抽油桿課程設計報告

1、東 北 石 油 大 學 課 程 設 計課 程石油工程課程設計題 目抽油井系統(tǒng)設計院 系石油工程學院專業(yè)班級石油工程學生姓名喵喵大人學生學號11020450556指導教師李 銘 曲國輝2014年 07月 18 日東北石油大學課程設計任務書課程 石油工程課程設計題目 抽油井系統(tǒng)設計專業(yè) 石油工程 姓名 喵喵大人 學號 11045140506565主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1. 設計主要內(nèi)容：根據(jù)已有的基礎數(shù)據(jù)，利用所學的專業(yè)知識，完成抽油井系統(tǒng)從油層到地面的所有相關(guān)參數(shù)的計算，最終選出抽油泵、抽油桿、抽油機。 計算出油井溫度分布； 通過回歸分析確定原油粘溫關(guān)系表達式； 確定井底流壓； 確定

2、出油井的合理下泵深度； 確定合適的沖程、沖次； 選擇合適的抽油泵； 確定抽油桿直徑及組合； 計算出懸點的最大、最小載荷； 選出合適的抽油機； 編制實現(xiàn)上述內(nèi)容的計算機程序程序。2. 設計基本要求：要求學生選擇一組基礎數(shù)據(jù)，在教師的指導下獨立地完成設計任務，最終以設計報告的形式完成本專題設計，設計報告的具體內(nèi)容如下： 概述； 基礎數(shù)據(jù)； 基本理論； 設計框圖和計算機程序； 設計結(jié)果及結(jié)果分析； 結(jié)束語； 參考文獻。設計報告采用統(tǒng)一格式打印，要求圖表清晰、語言流暢、書寫規(guī)范，論據(jù)充分、說服力強，達到工程設計的基本要求。3. 主要參考資料：陳濤平等， 石油工程（第二版），石油工業(yè)出版社，2011蔣加

3、伏，張林峰主編 visual basic程序設計教程，北京郵電大學出版社，2009完成期限 2014.06.30 2014.07.18 指導教師 旗木卡卡西 專業(yè)負責人 張繼紅 2014年 07 月 18 日目 錄第1章 概述11.1 設計的目的意義11.2 設計的主要內(nèi)容1第2章 基礎數(shù)據(jù)22.1 抽油系統(tǒng)設計基本數(shù)據(jù)22.2 原油粘度溫度關(guān)系數(shù)據(jù)22.3 抽油桿基本參數(shù)32.4抽油機基本參數(shù)3第3章 基礎理論63.1井溫分布計算63.2原油粘溫關(guān)系73.3井底流壓73.4 泵吸入口壓力83.5 下泵深度93.6 確定沖程和沖次93.7 確定泵徑93.8 懸點載荷計算及抽油桿強度校核方法11

4、3.9 確定抽油桿直徑及組合123.10計算與校核載荷133.11計算與校核扭矩133.12計算需要的電機功率14第4章 設計框圖和計算機程序154.1 設計框圖154.2 計算機程序15第5章 設計結(jié)果及結(jié)果分析185.1 井溫分布185.2 原油粘溫關(guān)系185.3 井底流壓195.4泵吸入口壓力205.5 下泵深度205.6 沖程和沖次205.7 選擇抽油泵215.8 抽油桿直徑及組合215.9 懸點最大和最小載荷；215.10 計算并校核減速箱扭矩215.11 計算電機功率并選擇電機225.12 選擇出合適的抽油機225.13 程序運行界面22結(jié)束語23參考文獻24附錄1:25附錄227

5、石油工程抽油井系統(tǒng)設計報告第1章 概述1.1 設計的目的意義通過自選一組基礎數(shù)據(jù)，利用所學過的專業(yè)知識，在指導教師的指導下獨立地完成并提交整個抽油井系統(tǒng)的設計方案，從而掌握抽油井系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的選擇設計方法，將理論知識運用到解決實際問題中去，從而通過該專題設計的訓練，加強學生理論知識的運用能力，掌握相關(guān)學科知識的綜合能力，計算機技術(shù)應用技能，以及解決實際問題的工程應用能力(1) 鞏固已學的專業(yè)知識、程序設計知識；(2) 掌握一種工程設計方法,即抽油井系統(tǒng)設計方法；(3) 提高計算機應用能力：基本理論（數(shù)學模型）程序代碼； (4) 為今年畢業(yè)設計做準備：專業(yè)課、畢業(yè)設計之間的橋梁。1.2 設計的

