石油工程采油工程设计说明

1、采油工程课程设计姓名： 李健星班级： 1 班学号： 915463中国石油大学（北京）二 O 一二年四月1 、设计基础数据： 02 、具体设计及计算步骤 1（ 1） 油井流入动态计算 1（ 2） 流体物性参数计算方法 3（ 3） 井筒温度场的计算 6（ 4） 井筒多相流的计算 7（5）悬点载荷和抽油杆柱设计计算 16（6）抽油机校核 21（7）泵效计算 21（8）举升效率计算 243 、设计计算总结果 26有杆抽油系统包括油层， 井筒流体、 油管、抽油杆、泵、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

2、生产压力差合理，抽油设备工作安全、 高效及达到较好的经济效益。本次采油工程课程设计的主要内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 、设计基础数据：井深：2000+学号末两位63 x 10m=2630m套管内径： 0.124m 油层静压：给定地层压力系数为 1.2MPa/100m ，即油层静压为井 深 2630m/100m x 1.2MPa=31.56MPa 油层温度：90 C 恒温层温度：16 C 地面脱气油粘度： 30mPa.s 油相对密度： 0.84 气相对密度： 0.76 水相对密度： 1.0 油饱和压力： 10MPa 含

3、水率： 0.4 套压： 0.5MPa油压：1 MPa生产气油比： 50m 3/m 3原产液量 （测试点 ）：30t/d原井底流压 （测试点 ）：12MPa （根据测试液面计算得到） 抽油机型号： CYJ10353HB配产量： 50t/d泵径： 44mm（ 如果产量低泵径可改为 56mm ，70mm）冲程： 3m冲次： 6rpm沉没压力： 3MPa电机额定功率： 37kw2、具体设计及计算步骤（1 ） 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，他既是确定油井合理工作方式的依据， 也是分析油井动态

4、的基 础。本次设计油井流入动态计算采用 Petrobras 方法。 Petrobras 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， 是按产量加权平 均；当预测产量或流压加权求平均值。采液指数计算已知一个测试点：Pwftest、qtxest和饱和压力P-及油藏压力P。 因为 Pwftest R, ji=qtxws=30=2.083t/(d.MPa)PiPwfest(26.4 某一产量q下的流压Pwfqb=j(P Fb)=2.083 x(26.4 - 10 ) =34.161t/djPb c 八 22.083 10.

5、 _q°mzx二 qb+- =34.161+=45.733t/d1.8 1.8qomzx-油IPR曲线的最大产油量。 当 0 qt q-时，令 qt1=10 t/d ，贝Sp wf1 = P1 彳=26.4 =21.599MPaj2.083同理，qt2=20 t/d , Pwf2=16.798MPaqt3 =30 t/d , Pwf3 =11.998 MPa 当q - qt qomzx时，令qt4=40 t/d,则按流压加权平均进行 推导得：Pwf4=fw(P1 虫)+0.125(1-f w)P-1+,1 80( qt %)jjqomzx qb40=0.4 (26.4吐)+0.125

6、 x (1-0.4) x 10 x2.08340 34.161、-1+ . 81 80()45.733 34.161=6.910MPa当 q omzx q t 时，Pwffw( P1qomzx、J(qtqomzx)(8 fw9)J令 q t6 =46t/dPwf =0.4(26.4 45Z33) - (46 45733) (8 0.4 9)2.0832.083=2.521MPa综上，井底流压与产量的关系列表如下:Pwf/21.5916.7911.996.9102.521MPa988Q/(t/d)1020304046得到油井的流入动态曲线如下图:图1 油井IPR曲线Q/(t/d)M f WP（2

7、）流体物性参数计算方法在地层的压力26.4Mpa和温度90 C时 原油的API度y api141.5131.5 =yo141.50. 84131. 5= 36.95yo 地面条件下的原油相对密度：0.84 溶解油气比的计算因为15 y api =36.95，使用Lastater的相关式23650moyng1 y ng(12)式中，mo 地面脱气原油的有效分子量;yng 天然气的摩尔分数。mo的计算y API <38 时m。61.933 yAPI0.0943=264.93yng的计算:首先计算泡点压力系数:Xg8.0558 p g105 (t 273.15)= 1.69由 0.7xg3.4

8、48，血0.2401煜=0.4398所以：Rs=23650* 也*丄匚=58.87m°1 yng 原油的体积系数的计算2.25t 40=556.92F 5.615B 0=0.972+0.000147*F1.175 = 1.22 m 3/ m 3 原油密度计算B。P0= 1000(y0=732.75kg/m3式中，Po-在压力P及温度T下的原油密度，kg/m 3;y o-地面条件下的原油相对密度；y s -地面条件下的气相对密度；Rs-在压力P及温度T下的溶解油气比，m3/ m 3 ；B o-在压力P及温度T下的原油体积系数，m 3/ m 3 油水混合液体的密度Pz=Po*(i fw)

