采油工程课程设计报告

1、采油工程课程设计指导书中国油大学（北京）油天然气工程学院本次采油工程课程设计的主要容是进行有杆抽油生产系统设计，通过设计计算，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11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，此处取ph 1.0MPa

2、。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，油压，生产气

3、油比，原产量，原流压（或原动液面） 。（3）设计法这里介绍给定配产时有杆抽油系统的设计法。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，可以将这一段分为多小段，采用迭代压力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 ） 给定配产量时有杆泵油

4、井设计步骤（简化设计法）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IqI。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法。Petrobras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(1)已知一个测试点；Pwftest、qtxst和饱和压力Pb及油藏压力P如果pwftestPb则Jqn estP1Pwftest如果pwftestPb米液指数qtest1 fw A Pb 先 A1.8fw P1Pwftest式中，a 1 0.2（牡）0.8（归）1 2PbPbqtest 对应流压Pwfxets时总产液量;fw 含水率，小数:qomzx 油IPR曲线的最大产油量某一产量qt下的流压Pwf计算J(PtP

7、b)omzxqbJPb1.8 若0 q1 qt则pwfp1 J 若qtq1 qomzx则按流压加权平均进行推导得；fw(P1中）0.125(1 fw)Pb 1若qomzx q1，则综合IPR曲线的斜率可近似常数Pwffw(P1qomzxJ(q1qomzx )(8 fw9)J(3)(4)(5)(6)(7)1000( o 1.206 10oBo3Rsg)(8)式中，o 在压力P及温度t下的原油密度,o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,Bo 在压力p及温度T下的原油体积系数(2) 原油的API度yAPi业 131.5o式中，yAPI 原油的ap

8、i度。(3) 原油体积系数的计算1 175(10)式中，F 5.615Rg 2.25t 40Bo 0.9720.000147 F .(4) 溶解油气比的计算 当yAPi15时，使用standing的相关式(11)Rs 0.17812 g (8.0558p 10A)1'2048式中，A 0.0125 yAPI0.00091 (1.8t 32)t 温度，C；p泡点压力(在多相管流中取计算段的平均压力p)，Pa。当yAPI 15时,使用Lastater的相关式Rs23650。 也mo 1 yng(12)式中，m。一地面脱气原油的有效分子量;yng 天然气的摩尔分数。其中，m。和yng可以通过

9、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 °API38.3 时0.6631 ln( 1346 ) g 10 yAPI 2.1(13)当 oAPI 38.3 时yng的计算；m。61.933 yAPI0.0943首先计算泡点压力系数;8.0558 p g510 (t 273.15)当 Xg 3.448 时yng0.3531 In 0.5967当 0.7 Xg 3448 时 yng 0.2401 ln当Xg 0.7时0.1236lnXg0.1223如果计算出来的溶解油气比大于生产油气比，则等于生产油气比。（5）油水混合液体的密度式中，fw 体积含水，小数。（

10、6）液体粘度原油粘度“死油”（脱气油）粘度:o (1fw)（14）（15）（17）（17-1）（18）式中，y 10Zz 3.0324 0.02023yAPI“活油”（饱和油）粘度:X10 1od1000(19)y (32 1.8t)1.163BA (1000 od)1000(20)1000(21)式中，w 水的粘度,Pa s。液体的粘度o (1fw)(7)油、天然气的表面力42.4 0.047(1. & 32) 0.267(yAPI) e 1.0151Pog1000(22)式中，og 油、气的表面力，Nm ；P压力，Pa。(8)水、天然气的表面力248 1.8t.wgg 206(23

11、.33)137.78】(137.78)(23)其中(23.33)76e 3.62575 10 7 p10000 515式中，A 10.715 (5.615Rs 100) .B 5.44 (5.615Rs 150) 0.338od - o 原油死油与活油粘度，Pa s。 水的粘度1.003 1.479 10 2 (32 1.8t) 1.982 10 5 (32 1.8t)2ew52.5 8.7018 10 7 p(137.78)式中，wg 温度为tC时水、气的表面力，N m ;P压力，Pa。(9) 油水混合物和天然气的表面力og (1fw)wg(10) 天然气的压缩因子Tc92.22 176.6

12、7Pc1064.88 0.39 gg 0.7Pc1064.78 0.25 gg 0.7_273.15 trTcPr0.27 PZTrZ 1 (0.31506 -11.550.5783,T)Pr(0.53530.6815 21.553 R(迭代-1)(迭代-2)此处迭代过程Z取初值1,迭代 式中，P压力，Pa。(11) 天然气的密度g 3.4844 10 3gPZ(t 273.15)Kg/m3;式中，P压力Pa。(12) 天然气的粘度天然气粘度取g 1.22 10 2mPas1. 4井筒温度场计算根据经验公式计算沿井筒的温度分布:t J BATAtrtoBata LHBATA (H L)(24)

