抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)DOC

抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)一、 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)二、 設(shè)計(jì)要求三、 設(shè)計(jì)步9聚四、 設(shè)計(jì)原理及計(jì)算五、 設(shè)計(jì)結(jié)果一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)抽油井系統(tǒng)桿柱設(shè)計(jì)所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)、抽油機(jī)型參數(shù)、抽油桿參數(shù)、抽油泵參數(shù)。其中,抽油機(jī)型、抽油泵這三方面的參數(shù)、抽油桿參數(shù)、抽油泵參數(shù)。其中,抽油機(jī)型、抽油桿、抽油泵泵這三方面的參數(shù)均可由《采油技術(shù)手冊(cè)》（修訂本四）查得?；A(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)是進(jìn)行抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件,它包括油井井身結(jié)構(gòu)、油層物性、流體（油、氣、水）物性、油井條件，傳熱性質(zhì)以及與油井產(chǎn)能有關(guān)的試井參數(shù)等，詳見表1。表1基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)油層深度：1500.00m試井產(chǎn)液量：25m?/d套管內(nèi)徑：124.00mm試井流壓：5.00MPa油管內(nèi)徑：88.90mm體積含水率：30%井底溫度：80°C原油密度：997.40kg/m3地層壓力：10.00Mpa地層水密度：1000.00kg/m3

飽和壓力：7.00Mpa原油比熱：2100W/kg?C傳熱系數(shù)：2.5W/M?°C地層水比熱：4186.8W/kg?C地溫梯度：3.3C/100m設(shè)計(jì)沉沒度：200.00m原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)原油粘度是影響摩擦載荷的主要因素，因此原油粘度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是影響設(shè)計(jì)結(jié)果合理性的重要參數(shù)。原油粘度隨溫度變化非常敏感，通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)測原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到原油粘度隨溫度變化的關(guān)系式。這樣，不僅可以提高抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度，而且還易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的程序化?，F(xiàn)場可以提供的原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)，如表2所示。表2某區(qū)塊原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)溫度，C4045505560657075粘度，mPa?s268018201240900600420310230抽油機(jī)參數(shù)抽油機(jī)參數(shù)是指常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的型號(hào)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、可以提供的沖程沖次大小。目前已有93種不同型號(hào)的常規(guī)型抽油機(jī)，其型號(hào)意義如下：

不同型號(hào)抽油機(jī)的參數(shù)可見《采油技術(shù)手冊(cè)》(修訂本四)。這里，以寶雞產(chǎn)CYJ10-3-48型抽油機(jī)為例，其有關(guān)參數(shù)見表3。表3抽油機(jī)參數(shù)游梁前臂游梁后臂連桿長度曲柄半徑/沖程沖次(mm)(mm)(mm)(mm/m)(1/min)300020003330570 745型L.S?2.4?3.06.0,9.0,12.0另外，由抽油機(jī)型號(hào)CYJ10-3-48，根據(jù)型號(hào)意義可直接得出：許用載荷[P]=100kN；許用扭矩[M]=48kNmaxmax抽油桿參數(shù)抽油桿的材質(zhì)為普通碳鋼，其許用應(yīng)力一般為90N/mmE，可提供的直徑有:16mm、19mm、22mm、25mm和29mm。二、設(shè)計(jì)要求根據(jù)以上的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在產(chǎn)液量為28.29m?/d時(shí)，對(duì)該井進(jìn)行系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)以下內(nèi)容:確定出該井的井溫分布；確定出原油粘溫關(guān)系表達(dá)式；確定合理的下泵深度；選擇合適的沖程和沖次；選擇合適的抽油泵；確定出抽油桿直徑及組合；計(jì)算出懸點(diǎn)的最大和最小載荷；計(jì)算并校核減速箱扭矩；計(jì)算電機(jī)功率并選電機(jī)；選擇出合適的抽油機(jī)。三、設(shè)計(jì)步驟針對(duì)該井的已知條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟如下：根據(jù)油井條件，建立熱傳導(dǎo)能量方程，計(jì)算出井溫沿井深的溫度分布;通過對(duì)原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,擬合出原油粘溫關(guān)系表達(dá)式;根據(jù)試井參數(shù)，確定出該井的流入動(dòng)態(tài)方程，并進(jìn)一步確定出在設(shè)計(jì)排量條件下的井底流壓;根據(jù)設(shè)計(jì)沉沒度確定泵吸入口壓力;根據(jù)井底流壓和泵吸入口壓力,確定下泵高度,并進(jìn)一步確定下泵深度;初選抽油機(jī)，并根據(jù)油井條件，選擇合適的沖程和沖次;根據(jù)沖程、沖次和設(shè)計(jì)排量，確定抽油泵的直徑;自下而上，計(jì)算并確定抽油桿直徑及組合;計(jì)算懸點(diǎn)最大和最小載荷，并對(duì)所選擇的抽油機(jī)進(jìn)行載荷校核;計(jì)算減速箱的最大扭矩，并進(jìn)行扭矩校核;計(jì)算需要的電機(jī)功率，并進(jìn)行電機(jī)功率校核;選擇抽油機(jī)。四、設(shè)計(jì)原理及計(jì)算油井溫度分布

