采油工程課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、采油工程課程設(shè)計指導(dǎo)書 本次采油工程課程設(shè)計的主要內(nèi)容是進行有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計，通過設(shè)計計算，讓學(xué)生了解有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)的組成、設(shè)計原理及設(shè)計思路。1有桿泵抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計11有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計原理 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(shè)計就是選擇合理的機，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、高效及達到較好的經(jīng)濟效益。 在生產(chǎn)過程中，井口回壓基本保持不變，可取為常數(shù)。它與出油管線的長度、分離器的入口壓力有關(guān)，此處取。 抽油井井底流壓為向上為多相管流,至泵下壓力降至泵的沉沒

2、壓力(或吸入口壓力),抽油泵為增壓設(shè)備,故泵出口壓力增至,稱為泵的排出口壓力.在向上,為抽油桿油管間的環(huán)空流動.至井口,壓力降至井口回壓。(1)設(shè)計內(nèi)容對剛轉(zhuǎn)為有桿泵抽油的井和少量需調(diào)整抽油機機型的有桿抽油井可初選抽油機機型。對大部分有桿抽油油井。抽油機不變，為己知。對于某一抽油機型號，設(shè)計內(nèi)容有：泵徑、沖程、沖次、泵深及相應(yīng)的板徑、桿長，并求載荷、應(yīng)力、扭矩、功率、產(chǎn)量等技術(shù)指標(biāo)。(2)需要數(shù)據(jù) 井：井深，套管直徑，油層靜壓，油層溫度 混合物：油、氣、水比重，油飽和壓力 生產(chǎn)數(shù)據(jù)：含水綠，套壓，油壓，生產(chǎn)氣油比，原產(chǎn)量，原流壓（或原動液面）。(3)設(shè)計方法這里介紹給定配產(chǎn)時有桿抽油系統(tǒng)的設(shè)計

3、方法。首先需要獲得油層的ipr曲線。若沒有井底流壓的測試值，可根據(jù)測試液面和套壓計算得井底流壓，從而計算出采液指樹及ipr曲線。1） 根據(jù)測試液面計算測試點流壓從井口到井底可分為三段。從井口到動液面為氣柱段，若忽略氣柱壓力，則動液面頂端壓力仍為套壓。從動液面到吸入口為純油柱段，可以將這一段分為許多小段，采用迭代壓力方法可求出每小段油的密度，最后求出吸口處的壓力。從吸入至油層中部分多相管流段。通過分小段計算多相管流壓力分布，可求得測試點流壓。2） 根據(jù)測試點流壓和產(chǎn)量計算ipr曲線3） 給定配產(chǎn)量時有桿油油井設(shè)計步驟（簡化設(shè)計方法）a 利用ipr曲線，由給定產(chǎn)量計算流壓。b 按由流壓向上進行多相

4、管流計算，得不同深度處的壓力分布。一般分若干小段進行壓力分布計算。為了計算簡便，此處可按深度增量迭代方法分兩段計算。若井底流壓高于飽和壓力，則以飽和壓力點為分界線分為兩段，從 到為一段，從到零為一段。若井底流壓低于飽和壓力，則以為分界線分為兩段，從到為一段，從到零為一段。c 根據(jù)泵沉沒壓力內(nèi)插確定泵深；d 初選桿、管直徑，按由井口向下進行桿、管環(huán)空壓力分布計算，得不同深度處的壓力分布，為了簡化計算，給定壓力分布；e 對某一抽汲參數(shù)組合：泵徑、沖程、沖次、泵沉沒壓力，計算液柱載荷，設(shè)計抽油桿柱；f 計算扭矩和需要電機功率等校核抽油機：g 計算泵效：從而計算出產(chǎn)量h 判斷。若不成立，則換另一組抽汲

5、參數(shù)，轉(zhuǎn)第e步；若成立轉(zhuǎn)第i步。i 計算舉升效率。j 通過計算多組抽汲參數(shù)的產(chǎn)量，最后得到產(chǎn)量比配產(chǎn)高但最接近且經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)較好的抽汲參數(shù)組合。1.2 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，他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petrobras方法。petrobras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；當(dāng)預(yù)測產(chǎn)量或流壓加權(quán)平均。（1） 采液指數(shù)計算已知

6、一個測試點；、和飽和壓力及油藏壓力。 如果則 （1） 如果采液指數(shù) （2） 式中， 對應(yīng)流壓時總產(chǎn)液量； 含水率，小樹： 油 ipr 曲線的最大產(chǎn)油量。（2） 某一產(chǎn)量 下的流壓 （3） （4）若則 （5） 若則按流壓加權(quán)平均進行推導(dǎo)得； （6） 若，則綜合ipr曲線的斜率可近似常數(shù)。 （7）13 流體物性參數(shù)計算方法 （1）原油密度計算 （8）式中，在壓力p 及溫度t下的原油密度，； 地面條件下的原油相對密度； 地面條件下的氣體相對密度； 在壓力p及溫度下的溶解油汽比，； 在壓力p及溫度t下的原油體積系數(shù)，。（2）原油的api度 （9）式中，原油的api度。（3）原油體積系數(shù)的計算 （10）

