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2022全国石油工程设计大赛之六采油工程设计报告范文全国石油工程设计大赛材料之六采油工程设计本次采油工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、泵、油管、抽油杆、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ph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phi. OMPao抽油井井底流压为pwf向上为多相管流,至泵下压力降至泵的沉没压 力(或者吸入口压力)pn,抽油泵为增压设备,故泵出口压力增至pz,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ph。(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。对大部份有杆抽油油井。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、泵深及相应的泵径、杆长，并求载荷、应力、扭矩、功率、产量等技术指标。42. 40. 047(1. 8t32) 0. 267 (yl. 01510API) eog1000(22)式中，og油、气的表面张力，N；P-压力,Pa.(8)水、天然气的表面张力2481. 8twg206(23. 33) 137. 78 (137. 78) (23)其中,76e3. 62575107P(23. 33)100052. 58. 7018107(137. 78)plOOO式中，wg温度为t°C时水、气的表面张力，Nm； P-压力,Pa.(9)油水混合物和天然气的表面张力log(lfw) wgfw (10)天然气的压缩因子ZTc92. 22176. 67gP6cl04.880. 39gg0. 7PC1064. 780. 25g g0.7Tr273. 15tTcPPrPcP0. 27PrRZT (迭代T) rZ1 (0. 31506P2RR此处迭代过程Z取初值1.迭代1次。P-压力,Pa.(11)天然气的密度g3. 4844103gPZ(t273. 15)Kg/m3;P-压力Pa(12)天然气的粘度天然气粘度取g1.22102mPa1. 4井筒温度场计算(迭代-2)根据经验公式计算沿井筒的温度分布：ttotrtoBATALleBATA(HL) (24)BATAHBATAKP2KPG(1FW)G10001. 15735. 4246eQL100024式中，QL油井产液量，t/d； Fw分量含水率，小数；to恒温层温度，；tr油层温度，;H油层中部深度，m；L井筒中任意点深度，mo1. 5井筒多相流计算井筒多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：2dvmmvmdpmgi nmvmfm (25)dhdhd2式中m为多相混合物的密度；vm为多相混合物的流速；fm为多相混 合物流动时的磨擦阻力系数；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。1. 5. 2多相垂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，沿程压力梯度并非常数。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已知任一点（井口或者井底）的压力Po作为起点，任选一个合适的 压力降P作为计算的压力间隔。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。估计一个对应P的深度增量h,以便根据温度梯度估算该段下端的 温度T1并确定在该和下的全部流计算出该管段的平均温度及平均压力，体性质参数（溶解气油比Rg、原油体积系数Bo和粘度o、气体密度g 和粘度g,混合物粘度m及表面张力等）。计算该段的压力梯度dPo计算对应于P的该段管长（深度差）h计。将第步计算得的h计与第步估计的h进行比较，两者之差超过允 许范围，则以新的h作为估算值，重复的计算，使计算的与估计的 h之差在允许范围内为止。计算该段下端对应的深度Li及压力PiLihPPiPJjl1o*1i=l, 2, 3,n以Li处的压力为起点，重复步，计算下一段的深度Lil和 压力P1L直到各段的累加深度等于或者大于管长（LnL）时为止。2）按压力增量迭代的步骤已知任一点（井底或者井口）的压力P0,选取合适的深度间隔h（可 将管L等分为n段）。估计一个对应于计算间隔h的压力增量Po计算该段的和，以及、 下的流体性质参数。dP计算该段压力梯度odP计算对应于h的压力增量Pih比较压力增量的估计量P与计算值Pi,若二者之差不在允许范围 内，则以计算值作为新的估计值，重复第步，使两者之差在允许范 围0之内为止。计算该段下端对应的深度Li和压力PiLiihPiPoPili以Li处的压力Pi为起点压力重复第步，计算下一段的深度 Lil和压力P1L直到各段累加深度等于或者大于管长L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。L 5. 3计算气-液两相垂直管流的Orkizewki方法本设计井筒 多相流计算采用Orkizewki方法。Orkizewki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磨擦 损失的计算方法。图1气液混合物流动型态(Orkizewki)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，其压力降是磨擦能量损失、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:dPf dhgmdhmvmdvm(26) 式中P压力，Pa；f一磨擦损失梯度，Pa/m； h深度，m；g重力加速度，m/2； m混合物密度，kg/m3； vm混合物流速，m/o动能项只是在雾流情况下才有明显的意义。