課程設(shè)計(jì)：抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

1、石油工程課程設(shè)計(jì)東 北 石 油 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì)課 程 石油工程課題設(shè)計(jì) 題 目 抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 石油工程 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2013 年 月 日35東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程 石油工程課程設(shè)計(jì)題目 抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè) 石油工程 姓名 學(xué)號(hào) 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1. 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：依據(jù)已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，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(jì)算，最終選出抽油泵、抽油桿、抽油機(jī)。 計(jì)算出油井溫度分布； 通過(guò)回歸分析確定原油粘溫關(guān)系表達(dá)式； 確定井底流壓； 確定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

2、泵； 確定抽油桿直徑及組合； 計(jì)算出懸點(diǎn)的最大、最小載荷； 選出合適的抽油機(jī)； 編制實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容的計(jì)算機(jī)程序程序。2. 設(shè)計(jì)基本要求： 要求學(xué)生選擇一組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，最終以設(shè)計(jì)報(bào)告的形式完成本專(zhuān)題設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)報(bào)告的具體內(nèi)容如下： 前沿； 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 基本理論； 設(shè)計(jì)框圖和計(jì)算機(jī)程序； 設(shè)計(jì)結(jié)果及結(jié)果分析； 結(jié)束語(yǔ) 參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)報(bào)告采用統(tǒng)一格式打印，要求圖標(biāo)清晰、語(yǔ)言流暢、書(shū)寫(xiě)規(guī)范，依據(jù)充分、說(shuō)服力強(qiáng)，達(dá)到工程設(shè)計(jì)的基本要求。3. 主要參考資料：李子豐著油氣井桿管柱力學(xué)北京：石油工業(yè)出版社，1996葛家理主編油氣層滲流力學(xué)北京：石油工業(yè)出版社，1982陳濤平等石油工程

3、.石油工業(yè)出版社，2000完成期限 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人 2013年 2 月 26 日目 錄1 概述 .1 1.1 設(shè)計(jì)的目的意義.11.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容.22 基礎(chǔ)數(shù)據(jù).3 2.1抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本數(shù).3 2.2原油粘度溫度關(guān)系數(shù)據(jù).3 2.3抽油桿基本參數(shù).3 2.4抽油機(jī)基本參數(shù).43基礎(chǔ)理論.5 3.1油井產(chǎn)能.5 3.2井溫分布.6 3.3原油粘溫關(guān)系.7 3.4泵吸入口壓力.7 3.5下泵深度.8 3.6沖程和沖次.8 3.7確定泵徑.9 3.8懸點(diǎn)載荷計(jì)算及抽油桿強(qiáng)度校核方法.9 3.9確定抽油桿直徑及組合.124設(shè)計(jì)框圖和計(jì)算程序.14 4.1設(shè)計(jì)的基本思路.14 4.2抽油桿

4、柱設(shè)計(jì)框圖.14 4.3抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖.14 4.4計(jì)算機(jī)程序.14 4.5 程序運(yùn)行結(jié)果及程序所調(diào)用文件的數(shù)據(jù).145設(shè)計(jì)結(jié)果及結(jié)析.15 5.1井溫分布.15 5.2原油粘溫關(guān)系.155.3 井底流壓與油井產(chǎn)量關(guān)系.165.4下泵深度.175.5 沖程和沖次.175.6選擇抽油泵.175.7抽油桿直徑及組合.175.8懸點(diǎn)最大和最小載荷.175.9計(jì)算并校核減速箱扭矩.185.10計(jì)算電機(jī)功率.185.11選擇合適抽油機(jī)型號(hào).18結(jié)束語(yǔ).19 總結(jié).19 認(rèn)識(shí).19參考文獻(xiàn).21附錄.22 附錄1 程序.22 附錄2 抽油桿柱設(shè)計(jì)框圖.31 附錄3 抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖.32 附錄4

