高起專采油工程設計

1、采油工程課程設計姓名：陳XX 班級：石油工程1009高起專學號：XXXXX中國石油大學（北京）二O一二年三月目 錄1、設計基礎數(shù)據(jù)：12、具體設計及計算步驟2（1） 油井流入動態(tài)計算2（2） 流體物性參數(shù)計算方法4（3） 井筒溫度場的計算6（4） 井筒多相流的計算7（5） 懸點載荷和抽油桿柱設計計算16（6） 抽油機校核21(7) 泵效計算21(8) 舉升效率計算243、設計計算總結果25有桿抽油系統(tǒng)包括油層，井筒流體、油管、抽油桿、泵、抽油機、電動機、地面出油管線直到油氣分離器。有桿抽油系統(tǒng)設計就是選擇合理的機，桿，泵，管以及相應的抽汲參數(shù)，目的是挖掘油井潛力，使生產(chǎn)壓力差合理，抽油設備工作

2、安全、高效及達到較好的經(jīng)濟效益。本次采油工程課程設計的主要內容是進行有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設計，通過設計計算，讓學生了解有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)的組成、設計原理及設計思路。1、設計基礎數(shù)據(jù)： 井深：2110m 套管內徑：0.124m 油層靜壓：18MPa油層溫度：90 恒溫層溫度：16 地面脫氣油粘度：30mPa.s油相對密度：0.84 氣相對密度：0.76 水相對密度：1.0 油飽和壓力：10Mpa含水率：0.4 套壓：0.5MPa油壓：1 MPa 生產(chǎn)氣油比：50m3/m3 原產(chǎn)液量(測試點)：30t/d 原井底流壓(測試點)：12Mpa（根據(jù)測試液面計算得到）抽油機型號：CYJ10353HB 配產(chǎn)量：

3、50t/d 泵徑：44mm(如果產(chǎn)量低，而泵徑改為56mm，38mm) 沖程：3m 沖次：6rpm 沉沒壓力：3MPa 電機額定功率：37kw2、具體設計及計算步驟（1） 油井流入動態(tài)計算采液指數(shù)計算已知一個測試點：、和飽和壓力及油藏壓力。 因為，= 5t/(d.Mpa)某一產(chǎn)量下的流壓Pwf=j()=5 x（18 -10）=40t/d=+=67.78t/d-油IPR曲線的最大產(chǎn)油量。 當0q時，令q=10 t/d，則p=16.0 Mpa同理，q=20 t/d，P=14.0Mpa q=30 t/d，P=12.0 Mpa 當qq時，令q=50 t/d,則按流壓加權平均進行推導得：P=f+0.12

4、5(1-f)P-1+=7.869Mpa 同理q=60t/d，P=5.279 Mpa 當qq時，令q=68t/d，P=2.033 Mpa綜上，井底流壓與產(chǎn)量的關系列表如下：Pwf/ Mpa15.74713.87312.010.07.8695.2792.033Q/(t/d)10203040506068得到油井的流入動態(tài)曲線如下圖：圖1 油井IPR曲線（2） 流體物性參數(shù)計算方法在地層的壓力18 Mpa和溫度90時。 原油的API度 y=36.95 溶解油氣比的計算因為15y=36.15，使用Lastater的相關式 （12）式中，地面脫氣原油的有效分子量； 天然氣的摩爾分數(shù)。 的計算y0.13（如

5、果0.13，則取=0.13）； =50+36 ； =75+84 （）。由計算得到，由于該段的壓力大于飽和壓力的值，所以該段的流型為純液流。 計算該段的壓力梯度。由壓力梯度的計算公式： =843.40；摩擦損失系數(shù)可由圖二查得?？蓳?jù)此計算對應于的該段管長(深度差)。 將第步計算得的與第步估計的進行比較，兩者之差超過允許范圍，則以新的作為估算值，重復的計算，使計算的與估計的之差在允許范圍內為止。該過程之中只迭代一次。2）由井口向下計算至泵出口處，計算泵排出口壓力PZ。采用壓力增量迭代方法，首先估算迭代壓力。同樣為了減小工作量，也采用只迭代一次的方法。計算井筒多相管流時，首先計算井筒溫度場、流體物性

