完整采油工程課程設(shè)計

1、采油工程課程設(shè)計采油工程課程設(shè)計課程設(shè)計課程設(shè)計姓名：唐建鋒姓名：唐建鋒學(xué)號：學(xué)號：039582中國石油大學(xué)（北京）中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院石油工程學(xué)院20122012 年年 1212 月月 1010 日日1一、給定設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：一、給定設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：.1二、設(shè)計計算步驟二、設(shè)計計算步驟.22.1 油井流入動態(tài)計算.22.2 井筒多相流的計算.32.3 懸點載荷和抽油桿柱設(shè)計計算.112.4 抽油機校核.152.5 泵效計算.152.6 舉升效率計算.18三、設(shè)計計算總結(jié)果三、設(shè)計計算總結(jié)果.19四、課程設(shè)計總結(jié)四、課程設(shè)計總結(jié).202一、給定設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：一、給定設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 井深

2、：2000+8210=2820m 套管內(nèi)徑：0.124m 油層靜壓：2820/1001.2 =33.84MPa 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 抽油機型號：CYJ10353HB 電機額定功率：37kw 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

3、:0.3mm 沉沒壓力：3MPa 3二、設(shè)計計算步驟二、設(shè)計計算步驟2.1 油井流入動態(tài)計算油井流入動態(tài)計算油井流入動態(tài)是指油井產(chǎn)量與井底流動壓力的關(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)，也是分析油井動態(tài)的基礎(chǔ)。本次設(shè)計油井流入動態(tài)計算采用 Petro bras 方法 Petro bras 方法計算綜合 IPR 曲線的實質(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)已知測試點計算采液指數(shù)時，是按產(chǎn)量加權(quán)平均;預(yù)測產(chǎn)量時,按流壓加權(quán)平均。(1) 采液指數(shù)計算已知一個測試點：wftestP、txes

4、tq和飽和壓力bP及油藏壓力P。因為wftestPbP，1j=txwstwfestqPP=30/(33.84-12)= 1.4/( d.Mpa)(2) 某一產(chǎn)量tq下的流壓 Pwf bq=j(bPP 1)=1.4 x（33.84-10）=33.38t/dmozxq=bq+8 . 1bjP=33.38+1.4*10/1.8=41.16t/domzxq-油 IPR 曲線的最大產(chǎn)油量。當(dāng) 0qtbq時，令 q1t=10 t/d，則 p1wf=jqPt1=15.754 Mpa同理，q2t=20 t/d，P2wf=13.877 Mpa q3t=30 t/d，P3wf=12.0 Mpa當(dāng) qbqtomzx

5、q時，令 q4t=50 t/d,則按流壓加權(quán)平均進行推導(dǎo)得：P4wf=f)(1jqPtw+0.125(1-fw)Pb-1+8180()tbomzxbqqqq=8.166Mpa4 同理 q5t=60t/d，P5wf=5.860 Mpa當(dāng) qomzxqt時，1()(89)()omzxtomzxwwfwqqqfpfpJJ令 q6t=71t/d，P6wf=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)10203040.653506071 得到油井的流入動態(tài)曲線如下圖： IPR 曲線05101520

6、0102030405060708090Q（t/d）Pwf(Mpa)圖 1 油井 IPR 曲線2.2 井筒多相流的計算井筒多相流的計算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能和流體沿管路的摩阻損失，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：dhdpmgsin+mvmmmfdhdvm/d*22mv式中 m為多相混合物的密度;vm為多相混合物的流速;fm為多相混合物流5動時的摩擦阻力系數(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。井筒多相管流計算包括兩部分：（1）由井底向上計算至泵入口處；（2）油管內(nèi)由井口向下計算至泵出口處。

7、1）由井底向上計算至泵入口處，計算下泵深度 Lp。采用深度增量迭代方法，首先估算迭代深度。在本設(shè)計中為了減小工作量，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；估計一個對應(yīng)的深度增量h=40m，即深度為 1960m 。由井溫關(guān)系式可以計算得到該處的井溫為：89.96。平均的壓力和溫度：T=（90+89.96）/2=89.98。平均壓力P=11.9 Mpa。由平均壓力和平均溫度計算的得到流體的

