抽油桿設(shè)計(jì)方法

1、一、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)抽油井系統(tǒng)桿柱設(shè)計(jì)所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)、抽油機(jī)型參數(shù)、抽油桿參數(shù)、抽油泵參數(shù)。其中, 抽油機(jī)型、抽油泵這三方面的參數(shù)、抽油桿參數(shù)、抽油泵參數(shù)。其中,抽油機(jī)型、抽油桿、抽油泵泵這三方面的參數(shù)均可由采油技術(shù)手冊(cè)（修訂本四）查得。1.基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)是進(jìn)行抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件,它包括油井井身結(jié)構(gòu)、油層物性、流體（油、氣、水）物性、油井條件，傳熱性質(zhì)以及與油井產(chǎn)能有關(guān)的試井參數(shù)等，詳見(jiàn)表1。表1基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)油層深度： 1500.00 m套管內(nèi)徑： 124.00 mm油管內(nèi)徑： 88.90 mm井底溫度： 80地層壓力： 10.00 mpa飽和壓力

2、： 7.00 mpa傳熱系數(shù)： 2.5 w/m地溫梯度： 3.3 /100m試井產(chǎn)液量： 25 m/d試井流壓： 5.00 mpa體積含水率： 30 %原油密度： 997.40 kg/m地層水密度： 1000.00 kg/m原油比熱： 2100 w/kg地層水比熱： 4186.8 w/kg設(shè)計(jì)沉沒(méi)度： 200.00 m2.原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)原油粘度是影響摩擦載荷的主要因素，因此原油粘度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是影響設(shè)計(jì)結(jié)果合理性的重要參數(shù)。原油粘度隨溫度變化非常敏感，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到原油粘度隨溫度變化的關(guān)系式。這樣，不僅可以提高抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確度，而且還易于實(shí)現(xiàn)設(shè)

3、計(jì)的程序化?，F(xiàn)場(chǎng)可以提供的原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)，如表2所示。表2某區(qū)塊原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)溫度， 40 455055 60657075粘度，mpas2680182012409006004203102303.抽油機(jī)參數(shù)抽油機(jī)參數(shù)是指常規(guī)型游梁式抽油機(jī)的型號(hào)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、可以提供的沖程沖次大小。目前已有93種不同型號(hào)的常規(guī)型抽油機(jī)，其型號(hào)意義如下：不同型號(hào)抽油機(jī)的參數(shù)可見(jiàn)采油技術(shù)手冊(cè)（修訂本四）。這里，以寶雞產(chǎn)cyj10-3-48型抽油機(jī)為例，其有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。表 3 抽油機(jī)參數(shù)游梁前臂(mm)游梁后臂(mm)連桿長(zhǎng)度(mm)曲柄 半徑/沖程(mm/m)沖次(1/min)3000200033306.0, 9

4、.0, 12.0另外，由抽油機(jī)型號(hào)cyj10-3-48，根據(jù)型號(hào)意義可直接得出：許用載荷pmax=100 kn；許用扭矩mmax=48 kn4.抽油桿參數(shù)抽油桿的材質(zhì)為普通碳鋼，其許用應(yīng)力一般為90 n/mm，可提供的直徑有：16 mm、19 mm、22 mm 、25 mm和29 mm。二、設(shè)計(jì)要求根據(jù)以上的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在產(chǎn)液量為28.29 m/d時(shí)，對(duì)該井進(jìn)行系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)以下內(nèi)容：(1) 確定出該井的井溫分布；(2) 確定出原油粘溫關(guān)系表達(dá)式；(3) 確定合理的下泵深度；(4) 選擇合適的沖程和沖次；(5) 選擇合適的抽油泵；(6) 確定出抽油桿直徑及組合；(7) 計(jì)算出懸點(diǎn)的最大和最小載荷；

5、(8) 計(jì)算并校核減速箱扭矩；(9) 計(jì)算電機(jī)功率并選電機(jī)；(10) 選擇出合適的抽油機(jī)。三、設(shè)計(jì)步驟針對(duì)該井的已知條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟如下：(1) 根據(jù)油井條件，建立熱傳導(dǎo)能量方程，計(jì)算出井溫沿井深的溫度分布;(2) 通過(guò)對(duì)原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,擬合出原油粘溫關(guān)系表達(dá)式;(3) 根據(jù)試井參數(shù)，確定出該井的流入動(dòng)態(tài)方程，并進(jìn)一步確定出在設(shè)計(jì)排量條件下的井底流壓;(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)沉沒(méi)度確定泵吸入口壓力;(5) 根據(jù)井底流壓和泵吸入口壓力,確定下泵高度,并進(jìn)一步確定下泵深度;(6) 初選抽油機(jī)，并根據(jù)油井條件，選擇合適的沖程和沖次;(7) 根據(jù)沖程、沖次和設(shè)計(jì)排量，確定抽油泵的直徑;(8)