6、參數(shù)，然后利用Orkiszewski方法判斷流型，進行壓力梯度計算，最后計算出壓力增量和泵排出口壓力PZ。按壓力增量迭代的步驟已知任一點(井底或井口)的壓力， 選取合適的深度間隔(可將管等分為n段)。估計一個對應于計算間隔的壓力增量。計算該段的和 ，以及、下的流體性質參數(shù)。計算該段壓力梯度計算對應于的壓力增量比較壓力增量的估計量與計算值 ，若二者之差不在允許范圍內，則以計算值作為新的估計值，重復第步，使兩者之差在允許范圍之內為止。計算該段下端對應的深度和壓力 以處的壓力為起點壓力重復第步，計算下一段的深度和壓力 ，直到各段累加深度等于或大于管長時為止。1.5.3計算氣-液兩相垂直管流的Orki

7、szewski方法本設計井筒多相流計算采用Orkiszewski方法。Orkiszewski法提出的四種流動型態(tài)是泡流、段塞流、過渡流及環(huán)霧流。如圖1所示。在處理過渡性流型時，采用內插法。在計算段塞流壓力梯度時要考慮氣相與液體的分布關系。針對每種流動型態(tài)提出了存容比及摩擦損失的計算方法。圖1 氣液混合物流動型態(tài)(Orkiszewski) 1.壓力降公式及流動型態(tài)劃分界限由前面垂直管流能量方程可知，其壓力降是摩擦能量損失、勢能變化和動能變化之和。由式(2-36)可直接寫出多項垂直管流的壓力降公式： (26)式中 壓力，Pa； 摩擦損失梯度，Pa/m； 深度，m； 重力加速度，m/s2； 混合物密

8、度，kg/m3； 混合物流速，m/s。動能項只是在霧流情況下才有明顯的意義。出現(xiàn)霧流時，氣體體積流量遠大于液體體積流量。根據(jù)氣體定律，動能變化可表示為： (27) 式中 管子流通截面積，m2； 流體總質量流量，kg/s； 氣體體積流量，m3/s。將式(27)代入式(26)，并取，經(jīng)過整理后可得： (28) 式中 計算管段壓力降，Pa； 計算管段的深度差，m； 計算管段的平均壓力，Pa。不同流動型態(tài)下的和的計算方法不同,下面按流型分別介紹。(1)泡流平均密度 式中 氣相存容比(含氣率)，計算管段中氣相體積與管段容積之比值； 液相存容比(持液率)，計算管段中液相體積與管段容積之比值； 在下氣、液和

9、混合物的密度，kg/m3。氣相存容比由滑脫速度來計算?；撍俣榷x為：氣相流速與液相流速之差。 可解出： 式中 滑脫速度，由實驗確定，m/s； 、氣相和液相的表觀流速，m/s。泡流摩擦損失梯度按液相進行計算： 式中 摩擦阻力系數(shù)； 液相真實流速，m/s。摩擦阻力系數(shù)可根據(jù)管壁相對粗造度和液相雷諾數(shù)查圖2。液相雷諾數(shù): 式中 在下的液體粘度，油、水混合物在未乳化的情況下可取其體積加權平均值，Pa.s。圖 2(2)段塞流混合物平均密度 (34)式中 液體分布系數(shù)； 滑脫速度，m/s?；撍俣瓤捎肎riffith和Wallis提出的公式計算： (35) (3)過渡流過渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是

