6稠油井抽油杆柱设计方法（ 严利民）

1、西安石油大学成人高等教育毕业设计（论文）稠油井抽油杆柱设计方法严利民1.前言2.稠油的基本特性3.稠油井中抽油杆柱设计4.示例计算与分析5.结论与建议稠油井抽油杆柱设计方法1.前言1.1目的意义及发展概况 有杆泵采油是迄今为止最主要的机械采油方式，继有杆泵采油是迄今为止最主要的机械采油方式，继热力采油，蒸汽吞吐等增温降粘措施后，有杆泵抽汲稠热力采油，蒸汽吞吐等增温降粘措施后，有杆泵抽汲稠油技术，成为举升稠油的重要方法。油技术，成为举升稠油的重要方法。 有杆泵抽汲稠油过程中，由于流体粘度过大，将发有杆泵抽汲稠油过程中，由于流体粘度过大，将发生以下几方面的问题：生以下几方面的问题：稠油井抽油杆柱设

2、计方法 A. 粘度过大导致抽油杆下冲程时的运动滞后，降低粘度过大导致抽油杆下冲程时的运动滞后，降低了抽油泵的排量。了抽油泵的排量。 B. 易发生抽油杆接头自动卸扣造成抽油杆柱的脱落易发生抽油杆接头自动卸扣造成抽油杆柱的脱落事故。事故。 C.上冲程时上冲程时,稠油与抽油杆及其接箍表面产生巨大摩稠油与抽油杆及其接箍表面产生巨大摩擦力，严重时将可能把抽油杆拉断。擦力，严重时将可能把抽油杆拉断。 因此，关于有杆泵抽汲稠油工艺设计的研究就十分因此，关于有杆泵抽汲稠油工艺设计的研究就十分必要。必要。稠油井抽油杆柱设计方法 稠油井抽油杆柱设计方法1.2本文工作 本即以直稠油井为研究对象，研究分析在考虑粘度随

3、温度变化的情况下，将抽油杆柱分成微段，迭加计算每个节点的最大、最小载荷以及应力分布；同时进行稀油井中的抽油杆柱载荷计算，并同稠油井中的抽油杆柱载荷作比较，从而得到较理想的抽油杆柱设计，并对其所受载荷进行敏感性分析。2.稠油的基本特性 2.1稠油类型的划分 1982年第二届国际重油沥青砂学术会议建议，将油年第二届国际重油沥青砂学术会议建议，将油层条件下脱气原油粘度大于层条件下脱气原油粘度大于50mPa.s，相对密度大于，相对密度大于0.934的原油划为稠油，也叫重油。的原油划为稠油，也叫重油。 联合国培训研究署联合国培训研究署 、中国石油石油天然气总公司及、中国石油石油天然气总公司及各油气田对稠

4、油的分类均有所不同。各油气田对稠油的分类均有所不同。2.2吐哈油田稠油特性稠油井抽油杆柱设计方法 吐哈油田根据原油流动的特性和组分特点，结合目前的开采工艺技术水平，利用粘度、密度吐哈油田根据原油流动的特性和组分特点，结合目前的开采工艺技术水平，利用粘度、密度和胶质沥青含量三项指标，将稠油分成三种类型，这三种类型稠油的特点是：和胶质沥青含量三项指标，将稠油分成三种类型，这三种类型稠油的特点是：稠油井抽油杆柱设计方法稠油稠油类型类型原油粘度（原油粘度（mPa.smPa.s）地面原油地面原油相对密度相对密度胶质沥青胶质沥青含量（含量（% %）特性特性地地 下下5050中稠中稠油油5050100100

5、3003007007000.9340.9340.950.9520203030原油在地层条件下，流动性能较好，粘温原油在地层条件下，流动性能较好，粘温曲线上拐点温度小于地曲线上拐点温度小于地 层温度。层温度。 重稠重稠油油10010010001000700700800080000.950.950.980.9830304040地层流动性能较中稠油差，粘温曲线上拐地层流动性能较中稠油差，粘温曲线上拐点温度接近或稍高于地层温度。点温度接近或稍高于地层温度。特稠特稠油油100010001000010000800080000.880.881.01.04040在地层条件下，原油的流动性很差，如不在地层条件下

6、，原油的流动性很差，如不加热将很难流动，地层温度低于粘温曲线加热将很难流动，地层温度低于粘温曲线上的拐点温度。上的拐点温度。2.3粘温关系 Adrade粘温关系式：粘温关系式： Walther粘温关系式：粘温关系式：稠油井抽油杆柱设计方法Tbae)8 . 01log(loglog)8 . 0log(log2TTn3 稠油井中抽油杆柱设计 抽油杆柱是将地面往复运动传递到井下抽油泵的中抽油杆柱是将地面往复运动传递到井下抽油泵的中间环节，也是有杆抽油系统中最为薄弱的环节之一。间环节，也是有杆抽油系统中最为薄弱的环节之一。 其其工作的可靠强度直接决定油井是否能正常生产，其工作工作的可靠强度直接决定油井

