采油工程课程设计---有杆泵抽油系统设计

1、采油工程课程设计采油工程课程设计 题目：采油工程课程设计题目：采油工程课程设计 有杆泵抽油系统设计有杆泵抽油系统设计 20122012 年年 7 7 月月 采油工程课程设计任务书采油工程课程设计任务书 题 目 小组成员 有杆泵抽油系统设计 1.1. 原始数据原始数据 （1）基础数据 井深 2146m， 地层压力 17MPa， 油藏温度 70， 饱和压力 12MPa， 内径 140mm，油管内径 62mm，油管外径 73mm，地面原油相对密度 0.856，地面产出水相套管对密度 1，标况下天然气相对密度 0.7 设 计 内 容 与 要 求 （2）生产动态数据 体积含水 20%，井底流压 6.26

2、MPa，产油量 6t/d。 2.2. 设计任务设计任务 （1）设计基础数据 体积含水 25%， 产油量 4t/d， 生产气油比 87m3/t， 油压 0.8MPa， 套压 0.2MPa。 （2）任务 确定泵效最大的机杆泵及其工作参数。 3.3. 设计要求设计要求 （1） 通过文献查阅， 进一步完善确定机杆泵及其工作参数的理论依 据； （2）设计成果用 A4 纸打印。 起止时间 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名 2012 年 7 月 2 日至 2012 年 7 月 13 日 年月日 年月日 年月日 目录目录 序言 .1 第一章流入动态预测 .2 1.1根据原始生产动态数据和设计数据作

3、 IPR 曲线 .2 第二章垂直多相管流5 2.1计算充满程度、下泵深度、动液面深度与沉没度的关系 .4 2.2作充满程度、下泵深度、动液面深度与沉没度关系曲线 .9 2.3初选下泵深度 .11 第三章 杆泵及其工作参数 .11 3.1由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径 .11 3.2确定冲程和冲次 .13 3.3抽油杆柱设计（采用近似等强度组合设计方法） .14 3.4计算泵效 .18 3.5产量校核 .19 3.6抽油机校核 .19 3.7曲柄轴扭矩计算 .20 第四章设计结果 .20 4.1作下泵深度与泵效曲线 .21 4.2各种功率的计算 .22 4.3确定平衡半径.22 4.4确定泵

4、型及间隙等级.24 参考文献 .25 序言序言 对于某一抽油机型号，设计的内容有：泵型、泵径、冲程、冲次、泵深及相应的 杆柱组合和材料，并预测相应抽汲参数的工况指标，包括载荷、应力、扭矩、功率、产 量及电耗等。选择合适的有杆抽油系统，不仅能大大地节省材料，而且可以获得最优的 泵效。然而，泵效的高低正是反映抽油设备利用效率和管理水平的一个重要指标，提高 泵效，从而可以获得更加大的采收率，得到更好的经济效益。 有杆泵抽油系统包括油层、井筒流动、机-杆-泵和地面出油管线到油气分离器。 有杆泵抽油系统设计主要是选择机、杆、泵、管以及抽汲系数，并预测其工况指标，使 整个系统高效而安全的工作。 通过两周的

5、采油工程课程设计，我从其中学到了很多，包括动手能力及设计思路 和方法，我可以从另外的角度去学习采油工程这门课程，同时为将来工作进行一次适应 性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后自己的学习生活打下一个良 好的基础。尤其是团队合作共处解决问题的能力，也是我充分认识到在集体中我们要善 于倾听和理解，学会边听边思考，发散自己的思维，联想生活中经常见到的事物或现象 帮助自己理解抽象的难以理解的概念等等。总的说来,虽然在这次设计中自己确实学到 了很多的东西,取得一定的成绩,但同时也存在一定的不足和缺陷,我想这都是这次设计 的价值所在,以后的日子以后自己应该更加努力认真,以认真踏实的态度去学

6、习，把这些 再用到今后的工作中去。 1 第一章第一章流入动态预测流入动态预测 1.1 根据原始数据和设计数据作综合 IPR 曲线 （1） 基础数据： 井深 2146m， 地层压力 17Mpa， 油藏温度 70， 油藏饱和压力 12Mpa， 套管内径 140mm，油管内径 62mm，油管外径 73mm，地层原油相对密度 0.856，地面产 出水相对密度为 1。标准状况下天然气的相对密度 0.7。 生产动态数据：含水率 20，井底流压 6.26 Mpa，产油量 6t/d。 设计数据：含水率 25，产油量 4t/d，生产气油比 87m3/t，油压 0.8 Mpa，套 管压力 0.2 Mpa。 由上述