5、程序運(yùn)行結(jié)果.33 附錄5 程序調(diào)用文件數(shù)據(jù).341 概述1.1 設(shè)計(jì)的目的意義在油田開(kāi)發(fā)中，采油方法可分為自噴采油和人工舉升采油。當(dāng)?shù)貙訅毫^高時(shí)可采用自噴采油，但隨著壓力的衰減油井產(chǎn)量迅速下降，此時(shí)就需要進(jìn)行人工舉升的方法進(jìn)行機(jī)械采油，機(jī)械采油就要利用各種抽油機(jī)進(jìn)行工作。抽油機(jī)按是否有梁，可將其分為游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)。游梁式抽油機(jī)按結(jié)構(gòu)不同可將其分為常規(guī)型和前置型兩類(lèi)。常規(guī)型抽油機(jī)是目前礦場(chǎng)上使用最為普遍的抽油機(jī)，其特點(diǎn)是：支架在驢頭和曲柄之間，上下沖程時(shí)間相等。 游梁式抽油機(jī)抽油系統(tǒng)由抽油泵、抽油桿和抽油機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三抽”）設(shè)備組成?！叭椤痹O(shè)備相互協(xié)助完成將地下原油抽提至地

6、面的整個(gè)過(guò)程。因此“三抽”設(shè)備的各自設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)都至關(guān)重要，任一設(shè)備出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受到影響。 各自的抽油設(shè)備都有具體的型號(hào)，以適用不同的使用環(huán)境。由于地下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，這就要求抽油系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備要針對(duì)不同的地下環(huán)境制定相對(duì)應(yīng)的型號(hào)以協(xié)調(diào)工作。一旦型號(hào)選取的不合理，輕者浪費(fèi)生產(chǎn)資源，重則發(fā)生生產(chǎn)事故延誤生產(chǎn)。 油井的產(chǎn)量與地層的壓力和滲流能力有關(guān)，通常地層壓力與井底壓差越大，地層滲流能力越強(qiáng)產(chǎn)量越大，與產(chǎn)量有關(guān)的既有抽油泵的泵徑，也有地面抽油機(jī)的抽提沖程及沖次。井深越深相應(yīng)需要更多的抽油桿來(lái)連接地面與地下設(shè)備，也就相應(yīng)增加的地面抽油機(jī)的載荷，此外還要考慮地層原油在抽提過(guò)程對(duì)抽油桿的摩擦等

7、因素。綜合以上各種情況，設(shè)計(jì)一口合理的抽油井系統(tǒng)，不僅要對(duì)設(shè)備有所了解，還要對(duì)地下條件及原油物性有所掌握。 抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以“三抽”設(shè)備作為一個(gè)整體，通過(guò)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，進(jìn)而掌握抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。具體是根據(jù)油層參數(shù)，了解地下、井筒及地面條件，通過(guò)計(jì)算算出井底流壓，確定下泵深度，制定合理的抽油泵參數(shù)、抽油桿的配套組合及地面抽油機(jī)具體型號(hào)參數(shù)，最后利用地溫梯度和原油粘度與溫度關(guān)系，考慮不同溫度下原油對(duì)抽油桿的抽提阻力及抽油桿自重情況，對(duì)抽油桿組合方案及地面抽油機(jī)載荷進(jìn)行核算驗(yàn)證。通過(guò)該專(zhuān)題課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，將使學(xué)生熟悉抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為進(jìn)行

8、畢業(yè)設(shè)計(jì)、今后走向工作崗位以及從事科研工作打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容根據(jù)已有的地層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)業(yè)所學(xué)知識(shí)，通過(guò)計(jì)算及編程，完成抽油井系統(tǒng)從油層到地面的所有相關(guān)參數(shù)計(jì)算，制定合理的“三抽”設(shè)備抽油泵、抽油桿、抽油機(jī)的型號(hào)及參數(shù)，并通過(guò)程序進(jìn)行可行性及合理性驗(yàn)證。 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要如下： 計(jì)算出油井溫度分布； 通過(guò)回歸分析確定原油粘溫關(guān)系表達(dá)式； 確定井底流壓； 確定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(jì)算出懸點(diǎn)的最大、最小載荷； 選出合適的抽油機(jī)； 編制實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容的計(jì)算機(jī)程序程序。2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)2.1 抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)表2-

