采油工程课程设计报告书

1、采油工程课程设计指导书中国石油大学（北京）石油天然气工程学院201335,通过设计计本次采油工程课程设计的主要内容是进行有杆抽油生产系统设计 算，让学生了解有杆抽油生产系统的组成、设计原理及设计思路。1.有杆泵抽油生产系统设计1.1有杆抽油生产系统设计原理有杆抽油系统包括油层，井筒流体、泵、油管、抽油杆、抽油机、电动机、地面 出油管线直到油气分离器。有杆抽油系统设计就是选择合理的机 ，杆，泵，管以及相 应的抽汲参数，目的是挖掘油井潜力，使生产压差合理，抽油设备工作安全、高效及 达到较好的经济效益。在生产过程中，井口回压Ph基本保持不变，可取为常数。它与出油管线的长度、 分离器的入口压力有关，此

2、处取Ph =1.0MPa。抽油井井底流压为Pwf向上为多相管流，至泵下压力降至泵的沉没压力(或吸入口压 力)Pn,抽油泵为增压设备，故泵出口压力增至Pz,称为泵的排出口压力在向上，为抽油杆 油管间的环空流动.至井口，压力降至井口回压Ph。(1) 设计内容对刚转为有杆泵抽油的井和少量需调整抽油机机型的有杆抽油井可初选抽油机机型。对大部分有杆抽油油井。抽油机不变，为己知。对于某一抽油机型号，设计内容 有：泵径、冲程、冲次、泵深及相应的泵径、杆长，并求载荷、应力、扭矩、功率、产 量等技术指标。(2) 需要数据井：井深，套管直径，油层静压，油层温度混合物：油、气、水比重，饱和压力生产数据：含水率，套压

3、，油压，生产气油比，原产量，原流压（或原动液 面）。（3）设计方法这里介绍给定配产时有杆抽油系统的设计方法。首先需要获得油层的IPR曲线。若没有井底流压的测试值，可根据测试液面和套压计算得井底流压，从而计 算出采液指数及IPR曲线。1）根据测试液面计算测试点流压从井口到井底可分为三段。从井口到动液面为气柱段，若忽略气柱压力，则动液 面顶端压力仍为套压。从动液面到吸入口为纯油柱段，可以将这一段分为许多小段， 采用迭代压力方法可求出每小段油的密度 ，最后求出吸口处的压力。从吸入至油层中 部分多相管流段。通过分小段计算多相管流压力分布，可求得测试点流压。2）根据测试点流压和产量计算IPR曲线3） 给

4、定配产量时有杆泵油井设计步骤（简化设计方法）a.利用IPR曲线，由给定产量Q计算流压。b .按Q由流压向上进行多相管流计算，得不同深度处的压力分布。一般分若干小 段进行压力分布计算。为了计算简便，此处可按深度增量迭代方法分两段计 算。若井底流压Pwf高于饱和压力Pb，则以饱和压力点pb为分界线分为两段， Pwf从到Pb为一段，从Pb到零为一段。若井底流压Pwf低于饱和压力Pb，则 以Pwf /2为分界线分为两段，从Pwf到Pwf /2为一段，从Pwf /2到零为一段。C 根据泵沉没压力内插确定泵深；d .初选杆、管直径，按Q由井口向下进行杆、管环空压力分布计算，得不同深度处的压力分布，为了简化

5、计算，给定压力分布；e.对某一抽汲参数组合：泵径、冲程、冲次、泵沉没压力，计算液柱载荷，设计抽油杆柱；f 计算扭矩和需要电机功率等校核抽油机：g 计算泵效：从而计算出产量qh. 判断f qQ以；。若不成立，则换另一组抽汲参数,转第e步；若成立转第i 步。i. 计算举升效率。j 通过计算多组抽汲参数的产量，最后得到产量比配产高但最接近且经济、技术指标较好的抽汲参数组合。1.2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

6、采用Petrobras方法。Petrobras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，按产量加权平均。采液指数计算已知一个测试点；Pwftest、qtxst和饱和压力Pb及油藏压力P。 如果Pwftest - Pb则J 錮(1 )p1 一 Pwftest 如果 Pwftest ”： Pb米液指数qt e stA fw p1 一 Pw ft e stPwftestPwftets、2式中，A=1_0.2() -0.8()PbPbqtest 对应流压Pwfxets时总产液量； fw 含水率,小数: qomzx 油IPR曲线的最大

