采油工程王江

1、采油工程課程設(shè)計(jì)班級(jí)：22082學(xué)號(hào)：20081004455姓名：王江指導(dǎo)老師：雷霆2011/4/10本次采油工程課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是進(jìn)行有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，讓學(xué)生了解有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)的組成、設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)思路。一、給定設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 井深：2000m 套管內(nèi)徑：0.124m 油層靜壓：18班內(nèi)排序?qū)W號(hào)×班級(jí)號(hào)/180 MPa。（班級(jí)號(hào)為1 或2，學(xué)號(hào)從1 開始），計(jì)算結(jié)果：1834×2/180=17.62 MPa 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：1

2、0MPa 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(diǎn))：30t/d 原井底流壓(測試點(diǎn))：12Mpa 抽油機(jī)型號(hào)：CYJ10353HB 配產(chǎn)量：50t/d 泵徑：44mm(如果產(chǎn)量低，而泵徑改為56mm，38mm) 沖程：3m 沖次：6rpm 柱塞與襯套徑向間隙:0.3mm 沉沒壓力：3MPa 電機(jī)額定功率：37kw二、設(shè)計(jì)計(jì)算步驟2.1 油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算油井流入動(dòng)態(tài)是指油井產(chǎn)量與井底流動(dòng)壓力的關(guān)系，它反映了油藏向該井供油的能力。從單井來講，IPR 曲線表示了油層工作特性。因而，它既是確定油井合理工作方式的依據(jù)，也是分析油井動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)。本

3、次設(shè)計(jì)油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算采用Petrobras 方法。Petrobras 方法計(jì)算綜合IPR 曲線的實(shí)質(zhì)是按含水率取純油IPR曲線和水IPR曲線的加權(quán)平均值。當(dāng)已知測試點(diǎn)計(jì)算采液指數(shù)時(shí)，是按產(chǎn)量加權(quán)平均;預(yù)測產(chǎn)量時(shí),按流壓加權(quán)平均。(1) 采液指數(shù)計(jì)算已知一個(gè)測試點(diǎn)：、和飽和壓力及油藏壓力。 因?yàn)椋? 5.338t/(d.Mpa)(2) 某一產(chǎn)量下的流壓Pwf=j()=5.338 x（17.62 -10）=40.676t/d=+=40.676+=70.565t/d-油IPR曲線的最大產(chǎn)油量。 當(dāng)0q時(shí)，令q=10 t/d，則p=15.747 Mpa同理，q=20 t/d，P=13.873 Mpa

4、 q=30 t/d，P=12.0 Mpa 當(dāng)qq時(shí)，令q=50 t/d,則按流壓加權(quán)平均進(jìn)行推導(dǎo)得：P=f+0.125(1-f)P-1+=8.166Mpa 同理q=60t/d，P=5.860 Mpa 當(dāng)qq時(shí)，令q=71t/d，P=2.233 Mpa綜上，井底流壓與產(chǎn)量的關(guān)系列表如下：Pwf/ Mpa15.74713.87312.010.08.1665.8602.233Q/(t/d)10203040.676506071 得到油井的流入動(dòng)態(tài)曲線如下圖：圖1 油井IPR曲線22 流體物性參數(shù)計(jì)算方法（1）原油的API度 y=36.95（2）溶解油氣比的計(jì)算因?yàn)?5y=36.15，使用Lastate

5、r的相關(guān)式 （12）式中，地面脫氣原油的有效分子量； 天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。 的計(jì)算時(shí) =264.93的計(jì)算：首先計(jì)算泡點(diǎn)壓力系數(shù)：=1.69 由， =0.4398 所以： R=23650*=58.87(3) 原油的體積系數(shù)的計(jì)算 =556.92 B=0.972+0.000147*F=1.22 m/ m（4）原油密度計(jì)算P=732.75kg/m式中，P-在壓力P及溫度T下的原油密度，kg/m； y-地面條件下的原油相對密度； y-地面條件下的氣相對密度； R-在壓力P及溫度T下的溶解油氣比，m/ m； B-在壓力P及溫度T下的原油體積系數(shù)，m/ m (5) 油水混合液體的密度 P=839.65 k

6、g/m (6) 液體粘度 1）原油粘度 “死油”（脫氣油）粘度 =6.5355*10Pa.s 式中x=y*（32+1.8t）=0.2184（地面） y=100 “活油”（飽和油）粘度 A=10.715*(5.615R+100)=0.4715 B=5.44*（5.615R+150）=0.6748 = =3.5386*10Pa.s 、為原油死油與活油的粘度，單位為Pa.s 2）水的粘度=3.262*10Pa.s 式中，為水的粘度，單位為Pa.s 3)液體的粘度 =.(1-f)+*f=3.428*10Pa.s（7）油、天然氣的表面張力 =3.916 N/m 式中，為油、氣的表面張力，N/m；（8）

