石油工程采油工程

石油工程采油工程

采油工程课程设计

姓名：李健星

班级： 1班

学号： 915463

中国石油大学（北京）

二O一二年四月

目录

1、设计基础数据： (1)

2、具体设计及计算步骤 (2)

（1）油井流入动态计算 (2)

（2）流体物性参数计算方法 (4)

（3）井筒温度场的计算 (6)

（4）井筒多相流的计算 (7)

（5）悬点载荷和抽油杆柱设计计算 (16)

（6）抽油机校核 (21)

(7) 泵效计算 (21)

(8) 举升效率计算 (24)

3、设计计算总结果 (26)

有杆抽油系统包括油层，井筒流体、油管、抽油杆、泵、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，使生产压力差合理，抽油设备工作安全、高效及达到较好的经济效益。

本次采油工程课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、设计基础数据：

井深：2000+学号末两位63×10m=2630m

套管内径：0.124m

油层静压：给定地层压力系数为 1.2MPa/100m，即油层静压为井深2630m/100m×1.2MPa=31.56MPa

油层温度：90℃

恒温层温度：16℃

地面脱气油粘度：30mPa.s

油相对密度：0.84

气相对密度：0.76

水相对密度：1.0

油饱和压力：10MPa

含水率：0.4

套压：0.5MPa

油压：1 MPa

生产气油比：50m3/m3

原产液量(测试点)：30t/d

原井底流压(测试点)：12MPa（根据测试液面计算得到）

抽油机型号：CYJ10353HB

配产量：50t/d

泵径：44mm(如果产量低泵径可改为56mm，70mm)

冲程：3m

冲次：6rpm

沉没压力：3MPa

电机额定功率：37kw

2、具体设计及计算步骤

（1）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。因而，他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Petrobras方法。Petrobras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，是按产量加权平均；当预测产量或流压加权求平均值。

采液指数计算

已知一个测试点：wftest P 、txest q 和饱和压力b P 及油藏压力P 。 ① 因为wftest P ≥b P ，1j =

wfest

txwst P P q -1=

)

124.26(30

-=2.083t/(d.MPa)

某一产量t q

下的流压Pwf

b q =j(b P P -1)=2.083 x （26.4－10）=34.161t/d m o zx q =b q +

8.1b jP =34.161+8

.110083.2?=45.733t/d omzx q -油IPR 曲线的最大产油量。

① 当0?q t ?b q 时，令q 1t =10 t/d ，则p 1wf =j q P t -

1=083

.210

4.26-=21.599MPa 同理，q 2t =20 t/d ，P 2wf =16.798MPa q 3t =30 t/d ，P 3wf =11.998 MPa

② 当q b ?q t ?omzx q 时，令q 4t =40 t/d,则按流压加权平均进行推导得：

P 4wf =f )(1j q P t w -

+0.125(1-f w )P b

=0.4)083

.240

4.26(-

?+0.125×(1-0.4)×10×[-1+])161

.34733.45161

.3440(8081---

=6.910MPa

当q omzx ?q t 时，1()(89)

()omzx t omzx w wf w q q q f p f p J J

--=-

-

令q 6t =46t/d

P wf =0.4)083.2733.454.26(-

?－

083

.2)

94.08()733.4546(-??- =2.521MPa

综上，井底流压与产量的关系列表如下：

得到油井的流入动态曲线如下图：

图1 油井IPR 曲线

（2） 流体物性参数计算方法

在地层的压力26.4Mpa 和温度90℃时。

① 原油的API 度

y API =

5.1315.1410-y =5.13184

.05

.141-= 36.95 o y —地面条件下的原油相对密度：0.84。

② 溶解油气比的计算

因为15?y API =36.95，使用Lastater 的相关式

236501ng

o

S o ng

y R m y γ=?

?