7、是否能正常生产，其工作性能的好坏直接影响着抽油效率。性能的好坏直接影响着抽油效率。 同时，抽油杆的组合尺寸又直接影响到抽油系统的同时，抽油杆的组合尺寸又直接影响到抽油系统的效率，因此设计经济、安全、合理的杆柱组合尺寸关键效率，因此设计经济、安全、合理的杆柱组合尺寸关键在于准确地计算杆柱载荷的变化。在于准确地计算杆柱载荷的变化。稠油井抽油杆柱设计方法3 稠油井中抽油杆柱设计 抽油杆柱是将地面往复运动传递到井下抽油泵的中抽油杆柱是将地面往复运动传递到井下抽油泵的中间环节，也是有杆抽油系统中最为薄弱的环节之一。间环节，也是有杆抽油系统中最为薄弱的环节之一。 其其工作的可靠强度直接决定油井是否能正常生

8、产，其工作工作的可靠强度直接决定油井是否能正常生产，其工作性能的好坏直接影响着抽油效率。性能的好坏直接影响着抽油效率。 同时，抽油杆的组合尺寸又直接影响到抽油系统的同时，抽油杆的组合尺寸又直接影响到抽油系统的效率，因此设计经济、安全、合理的杆柱组合尺寸关键效率，因此设计经济、安全、合理的杆柱组合尺寸关键在于准确地计算杆柱载荷的变化。在于准确地计算杆柱载荷的变化。稠油井抽油杆柱设计方法3.1稀油井中，抽油杆柱载荷计算稠油井抽油杆柱设计方法悬点最大载荷：悬点最大载荷： 悬点最小载荷：悬点最小载荷：)1 (17902maxlrsnwwwIwwPrlrrulr)1 (17902minlrsnwLgqI

9、wPrrrdr3.2 稠油井中，抽油杆柱载荷计算稠油井抽油杆柱设计方法 由于稠油的粘度对温度变化很敏感由于稠油的粘度对温度变化很敏感,而产液温度又而产液温度又沿井筒变化沿井筒变化,因此因此,不同井深处抽油杆所受摩擦载荷各不不同井深处抽油杆所受摩擦载荷各不相同相同,故进行载荷计算时故进行载荷计算时,将抽油杆自下而上分为将抽油杆自下而上分为n个微个微段段,逐段计算其所受载荷逐段计算其所受载荷,在抽油杆上任取一微段在抽油杆上任取一微段 (假假设其上方微段为设其上方微段为 段段), 具体分析其受力如下具体分析其受力如下:i1i稠油井抽油杆柱设计方法a.摩擦载荷摩擦载荷(1) 抽油杆柱与液体间的摩擦力，

10、抽油杆柱与液体间的摩擦力，rliFVrmmmmdlFrli) 1(ln) 1(12222稠油井抽油杆柱设计方法(2) 液柱与油管间的摩擦力液柱与油管间的摩擦力,(3) 抽油杆与油管的摩擦力抽油杆与油管的摩擦力,tliFrtiF3 . 1rlitliFFmgirtiFF015. 0稠油井抽油杆柱设计方法 上冲程上冲程 下冲程下冲程c. 惯性载荷惯性载荷,mgiFqdlFmgi)/1 (slmgiqdlFaiFraiagqdlF wtSwarcos22稠油井抽油杆柱设计方法抽油杆柱底端载荷计算 上冲程上冲程下冲程下冲程PtclPsrPlpcpoupAPPAHAAHFP)()(PtclPsvcpod

11、ownApPAHFFP)()(稠油井抽油杆柱设计方法悬点载荷计算悬点载荷计算 悬点最大载荷悬点最大载荷 悬点最小载荷悬点最小载荷 oupnitlinimginiainirtiPFFFFP1111maxodownniainirtinirlinimgiPFFFFP1111min3.3 载荷敏感性分析稠油井抽油杆柱设计方法 由于稠油的粘度对温度敏感由于稠油的粘度对温度敏感,因此不同油管深处因此不同油管深处,流体环流体环空流速、摩擦阻力系数不同空流速、摩擦阻力系数不同,流体在油管中流动时的摩擦水头流体在油管中流动时的摩擦水头损失也不相同损失也不相同,故进行计算时故进行计算时,将油管自下而上分为将油管自

12、下而上分为n个微段，个微段，逐段计算其摩擦水头损失：逐段计算其摩擦水头损失：gVDdlfHitifi2.2nififHH1稠油井抽油杆柱设计方法稠油井抽油杆柱设计方法抽油杆柱底端载荷计算 上冲程上冲程下冲程下冲程PtclPsrPlpcpoupAPPAHAAHFP)()(PtclPsvcpodownApPAHFFP)()(稠油井抽油杆柱设计方法3.4 抽油杆柱设计设计方法设计方法设计方法 1. API法法 2.安全系数逐渐增加法安全系数逐渐增加法 3.等强度设计法等强度设计法稠油井抽油杆柱设计方法1maxmax1max1maxmaxmax.Bnniiii稠油井抽油杆柱设计方法设计步骤 由于稠油的