7、产油量。某一产量qt下的流压Pwf计算q =J(Pt - Pb)(3)+ JPbqmzx 二 qb1.8(4) 若 0 ： q1 : qt 则qtPwf = P1 -匚J(5) 若qt q1 qomzx则按流压加权平均进行推导得；Pwf =f wfp1 -牛)0. 125(1f wP)b- J -81 q10(qb)J1qom ax qb(6) 若qomzx 71，贝U综合IPR曲线的斜率可近似常数Pwf = fw(p1 -帘)何一 9)JJ(7)Bo式中,0 在压力P及温度t下的原油密度,0地面条件下的原油相对密度；g地面条件下的气体相对密度；Rs 在压力p及温度下的溶解油汽比，m3m3 ；

8、Bo 在压力p及温度T下的原油体积系数原油的API度yAPI141.5yo-131.5(9)式中，yAPI 原油的api度。(3)原油体积系数的计算Bo= 0.9720.000147 F1.1 7 5(10)1 . 3流体物性参数计算方法(1)原油密度计算、1000( 01.20610R g)：0 := 5.615尺2.25t 40(11)式中,(4) 溶解油气比的计算 当yAPi ： 15时，使用standing的相关式Rs =0.17812 g (8.0558 A UtH式中，A =0.0125 yAPI -0.00091 (1.8t 32)t温度，c；p 泡点压力(在多相管流中取计算段的

9、平均压力 p) ，Pa。当yAPi 15时，使用Lastater的相关式Rs 二 236500yngmo 1 - yng式中，mo 地面脱气原油的有效分子量；yng 天然气的摩尔分数其中，mo和yng可以通过差图来获得为便于计算，可以采用以下公式计算m。和yng。m。的计算当 0API . 38.3 时0.6631 ln(.mb = 101346- )yAPI 2 . 1(13)当0API :：: 38.3 时61.933 - y api0.0943(14)yng的计算；首先计算泡点压力系数；Xg8.0558 p g510 (t 273.15)(15)当xg3.448 时(16)当0.7 :：

10、 Xg : 3.448时yng= 0.3531 InXg0.5967yng 1说当Xg Lb, Vg 乂 Ls雾流Vg Lm不同流动型态下的寫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2.平均密度及摩擦损失梯度的计算由于不同流动型态下各种参数的计算方法不同，下面按流型分别介绍(1) 泡流平均密度Hl Hg 1式中，Hg 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Hl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订、人、入一在P、T下气、液和混合物的密度，kg/m 3气相存容比由滑脱速度Vs来计算。滑脱速度定义为：气相

11、流速与液相流速之Vsgvslq gqt gVs h； TZh； AHTApQ _Hg）可解出Hg :H =丄口+旦屮+丄）2如 g 2 VsAp VsA/ VsAp式中，vs滑脱速度，由实验确定，m/s ；Vsg、VsL 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：(30)(31)D 2qLVlhAp（1 -叫）式中，f 摩擦阻力系数；Vlh 液相真实流速 ，m/S(32)摩擦阻力系数f可根据管壁相对粗造度对于普通油管，其管壁绝对粗糙度，液相雷诺数NDVsl 1NReL；=.：/ D和液相雷诺数 NRe查图2般取& =4.57 10m。式中，A 在P、T下的液体粘度，油、水混合

12、物在未乳化的情况下可取其体积 加权平均值，Pa.s(2) 段塞流混合物平均密度(34)Wf +ftVsAp!m 二qt 4vsAp式中，、一液体分布系数；Vs 滑脱速度，m/s。滑脱速度可用Griffith和Wallis提出的公式计算：图2 摩擦阻力系数曲线 专业学习资料ssn-u -.科忖冃一IdId9一-HE111 Il J riMfll1(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 然后用内插方法来确定相应的数值Lm -LsLm - Ls(36)(37)式中，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

13、度计算公式与泡流相同：几二Hgg 二(1 - HgL Hgg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(38)摩擦梯度则按连续的气相进行计算，即(39)gV：g2D式中，Vsg 气体表观流速，Vsg =qg/Ap ，m/s。雾流摩擦系数可根据气体雷诺数 NRe g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图3 Orkiszewski方法计算流程框图1.6抽油杆柱设计抽油杆柱设计的一般方法见采油工程设

14、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：iPmax =C WrjWJ(1j丄sn2)1790ii