- （12）

式中，o m —地面脱气原油的有效分子量；

ng y —天然气的摩尔分数。 o m 的计算

y API <38时 0943

.0933.61API

o y m -=

=264.93

ng y 的计算：

首先计算泡点压力系数：5

8.055810(273.15)

g g p x t γ??=

?+=1.69

由448.37.0<

g ng x y ln

=? =0.4398

所以： R S =23650*ng

ng y y m y -1*00

=58.8733m m

③ 原油的体积系数的计算

5.615 2.2540F R t =+=55

6.92 B 0=0.972+0.000147*F 175.1=1.22 m 3/ m 3 ④ 原油密度计算

P 0=0

30)10*206.1(1000B y R y S S -+=732.75kg/m 3

式中，P

-在压力P及温度T下的原油密度，kg/m3；

y

-地面条件下的原油相对密度；

y

s

-地面条件下的气相对密度；

R

S

-在压力P及温度T下的溶解油气比，m3/ m3；

B

-在压力P及温度T下的原油体积系数，m3/ m3⑤油水混合液体的密度

P

z =

w

w

w

f

p

f

p*

)

1(*

+

-=839.65 kg/m3

⑥液体粘度

1）原油粘度

“死油”（脱气油）粘度

μ

od =

1000

1

10-

x

=0.2184

101

1000

-=6.5355*104-Pa.s

式中x=y*（32+1.8t）163.1-=0.2184（地面）y=100

“活油”（饱和油）粘度

A=10.715*(5.615R

s

+100)515.0-=0.4715

B=5.44*（5.615R

s

+150）338.0-=0.6748

μ

o =

1000

*

1000

(*B

od

A）

μ=3.5386*104-Pa.s

μ

od 、μ

O

为原油死油与活油的粘度，单位为Pa.s

2）水的粘度

μ

w =

252

1.0031.47910(32 1.8) 1.98210(32 1.8)

1000

t t

e--

-?++??+

= 1.12

1000

e-

=3.262*104-Pa.s

式中，μw 为水的粘度，单位为Pa.s 3)液体的粘度

μ=μo .(1-f w )+μw *f w =3.428*104

-Pa.s

⑦ 油、天然气的表面张力

σog =

7

1.01510

[42.40.047(1.832)0.267()]1000

P

API t y e --?-+-?

=3.916 N/m

式中，σog 为油、气的表面张力，N/m ； ⑧ 水、天然气的表面张力 σ)(t ={

[σ206

8.1248t

-)33.23(-σ78.137]+σ)78.137(} 其中，σ)33.23(=

1000

767

10

*62575.3P

e --=0.1277 N/m

σ78.137=1000

10*7018.85.527p

--=3.717*102- N/m

所以σ)(t ={

[σ206

8.1248t

-)33.23(-σ78.137]+σ)78.137(} =7.496*102- N/m

（3） 井筒温度场的计算

根据经验公式计算沿井筒的温度分布： []

)(1L H B ATA ATA o

r o ATA e L B H

B t t t t -?--+???-+

= （24）

)

1(2W P

ATA F G K B +??=

π

1000

4246.51573.11

G P e

K -

?+=

24

1000

?=

L Q G 式中，L Q ——油井产液量，t/d ； w F ——重量含水率，小数；

o t ——恒温层温度，℃；

r t ——油层温度，℃；

H ——油层中部深度，m ；

L ——井筒中任意点深度，m 。 得出：G=

501000

24

?=2083.33； 2083.331000

1

1.1573 5.4246P K e

-=+?=0.54563；

20.545632083.33(10.4)

ATA

B π?=?+=1.17542?103

- 所以温度的表达式：3

1.1754210(1000)

1662.95621.175421L t e --??-??=+?+-?

?