13、KpBATAKp(1Fw)1.15735.4246Ql 1000G 24式中，Ql 油井产液量,t/d ；Fw 质量含水率，小数，体积含水率与质量含水率的换算公式为:Fwo(1fw)to 恒温层温度，C；tr 油层温度，C；H 油层中部深度，m;L井筒中任意点深度，m1.5井筒多相流计算井筒多相流压力梯度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：2dpdvmm vmmgs inmVmfm(25)dhdhd 2式中m为多相混合物的密度；Vm为多相混合物的流速；fm为多相混合物流动时的摩擦阻力系数；d为管径；p

14、为压力；h为深度；g为重力加速度；为井斜角的余角。多相垂直管流压力分布计算步骤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。有两种不同的迭代 途径：按深度增量迭代和按压力增量迭代。按深度增量迭代的步骤 已知任一点（井口或井底）的压力R作为起点，任选一个合适的压力降P作为计算的压力间隔。具体要根据流体流量（

15、油井的气、液产量）、管长（井深）及流体性质来定。 估计一个对应P的深度增量 h，以便根据温度梯度估算该段下端的温度T1。 计算出该管段的平均温度 亍及平均压力P ，并确定在该T和P下的全部流 体性质参数（溶解气油比Rg、原油体积系数Bo和粘度°、气体密度g和粘度g， 混合物粘度 m及表面力 等）。 计算该段的压力梯度。dh 计算对应于 P的该段管长（深度差）h计。 将第 步计算得的 h计与第步估计的 h进行比较，两者之差超过允围， 则 以新的h作为估算值，重复的计算， 使计算的与估计的 h之差在允围 为 止。IR PO i PLhjj ii=1,2,3,nLi i和压力R i，直以L

16、i处的压力为起点，重复步，计算下一段的深度到各段的累加深度等于或大于管长（Ln L ）时为止按压力增量迭代的步骤已知任一点（井底或井口）的压力R ,选取合适的深度间隔h（可将管l等分估计一个对应于计算间隔h的压力增量R 计算该段的T和P ，以及P、T下的流体性质参数。h dRh dh 计算该段压力梯度兽o 计算对应于h的压力增量 比较压力增量的估计量R与计算值 R，若二者之差不在允围，则以计算值作为新的估计值，重复第步，使两者之差在允围°之为止 计算该段下端对应的深度Li和压力RiL i hPI POPI1 以Li处的压力P为起点压力重复第步，计算下一段的深度Li和压力Pi ，直到各

17、段累加深度等于或大于管长L时为止。为了简化计算，通常对各段选取同样的增量间隔。而在有些情况下，各段的增量间隔可以不同，这样既能节约计算时间，而又能较好地反映出压力分布。计算气-液两相垂直管流的Orkiszewski法本设计井筒多相流计算采用Orkiszewski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法。匚"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程可知，

18、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：(26)dP fdh g mdh mVmdVm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/m 3 ；Vm 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:mVmdVmWtqgApPdp(27)式中，代一管子流通截面积，m2 ；W 流体总质量流量，kg/s ；qg 气体体积流量，m3/s。将式(27)代入式(26)，并取dh hk，dP Pk

19、， m -m，P P经过整理后可得:Fkmgf1 Wtqg1 2 a2fhk(28)式中，Pk 计算管段压力降， Pa；hk 计算管段的深度差,p 计算管段的平均压力，Pa表1流型界限流动型态界限泡流Lb qt段塞流qg .=. Lb, VgLs qt过渡流LmVLs雾流VgLm不同流动型态下的 一m和f的计算法不同，为此，计算中首先要判断流动形态该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法不同，下面按流型分别介绍(1) 泡流平均密度Hl Hg 1(29)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;g、_m

20、在P、T下气、液和混合物的密度,kg/mHl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;气相存容比由滑脱速度 Vs来计算。滑脱速度定义为：气相流速与液相流速之(30)v Vsg Vslqgqt qgVs H；aPh； Ap（1 Hg）可解出Hg :(31)H 1 n q （1 _q2 4qg g 2L VsAp J VsAp 丿 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：2L VLH t fD 2VlhqLAp(1 Hg)(32)式中，f 摩擦阻力系数；Vlh 液相真实流速，m/S摩擦阻力系数f

