抽油机系统设计.docx
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抽油机系统设计
一、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、抽油泵泵这三方面的参数均可由《采油技术手册》（修订本四）查得。
1.基础生产数据
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1。
表1 基础生产数据
油层深度：
1500.00m
套管内径：
124.00mm
油管内径：
88.90mm
井底温度：
80℃
地层压力：
10.00Mpa
饱和压力：
7.00Mpa
传热系数：
2.5W/M·℃
地温梯度：
3.3℃/100m
试井产液量：
25m
/d
试井流压：
5.00MPa
体积含水率：
30%
原油密度：
997.40kg/m
地层水密度：
1000.00kg/m
原油比热：
2100W/kg·℃
地层水比热：
4186.8W/kg·℃
设计沉没度：
200.00m
2.原油粘温关系数据
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所示。
表2 某区块原油粘温关系数据
温度，℃
40
45
50
55
60
65
70
75
粘度，mPa·s
2680
1820
1240
900
600
420
310
230
3.抽油机参数
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：
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CYJ10-3-48型抽油机为例，其有关参数见表3。
表3抽油机参数
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）
3000
2000
3330
6.0,9.0,12.0
另外，由抽油机型号CYJ10-3-48，根据型号意义可直接得出：
许用载荷[Pmax]=100kN；许用扭矩[Mmax]=48kN
4.抽油杆参数
抽油杆的材质为普通碳钢，其许用应力一般为90N/mm
，可提供的直径有：
16mm、19mm、22mm、25mm和29mm。
二、设计要求
根据以上的基础数据，在产液量为28.29m
/d时，对该井进行系统选择设计以下内容：
（1）确定出该井的井温分布；
（2）确定出原油粘温关系表达式；
（3）确定合理的下泵深度；
（4）选择合适的冲程和冲次；
（5）选择合适的抽油泵；
（6）确定出抽油杆直径及组合；
（7）计算出悬点的最大和最小载荷；
（8）计算并校核减速箱扭矩；
（9）计算电机功率并选电机；
（10）选择出合适的抽油机。
三、设计步骤
针对该井的已知条件，系统设计的步骤如下：
（1）根据油井条件，建立热传导能量方程，计算出井温沿井深的温度分布;
（2）通过对原油粘温关系数据进行回归分析,拟合出原油粘温关系表达式;
（3）根据试井参数，确定出该井的流入动态方程，并进一步确定出在设计排量条件下的井底流压;
（4）根据设计沉没度确定泵吸入口压力;
（5）根据井底流压和泵吸入口压力,确定下泵高度,并进一步确定下泵深度;
（6）初选抽油机，并根据油井条件，选择合适的冲程和冲次;
（7）根据冲程、冲次和设计排量，确定抽油泵的直径;
（8）自下而上，计算并确定抽油杆直径及组合;
（9）计算悬点最大和最小载荷，并对所选择的抽油机进行载荷校核;
（10）计算减速箱的最大扭矩，并进行扭矩校核;
（11）计算需要的电机功率，并进行电机功率校核;
（12）选择抽油机。
四、设计原理及计算
1.油井温度分布
原油越稠，原油粘度随井温变化就越敏感。
因此，井温分布对抽油井系统选择设计是十分重要的。
根据热传导，可建立井筒的能量方程为：
（1）
式中∶
——油管中L位置处原油的温度，℃；
K1——总传热系数，W/（m·℃）；
——内热源，W/m；
W——水当量，W/℃
——井底原油温度，℃；
m——地层温度梯度，℃/m。
对于常规采油来说，由于没有内热源，故可取
=0。
水当量W可如下计算：
W=MfCf+MgCg
式中∶Mf——井液质量流量，kg/s；
Cf——井液比热，W/（g·℃）；
Mg——气体质量流量，kg/s；
Cg——气体的比热，W/（g·℃）；
g——重力加速度，m/s
。
将已知数据代入方程
（1），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。
另外，还可以根据计算结果做出井温沿井深的分布曲线，如图1所示。
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：
（2）
式中∶
——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。
其中，a=9.7861,b=3.9483。
对于不同区块原油，a、b的取值不同。
3.井底流压
井底流压是确定下泵深度的重要参数，因此，进行抽油井系统设计时必须首先确定。
井底流压主要是利用油井产能并根据设计排量来确定。
油井流入动态具有多种类型，这里采用沃格尔方程：
（3）
式中∶q1——对应于井底流压pwf下的油井产量；
q1max——油井的极限产量；
pwf——井底流压；
pr——平地层压力。
将已知数据代入上式，在设计排量为q1=28.29m
/d的条件下，求得该井流压为：
pwf=4.50MPa。
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：
（4）
代入已知数据，得
=998.18m
/d。
再根据沉没度hs=200m，可求得泵吸入口压力ps=1.958MPa。
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。
这里采用单相估算法。
自油层中部到泵吸入口之间的压差为2.542Mpa,根据静液柱估算,该压差对应的高度Hp为208.63m。
因此，下泵深度则为：
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。
2.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。
4.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。
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。
7.确定泵径
根据设计排量，以及上一步确定的冲程、冲次，按照泵的实际排量公式来确定。
（5）
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；
——泵效，小数，取0.7。