7、数据可知 P wf(test)=6.26MPaPb=12MPa Pr=17MPa， 所以该井中的流体为油、气、水三相流动。 (2) 按产量加权平均,求解采液指数： P wf(test)=6.26MPPb=12MPa,体积含水率 20,产油量 Go 6t / d,则 q t (tes t) (6/0.856)/80% 8.762 m3/d A10.2 p wf (test) 0.8 p b pwf (test) pb 2 2 6.266.26 10.20.8 12 12 0.678 qt(test) (1-1)P b (1 fw)(P r P b A) fw(P r P wf(test) 1.8

8、 8.763 8.762 (112121.80.678) 20%(17 6.26) (1 20%)(17 20%)(1712121.8 0.678)20%(17 6.26) Jl 0.897m3/（dMPa） 2 （3）生产时含水率为 25%，产液指数不变，按流压加权平均： q b J1(pr pb) 0.897 (17 12) 4.485(m3/d) J10.897 q omax q b p b 4.4851210.465(m3/d) 1.81.8 2 P wf P wf q oil q b (q omax q b ) 10.2 0.8 PbPb P wf P wf 2 4.485(10.4

9、654.485)10.20.8() 1212 P wf 4.4855.981 60 2 P wf (12) (1-2) 180 qwater J l (P r P wf ) 0.897(17- P wf ) 15.249-0.897 P wf (1-3) （4）总液量与井底流压的关系 当P wf P b 时，此时产液表达式： q b J 1(pr Pwf) 0.897(17 Pwf) 15.249 0.897 Pwf 当P wf P b 时，由式（1-2）和（1-3）可求出此时产液表达式： qtq oil (1 f w) fwqwater 10.25 Pwf 4.4855.981 60 P2w

10、f 180 +0.25 15.249-0.897P wf 11.661-0.299P wf -0.0249P wf 2 其中: J l 采液指数,m3/d MPa q o 纯油产量, m3/d q w 纯水产量, m3/d f w 含水率,小数 3 3 q omax - 由 IPR 曲线的最大产油量, m /d q t 对应流压的总产液量, m3/d q b 饱和压力下的产液量, m3/d (5)由总产液量与流压的关系绘制综合 IPR 曲线： 表 1-1井底流压与总产液量 p wf(Mpa) 02468 7.68 10 6.18 12 4.49 14 2.69 16 0.90 17 0q t

11、(m3/d)11.710.9610.078.97 IPR 曲线如下： 系列1 IPR曲线 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 02468101214 总产液量m3/d 井 底 流 压 M P a 图 1-1油井流入动态曲线 第二章第二章多相垂直管流多相垂直管流 2.1 计算充满程度、下泵深度动液面深度和沉没度的关系 （1） 由设计数据 4 f w2 25%,q o2 4t/d, q t2 q o2 /(1 f w2 )(4/0.856)/(10.25)6.23m 3/d; 再由IPR曲线查得：p wf 2 9.94MPa （2） 计算井筒温度分布 图 2-1井筒温度分布图 16

12、T(h) 16 TR H h1exp(H h) 2k p g (1 f w) 1 k p 1.15735.4246exp(0.001 g ) 125 q t g 3 则式(2-1)、 (2-2)、 (2-3) 及(2-4)得井筒温度分布计算式如下: 125qt g 3 1256.23 3 259.58 5 (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) k 1 p 1.15735.4246exp(0.001 g ) 1 1.15735.4246exp(0.001259.58) 0.2415 2k p f 2 0.2415 0.0047 g (1 w )259.58(125%) T(h) 16

13、TR16 H h1exp(H h) 16 7016 0.00472146 0.0047h1exp0.0047(2146h) 16 7016 0.00472146 0.0047h1exp0.0047(2146h) 21.350.025h5.35exp0.0047(2146h) 3） 充满程度和沉没度的关系 由采油工程手册得 1）原油中溶解气油比 1.8(T 273)321.87032158 D 141.5 131.5 141.5 0.856 131.533.8 o a 0.000910.0125D 0.281 则原油中溶解气油比： 1.2041.204 R P s 2.277 g 10a 2.2

14、770.7 17 100.281 105.26 又 R s P r 则有 Rs 105.26 6.19m3/(m3 P MPa) r 17 若有余隙影响，则由采油工程原理与设计知： 1-kR 1R 6 2-5） （ （ R R p R s 1 f w 10P i 1 （2-6） R p 87 0.856 74.472 m3/m3 充满程度，小数； k余隙比，取 0.1； R泵内气液比，m /m R p地面生产气油比，m3/m3 33 R s泵内溶解气油比，Rs=Pi, m3/m3 溶解气系数 m /(m MPa); 33 P i沉没压力，MPa； f w体积含水率 则由式（2-6）得泵内气液比

