常规采油工程课程设计

1、采油工程课程设计课程设计任务书题 目有杆泵抽油系统设计学生姓名学号专业班级设计内容与要求1. 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，套管内径140mm，油管内径62mm，油管外径73mm，地面原油相对密度0.856，地面产出水相对密度1，标况下天然气相对密度0.7。（2）生产动态数据体积含水20%，井底流压6.26mpa，产油量6t/d。2. 设计任务（1）设计数据体积含水50%，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. 设计要求（1）通过文献查阅，进一步完

2、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2009年6月28日至2009年7月11日指导教师签名年 月 日系（教研室）主任签名年 月 日学生签名 2010年7月10日目 录前 言4一、设计内容5（一）基础数据5（二）生产动态数据5（三）设计数据5（四）设计内容与步骤5二、流入动态预测6（一）根据原始生产动态数据计算采液指数6（二）ipr曲线的绘制7（三）由设计数据和ipr曲线计算井底流压和动液面8三、工作参数的确定10（一）作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线10（二）初选下泵深度12（三）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径13（四）确定冲程和冲次14（五）抽油

3、杆柱设计14（六）计算泵效：19（七）产量校核21（八）抽油机校核22（九）结论23四、最优泵效与下泵深度选择23（一）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径24（二）确定冲程和冲次24（三）抽油杆柱设计25（五）计算泵效29（六）产量校核30（七）抽油机校核31（八）结论32五、总结33参考文献33前 言采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过生产井和注入井对油藏采取的各项技术措施的总称。作为一门综合应用学科，它所研究的是可经济有效地作用于油藏，以提高油井产量和原油采收率的各项工程技术措施的理论、工程设计方法及实施技术。有杆泵采油包括游梁式抽油机井有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油，它们都是用抽油杆

4、将地面动力传递给井下泵。前者是将抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵；后者是将井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。有杆抽油系统包括油层、井筒流动、机-杆-泵和地面出油管线到油气分离器。有杆抽油系统设计主要是选择机、杆、泵、管以及抽汲参数，并预测其工况指标，使整个系统高效而安全地工作。设计原则是以油藏供液能力为依据，以油藏与抽油设备的协调为基础，最大限度地发挥设备和油藏潜力，使抽油系统高效而安全地工作。有杆泵抽油系统设计是采油工程中的重要组成部分。本课程设计的主要目的是通过有杆泵抽油系统的原始生产动态数据和设计数据设计来确定合理的下泵深度和最高的泵效；熟练的掌握设计的主要过

5、程、步骤以及所涉及的个个参数的计算。同时该设计包括制作ipr曲线；计算井底流压和动液面；作充满程度与下泵深度关系曲线；初选下泵深度由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径；确定冲程和冲次；抽油杆柱设计；计算泵效；产量校核；计算最大最小载荷、曲柄轴扭矩，抽油机校核；确定机杆泵及其工作参数。进行此次设计可以培养我们正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。加深我们对所学课程的理解和掌握，培养我们综合运用所学知识独立分析和解决问题的初步能力。通过课程设计实践，训练并提高我们在查阅资料、理论计算、结构设计、应用标准与规范及计算机应用等方面的能力，进行课程设计必

6、须制定教学大纲，明确课程设计的目的、要求和内容一、设计内容（一）基础数据井深2146m，地层压力17mpa，油藏温度70，饱和压力12mpa，套管内径140mm，油管内径62mm，油管外径73mm，地面原油相对密度0.856，地面产出水相对密度1，标况下天然气相对密度0.7。（二）生产动态数据体积含水20%，井底流压6.26mpa，产油量6t/d。（三）设计数据体积含水50%，产油量4t/d，生产气油比87m3/t，油压0.8mpa，套压0.2mpa。（四）设计内容与步骤1.根据原始生产动态数据和设计数据作ipr曲线。2.又设计数据和ipr曲线计算井底流压和动液面。3.作充满程度与下泵深度（沉

