采油工程課程設計

1、采油工程課程設計 課程設計 姓名：孔令偉 學號： 中國石油大學（北京） 石油工程學院 2014 年 10 月 30 日一、給定設計基礎數(shù)據(jù)： 二、設計計算步驟 2.1 油井流入動態(tài)計算2.2井筒多相流的計算2.3懸點載荷和抽油桿柱設計計算 2.4抽油機校核2.5泵效計算2.6舉升效率計算三、設計計算總結(jié)果 四、課程設計總結(jié)一、給定設計基礎數(shù)據(jù)：井深：2000+87X 10=2870m套管內(nèi)徑：0.124m油層靜壓：2870/100 X 1.2 =34.44MPa油層溫度：90 r恒溫層溫度：16 r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

2、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):16.35Mpa抽油機型號：CYJ10353HB電機額定功率：37kw配產(chǎn)量：50t/d泵徑：56mm沖程：3m沖次：6rpm柱塞與襯套徑向間隙：0.3mm沉沒壓力：3MPa二、設計計算步驟2.1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。本次設計油井流入動態(tài)計算采用Petro bras方法Petro

3、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。當已知測 試點計算采液指數(shù)時，是按產(chǎn)量加權(quán)平均；預測產(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：Pwftest、qtxest和飽和壓力Pb及油藏壓力P。qtxwstPP P P因為 沁st 一 m，j1= wfest =30/(34.44-12)= 1.3/( d.Mpa)(2) 某一產(chǎn)量qt下的流壓Pwfqb=j(R - Pb )=1.4 x( 34.44-10)=34.22t/dqmzx=qb+ 1.8 =34.44+1.4*10/1.8=42.22t/dqomzx-油 IPR曲線的最

4、大產(chǎn)油量。當 0 qt qb 時，令 qt1=10 t/d，則 pwf1= j =15.754 Mpa同理，qt2=20 t/d , Pwf 2=13.877 Mpaqt3 =30 t/d , Pwf3=12.0 Mpa當q b qt qomzx時，令qt4=50 t/d,則按流壓加權(quán)平均進行推導得: w)，81-80(7：)Pwf4=fj +0.125(1-fw)Pb-1+qb =8.i66Mpa同理 qt5=60t/d , Pwf5=5.860 Mpaq omzxtq時,Pwf=fw( p1 -qomzx)_(qt - qomzx)(8 fw - 9)J令 qt6=71t/d , Pwf6

5、=2.233 Mpa綜上，井底流壓與產(chǎn)量的關(guān)系列表如下：Pwf/Mpa 15.74713.87312.010.08.1665.8602.233Q/(t/d)10203040.653506071得到油井的流入動態(tài)曲線如下圖:圖1 油井IPR曲線2.2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)學表達式如下:dp 二dh p m gsin 0 + pdVm+ fmmvm dhm/d* 2式中p m為多相混合物的密度;vm為多相混合物的流速;fm為多相混合物流動時的摩擦阻力系數(shù);d為管徑;p為

6、壓力;h為深度;g為重力加速度；0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。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，假設壓力降為0.2 Mpa;估計一個對應的深度增量 h =40m，即深度為 1960m 。由井溫關(guān)系式可以計算得到該處的井

7、溫為：89.96 C平均的壓力和溫度：T= (90+89.96) /2=89.98C。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物性參數(shù)為：溶解油氣比RS =71.31 ;原油體積系數(shù)B0=1.25_4原油密度P0 =739.00;油水混合液的密度 Pz =843.40;死油粘度卩od =6.537*10 ; 活O2油粘度卩=3.318*10;_4_4水的粘度卩w =3.263*10;液體的粘度卩=3.296*10;天然氣的壓縮因子Z=0.9567;P 天然氣的密度g90.70。以上單位均是標準單位。由以上的流體物性參數(shù)判斷流型:不同流動型態(tài)下的 久和f的計算方法不

8、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 限泡流段塞流過渡流霧流2其中 LB=1.071-0.7277n t /D 且 Lb0.13 (如果 Lb0.13，則取 Lb=0.13);_qgLs =50+36 Vgqt;=魚Lm =75+84 ( Vg qt )0.75。-dP= fdh gmdh mVmdVm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。dP_計算該段的壓力梯度dh。由壓力梯度的計算公式:訂=843.40;f二計算對應于:P的該段管長（深度差戸h計。 將第 步計算得的-h計與第步估計的進行比較，兩者