6、 自下而上，計(jì)算并確定抽油桿直徑及組合;(9) 計(jì)算懸點(diǎn)最大和最小載荷，并對(duì)所選擇的抽油機(jī)進(jìn)行載荷校核;(10) 計(jì)算減速箱的最大扭矩，并進(jìn)行扭矩校核;(11) 計(jì)算需要的電機(jī)功率，并進(jìn)行電機(jī)功率校核;(12) 選擇抽油機(jī)。四、設(shè)計(jì)原理及計(jì)算1.油井溫度分布原油越稠，原油粘度隨井溫變化就越敏感。因此，井溫分布對(duì)抽油井系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)是十分重要的。根據(jù)熱傳導(dǎo)，可建立井筒的能量方程為：(1)式中油管中l(wèi)位置處原油的溫度，；k1總傳熱系數(shù)，w/( m)；內(nèi)熱源，w/m；w水當(dāng)量，w/ 井底原油溫度，；m地層溫度梯度，/m。對(duì)于常規(guī)采油來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有內(nèi)熱源，故可取=0。水當(dāng)量w可如下計(jì)算：w=mfcf+m

7、gcg式中mf井液質(zhì)量流量，kg/s；cf井液比熱，w/(g)；mg氣體質(zhì)量流量，kg/s；cg氣體的比熱，w/(g)；g重力加速度，m/s。將已知數(shù)據(jù)代入方程(1），可計(jì)算出任意深度所對(duì)應(yīng)的油井溫度，由此溫度便可以計(jì)算出處于該深度處原油的粘度，從而可以進(jìn)一步計(jì)算摩擦載荷、選擇抽油設(shè)備。另外，還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出井溫沿井深的分布曲線，如圖1所示。2.原油粘溫關(guān)系將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)原油粘溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)回歸分析，發(fā)現(xiàn)原油粘度隨溫度的變化服從指數(shù)規(guī)律，可用下式表達(dá)：(2)式中 原油的動(dòng)力粘度，mpas；t 原油的溫度，；a 系數(shù)常數(shù)；b 溫度指數(shù)。其中，a=9.7861,b=3.9483。對(duì)于不同區(qū)塊原油，a

8、、b的取值不同。3.井底流壓井底流壓是確定下泵深度的重要參數(shù)，因此，進(jìn)行抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先確定。井底流壓主要是利用油井產(chǎn)能并根據(jù)設(shè)計(jì)排量來(lái)確定。油井流入動(dòng)態(tài)具有多種類型，這里采用沃格爾方程：(3)式中q1對(duì)應(yīng)于井底流壓pwf下的油井產(chǎn)量；q1max油井的極限產(chǎn)量；pwf井底流壓；pr 平地層壓力。將已知數(shù)據(jù)代入上式，在設(shè)計(jì)排量為q1=28.29 m/d的條件下，求得該井流壓為：pwf=4.50 mpa。4.泵吸入口壓力泵吸入口壓力是確定下泵深度的重要參數(shù)，主要根據(jù)設(shè)計(jì)沉沒(méi)度來(lái)估算。沉沒(méi)段油、水混合液的平均密度為：(4)代入已知數(shù)據(jù)，得=998.18m/d。再根據(jù)沉沒(méi)度hs=200 m，可

9、求得泵吸入口壓力 ps=1.958 mpa。5.下泵深度下泵深度是抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)，它決定了抽油桿的總長(zhǎng)度，并且影響著懸點(diǎn)載荷、沖程損失以及泵效。下泵深度主要是根據(jù)井底流壓與泵吸入口壓力的差值，應(yīng)用相應(yīng)的方法來(lái)確定。確定方法主要有三類：1. 將油、氣、水看成是三相，應(yīng)用相應(yīng)的相關(guān)式來(lái)計(jì)算； 2. 將油、水處理成液相，這樣便應(yīng)用氣、液兩相垂直管流理論來(lái)計(jì)算； 3. 是對(duì)于象稠油井氣體較少,從而可不考慮氣體,只考慮單相液體進(jìn)行估算。 這里采用單相估算法。自油層中部到泵吸入口之間的壓差為2.542 mpa,根據(jù)靜液柱估算,該壓差對(duì)應(yīng)的高度hp為208.63m。因此，下泵深度則為：6.確定沖程

