计算. .24第五章 泵效的计算. .241.泵效及其影响因素. 25理论排量计算. .25冲程损失系数的计算. .25充满系数的计算. .27泵内液体的体积系数Bl. .28 漏失量的计算. .282.泵效率的计算. .29第六章 举升效率计算. 291.光杆功率. .292.水力功率. .303.井下效率. .304.地面效率. .305.系统效率. .306.液柱载荷：. .30第七章 设计结果表. 31参考文献. . .32序言对于某一抽油机型号，设计的内容有：泵型、泵径、冲程、冲次、泵深及相应的杆柱组合和材料，并预测相应抽汲参数的工况指标，包括载荷、应力、扭矩、功率、产量及电耗等。选择合适的有杆抽油系统，不仅能大大地节省材料，而且可以获得最优的泵效。然而，泵效的高低正是反映抽油设备利用效率和管理水平的一个重要指标，提高泵效，从而可以获得更加大的采收率，得到更好的经济效益。通过这次的设计培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。加深学生对所学课程的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识独立分析和解决问题的初步能力。通过课程设计实践，训练并提高学生在查阅资料、理论计算、结构设计、工程绘图、应用标准与规范及计算机应用等方面的能力。课程设计必须制定教学大纲，明确课程设计的目的、要求和内容。经过所在院（系）审定批准，作为课程设计教学文件。课程设计指导书应包括设计步骤、设计要点、参数选择及关键技术的分析、解决思路和方案比较等内容。第一章 设计的基础数据极其分析1.基础数据井深的计算： 井深h=2000+9310=2930 m油层静压： 给定地层压力系数为0.9MPa/100m 地层静压P=2930/1000.9=26.37 MPa基础数据如下表：井深：2930 m地层静压：26.37 MPa套管内径：0.124m 油层温度：90温层温度：16地面脱气油粘度：30mPa.s相对密度：0.84油相对密度：0.84气相对密度：0.76水相对密度：1.0油饱和压力：10MPa含水率：0.4套压：0.5MPa油压：1MPa生产气油比：50m3/m3原产液量(测试点)：30t/d原井底流压(测试点)：12MPa（根据测试液面计算得到）抽油机型号：CYJ10353HB配产量：50t/d泵径：44mm冲程：3m电机额定功率：37KW冲次；6rpm沉没压力：3MPa1.2该井采油特点：该地区采油时地层温度达到了90摄氏度，温度较高，属于高温采油。饱和压力较低，且含水率达到了40%，由此和断定在开采的过程中适合采用水驱动。井深属于中等，其套管和抽油杆的设计难度中等，易于配备。套压较大，其井底的流压大，对地面的设备要提高一定的抗压能力。其配产量为50t/d，配产量高，由此也可说明此井的产液能力强，属于高产井。生产油气比为50，该井的产气能力弱。原油粘度30mPa.s，粘度属于中等，采油时要注意降粘。沉没压力中等，此下泵的深度属于中等。抽油机的配置，选择了高强度，大冲程，大泵径，大功率的抽油机，此设计适合于高产井的配备。第二章 根据测试点数据绘制IPR曲线1.采油指数的计算：当含水率在40%时，根据给定的压力温度，产液量，计算其采油指数用Petrobros计算三相流动的综合IPR曲线的方法：已知一个测试点的Pwf(test)、qt(test)、饱和压力Pb及油藏压力。（1） 当Pwf(test)Pb时： J1= （2-1）（2） 当Pwf(test)Pb时： （2-2） （2-3）其中： 因此推出采液指数表达式为： （2-4）其中： （2-5）式中：qt(test)对应Pwf(test)流压时的总产液量，m/d； qoil在下纯油Pwf(testIPR曲线的产油量，m/d；qwateer在Pwf(test下水IPR曲线的产水量，m/d；fw体积含水率；qomax油IPR曲线的最大产油量，m/d。已知原始数据：qt(test)1=30 t/d fw=40 % 0=0.84g/cm3 0 =1.0 g/cm3 =26.37 MPa Pb =10 MPa Pwf(test)=12 MPa总液体的密度按加权平均计算：=0.41+（1-0.4）0.84=0.904 g/cm3则qt(test)的值为： =33.2 m3/d则设产油量q0 = 33.2 m3/d（1-0.4）=19，92 m3/d因为Pwf(test)Pb, 油藏中全部为单相液体的流动，采油指数J J= =1.387 m3/（d*MPa） 其采液指数J1J1=2.31 m3/（d*MPa） m3/d m3/d2.