7、水、天然氣的表面張力 =-+ 其中，=0.1277 N/m =3.717*10 N/m 所以=-+=7.496*10 N/m（9）天然氣的壓縮因子Z 在該設(shè)計(jì)工程中大于0.7。 （迭代-1） （迭代-2）此處迭代過程Z取初值1.迭代1次。P-壓力,Pa.（10）天然氣的密度 ; P-壓力Pa(11) 天然氣的粘度天然氣粘度取注：以上數(shù)值均是按照地層的壓力17.62 Mpa和溫度90，進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。2.3 井筒溫度場的計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算沿井筒的溫度分布： （24）式中，油井產(chǎn)液量，t/d； 重量含水率，小數(shù)；恒溫層溫度，； 油層溫度，； H油層中部深度，m；L井筒中任意點(diǎn)深度，m。得出：G=

8、2083.33； =0.54563； =1.1754210所以溫度的表達(dá)式：,該公是按照配產(chǎn)流量得出的，即Q=50 t/d。2.4 井筒多相流的計(jì)算2.4.1 井筒多相流壓力梯度方程井筒多相管流的壓力梯度包括：因舉高液體而克服重力所需的壓力勢能、流體因加速而增加的動(dòng)能和流體沿管路的摩阻損失，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：gsin+v/d*式中為多相混合物的密度;v為多相混合物的流速;f為多相混合物流動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù);d為管徑;p為壓力;h為深度;g為重力加速度; 為井斜角的余角。井筒多相管流計(jì)算包括兩部分：（1）由井底向上計(jì)算至泵入口處；（2）油管內(nèi)由井口向下計(jì)算至泵出口處。1）由井底向上計(jì)算至泵入口處

9、，計(jì)算下泵深度Lp。采用深度增量迭代方法，首先估算迭代深度。在本設(shè)計(jì)中為了減小工作量，采用只迭代一次的方法。計(jì)算井筒多相管流時(shí)，首先計(jì)算井筒溫度場、流體物性參數(shù)，然后利用Orkiszewski方法判斷流型，進(jìn)行壓力梯度計(jì)算，最后計(jì)算出深度增量和下泵深度Lp。按深度增量迭代的步驟: 井底流壓12Mpa，假設(shè)壓力降為0.2 Mpa；估計(jì)一個(gè)對應(yīng)的深度增量=40m，即深度為1960m 。 由井溫關(guān)系式可以計(jì)算得到該處的井溫為：89.96。 平均的壓力和溫度：=（90+89.96）/2=89.98。平均壓力=11.9 Mpa。由平均壓力和平均溫度計(jì)算的得到流體的物性參數(shù)為：溶解油氣比R=71.31 ；

10、 原油體積系數(shù)B=1.25 原油密度P=739.00； 油水混合液的密度P =843.40； 死油粘度=6.537*10； 活油粘度=3.318*10； 水的粘度=3.263*10； 液體的粘度= 3.296*10；天然氣的壓縮因子Z=0.9567； 天然氣的密度90.70。以上單位均是標(biāo)準(zhǔn)單位。 由以上的流體物性參數(shù)判斷流型：不同流動(dòng)型態(tài)下的和的計(jì)算方法不同，為此，計(jì)算中首先要判斷流動(dòng)形態(tài)。該方法的四種流動(dòng)型態(tài)的劃分界限如表1所示。表1 流型界限流動(dòng)型態(tài)界 限泡 流段 塞 流過 渡 流霧 流其中且>0.13（如果<0.13，則取=0.13）； =50+36 ； =75+84 （）

11、。由計(jì)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(jì)算該段的壓力梯度。由壓力梯度的計(jì)算公式： =843.40；=計(jì)算對應(yīng)于的該段管長(深度差)。 將第步計(jì)算得的與第步估計(jì)的進(jìn)行比較，兩者之差超過允許范圍，則以新的作為估算值，重復(fù)的計(jì)算，使計(jì)算的與估計(jì)的之差在允許范圍內(nèi)為止。該過程之中只迭代一次。2）由井口向下計(jì)算至泵出口處，計(jì)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(jì)算井筒多相管流時(shí)，首先計(jì)算井筒溫度場、流體物性參數(shù)，然后利用Orkiszewski方法判斷流型，進(jìn)行壓力梯度計(jì)算，最后計(jì)算出壓力增量和泵排出口壓