9、之差超過允許范圍，則 以新的-h作為估算值，重復的計算，使計算的與估計的F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處，計算泵排出口壓力P乙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Po，選取合適的深度間隔 冷（可將管L等分為n段） 估計一個對應于計算間隔h的壓力增量-P。 計算該段的亍和P，以及P、T下的流體性質(zhì)參數(shù)。

10、 計算該段壓力梯度 dh o3亠労 計算對應于-h的壓力增量dh o 比較壓力增量的估計量P與計算值 閉，若二者之差不在允許范圍內(nèi)，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(nèi)為止。 計算該段下端對應的深度L和壓力P 以1處的壓力P為起點壓力重復第步，計算下一段的深度匚+和壓力R卡，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

11、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)-dPffdh gmdh 亠! mVmdVm式中 P 壓力，Pa；，一摩擦損失梯度，Pa/m；h 深度，m ；g 重力加速度，m/s2 ；幾一混合物密度，kg/m3 ；vm 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：m

12、VmdVmWtqg_麗dp(27)式中 Ap 管子流通截面積，m2;W 流體總質(zhì)量流量，kg/s；qg 氣體體積流量，m3/s將式(27)代入式(26)，并取dh=Yhk，dp=d，幾m，p=p經(jīng)過整理后可得:Wtqg1而L hk(28)式中-Pk 計算管段壓力降，Pa；計算管段的深度差,P 計算管段的平均壓力，Pa。不同流動型態(tài)下的 匸和f的計算方法不同，下面按流型分別介紹(1) 泡流平均密度式中Hg 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;Hl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;:：g、泊乳在 p、T下氣、液和混合物的密度，kg/m3。氣相存容比由滑

13、脫速度Vs來計算。滑脫速度定義為：氣相流速與液相流速之差_ 1 口 + q 十 + q y 4石 可解出:H g - 2 VsApVs A VsAp式中 Vs滑脫速度，由實驗確定，m/s ；Vsg、VsL 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f 摩擦阻力系數(shù);vlh 液相真實流速，m/s摩擦阻力系數(shù)1可根據(jù)管壁相對粗造度D和液相雷諾數(shù)Re查圖2。液相雷諾數(shù)：L式中 人一在P、亍下的液體粘度，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Wt dLvsAp .、 m L(34)qt +VsAp式中一液體分布系數(shù);Vs 滑脫

14、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先按段塞流和霧流分別進行計算，然后用內(nèi)插 方法來確定相應的數(shù)值。-_ Lm Vg - Vg _Ls -ImSLI MiLm -LsLm Ls(36)I-M - VgVg LglLS -sl Ml(37)式中的:?SL、 SL及忌、Mi為分別按段塞流和霧流計算的混合物密度及摩擦梯度。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。所以口 _ qgH gqL +qg(38)摩擦梯度則按連續(xù)的氣相進行計算，即gVsgf

15、二F(39)式中 Vsg 氣體表觀流速,Vsg q g / Ap,m/s。霧流摩擦系數(shù)可根據(jù)氣體雷諾數(shù)NReg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 Orkiszewski方法計算流程框圖2.3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(guān)系。例如在考慮抽油桿彈性時的懸點載 荷、在考慮桿柱摩擦時的懸點載荷公式與桿長不是線性

16、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(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:.坐)1 7 90iP ax=C WrjWl )(1j 1(40)ii(41)(42)Wl 二 fp(Pz -Pn)式中：qri第i級桿每米桿在空氣中的質(zhì)量，Kg/mLm 第：級桿桿長，m；i 抽油桿級數(shù)，從下向上計數(shù);PZ泵