6、主要內(nèi)容根據(jù)已有的基礎數(shù)據(jù)，利用所學的專業(yè)知識，通過編程，完成抽油井系統(tǒng)從油層到地面的所有相關(guān)參數(shù)的計算，最終選出三抽設備抽油泵、抽油桿、抽油機。設計主要內(nèi)容如下：(1) 計算出油井溫度分布；(2) 通過回歸分析確定原油粘溫關(guān)系表達式；(3) 確定井底流壓；(4) 確定出油井的合理下泵深度；(5) 確定合適的沖程、沖次；(6) 選擇合適的抽油泵；(7) 確定抽油桿直徑及組合；(8) 計算出懸點的最大、最小載荷；(9) 選出合適的抽油機；(10) 編制實現(xiàn)上述內(nèi)容的計算機程序程序。第2章 基礎數(shù)據(jù)抽油井系統(tǒng)桿柱設計所必須的基礎數(shù)據(jù)主要有基礎生產(chǎn)數(shù)據(jù)、原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)、抽油機型參數(shù)、抽油桿參數(shù)、抽

7、油泵參數(shù)。其中, 抽油機型、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,抽油機型、抽油桿、抽油泵這三方面的參數(shù)均可由采油技術(shù)手冊（修訂本四）查得。2.1 抽油系統(tǒng)設計基本數(shù)據(jù)基礎生產(chǎn)數(shù)據(jù)是進行抽油井系統(tǒng)設計的基本條件,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，詳見表2-1。表2-1 抽油系統(tǒng)設計基本數(shù)據(jù)井 號 cy0070 油層深度(m) 1845油管內(nèi)徑(mm) 88.9 套管直徑(mm) 190 地溫梯度(/100m) 3.18 井底溫度() 91.8地層壓力(mpa) 11.90 飽和壓力(mpa) 9.63 傳熱系數(shù)

8、(w/m) 2.73試井產(chǎn)液(m3/d) 23.1試井流壓(mpa) 5.88 體積含水率(%) 44.5 原油密度(kg/m3) 901.45 地層水密度(kg/m3) 1000 原油比熱(j/kg) 2254.2地層水比熱(j/kg) 4432.83 設計沉沒度(m) 213.95設計排量(m3/d) 24.62.2 原油粘度溫度關(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)的準確度是影響設計結(jié)果合理性的重要參數(shù)。原油粘度隨溫度變化非常敏感，通過對現(xiàn)場實測原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)進行回歸分析，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)設計結(jié)果的準確度，而且還易于實

9、現(xiàn)設計的程序化?，F(xiàn)場可以提供的原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)，如表2-2所示。表2-2 原油粘溫關(guān)系數(shù)據(jù)原油溫度() 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85粘度(mpa.s) 3292517888 10364 6326040310 26630 18140 12690 90800 663002.3 抽油桿基本參數(shù)表2-3 抽油桿基本參數(shù)許用應力(n/mm2) 桿直徑(mm) 一級 二級 三級 四級 五級 90 16 19 22 25 29100 16 19 22 25 29120 16 19 22 25 29150 16 19 22 25 29180 16 19 22 25 292.4抽油