7、没度）关系曲线。4.初选下泵深度。5.由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径。6.确定冲程和冲次。7.抽油杆柱设计。8.计算泵效。9.产量校核，不满足时调整冲程和冲次返回第6或4步。10.计算最大最小载荷、曲柄轴扭矩，抽油机校核，不满足返回第4步11.确定机杆泵及其工作参数二、流入动态预测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。表示产量与流压关系的曲线称为流入动态曲线（inflow performance relationship curve）,简称ipr曲线。（一）根据原始生产动态数据计算采液指数采油指数是一个反应油层性质、厚度、流体参数、完井条件及泻油面积等

8、与产量之间的关系的综合指标，其数值等于单位生产压差下的油井产油量，有了采油指数就可以在对油井进行系统分析时预测不同产量时的井底流压，另外还可以研究油层参数已知： =17mpa，=12mpa，6.26 mpa, fw =0.2, q(test) =6t/dro =0.856, rg=0.7 因为，= 6.62 mpa=12mpa=17mpa，所以，由下式其中： 因此推出采液指数的表达式为： （2-1）上式中： （2-2） -对应流压时的总产液量；-下纯油ipr曲线的产油量；- 下水ipr曲线的产水量；-含水率;（二）ipr曲线的绘制petrobras提出了一种计算三相流动ipr曲线的方法，pet

9、robras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，可按产量加权平均；当预测产量或流压时，可按流压加权平均。（1）已知原始生产动态数据：fw = 20%,qo = 6td所以：流压与产量的关系流压012345678910111217产量11.4211.1410.8010.419.969.468.918.317.656.946.175.364.4850产液量与流压的关系曲线ipr曲线（图1）（2）已知设计数据：fw = 50%,qo = 4td所以： ， 流压与产量的关系流压012345678910111217产量12.861

10、2.3411.7911.2110.609.959.278.557.817.036.215.374.4850 产液量与流压的关系曲线（图2） . ipr曲线（三）由设计数据和ipr曲线计算井底流压和动液面由设计数据：fw = 50%, qo = 4td ，查ipr流入流出动态曲线图可知： pwf =5.53 mpa.也可以有下式求解pwf当时，（其中） (2-3) 按流压加权平均值计算：-对应产量下纯油ipr曲线上的流压；-对应产量下水ipr曲线上的流压。用组合ipr曲线计算：=0.125-1+ (2-4)用恒定的生产指数公式计算有：= (2-5)于是有：）+0.125（1-）-1+代入：=17

11、mpa，fw =50%;pb=12mpa,qt=9.35m³d；qb=4.485m³d,qomax=10.465m³d；jl =0.897 m³mpa；解得：pwf =5.53mpa计算动液面由井底流压与沉没度的关系得：含水井正常抽油时，泵吸入口以上的油套环形空间流体不会发生流动。因此，油水由于密度差而发生重力分异，使泵吸入口以上的环行空间的液柱中不含水，而在吸入口以下为油水混合物。 (2-6) 式中：-流压，mpa；h-油层中部深度，m；l-泵挂深度，m；-沉没度，m；g-重力加速度， m/s；-吸入口以上环行空间的油柱平均密度，kg/m；-套压，mp

12、a；假设,代入：=5.53mpa,h=2146m,。解得：l=2114m。所以：动液面深度为：。三、工作参数的确定（一）作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线由摘自采油技术手册（第三版）公式： (3-1)如(图3)所示，将等效到泵吸入口压力时：g+ （3-2） 将（3-2）式代入（3-1）式中： (3-3)假设泵径选择28mm时：0.25=0.25） =0.25） =0.25×0.095取：（空隙体积百分数）为0.1，考虑弹性形变影响 由油藏物理性质可知：rgo=870.856=74.47 天然气相对密度原油温度油藏压力代入数据计算：根据沉没度与充满程度的关系得： （3-4）又已知=

13、0.856gcm³，k=0.1即有： 充满程度与沉没度的关系沉没度 （m） 150200250300350400450500550600650700750800充满 程度 0.630.670.700.730.750.770.790.810.820.840.850.860.8640.87充满程度与沉没度的关系曲线（二）初选下泵深度由（图5）充满程度和沉没度的关系可知：当时，沉没度由设计数据得： pw f =5.53mpa , qt=9.35(m3d) 代入数据即：5.53=（2146lp）×0.928×9.81+600×0.856×9.81