9、 Pw * fw =839.65 kg/m 液体粘度1 ）原油粘度“死油”（脱气油）粘度od10x 1 0.21841010001000丄=6.5355*104Pa.s式中 x=y* ( 32+1.8t)1.163=0.2184 (地面)y=100“活油”(饱和油)粘度A=10.715*(5.615Rs + 100) 0.515 =0.4715B=5.44*( 5.615R s + 150)0.338=0.6748a。二 A*(100°* 5)=3.5386*104 Pa.s1000aod、必为原油死油与活油的粘度，单位为 Pa.s2 ）水的粘度2521.12 e10001.003

10、1.479 10 2(32 1.8t) 1.982 10 5 (32 1.8t)2 e1000=3.262*104Pa.s式中，a w为水的粘度，单位为Pa.s3)液体的粘度4a =a(1-fw)+ a*fw =3.428*10 Pa.s油、天然气的表面张力1015 10 7 P_ 42.40.047(1.8t 32)0.267( yAPI) e .bog =1000=3.916 N/m式中，og为油、气的表面张力，N/m ；水、天然气的表面张力=248 1.8tr _+。= 6(23.33)- 637.78+ 哄137.78) 206其中,3.62575*10 7P"云厂皿277

11、N/m=52.5137.788.7018* 10 7 p =3.717*1010002 N/m所以%) =248 1.8t2066(23.33)-6137.78 +务37.78)=7.496*102 N/m(3) 井筒温度场的计算根据经验公式计算沿井筒的温度分布:t totrt。BATA HBATA LBATA (H L)(24 )BATAKpG (1Fw)Kp1.1573 5.4246 e1000Ql 100024式中，Ql 油井产液量，t/d ；Fw 重量含水率，小数；to恒温层温度，C；tr 油层温度，C；H 油层中部深度，m ;得出：G= 50 1000 =2083.33 ;241Kp

12、2083.33 =0.54563 ;1.1573 5.4246 e 1000L井筒中任意点深度，m= 1.1754210所以温度的表达式：t 16 62.95621.17542 1 e 1.17542 10 3 (1000 L),该公式BATA20.545632083.33 (1 0.4)3是按照配产流量得出的，即 Q=50 t/d(4) 井筒多相流的计算井筒多相流压力梯度方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：dpdhpmgsindVm9 +mPm dhfm Pm/d*2Vm2式中Pm为多相混合物的

13、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为压力;h为深度;g为重力 加速度；为井斜角的余角。井筒多相管流计算包括两部分：1)由井底向上计算至泵入口处，计算下泵深度Lp。采用深度增量迭代方法，首先估算迭代深度。在本设计中为了减小工作量，采用 只迭代一次的方法。计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流 体物性参数，然后利用 Orkiszewski方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出深度增量和下泵深度Lp。按深度增量迭代的步骤： 井底流压12Mpa，假设压力降为 0.2 Mpa ;估计一个对应的深度增量h=40m，即深度为1990m 。 由井温关系式可

14、以计算得到该处的井温为：89.96 C。 平均的压力和温度：亍二(90+89.96 ) /2=89.98 C。平均压力P二(12+11.8 ) /2=11.9 MPa。由平均压力和 平均温度计算的得到流体的物性参数为：溶解油气比Rs =71.31;原油体积系数B 0 =1.25 ;原油密度P°=739.00 ;油水混合液的密度Pz =843.40 ;死油粘44度 g=6.537*10 ;活油粘度 pc =3.318*10;水的粘44度pw=3.263*10; 液体的粘度 p=.296*10 。以上单位均是标准单位。 由以上的流体物性参数判断流型：不同流动型态下的和f的计算方法不同，为

15、此，计算中首先要判断流动形态。该方法的四种流动型态的划分界限如表 示。表1流型界限流动型态界限泡流9 Lbq段塞流色LB,VgLSqt过渡流LmVgLs雾流VgLm其中 Lb =1.071-0.7277V't2/D 且 Lb >0.13 （如果 Lb <0.13，则取Lb =0.13）；Ls =50+36 Vg qt_ qO'75Lm =75+84（ Vg g）。qt由计算得到，由于该段的压力大于饱和压力的值，所以该段的流型为纯液流。 计算该段的压力梯度dh。由压力梯度的计算公式:dhdP fdh g mdh mVmdVmm=843.40 ;摩擦损失系数可由图二查得

