抽油杆课程设计报告.docx
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抽油杆课程设计报告
东北石油大学
课程设计
课程石油工程课程设计
题目抽油井系统设计
院系石油工程学院
专业班级石油工程
学生姓名喵喵大人
学生学号***********
指导教师李铭曲国辉
2014年07月18日
东北石油大学课程设计任务书
课程石油工程课程设计
题目抽油井系统设计
专业石油工程姓名喵喵大人学号**************
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1.设计主要内容：
根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，完成抽油井系统从油层到地面的所有相
关参数的计算，最终选出抽油泵、抽油杆、抽油机。
①计算出油井温度分布；②通过回归分析确定原油粘温关系表达式；
③确定井底流压；④确定出油井的合理下泵深度；
⑤确定合适的冲程、冲次；⑥选择合适的抽油泵；
⑦确定抽油杆直径及组合；⑧计算出悬点的最大、最小载荷；
⑨选出合适的抽油机；⑩编制实现上述内容的计算机程序程序。
2.设计基本要求：
要求学生选择一组基础数据，在教师的指导下独立地完成设计任务，最终以设计报告的形式完成本专题设计，设计报告的具体内容如下：
①概述；②基础数据；③基本理论；④设计框图和计算机程序；⑤设计结
果及结果分析；⑥结束语；⑦参考文献。
设计报告采用统一格式打印，要求图表清晰、语言流畅、书写规范，论据充分、说服力强，达到工程设计的基本要求。
3.主要参考资料：
陈涛平等，石油工程（第二版），石油工业出版社，2011
蒋加伏，张林峰主编Visualbasic程序设计教程，北京邮电大学出版社，2009
完成期限2014.06.30~2014.07.18
指导教师旗木卡卡西
专业负责人张继红
2014年07月18日
第1章概述1
1.1设计的目的意义1
1.2设计的主要内容1
第2章基础数据3
2.1抽油系统设计基本数据3
2.2原油粘度温度关系数据3
2.3抽油杆基本参数4
2.4抽油机基本参数4
第3章基础理论7
3.1井温分布计算7
3.2原油粘温关系8
3.3井底流压9
3.4泵吸入口压力10
3.5下泵深度10
3.6确定冲程和冲次11
3.7确定泵径11
3.8悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法13
3.9确定抽油杆直径及组合15
3.10计算与校核载荷16
3.11计算与校核扭矩16
3.12计算需要的电机功率16
第4章设计框图和计算机程序16
4.1设计框图17
4.2计算机程序18
第5章设计结果及结果分析20
5.1井温分布20
5.2原油粘温关系20
5.3井底流压21
5.4泵吸入口压力22
5.5下泵深度23
5.6冲程和冲次23
5.7选择抽油泵23
5.8抽油杆直径及组合23
5.9悬点最大和最小载荷；24
5.10计算并校核减速箱扭矩24
5.11计算电机功率并选择电机24
5.12选择出合适的抽油机25
5.13程序运行界面25
结束语错..误!
未定义书签。
参考文献错..误!
未定义书签。
附录1:
28
附录2错...误!
