采油工程课程设计

1、西安石油大学海洋采油工程课程设计目录1.前言12.设计内容与步骤22.1采液指数与流压关系22.1.1计算采液指数22.1.2由各关系式作IPR曲线32.2计算井底的流动压力42.3做充满程度与沉没压力的关系曲线42.4初选下泵深度和动液面62.5初选抽油机和泵径72.6确定冲程和冲次92.7 抽油杆柱设计92.8计算泵效122.9 产量校核122.10作泵效下泵深度曲线，优选下泵深度132.11抽油机校核（最大扭矩、最大载荷）132.11.1计算泵筒与柱塞间半干摩擦力132.11.2 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部的向上推力142.11.3 计算作用于抽油杆柱底部液体上浮力1

2、42.11.4 计算下行程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力152.11.5求抽油杆柱按长度加权平均截面积152.11.6计算油管柱金属部分横截面积152.11.7 计算抽油杆柱在液体中的重力152.11.8 计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷152.11.9 计算抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）悬点位移162.11.10 计算抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角162.11.11 计算变形分布系数162.11.12计算悬点最大载荷、最小载荷162.11.13 计算曲柄轴最大扭矩172.12各种功率的计算172.12.1计算有效（水力）功率172.12.2计算

3、光杆功率172.12.3 计算井下效率182.12.4 计算电动机输出的平均功率182.13 确定平衡半径182.14确定泵型及其间隙等级202.14.1泵筒与柱塞间半干摩擦力202.14.2泵型的确定和参数203设计结果204.参考文献211.前言为适应我国石油工业发展和石油工程专业的学习计划，石油高等院校本科学习阶段必须完成一定的设计内容，培养已学完基础知识理论和专业课程的学生利用已获得的知识去分析、解决工程实际问题的能力，即根据一口井的有关数据资料和技术要求，能够完成一口井的采油工程设计。其目的是为了提高学生的实际分析能力和自主设计能力，为现实的工程设计打好基础，为将来的油田工作做好准备

4、。油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，其对油田以后的发展有着重要的意义。在油田正式开发之前，必须编制油田开发总体建设方案，作为油田开发工作的指导性文件。采油工程方案是油田开发方案的一个重要组成部分和方案实施的核心。采油工程的任务是通过对产油井和注入井采取一系列工程技术措施作用于油藏，使油气畅流入井，并举升到地面进行分离和计量；其主要目标是经济有效的提高油井产量和原油采收率。采油方式的选择是采油工程设计的重要部分。目前，采油方式分为自喷气举采油、有杆泵采油和无杆泵采油，而有杆泵采油方式占主导地位，约占人工举升井数的90，所以，有杆泵抽油系统的设计是采油工程设计方案中的重要一部分；通过对有杆泵抽油

5、系统的设计，可以对抽油机进行选择，从而使泵效较高来提高采收率，并且按照设计来选择最佳的泵型、泵径、冲程、冲次和泵深等，用最经济的设备获得最好的产量。因此，对有杆泵抽油系统的设计是必要的，也是相当重要地的。本设计就是对有杆泵抽油系统的设计，为给定的某一口井选择合理的机、杆、泵组合，并确定其工作参数，以便进行正常的油气生产，从而经济有效的提高油井产量和原油采收率。2.设计内容与步骤2.1采液指数与流压关系 2.1.1计算采液指数由生产数据知，(test)=6.26MPa=12MPa，故为油气水三相流动。产液量： (2-1)采液指数： (2-2)其中则 (2-3) (2-4) (2-5)式中：J1-

6、采液指数, ；-纯油产量, m3/d；-纯水产量, m3/d；-含水率,小数；-由IPR曲线的最大产油量,m3/d；qt-对应流压的总产液量, m3/d；-饱和压力下的产液量, m3/d。生产时含水率为25%当时，此时产液表达式： 当时，由式（1-2）和（1-3）可求出此时产液表达式： (2-6)2.1.2由各关系式作IPR曲线表2-1 流压与流量关系表(Mpa)02468101214161711.710.9610.078.977.686.184.492.690.900图2-1 IPR曲线图2.2计算井底的流动压力在设计数据中，产液量： (2-7)根据IPR曲线，代入（2-6）式计算可得: 井