17、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 ；iii、Wrj =7 WrjPj (frj _ fr1j)j 1j 呂j 1式中：令frO=OPj第j級抽油桿底部斷面處壓力，Pa：aPj = R 0 （1 一 fw） Sfw g（LLtm(43)(44)(45)Pt井口油壓，Pa;P 0地面油密度，kg/m3;fw 體積含水率，小數(shù)； 應力范圍比pL計算公式：PLmax min殆11min-ma Pmax 匚 mZfrfr(46)(47)all =（匚 + 0.5625cr min）SF抽油桿柱的許用最大應力的計算公式

18、：4式中：rail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=6.3*108Pa對D級桿T=8.1*108Pa;-m i n抽油桿最小應力，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若抽油桿的應力范圍比小于pL則認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（19m m）然后自

19、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（pL二0.85）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(jié)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pL重新設計桿的長度。在設計抽油桿的過程中油管

20、直徑一般取 2 2 （外徑73mm，內(nèi)徑62mm）。若泵徑大于或等于70mm，貝葉由管全用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，則相應油管直徑應用3，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，在本次課程設計中桿柱設計簡化處理，采用單級桿設計(19mm) 設計內(nèi)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(nèi)容和步驟：最大載荷：* 6Wl =fp(Pz - Pn)=0.0014999 1 10 =1499.9N

21、iiWrjqrj Lrj g心心；由于是單級的計算，所以簡化為：W qr Lrg2_6=7850 9.8 1200 19 二 10 4=26174.24N3 621790Pmax二(1499.9+26174.24)( 1+) =29343.66N2、最小載荷：式中：令fr0=0.由于，在該設計過程之中，只有一級桿，所以公式變?yōu)椋簆 二R G (1-fw)wfwXgL=1+10.631= 11.631 MpaIWj =Wrj -P 缶-仁)=26174.24N T1.631(0.0014999-0)106=8728.9NSN23父62Pmin =WrjWrj26174.241790=8728.9

22、 - 1790=7149.68N2.4抽油機校核1) 最大扭矩計算公式(29343.66 -M max = 1800S+0.202S( Pmax 一 P m i n) =8003+0 202 x 37149.68) = 18849.55N.m2) 電動機功率計算，Nt1000Mmax n143881000 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。2.5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，n表示,(50)CD曲柄角速度，rad/s; 3=n N/30= n 6

23、/30=0.6283;(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Q =Qt寶 _ _ 歸 kS Bi Bi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 ；SS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)；B 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Qt =1440fpSN =14000.0014999 3 6=37.80 m3/d2)沖程損失系數(shù)Sp，S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計按照油管未錨定計算當油管未錨定時;SPSWlr2r3(_Ll_L_L3fr1由于只

24、有一級抽油桿柱，所以公式簡化為：F2生=(+L )WL 早 +丄 )0.14781499.91200 丄 1200、S2 SE fr1ft =23漢2.06 M011 (0.0014999 0.001521)=1.018式中：u =3 L/a=0.1478Wl=(PZ - Rn ) f p4 Lf gfp6=1 100.0014999=1499.9NRZ泵排出口壓力，Pa；Rin泵內(nèi)壓力，Pa；當液體粘度較低時，可忽略泵吸入口壓力，故PinRNPN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；P液體密度，kg/m3;E鋼的彈性模數(shù)，2.06 x

25、 1011PaLf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)B的計算1 -KR1 R = 0.4814式中：K泵內(nèi)余隙比；取0.1.R泵內(nèi)氣液比;(Rp-Rs)(1 - fW)PTinZ(Pin105)Tq(50 -10) 0.6 1 05 351.66 0.9665(3 1010 )293=0.892Rp =50, m3(標)/m3; Rs=10m3(標)/m3;Pin =3M Pa;fW =0.4； P0=105Pa; T0=293KTin = 273 +1=351.66； Z=0.964) 泵內(nèi)液體的體積系數(shù)BlB

26、| = Bo(1 - fw) + Bw fw 粵 Bo(1 - fw)十 fw =i 04625) 漏失量的計算檢泵初期的漏失量為3兀De3 Apqleak =21600(DeVp)6# l-兀 X 0.044 X0.00005310621600 (0.044 0.00005 0.6)0m3/d;6x0.000531.5D=0.044m； p=0.00053Pa- s； l= 1.5m;6 P PPN=10 Pa； g=9.8m/s2; e= 0.00005m;VpSN 3 630 = 30 =0.6m/s;所以最終算出泵的效率：Q =(Qt Sp魚)/QtSBlBl=(37.80x1.018