14、15;10³+0.2得：lp =2114m由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径 沉没度和下泵深度与抽油机选取关系图泵径mm杆管mm油梁式抽油机，抽油泵选择抽油杆，油管尺寸cyj2-0.6-2.5ycyj-1.2-1.2-7fcyj5-1.8-18fcyj7-2.1-26fcyj10-2.748b(q)cyj12-3.3-70b(q)cyj16-100b(q)28抽油杆1622*19(0.28*0.72)25*22*19(0.20*0.23*0.57)25*22*19(0.20*0.23*0.57)25*22*19(0.20*0.23*0.57)25*22*19(0.20*0.23*0.

15、57)油管38.138.163.563.563.563.563.532抽油杆161622*19(0.31*0.69)25*22*19(0.23*0.26*0.51)25*22*19(0.23*0.26*0.51)25*22*19(0.23*0.26*0.51)25*22*19(0.23*0.26*0.51)油管38.150.863.563.563.563.563.538抽油杆161622*19(0.36*0.64)25*22*19(0.26*0.30*0.44)25*22*19(0.26*0.30*0.4425*22*19(0.26*0.30*0.44)25*22*19(0.26*0.30*0

16、.44)油管50.850.863.563.563.563.563.543抽油杆161622*19(0.41*0.59)25*22*19(0.31*0.35*0.34)25*22*19(0.31*0.35*0.34)25*22*19(0.31*0.35*0.34)25*22*19(0.31*0.35*0.34)油管50.850.863.563.563.563.563.5 各类抽油机参数表已知： lp =2114m qt=9.35(m3d)在游梁式抽油机（短冲程中）选择图解中由lp =2114m, qt=9.35(m3d)得交点a，由a所在区域选用抽油机为：cyj72.126fa，由a所在区域选用

17、抽油机为：选定抽油机型号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cyj72.126fp=70knn=12次/mins=2.1mm=13kn·m所对应的抽油机选择泵径：dp=28mm。选择抽油杆柱组合：25mm×22mm×19mm,油管直径73mm（三）确定冲程和冲次由加速因子公式得：条件：选择冲程和冲次时，应保证加速因子取抽油机的悬点最大冲程：s =2.1m.初选冲次为 ： （四）抽油杆柱设计表3-4 抽油杆强度级别和对应的抗拉强度表抽油杆强度级别 c d k抽油杆最低抗拉强度 (mpa)620794794965588794（1）抽油杆柱下

18、部加重杆设计方法及步骤1） 计算泵筒与柱塞间半干摩擦力2） 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部向上推力3） 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生对柱塞底部的向上推力4） 计算作用抽油杆柱底部液体上浮力计算下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力5） 计算需配加重杆长度选择所用的加重杆的直径为32mm，则（2） 加重杆上部抽油杆柱组合设计方法与步骤1） 计算各级抽油杆柱长度抽油杆长度l=lplw =211423.9 =2090.1(m) 抽油杆组合参数直径d/mm16200164192852302238030725391317=0.118=0.136x3=10.1180.136=0.746

19、l3=2090.1-246.6-284.3=1559.2m2）求抽油杆柱按长度加权平均横截面积3）计算油管柱金属部分面积4）计算抽油杆柱在液体中重力 各级抽油杆柱在空气中重力加重杆在空气中的重力所以抽油杆柱在液体中总重力为5）计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷 6）计算抽油机从冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角7）计算变形分布系数8）计算悬点最大，最小载荷9）校核疲劳强度 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0.700.5010）计算曲柄最大扭矩（五）计算泵效：在抽油机井生产过程中,实际产量q一般都比理论产量qt

20、要低,两者的比值叫泵效,用表示,即:=q/qt 在正常情况下,若泵效为0.7-0.8,就认为泵的工作状况是良好的. 有些带喷井的泵效可能接近或大于1.矿场实践表明,平均泵效大都低于0.7, 甚至有的油井泵效低于0.3. 影响泵效的因数很多, 但从深井泵工作的三个基本环节(柱塞让出体积,液体进泵,液体从泵内排出)来看,可归结为以下三个方面:（1）抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩.根据深井泵的工作特点, 抽油杆柱和油管柱在工作过程中因承受着交变载荷而发生弹性伸缩, 使柱塞冲程小于光杆冲程, 所以减少了柱塞让出的体积.（2）气体和充不满的影响. 当泵内吸入气液混合物后, 气体占据了柱塞让出的部分空间,或者