9、1抽油系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)井號(hào) cy0050 油層深度(m) 1745 油管內(nèi)徑(mm) 88.9 套管直徑(mm) 190 地溫梯度(/100m) 3.08 井底溫度() 87.8 地層壓力(MPa) 11.77 飽和壓力(MPa) 10.72 傳熱系數(shù)(W/m) 2.51 試井產(chǎn)液(m3/d) 25.1 試井流壓(MPa) 5.48 體積含水率(%) 34.5 原油密度(kg/m3) 989.37 地層水密度(kg/m3) 1000 原油比熱(J/kg) 2284.85 地層水比熱(J/kg) 4604.83 設(shè)計(jì)沉沒(méi)度(m) 211.54 設(shè)計(jì)排量(m3/d) 25.6 2.2 原油粘度溫度關(guān)系

10、數(shù)據(jù)表2-2 原油粘度與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)原油溫度() 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85粘度(mPa.s) 20433 11637 7032 4459 2942 2007 1408 1012 744 5572.3 抽油桿基本參數(shù)表2-3 抽油桿基本參數(shù)許用應(yīng)力(N/mm2) 桿直徑(mm) 一級(jí) 二級(jí) 三級(jí) 四級(jí) 五級(jí) 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 抽油機(jī)基本參數(shù)表2-4 抽油機(jī)基本參數(shù)序號(hào) 抽油機(jī)型號(hào) 生產(chǎn)廠家 最大載

11、荷(kN) 最大扭矩 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) 5 5-1.8-13HF 玉門(mén) 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 3200 670/1.80,990/2.20,1150/2.50 6,

12、9,1220 8-3-48B 三機(jī) 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(jī) 100 53 3000 2500 3200 858/2.10,1013/2.50,1200/3 6,9,1247 Y10-3-53HB

13、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 1074/2.85,1227/3.25,1380/3.66 8,1269 Y12-4.8-73HB 二

14、機(jī) 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 4,5,694 16-30 大安 160 300 1200 800

15、2100 600/2,700/2.50,800/3 6,9,123 基礎(chǔ)理論在進(jìn)行抽油井系統(tǒng)設(shè)備選取之前，要確定油井產(chǎn)能、下泵深度、井溫分布、原油粘溫關(guān)系等參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)設(shè)備選取和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。3.1 油井產(chǎn)能油井產(chǎn)能就是油井在某個(gè)給定生產(chǎn)壓力下的產(chǎn)能。不同生產(chǎn)井壓對(duì)應(yīng)的產(chǎn)能也不一樣，為了體現(xiàn)油井在同等壓差下生產(chǎn)能力的好壞引入了采油指數(shù)Jo這個(gè)概念，它表示油井生產(chǎn)能力大小的指標(biāo)。在單相流體滲流條件下，采油指數(shù)的數(shù)值等于單位生產(chǎn)壓差下的油井產(chǎn)量。Jo值越大表示油井生產(chǎn)能力越強(qiáng)。 公式表示為： （3-1） 采油指數(shù)反映了油層物性、滲流參數(shù)、泄油面積、完井條件等對(duì)油井產(chǎn)量的綜合影響。 （1