27、x0.4814 + 1.0462)/37.80=46 82 %2.6舉升效率計算光桿功率：P 光=Wr SN/60 = 8728.9 3 6/60=2618.676水力功率：P 水力=Q 實際（PZHPN） /86.4=17.71 10 /86400=204.94井下效率：n井下二P水力/ P光=0.0783地面效率：耳地=P光/ P電機=0.3331系統(tǒng)效率：耳總=P地* P井下=0.0261三、注水措施建議1、水質(zhì)要求：油田注水所要求的水源不僅量大，而且希望水源的水量和水質(zhì)較為穩(wěn)定。這 樣，在水源充足的地方，有個水源選擇問題；水源缺乏的地方，需要尋找水源并進行選擇。 陸地水源包括地面的江、

28、湖，泉水和地層水。海上包括海水和通過海底淺井抽取海水。水 源選擇要考慮到水質(zhì)處理工藝要簡便，還要滿足油田注水設計的最大注水量。水源水量的 估計以設計注水量為依據(jù)，如果采出的污水大部分回注的話，最終所需要的水量，大致為 注水油層孔隙體積的150170%。（1 ）地面水源淡水 河、湖、泉水已廣泛用于注水。隨著國家建設的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)對這種水源使用也愈來愈 廣，加上可能遇到自然干旱，對注水可能供不應求。所以使用這種水源一般要得到有關(guān)部 門的批準。 ?另外，這種地面水源，特別是小溪、泉的水量常是隨著季節(jié)變化的，并且常常是高 含氧，攜帶很多懸浮物和各種微生物，不同季節(jié)水質(zhì)成分變化很大，從而給水質(zhì)處理帶來

29、許多麻煩。 ?勝利油田注水所用的黃河水屬這種水源，特點是：有大量的泥沙和雜質(zhì)，其含量在 200ppm以上，并隨季節(jié)變化；礦化度不高，一般在 500600ppm;屬于硫酸水型；含鐵在 0.5ppm 左右。因此，黃河水要經(jīng)過沉淀、過濾、殺菌和脫氧處理才能使用。（2）來自河床等沖積層水源淡水 這種水是通過在河床打一些淺井到?jīng)_積層的頂部，從而使水質(zhì)得到一定的改善。其特點是：水量穩(wěn)定，水質(zhì)變化不大，通常無腐蝕性；由于自然過濾，混濁度不受季節(jié)影響； 水中含氧穩(wěn)定便于處理，但由于硫酸還原菌深埋地下，這種水仍可能受到它的污染。因此， 把井鉆深一些，以便排除或減少這種細菌的影響。（3）地層水水源淡水或鹽水 地層

30、水源是根據(jù)地質(zhì)資料，通過鉆專門的水井而找到的來自地下的水源。找到高壓、高產(chǎn)量的淡水層最好，鹽水層也行，若找不到單一水層，多層水層也可以，但應注意，不 同水層的水彼此不要產(chǎn)生化學反應而結(jié)垢。鹽水也有它的好處，可以防止注水所引起的粘 上膨脹。（4）海水鹽水 近海和海上油田注水，一般用海水。因它既多又方便，但因高含氧和鹽，腐蝕性強。懸浮的固體顆粒隨季節(jié)變化較大，為改善這一點，通常鉆一些淺井到海底，使其過濾從而 減少水的機械雜質(zhì)。2、水質(zhì)處理：在水源確定的基礎上，一般要進行水質(zhì)處理。從防止設備腐蝕及地層堵塞的 角度，對水質(zhì)提出基本要求。主要是機械雜質(zhì)堵塞、電化學腐蝕及生成物堵塞，細菌腐蝕 及堵塞。？機械雜質(zhì)的含量根據(jù)地層性質(zhì)來定。國外對低滲透的孔隙性地層，含量要求小于0.10.5ppm，高滲透層或裂縫性地層含量可達10ppm。機械雜質(zhì)顆粒大小，一般應小于巖石孔隙喉道的1/10。顆粒直徑大于1/3喉道直徑，對地層堵塞很快