石油工程采油工程設(shè)計(jì)

1、采油工程課程設(shè)計(jì)姓名： 李健星 班級(jí)： 1班學(xué)號(hào)： 915463中國(guó)石油大學(xué)（北京）二o一二年四月目 錄1、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：12、具體設(shè)計(jì)及計(jì)算步驟2（1） 油井流入動(dòng)態(tài)計(jì)算2（2） 流體物性參數(shù)計(jì)算方法4（3） 井筒溫度場(chǎng)的計(jì)算6（4） 井筒多相流的計(jì)算7（5） 懸點(diǎn)載荷和抽油桿柱設(shè)計(jì)計(jì)算16（6） 抽油機(jī)校核21(7) 泵效計(jì)算21(8) 舉升效率計(jì)算243、設(shè)計(jì)計(jì)算總結(jié)果26有桿抽油系統(tǒng)包括油層，井筒流體、油管、抽油桿、泵、抽油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、地面出油管線直到油氣分離器。有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是選擇合理的機(jī)，桿，泵，管以及相應(yīng)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(shè)備工作安全、高效

2、及達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。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(guò)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。1、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)： 井深：2000+學(xué)號(hào)末兩位6310m=2630m 套管內(nèi)徑：0.124m 油層靜壓：給定地層壓力系數(shù)為1.2mpa/100m，即油層靜壓為井深2630m/100m1.2mpa=31.56mpa油層溫度：90 恒溫層溫度：16 地面脫氣油粘度：30mpa.s油相對(duì)密度：0.84 氣相對(duì)密度：0.76 水相對(duì)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(

3、測(cè)試點(diǎn))：30t/d 原井底流壓(測(cè)試點(diǎn))：12mpa（根據(jù)測(cè)試液面計(jì)算得到）抽油機(jī)型號(hào)：cyj10353hb 配產(chǎn)量：50t/d 泵徑：44mm(如果產(chǎn)量低泵徑可改為56mm，70mm) 沖程：3m 沖次：6rpm 沉沒(méi)壓力：3mpa 電機(jī)額定功率：37kw2、具體設(shè)計(jì)及計(jì)算步驟（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(lái)講，ipr曲線表示了油層工作特性。因而，他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

4、油ipr曲線和水ipr曲線的加權(quán)平均值。當(dāng)已知測(cè)試點(diǎn)計(jì)算采液指數(shù)時(shí)，是按產(chǎn)量加權(quán)平均；當(dāng)預(yù)測(cè)產(chǎn)量或流壓加權(quán)求平均值。采液指數(shù)計(jì)算已知一個(gè)測(cè)試點(diǎn)：、和飽和壓力及油藏壓力。 因?yàn)椋? =2.083t/(d.mpa)某一產(chǎn)量下的流壓pwf=j()=2.083 x（26.410）=34.161t/d=+=34.161+=45.733t/d-油ipr曲線的最大產(chǎn)油量。 當(dāng)0q時(shí)，令q=10 t/d，則p=21.599mpa同理，q=20 t/d，p=16.798mpa q=30 t/d，p=11.998 mpa 當(dāng)qq時(shí)，令q=40 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

5、+=0.4+0.125(1-0.4)10-1+=6.910mpa 當(dāng)qq時(shí)，令q=46t/dp=0.4=2.521mpa綜上，井底流壓與產(chǎn)量的關(guān)系列表如下：pwf/ mpa21.59916.79811.9986.9102.521q/(t/d)1020304046得到油井的流入動(dòng)態(tài)曲線如下圖：圖1 油井ipr曲線pwf（mpa）q/(t/d)（2） 流體物性參數(shù)計(jì)算方法在地層的壓力26.4mpa和溫度90時(shí)。 原油的api度 y= 36.95地面條件下的原油相對(duì)密度：0.84。 溶解油氣比的計(jì)算因?yàn)?5y=36.95，使用lastater的相關(guān)式 （12）式中，地面脫氣原油的有效分子量； 天然氣

6、的摩爾分?jǐn)?shù)。 的計(jì)算y0.13（如果0.13，則取=0.13）； =50+36 ； =75+84 （）。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；摩擦損失系數(shù)可由圖二查得。可據(jù)此計(jì)算對(duì)應(yīng)于的該段管長(zhǎng)(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(guò)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(guò)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

7、流時(shí)，首先計(jì)算井筒溫度場(chǎng)、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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)時(shí)為止。1.5.3

8、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)型態(tài)是泡流、段塞流、過(guò)渡流及環(huán)霧流。如圖1所示。在處理過(guò)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(duì)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(shì)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；

9、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(guò)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

10、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(lái)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(duì)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。滑脫速度可用griffith和wallis提出的公式計(jì)算： (35) (3)過(guò)渡流

11、過(guò)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(lái)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(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，即滑脫速度接近于霧，基本上沒(méi)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(duì)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orkiszewsk

12、i方法的計(jì)算流程框圖。圖3 orkiszewski方法計(jì)算流程框圖（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)的主要應(yīng)用采油工程設(shè)計(jì)與原理。因?yàn)闂U柱的最大、最小載荷與桿長(zhǎng)不是線性關(guān)系，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。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(zhǎng)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)又用到桿、管環(huán)空中的壓力分布。 本次課程設(shè)計(jì)僅將桿、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(zhǎng)成線性關(guān)系的公式。它是針對(duì)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： （

13、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(zhǎng)，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(méi)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(duì)c級(jí)桿，t=6.3*108pa,對(duì)d級(jí)桿t=8.1

14、*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)（小于或等于1.0），使用時(shí)可考表2來(lái)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(wú)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(zhǎng)度可根據(jù)直接推導(dǎo)出桿柱長(zhǎng)度的顯示公式。對(duì)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(zhǎng)l1，若l1大于等于泵深l，則抽油桿為單級(jí)桿，桿長(zhǎng)為l，并計(jì)算

15、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)算第二級(jí)桿長(zhǎng)l2，若l2大于等于（l-l1）,則第二級(jí)桿長(zhǎng)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(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)抽油桿的過(guò)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)大柱塞不能下入小直徑油管中；若采用25mm

16、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。當(dāng)采用多級(jí)桿時(shí)油管長(zhǎng)度比25mm桿長(zhǎng)多10m。在本次課程設(shè)計(jì)中采用單級(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(jiǎn)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(guò)程之中，只有一級(jí)桿，所以公式變?yōu)椋?=1+10.631= 1

17、1.631 mpa =26174.24n 11.631 （0.0014999-0） 10=8728.9n =8728.9 - =7149.68n （6） 抽油機(jī)校核1）最大扭矩計(jì)算公式 =1800 3+0.202 3 （29343.66 - 7149.68）= 18849.55n.m 2）電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算， =7860.53w 所以，得到電機(jī)的計(jì)算功率小于電機(jī)的額定功率，因而符合要求。（7） 泵效計(jì)算 （1）泵效及其影響因素在抽油井生產(chǎn)過(guò)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

18、實(shí)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(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(duì)光桿沖程的影響計(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(jiǎn)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.

19、9npz泵排出口壓力，pa；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(méi)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(zhǎng)度，m； l液體密度，kg/m3; e鋼的彈性模數(shù)，2.061011pa； lf動(dòng)液面深度，m； l1、l2、l3每級(jí)抽油桿的長(zhǎng)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/m3;=10m3/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；=0.00053pas；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(jì)算 光桿功率：p光= sn/60 = 8728.936/60=2618.67kw水力功率：p水力q實(shí)際（pzpn）/86.4=17.7110/86400=204.94 井下效率：井下p水力 / p光 =0.0