(1)原油越稠，原油粘度隨井溫變化就越敏感。因此，井溫分布對(duì)(1)抽油井系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)是十分重要的。根據(jù)熱傳導(dǎo)，可建立井筒的能量方程為：式中：占一一油管中L位置處原油的溫度，。C；根據(jù)熱傳導(dǎo)，可建立井筒的能量方程為：K――總傳熱系數(shù)，W/(m?C)；1乳——內(nèi)熱源，W/m；W——水當(dāng)量，W/C井底原油溫度，C；m——地層溫度梯度，C/m。對(duì)于常規(guī)采油來說，由于沒有內(nèi)熱源，故可取如=0。水當(dāng)量W可如下計(jì)算：W=MC+MCffgg式中：Mf——井液質(zhì)量流量，kg/s；C——井液比熱，W/(g?C)；fM――氣體質(zhì)量流量，kg/s；gC――氣體的比熱，W/(g?C)；gg 重力加速度，m/s』。將已知數(shù)據(jù)代入方程(1)，可計(jì)算出任意深度所對(duì)應(yīng)的油井溫度，由此溫度便可以計(jì)算出處于該深度處原油的粘度，從而可以進(jìn)一步計(jì)算摩擦載荷、選擇抽油設(shè)備。另外，還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出井溫沿井深的分布曲線，如圖1所示。2.原油粘溫關(guān)系將現(xiàn)場實(shí)測原油粘溫?cái)?shù)據(jù)通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)原油粘度隨溫度的變化服從指數(shù)規(guī)律，可用下式表達(dá)：10ar ⑵式中：——原油的動(dòng)力粘度，mPa?s；t——原油的溫度，°C；a——系數(shù)常數(shù)；b——溫度指數(shù)。其中，a=9.7861,b=3.9483。對(duì)于不同區(qū)塊原油，a、b的取值不同。井底流壓井底流壓是確定下泵深度的重要參數(shù)，因此，進(jìn)行抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先確定。井底流壓主要是利用油井產(chǎn)能并根據(jù)設(shè)計(jì)排量來確定。油井流入動(dòng)態(tài)具有多種類型，這里采用沃格爾方程：如=1-0.2如=1-0.2-0.81(3)式中：q——對(duì)應(yīng)于井底流壓p下的油井產(chǎn)量；1wfq——油井的極限產(chǎn)量；1maxp——井底流壓；wfp——平地層壓力。r將已知數(shù)據(jù)代入上式，在設(shè)計(jì)排量為q=28.29m^/d的條件下，求得該井流壓為:p=4.50MPa。1wf泵吸入口壓力泵吸入口壓力是確定下泵深度的重要參數(shù)，主要根據(jù)設(shè)計(jì)沉沒度來估算。沉沒段油、水混合液的平均密度為:代入已知數(shù)據(jù)，得戸=998.18m?/d。再根據(jù)沉沒度h=200m,可求得泵吸入口壓力p=1.958MPa。ss下泵深度下泵深度是抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)，它決定了抽油桿的總長度，并且影響著懸點(diǎn)載荷沖程損失以及泵效。下泵深度主要是根據(jù)井底流壓與泵吸入口壓力的差值，應(yīng)用相應(yīng)的方法來確定。確定方法主要有三類:將油、氣、水看成是三相，應(yīng)用相應(yīng)的相關(guān)式來計(jì)算；將油、水處理成液相，這樣便應(yīng)用氣、液兩相垂直管流理論來計(jì)算；是對(duì)于象稠油井氣體較少,從而可不考慮氣體,只考慮單相液體進(jìn)行估算。這里采用單相估算法。自油層中部到泵吸入口之間的壓差為2.542Mpa,根據(jù)靜液柱估算，該壓差對(duì)應(yīng)的高度H為p208.63m。因此，下泵深度則為：L^=H-Hp=1500-208.63=1291.37(m)確定沖程和沖次沖程和沖次是確定抽油泵直徑、計(jì)算懸點(diǎn)載荷的前提，選擇原則為：一般情況下應(yīng)采用大沖程較小泵徑的工作方式。這樣，即可以減小氣體對(duì)泵效的影響，也可以降低液柱載荷，從而減小沖程損失。如原油比較稠，一般選用大泵徑、大沖程和低沖次的工作方式。對(duì)于連抽帶噴的井，則選用高沖次快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用。4-深井抽汲時(shí)，要充分注意振動(dòng)載荷影響的S和n配合不利區(qū)。所選擇的沖程和沖次應(yīng)屬于抽油機(jī)提供的選擇范圍之內(nèi)。對(duì)于該井，由于油比較稠，因此將沖程確定為最大值S=3m，沖次確定為最小值n=61/min。所選擇的的沖程和沖次，應(yīng)與下面的泵徑相互配合，滿足設(shè)計(jì)排量的要求。確定泵徑根據(jù)設(shè)計(jì)排量，以及上一步確定的沖程、沖次，按照泵的實(shí)際排量公式來確定。Q=1440乞酮甲4 ' ⑸式中：Q——泵的實(shí)際排量，m?/d；D——泵徑，m；pS――光桿沖程，m；n 沖次，1/min；卩一一泵效，小數(shù)，取0.7。抽油泵已是規(guī)格化的系列產(chǎn)品，計(jì)算得出抽油泵直徑，應(yīng)從規(guī)格參數(shù)表(見表4)中選出最為接近的值作為設(shè)計(jì)值。