未定义书签。
第1章概述
1.1设计的目的意义
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，加强学生理论知识的运用能力，掌握相关学科知识的综合能力，计算机技术应用技能，以及解决实际问题的工程应用能力
（1）巩固已学的专业知识、程序设计知识；
（2）掌握一种工程设计方法,即抽油井系统设计方法；
（3）提高计算机应用能力：
基本理论（数学模型）一程序代码；
（4）为今年毕业设计做准备：
专业课、毕业设计之间的桥梁。
1.2设计的主要内容
根据已有的基础数据，利用所学的专业知识，通过编程，完成抽油井系统从油层到地面的所有相关参数的计算，最终选出三抽设备——抽油泵、抽油杆、抽油机。
设计主要内容如下：
（1）计算出油井温度分布；
（2）通过回归分析确定原油粘温关系表达式；
（3）确定井底流压；
（4）确定出油井的合理下泵深度；
（5）确定合适的冲程、冲次；
（6）选择合适的抽油泵；
（7）确定抽油杆直径及组合；
（8）计算出悬点的最大、最小载荷；
（9）选出合适的抽油机；
（10）编制实现上述内容的计算机程序程序
第2章基础数据
抽油井系统杆柱设计所必须的基础数据主要有基础生产数据、原油粘温关系数据、抽油机型参数、抽油杆参数、抽油泵参数。
其中，抽油机型、抽油泵这三方面的参数、抽油杆参数、抽油泵参数。
其中，抽油机型、抽油杆、抽油泵这三方面的参数均可由《采油技术手册》（修订本四）查得。
2.1抽油系统设计基本数据
基础生产数据是进行抽油井系统设计的基本条件，它包括油井井身结构、油层物性、流体（油、气、水）物性、油井条件，传热性质以及与油井产能有关的试井参数等，详见表2-1。
表2-1抽油系统设计基本数据
井号
cy0070
油层深度（m）
1845
油管内径（mm）
88.9
套管直径（mm）
190
地温梯度（C/100m）
3.18
井底温度（C）
91.8
地层压力（MPa）
11.90
饱和压力（MPa）
9.63
传热系数（W/mC）
2.73
试井产液（m3/d）
23.1
试井流压（MPa）
5.88
体积含水率（％）
44.5
原油密度（kg/m3）
901.45
地层水密度（kg/m3）
1000
原油比热（J/kgC）
2254.2
地层水比热
（J/kgC）
4432.83
设计沉没度（m）
213.95
设计排量（m3/d）
24.6
2.2原油粘度温度关系数据
原油粘度是影响摩擦载荷的主要因素，因此原油粘度数据的准确度是影响设计结果合理性的重要参数。
原油粘度随温度变化非常敏感，通过对现场实测原油粘温关系数据进行回归分析，可以得到原油粘度随温度变化的关系式。
这样，不仅可以提高抽油井系统设计结果的准确度，而且还易于实现设计的程序化。
现场可以提供的原油粘温关系数据，如表2-2所示。
表2-2原油粘温关系数据
原油温度（C）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
粘度（mPa.s）
32925
17888
10364
63260
40310
26630
18140
12690
9080C
66300
2.3抽油杆基本参数
表2-3抽油杆基本参数
许用应力（N/mm2）
杆直径（mm）
一级
二级
三级
四级
五级
90
16
19
22
25
29
100
16
19
22
25
29
120
16
19
22
25
29
150
16
19
22
25
29
180
16
19
22
25
29
2.4抽油机基本参数
抽油机参数是指常规型游梁式抽油机的型号、结构参数、可以提供的冲程冲
次大小。
目前已有93种不同型号的常规型抽油机，其型号意义如下：
抽刪粪别代谒;芒磊聲
不同型号抽油机的参数可见《采油技术手册》（修订本四）。
这里，以宝鸡产CYJ10-3-48HB型抽油机为例，其有关参数见表2-4。
表2-4抽油机参数
游梁前臂
游梁后臂
连杆长度
曲柄半径/冲程
冲次
（mm）
（mm）
（mm）
（mm/m）
（1/min）
3000
2000
3330
570/1.80,745/2.4
0,895/3
6.0,9.0,12.0
另外，由抽油机型号CYJ10-3-48HB，根据型号意义可直接得出:
许用载荷[Pmax]=100kN；许用扭矩[Mmax]=48kN
表2-5抽油机型号及参数
序
号
抽油机型号
生产
厂家
最大
载荷
（KN）
最大
扭矩
游梁
前臂
（mm）
游梁
后臂
（mm）
连杆
长度
（mm）
曲柄半径/冲程（mm/m）
冲次
（1/min）
5
5-1.8-13HF
玉门
50
13
2100
1780
2100
380/0.90,500/1.20,
620/1.50,740/1.80
6,9,12
10
5-2.7-26HB
大安
50
26
3210
2100
