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1、采油工程课程设计指导书榆林学院精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 15 页1 / 15 抽油井系统设计是将抽油井从油层到地面看作是一个完整的系统，通过相关理论知识的学习和运用，掌握抽油井系统选择设计方法。具体讲就是学习和掌握油井产能计算方法、抽油设备的选择方法及抽油杆柱设计方法。抽油井系统设计的目的是让学生通过自选一组基础数据，利用所学过的专业知识，在指导教师的指导下独立地完成并提交整个抽油井系统的设计方案，从而掌握抽油井系统中各个环节的选择设计方法，将理论知识运用到解决实际问题中去，从而通过该专题设计的训练，加强学生理论适
2、应运用能力、掌握相关学科知识的综合能力以及解决实际问题的工程应用能力。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 15 页设计内容与步骤 1 、根据原始生产动态数据和设计内容作IPR 曲线； 2 、 由设计数据和 IPR 曲线计算井底流压和动液面； 3 、作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线； 4 、初选下泵深度； 5 、由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径； 6 、确定冲程和冲次； 7 、抽油杆柱设计；8、校核；9、计算泵效；10、确定机杆泵及其工作参数。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
3、- - - -第 3 页，共 15 页1有杆泵抽油生产系统设计1.1有杆抽油生产系统设计原理有杆抽油系统包括油层，井筒流体、油管、抽油杆、泵、抽油机、电动机、地面出油管线直到油气分离器。有杆抽油系统设计就是选择合理的机，杆，泵，管以及相应的抽汲参数，目的是挖掘油井潜力，使生产压力差合理，抽油设备工作安全、高效及达到较好的经济效益。在生产过程中，井口回压hp 基本保持不变，可取为常数。它与出油管线的长度、分离器的入口压力有关，此处取Mpaph0 .1。抽油井井底流压为wfp向上为多相管流 , 至泵下压力降至泵的沉没压力(或吸入口压力)Np , 抽油泵为增压设备 , 故泵出口压力增至zp , 称为
4、泵的排出口压力 . 在向上 , 为抽油杆油管间的环空流动 . 至井口 , 压力降至井口回压hp 。(1) 设计内容对刚转为有杆泵抽油的井和少量需调整抽油机机型的有杆抽油井可初选抽油机机型，对大部分有杆抽油油井。抽油机不变，为己知。对于某一抽油机型号，设计内容有：泵径、冲程、冲次、泵深及相应的杆径、杆长，并求载荷、应力、扭矩、功率、产量等技术指标。(2) 需要数据井：井深，套管直径，油层静压，油层温度混合物：油、气、水比重，油饱和压力生产数据：含水率，套压，油压，生产气油比，原产量，原流压（或原动液面）。(3) 设计方法这里介绍给定配产时有杆抽油系统的设计方法。首先需要获得油层的IPR 曲线。若
5、没有井底流压的测试值，可根据测试液面和套压计算得井底流压，从而计算出采液指数及 IPR 曲线。1.2 油井流入动态计算油井流入动态是指油井产量与井底流动压力的关系，它反映了油藏向该井供油的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 15 页1 / 15 能力，从单井来讲， IPR 曲线表示了油层工作特性。因而，他既是确定油井合理工作方式的依据，也是分析油井动态的基础。本次设计油井流入动态计算采用Petrobras方法。Petrobras方法计算综合IPR 曲线的实质是按含水率取纯油IPR 曲线和水 IPR 曲线的加权平均值。当已知测