表4抽油泵基本參數(shù)表(SY5059-91)基本泵型泵的直徑m聯(lián)接油管外徑mm(YB239-63)柱塞沖程理論排量m?/d聯(lián)接抽油桿螺紋直徑mm(Sy5029-83)公稱直徑基本直徑長度范圍m桿式泵3231.848.3,60.31.2?614?6923.8133838.160.3,73.01.2?620?11226.9884444.573.01.2?627?13826.9885150.873.01.2?635?17326.9885757.288.91.2?644?22026.9886363.588.91.2?654?25930.163管式泵整體泵筒3231.860.3,73.00.6?67?6923.8133838.160.3,73.00.6?610?11226.9884444.560.3,73.00.6?614?13826.9884445.25757.273.00.6?622?22026.9887069.988.90.6?633?32830.1638383101.61.2?693?46730.1639595114.31.2?6122?61334.945組合泵筒323260.3,73.00.6?67?6923.813383860.3,73.00.6?610?12826.988444473.00.6?613?12826.988565673.00.6?621?22026.988707088.90.6?633?32830.163將已知數(shù)據(jù)代入式(4)，并由表4查得最為接近的泵徑為56mm。懸點(diǎn)載荷計(jì)算及抽油桿強(qiáng)度校核方法懸點(diǎn)載荷計(jì)算

