2022全國石油工程設(shè)計大賽之六采油工程設(shè)計報告范文全國石油工程設(shè)計大賽材料之六采油工程設(shè)計本次采油工程設(shè)計的主要內(nèi)容是進(jìn)行有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計，通過設(shè)計計算，讓學(xué)生了解有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)的組成、設(shè)計原理及設(shè)計思路。1.有桿泵抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計1.1有桿抽油生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計原理有桿抽油系統(tǒng)包括油層，井筒流體、泵、油管、抽油桿、抽油機(jī)、電動機(jī)、地面出油管線直到油氣分離器。有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計就是選擇合理的機(jī)，桿，泵，管以及相應(yīng)的抽汲參數(shù)，目的是挖掘油井潛力，使生產(chǎn)壓差合理，抽油設(shè)備工作安全、高效及達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。在生產(chǎn)過程中，井口回壓ph基本保持不變，可取為常數(shù)。它與出油管線的長度、分離器的入口壓力有關(guān)，此處取phi.OMPao抽油井井底流壓為pwf向上為多相管流,至泵下壓力降至泵的沉沒壓力(或者吸入口壓力)pn,抽油泵為增壓設(shè)備,故泵出口壓力增至pz,稱為泵的排出口壓力.在向上,為抽油桿油管間的環(huán)空流動.至井口，壓力降至井口回壓ph。(1)設(shè)計內(nèi)容對剛轉(zhuǎn)為有桿泵抽油的井和少量需調(diào)整抽油機(jī)機(jī)型的有桿抽油井可初選抽油機(jī)機(jī)型。對大部份有桿抽油油井。抽油機(jī)不變，為己知。對于某一抽油機(jī)型號，設(shè)計內(nèi)容有：泵徑、沖程、沖次、泵深及相應(yīng)的泵徑、桿長，并求載荷、應(yīng)力、扭矩、功率、產(chǎn)量等技術(shù)指標(biāo)。[42.40.047(1.8t32)0.267(yl.01510API)]eog1000(22)式中，og—油、氣的表面張力，N；P-壓力,Pa.(8)水、天然氣的表面張力2481.8twg206[(23.33)137.78](137.78)}(23)其中,76e3.62575107P(23.33)100052.58.7018107(137.78)plOOO式中，wg—溫度為t°C時水、氣的表面張力，Nm；P-壓力,Pa.(9)油水混合物和天然氣的表面張力log(lfw)wgfw(10)天然氣的壓縮因子ZTc92.22176.67gP6cl04.880.39gg0.7PC1064.780.25gg0.7Tr273.15tTcPPrPcP0.27PrRZT(迭代T)rZ1(0.31506P2RR此處迭代過程Z取初值1.迭代1次。P-壓力,Pa.(11)天然氣的密度g3.4844103gPZ(t273.15)Kg/m3;P-壓力Pa(12)天然氣的粘度天然氣粘度取g1.22102mPa1.4井筒溫度場計算(迭代-2)根據(jù)經(jīng)驗公式計算沿井筒的溫度分布：ttotrtoBATALleBATA(HL)(24)BATAHBATAKP2KPG(1FW)G10001.15735.4246eQL100024式中，QL——油井產(chǎn)液量，t/d；Fw——分量含水率，小數(shù)；to恒溫層溫度，℃；tr——油層溫度，℃;H——油層中部深度，m；L——井筒中任意點(diǎn)深度，mo1.5井筒多相流計算井筒多相流壓力梯度方程井筒多相管流的壓力梯度包括：因舉高液體而克服重力所需的壓力勢能、流體因加速而增加的動能和流體沿管路的摩阻損失，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：2dvmmvmdpmginmvmfm(25)dhdhd2式中m為多相混合物的密度；vm為多相混合物的流速；fm為多相混合物流動時的磨擦阻力系數(shù)；d為管徑；p為壓力；h為深度；g為重力加速度；為井斜角的余角。