完整采油工程课程设计

采油工程课程设计采油工程课程设计 课程设计课程设计 姓名 唐建锋姓名 唐建锋 学号 学号 039582 中国石油大学 北京 中国石油大学 北京 石油工程学院石油工程学院 20122012 年年 1212 月月 1010 日日 1 一 给定设计基础数据 一 给定设计基础数据 1 二 设计计算步骤二 设计计算步骤 2 2 1 油井流入动态计算 2 2 2 井筒多相流的计算 3 2 3 悬点载荷和抽油杆柱设计计算 11 2 4 抽油机校核 15 2 5 泵效计算 15 2 6 举升效率计算 18 三 设计计算总结果三 设计计算总结果 19 四 课程设计总结四 课程设计总结 20 2 一 给定设计基础数据 一 给定设计基础数据 井深 2000 82 10 2820m 套管内径 0 124m 油层静压 2820 100 1 2 33 84MPa 油层温度 90 恒温层温度 16 地面脱气油粘度 30mPa s 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 1 MPa 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 抽油机型号 CYJ10353HB 电机额定功率 37kw 配产量 50t d 泵径 44mm 如果产量低 而泵径改为 56mm 38mm 冲程 3m 冲次 6rpm 柱塞与衬套径向间隙 0 3mm 沉没压力 3MPa 3 二 设计计算步骤二 设计计算步骤 2 1 油井流入动态计算油井流入动态计算 油井流入动态是指油井产量与井底流动压力的关系 它反映了油藏向该井 供油的能力 从单井来讲 IPR 曲线表示了油层工作特性 因而 它既是确定 油井合理工作方式的依据 也是分析油井动态的基础 本次设计油井流入动态 计算采用 Petro bras 方法 Petro bras 方法计算综合 IPR 曲线的实质是按含水率取 纯油 IPR 曲线和水 IPR 曲线的加权平均值 当已知测试点计算采液指数时 是 按产量加权平均 预测产量时 按流压加权平均 1 采液指数计算 已知一个测试点 wftest P txest q 和饱和压力 b P 及油藏压力P 因为 wftest P b P 1 j txwst wfest q PP 30 33 84 12 1 4 d Mpa 2 某一产量 t q 下的流压 Pwf b q j b PP 1 1 4 x 33 84 10 33 38t d mozx q b q 8 1 b jP 33 38 1 4 10 1 8 41 16t d omzx q 油 IPR 曲线的最大产油量 当 0 qt b q 时 令 q 1t 10 t d 则 p 1wf j q P t 1 15 754 Mpa 同理 q 2t 20 t d P 2wf 13 877 Mpa q 3t 30 t d P 3wf 12 0 Mpa 当 q b qt omzx q 时 令 q 4t 50 t d 则按流压加权平均进行推导得 P 4wf f 1 j q P t w 0 125 1 fw Pb 1 8180 tb omzxb qq qq 8 166Mpa 4 同理 q 5t 60t d P 5wf 5 860 Mpa 当 qomzx q t 时 1 89 omzxtomzxw wfw qqqf pfp JJ 令 q 6t 71t d P 6wf 2 233 Mpa 综上 井底流压与产量的关系列表如下 Pwf Mpa15 74713 87312 010 08 1665 8602 233 Q t d 10203040 653506071 得到油井的流入动态曲线如下图 IPR 曲线 0 5 10 15 20 0102030405060708090 Q t d Pwf Mpa 图 1 油井 IPR 曲线 2 2 井筒多相流的计算井筒多相流的计算 井筒多相流压力梯度方程 井筒多相管流的压力梯度包括 因举高液体而克服重力所需的压力势能 流体因加速而增加的动能和流体沿管路的摩阻损失 其数学表达式如下 dh dp mgsin mvm m m f dh dv m d 2 2 m v 式中 m为多相混合物的密度 vm为多相混合物的流速 fm为多相混合物流 5 动时的摩擦阻力系数 d 为管径 p 为压力 h 为深度 g 为重力加速度 为井斜角 的余角 井筒多相管流计算包括两部分 1 由井底向上计算至泵入口处 2 油管内由井口向下计算至泵出口处 1 由井底向上计算至泵入口处 计算下泵深度 Lp 采用深度增量迭代方 法 首先估算迭代深度 在本设计中为了减小工作量 采用只迭代一次的方法 计算井筒多相管流时 首先计算井筒温度场 流体物性参数 然后利用 Orkiszewski 方法判断流型 进行压力梯度计算 最后计算出深度增量和下泵深 度 Lp 按深度增量迭代的步骤 井底流压 12Mpa 假设压力降为 0 2 Mpa 估计一个对应的深度增量 h 40m 即深度为 1960m 由井温关系式可以计算得到该处的井温为 89 96 平均的压力和温度 T 90 89 96 2 89 98 平均压力P 11 9 Mpa 由平均压力和平均温度计算的得到流体的物性参数为 溶解油气比 RS 71 31 原油体积系数 B0 1 25 原油密度 P0 739 00 油水混合液的密度 Pz 843 40 死油粘度 od 6 537 10 4 