采油工程課程設(shè)計(jì)

1、西安石油大學(xué)海洋采油工程課程設(shè)計(jì)目錄1.前言12.設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟22.1采液指數(shù)與流壓關(guān)系22.1.1計(jì)算采液指數(shù)22.1.2由各關(guān)系式作IPR曲線32.2計(jì)算井底的流動壓力42.3做充滿程度與沉沒壓力的關(guān)系曲線42.4初選下泵深度和動液面62.5初選抽油機(jī)和泵徑72.6確定沖程和沖次92.7 抽油桿柱設(shè)計(jì)92.8計(jì)算泵效122.9 產(chǎn)量校核122.10作泵效下泵深度曲線，優(yōu)選下泵深度132.11抽油機(jī)校核（最大扭矩、最大載荷）132.11.1計(jì)算泵筒與柱塞間半干摩擦力132.11.2 計(jì)算液體通過排出閥的水力阻力所產(chǎn)生的對柱塞底部的向上推力142.11.3 計(jì)算作用于抽油桿柱底部液體上浮力1

2、42.11.4 計(jì)算下行程時抽油桿柱底部所受的總下行阻力152.11.5求抽油桿柱按長度加權(quán)平均截面積152.11.6計(jì)算油管柱金屬部分橫截面積152.11.7 計(jì)算抽油桿柱在液體中的重力152.11.8 計(jì)算作用在抽油泵柱塞上的液體載荷152.11.9 計(jì)算抽油機(jī)從上沖程開始到液柱載荷加載完畢時（初變形期）懸點(diǎn)位移162.11.10 計(jì)算抽油機(jī)從上沖程開始到液柱載荷加載完畢時（初變形期）曲柄轉(zhuǎn)角162.11.11 計(jì)算變形分布系數(shù)162.11.12計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷、最小載荷162.11.13 計(jì)算曲柄軸最大扭矩172.12各種功率的計(jì)算172.12.1計(jì)算有效（水力）功率172.12.2計(jì)算

3、光桿功率172.12.3 計(jì)算井下效率182.12.4 計(jì)算電動機(jī)輸出的平均功率182.13 確定平衡半徑182.14確定泵型及其間隙等級202.14.1泵筒與柱塞間半干摩擦力202.14.2泵型的確定和參數(shù)203設(shè)計(jì)結(jié)果204.參考文獻(xiàn)211.前言為適應(yīng)我國石油工業(yè)發(fā)展和石油工程專業(yè)的學(xué)習(xí)計(jì)劃，石油高等院校本科學(xué)習(xí)階段必須完成一定的設(shè)計(jì)內(nèi)容，培養(yǎng)已學(xué)完基礎(chǔ)知識理論和專業(yè)課程的學(xué)生利用已獲得的知識去分析、解決工程實(shí)際問題的能力，即根據(jù)一口井的有關(guān)數(shù)據(jù)資料和技術(shù)要求，能夠完成一口井的采油工程設(shè)計(jì)。其目的是為了提高學(xué)生的實(shí)際分析能力和自主設(shè)計(jì)能力，為現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)，為將來的油田工作做好準(zhǔn)備

4、。油田開發(fā)是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其對油田以后的發(fā)展有著重要的意義。在油田正式開發(fā)之前，必須編制油田開發(fā)總體建設(shè)方案，作為油田開發(fā)工作的指導(dǎo)性文件。采油工程方案是油田開發(fā)方案的一個重要組成部分和方案實(shí)施的核心。采油工程的任務(wù)是通過對產(chǎn)油井和注入井采取一系列工程技術(shù)措施作用于油藏，使油氣暢流入井，并舉升到地面進(jìn)行分離和計(jì)量；其主要目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)有效的提高油井產(chǎn)量和原油采收率。采油方式的選擇是采油工程設(shè)計(jì)的重要部分。目前，采油方式分為自噴氣舉采油、有桿泵采油和無桿泵采油，而有桿泵采油方式占主導(dǎo)地位，約占人工舉升井?dāng)?shù)的90，所以，有桿泵抽油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采油工程設(shè)計(jì)方案中的重要一部分；通過對有桿泵抽油