1.5.2多相垂直管流壓力分布計算步驟根據(jù)多相管流的壓力梯度就可計算出沿程壓力分布。由于多相管流中每相流體影響流動的物理參數(shù)(密度、粘度等)及混合物密度和流速都隨壓力和溫度而變，沿程壓力梯度并非常數(shù)。因此，多相管流需要分段計算，并要預(yù)先求得相應(yīng)段的流體性質(zhì)參數(shù)。然而，這些參數(shù)又是壓力和溫度的函數(shù)，壓力卻又是計算中需要求得的未知數(shù)。所以，多相管流通常采用迭代法進(jìn)行計算。有兩種不同的迭代途徑：按深度增量迭代和按壓力增量迭代。1）按深度增量迭代的步驟①已知任一點(diǎn)（井口或者井底）的壓力Po作為起點(diǎn)，任選一個合適的壓力降P作為計算的壓力間隔。具體要根據(jù)流體流量（油井的氣、液產(chǎn)量）、管長（井深）及流體性質(zhì)來定。②估計一個對應(yīng)P的深度增量h,以便根據(jù)溫度梯度估算該段下端的溫度T1并確定在該和下的全部流③計算出該管段的平均溫度及平均壓力，體性質(zhì)參數(shù)（溶解氣油比Rg、原油體積系數(shù)Bo和粘度o、氣體密度g和粘度g,混合物粘度m及表面張力…等）。④計算該段的壓力梯度dPo⑤計算對應(yīng)于P的該段管長（深度差）h計。⑥將第步計算得的h計與第②步估計的h進(jìn)行比較，兩者之差超過允許范圍，則以新的h作為估算值，重復(fù)②~⑤的計算，使計算的與估計的h之差在允許范圍內(nèi)為止。⑦計算該段下端對應(yīng)的深度Li及壓力PiLihPPiPJjl1o*1i=l,2,3,…n⑧以Li處的壓力為起點(diǎn)，重復(fù)②~⑦步，計算下一段的深度Lil和壓力P1L直到各段的累加深度等于或者大于管長（LnL）時為止。2）按壓力增量迭代的步驟①已知任一點(diǎn)（井底或者井口）的壓力P0,選取合適的深度間隔h（可將管L等分為n段）。②估計一個對應(yīng)于計算間隔h的壓力增量Po③計算該段的和，以及、下的流體性質(zhì)參數(shù)。dP④計算該段壓力梯度odP⑤計算對應(yīng)于h的壓力增量Pih⑥比較壓力增量的估計量P與計算值Pi,若二者之差不在允許范圍內(nèi)，則以計算值作為新的估計值，重復(fù)第②?⑤步，使兩者之差在允許范圍0之內(nèi)為止。⑦計算該段下端對應(yīng)的深度Li和壓力PiLiihPiPoPili⑧以Li處的壓力Pi為起點(diǎn)壓力重復(fù)第②?⑦步，計算下一段的深度Lil和壓力P1L直到各段累加深度等于或者大于管長L時為止。為了簡化計算，通常對各段選取同樣的增量間隔。而在有些情況下，各段的增量間隔可以不同，這樣既能節(jié)約計算時間，而又能較好地反映出壓力分布。L5.3計算氣-液兩相垂直管流的Orkizewki方法本設(shè)計井筒多相流計算采用Orkizewki方法。Orkizewki法提出的四種流動型態(tài)是泡流、段塞流、過渡流及環(huán)霧流。如圖1所示。在處理過渡性流型時，采用內(nèi)插法。在計算段塞流壓力梯度時要考慮氣相與液體的分布關(guān)系。針對每種流動型態(tài)提出了存容比及磨擦損失的計算方法。圖1氣液混合物流動型態(tài)(Orkizewki)1.壓力降公式及流動型態(tài)劃分界限由前面垂直管流能量方程可知，其壓力降是磨擦能量損失、勢能變化和動能變化之和。