毕业论文设计采油工程.docx

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毕业论文设计采油工程

【毕业论文设计】采油工程

采油工程课程设计

任务要求

中国石油大学（北京）远程教育学院

一、基础数据

井深：

2000+学号末两位×10m。

例如，若学号为21XXXXXXXXXX，则井深2000+1202120m

油层静压：

给定地层压力系数为0.9MPa/100m，即油层静压为井深/100×0.9MPa。

例如，若井深为2120m，则油层静压2120/100×0.919.08MPa

套管内径：

0.124m

油层温度：

90℃

恒温层温度：

16℃

地面脱气油粘度：

30mPa.s

油相对密度：

0.84

气相对密度：

0.76

水相对密度：

1.0

油饱和压力：

10MPa

含水率：

0.4

套压：

0.5MPa

油压：

1MPa

生产气油比：

50m3/m3

原产液量测试点：

30t/d

原井底流压测试点：

12MPa（根据测试液面计算得到）

抽油机型号：

CYJ10353HB

配产量：

50t/d

泵径：

44mm

冲程：

3m

冲次；6rpm

沉没压力：

3MPa

电机额定功率：

37KW

二、计算步骤及评分标准

1、基础数据计算与分析（5分）

根据学号计算井深和油层静压，根据给定基础数据分析该井采油工程的特点。

2、根据测试点数据计算并画出IPR曲线（10分）

采油指数计算；

计算某一产量对应的井底流压，画出IPR曲线；

利用IPR曲线，由给定的配产量计算对应的井底流压。

3、井筒多相管流计算（20分）

1）由井底向上计算至泵入口处

由井底向上计算至泵入口处，计算下泵深度Lp。

采用深度增量迭代方法，首先估算迭代深度。

在本设计中为了减小工作量，采用只迭代一次的方法。

计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流体物性参数，然后利用Orkiszewski方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出深度增量和下泵深度Lp。

2）油管内由井口向下计算至泵出口处

由井口向下计算至泵出口处，计算泵排出口压力PZ。

采用压力增量迭代方法，首先估算迭代压力。

同样为了减小工作量，也采用只迭代一次的方法。

计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流体物性参数，然后利用Orkiszewski方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出压力增量和泵排出口压力PZ。

4、悬点载荷及抽油杆柱设计计算（10分）

主要包括悬点最大、最小载荷计算、杆应力范围比计算，为了减小计算工作量，杆柱设计采用单级杆设计（19mm）。

5、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。

6、泵效计算（10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。

7、举升效率计算（10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。

8、设计计算总结果（10分）

要求列出设计结果表。

基础数据设计结果班级　配产量　学号　采油指数　井深　井底流压　静压　下泵深度　油层温度　泵排出口压力　含水率　悬点最大载荷　套压　悬点最小载荷　油压　液柱载荷　生产气油比　泵效　抽油机型号　最大扭矩　泵径　光杆功率　冲程　水力功率　冲次　系统效率　9、书写格式（15分）

1）要求课程设计报告电子版页面A4型号，报告为封面、目录、设计详细内容

2）封面上写明课程名称、姓名、班级、学号、完成日期

3）目录列出正文中的一级标题和二级标题

4）正文宋体、小四、1.5倍行距、无段前段后，内容要有主要计算公式，体现数据代入的计算过程，逻辑性强，具有一定分析和认识。

三、课程设计提交安排:

请按照要求完成课程设计，并在规定时间内在线提交。

具体时间请见中国石油大学（北京）远程教育学院首页公告栏“2012春季学期作业通知”及平台设置。

特别提醒：

井深和静压的计算与在正文中的引用出现矛盾时，该课程设计直接判定为“0分”。

三、课程设计相关理论方法

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。

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。

根据测试点流压和产量计算IPR曲线

给定配产量时有杆油油井设计步骤（简化设计方法）

利用IPR曲线，由给定产量计算流压。

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。

若井底流压底于饱和压力，则以为分界线分为两段，从到为一段，从到零为一段。

根据泵沉没压力内插确定泵深；

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；

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；

计算扭矩和需要电机功率等校核抽油机：

计算泵效：

从而计算出产量

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。

计算举升效率。

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。

采液指数计算

已知一个测试点；、和饱和压力及油藏压力。

如果则

（1）

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。

某一产量下的流压

（3）

（4）

①若则

（5）

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，；

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――油层中部温度，m；

L――井筒中任意点深度，m。

1．5井筒多相流计算

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。

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

i1,2,3,…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。

-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―液体分布系数；

―滑脱速度，m/s。

滑脱速度可用Griffith和Wallis提出的公式计算：

35

3过渡流

过渡流的混合物平均密度及摩擦梯度是先按段塞流和雾流分别进行计算，然后用内插方法来确定相应的数值。

36

37

式中的、及、为分别按段塞流和雾流计算的混合物密度及摩擦梯度。

4雾流

雾流混合物密度计算公式与泡流相同：

由于雾流的气液无相对运动速度，即滑脱速度接近于雾，基本上没有滑脱。

所以

38

摩擦梯度则按连续的气相进行计算，即

39

式中―气体表观流速，，m/s。

雾流摩擦系数可根据气体雷诺数和液膜相对粗糙度由图2查得。

按不同流动型态计算压力梯度的步骤与前面介绍的用摩擦损失系数法基本相同，只是在计算混合物密度及摩擦之前需要根据流动型态界限确定其流动型态。

图3为Orkiszewski方法的计算流程框图。

图3Orkiszewski方法计算流程框图

1．6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：

（40）

（41）

（42）

式中：

――第i级杆每米杆在空气中的质量，Kg/m

――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；

fP――活塞截面积，m2；

g――重力加速度，m/s2；

（43）

（44）

式中：

令fr00

Pj――第j级抽油杆底部断面处压力,Pa：

（45）

Pt――井口压力，可取Pt＝106Pa;

ρ0――地面油密度，kg/m3;

fw――体积含水率，小数；

应力范围比计算公式：

（46）

（47）

抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：

式中：

――抽油杆许用最大应力，Pa；

T――抽油杆最小抗张强度，对C级杆，T6.3*108Pa,对D级杆T8.1*108Pa;

――抽油杆最小应力，Pa；

――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1.0），使用时可考表2来选值。

表2抽油杆的使用系数

使用介质APID级杆APIC级杆无腐蚀性1.001.00矿化水0.900.65含硫化氢0.700.50若抽油杆的应力范围比小于[]则认为抽油杆满足强度要求，此时杆组长度可根据[]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（[]＝0.85）计算第一级杆长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[]重新设计杆的长度。

在设计抽油杆的过程中油管直径一般取（内径62mm）。

若泵径大于或等于70mm，则油管全用（内径89mm），原因是作业时大柱塞不能下如小直径油管中；若采用25mm抽油杆，则相应油管直径应用，原因是25mm抽油杆节箍为55mm，与62mm油管间隙太小。

当采用多级杆时油管长度比25mm杆长多10m。

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）。

1．7抽油机校核

1）最大扭矩计算公式

（48）

式中：

――最大扭矩，N?

?

m;

――悬点最大载荷，N;

――悬点最小载荷，N;

S――冲程，m。

2）电动机功率计算，

（49）

式中：

Nt――需要的电动机功率，W；

n――冲数，rpm；

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。

1．8泵效计算

（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，η表示，

（50）

（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

（51）

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；

――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；

β――泵的充满系数；

qleak――检泵初期的漏失量，m3/d;

理论排量计算

（52）

式中：

Qt――泵的理论产量，m3/d;

冲程损失系数的计算

根据静载荷和惯性载荷对光杆冲程的影响计算

当油管未锚定时；（53）

当油管锚定时：

（54）

式中：

u＝ωL/a

ω――曲柄角速度，rad/s；ω＝πN/30；

a――声波在抽油杆柱中的传播速度，5100m/s；

――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;

（55）

PZ――泵排出口压力，Pa；

Pin――泵内压力，Pa；当液体粘度较低时，可忽略泵吸入口压力，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；

ρl――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充满系数β的计算

（56）

式中：

K――泵内余隙比；

R――泵内气液比；

（57）

――地面生产气油比，m3标/m3;

――泵内溶解气油比，m3标/m3;

――沉没压力Pa;

――体积含水率,小数；

――标准状况下的绝对压力；P0105Pa;

――标准状况下的绝对温度，T0293K

――泵吸入口处的的绝对温度，K，＝273＋t；

Z――气体压缩因子

4）泵内液体的体积系数Bl

（58）

式中：

、泵内油和水的体积系数

5）漏失量的计算

检泵初期的漏失量为

（59）

式中：

qleak――检泵初期的漏失量，m3/d;

D――泵径，m；

μ――液体动力粘度；Pa?

?

s；

l――柱塞长度，m；

ΔP――柱塞两端的液柱压差，ΔP≈PZ―PN，Pa；

g――重力加速度，m/s2

e――径向间隙，m；

Vp――柱塞平均速度，,m/s;

S――冲程，m；

N――冲次，rpm；

1．9举升效率计算

光杆功率：

P光SN/60（60）

水力功率：

P水力＝Q实际（PZ―PN）/86.4（61）

井下效率：

η井下＝P光/P水力（62）

地面效率：

η地＝P光/P电机（63）

系统效率：

η总＝P地/P井下（64）

（65）

25

图2摩擦阻力系数曲线