16、）單相滲流（Pwf>Pb）,油藏中全部為單相液體流動(dòng)，流入動(dòng)態(tài)曲線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IPR曲線）呈線性關(guān)系： （3-2） （3-3） （2）兩相滲流，當(dāng)?shù)貙訅毫?lt;Pb時(shí)，油藏的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型為溶解氣驅(qū)，此時(shí)整個(gè)油藏均處于氣液兩相流動(dòng)。IPR曲線由直線段變成曲線，可由沃格爾方程來(lái)描述 （3-4）此時(shí) （3-5） （3-6）而采油指數(shù) （3-7）式中 qo對(duì)應(yīng)于井底流壓Pwf下的油井產(chǎn)量，m3/d; qb對(duì)應(yīng)于飽和壓力Pb下油井產(chǎn)量，m3/d; qomax油井的極限產(chǎn)量，m3/d; Pwf井底流壓，MPa; Pb飽和壓力，MPa; 平均地層壓力，MPa; Pwftest試井流壓，MPa; qotes

17、t試井產(chǎn)量，m3/d; qc非線性流段產(chǎn)量，m3/d根據(jù)以上產(chǎn)能計(jì)算公式，便可針對(duì)具體井下條件進(jìn)行產(chǎn)能計(jì)算，利用沃格爾方程繪制出IPR曲線，利用IPR曲線可以確定在設(shè)計(jì)排量下的井底流壓Pwf值，下一步便可確定油井的下泵深度。3.2 井溫分布 隨著地層深度的增加地層的溫度也在逐漸增加，定義地層深度每增加100米地層溫度的增加值為地溫梯度，采油鉆井計(jì)算上可大體視地溫梯度為恒定值。井筒內(nèi)的溫度相對(duì)于地層溫度要復(fù)雜一些，井筒內(nèi)的溫度既受所在層位的地層溫度影響，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中由于井底的高溫液體向上采出也會(huì)帶來(lái)熱源。由熱傳導(dǎo)可建立井筒的能量方程 （3-8）式中 油管中L位置處原油的溫度，oC; K1總傳

18、熱系數(shù)，W/(moC); q1內(nèi)熱源，W/m; W水當(dāng)量，W/oC; t0井底原油溫度，oC; m地層溫度梯度，oC/m; L油管與井底距離，m對(duì)于常規(guī)抽油井，井筒內(nèi)沒(méi)有加熱源，所以q1=0水當(dāng)量可由公式 （3-9） 式中 Mf井液質(zhì)量流量，kg/s; Cf井液比熱，W/(goC); Mg氣體質(zhì)量流量，kg/s; Cg氣體的比熱，W/(goC)將已知的設(shè)計(jì)參數(shù)代入上面方程就可得出任意井深對(duì)應(yīng)的井筒溫度。對(duì)于稠油油藏來(lái)說(shuō)，由于稠油粘度較大，計(jì)算水當(dāng)量時(shí)可忽略氣體因素。此時(shí)便可得到井溫隨井深的關(guān)系曲線，有了這條曲線可進(jìn)一步計(jì)算摩擦載荷等問(wèn)題。3.3 原油粘溫關(guān)系 原油的粘度隨溫度的升高而下降，對(duì)于

19、稠油來(lái)說(shuō)更是如此，稠油粘度越高對(duì)溫度越敏感。其溫度與粘度的關(guān)系基本服從指數(shù)關(guān)系。 粘溫關(guān)系公式 （3-10） 式中 原油的動(dòng)力粘度，mPas; t原油的溫度，oC; a系數(shù)常數(shù)； b溫度指數(shù)式中的a、b與原油有關(guān)，不同區(qū)塊的原油有各自的a、b值，數(shù)值的確定可先根據(jù)目的層原油不同溫度下粘度關(guān)系繪制粘溫曲線，利用曲線確定粘溫關(guān)系式，有了井溫分布和原油粘溫關(guān)系可以為后面的抽油桿設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.4 泵吸入口壓力 泵吸入口壓力決定著下泵深度，其數(shù)值可由沉沒(méi)深度計(jì)算出來(lái)。 沉沒(méi)段液體是由原油及地層水組成，其油水混合物的平均密度可由公式 （3-11）來(lái)計(jì)算， 式中 混合物的平均密度，kg/m3; 原油的密