10、和沖次沖程和沖次是確定抽油泵直徑、計(jì)算懸點(diǎn)載荷的前提，選擇原則為：1. 一般情況下應(yīng)采用大沖程較小泵徑的工作方式。這樣，即可以減小氣體對(duì)泵效的影響，也可以降低液柱載荷，從而減小沖程損失。 2. 如原油比較稠，一般選用大泵徑、大沖程和低沖次的工作方式。 3. 對(duì)于連抽帶噴的井，則選用高沖次快速抽汲，以增強(qiáng)誘噴作用。 4. 深井抽汲時(shí)，要充分注意振動(dòng)載荷影響的s和n配合不利區(qū)。 5. 所選擇的沖程和沖次應(yīng)屬于抽油機(jī)提供的選擇范圍之內(nèi)。 對(duì)于該井，由于油比較稠，因此將沖程確定為最大值s=3m，沖次確定為最小值n=6 1/min。所選擇的的沖程和沖次，應(yīng)與下面的泵徑相互配合，滿足設(shè)計(jì)排量的要求。7.確

11、定泵徑根據(jù)設(shè)計(jì)排量，以及上一步確定的沖程、沖次，按照泵的實(shí)際排量公式來(lái)確定。(5)式中q泵的實(shí)際排量，m/d；dp泵徑，m；s光桿沖程，m；n沖次，1/min； 泵效，小數(shù)，取0.7。抽油泵已是規(guī)格化的系列產(chǎn)品，計(jì)算得出抽油泵直徑，應(yīng)從規(guī)格參數(shù)表(見(jiàn)表4)中選出最為接近的值作為設(shè)計(jì)值。表 4 抽油泵基本參數(shù)表 (sy5059-91)基本泵型泵的直徑m聯(lián)接油管外徑mm(yb239-63)柱塞沖程長(zhǎng)度范圍m理論排量m/d聯(lián)接抽油桿螺紋直徑mm（sy5029-83）公稱直徑基本直徑桿式泵3231.848.3,60.31.26146923.8133838.160.3,73.01.262011226.9

12、884444.573.01.262713826.9885150.873.01.263517326.9885757.288.91.264422026.9886363.588.91.265425930.163管式泵整體泵筒3231860.3,73.00.6676923.8133838160.3,73.00.661011226.9884444560.3,73.00.661413826.988444525757273.00.662222026.9887069988.90.663332830.1638383101.61.269346730.1639595114.31.2612261334.945組合泵筒

13、323260.3,73.00.6676923.813383860.3,73.00.661012826.988444473.00.661312826.988565673.00.662122026.988707088.90.663332830.163將已知數(shù)據(jù)代入式(4)，并由表4查得最為接近的泵徑為 56 mm。8.懸點(diǎn)載荷計(jì)算及抽油桿強(qiáng)度校核方法(1) 懸點(diǎn)載荷計(jì)算在下泵深度及沉沒(méi)度不是很大，井口回壓及沖次不是很高的油井內(nèi)，在計(jì)算最大和最小載荷時(shí)，通?？梢院雎哉駝?dòng)、沉沒(méi)壓力、井口回壓、液柱慣性產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷，此時(shí)，懸點(diǎn)最大和最小載荷可表示為：(6)(7)式中pmax、pmin懸點(diǎn)承受的最大和最

14、小載荷；上沖程中抽油桿柱所受的重力與浮力之差產(chǎn)生的載荷；下沖程中液柱的重力與對(duì)抽油桿的浮力產(chǎn)生的載荷；iru、ird上、下沖程中抽油桿產(chǎn)生的最大慣性載荷；fu、fd上、下沖程中的最大摩擦載荷。其中式中l(wèi)抽油桿長(zhǎng)度，m；抽油桿材料的密度，kg/m；抽汲液的密度，kg/m；fr抽油桿截面積, m；fp抽油泵活塞截面積，m。fo游動(dòng)凡爾孔截面積，m；r抽油機(jī)曲柄回旋半徑，m；l抽油機(jī)連桿長(zhǎng)度，m；frl抽油桿與液柱之間的摩擦力，n；凡爾流量流數(shù)。其中(8)式中frl抽油桿柱與液柱之間的摩擦力，n；井內(nèi)液體的動(dòng)力粘度，pa sm油管內(nèi)徑與抽油桿直徑之比，m=dt/dr；dt油管內(nèi)徑，m；dr抽油桿直徑