21、可根据管壁相对粗造度对于普通油管，其管壁绝对粗糙度，一般取液相雷诺数/D和液相雷诺数 NRe查图254.57 10 m。NReDVsl l式中，L 在P、T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(2) 段塞流混合物平均密度_ Wt LVsApmLqt VsAp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 摩擦阻力系数曲线二=«10S4s-m1 =5.=HM-F亶茁誥一號S9豈 畫厉垃戏 二1"易|?-二二I-!芒rT±翦 SX士莹£占恿-s0e2»

22、;亘.誉气-t_1; LJ- tvjrr(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，然后用插法来确定相应的数值。(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) 雾流雾流混合物密度计算公式与泡流相同:mHlLHgg(1Hg)匚g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(38)(39)所以qL qg摩擦梯度则按连续的气相进行计算，即2g vsgf f2D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

23、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法的计算流程框图图3 Orkiszewski法计算流程框图1.6抽油杆柱设计抽油杆柱设计的一般法见采油工程设计与原理。之所以设计法较复杂，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法。暂将杆、管

24、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：Rnax(WrjWl)(1j 1sn2)1790)Wrjj 1qrjLrjgj 1Wlfp(Pz Pn)(40)(41)(42)式中，qri 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。PminiWrjj

25、1SN2 i1790 jWrj1iWrjj 1iWrjj 1iPjj 1(frj令 fr0=0式中，Pj第j级抽油杆底部断面处压力，Pj Pt0 (1fw)w f w(43)fr1j 1)( 44 )Pa：j 1g(L LJ(45)t 1Pt井口油压，Pa;P0地面油密度，kg/m3 ；fw 体积含水率，小数应力围比pL计算公式:PLmaxminallminPmaxmax-frPminmin-fr(46)(47)抽油杆柱的用最大应力的计算公式:all(T 0.5625 min)SF4式中，all 抽油杆用最大应力，Pa；T抽油杆最小抗强度，对C 级杆，T=6.3*10 8Pa，对 D 级杆 T

26、=8.1*10 8Pa;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若抽油杆的应力围比小于疋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。有应力围比的计算公式即给定的应力 围比（庄二0.85 ）计算第一级杆长L1,若L1大于等于泵深L,

27、则抽油杆为单级杆， 杆长为L，并计算相应的应力围比，若L1小于泵深L,则由应力围比的计算公式及给定的应力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法。若采用等强度设计法，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，径62mm）。若泵径大于或等于70mm，则油管全用3 （外径89mm,径76mm ），原因

28、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）。1.7抽油机校核最大扭矩计算公式M max 1800S0.202S（Pmax P min）（48）式中，M max 最大扭矩，N m ；Pmax悬点最大载荷，N ；P min 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

29、大扭矩超过抽油机所配减速箱允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产量计算根据影响泵效的三面的因素，实际产量的计算公式为Q Qt Sp鱼(51)S BiBi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；Bl泵液体的体积系数；B泵的充满系数；qieak检泵初期的漏失量，m3/d; 理论排量计算(52)Qi 144

30、0 fpSN式中，Qt 泵的理论产量，m3/d 冲程损失系数Sp S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:Sps (1W1(L1L2 L3 Lr2r3 11(53)当油管锚定时:SPSL3r)fr 3Wl. L1 L2 l3(54)其中u =3 L/a式中，3曲柄角速度，rad/s ；3=n N/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 Pin)? fp l LfgfpPz泵排出口压力，Pa；Pin & Pn ；Pin泵压力，Pa；当液体粘度较低

31、时，可忽略泵吸入口压力，故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 ；pl液体密度，kg/m3;E-钢的弹性模数，2.06 x 1011Pa；Lf 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，m? 充满系数B的计算1 KR1 R式中，K泵余隙比,K取0.1.R泵气液比；RRp 地面生产气油比,Rs 泵溶解气油比，Pin 沉没压力Pa；(Rp Rs)(1 fw)P°TnZfw 体积含水率，小数；P0 标准状况下的绝对压力；P°=10(Pn 10 )Tom3(标)/

32、m3；m3(标)/m 3；Pa；T。一标准状况下的绝对温度，T0=293K ；Tin 泵吸入口处的的绝对温度，K，Tin = 273 +1 ；Z气体压缩因子。 泵液体的体积系数BlBlB0(1 fw) BwfwB0(1w )式中，B0、Bw 泵油和水的体积系数 漏失量的计算检泵初期的漏失量为De P qieak 21600(DeVp)6 lp式中，qieak检泵初期的漏失量，m3/d ;D 泵径，m;卩一液体动力粘度；Pa s；l 柱塞长度，l=1.5m ; p柱塞两端的液柱压差， P Pz 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，Vp SN，m