20、度，kg/m3; 地層水的密度，kg/m3; 油水混合物的體積含水率，% 然后通過(guò)液壓公式得出泵吸入口的壓力Ps （3-12）3.5 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(lèi)：（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)于像稠油井氣體較少,從而可不考慮氣體,只考慮單相液體進(jìn)行估算。本課題設(shè)計(jì)針對(duì)稠油油藏，故采用單相液體計(jì)算，利用井底流壓與泵吸入口壓力的

21、差值和井液的平均密度得出泵吸入口與油層距離Hp (3-13)利用油層深度H得到下泵深度Lp (3-14)3.6 沖程和沖次 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)。 （6）所選擇的的沖程和沖次，應(yīng)與下面的泵徑相互

22、配合，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)排量的要求。 在已知各抽油機(jī)具體型號(hào)參數(shù)情況下，遵循設(shè)計(jì)以上原則，針對(duì)本課題設(shè)計(jì)油藏特點(diǎn)：稠油油藏，井深較淺。若采用沖程大于3米的抽油機(jī)功率上會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，所以采用沖程3米沖次6次/分鐘設(shè)計(jì)組合。3.7 確定泵徑依據(jù)設(shè)計(jì)排量以及確定的沖程、沖次，按照泵排量公式 (3-15)式中 Q泵的實(shí)際排量，m3/d; Dp泵徑，m; S光桿沖程，m; n沖次，1/min; 泵效，一般取0.73.8.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

23、懸點(diǎn)載荷，此時(shí)，懸點(diǎn)最大和最小載荷可表示為： (3-16) (3-17) 式中 Pmax、Pmin懸點(diǎn)承受的最大和最小載荷； 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 (3-18) 式中 L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； 抽油桿截面積, m； 抽油泵活塞截面積，m。 游動(dòng)凡爾孔截面積，m； 抽油機(jī)曲柄回旋半徑，m； 抽油機(jī)連桿長(zhǎng)度，m； 抽油桿與液柱之間的摩擦力，N； 凡爾流量流數(shù)。其中 (3-19)

24、 式中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 s m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，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： (3-20)(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(chēng)循環(huán)應(yīng)力的作用。其強(qiáng)度條件為： (3-21)式中抽油桿的折算應(yīng)力； 非對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限應(yīng)力，與抽油桿的材質(zhì)有關(guān)。其中 (3-22) (3-23) 式中循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅值。(3)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： (3-24)

25、(3-25) (3-26) 式中 曲柄軸最大扭矩，kN m； 光桿沖程，m； 懸點(diǎn)最大載荷，N； 懸點(diǎn)最小載荷，N。三個(gè)公式計(jì)算最大扭矩，再與該抽油機(jī)的許用扭矩進(jìn)行比較。（4）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： (3-27) 式中電機(jī)實(shí)際輸出的最大功率，kW; 曲柄軸最大扭矩，kN m； 沖次，1/min； 傳動(dòng)效率，取0.9。3.9 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

26、)；(3) 給定最下一級(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H2>Hp，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，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，進(jìn)行該段抽油桿強(qiáng)度校核；(9) 如不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，則換次一級(jí)抽油桿直徑，返回到步驟(4)重新計(jì)算；(10) 如滿(mǎn)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

27、液柱載荷。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。4 設(shè)計(jì)框圖和計(jì)算程序4.1 設(shè)計(jì)的基本思路 進(jìn)行有桿泵采油井的系統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)應(yīng)遵循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(shè)備利用率較高、較長(zhǎng)的免修期，以及有較高的系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)效率的原則。 本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言，在TuborC環(huán)境下運(yùn)行，基本思路如下： 編寫(xiě)子函數(shù)確定以下基本數(shù)據(jù)：（1） 據(jù)油井產(chǎn)能和設(shè)計(jì)排量確定井底流壓。（2） 根據(jù)油井條件確定沉沒(méi)深度和沉沒(méi)壓力。（3） 應(yīng)用多向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(shè)備性能確定沖程和沖次。（