在下泵深度及沉沒度不是很大，井口回壓及沖次不是很高的油井內(nèi)，在計(jì)算最大和最小載荷時(shí)，通常可以忽略振動(dòng)、沉沒壓力、井口回壓、液柱慣性產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷，此時(shí)，懸點(diǎn)最大和最小載荷可表示為：(6)(6)(7)式中：p、P――懸點(diǎn)承受的最大和最小載荷；maxmin暉一一上沖程中抽油桿柱所受的重力與浮力之差產(chǎn)生的載荷;吧一一下沖程中液柱的重力與對(duì)抽油桿的浮力產(chǎn)生的載荷；I、I――上、下沖程中抽油桿產(chǎn)生的最大慣性載荷;rurdF、F――上、下沖程中的最大摩擦載荷。ud其中確7%-心）或E吧r畤m-1790i-r空i-r皿1790+皿+17門1.3+耳1+丄芻雖（宓）2+1717祀9於處式中：L——抽油桿長度，m；抽油桿材料的密度，kg/m?抽油桿材料的密度，kg/m?；直——抽汲液的密度，kg/m?；f――抽油桿截面積，m2；rf――抽油泵活塞截面積，。Pf 游動(dòng)凡爾孔截面積，m》；or――抽油機(jī)曲柄回旋半徑，m；l——抽油機(jī)連桿長度，m；F——抽油桿與液柱之間的摩擦力，N；rl凡爾流量流數(shù)。凡爾流量流數(shù)。其中式中：F——抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，N；rl■理——井內(nèi)液體的動(dòng)力粘度，Pasm——油管內(nèi)徑與抽油桿直徑之比，m=d/d；trd——油管內(nèi)徑，m；td——抽油桿直徑，m；rV——抽油桿柱最大下行速度，m/s；maxV可按懸點(diǎn)最大運(yùn)動(dòng)速度來計(jì)算，當(dāng)采用簡諧運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，其值為：max260抽油桿強(qiáng)度校核抽油桿柱在工作時(shí)承受著交變負(fù)荷，因此，抽油桿受到非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用。其強(qiáng)度條件為：式中：％——抽油桿的折算應(yīng)力;[憶1]――非對(duì)稱循環(huán)疲勞極限應(yīng)力，與抽油桿的材質(zhì)有關(guān)。其中(10)(11)(10)(11)式中：％——循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅值。確定抽油桿直徑及組合當(dāng)下泵深度確定后，抽油桿的總長度便確定下來。下面將進(jìn)一步確定抽油桿的直徑及組合。抽油桿的直徑及組合是抽油井系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，確定的具體步驟如下:(1)以抽油泵處為起點(diǎn)。其高度為空。=0,贏=0假定一個(gè)液柱載荷W(初值)；10給定最下一級(jí)抽油桿直徑(最小直徑)；設(shè)計(jì)算段長度H,則該計(jì)算段的起點(diǎn)高度和末點(diǎn)高度分別為:如果H>H，則令H=H，該段的長度應(yīng)為:2p2p(5)分別計(jì)算該計(jì)算段的最大載荷與最小載荷％(7)分別計(jì)算累積最大和最小載荷：(5)分別計(jì)算該計(jì)算段的最大載荷與最小載荷％(7)分別計(jì)算累積最大和最小載荷：該計(jì)算段的平均高度為更=(H+H)/2，計(jì)算該點(diǎn)的溫度和混合物的粘度。10(6)naF強(qiáng)％+宅;計(jì)算抽油桿的折算應(yīng)力，進(jìn)行該段抽油桿強(qiáng)度校核；c如不滿足強(qiáng)度要求，則換次一級(jí)抽油桿直徑，返回到步驟(3)重新計(jì)算如滿足強(qiáng)度要求，則以H作為下一計(jì)算段的起點(diǎn)H,進(jìn)行下一段計(jì)算；10當(dāng)H=H時(shí)則結(jié)束，否則返回到(3)繼續(xù)計(jì)算，直到H=H為止；0p0p校核液柱載荷。如果計(jì)算值與假設(shè)值的誤差達(dá)到精度要求，則計(jì)算結(jié)束；如果未達(dá)到精度要求，則以計(jì)算值作為新的假設(shè)值，重新計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序?qū)死M(jìn)行計(jì)算，所得到的抽油桿直徑及組合如下項(xiàng)目一級(jí)桿二級(jí)桿三級(jí)桿四級(jí)桿直徑,mm19.0022.0025.0029.00長度，m395.00483.50246.6066.37計(jì)算與校核載荷在進(jìn)行抽油桿直徑及組合確定計(jì)算結(jié)束時(shí)，便可得到懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷，它們分別為:=78.21kN? =20.97kN

由于該抽油機(jī)的許用載荷為[P]=100kN,因此滿足載荷要求。max11.計(jì)算與校核扭矩曲柄軸處的最大扭矩可采用如下任一公式計(jì)算：心=300^+0.236^（^一張）11.計(jì)算與校核扭矩曲柄軸處的最大扭矩可采用如下任一公式計(jì)算：=1800^+0.202^（^-也）式中：M——曲柄軸最大扭矩，kNm；maxS――光桿沖程，m；P——懸點(diǎn)最大載荷，N；maxP――懸點(diǎn)最小載荷，N。min三個(gè)公式計(jì)算最大扭矩M分別為：42.93、41.43、40.09kNm。max由于該抽油機(jī)的許用扭矩為[M]=48kNm,因此滿足扭矩要求。max12.計(jì)算需要的電機(jī)功率電