15、 74.4726.19P i (125%) 55.8544.64P i R 10P i 110P i 1 4.5854 1-0.1R 10.464P i 1R5.36P 56.854 i 又 P i o gh s 充满程度和沉没度的关系式如下 10.462ogh s 4.58540.0878h s 4.5854 （2-7） 5.38ogh s 56.8540.0452h s 56.854 （4）计算下泵深度与沉没度关系 由井底流动压力的计算中油水由于密度差而发生重力分异，使泵吸入口以上的 环形空间的液体不含水，吸入口以下的为油水混合物，因此，井底流动压力近似如 下： 7 p wf (H L p

16、 ) lg g hs o g106 p c 即：h H (p wf p c )106hs o g lg g 其中： p wf 流压，Mpa； H 油层中部深度，m； Lp 泵挂深度，m h s 沉没度，m； g 重力加速度，m/s 2； lg 井内气液平均密度， kg/m3 ； 8 2-8） 2-9） （ （ lg o(1 fw)wfw 0.856(10.25)10.25 0.892(kg / m3) 井内溶有气体密度会小于0.892 则取lg 0.88 3 kg/m o 吸入口以上环形空间油柱平均密度，； p c 套压，Mpa 注： 1）忽略气柱重量，动液面处压力等于套压； 2）此时流体在套

17、管内流动。 部分参数的计算： o o，把吸入口以上环形空间油柱平均密度看成是纯油的密度； 把井内混合物平均密度代入数据化简式（2-9）可得 下泵深度 L p与沉没度 h s的关系： (9.940.2)106h s 8569.81 Lp2146 8809.81 10180.97hs （2-10） （5）动液面深度与沉没度关系 Lf Lphs10180.03h s （2-11） 2.2作充满程度、下泵深度动液面深度与沉没度关系曲线 由式（2-7）、(2-10)及（2-11)可得出充满程度、下泵深度、动液面深度 和沉没度的曲线关系如下： Lf L p hs 表 2-1充满程度、下泵深度、动液面深度和

18、沉没度关系 9 沉没度h sm 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 充满程度 1 0.9 0.8 0.7 充 满 程 度 m 充满程度 0.068344902 0.196901084 0.308952765 0.407486588 0.494809575 0.572732036 0.64269442 0.705857183 0.763165665 0.815397731 0.863199279 0.907111095 下泵深度Lfm 1115 1212 1309 1406 1503 1600 1697 1794 1891 198

19、8 2085 2182 动液面深度Lfm 1015 1012 1009 1006 1003 1000 997 994 991 988 985 982 充满程度与沉没度关系曲线 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 050100150200250300350400450500550600650700750800850900950100105110115120 00000 沉没度m 图 2-3充满程度与沉没度关系曲线 10 下泵深度 动液面深度 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 050100 下泵深度、动液面深度

20、与沉没度曲线 相 关 深 度 m 150200250300350400450500550600650700750800850900950100105 00 110115120 000 沉没度m 图 2-4下泵深度、动液面深度与沉没度曲线 2.3初选下泵深度 根据以上充满程度、下泵深度、动液面深度和沉没度关系曲线选取在 井深范围内，初选充满程度最大的沉没度hs=1012m, 下泵深度L p =2000m, 动液 面深度L f =988m。 第三章第三章 杆泵及其工作参数杆泵及其工作参数 3.1由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径 （1）在油梁式抽油机（中冲程中）选择图解中由Q 6.23m3/d和L

21、p 2000m 得交点在 IV 区域，其所在区域选用油梁式抽油机型号为：CYJ7-2.1-26F。 11 图 3-1选泵图 （2）选择抽油杆和油管尺寸及钢材牌号 由 CYJ7-2.1-26F，查采油工程手册可知泵径 Dp=28mm，可选抽油杆尺寸为 221916mm，油管尺寸为 73mm。 12 表 3-1根据抽油机、抽油泵选择抽油杆、油管尺寸 查阅全国青工第四部分P418 表表 4-14-1 国产游梁式抽油机技术规范及基本参国产游梁式抽油机技术规范及基本参 数数得下表： 表 3-2机型及参数 抽油机型号悬点最大载荷 悬点最大冲次 悬点最大冲程 减速器额定扭矩 CYJ7-2.1-26FP=70