21、当泵的排量大于油层供油能力时液体来不及进入泵内,都会使进入泵内的液体量减少.（3）漏失影响. 柱塞与衬套的间隙及阀和其他连接部件间的漏失都会使实际排量减少. 只要保证泵的制造质量和装配质量, 在下泵后一定时期内, 漏失的影响是不大的. 但当液体有腐蚀性或含沙时, 将会由于对泵的腐蚀和磨损使漏失迅速增加. 泵内结蜡和沉沙都会使阀关闭不严, 甚至被卡, 从而严重破坏泵的工作. 在这些情况下, 除改善泵的结构提高泵的抗磨蚀性能外, 主要是采取防沙及防蜡措施, 以及定期检泵来维持泵的正常工作.(4)静载荷作用下的柱塞冲程冲程损失由于本题是多级杆柱； (3-5)柱塞，抽油杆，油管的截面积 l-抽油杆总长

22、度,m;-液体密度，kg/;e-钢的弹性模量，2.06pa;-动液面深度，m;m-抽油杆级数；-第i级抽油杆的长度，m;-第i级抽油杆截面积，m;代入数据计算： =0.304m(2)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算： (3-11) (3-12)由于抽油杆上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取平均值，即取悬点惯性载荷的一半。将及代入=+，= =0.044m=0.8762由上面计算得 = =0.847=（六）产量校核泵的理论排量：实际排量：qt =9.35m³d理论排量与实际排量之间的绝对误差e ，则e =（qqt）q×100%= （9.87-9.35）/9.87=5.3%<

23、10%, 满足要求所以，选择结果：s=2.1m，n=5.3次/min四、最优泵效与下泵深度选择由改组其他同学所得下泵深度和泵效的关系可得到下表和下图： 下泵深度（m）1975.6202220682114沉没度（m）450500550600泵效 %57.1157.1357.1857.14由上图可知：lp=2070(m),此时泵效有最大值，即此时的泵效最高，沉没度为hs =550(m),泵效为57.18%。同时得动液面深度：lf =2070-550=1520(m)（一）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径已知： lp =2070m qt=9.35(m3d)在油梁式抽油机（短冲程中）选择图解中由lp

24、=2070m, qt=9.35(m3d)得交点a，由a所在区域选用抽油机为：cyj72.126fa，由a所在区域选用抽油机为：选定抽油机型号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cyj72.126fp=70knn=12次/mins=2.1mm=13kn·m所对应的抽油机选择泵径：dp=28mm。选择抽油杆柱组合：25mm×22mm×19mm,油管直径73mm（二）确定冲程和冲次由加速因子公式得：条件：选择冲程和冲次时，应保证加速因子取抽油机的悬点最大冲程：s =2.1m.初选冲次为 ： （三）抽油杆柱设计 抽油杆强度级别和对应的抗拉强度表

25、抽油杆强度级别 c d k抽油杆最低抗拉强度 (mpa)620794794965588794（1）抽油杆柱下部加重杆设计方法及步骤6） 计算泵筒与柱塞间半干摩擦力7） 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部向上推力8） 计算液体通过排出阀的水力阻力所产生对柱塞底部的向上推力9） 计算作用抽油杆柱底部液体上浮力计算下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力10） 计算需配加重杆长度选择所用的加重杆的直径为32mm，则（3） 加重杆上部抽油杆柱组合设计方法与步骤2） 计算各级抽油杆柱长度抽油杆长度l=lplw =207022.4 =2048(m) 抽油杆组合参数直径d/mm16200164192

26、852302238030725391317=0.121=0.139x3=10.1210.139=0.74l3=2048-248-285=1515m2）求抽油杆柱按长度加权平均横截面积3）计算油管柱金属部分面积4）计算抽油杆柱在液体中重力 各级抽油杆柱在空气中重力加重杆在空气中的重力所以抽油杆柱在液体中总重力为5）计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷 6）计算抽油机从冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变形期）曲柄转角7）计算变形分布系数8）计算悬点最大，最小载荷9）校核疲劳强度 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0.700.501