,该公式是按照配产流量得出的，即Q=50 t/d 。 （4）井筒多相流的计算 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：

=dh

dp

ρm gsinθ+ρm v m m m f dh dv +ρm /d*22

m v

式中ρm 为多相混合物的密度;v m 为多相混合物的流速;f m 为多相

混合物流动时的摩擦阻力系数;d为管径;p为压力;h为深度;g为重力加速度; θ为井斜角的余角。

井筒多相管流计算包括两部分：

1）由井底向上计算至泵入口处，计算下泵深度Lp。采用深度增量迭代方法，首先估算迭代深度。在本设计中为了减小工作量，采用只迭代一次的方法。计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流体物性参数，然后利用Orkiszewski方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出深度增量和下泵深度Lp。

按深度增量迭代的步骤:

①井底流压12Mpa，假设压力降为0.2 Mpa；估计一个对

应的深度增量h?=40m，即深度为1990m。

②由井温关系式可以计算得到该处的井温为：89.96℃。

③平均的压力和温度：T=（90+89.96）/2=89.98℃。平均压

力P=（12+11.8）/2=11.9 MPa。由平均压力和平均温度

计算的得到流体的物性参数为：溶解油气比R

S

=71.31 ；

原油体积系数B

0=1.25；原油密度P

=739.00；油水混合

液的密度P

z =843.40；死油粘度μ

od

=6.537*104-；活油

粘度μ

O =3.318*104-；水的粘度μ

w

=3.263*104-；液体的

粘度μ= 3.296*104-。以上单位均是标准单位。

④由以上的流体物性参数判断流型：

不同流动型态下的

m

ρ和fτ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。

表1 流型界限

其中B L =1.071-0.7277

2/t D 且B L >0.13（如果B L <0.13，则取B L =0.13）；

S L =50+36 g v

g t

q q ；

M L =75+84 （g

v g t

q q ）

0.75

。

由计算得到，由于该段的压力大于饱和压力的值，所以该段的流型为纯液流。 ⑤

计算该段的压力梯度

dh

dP

。由压力梯度的计算公式：

m m m m f dv v dh g dh dP ρ+ρ+τ=-

m ρ=843.40；摩擦损失系数可由图二查得。

可据此计算对应于P ?的该段管长(深度差)计

h ?。

⑥ 将第⑤步计算得的计

h ?与第①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②～⑤的计算，使计算的与估计的h ?之差在允许范围ε内为止。该

过程之中只迭代一次。

2）由井口向下计算至泵出口处，计算泵排出口压力P Z 。采用压

力增量迭代方法，首先估算迭代压力。同样为了减小工作量，也采用只迭代一次的方法。计算井筒多相管流时，首先计算井筒温度场、流体物性参数，然后利用Orkiszewski 方法判断流型，进行压力梯度计算，最后计算出压力增量和泵排出口压力P Z 。 按压力增量迭代的步骤

①已知任一点(井底或井口)的压力0

P ，选取合适的深度间隔

h ?(可将管L 等分为n 段)。

②估计一个对应于计算间隔h ?的压力增量P ?。 ③计算该段的T 和P ，以及P 、T 下的流体性质参数。

④计算该段压力梯度o

dh dP ???

?

?

⑤计算对应于h ?的压力增量o

i

dh dP h P ??? ???=?

⑥比较压力增量的估计量P ?与计算值i

P ? ，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②～⑤步，使两者之差在允许范围o

ε之内为止。

⑦计算该段下端对应的深度i

L 和压力i

P

h i L i ??=

∑?+=i

i o i P P P 1

⑧以i

L 处的压力i

P 为起点压力重复第②～⑦步，计算下一段的

深度1

+i L 和压力1

+i P ，直到各段累加深度等于或大于管长L 时为止。

1.5.3计算气-液两相垂直管流的Orkiszewski 方法 本设计井筒多相流计算采用Orkiszewski 方法。

Orkiszewski 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摩擦损失的计算方法。

图1 气液混合物流动型态(Orkiszewski)

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，其压力降是摩擦能量损失、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：

m m m m f dv v dh g dh dP ρ+ρ+τ=- (26)

式中 P

—压力，Pa ；

f

τ—摩擦损失梯度，Pa/m ；

h —深度，m ； g —重力加速度，m/s

2

；

m ρ—混合物密度，kg/m

3

；

m v —混合物流速，m/s 。

动能项只是在雾流情况下才有明显的意义。出现雾流时，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：

dp P

A q W dv v p g

t m m m 2

-

=ρ (27)