7、式中，（4）溶解油氣比的計算1）當(dāng)時，使用standing的相關(guān)式 （11）式中， t溫度，； p泡點壓力（在多相管流中取計算段的平均壓力p），pa。2）當(dāng)時，使用lastater的相關(guān)式 （12）式中，地面脫氣原油的有效分子量； 天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。 其中，和可以通過差圖來獲得。為便于計算，我們可以采用以下公式計算和。的計算當(dāng)時 （13）當(dāng)時 （14）的計算；首先計算泡點壓力系數(shù)； （15）當(dāng)時 （16）當(dāng)時 （17）（5）油水混合液體的密度 （18）式中，體積含水，小數(shù)。（6）液體黏度1）原油黏度“死油”（脫氣油）黏度 （19） 式中， “活油”（飽和油）黏度； （20）式中， 原油死油與活

8、油黏度，。2）水的黏度 （21）式中，水的黏度，3）液體的黏度（7）油、天然氣的表面張力 （22）式中，油、氣的表面張力，；（8）水、天然氣的表面張力 （23）其中 ， 式中，溫度為t時水、氣的表面張力，；(9) 油水混合物和天然氣的表面張力（10）天然氣的壓縮因子z （11）天然氣的密度 ;(12) 天然氣的粘度天然氣粘度取14井筒溫度場計算 根據(jù)經(jīng)驗公式計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井筒中任意點深度，m。15 井筒多相流計算1.5.1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

9、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)表達式如下： (25)式中為多相混合物的密度；為多相混合物的流速；為多相混合物流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。1.5.2多相垂直管流壓力分布計算步驟根據(jù)多相管流的壓力梯度就可計算出沿程壓力分布。由于多相管流中每相流體影響流動的物理參數(shù)(密度、粘度等)及混合物密度和流速都隨壓力和溫度而變，沿程壓力梯度并不是常數(shù)。因此，多相管流需要分段計算，并要預(yù)先求得相應(yīng)段的流體性質(zhì)參數(shù)。然而，這些參數(shù)又是壓力和溫度的函數(shù)，壓力卻又是計算中需要求得的未知數(shù)。所以，多相管流通常采用迭代

10、法進行計算。有兩種不同的迭代途徑：按深度增量迭代和按壓力增量迭代。1)按深度增量迭代的步驟已知任一點(井口或井底)的壓力作為起點，任選一個合適的壓力降作為計算的壓力間隔。一般選1.0mpa，具體要根據(jù)流體流量(油井的氣、液產(chǎn)量)、管長(井深)及流體性質(zhì)來定。估計一個對應(yīng)的深度增量，以便根據(jù)溫度梯度估算該段下端的溫度 。計算出該管段的平均溫度及平均壓力 ，并確定在該 和下的全部流體性質(zhì)參數(shù)(溶解氣油比、 原油體積系數(shù)和粘度、 氣體密度 和粘度，混合物粘度及表面張力等)。計算該段的壓力梯度。計算對應(yīng)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

11、，重復(fù)的計算，使計算的與估計的之差在允許范圍內(nèi)為止。計算該段下端對應(yīng)的深度及壓力 i=1,2,3,n以處的壓力為起點，重復(fù)步，計算下一段的深度和壓力，直到各段的累加深度等于或大于管長()時為止。2)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(一般可選50100米，可將管等分為n段)。估計一個對應(yīng)于計算間隔的壓力增量。計算該段的和 ，以及、下的流體性質(zhì)參數(shù)。計算該段壓力梯度計算對應(yīng)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(nèi)，則以計算值作為新的估計值，重復(fù)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(yīng)的深度和壓力 以處的壓力為起點壓力重

12、復(fù)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。為了簡化計算，通常對各段選取同樣的增量間隔。而在有些情況下，各段的增量間隔可以不同，這樣既能節(jié)約計算時間，而又能較好地反映出壓力分布。1.5.3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 氣液混合物流動型態(tài)(orkiszewski) 1.壓力降公

13、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(yuǎn)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(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 計算管段壓力降，pa； 計算管段的深度差，

14、m； 計算管段的平均壓力，pa。 表1 流型界限流動型態(tài)界 限泡 流段 塞 流過 渡 流霧 流不同流動型態(tài)下的和的計算方法不同，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。2.平均密度及摩擦損失梯度的計算由于不同流動型態(tài)下各種參數(shù)的計算方法不同，下面按流型分別介紹。(1)泡流平均密度 (29)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。 (30)可解出： (31)式中 滑脫速度，

15、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： (32)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) (33)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。 (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。圖2 摩擦阻力系數(shù)曲線滑脫速度可用griffith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(yīng)的數(shù)值。 (36) (37)式中的、