抽油泵已是规格化的系列产品，计算得出抽油泵直径，应从规格参数表（见表4）中选出最为接近的值作为设计值。
表4抽油泵基本参数表（SY5059-91）
基本
泵型
泵的直径
m
联接油管外径
mm
（YB239-63）
柱塞冲程
长度范围
m
理论排量
m
/d
联接抽油杆
螺纹直径
mm
（Sy5029-83）
公称直径
基本直径
杆式泵
32
31.8
48.3,60.3
1.2～6
14～69
23.813
38
38.1
60.3,73.0
1.2～6
20～112
26.988
44
44.5
73.0
1.2～6
27～138
26.988
51
50.8
73.0
1.2～6
35～173
26.988
57
57.2
88.9
1.2～6
44～220
26.988
63
63.5
88.9
1.2～6
54～259
30.163
管
式
泵
整
体
泵
筒
32
31．8
60.3,73.0
0.6～6
7～69
23.813
38
38．1
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
57
57．2
73.0
0.6～6
22～220
26.988
70
69．9
88.9
0.6～6
33～328
30.163
83
83
101.6
1.2～6
93～467
30.163
95
95
114.3
1.2～6
122～613
34.945
组
合
泵
筒
32
32
60.3,73.0
0.6～6
7～69
23.813
38
38
60.3,73.0
0.6～6
10～128
26.988
44
44
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
将已知数据代入式（4），并由表4查得最为接近的泵径为56mm。
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：
（6）
（7）
式中∶Pmax、Pmin——悬点承受的最大和最小载荷；
——上冲程中抽油杆柱所受的重力与浮力之差产生的载荷；
——下冲程中液柱的重力与对抽油杆的浮力产生的载荷；
Iru、Ird——上、下冲程中抽油杆产生的最大惯性载荷；
Fu、Fd——上、下冲程中的最大摩擦载荷。
其中
式中∶L——抽油杆长度，m；
——抽油杆材料的密度，kg/m
；
——抽汲液的密度，kg/m
；
fr——抽油杆截面积,m
；
fp——抽油泵活塞截面积，m
。
fo——游动凡尔孔截面积，m
；
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；
——凡尔流量流数。
其中
（8）
式中∶Frl——抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，N；
——井内液体的动力粘度，Pas
m——油管内径与抽油杆直径之比，m=dt/dr；
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：
（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：
（9）
式中∶
——抽油杆的折算应力；
[
]——非对称循环疲劳极限应力，与抽油杆的材质有关。
其中
（10）
（11）
式中∶
——循环应力的应力幅值。
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：
（1）以抽油泵处为起点。
其高度为
（2）假定一个液柱载荷W10（初值）；
（3）给定最下一级抽油杆直径（最小直径）；
（4）设计算段长度H，则该计算段的起点高度和末点高度分别为：
如果H2>Hp，则令H2=Hp，该段的长度应为：
（5）该计算段的平均高度为
=（H1+H0）/2，计算该点的温度和混合物的粘度。
（6）分别计算该计算段的最大载荷
与最小载荷
（7）分别计算累积最大和最小载荷：
（8）计算抽油杆的折算应力c，进行该段抽油杆强度校核；
（9）如不满足强度要求，则换次一级抽油杆直径，返回到步骤（3）重新计算；
（10）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；
（11）当H0=Hp时则结束，否则返回到（3）继续计算，直到H0=Hp为止；
（12）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。
应用计算机程序对核例进行计算，所得到的抽油杆直径及组合如下：
项目
一级杆
二级杆
三级杆
四级杆
直径,mm
19.00
22.00
25.00
29.00
长度，m
395.00
483.50
246.60
66.37
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，它们分别为：
由于该抽油机的许用载荷为[Pmax]=100kN，因此满足载荷要求。
11.计算与校核扭矩
曲柄轴处的最大扭矩可采用如下任一公式计算：
式中∶Mmax——曲柄轴最大扭矩，kNm；
S——光杆冲程，m；
Pmax——悬点最大载荷，N；
Pmin——悬点最小载荷，N。
三个公式计算最大扭矩Mmax分别为：
42.93、41.43、40.09kNm。
由于该抽油机的许用扭矩为[Mmax]=48kNm，因此满足扭矩要求。
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：
式中∶Nmax——电机实际输出的最大功率，kW;
Mmax——曲柄轴最大扭矩，kNm；
n——冲次，1/min；
——传动效率，取0.9。
将Mmax=40.09kNm,n=61/min代入上式，可得需要的最大电机功率为Nmax=27.99kW。
五、设计结果
按照设计要求，最终设计结果如下：
1.井温分布
该井的井温度分布如图2所示。
2.原油粘温关系
原油粘温关系附合：
经确定，a=9.7858,b=3.9481。
原油粘温关系曲线如图3所示。
3.下泵深度
经确定，Lp=1291.37m。
4.冲程和冲次
经确定，S=3m,n=61/min。
5.选择抽油泵
选择泵径为56mm的抽油泵。
6.抽油杆直径及组合
确定的抽油杆直径及组合如下表
项 目
一级杆
二级杆
三级杆
四级杆
直径,mm
19.00
22.00
25.00
29.00
长度,m
395.00
483.50
346.60
66.37
7.悬点最大和最小载荷；
计算的悬点最大载荷和最小载荷分别为：
8.计算并校核减速箱扭矩
经计算：
Mmax=40.09kNm
9.计算电机功率并选择电机
电机最大功率为Nmax=40.09kW
10.选择出合适的抽油机
选择宝鸡CYJ10-3-48型抽油机较为合适。
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