5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以對抽油機(jī)進(jìn)行選擇，從而使泵效較高來提高采收率，并且按照設(shè)計(jì)來選擇最佳的泵型、泵徑、沖程、沖次和泵深等，用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備獲得最好的產(chǎn)量。因此，對有桿泵抽油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是必要的，也是相當(dāng)重要地的。本設(shè)計(jì)就是對有桿泵抽油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為給定的某一口井選擇合理的機(jī)、桿、泵組合，并確定其工作參數(shù)，以便進(jìn)行正常的油氣生產(chǎn)，從而經(jīng)濟(jì)有效的提高油井產(chǎn)量和原油采收率。2.設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟2.1采液指數(shù)與流壓關(guān)系 2.1.1計(jì)算采液指數(shù)由生產(chǎn)數(shù)據(jù)知，(test)=6.26MPa=12MPa，故為油氣水三相流動。產(chǎn)液量： (2-1)采液指數(shù)： (2-2)其中則 (2-3) (2-4) (2-5)式中：J1-

6、采液指數(shù), ；-純油產(chǎn)量, m3/d；-純水產(chǎn)量, m3/d；-含水率,小數(shù)；-由IPR曲線的最大產(chǎn)油量,m3/d；qt-對應(yīng)流壓的總產(chǎn)液量, m3/d；-飽和壓力下的產(chǎn)液量, m3/d。生產(chǎn)時含水率為25%當(dāng)時，此時產(chǎn)液表達(dá)式： 當(dāng)時，由式（1-2）和（1-3）可求出此時產(chǎn)液表達(dá)式： (2-6)2.1.2由各關(guān)系式作IPR曲線表2-1 流壓與流量關(guān)系表(Mpa)02468101214161711.710.9610.078.977.686.184.492.690.900圖2-1 IPR曲線圖2.2計(jì)算井底的流動壓力在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中，產(chǎn)液量： (2-7)根據(jù)IPR曲線，代入（2-6）式計(jì)算可得: 井

7、底的流動壓力=9.94MPa2.3做充滿程度與沉沒壓力的關(guān)系曲線利用充滿系數(shù)和沉沒壓力的關(guān)系式確立沉沒壓力(采油工程手冊上冊)， (2-8)式中： 充滿系數(shù)，小數(shù)； k 彈性變形的影響，初選為0.1； 余隙百分?jǐn)?shù)，初選為0.1； P沉沒壓力，MPa； 地面氣油比，； 天然氣溶解系數(shù)，； 天然氣進(jìn)泵系數(shù)； 泵徑面積，； 套管面積，； 油管外圓面積，。部分參數(shù)的確定：套管內(nèi)圓面積油管外圓面積油管內(nèi)圓面積天然氣進(jìn)泵系數(shù)地面氣油比 (2-9)溶解氣油比 其中： 把計(jì)算出的數(shù)值代入(2-8)式中整理，得： (2-10)或 圖2-2 充滿程度與沉沒壓力的關(guān)系曲線2.4初選下泵深度和動液面 假設(shè)沉沒度=40

8、0m各個變量之間的關(guān)系如下圖所示： 圖2-3 含水井的油水界面由井底流動壓力 (2-11)得：其中：（）流壓，MPa；油層中部深度,m； 泵掛深度,m； 沉沒度,m； 重力加速度, ； 井內(nèi)混合物平均密度,kg/m³； 吸入口以上環(huán)形空間油柱平均密度, kg/m³； 套壓,MPa。部分參數(shù)的計(jì)算： ，把吸入口以上環(huán)形空間油柱平均密度看成是純油的密度； =0.85675%+125%=0.892g/=892把井內(nèi)混合物平均密度看成是含水率為25%的油水合物的密度。將已知條件代入(2-13)式中，得下泵深度：L =1416m。動液面深度動液面高度2.5初選抽油機(jī)和泵徑 由前面知，

9、下泵深度為1416m，產(chǎn)液量為6.23m³/d。采油工程手冊（上）中的圖表如下圖所示：圖2-4 選取抽油機(jī)的示意圖圖2-5 選取抽油桿、油管對應(yīng)的尺寸圖當(dāng)下泵深度為1416m時，根據(jù)圖2-4，從橫坐標(biāo)1416m處向上引垂線，縱坐標(biāo)6.23m³/d處向右引水平線，兩線的交點(diǎn)確定的區(qū)域所對應(yīng)的抽油機(jī)為：CYJ5-1.8-18F，泵徑為28mm，從交點(diǎn)向上延長上述橫坐標(biāo)的垂線，和最大排量曲線相交于一點(diǎn)，此點(diǎn)所對應(yīng)的為最大排量16.5m³/d。所對應(yīng)的抽油桿直徑為22×19mm在采油工程（第二版）中推薦：合金鋼抽油桿（D級）比例為27×73。另外，最大