7、底的流动压力=9.94MPa2.3做充满程度与沉没压力的关系曲线利用充满系数和沉没压力的关系式确立沉没压力(采油工程手册上册)， (2-8)式中： 充满系数，小数； k 弹性变形的影响，初选为0.1； 余隙百分数，初选为0.1； P沉没压力，MPa； 地面气油比，； 天然气溶解系数，； 天然气进泵系数； 泵径面积，； 套管面积，； 油管外圆面积，。部分参数的确定：套管内圆面积油管外圆面积油管内圆面积天然气进泵系数地面气油比 (2-9)溶解气油比 其中： 把计算出的数值代入(2-8)式中整理，得： (2-10)或 图2-2 充满程度与沉没压力的关系曲线2.4初选下泵深度和动液面 假设沉没度=40

8、0m各个变量之间的关系如下图所示： 图2-3 含水井的油水界面由井底流动压力 (2-11)得：其中：（）流压，MPa；油层中部深度,m； 泵挂深度,m； 沉没度,m； 重力加速度, ； 井内混合物平均密度,kg/m³； 吸入口以上环形空间油柱平均密度, kg/m³； 套压,MPa。部分参数的计算： ，把吸入口以上环形空间油柱平均密度看成是纯油的密度； =0.85675%+125%=0.892g/=892把井内混合物平均密度看成是含水率为25%的油水合物的密度。将已知条件代入(2-13)式中，得下泵深度：L =1416m。动液面深度动液面高度2.5初选抽油机和泵径 由前面知，

9、下泵深度为1416m，产液量为6.23m³/d。采油工程手册（上）中的图表如下图所示：图2-4 选取抽油机的示意图图2-5 选取抽油杆、油管对应的尺寸图当下泵深度为1416m时，根据图2-4，从横坐标1416m处向上引垂线，纵坐标6.23m³/d处向右引水平线，两线的交点确定的区域所对应的抽油机为：CYJ5-1.8-18F，泵径为28mm，从交点向上延长上述横坐标的垂线，和最大排量曲线相交于一点，此点所对应的为最大排量16.5m³/d。所对应的抽油杆直径为22×19mm在采油工程（第二版）中推荐：合金钢抽油杆（D级）比例为27×73。另外，最大

10、悬点载荷为50kN,光杆最大冲程为1.8m,最大冲次12,减速箱曲柄轴最大允许扭矩为18kN·m。2.6确定冲程和冲次由可得在抽油机工作过程中有下列关系： (2-12) 由前面知， 当时，由于故选：冲次，冲程2.7 抽油杆柱设计在设计抽油杆柱时必须满足： （1）抽油杆应具有足够的抗疲劳强度的能力；（2）抽油杆的重量应尽量小。杆柱有关参数如下表2-4（采油工程原理与设计）：表2-4 每米抽油杆的质量直径（m）杆柱截面积（cm²）单位长度的重量（kg/m）192.852.30223.803.07根据前面推荐的比例并经过计算，得：直径为22mm杆柱的长度为382m，直径为19mm

11、的杆柱长度为1034m。在计算时，选择经验公式 (2-13)（因为它可用于中深低速的油井，而且考虑了液柱的动载）对于第一个截面：杆柱自重=(2.30×1034+3.07×382)×9.81=34835N液柱在柱塞面积上的重力(柱塞面积为6.16 cm²):=6.16×0.0001×1416×9.81×892=7633N = (34835+7633) ×(1+1.8×6/137) =45816N= (2.85×1034+3.80×382)×(7.85-0.892) &

12、#215;9.81×0.1-(34835×1.8×6²×0.75)/1790=29077N =120.6循环应力的应力幅： =22.1折算应力：经对不同条件下的各种钢材进行疲劳研究，并将研究结与油田实际数据对比得出D级抽油杆的许用应力为70。<70因此，它满足工程要求。对于第二个截面：杆柱自重=(2.30×1034)×9.81=23330N液柱在柱塞面积上的重力(柱塞面积为6.16):=6.16×0.0001×1416×9.81×892=7633N = (23330+7633)

13、×(1+1.8×6/137) =33404N=(2.85×1034)×(7.85-0.892)×9.81×0.1-(23330×1.8×6²×0.75)/1790 =19482N 循环应力的应力幅：=24.4折算应力：经所对不同条件下的各种钢材进行疲劳研究，并将研究结果与油田实际数据对比得出D级抽油杆的许用应力为70。<70因此，它满足工程要求。由于所用的油杆的钢级符合设计的要求，不需要加上加重杆。2.8计算泵效 泵效的一般表达式为： (2-14) 式中：杆、管弹性伸缩对泵效的影响； 泵的