绘制IPR曲线：当含水率在40%时的，计算其井底的IPR曲线当含水率在40%时，计算不同的产量与井底流压的关系；（1）当0qtqb,则 Pwf=- （2-6）（2）当qb qtqomax则可得到井底的流压的计算公式是Pwf=fw（-）+0.125（1-fw）Pb-1+ （2-7）已知： =26.37MPa Pb=10 MPa fw=40% qomax=86.33 m3/d qb=37.81 m3/d 带入到（2-7）式子中可知由此得对于一个给定的产液量qt，可计算得到相应的井底的流压Pw； 取产液量qt及 相应的井底的流压 Pwf 得到如下的表格1产液量 qt 相应的井底的流压 Pwf 026.37524.211022.042017.713013.383511.22409.45458.25555.79653.21751.47800.4586330.0给定的配产量为q1=50t/d则q配= m3/d将q配的值代入到公式（2-7）中可得到配产时的井底的流压是 p=5.58 MPaIPR曲线如图所示： 图1 IPR曲线 第三章 井筒多相管流计算1.井筒温度分布的计算根据经验公式计算沿井筒的温度分布： （3-1）式中，油井产液量，t/d； 重量含水率，小数；恒温层温度，；油层温度，； H油层中部深度，m；L井筒中任意点深度，m。已知：H=2930m QL=50 t/d fw=40% =16=90把基本的数据代入到（3-1）式子中去。由此可得到：对于给定的井深，可计算得到相应的井筒的温度T(h)得到下面的表格2.给定的井深 m相应的井筒的温度 C016.1120040.4040047.7360055.0480062.34100069.60120076.80140083.94160090.95180097.782000104.332200110.452400115.892600120.122930123.69由表格2可得到图2： 图2 井深与温度关系曲线图2.不同的压力和温度下流体物性参数计算方法（1）原油密度计算 （3-2）式中，在压力P 及温度T下的原油密度，； 地面条件下的原油相对密度： 地面条件下的气相对密度： 在压力P及温度下的溶解油汽比，： 在压力P及温度T下的原油体积系数，。（2）原油的API度 （3-3）式中，原油的API度。（3）原油体积系数的计算 （3-4）式中，（4）溶解油气比的计算1）当时，使用standing的相关式 （3-5）式中， T温度，； P泡点压力（在多相管流中取计算段的平均压力P），Pa。2）当时，使用Lastater的相关式 （3-6）式中，地面脱气原油的有效分子量； 天然气的摩尔分数。 其中，和可以通过差图来获得。为便于计算，我们可以采用以下公式计算和。的计算当时 （3-7）当时 （3-8）的计算；先计算泡点压力系数； （3-9）当时 （3-10）当时 （3-11）（5）油水混合液体的密度 （3-12）式中，体积含水，小数。（6）液体黏度1）原油黏度“ 死油”（脱气油）黏度 （3-13） 式中， 2）“活油”（饱和油）黏度； （3-14）式中， 原油死油与活油黏度，。2）水的黏度 （3-15）式中，水的黏度，3）液体的黏度（7）油、天然气的表面张力 （3-16）式中，油、气的表面张力，；（8）水、天然气的表面张力 （3-17）其中 ， 式中，温度为t时水、气的表面张力，（9）天然气的压缩因子压缩因子指的是实际真实的气体与理想气体的比值。假设天然气的成分全都是甲烷。则由此可得：Ppc=4.640 Mpa Tpc=190.55 k 采用Gopal方法计算：与对于Ppr为0.25.4及Tpr为1.053.0时，用下式计算：Z= Ppr（ATpr+B）+CTpr+D （3-18）对于Ppr为5.415.0及Tpr为1.053.0时，则用下式计算：Z=Ppr（ATpr+B）-1.4667+C/(0.319Tpr+0.522)+D （3-19）上面的公式中：Ppr-拟对比压力 Ppr=P/Ppc Tpr拟对比温度 Tpr=T/Tpc其中A，B，C，D都为常数，可由下表差的，将其带入上式可得到不同温度和压力下得Z值。 