10、先按段塞流和霧流分別進行計算，然后用內插方法來確定相應的數(shù)值。 (36) (37)式中的、及、為分別按段塞流和霧流計算的混合物密度及摩擦梯度。(4)霧流霧流混合物密度計算公式與泡流相同： 由于霧流的氣液無相對運動速度，即滑脫速度接近于霧，基本上沒有滑脫。所以 (38) 摩擦梯度則按連續(xù)的氣相進行計算，即 (39) 式中 氣體表觀流速， ，m/s。霧流摩擦系數(shù)可根據(jù)氣體雷諾數(shù)和液膜相對粗糙度由圖2查得。按不同流動型態(tài)計算壓力梯度的步驟與前面介紹的用摩擦損失系數(shù)法基本相同，只是在計算混合物密度及摩擦之前需要根據(jù)流動型態(tài)界限確定其流動型態(tài)。圖3為Orkiszewski方法的計算流程框圖。圖3 Ork

11、iszewski方法計算流程框圖（5）懸點載荷和抽油桿柱設計計算 抽油桿柱設計的一般方法見采油工程設計與原理。之所以設計方法較復雜，原因之一是因為桿柱的最大、最小載荷與桿長不是線性關系。例如在考慮抽油桿彈性時的懸點載荷、在考慮桿柱摩擦時的懸點載荷公式與桿長不是線性關系。原因之二是因為桿、管環(huán)空中的壓力分布取決于桿徑，而桿柱的設計有用到桿、管環(huán)空中的壓力分布。 由于綜合課程設計時間較少，所以這里提供一種簡化桿柱設計方法。暫將桿、管環(huán)空中的壓力分布給定（按油水兩相、不考慮摩擦時的壓力分布），桿柱的最大、最小載荷公式采用與桿長成線性關系的公式。它是針對液體粘度較低、直井、游梁抽油機的桿柱載荷公式。

12、懸點最大、最小載荷的計算公式： （40） （41） （42） 式中：第i級桿每米桿在空氣中的質量，Kg/m 第i級桿桿長，m； i 抽油桿級數(shù)，從下向上計數(shù)； PZ泵排出口壓力，Pa；PN泵的沉沒壓力，Pa；N沖次，rpm;S光桿沖程，m；fP活塞截面積，m2；g重力加速度，m/s2； （43） （44） 式中：令fr0=0 Pj第j級抽油桿底部斷面處壓力,Pa： （45） Pt井口油壓，Pa; 0地面油密度，kg/m3; fw體積含水率，小數(shù)；應力范圍比計算公式： （46） （47） 抽油桿柱的許用最大應力的計算公式：式中：抽油桿許用最大應力，Pa； T抽油桿最小抗張強度，對C級桿，T=6.

13、3*108Pa,對D級桿T=8.1*108Pa; 抽油桿最小應力，Pa； 使用系數(shù)，考慮到流體腐蝕性等因素而附加的系數(shù)（小于或等于1.0），使用時可考表2來選值。表2 抽油桿的使用系數(shù)使用介質API D級桿API C級桿無腐蝕性1.001.00礦化水0.900.65含硫化氫0.700.50若抽油桿的應力范圍比小于則認為抽油桿滿足強度要求，此時桿組長度可根據(jù)直接推導出桿柱長度的顯示公式。對于液體粘度低的油井可不考慮采用加重桿，抽油桿自下而上依次增粗，所以應先給定最小桿徑（19mm）然后自下而上依次設計。有應力范圍比的計算公式即給定的應力范圍比（0.85）計算第一級桿長L1，若L1大于等于泵深L，

14、則抽油桿為單級桿，桿長為L，并計算相應的應力范圍比，若L1小于泵深L,則由應力范圍比的計算公式及給定的應力范圍比計算第二級桿長L2，若L2大于等于（L-L1）,則第二級桿長為L2，并計算相應的應力范圍比，若L2小于（L-L1）,則同理進行設計。在設計中若桿徑為25mm仍不能滿足強度要求，則需改變抽汲參數(shù)。在設計中若桿徑小于或等于25mm并滿足強度要求，則桿柱設計結束。此為桿柱非等強度設計方法。若采用等強度設計方法，則需降低重新設計桿的長度。在設計抽油桿的過程中油管直徑一般?。ㄍ鈴?3mm，內徑62mm）。若泵徑大于或等于70mm，則油管全用（外徑89mm, 內徑76mm），原因是作業(yè)時大柱塞不