28、5） 根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)、減速箱、電動(dòng)機(jī)及其他附屬設(shè)備。4.2 抽油桿柱設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)附錄2。4.3 抽油井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖見(jiàn)附錄3。4.4 計(jì)算機(jī)程序見(jiàn)附錄1。4.5 程序運(yùn)行結(jié)果及程序所調(diào)用文件的數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄4和附錄5。 5 設(shè)計(jì)結(jié)果及結(jié)析5.1 井溫分布通過(guò)計(jì)算得出井液平均密度為993.037kg/m3,井液比熱為3090.86 W/(goC),井液的質(zhì)量流量為0.2942kg/s,計(jì)算出水的當(dāng)量為909.33，利用熱傳導(dǎo)方程和地溫梯度得出井溫與地溫的分布曲線。圖5-1 井溫與地溫分布曲線5.2 原油粘溫關(guān)系

29、由表2-2 原油粘度與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)繪制成原油粘度與溫度關(guān)系曲線圖5-2 原油粘度與溫度關(guān)系曲線利用原油粘溫關(guān)系公式3-10可以得到公式系數(shù)a=9×1011,b=4.7796,進(jìn)而確定粘溫關(guān)系式。5.3 井底流壓與油井產(chǎn)量關(guān)系 通過(guò)計(jì)算得到油井極限產(chǎn)量qomax=34.136m3/d,利用沃格爾方程（3-4）式列出不同井底流壓下的油井產(chǎn)量表5-1 井底流壓與油井產(chǎn)量關(guān)系數(shù)據(jù)表井底流壓（Mpa)0123456油井產(chǎn)量（m3/d)34.1333.3532.1830.6228.6626.3023.55井底流壓（Mpa)7891010.721177井底流壓（Mpa)20.4116.8712.9

30、48.625.110由程序計(jì)算得到設(shè)計(jì)排量下的井底流壓Pwf=5.296MPa,得出IPR曲線圖5-3 IPR曲線5.4下泵深度 經(jīng)計(jì)算得出，Lp=1412.34m。5.5 沖程和沖次 選取S=3m, n=6 1/min5.6 選擇抽油泵 選取泵徑為44mm的抽油泵。5.7 抽油桿直徑及組合 經(jīng)程序計(jì)算得出組合表5-2 抽油桿直徑及組合項(xiàng)目一級(jí)桿二級(jí)桿三級(jí)桿四級(jí)桿直徑，mm16192225長(zhǎng)度，m450480320162.345.8 懸點(diǎn)最大和最小載荷 程序計(jì)算得出最大最小載荷為Pmax=63.96KN,Pmin=9.92KN。5.9 計(jì)算并校核減速箱扭矩 計(jì)算得出M=40.53KNm。 抽油

31、機(jī)許用扭矩Mmax=48 KNm, Mmax> M, 減速箱扭矩滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5.10 計(jì)算電機(jī)功率 計(jì)算出電機(jī)功率N=27.69KW5.11 選擇合適抽油機(jī)型號(hào) 經(jīng)過(guò)以上計(jì)算和已知的抽油機(jī)型號(hào)參數(shù)，選擇寶雞的CYJ10-3-48HB型號(hào)的較為合適。 結(jié)束語(yǔ)總結(jié)（1）由于從井底向上抽提高溫井液，井筒的溫度會(huì)比同深的地層溫度高些。原油的粘度隨溫度的升高而降低，而且隨著原油粘度的增加這一變化會(huì)更明顯。通過(guò)不同井深下的井溫關(guān)系以及原油粘度與溫度關(guān)系，可以得出在不同井深下的原油粘度。井深越深原油粘度越小，離地面越近原油的粘度越高，這就表明井筒中近地表處的抽油桿與原油摩擦阻力越大。 （2）在計(jì)算抽