16、。可据此计算对应于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，两重复者之差超过允许范围，则以新的h作为估算值，的计算，使计算的与估计的h之差在允许范围内为止。该过程之中只迭代一次。2）由井口向下计算至泵出口处，计算泵排出口压力Pz。采用压力增量迭代方法，首先估算迭代压力。同样为了减小工作量，也采用 只迭代一次的方法。计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流 体物性参数，然后利用 Orkiszewski方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出压力增量和泵排出口压力Pz。按压力增量迭代的步骤 已知任一点（井底或井口）的压力P，选取合适的深度间隔h （可将管l等分为n

17、段）。 估计一个对应于计算间隔h的压力增量 p。 计算该段的T和P，以及P、T下的流体性质参数。 计算该段压力梯度dhdh o 计算对应于 h的压力增量 P h -dpdh o 比较压力增量的估计量P与计算值P ，若二者之差不在允许范围内，则以计算值作为新的估计值，重复第步，使两 者之差在允许范围。之内为止。 计算该段下端对应的深度L和压力PiL i hPPP1 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 ,直到各段累加深度等于或大于管长L时为止。计算气-液两相垂直管流的Orkiszewski 方法本设计井筒多相流计算采用Orkiszewski 方法。Orkiszews

18、ki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，采用内插法。 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方法。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方程可知，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：dP fdh g mdh mVmdVm(26)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/s 2 ；m 混合物密度，kg/m 3 ；动能

19、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:Wqg mV mdVm(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 dhhk， dP pk，m， P P经过整理后可得:池hkA2P(28)式中Pk 计算管段压力降，Pa ；h< 计算管段的深度差，m ；P 计算管段的平均压力，Pa。不同流动型态下的 "和f的计算方法不同，下面按流型分别介绍(1) 泡流平均密度式中m Hl L Hg g1 Hg L Hg gHl Hg 1Hg 气相

20、存容比(含气率)，计算管段中气相体积与管段容积之比值;Hl 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;g、 L、T下气、液和混合物的密度，kg/m 3。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差。VsgVsLVsHg 1 Hg可解出 Hg : Hg 21 VA；qgqt qgAH； Ap(1 Hg)(1 _q_)2 4qg2Vs ApVs Ap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:f L VLD2qLVLHAp(1 Hg)式中 f摩擦阻力系数;VLH 液相真实流速，m

21、/s 。摩擦阻力系数f可根据管壁相对粗造度/ D和液相雷诺数 NRe查图2。液相雷诺数：DVsL L NReL式中 L 在P、T下的液体粘度，油、水混合物在未乳化的情况曇dtLr层<思-肴屋昌 M IPTIe話薛曾9 一二-Q空 2i-Jn -£ -»(2) 段塞流混合物平均密度WtLVsApqtVsAp(34)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:(35)(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，然后用内插方法来确定相应的数值。(36)(37)式中的SL、 SL及

22、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雾流雾流混合物密度计算公式与泡流相同:m Hl L Hg g (1 Hg) LHg 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。所以HgqgqL qg(38)2D摩擦梯度则按连续的气相进行计算，即(39)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方法的计 算流程框图图3

23、 Orkiszewski方法计算流程框图(5 )悬点载荷和抽油杆柱设计计算抽油杆柱设计的主要应用采油工程设计与原理。因为杆柱的 最大、最小载荷与杆长不是线性关系，设计相对复杂。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， 而杆柱的设计又用到杆、管环空中的压力分布。本次课程设计仅将杆、管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公式。它是针对液体粘度较低、直井、游梁抽油机的杆柱载何公式。悬点最大、最小载荷的计算公式：Hmaxi(Wrjj 1

24、Wl)(1sN)1790(40 )iWj 1iiqj 1rj Lrj g(41 )Wlfp(PZPn)(42 )式中:qri第i级杆每米杆在空气中的质量，Kg/mLri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/s 2;pminiSN2 iWrjWrjj 1 j 1790j1 j(4；iWrjj 1iiWrjP j(f rjf r1 j 1 )j 1j 1(4式中:令 fr0=0Pj -第j级抽油杆底部断面处压力,Paj 1Pj Pt 0 (1 fw)wfw?g(

25、L Lt)(45)t 1Pt井口油压，Pa;P 地面油密度，kg/m 3 fw 体积含水率，小数;应力范围比忆计算公式:(46)(47)PL max minall minP max. P minmaxminfrfr抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：all (T 0.5625 mi n)SF4式中：all抽油杆许用最大应力，Pa ；T抽油杆最小抗张强度，对 C级杆，T=6.3*10 8Pa,对D级杆 T=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)，使用时可考表2来选值。表2抽油杆的使用系数使用介质API D级杆AP