活油粘度 O 3 318 10 4 水的 粘度 w 3 263 10 4 液体的粘度 3 296 10 4 天然气的压缩因子 Z 0 9567 天然气的密度 g 90 70 以上单位均是标准单位 由以上的流体物性参数判断流型 不同流动型态下的 m 和 f 的计算方法不同 为此 计算中首先要判断流动 形态 该方法的四种流动型态的划分界限如表 1 所示 表 1 流型界限 流动型态界 限 泡 流B t g L q q 段 塞 流SgB t g LvL q q 6 过 渡 流 SgM LvL 雾 流Mg Lv 其中 B L 1 071 0 7277 2 t D 且 B L 0 13 如果 B L 0 13 则取 B L 0 13 S L 50 36 g v g t q q M L 75 84 g v g t q q 0 75 由计算得到 由于该段的压力大于饱和压力的值 所以该段的流型为纯液 流 计算该段的压力梯度 dh dP 由压力梯度的计算公式 mmmmf dvvdhgdhdP m 843 40 f 计算对应于 P 的该段管长 深度差 h 将第 步计算得的 h 与第 步估计的 h 进行比较 两者之差超过允 许范围 则以新的 h 作为估算值 重复 的计算 使计算的与估计的 h 之 差在允许范围 内为止 该过程之中只迭代一次 2 由井口向下计算至泵出口处 计算泵排出口压力 PZ 采用压力增量迭 代方法 首先估算迭代压力 同样为了减小工作量 也采用只迭代一次的方法 计算井筒多相管流时 首先计算井筒温度场 流体物性参数 然后利用 Orkiszewski 方法判断流型 进行压力梯度计算 最后计算出压力增量和泵排出 口压力 PZ 按压力增量迭代的步骤 已知任一点 井底或井口 的压力 0 P 选取合适的深度间隔 h 可将管L等 分为 n 段 估计一个对应于计算间隔 h 的压力增量 P 7 计算该段的T和P 以及P T下的流体性质参数 计算该段压力梯度 o dh dP 计算对应于 h 的压力增量 o i dh dP hP 比较压力增量的估计量 P 与计算值 iP 若二者之差不在允许范围内 则以计算值作为新的估计值 重复第 步 使两者之差在允许范围 o 之内 为止 计算该段下端对应的深度 i L 和压力 iP hiLi i ioi PPP 1 以 i L 处的压力 iP为起点压力重复第 步 计算下一段的深度1 i L 和压 力 1 i P 直到各段累加深度等于或大于管长L时为止 2 2 计算气 液两相垂直管流的 Orkiszewski 方法 本设计井筒多相流计算采用 Orkiszewski 方法 Orkiszewski 法提出的四种流动型态是泡流 段塞流 过渡流及环雾流 如 图 1 所示 在处理过渡性流型时 采用内插法 在计算段塞流压力梯度时要考 虑气相与液体的分布关系 针对每种流动型态提出了存容比及摩擦损失的计算 方法 图 1 气液混合物流动型态 Orkiszewski 1 压力降公式及流动型态划分界限 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 由式 2 36 可直接写出多项垂直管流的压力降公式 mmmmf dvvdhgdhdP 26 8 式中 P 压力 Pa f 摩擦损失梯度 Pa m h 深度 m g 重力加速度 m s2 m 混合物密度 kg m3 m v 混合物流速 m s 动能项只是在雾流情况下才有明显的意义 出现雾流时 气体体积流量远 大于液体体积流量 根据气体定律 动能变化可表示为 dp PA qW dvv p gt mmm 2 27 式中 p A 管子流通截面积 m2 t W 流体总质量流量 kg s g q 气体体积流量 m3 s 将式 27 代入式 26 并取 k hdh k pdP mm PP 经过整理后可 得 k P k p gt fm h PA qW g 1 2 28 式中 k P 计算管段压力降 Pa k h 计算管段的深度差 m P 计算管段的平均压力 Pa 不同流动型态下的 m 和 f 的计算方法不同 下面按流型分别介绍 1 泡流 平均密度 ggLLm HH ggLg HH 1 1 gL HH 式中 g H 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 9 L H 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 mg 在 TP 下气 液和混合物的密度 kg m3 气相存容比由滑脱速度 s V 来计算 滑脱速度定义为 气相流速与液相流速 之差 1 1 gp gt gp g g sL g sg s HA qq HA q H v H v v 可解出 g H Hg ps g ps t ps t Av q Av q Av q4 1 1 2 1 2 式中 s v 滑脱速度 由实验确定 m s sg v sL v 气相和液相的表观流速 m s 泡流摩擦损失梯度按液相进行计算 2 2 LHL t v D f 1 gp L LH HA q v 式中 f 摩擦阻力系数 LH v 液相真实流速 m s 摩擦阻力系数 f 可根据管壁相对粗造度 D 和液相雷诺数 Re N 查图 2 液相雷诺数 L LsL Dv N Re 式中 L 在 TP 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 