10、機基本參數(shù)抽油機參數(shù)是指常規(guī)型游梁式抽油機的型號、結(jié)構(gòu)參數(shù)、可以提供的沖程沖次大小。目前已有93種不同型號的常規(guī)型抽油機，其型號意義如下：不同型號抽油機的參數(shù)可見采油技術(shù)手冊（修訂本四）。這里，以寶雞產(chǎn)cyj10-3-48hb型抽油機為例，其有關(guān)參數(shù)見表2-4。表 2-4 抽油機參數(shù)游梁前臂(mm)游梁后臂(mm)連桿長度(mm)曲柄 半徑/沖程(mm/m)沖次(1/min)300020003330570/1.80,745/2.40,895/36.0, 9.0, 12.0另外，由抽油機型號cyj10-3-48hb，根據(jù)型號意義可直接得出：許用載荷pmax=100 kn；許用扭矩mmax=48

11、kn表2-5 抽油機型號及參數(shù)序號 抽油機型號 生產(chǎn)廠家 最大載荷(kn) 最大扭矩 游梁前臂(mm) 游梁后臂(mm) 連桿長度(mm) 曲柄半徑/沖程(mm/m) 沖次(1/min) 5 5-1.8-13hf 玉門 50 13 2100 1780 2100 380/0.90,500/1.20, 620/1.50,740/1.80 6,9,1210 5-2.7-26hb 大安 50 26 3210 2100 2137 380/1.10,500/1.50,620/1.90, 740/2.30,860/2.70 6,9,1216 6-2.5-26hb 江漢 60 26 2500 2400 320

12、0 670/1.80,990/2.20,1150/2.50 6,9,1220 8-3-48b 三機 80 48 3000 2500 3200 858/2.10,1013/2.50,1200/3 6,9,1226 8-3-53hb 大安 80 53 3450 2580 3160 670/1.80,810/2.20, 950/2.60,1090/3 6,9,1235 10-3-48hb 寶雞 100 48 3000 2000 3330 570/1.80,745/2.40,895/3 6,9,1237 10-3-53hb 三機 100 53 3000 2500 3200 858/2.10,1013/

13、2.50,1200/3 6,9,1247 y10-3-53hb 大安 100 53 3450 2580 3380 640/1.80,765/2.20, 890/2.60,1015/3 6,9,1253 y10-3-53hb 蘭通 100 53 3000 2200 3200 755/2.10,885/2.50,1045/3 6,9,1259 11-2.1-26b 寶雞 110 26 2820 2820 3026 780/1.58,922/1.88,1064/2.18 6,8,1261 q12-3.6-53b 寶雞 120 53 7925 6553 4295 1074/2.85,1227/3.25

14、,1380/3.66 8,1269 y12-4.8-73hb 二機 120 73 4800 2840 4200 800/2.80,1060/3.80,1209/4.80 6,8,1078 y12-5-74hb 大安 120 74 5600 4000 4640 1000/3,1200/3.60, 1400/4.30,1600/5 3,4,683 y14-4.8-73hb 江漢 140 73 4800 3048 3770 990/3.60,1100/4.20,1200/4.80 6,8,1087 q14-5-73hq 煙采 140 73 7150 3100 5780 970/4,1060/5 4,

15、5,694 16-30 大安 160 300 1200 800 2100 600/2,700/2.50,800/3 6,9,12第3章 基礎理論抽油井系統(tǒng)設計，就是根據(jù)油井條件，選擇合適的抽油設備（抽油泵、抽油桿、抽油機及減速箱和電動機），油井產(chǎn)量和下泵深度是選擇抽油設備的基本依據(jù)，而油井產(chǎn)能和下泵深度決定于油井產(chǎn)能。因此要對抽油井進行合理的設計，應將油層到地面看作統(tǒng)一的整體來進行。3.1井溫分布計算由地面到油層溫度是按地溫梯度逐漸增加的。所謂地溫梯度，即深度每增加100米地層溫度的升高值。而在井筒中，由于地層流體不斷地向上流動，地層流體便作為熱載體將熱量不斷地攜帶上來，通過套管、水泥環(huán)向地層