15、能下如小直徑油管中；若采用25mm抽油桿，則相應油管直徑應用，原因是25mm抽油桿節(jié)箍為55mm，與62mm油管間隙太小。當采用多級桿時油管長度比25mm桿長多10m。為了減小計算工作量，在本次課程設計中采用單級桿設計（19mm）。設計內容如下：由于采用單級桿設計，且桿徑為19mm，所以選用油管的直徑為：62mm。計算內容和步驟：1、 最大載荷： =0.=1499.9N；由于是單級的計算，所以簡化為： =78509.81200=26174.24N （1499.9+26174.24）（1+） =29343.66N 2、 最小載荷： 式中：令fr0=0. 由于，在該設計過程之中，只有一級桿，所以公

16、式變?yōu)椋?=1+10.631= 11.631 Mpa =26174.24N 11.631 （0.-0） 10=8728.9N =8728.9 - =7149.68N （6） 抽油機校核1）最大扭矩計算公式 =1800 3+0202 3 （29343.66 - 7149.68）= 18849.55N.m 2）電動機功率計算， =7860.53W 所以，得到電機的計算功率小于電機的額定功率，因而符合要求。（7） 泵效計算 （1）泵效及其影響因素在抽油井生產(chǎn)過程中，實際產(chǎn)量Q一般都比理論產(chǎn)量Qt要低，兩者的比值叫泵效，表示， （50） （2）產(chǎn)量計算 根據(jù)影響泵效的三方面的因素，實際產(chǎn)量的計算公式為

17、 （51）式中：Q實際產(chǎn)量，m3/d; Qt理論產(chǎn)量，m3/d; Sp柱塞沖程，m； S光桿沖程，m； 抽油桿柱和油管柱彈性伸縮引起沖程損失系數(shù)； Bl泵內液體的體積系數(shù)； 泵的充滿系數(shù)； qleak檢泵初期的漏失量，m3/d;1） 理論排量計算 =1400 0.=37.80 m3/d 2） 沖程損失系數(shù)的計算根據(jù)靜載荷和慣性載荷對光桿沖程的影響計算當油管未錨定時； 由于只有一級抽油桿柱，所以公式簡化為：=1.018式中：uL/a=0.1478 曲柄角速度，rad/s；N/30=6/30=0.6283； a聲波在抽油桿柱中的傳播速度，5100m/s； =1 10 0.=1499.9NPZ泵排出

18、口壓力，Pa；Pin泵內壓力，Pa；當液體粘度較低時，可忽略泵吸入口壓力，故PinPN；PN泵的沉沒壓力，Pa； fp、fr、ft活塞、抽油桿及油管金屬截面積，m2； L抽油桿柱總長度，m； l液體密度，kg/m3; E鋼的彈性模數(shù)，2.061011Pa； Lf動液面深度，m； L1、L2、L3每級抽油桿的長度，m； fr1、fr2 、fr3每級抽油桿的截面積，m23) 充滿系數(shù)的計算 = 0.4814 式中：K泵內余隙比；取0.1. R泵內氣液比； = =0.892 =50，m3/m3;=10m3/m3;=3M Pa;=0.4；P0=105Pa; T0=293K；273t=351.66；Z=0.96 4） 泵內液體的體積系數(shù)Bl =1.0462 5）漏失量的計算 檢泵初期的漏失量為=0m3/d; D=0.044m；=0.00053Pas；l= 1.5m;PPZPN=10Pa；g=9.8m/s2；e= 0.00005m;=0.6m/s;所以最終算出泵的效率： =46.82（8）舉升效率計算 光桿功率：P光= SN/60 = 8728.936/60=2618.67水力功率：P水力Q實際（PZPN）/86.4=17.7110/86400=204.94 井下效率：井下P水力 / P光 =0.0783 地面效率：地P光/ P電機