12、力PZ。按壓力增量迭代的步驟已知任一點(diǎn)(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(jì)一個(gè)對應(yīng)于計(jì)算間隔的壓力增量。計(jì)算該段的和 ，以及、下的流體性質(zhì)參數(shù)。計(jì)算該段壓力梯度計(jì)算對應(yīng)于的壓力增量比較壓力增量的估計(jì)量與計(jì)算值 ，若二者之差不在允許范圍內(nèi)，則以計(jì)算值作為新的估計(jì)值，重復(fù)第步，使兩者之差在允許范圍之內(nèi)為止。計(jì)算該段下端對應(yīng)的深度和壓力 以處的壓力為起點(diǎn)壓力重復(fù)第步，計(jì)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(shí)為止。計(jì)算氣-液兩相垂直管流的Orkiszewski方法本設(shè)計(jì)井筒多相流計(jì)算采用Orkiszewski方法。Orkiszewski法提出的四種流動(dòng)

13、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(shí)，采用內(nèi)插法。在計(jì)算段塞流壓力梯度時(shí)要考慮氣相與液體的分布關(guān)系。針對每種流動(dòng)型態(tài)提出了存容比及摩擦損失的計(jì)算方法。圖1 氣液混合物流動(dòng)型態(tài)(Orkiszewski) 1.壓力降公式及流動(dòng)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(dòng)能變化之和。由式(2-36)可直接寫出多項(xiàng)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； 混合物密度，kg/m3； 混合物流速，m/s。動(dòng)能項(xiàng)只是在霧流情況下才有明顯的意義。出現(xiàn)霧流時(shí)，氣體體積流量遠(yuǎn)大于液

14、體體積流量。根據(jù)氣體定律，動(dòng)能變化可表示為： (27)式中 管子流通截面積，m2； 流體總質(zhì)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(jì)算管段壓力降，Pa； 計(jì)算管段的深度差，m； 計(jì)算管段的平均壓力，Pa。不同流動(dòng)型態(tài)下的和的計(jì)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(jì)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(jì)算管段中液相體積與管段容積之比值； 在下氣、液和混合物的密度，kg/m3。氣相存容比由滑脫速度來計(jì)算。滑脫速度定義為：氣相流速與液相流速之差。可解出： 式中 滑脫

15、速度，由實(shí)驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算：式中 摩擦阻力系數(shù)； 液相真實(shí)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(quán)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(jì)算： (35) (3)過渡流過渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和霧流分別進(jìn)行計(jì)算，然后用內(nèi)插方法來確定相應(yīng)的數(shù)值。 (36) (37)式中的、及、為分別按段塞流和霧流計(jì)算

16、的混合物密度及摩擦梯度。(4)霧流霧流混合物密度計(jì)算公式與泡流相同：由于霧流的氣液無相對運(yùn)動(dòng)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(jìn)行計(jì)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(dòng)型態(tài)計(jì)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(jì)算混合物密度及摩擦之前需要根據(jù)流動(dòng)型態(tài)界限確定其流動(dòng)型態(tài)。圖3為Orkiszewski方法的計(jì)算流程框圖。圖3 Orkiszewski方法計(jì)算流程框圖2.5懸點(diǎn)載荷和抽油桿柱設(shè)計(jì)計(jì)算 抽油桿柱設(shè)計(jì)的一般方法見采油工程設(shè)計(jì)與原理。之所以設(shè)計(jì)方法

17、較復(fù)雜，原因之一是因?yàn)闂U柱的最大、最小載荷與桿長不是線性關(guān)系。例如在考慮抽油桿彈性時(shí)的懸點(diǎn)載荷、在考慮桿柱摩擦?xí)r的懸點(diǎn)載荷公式與桿長不是線性關(guān)系。原因之二是因?yàn)闂U、管環(huán)空中的壓力分布取決于桿徑，而桿柱的設(shè)計(jì)有用到桿、管環(huán)空中的壓力分布。 由于綜合課程設(shè)計(jì)時(shí)間較少，所以這里提供一種簡化桿柱設(shè)計(jì)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?xí)r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(guān)系的下面公式。它是針對液體粘度較低、直井、游梁抽油機(jī)的桿柱載荷公式。 懸點(diǎn)最大、最小載荷的計(jì)算公式： （40） （41） （42） 式中：第i級(jí)桿每米桿在空氣中的質(zhì)量，Kg/m 第i級(jí)桿桿長

18、，m； i 抽油桿級(jí)數(shù)，從下向上計(jì)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(jí)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(yīng)力范圍比計(jì)算公式： （46） （47） 抽油桿柱的許用最大應(yīng)力的計(jì)算公式：式中：抽油桿許用最大應(yīng)力，Pa； T抽油桿最小抗張強(qiáng)度，對C級(jí)桿，T=6.3*108Pa,對D級(jí)桿T=8.1*108Pa; 抽油桿最小應(yīng)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)（