27、0）计算曲柄最大扭矩（四）计算泵效：在抽油机井生产过程中,实际产量q一般都比理论产量qt要低,两者的比值叫泵效,用表示,即:=q/qt 在正常情况下,若泵效为0.7-0.8,就认为泵的工作状况是良好的. 有些带喷井的泵效可能接近或大于1.矿场实践表明,平均泵效大都低于0.7, 甚至有的油井泵效低于0.3. 影响泵效的因数很多, 但从深井泵工作的三个基本环节(柱塞让出体积,液体进泵,液体从泵内排出)来看,可归结为以下三个方面:（1）抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩.根据深井泵的工作特点, 抽油杆柱和油管柱在工作过程中因承受着交变载荷而发生弹性伸缩, 使柱塞冲程小于光杆冲程, 所以减少了柱塞让出的体积.

28、（2）气体和充不满的影响. 当泵内吸入气液混合物后, 气体占据了柱塞让出的部分空间,或者当泵的排量大于油层供油能力时液体来不及进入泵内,都会使进入泵内的液体量减少.（3）漏失影响. 柱塞与衬套的间隙及阀和其他连接部件间的漏失都会使实际排量减少. 只要保证泵的制造质量和装配质量, 在下泵后一定时期内, 漏失的影响是不大的. 但当液体有腐蚀性或含沙时, 将会由于对泵的腐蚀和磨损使漏失迅速增加. 泵内结蜡和沉沙都会使阀关闭不严, 甚至被卡, 从而严重破坏泵的工作. 在这些情况下, 除改善泵的结构提高泵的抗磨蚀性能外, 主要是采取防沙及防蜡措施, 以及定期检泵来维持泵的正常工作.(4)静载荷作用下的柱

29、塞冲程冲程损失由于本题是多级杆柱； (3-5)柱塞，抽油杆，油管的截面积 l-抽油杆总长度,m;-液体密度，kg/;e-钢的弹性模量，2.06pa;-动液面深度，m;m-抽油杆级数；-第i级抽油杆的长度，m;-第i级抽油杆截面积，m;代入数据计算： =0.2984m(2)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算： (3-11) (3-12)由于抽油杆上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取平均值，即取悬点惯性载荷的一半。将及代入=+，= =0.040m=0.877由上面计算得 = =0.847=（五）产量校核泵的理论排量：实际排量：qt =9.35m³d理论排量与实际排量之间的绝对误差e ，则e

30、=（qqt）q×100%= （10.24-9.35）/10.24=8.7%<10%, 满足要求所以，选择结果：s=2.1m，n=5.5次/min（六）抽油机校核a.水功率b.光杆功率 c.井下功率a. 电动机实际输出功率（七）结论抽油机型号cyj72.126f冲程2.1m冲次5.5最大载荷57.52 kn最小载荷42.51 kn扭矩泵效0.572井下泵效0.606产液量泵径28mm （八）确定平衡半径（平衡重）根据抽油机选定型号cyj72.126f，可知为复合平衡方式：查采油工程手册得抽油机型号cyj72.126f结构不平衡重1.42kn单块曲柄质量710kg曲柄平衡块数4单块平衡块质量790kg因此，曲柄平衡块总重： kn游梁平衡块总重：kn五一 绘制下泵深度与泵效关系曲线一改变沉没度计算泵效，相应数据如下表5-1所示 沉没度（下泵深度）与泵效的关系沉没度下泵深度泵效4501975.60.571150020220.571355020680.571860021140.5714二绘制下泵深度与泵效关系曲线下泵深度与泵效关系曲线二 最优下泵深度下的参数设计根据下泵深度和泵效关系曲线，优选下泵深度为2070m，相关设计数据如下：一.选择抽油机型号及抽吸参数为：抽油机型号：cyj72.126f泵径：28mm冲程：s=2.1m冲次：n=5.5次/min满足要求二.选用普通