抽油井系统设计报告woWord格式文档下载.docx
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1.2设计的主要内容1
二、基础数据2
2.1抽油系统设计基本数据2
2.2原油粘度温度关系数据2
2.3抽油杆基本参数2
2.4抽油机基本参数3
三、基础理论4
3.1油井产能4
3.2井温分布计算6
3.3原油粘温关系8
3.4泵吸入口压力8
3.5下泵深度8
3.6确定冲程和冲次9
3.7确定泵径9
3.8悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法10
3.9确定抽油杆直径及组合12
3.10计算与校核载荷13
3.11计算与校核扭矩13
3.12计算需要的电机功率14
四、设计框图和计算机程序14
4.1设计框图14
4.2计算机程序15
五、设计结果及结果分析17
5.1井温分布17
5.2原油粘温关系17
5.3下泵深度18
5.4冲程和冲次18
5.5选择抽油泵18
5.6抽油杆直径及组合19
5.7悬点最大和最小载荷；
19
5.8计算并校核减速箱扭矩19
5.9计算电机功率并选择电机20
5.10选择出合适的抽油机20
5.11程序运行界面20
结束语21
参考文献22
一、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）→程序代码；
（4）为明年毕业设计作准备：
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）确定出油井的合理下泵深度；
（4）确定合适的冲程、冲次；
（5）选择合适的抽油泵；
（6）确定抽油杆直径及组合；
（7）计算出悬点的最大、最小载荷；
（8）选出合适的抽油机。
二、基础数据
2.1抽油系统设计基本数据
井 号
cy0040
油层深度（m）
1695
油管内径（mm）
88.9
套管直径（mm）
190
地温梯度（℃/100m）
3.18
井底温度（℃）
85.8
地层压力（MPa）
12
饱和压力（MPa）
9.66
传热系数（W/m℃）
2.91
试井产液（m3/d）
26.1
试井流压（MPa）
5.28
体积含水率（%）
29.5
原油密度（kg/m3）
924.71
地层水密度（kg/m3）
1000
原油比热（J/kg℃）
2107.15
地层水比热（J/kg℃）
4193.89
设计沉没度（m）
209.98
设计排量（m3/d）
26.1
2.2原油粘度温度关系数据
原油温度（℃）
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
粘度（mPa.s）
4367
2546
1572
1016
682
473
337
245
183
138
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
120
150
180
2.4抽油机基本参数
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
13
2100
1780
380/0.90,500/1.20,620/1.50,740/1.80
6,9,12
10
5-2.7-26HB
大安
26
3210
2137
380/1.10,500/1.50,620/1.90,740/2.30,860/2.70
6-2.5-26HB
江汉
2500
2400
3200
20
8-3-48B
三机
48
3000
8-3-53HB
53
3450
2580
3160
35
宝鸡
2000
3330
570/1.80,745/2.40,895/3
37
47
3380
兰通
2200
59
11-2.1-26B
110
2820
3026
6,8,12
61
Q12-3.6-53B
7925
6553
4295
8,12
69
Y12-4.8-73HB
二机
73
4800
2840
4200
6,8,10
78
74
5600
4000
4640
3,4,6
83
Y14-4.8-73HB
140
3048
3770
87
烟采
7150
3100
5780
970/4,1060/5
4,5,6
94
16-30
160
300
1200
800
600/2,700/2.50,800/3
三、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，应将油层到地面看做统一的整体来进行。
3.1油井产能
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：
（3-1）
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（），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：
（3-2）
（2）对于两相渗流（），流入动态曲线则呈非线性关系，可由沃格尔方程来描述，即：
（3-3）
（3）对于单相与两相组合型（），则流入动态方程为一分段函数，可由如下一组方程表达：
（3-4）
（3-5）
（3-6）
（3-7）
其中是通过试油来确定的：
①若pwf>
pb,则（3-8）
②若pwf<
pb,则
（3-9）
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q0/q0max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。
根据已知数据：
地层压力=12（Mpa）>
饱和压力pb=9.66（Mpa）>
试井流压pwftest=5.28（Mpa）
试井产液=26.1（m3/d）
将已知数据代人采油指数公式得：
=
=4.4712（m3/（d·
Mpa））
=4.4721×
（12-9.66）=10.4626（m3/d）
==25.2877（m3/d）
设计排量qo>
qb
由：
可得：
pwf=5.280（Mpa）
由上式还可以算出各产量下所对应的井底流压（数据见运行结果），从而绘制IPR曲线如图3-1所示
3.2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，井温总是比地温要高。
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：
（3-10）
井筒能量方程为：
（3-11）
式中θ——油管中距井底L位置处原油温度，℃；
K1——总传热系数，W/（m·
℃）；
to’——井底原油温度，℃；
m——地层温度梯度，℃/m；
q1——内热源，W/m。
在同一口井中，地温梯度m和井底温度都是不变的，传热系数K1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K1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。
水当量可如下计算：
W=MoCo+MwCw；
（3-12）
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，W/（kg·
Cw：
地层水的比热，W/（kg·
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。
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：
3.3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：
（3-13）
式中μ—原油的动力粘度，mPa·
s；
t—原油的温度，℃；
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。
