采油工程课程设计指导书.docx

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采油工程课程设计指导书

采油工程课程设计指导书

本次采油工程课程设计的主要内容是进行有杆抽油生产系统设计，通过设计计算，让学生了解有杆抽油生产系统的组成、设计原理及设计思路。

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。

抽油井井底流压为向上为多相管流,至泵下压力降至泵的沉没压力（或吸入口压力）,抽油泵为增压设备,故泵出口压力增至,称为泵的排出口压力.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。

（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、泵深及相应的板径、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：

含水绿，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，从而计算出采液指树及IPR曲线。

1）根据测试液面计算测试点流压

从井口到井底可分为三段。

从井口到动液面为气柱段，若忽略气柱压力，则动液面顶端压力仍为套压。

从动液面到吸入口为纯油柱段，可以将这一段分为许多小段，采用迭代压力方法可求出每小段油的密度，最后求出吸口处的压力。

从吸入至油层中部分多相管流段。

通过分小段计算多相管流压力分布，可求得测试点流压。

2）根据测试点流压和产量计算IPR曲线

3）给定配产量时有杆油油井设计步骤（简化设计方法）

a．利用IPR曲线，由给定产量计算流压。

b．按由流压向上进行多相管流计算，得不同深度处的压力分布。

一般分若干小段进行压力分布计算。

为了计算简便，此处可按深度增量迭代方法分两段计算。

若井底流压高于饱和压力，则以饱和压力点为分界线分为两段，从到为一段，从到零为一段。

若井底流压低于饱和压力，则以为分界线分为两段，从到为一段，从到零为一段。

c．根据泵沉没压力内插确定泵深；

d．初选杆、管直径，按由井口向下进行杆、管环空压力分布计算，得不同深度处的压力分布，为了简化计算，给定压力分布；

e．对某一抽汲参数组合：

泵径、冲程、冲次、泵沉没压力，计算液柱载荷，设计抽油杆柱；

f．计算扭矩和需要电机功率等校核抽油机：

g．计算泵效：

从而计算出产量

h．判断。

若不成立，则换另一组抽汲参数，转第e步；若成立转第i步。

i．计算举升效率。

j．通过计算多组抽汲参数的产量，最后得到产量比配产高但最接近且经济、技术指标较好的抽汲参数组合。

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；、和饱和压力及油藏压力。

1如果则

（1）

2如果

采液指数

（2）

式中，

—对应流压时总产液量；

—含水率，小树：

—油IPR曲线的最大产油量。

（2）某一产量下的流压

（3）

（4）

①若则

（5）

2若则按流压加权平均进行推导得；

（6）

③若，则综合IPR曲线的斜率可近似常数。

（7）

1．3流体物性参数计算方法

（1）原油密度计算

（8）

式中，—在压力P及温度t下的原油密度，；

—地面条件下的原油相对密度；

—地面条件下的气体相对密度；

—在压力P及温度下的溶解油汽比，；

—在压力P及温度T下的原油体积系数，。

（2）原油的API度

（9）

式中，—原油的API度。

（3）原油体积系数的计算

（10）

式中，

（4）溶解油气比的计算

1）当时，使用standing的相关式

（11）

式中，

t—温度，℃；

P—泡点压力（在多相管流中取计算段的平均压力P），Pa。

2）当时，使用Lastater的相关式

（12）

式中，—地面脱气原油的有效分子量；

—天然气的摩尔分数。

其中，和可以通过差图来获得。

为便于计算，我们可以采用以下公式计算和。

的计算

当时（13）

当时（14）

的计算；

首先计算泡点压力系数；（15）

当时（16）

当时（17）

（5）油水混合液体的密度

（18）

式中，——体积含水，小数。

（6）液体黏度

1）原油黏度

“死油”（脱气油）黏度

（19）

式中，

“活油”（饱和油）黏度；

（20）

式中，

—原油死油与活油黏度，。

2）水的黏度

（21）

式中，—水的黏度，

3）液体的黏度

（7）油、天然气的表面张力

（22）

式中，—油、气的表面张力，；

（8）水、天然气的表面张力

（23）

其中，

式中，—温度为t℃时水、气的表面张力，；

（9）油水混合物和天然气的表面张力

（10）天然气的压缩因子Z

（11）天然气的密度

;

（12）天然气的粘度

天然气粘度取

1．4井筒温度场计算

根据经验公式计算沿井筒的温度分布：

（24）

式中，——油井产液量，t/d；

——重量含水率，小数；

——恒温层温度，℃；

——油层温度，℃；

H——油层中部深度，m；

L——井筒中任意点深度，m。

1．5井筒多相流计算

1.5.1井筒多相流压力梯度方程

井筒多相管流的压力梯度包括：

因举高液体而克服重力所需的压力势能、流体因加速而增加的动能和流体沿管路的摩阻损失，其数学表达式如下：

（25）

式中为多相混合物的密度；为多相混合物的流速；为多相混合物流动时的摩擦阻力系数；d为管径；p为压力；h为深度；g为重力加速度；为井斜角的余角。

1.5.2多相垂直管流压力分布计算步骤

根据多相管流的压力梯度就可计算出沿程压力分布。

由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数（密度、粘度等）及混合物密度和流速都随压力和温度而变，沿程压力梯度并不是常数。