8、物性參數(shù)為：溶解油氣比 RS=71.31 ； 原油體積系數(shù) B0=1.25 原油密度 P0=739.00； 油水混合液的密度 Pz =843.40； 死油粘度 od=6.537*104； 活油粘度 O=3.318*104； 水的粘度 w=3.263*104； 液體的粘度 = 3.296*104；天然氣的壓縮因子Z=0.9567； 天然氣的密度g90.70。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：不同流動型態(tài)下的m和f的計算方法不同，為此，計算中首先要判斷流動形態(tài)。該方法的四種流動型態(tài)的劃分界限如表 1 所示。表 1 流型界限流動型態(tài)界 限泡 流BtgLqq段 塞 流SgBtgLvL

9、qq,6過 渡 流SgMLvL霧 流MgLv 其中BL2/tD且BL0.13（如果BL0.13，則取BL=0.13） ； SL=50+36 gv gtqq； ML=75+84 （gvgtqq）0.75。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dhdP。由壓力梯度的計算公式：mmmmfdvvdhgdhdP m=843.40；f=計算對應(yīng)于P的該段管長(深度差)、h。 將第步計算得的、h與第步估計的h進行比較，兩者之差超過允許范圍，則以新的h作為估算值，重復(fù)的計算，使計算的與估計的h之差在允許范圍內(nèi)為止。該過程之中只迭代一次。2）由井口向下計算至泵出口

10、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0P， 選取合適的深度間隔h(可將管L等分為 n 段)。估計一個對應(yīng)于計算間隔h的壓力增量P。7計算該段的T和P ，以及P、T下的流體性質(zhì)參數(shù)。計算該段壓力梯度odhdP計算對應(yīng)于h的壓力增量oidhdPhP比較壓力增量的估計量P與計算值iP ，若二者之差不在允許范圍內(nèi)，則以計算

11、值作為新的估計值，重復(fù)第步，使兩者之差在允許范圍o之內(nèi)為止。計算該段下端對應(yīng)的深度iL和壓力iP hiLi iioiPPP1以iL處的壓力iP為起點壓力重復(fù)第步，計算下一段的深度1iL和壓力1iP ，直到各段累加深度等于或大于管長L時為止。2.2 計算氣-液兩相垂直管流的 Orkiszewski 方法本設(shè)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(nèi)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(guān)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

12、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：mmmmfdvvdhgdhdP (26)8式中 P壓力，Pa； f摩擦損失梯度，Pa/m； h深度，m； g重力加速度，m/s2； m混合物密度，kg/m3； mv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(yuǎn)大于液體體積流量。根據(jù)氣體定律，動能變化可表示為：dpPAqWdvvpgtmmm2 (27)式中 pA管子流通截面積，m2； tW流體總質(zhì)量流量，kg/s；

13、 gq氣體體積流量，m3/s。將式(27)代入式(26)，并取khdh，kpdP ，mm，PP經(jīng)過整理后可得：kPkpgtfmhPAqWg12 (28)式中 kP計算管段壓力降，Pa； kh計算管段的深度差，m； P計算管段的平均壓力，Pa。不同流動型態(tài)下的m和f的計算方法不同,下面按流型分別介紹。(1)泡流平均密度 ggLLmHHggLgHH 1 1gLHH 式中 gH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；9 LH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； mg、在TP、下氣、液和混合物的密度，kg/m3。氣相存容比由滑脫速度sV來計算?；撍俣榷x為：氣

14、相流速與液相流速之差。)1 (1gpgtgpggsLgsgsHAqqHAqHvHvv 可解出gH：HgpsgpstpstAvqAvqAvq4)1 (1 212 式中 sv滑脫速度，由實驗確定，m/s； sgv、sLv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： 22LHLtvDf )1 (gpLLHHAqv 式中 f摩擦阻力系數(shù)； LHv液相真實流速，m/s。摩擦阻力系數(shù)f可根據(jù)管壁相對粗造度D/和液相雷諾數(shù)ReN查圖 2。液相雷諾數(shù): LLsLDvNRe 式中 L在TP、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。10圖 2(2)段塞流混合物平