10、懸點(diǎn)載荷為50kN,光桿最大沖程為1.8m,最大沖次12,減速箱曲柄軸最大允許扭矩為18kN·m。2.6確定沖程和沖次由可得在抽油機(jī)工作過程中有下列關(guān)系： (2-12) 由前面知， 當(dāng)時，由于故選：沖次，沖程2.7 抽油桿柱設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)抽油桿柱時必須滿足： （1）抽油桿應(yīng)具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度的能力；（2）抽油桿的重量應(yīng)盡量小。桿柱有關(guān)參數(shù)如下表2-4（采油工程原理與設(shè)計(jì)）：表2-4 每米抽油桿的質(zhì)量直徑（m）桿柱截面積（cm²）單位長度的重量（kg/m）192.852.30223.803.07根據(jù)前面推薦的比例并經(jīng)過計(jì)算，得：直徑為22mm桿柱的長度為382m，直徑為19mm

11、的桿柱長度為1034m。在計(jì)算時，選擇經(jīng)驗(yàn)公式 (2-13)（因?yàn)樗捎糜谥猩畹退俚挠途?，而且考慮了液柱的動載）對于第一個截面：桿柱自重=(2.30×1034+3.07×382)×9.81=34835N液柱在柱塞面積上的重力(柱塞面積為6.16 cm²):=6.16×0.0001×1416×9.81×892=7633N = (34835+7633) ×(1+1.8×6/137) =45816N= (2.85×1034+3.80×382)×(7.85-0.892) &

12、#215;9.81×0.1-(34835×1.8×6²×0.75)/1790=29077N =120.6循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅： =22.1折算應(yīng)力：經(jīng)對不同條件下的各種鋼材進(jìn)行疲勞研究，并將研究結(jié)與油田實(shí)際數(shù)據(jù)對比得出D級抽油桿的許用應(yīng)力為70。<70因此，它滿足工程要求。對于第二個截面：桿柱自重=(2.30×1034)×9.81=23330N液柱在柱塞面積上的重力(柱塞面積為6.16):=6.16×0.0001×1416×9.81×892=7633N = (23330+7633)

13、×(1+1.8×6/137) =33404N=(2.85×1034)×(7.85-0.892)×9.81×0.1-(23330×1.8×6²×0.75)/1790 =19482N 循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅：=24.4折算應(yīng)力：經(jīng)所對不同條件下的各種鋼材進(jìn)行疲勞研究，并將研究結(jié)果與油田實(shí)際數(shù)據(jù)對比得出D級抽油桿的許用應(yīng)力為70。<70因此，它滿足工程要求。由于所用的油桿的鋼級符合設(shè)計(jì)的要求，不需要加上加重桿。2.8計(jì)算泵效 泵效的一般表達(dá)式為： (2-14) 式中：桿、管彈性伸縮對泵效的影響； 泵的

14、充滿系數(shù)； 泵漏失對泵效影響的漏失系數(shù)，此處取1.0；為吸入條件下抽汲液體的體積系數(shù)，查地層油體積系數(shù)圖版可得：=1.216（油層物理）。 沖程損失： (2-15) (2-16)即=62.3%因?yàn)樵O(shè)計(jì)的井為直井，泵掛深度在1300m和1700m之間，根據(jù)國家抽油泵的選擇標(biāo)準(zhǔn)選取的泵為底部固定的定井筒桿式泵，其型號為：CYB28RHBC-4.5-0.6-0.3。一般情況下，此型號的泵的理論排量為5m³/d至62m³/d。因此，它能滿足生產(chǎn)要求。2.9 產(chǎn)量校核理論產(chǎn)液量:實(shí)際產(chǎn)量： 誤差：<10%因此，它能滿足工程要求2.10作泵效下泵深度曲線，優(yōu)選下泵深度本組所做的數(shù)