2137
380/1.10,500/1.50,620/1.90,
740/2.30,860/2.70
6,9,12
16
6-2.5-26HB
江汉
60
26
2500
2400
3200
670/1.80,990/2.20,1150/2.50
6,9,12
20
8-3-48B
三机
80
48
3000
2500
3200
858/2.10,1013/2.50,1200/3
6,9,12
26
8-3-53HB
大安
80
53
3450
2580
3160
670/1.80,810/2.20,950/2.60,1090/3
6,9,12
35
10-3-48HB
宝鸡
100
48
3000
2000
3330
570/1.80,745/2.40,895/3
6,9,12
37
10-3-53HB
三机
100
53
3000
2500
3200
858/2.10,1013/2.50,1200/3
6,9,12
47
Y10-3-53HB
大安
100
53
3450
2580
3380
640/1.80,765/2.20,890/2.60,1015/3
6,9,12
53
Y10-3-53HB
兰通
100
53
3000
2200
3200
755/2.10,885/2.50,1045/3
6,9,12
59
11-2.1-26B
宝鸡
110
26
2820
2820
3026
780/1.58,922/1.88,1064/2.18
6,8,12
61
Q12-3.6-53B
宝鸡
120
53
7925
6553
4295
1074/2.85,1227/3.25,1380/3.66
8,12
69
Y12-4.8-73HB
二机
120
73
4800
2840
4200
800/2.80,1060/3.80,1209/4.80
6,8,10
78
Y12-5-74HB
大安
120
74
5600
4000
4640
1000/3,1200/3.60,
1400/4.30,1600/5
3,4,6
83
Y14-4.8-73HB
江汉
140
73
4800
3048
3770
990/3.60,1100/4.20,1200/4.80
6,8,10
87
Q14-5-73HQ
烟采
140
73
7150
3100
5780
970/4,1060/5
4,5,6
94
16-30
大安
160
300
1200
800
2100
600/2,700/2.50,800/3
6,9,12
第3章基础理论
抽油井系统设计，就是根据油井条件，选择合适的抽油设备（抽油泵、抽油杆、抽油机及减速箱和电动机），油井产量和下泵深度是选择抽油设备的基本依据，而油井产能和下泵深度决定于油井产能。
因此要对抽油井进行合理的设计，应将油层到地面看作统一的整体来进行。
3.1井温分布计算
由地面到油层温度是按地温梯度逐渐增加的。
所谓地温梯度，即深度每增加100米地层温度的升高值。
而在井筒中，由于地层流体不断地向上流动，地层流体便作为热载体将热量不断地携带上来，通过套管、水泥环向地层传导。
因此，井温总是比地温要咼。
原油粘度对温度的变化非常敏感，表现为升温降粘特性。
原油越稠，原油随井温变化越显著。
稀油井，原油粘度很小，摩擦载荷很小，用地温代替井温对设计结果影响不大；而稠油井，由于摩擦载荷很大，不能用地温代替井温，因此井温分布计算对抽油井系统设计非常重要。
地温的计算公式为：
t地t'omL（3-1）
井筒能量方程为：
Wmq1K1L'
=―qi[1exp（十）]（t。
mL）（3-2）
K1
式中：
9――油管中距井底L位置处原油温度，C；
K1――总传热系数，W/（m「C）;
t。
一一井底原油温度，C；
m――地层温度梯度，C/m；
qi内热源，W/m。
在同一口井中，地温梯度m和井底温度to都是不变的，传热系数Ki则受地层物性和地层热阻、油管环形空间介质及其物性和油井的产量等多种因素的影响，而产量对Ki的影响较小。
故在一定的地层条件及井筒状况下，也可近似地认为Ki
为一常数。
这样，整个井筒的温度分布就只受与油井产量有关的水当量W和距井
底的距离L的影响。
水当量W可如下计算：
WMocoMwcw（3-3）
式中：
Mo地层油的质量流量，kg/s；
Mw地层水的质量流量，kg/s；
Co――地层油的比热，J/（kg-C）；
Cw――地层水的比热，J/（kgC）；
将已知数据代入方程，可计算出任意深度所对应的油井温度，由此温度便可以计算出处于该深度处原油的粘度，从而可以进一步计算摩擦载荷、选择抽油设备。
根据上式可以计算出任一深度处的井温和地温值，然后绘制出井温地温分布
曲线。
3.2原油粘温关系
将现场实测原油粘温数据通过回归分析，发现原油粘度随温度的变化服从指
数规律，可用下式表达：
（3-4）
ioa
式中：
――原油的动力粘度，MPa?