13、粘度对温度敏感，在进行抽油杆柱设计时，需要将井筒分为若干段，逐点计算抽油杆内的应力分布： 1.将井筒分为若干段，求出产液沿井筒的温度分布和粘度变化； 2.先从较小尺寸的抽油杆作为第一级抽油杆进行试选； 3.自上而下逐段求出各抽油杆所受的液体摩擦载荷和其它各种载荷，进而求出抽油杆内的应力分布； 4.找出抽油杆内所受应力等于所选定抽油杆许用应力的某一点位置，自该点以上选用较大一级的抽油杆，再转步骤（3），直至计算到井口为止，据此可确定各级抽油杆的长度。稠油井抽油杆柱设计方法开始是否满足强度条件第i级杆柱长是否超过设计范围返回调用已知数据,D,S,n,LP,直径系列D1,D2,D3以抽油杆柱底端为起

14、点，确定其最大、最小载荷及油井产量选用抽油杆微段长度dx，确定其微段总数n=L/dx调用粘温公式,计算各微段所在深度的流体粘度令第i级杆柱直径为Di，计算各段顶端的最大，最小载荷及应力下一级杆柱i=i+1Di=Di+1改变抽油杆底端直径NYNY4示例计算与分析稠油井抽油杆柱设计方法地表温度,K293.15油压, MPa0.4沉没度,m100地温梯度, /m0.0327套压, MPa1.2底端抽油杆直径,mm19游动阀直径,mm25抽油杆密度,kg/m37850冲程,m2.7泵柱塞直径,mm38液体密度kg/m3935冲次, L/min-16油管直径,mm65泵效0.8抽油杆使用系数0.74.1

15、示例计算稀油井中杆柱载荷计算与设计稠油井抽油杆柱设计方法0100020003000400050006000020406080温度 粘度 mPa.s井深为井深为1600m时稠油粘时稠油粘-温关系曲线温关系曲线稠油井抽油杆柱设计方法稠油粘稠油粘-温对数曲线温对数曲线22.533.51.92logt logu mPa.s稠油井抽油杆柱设计方法稠油井中稠油井中,泵挂深度泵挂深度LP=1600m时的杆柱设计结果时的杆柱设计结果 杆 级杆长m杆径mm杆长比%最 大载 荷kN最 小载 荷kN摩 擦阻 力kN杆 液摩 阻kN最 大应 力MPa最 小应 力MPa许 用应 力

16、MPa112201976.2543.314.35.924.6415250.516022802217.556.314.511.810.414840.51563100256.2563.415.415.914.512929.5152稠油井抽油杆柱设计方法稠油井中稠油井中,泵挂深度泵挂深度LP=1800m时的杆柱设计结果时的杆柱设计结果 杆级杆 长m杆 径mm杆长比%最 大载 荷kN最 小载 荷kN摩 擦阻 力kN杆 液摩 阻kN最 大应 力MPa最 小应 力MPa许 用应 力Mpa112401977.893.115656.916223402218.958.319.89.197.

17、7615350.116032202512.372.819.216.915.414839.11554.2 敏感性分析稠油井抽油杆柱设计方法1200130014001500160017001800050100150200250摩擦水头损失, m油管下入深度, m2.875 in3 in3.5 in4 in油管直径对流体与管壁摩擦的关系曲线油管直径对流体与管壁摩擦的关系曲线 稠油井抽油杆柱设计方法油管直径对流体与管壁摩擦的关系曲线油管直径对流体与管壁摩擦的关系曲线 12001300140015001600170018001900100001200014000160001800020000摩擦阻力，

18、N下泵深度，m2.875in3 in3.5 in4 in稠油井抽油杆柱设计方法不同油管尺寸下流速与抽油杆摩擦阻力的关系曲线不同油管尺寸下流速与抽油杆摩擦阻力的关系曲线 0500010000150002000025000051015202530Sn m/min摩擦阻力 N2.875 in3 in3.5 in4 in5结论与建议稠油井抽油杆柱设计方法 5.1稠油的粘度对温度很敏感稠油的粘度对温度很敏感,不同抽油杆位置处液体的粘度不同，不同抽油杆位置处液体的粘度不同，采用采用Walther粘温关系式能比较准确的计算不同井深处液体的粘度。粘温关系式能比较准确的计算不同井深处液体的粘度。 5.2由于粘度不同而引起的不同深度处的抽油杆所受摩擦载荷也不由于粘度不同而引起的不同深度处的抽油杆所受摩擦载荷也不相同相同,故进行载荷计算时故进行载荷计算时,将抽油杆从下到上分为将抽油杆从下到上分为n个微段个微段,逐段迭加计算逐段迭加计算得到抽油杆各节点的最大、最小载荷、摩擦载荷及应力分布，从而计得到抽油杆各节点的最大、最小载荷