表4-1 A，B，C，D数据表PprTprABCD0.21.21.051.21.6643-2.2114-0.36471.43851.21.40.5222-0.8511-0.36471.04901.42.00.1391-0.29880.00070.99692.03.00.0295-0.08250.00090.99671.22,.81.051.2-1.35701.49424.6315-4.70091.21.40.1711-0.32320.58960.12291.42.00.0984-0.20530.06210.85802.03.00.0211-0.05270.01270.95492.85.41.051.2-0.32780.47251.8233-1.90361.21.4-0.25210.38711.6084-1.66351.42.0-0.02840.06250.4714-0.00112.03.00.00410.00390.06070.79275.415.01.053.00.7113.66-1.6372.0713. 井筒多相管流计算根据多相管流的压力梯度就可计算出沿程压力分布。由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数(密度、粘度等)及混合物密度和流速都随压力和温度而变，沿程压力梯度并不是常数。因此，多相管流需要分段计算，并要预先求得相应段的流体性质参数。然而，这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求得的未知数。所以，多相管流通常采用迭代法进行计算。（1）按深度增量迭代，计算下泵的深度以井底为起点开始计算：已知井底的流压力5.58MPa，沉没压力为3MPa， 则假设压力降=2.58MPa,估计压降对应的深度增量1530m该段上断点的井深为1430m该段P上=3MPa P下=5.58MPa则其平均压力=（3+5.58）/2=4.29 MPa由井深温度曲线可知道：T上=85.21C T下=123.69C则该管段的平均温度=（85.21+123.69）/2=104.45C 在该段平均温度104.45C 平均压力4.29 MPa，由以上（3-2）-（3-17）的参数确定的方程可知道：溶解气油比 = 7.82 m3/ m3 原油体积系数 =1.15气体密度 =0.983 kg/m3气体的粘度 =0.0121 mpa.s 混合物的表面张力 =0.03N 气体的体积系数 Z气=0.9376 液体的体积系数 B=1.04 液体的粘度 u液=3.04 mpa.s 液体的密度 液=0.903 g/cm3 然后利用Orkiszewski方法判断流型，气液的流量：qg= （3-20）=5.5 10-4 m3/sqt=55.31/86400=6.4 10-4 m3/sAp=3.14 0.124 0.124=0.04828 m3Vg为无因此气体流速，LB为泡流界限，Ls为段塞流界限，LM为雾流界限。Vg= （3-21）LB （3-22） Ls （3-23） LM=75+84 （3-24）为式子中：Vt -总的流动速度-在液体的密度 kg/m3-在条件下液体的表面张力 N/mD-管子的内径 mq1、qg、qt为在-在下的液体气体及总的体积流量。已知： qg=5.5 10-3 m3/s qt=6.4 10-4 m3/s Ap=3.14 0.124 0.124=0.04828 m3g=10m/s2 =0.03NVt=0.0134m/s D=0.124m把以上数据代入到（3-21）-（3-24）式子中去：计算的可以得到：Vg=0.084m/sLB=0.992， Ls=53.51LM=89.68=0.859 由此可以得到： LB 则由此判断为泡流。表3 流型界限流动型态界 限泡 流段 塞 流过 渡 流雾 流 由前面垂直管流能量方程可知，其压力降是摩擦能量损失、势能变化和动能变化之和。直接写出多项垂直管流的压力降公式： （3-25） 式中 压力，Pa； 摩擦损失梯度，Pa/m； 深度，m； 重力加速度，m/s2； 混合物密度，kg/m3； 混合物流速，m/s。由于此为此为泡流，动能项只有在雾流是有意义，则式子的简化为为： （3-26）对于泡流（1）平均密度 （3-27） 式中 气相存容比(含气率)，计算管段中气相体积与管段容积之比值； 液相存容比(持液率)，计算管段中液相体积与管段容积之比值； 在下气、液和混合物的密度，kg/m3。气相存容比由滑脱速度来计算。滑脱速度定义为：气相流速与液相流速之差。 （3-28） 可解出： （3-29）式中 滑脱速度，由实验确定，m/s； 、气相和液相的表观流速，m/s。滑脱速度，有实验确定：根据Griffth实验确定为Vs=0.244m/s已知： Vs=0.244m/s qt=6.410-4 m3/s Ap=0.04828 m3 qg=5.5 10-4 m3/s代入（3-28）式子，可得 Hg=0.08 （2）泡流摩擦损失梯度按液相进行计算： （3-30） （3-30） 式中 摩擦阻力系数； 液相真实流速，m/s。摩擦阻力系数可根据管壁相对粗造度和液相雷诺数查图2。液相雷诺数 (3-31)式中 在下的液体粘度，油、水混合物在未乳化的情况下可取其体积加权平均值，Pa.s。对于普通的油管,其管壁的绝对粗糙度一般取=4.5710-5 m 已知： ql=6.410-4 m3/s Ap=0.04828 m3Hg=0.08 D=0.124m 液=0.904 g/cm3 u液=0.47 mpa.s代入（3-30）、（3-31）可得到：=0.015m=0.00036=5944.4有以下的图3可得知：其摩擦阻力系数f=0.035图3 摩擦阻力系数曲线则由此代入数据到（3-30）式子中，可得到：摩擦损失梯度为=0.0287已知： =0.0287 液=0.904 g/cm3将数据代入到（3-38）式子中：计算可得到 /dh=0.00902MPa/m则可得到计算设计误差的范围在0.5m 可得到此次的取值不正确，重新取值，重复以上、步的操作；最后可得出在取值=3MPa时 取值947m复合要求，由此可得到泵的下泵深度为1983m计算的下泵深度Lp=1983 m（2）按压力增量迭代方法，计算泵排出口的压力。以井口的压力为起点，假设排出口的压力为9.0MPa，井口的压力为1MPa假设=1500m 则对应的=7MPa，则继续按照上次的、步的操作步骤计算。设压力的误差值为0.05MPa，经计算可得到当=1983m时，=8.8MPa复合条件。由此可得到泵的排出口的压力为9.8MPa。第四章 悬点载荷及抽油杆柱设计计算 1.抽油杆的选取此次泵的型号选用： 抽油机型号：CYJ10353HB冲程 ：3m冲次；6rpm泵径：44mm电机额定功率：37KW由采油手册可知 ：抽油杆的直径为 19 mm 柱塞的直径为 44 mm 悬点的最大载荷 100 KN选取泵径为44mm，游梁式抽油机型CYJ10353HB。抽油杆为单级组合杆柱19mm。 常用的抽油杆分为常规钢抽油杆、玻璃纤维抽油杆和空心抽油杆三种类型。 常规钢抽油杆制造工艺简单，成本低，直径小，使用范围广，约占有杆泵抽油井的90%以上。一般将常规钢抽油杆分为C级、D级和K级三个等级。其机械性能如表4-1所示。表4-1 常规钢抽油杆的机械性能钢级抗拉强度，MPa屈服强度，MPa使用范围D794-965620重负围油井C620-794412轻、中负荷油井K588-794372轻、中负荷并有腐蚀介质的油井在此选用D级的抽油杆。如表4-2、别为抽油杆数据表4-2 抽油杆数据抽油杆直径mm抽油杆截面积cm2每米抽油杆质量Kg/m抽油杆弹性常数10-5kN-1192.842.301.6642.抽油杆的悬点载荷的计算计算：悬点最大、最小载荷的计算公式： （4-1） （4-2） （4-3） 式中：第i级杆每米杆在空气中的质量，Kg/m 第i级杆杆长，m； i 抽油杆级数，从下向上计数； PZ泵排出口压力，Pa；PN泵的沉没压力，Pa；N冲次，rpm;S光杆冲程，m；fP活塞截面积，m2；g重力加速度，m/s2； （4-4） 本次采用单级抽油杆设计，其公式可简化为： （4-5） （4-6）已知：fr=3.14*0.25*0.0192 = 0.00028 m2 fp=3.14*0.25*0.0442=0.0015 m2 L=1983m q=2.30kg/m s=7850 kg/m3 1=904 kg/m3 s=3 m n=6 min-1 带入公式（4-5）和（4-6）中可得到：=70.1KN=37.1KN应力校核：应力范围比计算公式： （4-7） （4-8） 抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：式中：抽油杆许用最大应力，Pa； T抽油杆最小抗张强度，对C级杆，T=6.3*108Pa,对D级杆T=8.1*108Pa; 抽油杆最小应力，Pa； 使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数（小于或等于1.0），使用时可考表2来选值。