14、充满系数； 泵漏失对泵效影响的漏失系数，此处取1.0；为吸入条件下抽汲液体的体积系数，查地层油体积系数图版可得：=1.216（油层物理）。 冲程损失： (2-15) (2-16)即=62.3%因为设计的井为直井，泵挂深度在1300m和1700m之间，根据国家抽油泵的选择标准选取的泵为底部固定的定井筒杆式泵，其型号为：CYB28RHBC-4.5-0.6-0.3。一般情况下，此型号的泵的理论排量为5m³/d至62m³/d。因此，它能满足生产要求。2.9 产量校核理论产液量:实际产量： 误差：<10%因此，它能满足工程要求2.10作泵效下泵深度曲线，优选下泵深度本组所做的数

15、据，泵效与下泵深度见下表，并作出泵效与下泵深度关系曲线图如下。表2-3 泵效与下泵深度表下泵深度（m）泵效12250.45313200.51814160.62315130.52816080.386图2-6 泵效与下泵深度曲线由上图可以优选出最优下泵深度为本人所选的L=1416m,泵效=62.3%。2.11抽油机校核（最大扭矩、最大载荷）2.11.1计算泵筒与柱塞间半干摩擦力 (2-17)式中：DP泵径，mm；柱塞与衬套间的空隙，由采油工程手册查得=0.02-0.07，这里取=0.05。2.11.2 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部的向上推力计算雷诺 (2-18) 式中：排出阀座孔

16、直径，m，(可由采油手册查得，= DP /3)； 抽吸液体动力粘度，取5mPa.s。求流量系数Re3104时，=0.28=0.00932=6.7910-5m2目前现场所用的抽油泵中游动阀1个或2个，此处选=1 (2-19)式中：排出阀数目，此处取1个；Ao 排出阀座孔面积, m2 ； 抽油泵柱塞截面积, m2。2.11.3 计算作用于抽油杆柱底部液体上浮力2.11.4 计算下行程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力2.11.5求抽油杆柱按长度加权平均截面积 (2-20)2.11.6计算油管柱金属部分横截面积2.11.7 计算抽油杆柱在液体中的重力 式中：-抽油杆材料的密度，g/ cm3；-抽汲液体的

17、密度，g/ cm3。2.11.8 计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷式中：柱塞的截面积，； L下泵深度，m； hs沉没度，m； po油压，MPa。2.11.9 计算抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）悬点位移 （油管锚定）E钢的弹性模量，Pa（油管未锚定）由于，所以油管无需锚定2.11.10 计算抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角2.11.11 计算变形分布系数2.11.12计算悬点最大载荷、最小载荷式中应力波在抽油杆柱中的传播速度，=4968 m/s式中C下冲程动载荷修正系数,一般C=0.850.92.11.13 计算曲柄轴最大扭矩抽油机CYJ5-1.8-

18、18F的悬点最大载荷为50kN，减速箱曲柄轴最大允许扭矩为18kN·m。由于=45.352kN<50kN，=8.908kN·m<18kN·m，均满足要求。2.12各种功率的计算2.12.1计算有效（水力）功率有效提升高度： 由前知，=L-=1416-400=1016m所以2.12.2计算光杆功率 光杆功率 2.12.3 计算井下效率井下效率为 2.12.4 计算电动机输出的平均功率 一般情况下抽油机的效率为80%（除严重的低负荷运转外）。 平均输出功率 2.13 确定平衡半径 平衡扭矩计算式：式中：平衡重所储存的能量； 抽油杆柱在油中的重量，N； 油井中动液面以上，断面积等于柱塞全面积的油柱重，N； S驴头悬点的冲程长度，m。由抽油机型号CYJ5-1.8-18F可知，表2-5 CYJ5-1.8-18F参数表结构不平衡重曲柄重心单块平衡块质量W/kg平衡块数量单块曲柄质量/kg21001780350016501.2400曲柄500游梁40曲柄4 ，游梁10522.5 N 式中：；曲柄平衡块总重N；曲柄重心与曲柄之间的距离mm；曲柄自重N；曲柄半径mm；游梁平衡块重mm。2.14确定泵型及其间隙等级 2.14.1泵筒与柱塞间半干摩擦