s；
t――原油的温度，C；
a――系数常数；
b――温度指数。
对于不同区块原油，a、b的取值不同
3.3井底流压
dq。
dPwf
所谓油井产能，是指油井的生产能力，常用采油指数来衡量。
采油指数是指油井产量随流压的变化率，用公式表示为：
（3-5）
采油指数大小，反映了油层物性、流体参数、泄油面积以及完井条件对油井产量的综合影响。
（1）对于单相渗流（Pwf>Pb）,由于各参数随压力变化很小，可忽略这种变化，流入动态曲线则呈现线性关系，即：
q。
JoPrPwf（3-6）
（2）对于两相渗流（P；Pb），流入动态曲线则呈非线性关系，可由沃格尔方程来描述，即：
2
q。
qomax[10.2鑒-0.8里]（3-7）
PrPr
（3）对于单相与两相组合型（pwfPbp?
），则流入动态方程为一分段函
数，可由如下一组方程表达：
qoJo
（Pr-Pwf）
（PWf
Pb）
（3-8）
qoqbqc[1-0.2
Pwf-0.8
Pb
2
Pwf]
Pb
（PwfPb）
（3-9）
qb
Jo（Pr-
Pb）
（3-10）
Pb.
qc“J
1.8
o
（3-11）
其中Jo是通过试油来确定的:
①若Pwf>Pb,则
qotest
J。
=一（3-12）
PrPwftest
②若PwfVPb,
Jo
qotest
（3-13）
2
prPb-Pb10.2PwL0.8-PwL
1.8PbPb
根据以上相应的产能计算公式，便可绘制出油井的流入动态曲线。
利用该曲线，便可确定出设计排量（开发方案或调整方案中给出）所对应的井底流压pwf值,以便进一步根据油井条件确定沉没度，最终确定下泵深度。
当设计排量未知时，可根据油井条件和现场实际，确定出设计排量大小。
确定时，应注意使qo/qomax的值具有一个合理水平。
其值越大，油井产量就越高，但井底压力过低将增加举升的难度；反之，液面过高而产量过小，将不能充分发挥出油井产量的作用。
3.4泵吸入口压力
泵吸入口压力是确定下泵深度的重要参数，主要根据设计沉没度来估算。
沉
没段油、水混合液的平均密度为：
—
o（1fw）wfw
（3-14）
泵吸入口压力：
Ps_hsg
（3-15）
3.5下泵深度
下泵深度是抽油井系统设计的重要数据，它决定了抽油杆的总长度，并且影响着悬点载荷、冲程损失以及泵效。
下泵深度主要是根据井底流压与泵吸入口压力的差值，应用相应的方法来确定，确定方法主要有三类：
（1）将油、气、水看成是三相，应用相应的相关式来计算；
（2）将油、水处理成液相，这样便应用气、液两相垂直管流理论来计算；
（3）是对于象稠油井气体较少，从而可不考虑气体，只考虑单相液体进行估算。
3.6确定冲程和冲次
冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提，选择原则为：
（1）一般情况下应采用大冲程较小泵径的工作方式。
这样，即可以减小气体对泵效的影响，也可以降低液柱载荷，从而减小冲程损失。
⑵如原油比较稠，一般选用大泵径、大冲程和低冲次的工作方式。
（3）对于连抽带喷的井，则选用高冲次快速抽汲，以增强诱喷作用。
⑷深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的S和n配合不利区。
（5）所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。
（6）所选择的的冲程和冲次，应与下面的泵径相互配合，满足设计排量的要求。
对于该井，由于油比较稠，因此将冲程确定为最大值S=3m，冲次确定为最小
值n=61/min。
所选择的的冲程和冲次，应与下面的泵径相互配合，满足设计排量的要求。
3.7确定泵径
根据设计排量，及上一步确定的冲程、冲次，按照泵的实际排量公式来确定。
Dp
Q1440-Sn
4
（3-16）
式中：
Q—
泵的实际排量，m/d;
Dp
泵径，m；
S——
-光杆冲程，m；
n
-冲次，1/min；
n
泵效，小数，取0.7。
计算得出Dp=44.02mm,再从抽油泵的规格参数表中选出最为接近计算值的