因此，多相管流需要分段计算，并要预先求得相应段的流体性质参数。

然而，这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求得的未知数。

所以，多相管流通常采用迭代法进行计算。

有两种不同的迭代途径：

按深度增量迭代和按压力增量迭代。

1）按深度增量迭代的步骤

①已知任一点（井口或井底）的压力作为起点，任选一个合适的压力降作为计算的压力间隔。

一般选～1.0MPa，具体要根据流体流量（油井的气、液产量）、管长（井深）及流体性质来定。

②估计一个对应的深度增量，以便根据温度梯度估算该段下端的温度。

③计算出该管段的平均温度及平均压力，并确定在该和下的全部流体性质参数（溶解气油比、原油体积系数和粘度、气体密度和粘度，混合物粘度及表面张力…等）。

④计算该段的压力梯度。

⑤计算对应于的该段管长（深度差）。

⑥将第步计算得的与第②步估计的进行比较，两者之差超过允许范围，则以新的作为估算值，重复②～⑤的计算，使计算的与估计的之差在允许范围内为止。

⑦计算该段下端对应的深度及压力

i=1,2,3,…n

⑧以处的压力为起点，重复②～⑦步，计算下一段的深度和压力，直到各段的累加深度等于或大于管长（）时为止。

2）按压力增量迭代的步骤

①已知任一点（井底或井口）的压力，选取合适的深度间隔（一般可选50～100米，可将管等分为n段）。

②估计一个对应于计算间隔的压力增量。

③计算该段的和，以及、下的流体性质参数。

④计算该段压力梯度

⑤计算对应于的压力增量

⑥比较压力增量的估计量与计算值，若二者之差不在允许范围内，则以计算值作为新的估计值，重复第②～⑤步，使两者之差在允许范围之内为止。

⑦计算该段下端对应的深度和压力

⑧以处的压力为起点压力重复第②～⑦步，计算下一段的深度和压力，直到各段累加深度等于或大于管长时为止。

为了简化计算，通常对各段选取同样的增量间隔。

而在有些情况下，各段的增量间隔可以不同，这样既能节约计算时间，而又能较好地反映出压力分布。

1.5.3计算气-液两相垂直管流的Orkiszewski方法

本设计井筒多相流计算采用Orkiszewski方法。

Orkiszewski法提出的四种流动型态是泡流、段塞流、过渡流及环雾流。

如图1所示。

在处理过渡性流型时，采用内插法。

在计算段塞流压力梯度时要考虑气相与液体的分布关系。

针对每种流动型态提出了存容比及摩擦损失的计算方法。

图1气液混合物流动型态（Orkiszewski）

1.压力降公式及流动型态划分界限

由前面垂直管流能量方程可知，其压力降是摩擦能量损失、势能变化和动能变化之和。

由式（2-36）可直接写出多项垂直管流的压力降公式：

（26）

式中—压力，Pa；

—摩擦损失梯度，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。

动能项只是在雾流情况下才有明显的意义。

出现雾流时，气体体积流量远大于液体体积流量。

根据气体定律，动能变化可表示为：

（27）

式中—管子流通截面积，m2；

—流体总质量流量，kg/s；

—气体体积流量，m3/s。

将式（27）代入式（26），并取，，，经过整理后可得：

（28）

式中—计算管段压力降，Pa；

—计算管段的深度差，m；

—计算管段的平均压力，Pa。

表1流型界限

流动型态

界限

泡流

段塞流

过渡流

雾流

不同流动型态下的和的计算方法不同，为此，计算中首先要判断流动形态。

该方法的四种流动型态的划分界限如表1所示。

2.平均密度及摩擦损失梯度的计算

由于不同流动型态下各种参数的计算方法不同，下面按流型分别介绍。

（1）泡流

平均密度

（29）

式中—气相存容比（含气率），计算管段中气相体积与管段容积之比值；

—液相存容比（持液率），计算管段中液相体积与管段容积之比值；

—在下气、液和混合物的密度，kg/m3。

气相存容比由滑脱速度来计算。

滑脱速度定义为：

气相流速与液相流速之差。

（30）

可解出：

（31）

式中—滑脱速度，由实验确定，m/s；

、—气相和液相的表观流速，m/s。

泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：

（32）

式中—摩擦阻力系数；

—液相真实流速，m/s。

摩擦阻力系数可根据管壁相对粗造度和液相雷诺数查图2。

液相雷诺数

（33）

式中—在下的液体粘度，油、水混合物在未乳化的情况下可取其体积加权平均值，Pa.s。

（2）段塞流混合物平均密度

（34）

式中—液体分