10 图 2 2 段塞流混合物平均密度 L pst psLt m Avq AvW 34 式中 液体分布系数 s v 滑脱速度 m s 滑脱速度可用 Griffith 和 Wallis 提出的公式计算 gDCCvs 21 35 3 过渡流 过渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和雾流分别进行计算 11 然后用内插方法来确定相应的数值 Mi SM sg SL SM gM m LL Lv LL vL 36 Mi SM gg SL SM gM t LL Lv LL vL 37 式中的 SL SL 及 Mi Mi 为分别按段塞流和雾流计算的混合物密度及摩擦 梯度 4 雾流 雾流混合物密度计算公式与泡流相同 ggLgggLLm HHHH 1 由于雾流的气液无相对运动速度 即滑脱速度接近于雾 基本上没有滑脱 所以 gL g g qq q H 38 摩擦梯度则按连续的气相进行计算 即 D v f sgg f 2 2 39 式中 sg v 气体表观流速 pgsg Aqv m s 雾流摩擦系数可根据气体雷诺数 gNRe 和液膜相对粗糙度由图 2 查得 按不同流动型态计算压力梯度的步骤与前面介绍的用摩擦损失系数法基本 相同 只是在计算混合物密度及摩擦之前需要根据流动型态界限确定其流动型 态 图 3 为 Orkiszewski 方法的计算流程框图 12 以井口油压或井底流压为起点 选择 合适的压力间隔P 假设h 计算平均 P 和 T 并求得在此 P 和 T 下的流体性质参数 和流动参数 以及相应的流动型态界限LB Lg和 LM 确定流动型态 雾流 计算气相存容 比 平均密度 及摩擦梯度 过渡流 分别按段塞流和雾流 计算平均密度及摩擦 梯度 并进行内插 段塞流 计算滑脱速度 液 体分布系数 平均 密度和摩擦梯度 泡流 计算气相存容 比 平均密度 和摩擦梯度 计算并比较h 重复上述计算使h 的计算 值与假设值相等或在允许的误差范围内 重复上述步骤 直到 h的等于或大于油层深度为止 图 3 Orkiszewski 方法计算流程框图 2 3 悬点载荷和抽油杆柱设计计算悬点载荷和抽油杆柱设计计算 抽油杆柱设计的一般方法见 采油工程设计与原理 之所以设计方法较复 杂 原因之一是因为杆柱的最大 最小载荷与杆长不是线性关系 例如在考虑 抽油杆弹性时的悬点载荷 在考虑杆柱摩擦时的悬点载荷公式与杆长不是线性 关系 原因之二是因为杆 管环空中的压力分布取决于杆径 而杆柱的设计有 用到杆 管环空中的压力分布 由于综合课程设计时间较少 所以这里提供一种简化杆柱设计方法 暂将杆 管环空中的压力分布给定 按油水两相 不考虑摩擦时的压力分布 杆柱的最大 最小载荷公式采用与杆长成线性关系的下面公式 它是针对液体 粘度较低 直井 游梁抽油机的杆柱载荷公式 悬点最大 最小载荷的计算公式 13 1790 1 2 1 max SN WWP L i j rj 40 gLqW rj i j rj i j rj 11 41 NZpL PPfW 42 式中 ir q 第 i 级杆每米杆在空气中的质量 Kg m ri L 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 i j rj i j rj W SN WP 1 2 1 min 1790 43 11 111 jrrj i j j i j rj i j rj ffPWW 44 式中 令 fr0 0 Pj 第 j 级抽油杆底部断面处压力 Pa 1 1 1 0 j t twwwtj LLgffPP 45 14 Pt 井口油压 Pa 0 地面油密度 kg m3 fw 体积含水率 小数 应力范围比 pL计算公式 min minmax all PL 46 fr Pmax max fr Pmin min 47 抽油杆柱的许用最大应力的计算公式 SF T allmin 5625 0 4 式中 all 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 min 抽油杆最小应力 Pa SF 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 若抽油杆的应力范围比小于 pL 则认为抽油杆满足强度要求 此时杆组长 度可根据 pL 直接推导出杆柱长度的显示公式 对于液体粘度低的油井可不考虑采用加重杆 抽油杆自下而上依次增粗 所以应先给定最小杆径 19mm 然后自下而上依次设计 有应力范围比的计算 15 公式即给定的应力范围比 pL 0 85 计算第一级杆长 L1 若 L1 大于等于 泵深 L 则抽油杆为单级杆 杆长为 L 并计算相应的应力范围比 若 L1 小于 泵深 L 则由应力范围比的计算公式及给定的应力范围比计算第二级杆长 L2 若 L2 大于等于 L L1 则第二级杆长为 L2 并计算相应的应力范围比 若 L2 小于 L L1 则同理进行设计 在设计中若杆径为 25mm 仍不能满足强度要求 则需改变抽汲参数 在设计中若杆径小于或等于 25mm 并满足强度要求 则杆 柱设计结束 此为杆柱非等强度设计方法 若采用等强度设计方法 则需降低 pL 重新设计杆的长度 在设计抽油杆的过程中油管直径一般取 2 1 2 外径 73mm 内径 62mm 若泵径大于或等于 70mm 则油管全用 3 外径 89mm 内径 