其中a=9.8513;
b=3.832。
图片如下：
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：
（3-14）
得=901.75
泵吸入口压力：
（3-15）
得=945.4713
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：
⑴将油、气、水看成是三相，应用相应的相关式来计算；
⑵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；
⑶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。
这里采用单相估算法。
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：
⑴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。
⑶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。
⑸所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。
⑹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。
（3-16）
式中Q—泵的实际排量，m3/d；
—泵径，m；
S—光杆冲程，m；
n—冲次，1/min；
η—泵效，小数，取0.7。
计算得出，再从抽油泵的规格参数表中选出最为接近计算值的泵径。
基本泵径
泵的直径
柱塞长度系列
（m）
加长短节长度
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
基本直径
杆
式
泵
32
31.8
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1
0.3
48.3，60.3
1.2~6
14~69
23.813
38.1
60.3，73.0
20~112
26.968
44
44.5
73.0
27~138
51
50.8
35~173
57
57.2
88.9
44~220
63
63.5
54~259
30.163
管
0．6
0.6~6
7~69
38
10~112
26.988
14~138
45.2
22~220
70
69.9
33~328
83
101.6
93~467
95
114.3
122~613
34.925
10~128
13~128
56
21~220
3.8悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法
⑴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高的油井内，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：
（3-17）
（3-18）
式中、—悬点承受的最大和最小载荷，kN；
—上冲程中抽油杆柱所受的重力与浮力之差产生的载荷，kN；
—下冲程中液柱的重力与对抽油杆的浮力产生的载荷，kN；
、—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。
其中：
（3-19）
（3-20）
（3-21）
（3-22）
（3-23）
（3-24）
式中L—抽油杆长度，m；
ρS—抽油杆材料的密度，kg/m3；
ρl—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；
μ—凡尔流量流数。
其中
（3-25）
式中μ—井内液体的动力粘度，Pa·
m—油管内径与抽油杆直径之比，；
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：
（3-26）
⑵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：
σc≤[σ-1]（3-27）
式中σc—抽油杆的折算应力；
[σ-1]—非对称循环疲劳极限应力，与抽油杆的材质有关。
（3-28）
（3-29）
式中σa—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。
抽油杆的直径及组合是抽油井系统选择设计的核心内容，确定的具体步骤如下：
⑴以抽油泵处为起点。
其高度为
，
⑵假定一个液柱载荷W10（初值）；
⑶给定最下一级抽油杆直径（最小直径）；
⑷设计算段长度，则该计算段的起点高度为，末点高度为：
+，（3-30）
如果H1>
H时，则令H1=H，该段的长度应为：
（3-31）
⑸该计算段的平均高度为，计算该点的温度和混合物的粘度。
⑹分别计算该计算段的最大载荷ΔPmax与最小载荷ΔPmin。
⑺分别计算累积最大和最小载荷：
，（3-32）
⑻计算抽油杆的折算应力σc，进行该段抽油杆强度校核；
⑼如不满足强度要求，则换次一级抽油杆直径，返回到步骤⑶重新计算；
⑽如满足强度要求，则以H1作为下一计算段的起点H0，进行下一段计算；
⑾当H0=H时则结束，否则返回到步骤⑶继续计算，直到H0=H为止；
⑿校核液柱载荷。
如果计算值与假设值的误差达到精度要求，则计算结束；
如果未达到精度要求，则以计算值作为新的假设值，重新计算。
3.10计算与校核载荷
在进行抽油杆直径及组合确定计算结束时，便可得到悬点的最大载荷和最小载荷。
3.11计算与校核扭矩
曲柄轴处的最大扭矩可采用如下公式计算：
（3-33）
式中Mmax—曲柄轴最大扭矩，kN·
m；
Pmax—悬点最大载荷，N；
Pmin—悬点最小载荷，N。
3.12计算需要的电机功率
电机实际输出的最大功率可如下计算：
（3-36）
式中Nmax—电机实际输出的最大功率，kW;
Mmax—曲柄轴最大扭矩，N·
n—冲次，min-1；
η—传动效率，取0.9。
四、设计框图和计算机程序
新投产或转抽的油井，需要合理的选择抽油设备。
油井投产后，还必须检验设计效果。
当设备的工作状况和油层工作状况发生变化时，还需要对原有的设计进行调整。
进行有杆泵采油井的系统选择设计应遵循的原则是：
符合油井及油层的工作条件、充分发挥油层的生产能力、设备利用率较高、有较长的免修期，以及有较高的系统效率和经济效益。
这些设备相互之间不是孤立的，而是作为整个有杆泵抽油系统相互联系和制约的。
因此，应将有杆泵系统从油层到地面，作为统一的系统来进行选择设计，其步骤如下：
（1）根据油井产能跟设计排量确定井底流压；
（2）根据油井条件确定沉没度、沉没压力；
（3）应用多相垂直管流理论或相关式确定下泵高度和下泵深度；
（4）根据油井条件和设备性能确定冲程和冲次；
（5）根据设计排量、冲程和冲次，以及油井条件选择抽油泵；
（6）选择抽油杆，确定抽油杆柱的组合；
（7）选择抽油机、减速箱、电动机及其他辅助设备。
4.1设计框图
⑴抽油机井系统设计框图
抽油机井系统设计的框图如图4-1。
⑵抽油杆柱设计框图
抽油杆柱设计框图如图4-2。
4.2计算机程序
计算机程序见附录2
图4-1抽油机系统设计框图
图4-2抽油杆柱设计框图
五、设计结果及结果分析
5.1井温分布
该井的井温度分布如图5-1所示。
由图可知：
对于1735m井深，井底温度为87.4℃时，井口温度为43.04℃。
而按地温计算，井口温度则为34.65℃。
井口处的井温大于地温8.39℃，因此地温代替井温，将会给系统设计带来很大的误差。
如图所示，也可见两条曲线相距一定距离，故地温与井温有一定差距。
5.2原油粘温关系
原油粘温关系附合：
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