26、I C级杆无腐蚀性1.001.00矿化水0.900.65含硫化氢0.700.50若抽油杆的应力范围比小于瓦则认为抽油杆满足强度要求，此 时杆组长度可根据pi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。 有应力范围比的计算公式即给定的应力范围比（PL戶0.85 ）计算第一级杆长L1，若L1大于等于泵深L,则抽油杆为单级杆，杆长为L, 并计算相应的应力范围比，若L1小于泵深L,则由应力范围比的计算 公式及给定的应力范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

27、,并计算相应的应力范围比，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方法。若采用等强度 设计方法，则需降低讥重新设计杆的长度。在设计抽油杆的过程中油管直径一般取 2 12 （外径73mm , 内径62mm ）。若泵径大于或等于70mm，则油管全用3 （外径 89mm,内径76mm ）,原因是作业时大柱塞不能下入小直径油管 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

28、3 油管长度比25mm 杆长多10m。在本次课程设计中采用单级杆设计（19mm ）。设计内容如下：由于采用单级杆设计，且杆径为19mm ,所以选用油管的直径为：62mm。计算内容和步骤：1、 最大载荷:6Wl fp(PZ Pn)=0.00149991 10 =1499.9NiiWjqrj Lrj g ；由于是单级的计算，所以简化为：j 1j 110 6 4=26174.24NSN2)1790)Wr = qr Lrg =78509.81200192iPmax(WrjWl)(1j 1(1499.9+26174.242諾)=29343.66N最小载荷:iPminWrjj 1Wrj1790 j 1 j

29、iiWrjWrjj 1j 1Pj(frj frj 1 )1式中：令fr0=0.PjPt 0(1fw)wfw?g(L1Lt)t 1由于，在该设计过程之中，只有一级杆，所以公式变为:PPt 0 (1fw)wfw?gL=1+10.631= 11.631 MpaWjWrjP(frjJ)=26174.24N11.631(0.0014999-0)10 6=8728.9NPmin Wrj 工 W“ =8728.9 -179036226174.24 =7149.68N1790(6) 抽油机校核1) 最大扭矩计算公式Mmax 1800S 0.202S(Pmax卩口叩= 18003+0.202=2) 电动机功率计

30、算，3(29343.66 - 7149.68)Nt1000M max n14388=1000 18849.55143886 =7860.53W所以，得到电机的计算功率小于电机的额定功率， 因而符合要求(7) 泵效计算(1)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 )(2)产量计算根据影响泵效的三方面的因素，实际产量的计算公式为式中：Q实际产量，m3/d;Qt-理论产量，m 3/d;Sp-一柱塞冲程，m;QQtspSBlqleakBlS光杆冲程，m ;Sp. s抽油杆柱和油管柱弹性伸缩引起冲程损失系数;Bl泵内液体的体积系数；B

31、泵的充满系数；qieak检泵初期的漏失量，m3/d;1) 理论排量计算Qt 1440 fpSN =14000.00149993 6=37.80 m 3/d2) 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2当油管未锚定时； 鱼(1 L)也(“邑土丄 S2 SE fr1 fr2 fr3ft由于只有一级抽油杆柱，所以公式简化为：sp (1 £)也(11 丄)二S2 SE fr1 ft(10.147821499.9113 2.06 10(1200(0.0014999-) = 1.0180.001521式中：u = 3 L/a=0.14783 曲柄角速度，rad/s ;

32、 3 =n N/30= n 6/30=0.6283;a 声波在抽油杆柱中的传播速度，5100m/sWl (Pz Pin)? fpl Lfgfp=110 60.0014999=1499.9NPz 泵排出口压力，Pa;Pin泵内压力，Pa ；当液体粘度较低时，可忽略泵吸入口压力，故PinPnPn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 ;p l液体密度,kg/m 3;E 钢的弹性模数，2.06史pa;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，m23）充满系数B的计算1 KR1 R=0.4814式中：K 泵内余隙比；取0.1.R 泵内气液比;(Rp Rs)(1 fW)P°TinZ(Pn 105)T。5=(50 10) 0.6 105 351.66 0.96 =° 392 (3 106105)293Rp=50 , m3/m 3; Rs=10m 3/m 3;Pn=3M Pa; fW =0.4 ; P0=10 5Pa; T 0=293K ;Tn = 273 +1=351.66 ; Z=0.964) 泵内液体的体积系数BlBiB°