式中 p A —管子流通截面积，m

2

；

t W —流体总质量流量，kg/s ；

g q —气体体积流量，m

3

/s 。

将式(27)代入式(26)，并取k

h dh ?-=，k

p dP ?=，m m

ρρ=，P P =经过整

理后可得：

=?k P k p g

t f

m h P

A q W g ?-+]1[

2

τρ (28)

式中 k P ?—计算管段压力降，Pa ； k h ?—计算管段的深度差，m ；

P —计算管段的平均压力，Pa 。

不同流动型态下的m

ρ和f

τ的计算方法不同,下面按流型分别介绍。

(1)泡流

平均密度

g

g

L

L

m

H H ρ+ρ=ρ()g

g

L

g

H H ρ+ρ-=1

1=+g

L

H H

式中

g H —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；

L H —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；

m g ρρρ、、Ｌ—在T

P 、下气、液和混合物的密度，kg/m 3。

气相存容比由滑脱速度s

V 来计算。滑脱速度定义为：气相流速与液相流速之差。

)

1(1g p g t g p g g sL g sg s H A q q H A q H v

H v v ---=--=

可解出g

H ：H g =

p

s g p s t p s t A v q A v q A v q 4)1(1[21

2-+-+

式中 s v —滑脱速度，由实验确定，m/s ；

sg v 、sL v —气相和液相的表观流速，m/s 。

泡流摩擦损失梯度按液相进行计算： 2

2LH L t v D f

ρ=τ

)

1(g p L

LH H A q v -=

式中 f

—摩擦阻力系数；

LH v —液相真实流速，m/s 。

摩擦阻力系数f 可根据管壁相对粗造度D /ε和液相雷诺数Re

N 查图2。

液相雷诺数: L

L

sL Dv N μρ=

Re

式中

L μ—在T

P 、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.s 。

图 2

(2)段塞流混合物平均密度

L p

s t p

s L t m A v q A v W δρ++ρ+=

ρ (34)

式中 δ

—液体分布系数；

s v —滑脱速度，m/s 。

滑脱速度可用Griffith 和Wallis 提出的公式计算：

gD

C C v s 21=

(35)

(3)过渡流

过渡流的混合物平均密度及摩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。

Mi S M s g SL S M g M m L L L

v L L v L ρ--+ρ--=ρ (36) Mi S

M g g SL S M g M t L L L

v L L v L τ--+τ--=

τ (37)

式中的SL

ρ、SL

τ及Mi

ρ、Mi

τ为分别按段塞流和雾流计算的混合物

密度及摩擦梯度。

(4)雾流

雾流混合物密度计算公式与泡流相同：

g

g

L

g

g

g

L

L

m

H H H H ρ+ρ-=ρ+ρ=ρ)1(

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

g

L g g q q q H +=

(38)

摩擦梯度则按连续的气相进行计算，即

D

v f

sg

g f 22ρ=τ (39)

式中

sg v —气体表观流速，p g sg A q v /=

，m/s 。

雾流摩擦系数可根据气体雷诺数()g

N Re 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摩擦损失系数法基本相同，只是在计算混合物密度及摩擦之前需要根据流动型态界限确定其流动型态。图3为Orkiszewski 方法的计算流程框图。

图3 Orkiszewski方法计算流程框图

（5）悬点载荷和抽油杆柱设计计算

抽油杆柱设计的主要应用《采油工程设计与原理》。因为杆柱的最大、最小载荷与杆长不是线性关系，设计相对复杂。例如在考虑抽油杆弹性时的悬点载荷、在考虑杆柱摩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，而杆柱的设计又用到杆、管环空中的压力分布。

本次课程设计仅将杆、管环空中的压力分布给定（按油水两相、不考虑摩擦时的压力分布），杆柱的最大、最小载荷公式采用与杆长