浮现雾流时，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：mvmdvmWtqgdp(27)2P式中Ap管子流通截面积，m2； Wt一流体总质量流量，kg/； qg气体体积流量，m3/o将式(27)代入式(26),并取dhhk, dPpk, mm, P经过整理后可得：Pkmgflt2gAphk (28)式中Pk一计算管段压力降，Pa； hk一计算管段的深度差，m；一计算 管段的平均压力，Pao表1流型界限流动型态 界限不同流动型态下的m和f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 磨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。 泡流平均密度mHLLHgg1HgLHggHLHgl(29)式中Hg一气相存容比(含气率)，计算管段中气相体积与管段容积之 比值；HL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; g、L、m一在下气、液和混合物的密度，kg/m3o气相存容比由滑脱速度V来计算。滑脱速度定义为：气相流速与液相 流速之差。VLgtgggpgpg(30)可解出Hg：Hgllqt(lqt2g(31)ppp式中V一滑脱速度，由实验确定，m/； vg、VL一气相和液相的表观流泡流磨擦损失梯度按液相进行计算: tfLvLHvLHqLpg (32)式中f一磨擦阻力系数；vLH一液相真实流速，m/o磨擦阻力系数f可根据管壁相对粗造度/D和液相雷诺数NRe查图2。 液相雷诺数NReDvLL(33)L式中L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. o(2)段塞流混合物平均密度mWtLvApL(34)tp 式中一液体分布系数；V一滑脱速度，m/o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, 饱和压力生产数据：含水率，套压，油压，生产气油比，原产量，原流压（或 者原动液面）O（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，从而计算出采液指数及IPR曲线。1）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。从吸入至油层中部份多相管流段。通过分小段计算多相管流压力 分布，可求得测试点流压。2）根据测试点流压和产量计算IPR曲线3）给定配产量时有杆泵油井设计步骤（简化设计方法）a.利用IPR 曲线，由给定产量Q'计算流压。b.按Q'由流压向上进行多相管流计算，得不同深度处的压力分布。 普通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pwf高于饱和压力pb,则以饱和压力点 pb为分界线分为两段，pwf从到pb为一段，从pb到零为一段。若井底流滑脱速度可用Griffith和Walli提出的公式计算：vC1C2(35)(3)过渡流过渡流的混合物平均密度及磨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。mtLMgLSLgMi(36)MSMSLMgLSLggMi(37)MSMSSL及Mi、Mi为分别按段塞流和雾流计算的混合物密度及磨擦梯度。 式中的SL、雾流雾流混合物密度计算公式与泡流相同：mHLLHgg(lHg) LHgg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HgqgLg磨擦梯度则按连续的气相进行计算，即ff2gvg(39)式中vg一气体表观流速，vgqg/Ap, m/ o雾流磨擦系数可根据气体雷诺数NReg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磨擦损失系数法基本 相同，只是在计算混合物密度及磨擦之前需要根据流动型态界限确定其流 动型态。图3为Orkizewki方法的计算流程框图。图3Orkizewki方法计算流程框图1. 6抽油杆柱设计抽油杆柱设计的普通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、在考虑杆柱磨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，而杆柱的设计实用到杆、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、不考虑磨擦时的压力分布)，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：Pma某SN21790J11wJ1* 1rjqrjLrjg (41)j11WLfp (PZPN) (42)式中：qri第i级杆每米杆在空气中的质量，Kg/mLri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/2； i2iPWrjSNminWrjjl1790JH 11WrjWrjp J(frjfr1j1)j1J1J1式中：令frO=OPj一一第j级抽油杆底部断面处压力,Pa：j1PjPt 0 (Ifw) wfwg(LLt) tIPt井口油压，Pa; P 0地面油密度,kg/m3;fw体积含水率，小数；应力范围比pL计算公式：PLma 某 minallminma某Pma 某 frminPminfr(43)(44)(45) 46)抽油杆柱的许用最大应力的计算公式：all (式中：all抽油杆许 用最大应力，Pa；T0.5625min)4T抽油杆最小抗张强度，对C级杆，T=6. 3某108Pa,对D级杆 T=8. 