76mm 原因是 作业时大柱塞不能下如小直径油管中 若采用 25mm 抽油杆 则相应油管直径 应用 3 原因是 25mm 抽油杆节箍为 55mm 与 62mm 油管间隙太小 当采用 多级杆时 3 油管长度比 25mm 杆长多 10m 为了减小计算工作量 在本次课程设计中杆柱设计简化处理 采用单级杆 设计 19mm 设计内容如下 由于采用单级杆设计 且杆径为 19mm 所以选用油管的直径为 62mm 计算内容和步骤 最大载荷 NZpL PPfW 0 0014999 1 10 6 1499 9N 11 ii rjrjrj jj Wq L g 由于是单级的计算 所以简化为 r W r q r L g 7850 9 8 1200 26 19104 26174 24N 1790 1 2 1 max SN WWP L i j rj 16 max P 1499 9 26174 24 1 2 3 6 1790 29343 66N 2 最小载荷 i j rj i j rj W SN WP 1 2 1 min 1790 1 111 iii rjrjjrjrj jjj WWPff 式中 令 fr0 0 1 1 1 0 j t twwwtj LLgffPP 由于 在该设计过程之中 只有一级杆 所以公式变为 0 1 twww PPffgL 1 10 631 11 631 Mpa 0 rjrjrjr WWPff 26174 24N 11 631 0 0014999 0 10 6 8728 9N 2 min 1790 rjrj SN PWW 8728 9 2 3 6 26174 24 1790 7149 68N 2 4 抽油机校核抽油机校核 1 最大扭矩计算公式 min 202 0 1800 maxmax PPSSM 1800 3 0202 3 29343 66 7149 68 18849 55N m 2 电动机功率计算 14388 1000 max nM Nt 1000 18849 55 6 14388 7860 53W 所以 可知电机的计算功率小于电机的额定功率 因而符合要求 17 2 5 泵效计算泵效计算 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 t Q Q 50 2 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 l leak l P t B q BS S QQ 51 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 SSp 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 1 理论排量计算 SNfQ pt 1440 1400 0 0014999 3 6 37 80 m3 d 2 冲程损失系数 SSp 的计算 根据静载荷和惯性载荷对光杆冲程的影响计算 本设计按照油管未锚定计算 当油管未锚定时 2 1 3 3 2 2 1 1 2 trrr lP f L f L f L f L SE Wu S S 由于只有一级抽油杆柱 所以公式简化为 18 2 1 1 1 2 lP rt WSLuL SSEff 2 11 0 14781499 912001200 1 23 2 06 100 00149990 001521 1 018 式中 u L a 0 1478 曲柄角速度 rad s N 30 6 30 0 6283 a 声波在抽油杆柱中的传播速度 5100m s pflpinZl gfLfPPW 1 10 6 0 0014999 1499 9N 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 Pin PN 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 06 1011Pa 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 3 充满系数 的计算 R KR 1 1 0 4814 式中 K 泵内余隙比 取 0 1 R 泵内气液比 0 5 0 10 1 TP ZTPfRR R in inWSP 5 65 50 10 0 6 10351 66 0 96 3 1010 293 0 892 19 P R 50 m3 标 m3 S R 10m3 标 m3 in P 3M Pa W f 0 4 P0 105Pa T0 293K in T 273 t 351 66 Z 0 96 4 泵内液体的体积系数 Bl 00 1 1 lwwwww BBfB fBff 1 0462 5 漏失量的计算 检泵初期的漏失量为 6 21600 3 pleak DeV l PDe q 36 0 044 0 0000510 21600 0 044 0 00005 0 6 6 0 000531 5 0m3 d D 0 044m 0 00053Pa s l 1 5m P PZ PN 10 6 Pa g 9 8m s2 e 0 00005m 30 SN Vp 3 6 30 0 6m s 所以最终算出泵的效率 leakP tt ll qS QQQ SBB 37 80 1 018 0 4814 1 0462 37 80 46 82 2 6 举升效率计算举升效率计算 光杆功率 P 光 r