15、、Wrj八qrj Lrj gj 4j 4(40)(41)Wl 二 fp(Pz -Pn)(42)式中，qi 第i级杆每米杆在空气中的质量，Kg/m ；Lri 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。iPmin八Wrj -j 1SN21790i、Wrjj总iiWrj八 Wrjjj T(43)(44)令 fr0=0 式中，Pj第j级抽油杆底部断面处压力，Pa：j/Pj 二 R 0(1 - fw) Sfw g(L -、Lt)tlPt 井口油压，Pa;po地

16、面油密度，kg/m3；fw体积含水率,小数。应力范围比pL计算公式：maxmin(46)Pm axmax frPm infr(47)抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：-all =（T 0.5625；min）SF4式中，二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;二mi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），使用时可参考表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

17、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

18、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 212 （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（1

19、9mm ）。1.7抽油机校核最大扭矩计算公式M max =1800S 0.202S（Pmax 一 Pmin ）（48）式中，M max 最大扭矩，N m ；Pmax悬点最大载荷，N ；Pmin 悬点最小载荷，N ；S冲程，m。电动机功率计算，Nt1000M max n14388式中，Nt 需要的电动机功率,W;n 冲数,rpm ;如果计算的最大扭矩超过抽油机所配减速箱允许的最大扭矩或计算电动机功率超过电动机额定功率则需改变抽油参数(fp，s，N及L)重行进行设计计算。1.8泵效计算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，n表示， =(50)Q

20、t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Q 二 Qt Sp眶k(51 )S B|B|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 ；S p s抽油杆柱和油管柱弹性伸缩引起冲程损失系数；BI泵内液体的体积系数；B泵的充满系数；qleak 检泵初期的漏失量，m3/d;理论排量计算(52)Qi 二 1440fpSN式中，Qt 泵的理论产量,m3/d。冲程损失系数SpS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：SpW,=旦(丄12 SE friL2r2L+ f)r3 ftL3(53)当油管锚定时

21、：W|Li, L2 * L3)r2 f r3(54)2u(1 )(-2 SE fri其中u =3 L/a式中，3 曲柄角速度，rad/s ；3=nN/30 ;a声波在抽油杆柱中的传播速度，5100m/s ;N ；(55)W 考虑沉没度影响后的液柱载荷为上下冲程中静载荷之差Wl =(Pz -Rn)fpl LfgfpPz泵排出口压力，Pa；，故 Pin Pn ；Pin 泵内压力，Pa；当液体粘度较低时，可忽略泵吸入口压力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 ;P l液体密度,kg/m 3;E-钢的弹性模数,2.06 x1lPa；Lf

22、 动液面深度,m ;Li、L2、L3每级抽油杆的长度,m ;fri、fr2、fr3每级抽油杆的截面积，m2充满系数B的计算： 一1-KR1 R式中，K泵内余隙比,K取0.1.(56)R泵内气液比;(Rp -Rs)(1 -fW)PTinZ R (Pn TO)%(57)Rp 地面生产气油比，m3（标）/m3；Rs 泵内溶解气油比，m3（标）/m3；Pn 沉没压力Pa；fW 体积含水率，小数；P。一标准状况下的绝对压力；P0=105Pa；T0 标准状况下的绝对温度，T0=293K ；Tn 泵吸入口处的的绝对温度，K，Tn = 273 +1；Z气体压缩因子泵内液体的体积系数BlBB(1 fw) Bw

23、fw : B(1-fw)fw式中，B。、Bw 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二 Deqleak =21600( ii-rDeVp)式中，qieak 检泵初期的漏失量,m3/d ；D泵径，m； 卩液体动力粘度；Pas；I柱塞长度，l=1.5m ； P柱塞两端的液柱压差PPz-Pn , Pa； g 重力加速度，m/s2;e径向间隙，e=0.00005m ；Vp柱塞平均速度，VpSN z，m/s ； 30S冲程，m；N 冲次,rpm1.9举升效率计算光杆功率：(60)Wr SN/60水力功率:P 水力=Q 实际(Pz Pn ) /86.4(61)井下效率:(62)n井下=P水力/ P光地面效率:(63)系统效率：n总Wfp(Pz -=P地* P井下(64)Pn)(65)2 .给定设计基础数据：进入系统在数据下载中下载每个人自己的基础数据写出计算步骤及结果 （不允许计算机打印报告，一律手写）。包括油层和流体的 基础数据；机、杆、泵型号及以参数；计算出的压力、产量、载荷、应力、扭矩、功 率及举升效率等指标。要求统一用 A4纸左装订，有封面，写上课程名称、姓名、班 级、学号