15、均密度LpstpsLtmAvqAvW (34)式中 液體分布系數(shù)； sv滑脫速度，m/s。滑脫速度可用 Griffith 和 Wallis 提出的公式計算：gDCCvs21 (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行計算，11然后用內(nèi)插方法來確定相應(yīng)的數(shù)值。MiSMsgSLSMgMmLLLvLLvL (36)MiSMggSLSMgMtLLLvLLvL (37)式中的SL、SL及Mi、Mi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： ggLgggLLmHHHH)1 (由于霧流的氣液無相對運動速度，即滑脫速度接近

16、于霧，基本上沒有滑脫。所以gLggqqqH (38)摩擦梯度則按連續(xù)的氣相進行計算，即Dvfsggf22 (39)式中 sgv氣體表觀流速，pgsgAqv/ ，m/s。霧流摩擦系數(shù)可根據(jù)氣體雷諾數(shù)gNRe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。12以井口油壓或井底流壓為起點，選擇合適的壓力間隔P，假設(shè)h計算平均 P 和 T，并求得在此 P 和 T 下的流體性質(zhì)參數(shù)和流動參數(shù)，以及相應(yīng)的流動型態(tài)界限LB、Lg和 L

17、M確定流動型態(tài)霧流計算氣相存容比、平均密度及摩擦梯度過渡流分別按段塞流和霧流計算平均密度及摩擦梯度，并進行內(nèi)插段塞流計算滑脫速度、液體分布系數(shù)、平均密度和摩擦梯度泡流計算氣相存容比、平均密度和摩擦梯度計算并比較h，重復(fù)上述計算使h的計算值與假設(shè)值相等或在允許的誤差范圍內(nèi)重復(fù)上述步驟，直到h的等于或大于油層深度為止圖 3 Orkiszewski 方法計算流程框圖2.3 懸點載荷和抽油桿柱設(shè)計計算懸點載荷和抽油桿柱設(shè)計計算 抽油桿柱設(shè)計的一般方法見采油工程設(shè)計與原理 。之所以設(shè)計方法較復(fù)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(guān)系。例如在考慮抽油桿彈性時的懸點載荷、在考慮桿柱摩擦?xí)r的懸

18、點載荷公式與桿長不是線性關(guān)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(shè)計有用到桿、管環(huán)空中的壓力分布。 由于綜合課程設(shè)計時間較少，所以這里提供一種簡化桿柱設(shè)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?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、游梁抽油機的桿柱載荷公式。 懸點最大、最小載荷的計算公式：13 )17901)(21maxSNWWPLijrj （40） gLqWrjijrjijrj11 （41） )(NZpLPPfW （42） 式中：irq第 i 級桿每米桿在空氣中的質(zhì)量，Kg/m riL第

19、 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；ijrjijrjWSNWP121min1790 （43）)(11111jrrjijjijrjijrjffPWW （44） 式中：令 fr0=0 Pj第 j 級抽油桿底部斷面處壓力,Pa： )()1 (110jttwwwtjLLgffPP （45）14 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pL計算公式：minminmaxallPL （46） frPmaxmax frPmin

20、min （47） 抽油桿柱的許用最大應(yīng)力的計算公式：SFTallmin)5625. 04(式中：all抽油桿許用最大應(yīng)力，Pa； T抽油桿最小抗張強度，對 C 級桿，T=6.3*108Pa,對 D 級桿T=8.1*108Pa; min抽油桿最小應(yīng)力，Pa； SF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(zhì)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(yīng)力范圍比小于pL則認(rèn)為抽油桿滿足強度要求，此時桿組長度可根據(jù)pL直接推導(dǎo)出桿柱長度的顯示公式。對

21、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。有應(yīng)力范圍比的計算15公式即給定的應(yīng)力范圍比（pL0.85）計算第一級桿長 L1，若 L1 大于等于泵深 L，則抽油桿為單級桿，桿長為 L，并計算相應(yīng)的應(yīng)力范圍比，若 L1 小于泵深 L,則由應(yīng)力范圍比的計算公式及給定的應(yīng)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(yīng)的應(yīng)力范圍比，若 L2小于（L-L1）,則同理進行設(shè)計。在設(shè)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(shè)計中若桿徑小于或等于 25mm 并滿足強度要