15、，m；vmax抽油桿柱最大下行速度，m/s；vmax可按懸點(diǎn)最大運(yùn)動(dòng)速度來(lái)計(jì)算，當(dāng)采用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，其值為：(2) 抽油桿強(qiáng)度校核抽油桿柱在工作時(shí)承受著交變負(fù)荷，因此，抽油桿受到非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的作用。其強(qiáng)度條件為：(9)式中抽油桿的折算應(yīng)力；非對(duì)稱循環(huán)疲勞極限應(yīng)力，與抽油桿的材質(zhì)有關(guān)。其中 (10)(11)式中循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅值。9.確定抽油桿直徑及組合當(dāng)下泵深度確定后，抽油桿的總長(zhǎng)度便確定下來(lái)。下面將進(jìn)一步確定抽油桿的直徑及組合。抽油桿的直徑及組合是抽油井系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，確定的具體步驟如下：(1) 以抽油泵處為起點(diǎn)。其高度為(2) 假定一個(gè)液柱載荷w10(初值)；(3) 給定最下一

16、級(jí)抽油桿直徑(最小直徑)；(4) 設(shè)計(jì)算段長(zhǎng)度 h，則該計(jì)算段的起點(diǎn)高度和末點(diǎn)高度分別為：如果h2hp，則令h2=hp，該段的長(zhǎng)度應(yīng)為：(5) 該計(jì)算段的平均高度為=(h1+h0)/2，計(jì)算該點(diǎn)的溫度和混合物的粘度。(6) 分別計(jì)算該計(jì)算段的最大載荷與最小載荷(7) 分別計(jì)算累積最大和最小載荷：(8) 計(jì)算抽油桿的折算應(yīng)力 c，進(jìn)行該段抽油桿強(qiáng)度校核；(9) 如不滿足強(qiáng)度要求，則換次一級(jí)抽油桿直徑，返回到步驟(3)重新計(jì)算；(10) 如滿足強(qiáng)度要求，則以 h1作為下一計(jì)算段的起點(diǎn)h0，進(jìn)行下一段計(jì)算；(11) 當(dāng)h0=hp時(shí)則結(jié)束，否則返回到(3)繼續(xù)計(jì)算，直到h0=hp為止；(12) 校核液

17、柱載荷。如果計(jì)算值與假設(shè)值的誤差達(dá)到精度要求，則計(jì)算結(jié)束；如果未達(dá)到精度要求，則以計(jì)算值作為新的假設(shè)值，重新計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序?qū)死M(jìn)行計(jì)算，所得到的抽油桿直徑及組合如下：項(xiàng) 目一 級(jí) 桿二 級(jí) 桿 三 級(jí) 桿 四 級(jí) 桿 直徑,mm19.0022.00 25.00 29.00 長(zhǎng)度，m395.00483.50 246.60 66.37 10.計(jì)算與校核載荷在進(jìn)行抽油桿直徑及組合確定計(jì)算結(jié)束時(shí)，便可得到懸點(diǎn)的最大載荷和最小載荷，它們分別為：由于該抽油機(jī)的許用載荷為pmax=100 kn，因此滿足載荷要求。11.計(jì)算與校核扭矩曲柄軸處的最大扭矩可采用如下任一公式計(jì)算：式中mmax曲柄軸最大扭矩

18、，kn m；s光桿沖程，m；pmax懸點(diǎn)最大載荷，n；pmin懸點(diǎn)最小載荷，n。三個(gè)公式計(jì)算最大扭矩mmax分別為：42.93、41.43、40.09 kn m。由于該抽油機(jī)的許用扭矩為mmax=48 kn m，因此滿足扭矩要求。12.計(jì)算需要的電機(jī)功率電機(jī)實(shí)際輸出的最大功率可如下計(jì)算：式中nmax電機(jī)實(shí)際輸出的最大功率，kw;mmax曲柄軸最大扭矩，kn m；n沖次，1/min；傳動(dòng)效率，取0.9。將mmax=40.09 kn m, n=6 1/min代入上式，可得需要的最大電機(jī)功率為nmax=27.99 kw。五、設(shè)計(jì)結(jié)果按照設(shè)計(jì)要求，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如下：1.井溫分布該井的井溫度分布如圖2所示。2.原油粘溫關(guān)系原油粘溫關(guān)系附合：經(jīng)確定，a=9.7858,b=3.9481。原油粘溫關(guān)系曲線如圖3所示。3.下