16、傳導。因此，井溫總是比地溫要高。原油粘度對溫度的變化非常敏感，表現(xiàn)為升溫降粘特性。原油越稠，原油隨井溫變化越顯著。稀油井，原油粘度很小，摩擦載荷很小，用地溫代替井溫對設計結(jié)果影響不大；而稠油井，由于摩擦載荷很大，不能用地溫代替井溫，因此井溫分布計算對抽油井系統(tǒng)設計非常重要。地溫的計算公式為：（3-1）井筒能量方程為：（3-2）式中： 油管中距井底l位置處原油溫度，；k1 總傳熱系數(shù)，w/(m) ； 井底原油溫度，；m 地層溫度梯度，/m； 內(nèi)熱源，w/m 。在同一口井中，地溫梯度m和井底溫度都是不變的，傳熱系數(shù)k1則受地層物性和地層熱阻、油管環(huán)形空間介質(zhì)及其物性和油井的產(chǎn)量等多種因素的影響，而

17、產(chǎn)量對k1的影響較小。故在一定的地層條件及井筒狀況下，也可近似地認為k1為一常數(shù)。這樣，整個井筒的溫度分布就只受與油井產(chǎn)量有關(guān)的水當量w和距井底的距離l的影響。水當量w可如下計算：（3-3）式中： 地層油的質(zhì)量流量，kg/s； 地層水的質(zhì)量流量，kg/s； 地層油的比熱，j/（kg）； 地層水的比熱，j/（kg）；將已知數(shù)據(jù)代入方程，可計算出任意深度所對應的油井溫度，由此溫度便可以計算出處于該深度處原油的粘度，從而可以進一步計算摩擦載荷、選擇抽油設備。根據(jù)上式可以計算出任一深度處的井溫和地溫值，然后繪制出井溫地溫分布曲線。 3.2原油粘溫關(guān)系將現(xiàn)場實測原油粘溫數(shù)據(jù)通過回歸分析，發(fā)現(xiàn)原油粘度隨溫

18、度的變化服從指數(shù)規(guī)律，可用下式表達：（3-4）式中： 原油的動力粘度，mpas； 原油的溫度，；系數(shù)常數(shù)；溫度指數(shù)。對于不同區(qū)塊原油，、的取值不同。3.3井底流壓所謂油井產(chǎn)能，是指油井的生產(chǎn)能力，常用采油指數(shù)來衡量。采油指數(shù)是指油井產(chǎn)量隨流壓的變化率，用公式表示為：（3-5）采油指數(shù)大小，反映了油層物性、流體參數(shù)、泄油面積以及完井條件對油井產(chǎn)量的綜合影響。（1） 對于單相滲流（pwfpb），由于各參數(shù)隨壓力變化很小，可忽略這種變化，流入動態(tài)曲線則呈現(xiàn)線性關(guān)系，即： （3-6）（2） 對于兩相滲流（），流入動態(tài)曲線則呈非線性關(guān)系，可由沃格爾方程來描述，即： （3-7）（3) 對于單相與兩相組合型

19、（），則流入動態(tài)方程為一分段函數(shù)，可由如下一組方程表達：（3-8） （3-9）（3-10）（3-11）其中是通過試油來確定的： 若pwfpb,則（3-12） 若pwf h時，則令h1= h，該段的長度應為：（3-31）(5) 該計算段的平均高度為，計算該點的溫度和混合物的粘度。(6) 分別計算該計算段的最大載荷pmax與最小載荷pmin。(7) 分別計算累積最大和最小載荷：,（3-32）(8) 計算抽油桿的折算應力c，進行該段抽油桿強度校核；(9) 如不滿足強度要求，則換次一級抽油桿直徑，返回到步驟(2)重新計算；(10) 如滿足強度要求，則以 h1作為下一計算段的起點h0，進行下一段計算；(

20、11) 當h0 = h時則結(jié)束，否則返回到步驟(3)繼續(xù)計算，直到h0 = h為止；(12) 校核液柱載荷。如果計算值與假設值的誤差達到精度要求，則計算結(jié)束,如果未達到精度要求，則以計算值作為新的假設值，重新計算。3.10計算與校核載荷在進行抽油桿直徑及組合確定計算結(jié)束時，便可得到懸點的最大載荷和最小載荷。再和該抽油機的許用載荷 pmax 比較，看是否滿足載荷要求。3.11計算與校核扭矩曲柄軸處的最大扭矩可采用如下公式計算：（3-33）（3-34）（3-35）式中：mmax 曲柄軸最大扭矩，knm；s 光桿沖程，m；pmax 懸點最大載荷，n；pmin 懸點最小載荷，n。三個公式分別計算出最大