1某108Pa;min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(小于或者 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无腐蚀性矿化水含硫化氢APID级杆APIC级杆若抽油杆的应力范围比小于pL则认为抽油杆满足强度要求，此时杆 组长度可根据2口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，抽油杆自下而上挨次增 粗，所以应先给定最小杆径(19mm)然后自下而上挨次设计。有应力范围 比的计算公式即给定的应力范围比(pL =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 径小于或者等于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pL重新设计杆的长 度。在设计抽油杆的过程中油管直径普通取2 （外径73廊，内径62mm） o 若泵,原因是作业时大柱塞径大于或者等于70mm,则油管全用3 （外 径 89mm,内径 76mm）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 3,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3油管长度比25mm杆长多10mo压pwf低于饱和压力pb,则以pwf/2为分界线分为两段，从pwf至Upwf/2 为一段，从pwf/2到零为一段。c.根据泵沉没压力内插确定泵深；d.初选杆、管直径，按Q'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；e.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；f.计算扭矩和需要机电功率等校核抽油机：g.计算泵效：从而计算 出产量QQ' Q''o若不成立，则换另一组抽汲参数，转第e步；若成立转第ih.判 断，Q步。i.计算举升效率。j.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。于是，它既是确定 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Petrobra方法。Petrobra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，按产量加权平均。1)采液指数计算已知一个测试点；pwftet> qt某t和饱和压力pb及油藏压力p。 如果pqnetwftetpb 贝 1 Jplpwftet如果pwftetpb采液指数JqtetIfP2) )wlpbbl. 8Afwlpwftet式中，A10.2(pwftetp)0. 8(pwftetbP)2b qtet一对应流压pwf某et时总产液量；fw一含水率，小数:qomz某一油IPR曲线的最大产油量。(1)某一产量qt下的流压pwfqtJ (ptpb) (3)qjpbomz 某 qb1.8若Oqlqt则pwfqtJ(5)若 qtq1qomz某则按流压加权平均进行推导得；pq1wffw (p1J)0. 125(lflw)pb (1)(4) (6)若qomz某ql,则综合IPR曲线的斜率可近似常数。pwffw (1qomz 某(qq)(8fw9)(7) )lomz 某JJ1. 3流体物性参数计算方法(1)原油密度计算1000(ol.206103Rg)oB (8)o式中，P及温度t下的原油密度，kgm3o一在压力；o地面条件下的原油相对密度；g地面条件下的气体相对密度；R一在压力p及温度下的溶解油汽比，m3n13； Bo一在压力p及温度T 下的原油体积系数。(2)原油的API度yl41.5API131. 5 (9)o式中，yAPI一原油的API度。(3)原油体积系数的计算Bo0. 9720. 000147F1. 175 (10)式中，F5.615R2. 25t40 (4)溶解油气比的计算 1)当yAPI 15时，使用tanding的相关式RSO. 17812g(8. 0558pl0A) 1. 2048 (11)式中,AO. 0125yAPI0. 00091(1. 8t32) t温度,；P一泡点压力(在多相管流中取计算段的平均压力p), Pao2)当yAPI15时，使用Latater的相关式RS23650omolyngyng(12)式中，mo一地面脱气原油的有效份子量；yng一天然气的摩尔分数。其中，mo和yng可以通过差图来获得。为便于计算，可以采用以下 公式计算mo和yng。mo的计算当 API38. 3 时 m010 当 oAPI38. 3 时 moyng的计算； o0. 66311n(1346yAPI2.1) (13)61. 933yAPI(14)0. 0943首先计算泡点压力系数；某g8. 0558pgl0(t273. 15)某 g0.5967 某 g0.275当某 g3. 448 时 yngO. 3531 In当 0.7 某 g3. 448 时 yngO. 2401 In当某 gO. 7 时 yngO. 12361n某 gO. 1223(17-1)如果计算出来的溶解油气比大于生产油气比，则等于生产油气比。 (5)油水混合液体的密度lo(lfw) wfw (18)式中,fw体积含水，小数。(6)液体黏度1)原油黏度“死油”(脱气油)黏度 od10某11000某 y(321.8t)l. 163 式中,ylOZz3. 03240. 02023yAPI “活油”(饱和油)黏度;A(10000D)B01000 (20)式中，A10. 715(5. 615RS100) 0. 515B5.44(5. 615RS150)0. 3380D,。一原油死油与活油黏度，Pa。2)水的黏度2(321.8t)1.982105(321.8t) 2welOOO式中，w一水的黏度，Pa3)液体的黏度lo (Ifw) wfw