32、油機(jī)懸點(diǎn)載荷時(shí)，除了考慮抽油桿、抽油泵的自身重力與浮力外，還需考慮抽油桿柱在上下沖程過(guò)程中與原油的摩擦阻力，而且這一問(wèn)題主要體現(xiàn)在下沖程過(guò)程，如果原油粘度過(guò)大，下沖程速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致抽油桿柱受力超過(guò)極限載荷而發(fā)生彎曲。 （3）通過(guò)程序計(jì)算得出抽油機(jī)的最大載荷Pmax=63.96KN，小于選定型號(hào)的額定最大載荷100KN，得出最大扭矩M=40.53KNm，小于額定最大扭矩48KNm，選取設(shè)備滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 （4）電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算得出是27.69KW，實(shí)際選取設(shè)備時(shí)應(yīng)稍大于這個(gè)數(shù)值。 （5）通過(guò)以上計(jì)算得出寶雞的CYJ10-3-48HB型號(hào)抽油機(jī)比較合適。認(rèn)識(shí) 本次課題通過(guò)已知地層及設(shè)備參數(shù)，通過(guò)原

33、理驗(yàn)證設(shè)計(jì)出了較合適的抽油井系統(tǒng)。通過(guò)此次課題設(shè)計(jì)，使我對(duì)熟悉了抽油井系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、采油設(shè)備計(jì)算編程方法并對(duì)一些設(shè)備型號(hào)、設(shè)計(jì)參數(shù)有所認(rèn)識(shí)。在抽油井系統(tǒng)中，抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵三者之間互相配合、互相制約，因此在設(shè)計(jì)中必須將這些設(shè)備能否合理工作經(jīng)行仔細(xì)考慮驗(yàn)證。 在生產(chǎn)井同等條件下，井底壓力越低其產(chǎn)量越大，但并不是生產(chǎn)井底流壓越小越好，隨著井底壓力的下降，尤其是當(dāng)?shù)貙訅毫π∮陲柡蛪毫?，溶解在原油中的輕烴組分將以氣態(tài)形式溢出，這也使得原油的滲流由原來(lái)的單相流變成兩相流。由于氣體的流動(dòng)性能比液體強(qiáng)，將會(huì)造成生產(chǎn)油氣比大幅下降，地層壓力迅速下降，另外部分氣體進(jìn)入空隙的喉道后便滯留在那會(huì)進(jìn)一步降低

34、地層的滲流能力。如果生產(chǎn)過(guò)快還會(huì)造成油井出砂，加速抽油泵的磨損及增加地面處理費(fèi)用。因此在確定油井產(chǎn)量前應(yīng)對(duì)油層物性有詳細(xì)的了解，生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)對(duì)地層壓力進(jìn)行補(bǔ)充，使油田生產(chǎn)以持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)進(jìn)行。 稠油的粘度隨溫度的升高而迅速下降，因此在稠油生產(chǎn)中應(yīng)盡量保持生產(chǎn)層位及運(yùn)輸管道的溫度，這樣既能保證原油的流動(dòng)能力，又減少輸送成本。 油井在生產(chǎn)過(guò)程中，由于抽油桿、油管受力的彈性變形和原油傳導(dǎo)壓力的滯后使得抽油泵的工作效率不可能達(dá)到100%，當(dāng)生產(chǎn)壓力小于飽和壓力原油中混有氣體時(shí)，氣體的可壓縮性會(huì)是泵效急劇下降，在安裝設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮在抽油泵上安裝脫氣裝置，并定期對(duì)抽油機(jī)經(jīng)行工況檢驗(yàn)，利用示功圖判斷井下抽油