21、扭矩，取三個值中的最大值，若最大扭矩小于所選抽油機的許用扭矩則滿足校核要求。3.12計算需要的電機功率電機實際輸出的最大功率可如下計算：（3-36）式中：nmax 電機實際輸出的最大功率，kw；mmax 曲柄軸最大扭矩，knm；s 光桿沖程，m；沖次，1/min：傳動效率，取0.9。第4章 設計框圖和計算機程序新投產(chǎn)或轉(zhuǎn)抽的油井，需要合理的選擇抽油設備。油井投產(chǎn)后，還必須檢驗設計效果。當設備的工作狀況和油層工作狀況發(fā)生變化時，還需要對原有的設計進行調(diào)整。進行有桿泵采油井的系統(tǒng)選擇設計應遵循的原則是：符合油井及油層的工作條件、充分發(fā)揮油層的生產(chǎn)能力、設備利用率較高、有較長的免修期，以及有較高的系

22、統(tǒng)效率和經(jīng)濟效益。這些設備相互之間不是孤立的，而是作為整個有桿泵抽油系統(tǒng)相互聯(lián)系和制約的。因此，應將有桿泵系統(tǒng)從油層到地面，作為統(tǒng)一的系統(tǒng)來進行選擇設計，其步驟如下：（1）根據(jù)油井產(chǎn)能跟設計排量確定井底流壓；（2）根據(jù)油井條件確定沉沒度、沉沒壓力；（3）應用多相垂直管流理論或相關(guān)式確定下泵高度和下泵深度；（4）根據(jù)油井條件和設備性能確定沖程和沖次；（5）根據(jù)設計排量、沖程和沖次，以及油井條件選擇抽油泵；（6）選擇抽油桿，確定抽油桿柱的組合；（7）選擇抽油機、減速箱、電動機及其他輔助設備。4.1 設計框圖(1) 抽油機井系統(tǒng)設計框圖抽油機井系統(tǒng)設計的框圖如圖4-1。(2) 抽油桿柱設計框圖抽油桿

23、柱設計框圖如圖4-2。4.2 計算機程序計算機程序見附錄2圖 4-1 抽油機系統(tǒng)設計框圖輸入基礎數(shù)據(jù)計算溫度場分布確定井底流壓確定沉沒度、沉沒壓力確定泵徑確定下泵深度初選抽油機、確定沖程沖次選擇抽油桿及組合校核抽油機校核減速箱扭矩校核電機功率打印結(jié)果yn結(jié)束圖4-2 抽油桿柱設計框圖假設wl0h0=hp,h1=0給dr()賦值pmax= wl0+上沖程常量pmin=下沖程常量給定hj=0l(j)=0dr= dr(j)h0+hhh=h- h0l(j)=0dr= dr(j)h1= h0+h= h0+h/2j= j+1計算dpmax=dwr+diru+dfudpmin=dwr-dird-dfdpma

24、x= pmax+dpmaxpmin= pmin+dpminpmax= pmaxdpmaxpmin= pmindpminl(j)= h1 h0hnh0= h1h1h計算wlnwl0=（wl0+ wl）/2（wlwl0）nyyyynyy進行下步計算第5章 設計結(jié)果及結(jié)果分析5.1 井溫分布該井的井溫度分布如圖5-1所示。由圖可知：對于1845m井深，井底溫度為91.8時，井口溫度為44.67。而按地溫計算，井口溫度則為31.09。井口處的井溫大于地溫13.58，因此地溫代替井溫，將會給系統(tǒng)設計帶來很大的誤差。如圖所示，也可見兩條曲線相距一定距離，故地溫與井溫有硬頂差距。圖5-1 井溫曲線5.2 原