22、KNn 12次/minS=2.1mM=26kN.m 3.2确定冲程和冲次 选择抽油机的抽汲工作参数：选最大冲程 S=2.1m 作为初选冲程，则： sn22.1n2 a F 0.225 0.225 n 13.8 17901790 因此，求得的正常抽汲方式的工作参数选用 Dp=28mm,s=2.1m, n 6次/min . 13 3.3抽油杆柱设计（采用近似等强度组合设计方法） 所对应的抽油杆直径为 221916。在采油工程（第二版）中推荐：合金钢抽 油杆比例为 1387。另外，最大悬点载荷为 70KN,光杆最大冲程为 2.1m,最大冲次 112min,减速箱曲柄轴最大允许扭矩为 26KNm. 在

23、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。 由采油工程手册（上册）P436 查得，抽油杆柱有关参数： 表 3-3 每米抽油杆的质量 直径（mm） 16 19 22 杆柱截面积（cm）单位长度的重量（kg/m） 2.01 2.84 3.80 1.67 2.35 3.14 根据前面推荐的比例并经过计算， 2w max d 1 2d 2 70222192281.4 X 1 Bd 1 d 2 0.0732L p 2219L p B 0.065878L p (10.128 l 0.225) 0.065878L p (10.1280.8920.225

24、) 0.0732L p 22 W max d 2 d 3 70192162330.3 X2 Bd 1d2 0.0732L p 1916L p X31 281.4330.3 L p L p 可得： 直径为 22mm 杆柱的长度为 281m，直径为 19mm 的杆柱长度为 330m，直径为 16 的 杆柱长度为 1389m 各级抽油杆柱在空气中的质量： W 16 13899.811.67 22346.79N W 19 3309.812.35 7445.79N W 22 2819.813.14 8462.79N 14 在计算时，选择经验公式： p max (w r w l )(1 sn ) 137

25、（3-1） （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：380 杆柱自重 W r=22346.79+7445.79+8462.79=38255N 液柱在柱塞面积上的重力(柱塞面积为 6.16 cm): W l =6.160.000120009.8892=10781(N) P max (W r W l )(1 sn 137 ) =(38255+10781) (1+2.16/137) =53533(N) P min W r I rd f sn2r r L( s l ) w r 1790 (1 l ) =(2.001389+2.85330+3.8281) (7.85-0.8

26、92) 9.810.1-(382552.160.75)/1790 =31459（N) P max max f 53533 140.88(N / mm2) r 380 P min min f 31459 /380 82.79(N / mm2) r 循环应力的应力幅： max min 82.79 a 2 140.88 =29.045(N / mm2 2 ) 折算应力： c amax 29.045140.88 63.97(N / mm2) c90N / mm2 因此，它满足工程要求。 15 （3-2） （3-3） （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） 对于第二个截面：284 杆柱自重 W

27、r=22346.79+7445.79=29793 (N) 液柱在柱塞面积上的重力(柱塞面积为6.16cm): 2 W l=6.160.00012009.8892=10781(N) P max (W r W l )(1 sn ) 137 =(29793+10781) (1+2.16.4/137) =44541(N) P min W r I rd sn2r f r L( s l ) W r (1) 1790l =(2.85330+2.001389)(7.85-0.892) 9.810.1 -(297932.16.00.75)/1790 =24438(N) max P max 44541 2156.

28、28(N /mm ) f r 285 min 循环应力的应力幅： P min 24470 85.86(N /mm2) f r 285 a max min 2 156.28 85.86 2 35.21(N / mm2)=35.21(N / mm ) 2 折算应力： c amax 74.18(N /mm2) c90N / mm2 因此，它满足工程要求。 对于第三个截面：201 杆柱自重 W r=22347(N) 16 液柱在柱塞面积上的重力(柱塞面积为 6.16 cm ): 2 W l=6.160.000120009.8892=10781(N) W max (W r W l )(1 sn ) 13

29、7 =(22347+10781) (1+2.16.0/137) =36162(N) W min W r I rd sn2r f r L( s l ) W r (1) 1790l =(2.001389)(7.85-0.892) 9.810.1 -(223472.16.00.75)/1790 =18254(N) max P max 36162 2180.81(N /mm ) f r 200 min 循环应力的应力幅： P min 18254 91.27(N /mm2) f r 200 a max min 2 180.8191.27 2 44.77(N / mm2)=44.77(N / mm ) 2