6、试点计算采液指数时，是按产量加权平均；当预测产量或流压加权平均。（1） 采液指数计算已知一个测试点；wftestp、txstq和饱和压力bp 及油藏压力p 。 如果bwftestpp则LtestLwftestrqppJ（1） 如果bwftestpp采液指数(1)()()1.8LtestLbwbwwftextrrqpfppAfppJ（2）式中，)(28 . 0)(2. 01bwftextppAppbwftestLtestq 对应流压wfxetsp时总产液量；wf 含水率，小数；maxoq 油 IPR 曲线的最大产油量；bq 原油饱和压力 pb下的产液量。（2） 某一产量Lq 下的流压wfp()b
7、brLqppJ（3）1.8bLomaxbpqqJ（4）若 0Lbqq 则精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 15 页2 / 15 LwfrLqppJ（5） 若bLomzxqqq则按流压加权平均进行推导得；max()0.125(1) 81 80()1LbLwfwwbrobLqqqpfpfpqqJ（6）若Lomzxqq，则综合 IPR 曲线的斜率可近似常数。()()(98)omaxLomaxwfwwrLLqqqpfpfJJ（7）13 计算动液面和井底流压（1）按流压加底流压权，由测试得到的则,JL由式得出井底流压。（2）流动压力
8、可近似表示为：pghpcswfgLH_lg0L=HP，MPammphHcsP为套压，为沉没度，为下泵深度，；由于产生重力分异_3lg0.921gcm， 给定的油相对密度、套压、井底流压14 沉没度计算假设沉没度为 hs=X, (200X400)，则由上式求得动液面高度和下泵深度沉没度：泵下入动液面以下的深度；沉没度泵挂深度动液面深度2.4 计算沉没压力，得出充满程度与沉没度的关系曲线。利用充满系数和沉没压力的关系式确定沉没度1)(25.0)1)(19.81k(pPFpRgo（8）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 15 页3
9、 / 15 其中：地面气油比天然气进泵系数余隙百分数吸入口压力，初选弹性变形的影响天然气溶解系数，充满系数，小数gotCPCPRAAAAAFMPapkMPamm,1 .0,12.0.)/(33222,mmAmmAmmAtCP油管外圆面积套管面积泵径面积1.2051.76875/0.0016380.0212410SToRgp天然溶解系数T：井口温度将计算出的数据入充满系数的公式中得到：吸入口压力 P=csOpgh（9）由假设沉没度计算得出充满系数下表，并作出沉没度与充满系数的关系曲线表 3 沉没度与充满系数的关系沉没度hs/m 充 满 系 数%/1.4初选下泵深度Hp，由初选下泵深度Hp及产液量
10、初选Y 型抽油机，进而确定出泵径及抽油杆组合，初选定为 40 碳钢（性质可参考采油工程p104）。1.5初步确定抽汲参数 。由产液量，初选的抽油机冲程S，C（加速度因子） =0.225确定最大冲次。加速度因子 C=17902nS，C 满足 C225.0rSPR精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 15 页4 / 15 最大冲次1.217maCn（10）取nQQnSSnSS，求的maxmaxmaxmax,16 抽油杆柱设计抽油杆柱设计的一般方法见采油工程设计与原理。之所以设计方法较复杂，原因之一是因为杆柱的最大、最小载荷与杆长不
11、是线性关系。例如在考虑抽油杆弹性时的悬点载荷、在考虑杆柱摩擦时的悬点载荷公式与杆长不是线性关系。原因之二是因为杆、管环空中的压力分布取决于杆径，而杆柱的设计有用到杆、管环空中的压力分布。由于综合课程设计时间较少，所以这里提供一种简化杆柱设计方法。暂将杆、管环空中的压力分布给定（按油水两相、不考虑摩擦时的压力分布），杆柱的最大、最小载荷公式采用与杆长成线性关系的下面公式。它是针对液体粘度较低、直井、游梁抽油机的杆柱载荷公式。悬点最大、最小载荷的计算公式：)17901)(21maxSNWWPLijrj（11）gLqWrjijrjijrj11（12）)(NZpLPPfW（13）式中：irq 第 i