16、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 orkiszewski方法計算流程框圖16 抽油桿柱設(shè)計 抽油桿柱設(shè)計的一般方法見采油工程設(shè)計與原理

17、。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： （40） （41） （42） 式中：第i級桿每米桿在空氣中的質(zhì)量，kg/

18、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井口壓力，可取pt106pa; 0地面油密度，kg/m3; fw體積含水率，小數(shù)；應(yīng)力范圍比計算公式： （46） （47） 抽油桿柱的許用最大應(yīng)力的計算公式：式中：抽油桿許用最大應(yīng)力，pa； t抽油桿最小抗張強度，對c級桿，t=6.3*108pa,對d級桿t=8.1*108pa; 抽油桿最小應(yīng)力，pa； 使用系數(shù)，考慮到

19、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)力范圍比小于則認(rèn)為抽油桿滿足強度要求，此時桿組長度可根據(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。有應(yīng)力范圍比的計算公式即給定的應(yīng)力范圍比（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(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

20、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?。▋?nèi)徑62mm）。若泵徑大于或等于70mm，則油管全用（內(nèi)徑89mm），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，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(shè)計中桿柱設(shè)計簡化處理，采用單級桿設(shè)計（19mm）。17抽油機校核1）最大扭矩計算公式 （48）式中：最大扭矩，nm;懸點最大載荷，n;懸點最小載荷，n;s沖程，m。2）電動機功率計算， （49）式中：nt需要的電動機功率，w； n沖數(shù)，rpm； 如果計算的最大扭矩超過抽油機所配減速箱允許的最大扭矩或計算電動機功率超過電動機額定功率則需改變抽油參數(shù)（fp，s，n及l(fā)）重行進行設(shè)計計算。18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)

22、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 （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(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） 理論排量計算 （52）式中：qt泵的理論產(chǎn)量，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(dāng)油管未錨定時； （53）當(dāng)油管錨定時： （54）式中：ul/a 曲柄角速度，rad/s；n/30； a聲波在抽油桿柱中的傳播速度，5100m/s； 考慮沉沒度影響后的液柱載荷為上下沖程中靜

23、載荷之差，n; （55）pz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 （56）式中：k泵內(nèi)余隙比； r泵內(nèi)氣液比； （57） 地面生產(chǎn)氣油比，m3(標(biāo))/m3;泵內(nèi)溶解氣油比， m3(標(biāo))/m3;沉沒壓力pa;體積含水率,小數(shù)； 標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對壓

24、力；p0=105pa;標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對溫度，t0=293k泵吸入口處的的絕對溫度，k，273t；z氣體壓縮因子 4）泵內(nèi)液體的體積系數(shù)bl （58） 式中：、泵內(nèi)油和水的體積系數(shù) 5）漏失量的計算 檢泵初期的漏失量為 （59） 式中：qleak檢泵初期的漏失量，m3/d; d泵徑，m； 液體動力粘度；pas；l柱塞長度，m；p柱塞兩端的液柱壓差，ppzpn，pa； g重力加速度，m/s2e徑向間隙，m；vp柱塞平均速度，, m/s;s沖程，m；n沖次，rpm；19舉升效率計算 光桿功率：p光= sn/60 （60）水力功率：p水力q實際（pzpn）/86.4 （61） 井下效率：井下p光/ p

25、水力 （62） 地面效率：地p光/ p電機 （63） 系統(tǒng)效率：總p地/ p井下 （64） （65）2給定設(shè)計基礎(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號班級/180 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：10mpa含水率：0.4套壓：0.5mpa油壓：1mpa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：50t/d泵徑：44mm(如果產(chǎn)量低，而泵徑改為56mm

26、，38mm)沖程：3m沖次；6rpm沉沒壓力：3mpa電機額定功率：37kw寫出計算步驟及結(jié)果（不允許計算機打印報告，一律手寫）。包括油層和流體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；機、桿、泵型號及以參數(shù)；計算出的壓力、產(chǎn)量、載荷、應(yīng)力、扭矩、功率及舉升效率等指標(biāo)。要求統(tǒng)一用a4紙左裝訂，有封面，寫上課程名稱、姓名、班級、學(xué)號、完成日期。采油工程課程設(shè)計計算步驟及要求 本次采油工程設(shè)計最后得分由兩部分組成：設(shè)計計算步驟和設(shè)計計算結(jié)果。設(shè)計計算步驟占60%,設(shè)計計算結(jié)果占40%。1設(shè)計計算步驟：（1）根據(jù)測試點數(shù)據(jù)計算并畫出ipr曲線；（10分）1） 采油指數(shù)計算；2） 計算某一產(chǎn)量對應(yīng)的井底流壓，畫出ipr曲線；3） 利用ipr曲線，由給定的配產(chǎn)量計算對應(yīng)的井底