30、 折算应力： c amax 89.97(N /mm2) c90N / mm2 因此，它满足工程要求。 由于所用的抽油杆柱设计结果： 表 3-4抽油杆柱设计结果 17 直径 （mm） 许用应力 KMPa 杆柱截面积 （cm） 单位长度的 重量（kg/m） 段长 m 1389 330 281 材质 16 19 22 90 90 90 2.01 2.84 3.80 1.67 2.35 3.14 普通钢材 普通钢材 普通钢材 3.4 计算泵效 泵效的一般表达式为： 1 B （3-8） 式中： s p s 杆、管弹性伸缩对泵效的影响； 泵的充满系数； 1泵漏失对泵效影响的漏失系数，此处取 1.0; B

31、1 B 1 B 1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：B 1 1.21 f w 1 f w =1.2(1-0.25)+10.25=1.251 关于上式中参数的确定： W l L 3L i( ) （3-9）冲程损失 Ef t i1 f ri 535120002813301389 1164442.0610(41833017)103.80102.85102.0010 0.27 s p s 2.10.27 1.83 即 1 B =1.83/2.10.8191（11.251）=57.05% 18 因为设计的井为直井，泵挂深度为2000 米，根据国家抽油泵的选择标准选取的泵 为底部

32、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 5m/d 至 62m/d. 因此，它能满足生产要 求。 3.5 产量校核 理论产液量: Q t 1440f p sn14406.161042.1611.18(m3/d) 实际产量： Q 实 Q t 0.570511.18 6.38(m3/ d) 误差： q t Q 实 .236.38 q 6 6.23 100% 2.38% 10% t 因此，它能满足工程要求 3.6 抽油机校核（最大载荷、扭矩） 悬点最大载荷： PW EA r sn 60 sin( nL p max r W L 30

33、 )(1)sin 32670 10781 2.0610113.191043.14 2.1*6 4968 60 sin 0.7797 3.1471900 304968 10.83sin0.7797 =54672(N) 应力波在抽油杆柱中的传播速度，=4968 m/s 悬点最小载荷 P W EA r sn sin nL minr C 60 p 1 sin 30 代入数据得： Pmin =32547N C-下冲程动载荷修正系数,一般 C=0.850.9 19 3-10） 3-11） 3-12） 3-13） （ （ （ （ 即 Pmax=54.672kN70kN，故抽油机满足工程要求。 3.7 曲柄轴

34、扭矩计算 kN ， P min 32547KN 因 P max 54672 故最大扭矩 M max 1800s 0.202s(P max P min ) （3-14） 1800 2.1 0.202 2.1(54672 32547) N m13.17N m 26000 一般抽油机扭矩利用率在 40%-80%之间。 13.17 100% 50.65% 实际扭矩利用率为18000 第四章第四章 设计结果设计结果 4.1 作下泵深度与泵效曲线并优选下泵深度 表 4-1 小组设计结果 组员 下泵深度，m 泵效，% 兰云飞 1600 40.74 朱强 1700 47.70 徐亚军 1800 52.70 赵

35、晓军 1900 53.51 何婷婷 2000 57.05 图 4-1 下泵深度与泵效关系 根据图 4-1 知最优的下泵深度为 2000m,此时的泵效达最大值， 最大泵效为 57.05%。 20 4.2 各种功率的计算 (1). 计算有效（水力）功率： P s 1.134104Q t 1H（4-1） 有效提升高度： (p t p c )106 (0.80.2)106H L f 992.7 lgg .20(m) 8809.81 1062 P S 1.13410411.180.88057.05%1061.26 0.67(kw) (2). 计算光杆功率 W sn HP pr l 60000 （4-2）

36、光杆功率 10780.642.16 60000 2.26(kw) (3). 计算井下效率 P s 0.67 100% 100% 30.09% HP pr 2.26 （4-3） (4). 计算电动机输出的实际功率 一般情况下抽油机的效率为 80%（除严重的低负荷运转外）。 实际输出功率 P o HP pr 80% 2.26 2.83(kw) 80% 由采油工程原理与设计132 页（3-78）式计算需要电动机的功率，得 N r 0.6M max n0.6131706 5.51kW 954995490.9 由采油技术手册（上册）434 页表 5-34，选用电机型号为 YCCH180，其主要性 能参数

37、如表 4-2 所示。 表 4-2 YCCH180 电机主要性能参数 21 满载容量 转矩形式 kVA MM10.2 满载转速 r/min 834 转速变化 % 37 堵转转矩 Nm 212 输出功率 KW 6.2 4.3 确定平衡半径（平衡重） 平衡扭矩 M 平计算式： P 油 M 平 A 0 P 杆 s 2 （4-4） （摘自采油机械的设计计算） 式中 A 0 P 杆 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； P 油 S驴头悬点的冲程长度，m。 ml 4 P 1 L ioqri g r i1 （4-5） 0.892 880 12572.309.811883.079.81