15、據(jù)，泵效與下泵深度見下表，并作出泵效與下泵深度關(guān)系曲線圖如下。表2-3 泵效與下泵深度表下泵深度（m）泵效12250.45313200.51814160.62315130.52816080.386圖2-6 泵效與下泵深度曲線由上圖可以優(yōu)選出最優(yōu)下泵深度為本人所選的L=1416m,泵效=62.3%。2.11抽油機(jī)校核（最大扭矩、最大載荷）2.11.1計(jì)算泵筒與柱塞間半干摩擦力 (2-17)式中：DP泵徑，mm；柱塞與襯套間的空隙，由采油工程手冊查得=0.02-0.07，這里取=0.05。2.11.2 計(jì)算液體通過排出閥的水力阻力所產(chǎn)生的對柱塞底部的向上推力計(jì)算雷諾 (2-18) 式中：排出閥座孔

16、直徑，m，(可由采油手冊查得，= DP /3)； 抽吸液體動力粘度，取5mPa.s。求流量系數(shù)Re3104時，=0.28=0.00932=6.7910-5m2目前現(xiàn)場所用的抽油泵中游動閥1個或2個，此處選=1 (2-19)式中：排出閥數(shù)目，此處取1個；Ao 排出閥座孔面積, m2 ； 抽油泵柱塞截面積, m2。2.11.3 計(jì)算作用于抽油桿柱底部液體上浮力2.11.4 計(jì)算下行程時抽油桿柱底部所受的總下行阻力2.11.5求抽油桿柱按長度加權(quán)平均截面積 (2-20)2.11.6計(jì)算油管柱金屬部分橫截面積2.11.7 計(jì)算抽油桿柱在液體中的重力 式中：-抽油桿材料的密度，g/ cm3；-抽汲液體的

17、密度，g/ cm3。2.11.8 計(jì)算作用在抽油泵柱塞上的液體載荷式中：柱塞的截面積，； L下泵深度，m； hs沉沒度，m； po油壓，MPa。2.11.9 計(jì)算抽油機(jī)從上沖程開始到液柱載荷加載完畢時（初變形期）懸點(diǎn)位移 （油管錨定）E鋼的彈性模量，Pa（油管未錨定）由于，所以油管無需錨定2.11.10 計(jì)算抽油機(jī)從上沖程開始到液柱載荷加載完畢時（初變形期）曲柄轉(zhuǎn)角2.11.11 計(jì)算變形分布系數(shù)2.11.12計(jì)算懸點(diǎn)最大載荷、最小載荷式中應(yīng)力波在抽油桿柱中的傳播速度，=4968 m/s式中C下沖程動載荷修正系數(shù),一般C=0.850.92.11.13 計(jì)算曲柄軸最大扭矩抽油機(jī)CYJ5-1.8-

18、18F的懸點(diǎn)最大載荷為50kN，減速箱曲柄軸最大允許扭矩為18kN·m。由于=45.352kN<50kN，=8.908kN·m<18kN·m，均滿足要求。2.12各種功率的計(jì)算2.12.1計(jì)算有效（水力）功率有效提升高度： 由前知，=L-=1416-400=1016m所以2.12.2計(jì)算光桿功率 光桿功率 2.12.3 計(jì)算井下效率井下效率為 2.12.4 計(jì)算電動機(jī)輸出的平均功率 一般情況下抽油機(jī)的效率為80%（除嚴(yán)重的低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)外）。 平均輸出功率 2.13 確定平衡半徑 平衡扭矩計(jì)算式：式中：平衡重所儲存的能量； 抽油桿柱在油中的重量，N； 油井中動液面以上，斷面積等于柱塞全面積的油柱重，N； S驢頭懸點(diǎn)的沖程長度，m。由抽油機(jī)型號CYJ5-1.8-18F可知，表2-5 CYJ5-1.8-18F參數(shù)表結(jié)構(gòu)不平衡重曲柄重心單塊平衡塊質(zhì)量W/kg平衡塊數(shù)量單塊曲柄質(zhì)量/kg21001780350016501.2400曲柄500游梁40曲柄4 ，游梁10522.5 N 式中：；曲柄平衡塊總重N；曲柄重心與曲柄之間的距離mm；曲柄自重N；曲柄半徑mm；游梁平衡塊重mm。2.14確定泵型及其間隙等級 2.14.1泵筒與柱塞間半干摩擦