35、泵的工作狀態(tài)。 本次課題針對(duì)井深較淺的稠油油藏特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中的一些計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并在理論上通過(guò)了驗(yàn)證。由于地層及生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行考慮，如應(yīng)用條件超出本設(shè)計(jì)條件則需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。參考文獻(xiàn)1 王鴻勛，張琪等編采油工藝原理北京：石油工業(yè)出版社，19892 王常斌，鄭俊德，陳濤平編著機(jī)械采油工藝原理北京：石油工業(yè)出版社，19983 李子豐著油氣井桿管柱力學(xué)北京：石油工業(yè)出版社，19964 胡常忠編稠油開(kāi)采技術(shù)北京：石油工業(yè)出版社，19985 蔣漢青，趙子剛編采油工藝實(shí)踐哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1993 6 葛家理主編油氣層滲流力學(xué)北京：石油工業(yè)出

36、版社，19827 美KE布朗主編升舉法采油工藝（卷一，卷二）北京：石油工業(yè)出版社，19878 蘇.列平，.尤蘇波夫等著機(jī)械采油工藝北京：石油工業(yè)出版社，19819 李曉平，李治平兩相采油指數(shù)與單相采油指數(shù)的關(guān)系及其應(yīng)用石油鉆采工藝1995（3）10 Beggs HDand Brill JP, A Study of Two Phase Flow in Inclined Pipes, JPT May1973 附錄附錄1 程序 #include<math.h> #include<stdio.h> static float X10; static float Y10; floa

37、t A,B; #define g 9.8 #define pi 3.141592654 float H,Dti,Dc,m,T; float Pr,Pb,Kl,Qt,Pwft; float fw,Co,Cw,Ym,Sm,Hs,Q; float cyj20,Pm,Mmax,l; int cch=2,cc=0; static float s5; static int n3; static float r5; float C=90,Pmax,Pmin; static float dr5=16,19,22,25,29; float wenchangfenbu(float L) float tl,W,ql

38、=0;W=Q*fw*Sm/86400*Cw/100+Q*(1-fw/100)*Ym/86400*Co;tl=(W*m/100.0+ql)*(1-exp(-1.0)*Kl*L/W)/Kl+(T-m*L/100.0);return(tl); float nd(float t) float u,uw=1.0,uo; uo=A/pow(t,B); u=uw*fw/100+uo*(1-fw/100)/1000; return(u); float hhmd() float m; m=Sm*fw/100+Ym*(1-fw/100); return(m); float jdly() float qomax,q

39、b,qc,J,Pwf,a; if(Pb<Pwft) J=Qt/(Pr-Pwft); Pwf=-Q/J+Pr; if(Pwft<Pb&&Pb<Pr) J=Qt/(Pr-Pb+Pb/1.8*(1-0.2*(Pwft/Pb)-0.8*pow(Pwft/Pb,2); qb=J*(Pr-Pb); qc=Pb/1.8*J; a=(Q-qb)/qc-1; Pwf=(-0.2+sqrt(0.2*0.2-4*0.8*a)/(2*0.8)*Pb; if(Pr<Pb) qomax=Qt/(1-0.2*(Pwft/Pr)-0.8*pow(Pwft/Pr,2); a=Q/qoma

40、x-1; Pwf=(-0.2+sqrt(0.2*0.2-4*0.8*a)/(2*0.8)*Pr; return(Pwf); float wellPs(float md) float Ps; Ps=md*g*Hs*(1e-6); return(Ps); float pumpHp(float Ps,float Pwf,float Rl) float Hp; Hp=(Pwf-Ps)*1000000/Rl/g; return(Hp); float pumpLp(float Hp) float Lp; Lp=H-Hp; return(Lp); float pumpDp() int i; float Dp; static float a7=32,38,44,57,70,83,95; Dp=sqrt(Q/360/pi/scch/ncc/0.7)*1000; for(i=0;i<6;i+) if(Dp<ai) break; Dp=ai; return(Dp); float BzfqDf(float Dp) float Df; int i; static float b12=19.050,23.813,23.575,31.750,34.925,38.100,42.683,50.800,5