12、级杆每 M 杆在空气中的质量， Kg/m riL 第 i 级杆杆长， m； i 抽油杆级数，从下向上计数； PZ泵排出口压力， Pa；PN泵的沉没压力， Pa；N冲次， rpm。S光杆冲程， m；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 15 页5 / 15 fP活塞截面积， m2；g重力加速度， m/s2；ijrjijrjWSNWP121min1790（14）)(11111jrrjijjijrjijrjffPWW（15）式中：令 fr0=0 Pj第 j 级抽油杆底部断面处压力 ,Pa：)()1(10jttwwwtjLLgffPP
13、（16） Pt井口压力，可取Pt106Pa。 0地面油密度， kg/m3。 fw体积含水率，小数；校核方法一：利用折算应力强度条件（采油工程P104）校核方法二：修正Goodman 应力图应力范围比 pL 计算公式：minminmaxallPL（17）frP maxmaxfrP minmin（18）抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：SFTallmin)5625.04(式中：all抽油杆许用最大应力，Pa； T抽油杆最小抗张强度，对C 级杆， T=6.3*108Pa,对 D 级杆 T=8.1*108Pa。min抽油杆最小应力， Pa；SF 使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数（小于或等于
14、1.0），使用时可用下表来选值。表 抽油杆的使用系数使用介质API D 级杆API C 级杆无腐蚀性1.00 1.00 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 15 页6 / 15 矿化水0.90 0.65 含硫化氢0.70 0.50 若抽油杆的应力范围比小于 pL 则认为抽油杆满足强度要求，此时杆组长度可根据 pL 直接推导出杆柱长度的显示公式。对于液体粘度低的油井可不考虑采用加重杆，抽油杆自下而上依次增粗，所以应先给定最小杆径（ 19mm）然后自下而上依次设计。有应力范围比的计算公式即给定的应力范围比（ pL0.85）计算第
15、一级杆长 L1，若 L1 大于等于泵深 L，则抽油杆为单级杆，杆长为 L，并计算相应的应力范围比，若L1 小于泵深 L,则由应力范围比的计算公式及给定的应力范围比计算第二级杆长L2，若 L2 大于等于（ L-L1 ）,则第二级杆长为 L2，并计算相应的应力范围比，若L2 小于（ L-L1）,则同理进行设计。在设计中若杆径为 25mm 仍不能满足强度要求，则需改变抽汲参数。在设计中若杆径小于或等于25mm 并满足强度要求，则杆柱设计结束。此为杆柱非等强度设计方法。若采用等强度设计方法，则需降低 pL重新设计杆的长度。为了减小计算工作量，在本次课程设计中杆柱设计简化处理，采用单级杆设计（19mm
16、）。17 抽油机校核1）最大扭矩计算公式min)(202. 01800maxmaxPPSSM（19）式中：maxM最大扭矩， Nm。maxP悬点最大载荷， N。minP悬点最小载荷， N。S冲程， m。2）电动机功率计算143881000maxnMNt（20）式中： Nt需要的电动机功率，W； n冲数， rpm；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 15 页7 / 15 如果计算的最大扭矩超过抽油机所配减速箱允许的最大扭矩或计算电动机功率超过电动机额定功率则需改变抽油参数（fp，s，N 及 L）重行进行设计计算。18 泵效计
17、算（1）泵效及其影响因素在抽油井生产过程中，实际产量Q 一般都比理论产量Qt要低，两者的比值叫泵效， 表示，tQQ（21）（2）产量计算根据影响泵效的三方面的因素，实际产量的计算公式为lleaklPtBqBSSQQ（22）式中： Q实际产量， m3/d。 Qt理论产量， m3/d。 Sp柱塞冲程， m； S光杆冲程， m；SSp抽油杆柱和油管柱弹性伸缩引起冲程损失系数； Bl泵内液体的体积系数；泵的充满系数； qleak检泵初期的漏失量， m3/d。1）理论排量计算SNfQpt1440（23）式中： Qt泵的理论产量， m3/d。2）冲程损失系数SSp的计算根据静载荷和惯性载荷对光杆冲程的影响