25、油粘溫關(guān)系原油粘溫關(guān)系附合：經(jīng)確定，=12.845,=5.1804。原油粘溫關(guān)系曲線如圖5-2所示。由圖象可知，原油的粘度是隨溫度的升高而下降，表現(xiàn)為升溫降粘的特性，而且原油的粘度越高，其隨溫度升高而下降的幅度就越來越大。從粘溫關(guān)系曲線可以看出，井筒中任一點處的溫度都不相同，將使原油及混合物的粘度變化很大，從而使得各段桿柱的摩擦載荷大不相同。為了使抽油桿柱設計結(jié)果更加符合實際，應充分考慮井液粘度的變化情況。圖5-2 原油粘溫關(guān)系5.3 井底流壓根據(jù)已知數(shù)據(jù)：地層壓力=11.09 (mpa) 飽和壓力pb=9.63 (mpa) 試井流壓pwftest=5.88(mpa)試井產(chǎn)液=23.1(m3/

26、d)將已知數(shù)據(jù)代人采油指數(shù)公式得：= 4.82 (m3/(dmpa)=4.82(11.09-9.63)=7.04 m3/d=25.79 m3/d設計排量qoqb由：可得：pwf = 4.97(mpa)由上式還可以算出各產(chǎn)量下所對應的井底流壓（數(shù)據(jù)見運行結(jié)果），從而繪制ipr曲線如圖3-1所示圖5-3 ipr曲線5.4泵吸入口壓力代入已知數(shù)據(jù)，得=945.47 m3/d。再根據(jù)沉沒度hs =213.95 m，可求得泵吸入口壓力 =1.982 mpa。5.5 下泵深度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2.988 mpa，根據(jù)靜液柱估算,該壓差對應的高度為322.48 m。因此，

27、下泵深度則為： m5.6 沖程和沖次因為所設計的抽油井系統(tǒng)為稠油井，因此需要選擇大沖程、低沖次的抽油機型作為程序設計所用來確定抽油泵徑。因此經(jīng)確定：s=3 mn=6 1/min5.7 選擇抽油泵由油井條件試選擇泵徑為44 mm的桿式抽油泵。泵型取決于油井條件，在1000 m以內(nèi)的油井，含砂量小于0.2%，油井結(jié)蠟較嚴重或油較稠，應采用管式泵；產(chǎn)量較小的中深或深井，可采用桿式泵。本次設計中選用的是管式泵。5.8 抽油桿直徑及組合由cy0070井號運行程序可確定的抽油桿直徑及組合如下表項目二級桿三級桿四級桿五級桿直徑,mm19.0022.0025.0029.00長度,m7204802401475.

28、9 懸點最大和最小載荷；計算的懸點最大載荷和最小載荷分別為：=121.33 kn = 49.63kn計算懸點載荷時，抽油桿柱與液柱之間的摩擦發(fā)生在下沖程，其摩擦力的方向向上，是稠油井內(nèi)抽油桿柱下行遇阻的主要原因。并且在高粘度大產(chǎn)量油井內(nèi)，液體通過游動閥產(chǎn)生的阻力往往是造成抽油桿柱下部彎曲的主要原因，對懸點載荷也會造成不可忽略的影響。5.10 計算并校核減速箱扭矩曲柄軸處的最大扭矩可采用如下任一公式計算：；用第一個公式計算得：mmax = 33.67 knm1.2mmax =40.40 knm由于該抽油機的許用扭矩為mmax=48 knm ，故mmax1.2mmax，因此滿足扭矩要求。隨著井溫的增大，最大載荷減小，最小載荷增加 ，扭矩增加。5.11 計算電機功率并選擇電機電機實際輸出的最大功率可如下計算：由程序計算得電機最大功率為nmax = 23.51 kw 實際選擇時應選擇功率稍大于計算值的電機。5.12 選擇出合適的抽油機由計算出的最大扭矩以及最大載荷查抽油機基本參數(shù)表，選擇寶雞10-3-48hb型抽油機較為合適。5.13 程序運行界面課程設計程序運行界面：見附錄1.