表2 抽油杆的使用系数使用介质API D级杆API C级杆无腐蚀性1.001.00矿化水0.900.65含硫化氢0.700.50取的值为0.9， fr=0.00028 m2 的值小于0.85 则此抽油杆设计满足强度。3.抽油机的校核已知CYJ10353HB泵 最大的悬点载荷为为100 k N 泵的减速箱的最大的扭矩为53kNm 最大的载荷 =70.1KNPmax100 kN 悬点载荷够强度符合。最大扭矩计算公式 （4-9）式中：最大扭矩，Nm;悬点最大载荷，N;悬点最小载荷，N;S冲程，m。已知：S=3m =70.1 KN =37.1 KN则计算的最大的扭矩为：=18003+0.2023（70.1-37.1）=26.0 kNm=26 kNm 小于泵的减速箱的最大的扭矩为53kNm所以扭矩复合。电动机功率计算 （4-10）式中：Nt需要的电动机功率，W； n冲数，rpm；已知：=26 kNm n=6 rpm代入公式（4-10）中，额定功率为37KW 复合要求。第五章 泵效计算1. 泵效及其影响因素在抽油井生产过程中，实际产量Q一般都比理论产量Qt要低，两者的比值叫泵效，表示， （5-1）实际产量计算 根据影响泵效的三方面的因素，实际产量的计算公式为 （5-2）式中：Q实际产量，m3/d; Qt理论产量，m3/d; Sp柱塞冲程，m； S光杆冲程，m； 抽油杆柱和油管柱弹性伸缩引起冲程损失系数； Bl泵内液体的体积系数； 泵的充满系数； qleak检泵初期的漏失量，m3/d; 理论排量计算 （5-3）式中：Qt泵的理论产量，m3/d;已知：fp=0.0015 m2； S=3 m N=6 rpm代入到（5-3）中可得到： m3/d; 冲程损失系数的计算根据静载荷和惯性载荷对光杆冲程的影响计算当油管未锚定时； （5-4）当油管锚定时： （5-5）式中：uL/a 曲柄角速度，rad/s；N/30； a声波在抽油杆柱中的传播速度，5100m/s； 考虑沉没度影响后的液柱载荷为上下冲程中静载荷之差，N; （5-6）PZ泵排出口压力，Pa；Pin泵内压力，Pa；当液体粘度较低时，可忽略泵吸入口压力，故PinPN；PN泵的沉没压力，Pa； fp、fr、ft活塞、抽油杆及油管金属截面积，m2； L抽油杆柱总长度，m； l液体密度，kg/m3; E钢的弹性模数，2.061011Pa； Lf动液面深度，m； L1、L2、L3每级抽油杆的长度，m； fr1、fr2 、fr3每级抽油杆的截面积，m2此为单级抽油杆设计为油杆锚定， 则可得到：当油管锚定时： （5-7）已知：N/30=0.628 rad/s a=5100m/s； L=1983 ml=904 kg/m3 PZ=3.022 MPa Pin=3 MPauL/a=0.6281983/5100=0.244 fr=0.00028 m2则当油管锚定时，代入（5-7）式子可得到：充满系数的计算 （5-8）式中： K泵内余隙比； 取值0.1 R泵内气液比； （5-9） 地面生产气油比，m3(标)/m3;泵内溶解气油比， m3(标)/m3;沉没压力Pa;体积含水率,小数； 标准状况下的绝对压力；P0=105Pa;标准状况下的绝对温度，T0=293K泵吸入口处的的绝对温度，K，273t；Z气体压缩因子已知： =50 m3(标)/m3; 沉没处的深度为1983m 有温度分布图可知道此处的温度为100 0C 沉没处的压力 Pi=3 Mpa温度为100 0C 此处的压力为3 Mpa带入（3-4）、（3-5）式子中，可计算得到 此处的溶解气油比Rs=6.7 m3/ m3 Z=0.8671 已知： =50 m3 Rs=6.7 m3/ m3 fw=0.4 P0=105Pa ，T0=293K 273t=273+100=373 k =3MPa代入（5-9）式子中可的： =0.12 则已知R=0.12 k=0.1 泵内液体的体积系数Bl沉没处的深度为1983m 有温度分布图可知道此处的温度为100 0C 沉没处的压力 Pi=3 Mpa温度为100 0C 此处的压力为3 Mpa则代入（3-4）中，可解得=1.02 =1.12带入下式子中可解的 式中：、泵内油和水的体积系数 漏失量的计算 检泵初期的漏失量为 （5-10） 式中：qleak检泵初期的漏失量，m3/d; D泵径，m； 液体动力