18、计算当油管未锚定时；)()21 (3322112trrrlPfLfLfLfLEWuSS（24）当油管锚定时：)()21(3322112rrrlPfLfLfLEWuSS（25）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 15 页8 / 15 式中： uL/a 曲柄角速度， rad/s ；N/30； a声波在抽油杆柱中的传播速度，5100m/s；lW考虑沉没度影响后的液柱载荷为上下冲程中静载荷之差，N。pflpinZlgfLfPPW)(（26）PZ泵排出口压力， Pa；Pin 泵 内压 力 ， Pa；当 液体 粘 度 较低 时， 可忽
19、 略泵 吸 入 口压力 ，故Pin PN；PN泵的沉没压力， Pa； fp、fr、ft活塞、抽油杆及油管金属截面积，m2； L抽油杆柱总长度， m；l液体密度， kg/m3。 E钢的弹性模数， 2.06 1011Pa； Lf动液面深度， m； L1、L2、L3每级抽油杆的长度， m； fr1、fr2、fr3每级抽油杆的截面积，m2 3）泵内液体的体积系数Bl wwwwwlffBfBfBB)1()1(00（27）式中：0B 、wB 泵内油和水的体积系数 4）漏失量的计算检泵初期的漏失量为)6(216003pleakDeVlPuDeq（28）式中： qleak检泵初期的漏失量， m3/d。 D泵径
20、， m； 液体动力粘度； Pas；l柱塞长度， m；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 15 页9 / 15 P柱塞两端的液柱压差，P PZPN，Pa； g重力加速度， m/s2e径向间隙， m；Vp柱塞平均速度，30SNVp, m/s。S冲程， m；N冲次， rpm；19 举升效率计算光杆功率： P光= rWSN/60 （29）水力功率： P水力Q实际（PZPN）/86.4 （30）井下效率： 井下P水力/ P光（31）地面效率： 地P光/ P电机（32）系统效率： 总地井下（33）)(NZpLPPfW（34）确定抽油机
21、，抽油泵，油管，抽油杆及工作参数要求：写出计算步骤及结果（不允许计算机打印报告，一律手写）。包括油层和流体的基础数据；机、杆、泵型号及以参数；计算出的压力、产量、载荷、应力、扭矩、功率及举升效率等指标。要求统一用A4 纸左装订，有封面，写上课程名称、姓名、班级、学号、完成日期。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 15 页10 / 15 采油工程课程设计计算步骤及要求本次采油工程设计最后得分由两部分组成：设计计算步骤和设计计算结果。设计计算步骤占 60%,设计计算结果占 40% 。1设计计算步骤：（1）根据测试点数据计算并画
22、出IPR 曲线； （20 分）1）采油指数计算；2）计算某一产量对应的井底流压，画出IPR 曲线；3）利用 IPR 曲线，由给定的配产量计算对应的井底流压。（2）沉没度及沉没压力计算（20分）设计内容包括原油物性参数、下泵深度、沉没压力、沉没度。（3）悬点载荷及抽油杆柱设计计算（20 分）主要包括悬点最大、最小载荷计算、杆应力范围比等计算，。（4）抽油机校核计算 （10 分）主要包括最大扭矩计算、需要电机功率计算。（5）泵效计算 （15 分）主要包括泵理论排量、冲程损失系数、泵充满系数、漏失量及实际泵产量和泵效计算。（6）举升效率计算 （15 分）主要包括液柱载荷、光杆功率、水力功率、地面效率、井下效率及系统总效率的计算。2设计计算总结果要求列出设计结果表。基础数据设计结果班级配产量班级内序号采油指数井深井底流压含水率下泵深度套压悬点最大载荷油压悬点最小载荷生产气油比液柱载荷抽油机型号泵效精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 15 页11 / 15 泵径最大扭矩冲程光杆功率冲次系统效率精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 15 页