22、求，則桿柱設(shè)計結(jié)束。此為桿柱非等強度設(shè)計方法。若采用等強度設(shè)計方法，則需降低pL重新設(shè)計桿的長度。在設(shè)計抽油桿的過程中油管直徑一般取212（外徑 73mm，內(nèi)徑 62mm） 。若泵徑大于或等于 70mm，則油管全用3 （外徑 89mm, 內(nèi)徑 76mm） ，原因是作業(yè)時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3 ，原因是 25mm 抽油桿節(jié)箍為 55mm，與 62mm 油管間隙太小。當(dāng)采用多級桿時3 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(shè)計中桿柱設(shè)計簡化處理，采用單級桿設(shè)計（19mm） 。設(shè)計內(nèi)容如下：由于采用單級桿設(shè)計，且桿徑為

23、 19mm，所以選用油管的直徑為：62mm。計算內(nèi)容和步驟：最大載荷： )(NZpLPPfW =0.00149991106=1499.9N11iirjrjrjjjWq L g；由于是單級的計算，所以簡化為： rW=rqrL g=78509.812002619104=26174.24N)17901)(21maxSNWWPLijrj 16 maxP （1499.9+26174.24）（1+23 61790） =29343.66N 2、 最小載荷：ijrjijrjWSNWP121min1790 1111()iiirjrjjrjrjjjjWWPff 式中：令 fr0=0. )()1 (110jttww

24、wtjLLgffPP 由于，在該設(shè)計過程之中，只有一級桿，所以公式變?yōu)椋?0(1)twwwPPffgL =1+10.631= 11.631 Mpa0()rjrjrjrWWPff =26174.24N 11.631 （0.0014999-0） 106=8728.9N 2min1790rjrjSNPWW=8728.9 - 23 626174.241790=7149.68N 2.4 抽油機校核抽油機校核1）最大扭矩計算公式 min)(202. 01800maxmaxPPSSM =1800 3+0202 3 （29343.66 - 7149.68）= 18849.55N.m 2）電動機功率計算，143

25、881000maxnMNt =1000 18849.55 614388=7860.53W 所以，可知電機的計算功率小于電機的額定功率，因而符合要求。172.5 泵效計算泵效計算 （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，tQQ （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 lleaklPtBqBSSQQ （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； SSp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)； q

26、leak檢泵初期的漏失量，m3/d;1）理論排量計算 SNfQpt1440=1400 0.001499936=37.80 m3/d 2）沖程損失系數(shù)SSp的計算根據(jù)靜載荷和慣性載荷對光桿沖程的影響計算本設(shè)計按照油管未錨定計算。當(dāng)油管未錨定時；)()21 (3322112trrrlPfLfLfLfLSEWuSS 由于只有一級抽油桿柱，所以公式簡化為： 18211(1)()2lPrtWSLuLSSEff=2110.14781499.912001200(1)()23 2.06 100.00149990.001521=1.018式中：uL/a=0.1478 曲柄角速度，rad/s；N/30=6/30=

27、0.6283； a聲波在抽油桿柱中的傳播速度，5100m/s； pflpinZlgfLfPPW)( =1 106 0.0014999=1499.9NPZ泵排出口壓力，Pa；Pin泵內(nèi)壓力，Pa；當(dāng)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 RKR11 = 0.4814 式中：K泵內(nèi)余隙比；

28、取 0.1. R泵內(nèi)氣液比； 050)10()1)(TPZTPfRRRininWSP = 565(50 10) 0.6 10351.66 0.96(3 1010 )293=0.892 19 PR=50，m3(標(biāo))/m3;SR=10m3(標(biāo))/m3;inP=3M Pa;Wf=0.4；P0=105Pa; T0=293K；inT273t=351.66；Z=0.96 4） 泵內(nèi)液體的體積系數(shù) Bl 00(1)(1)lwwwwwBBfB fBff =1.0462 5）漏失量的計算 檢泵初期的漏失量為)6(216003pleakDeVlPDeq=360.044 0.000051021600 (0.044 0.00005 0.6)6 0.000531.50m3/d; D=0.044m；=0.00053Pas；l= 1.5m;PPZPN=106Pa；g=9.8m/s2；e= 0.00005m;30SNVp=3 630=0.6m/s;所以最終算出泵的效率：()/leakPttllqSQQQSBB=(37.80 1.018 0.4814 1.0462)/37.80=46.822.6 舉升效率計算舉升效率計算 光桿功率：P 光= rWSN/60 =