19、小于或等于1.0），使用時(shí)可考表2來選值。表2 抽油桿的使用系數(shù)使用介質(zhì)API D級(jí)桿API C級(jí)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(yīng)力范圍比小于則認(rèn)為抽油桿滿足強(qiáng)度要求，此時(shí)桿組長度可根據(jù)直接推導(dǎo)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(yīng)先給定最小桿徑（19mm）然后自下而上依次設(shè)計(jì)。有應(yīng)力范圍比的計(jì)算公式即給定的應(yīng)力范圍比（0.85）計(jì)算第一級(jí)桿長L1，若L1大于等于泵深L，則抽油桿為單級(jí)桿，桿長為L，并計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力范圍比，若L1小于泵深L,則由應(yīng)力范圍比的計(jì)算公式及給定的應(yīng)力范圍比計(jì)算第二

20、級(jí)桿長L2，若L2大于等于（L-L1）,則第二級(jí)桿長為L2，并計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力范圍比，若L2小于（L-L1）,則同理進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中若桿徑為25mm仍不能滿足強(qiáng)度要求，則需改變抽汲參數(shù)。在設(shè)計(jì)中若桿徑小于或等于25mm并滿足強(qiáng)度要求，則桿柱設(shè)計(jì)結(jié)束。此為桿柱非等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。若采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，則需降低重新設(shè)計(jì)桿的長度。在設(shè)計(jì)抽油桿的過程中油管直徑一般?。ㄍ鈴?3mm，內(nèi)徑62mm）。若泵徑大于或等于70mm，則油管全用（外徑89mm, 內(nèi)徑76mm），原因是作業(yè)時(shí)大柱塞不能下如小直徑油管中；若采用25mm抽油桿，則相應(yīng)油管直徑應(yīng)用，原因是25mm抽油桿節(jié)箍為55mm，與62mm油管間隙太小

21、。當(dāng)采用多級(jí)桿時(shí)油管長度比25mm桿長多10m。為了減小計(jì)算工作量，在本次課程設(shè)計(jì)中桿柱設(shè)計(jì)簡化處理，采用單級(jí)桿設(shè)計(jì)（19mm）。設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：由于采用單級(jí)桿設(shè)計(jì)，且桿徑為19mm，所以選用油管的直徑為：62mm。計(jì)算內(nèi)容和步驟：1、 最大載荷： =0.0014999110=1499.9N；由于是單級(jí)的計(jì)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(shè)計(jì)過程之中，只有一級(jí)桿，所以公式變?yōu)椋?=1+10.631= 11.631 Mpa =26174.24N 11.

22、631 （0.0014999-0） 10=8728.9N =8728.9 - =7149.68N 2.6 抽油機(jī)校核1）最大扭矩計(jì)算公式 =1800 3+0202 3 （29343.66 - 7149.68）= 18849.55N.m 2）電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算， =7860.53W 所以，可知電機(jī)的計(jì)算功率小于電機(jī)的額定功率，因而符合要求。2.7 泵效計(jì)算 （1）泵效及其影響因素在抽油井生產(chǎn)過程中，實(shí)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(jì)算 根據(jù)影響泵效的三方面的因素，實(shí)際產(chǎn)量的計(jì)算公式為 （51）式中：Q實(shí)際產(chǎn)量，m3/d; Qt理論產(chǎn)量，m3/d; Sp

23、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(nèi)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(jì)算 =1400 0.001499936=37.80 m3/d 2） 沖程損失系數(shù)的計(jì)算根據(jù)靜載荷和慣性載荷對光桿沖程的影響計(jì)算本設(shè)計(jì)按照油管未錨定計(jì)算。當(dāng)油管未錨定時(shí)； 由于只有一級(jí)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 0.0014999=1499.9NPZ泵排出口壓力，P

24、a；Pin泵內(nèi)壓力，Pa；當(dāng)液體粘度較低時(shí)，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)，2.06×1011Pa； Lf動(dòng)液面深度，m； L1、L2、L3每級(jí)抽油桿的長度，m； fr1、fr2 、fr3每級(jí)抽油桿的截面積，m23) 充滿系數(shù)的計(jì)算 = 0.4814 式中：K泵內(nèi)余隙比；取0.1. R泵內(nèi)氣液比； = =0.892 =50，m3(標(biāo))/m3;=10m3(標(biāo))/m3;=3M Pa;=0.4；P0=105Pa; T0=293K；273t=351.66；Z=0.96 4） 泵內(nèi)液體的體積系數(shù)Bl =1.0462 5）漏失量的計(jì)算 檢泵初期的漏失量為=0m3/d; D=0.044m；=0.00053Pa·s；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： =46.822.8舉升效率計(jì)算 光桿功率：P光= SN/60 = 8728.936/60=2618.67水力功率：P水力Q實(shí)際（PZPN）/86.4=17.7110/86400=