泵径
表3-7抽油泵基本参数表
基
本泵径
泵的直径
柱塞长度系列
（m）
加长短节长度
（m）
联接油
管外径
（mm）
柱塞冲程长度范围
（m）
理论
排量
（m3/d）
联接抽油杆螺纹直径
（mm）
公称
直径
（mm）
基本
直径
（mm）
32
31.8
0.6
0.3
48.3,60.3
1.2~6
14~69
23.813
杆
32
38.1
0.9
60.3,73.0
1.2~6
20~112
26.968
式
44
44.5
1.2
0.6
73.0
1.2~6
27~138
26.968
泵
51
50.8
1.5
73.0
1.2~6
35~173
26.968
57
57.2
1.8
0.9
88.9
1.2~6
44~220
26.968
63
63.5
2.1
88.9
1.2~6
54~259
30.163
32
31.8
60.3,73.0
0.6~6
7~69
23.813
38
38.1
0.6
0.3
60.3,73.0
0.6~6
10~112
26.988
44
44.5
60.3,73.0
0.6~6
14~138
26.988
44
45.2
管
57
57.2
0.9
73.0
0.6~6
22~220
26.988
70
69.9
0.6
88.9
0.6~6
33~328
30.163
式
63
83
101.6
0.6~6
93~467
30.163
95
95
1.2
114.3
0.6~6
122~613
34.925
泵
32
32
60.3,73.0
0.6~6
7~69
23.813
38
38
0.9
60.3,73.0
0.6~6
10~128
26.988
44
44
1.5
73.0
0.6~6
13~128
26.988
56
56
73.0
0.6~6
21~220
26.988
70
70
88.9
0.6~6
33~328
30.163
3.8悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法
（1）悬点载荷计算
在下泵深度及沉没度不是很大，井口回压及冲次不是很咼的油井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略振动、沉没压力、井口回压、液柱惯性产生的悬点载荷，此时，悬点最大和最小载荷可表示为：
Pmax乂；W,'儿F.
PminWr1dFd
式中：
Pmax、Pmin一一悬点承受的最大和最小载荷，kN；
Wr'——上冲程中抽油杆柱所受的重力与浮力之差产生的载荷，kN；
W,'――下冲程中液柱的重力与对抽油杆的浮力产生的载荷，kN；
（3-17）
（3-18）
Iu、Id
Fu、Fd
其中：
上、下冲程中抽油杆产生的最大惯性载荷，kN；
-上、下冲程中的最大摩擦载荷，kN。
式中:
L――抽油杆长度，m；
P抽油杆材料的密度，kg/m3;
P抽汲液的密度，kg/m3;
fr抽油杆截面积,m2;
fp――抽油泵活塞截面积，m2;
fo――游动凡尔孔截面积，m2;
r抽油机曲柄回旋半径，m；
l——抽油机连杆长度，m；
Frl——抽油杆与液柱之间的摩擦力，N；
式中:
m—油管内径与抽油杆直径之比，m¥；
dt油管内径，m；
dr——抽油杆直径，m；
Vmax抽油杆柱最大下行速度，m/S；
Vmax可按悬点最大运动速度来计算，当采用简谐运动模型时，其值为：
Vmax—Sn（3-26）
260
（2）抽油杆强度校核
抽油杆柱在工作时承受着交变负荷，因此，抽油杆受到非对称循环应力的作用。
其强度条件为：
c1（3-27）
式中：
B抽油杆的折算应力；
［刖——非对称循环疲劳极限应力，与抽油杆的材质有关。
其中:
amax
（3-28）
式中：
ca――循环应力的应力幅值。
3.9确定抽油杆直径及组合
当下泵深度确定后，抽油杆的总长度便确定下来。
下面将进一步确定抽油杆的直径及组合。
抽油杆的直
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