由式(2-36)可直接寫出多項垂直管流的壓力降公式:dPfdhgmdhmvmdvm(26)式中P—壓力，Pa；f一磨擦損失梯度，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動能項只是在霧流情況下才有明顯的意義。浮現(xiàn)霧流時，氣體體積流量遠(yuǎn)大于液體體積流量。根據(jù)氣體定律，動能變化可表示為：mvmdvmWtqgdp(27)2P式中Ap—管子流通截面積，m2；Wt一流體總質(zhì)量流量，kg/；qg—?dú)怏w體積流量，m3/o將式(27)代入式(26),并取dhhk,dPpk,mm,P經(jīng)過整理后可得：Pk[mgflt2gAphk(28)式中Pk一計算管段壓力降，Pa；hk一計算管段的深度差，m；一計算管段的平均壓力，Pao表1流型界限流動型態(tài)界限不同流動型態(tài)下的m和f的計算方法不同，為此，計算中首先要判斷流動形態(tài)。該方法的四種流動型態(tài)的劃分界限如表1所示。2.平均密度及磨擦損失梯度的計算由于不同流動型態(tài)下各種參數(shù)的計算方法不同，下面按流型分別介紹。⑴泡流平均密度mHLLHgg1HgLHggHLHgl(29)式中Hg一氣相存容比(含氣率)，計算管段中氣相體積與管段容積之比值；HL—液相存容比(持液率)，計算管段中液相體積與管段容積之比值;g、L、m一在下氣、液和混合物的密度，kg/m3o氣相存容比由滑脫速度V來計算。滑脫速度定義為：氣相流速與液相流速之差。VLgtgggpgpg(30)可解出Hg：Hgl[lqt(lqt2g(31)ppp式中V一滑脫速度，由實(shí)驗確定，m/；vg、VL一氣相和液相的表觀流泡流磨擦損失梯度按液相進(jìn)行計算:tfLvLHvLHqLpg(32)式中f一磨擦阻力系數(shù)；vLH一液相真實(shí)流速，m/o磨擦阻力系數(shù)f可根據(jù)管壁相對粗造度/D和液相雷諾數(shù)NRe查圖2。液相雷諾數(shù)NReDvLL(33)L式中L—在下的液體粘度，油、水混合物在未乳化的情況下可取其體積加權(quán)平均值，Pa.o(2)段塞流混合物平均密度mWtLvApL(34)tp式中一液體分布系數(shù)；V一滑脫速度，m/o⑵需要數(shù)據(jù)井：井深，套管直徑，油層靜壓，油層溫度混合物：油、氣、水比重,飽和壓力生產(chǎn)數(shù)據(jù)：含水率，套壓，油壓，生產(chǎn)氣油比，原產(chǎn)量，原流壓（或者原動液面）O（3）設(shè)計方法這里介紹給定配產(chǎn)時有桿抽油系統(tǒng)的設(shè)計方法。首先需要獲得油層的IPR曲線。若沒有井底流壓的測試值，可根據(jù)測試液面和套壓計算得井底流壓，從而計算出采液指數(shù)及IPR曲線。1）根據(jù)測試液面計算測試點(diǎn)流壓從井口到井底可分為三段。從井口到動液面為氣柱段，若忽略氣柱壓力，則動液面頂端壓力仍為套壓。從動液面到吸入口為純油柱段，可以將這一段分為許多小段，采用迭代壓力方法可求出每小段油的密度，最后求出吸口處的壓力。從吸入至油層中部份多相管流段。通過分小段計算多相管流壓力分布，可求得測試點(diǎn)流壓。2）根據(jù)測試點(diǎn)流壓和產(chǎn)量計算IPR曲線3）給定配產(chǎn)量時有桿泵油井設(shè)計步驟（簡化設(shè)計方法）a.利用IPR曲線，由給定產(chǎn)量Q'計算流壓。b.按Q'由流壓向上進(jìn)行多相管流計算，得不同深度處的壓力分布。普通分若干小段進(jìn)行壓力分布計算。為了計算簡便，此處可按深度增量迭代方法分兩段計算。若井底流壓pwf高于飽和壓力pb,則以飽和壓力點(diǎn)pb為分界線分為兩段，pwf從到pb為一段，從pb到零為一段。若井底流滑脫速度可用Griffith和Walli提出的公式計算：vC1C2(35)(3)過渡流過渡流的混合物平均密度及磨擦梯度是先按段塞流和霧流分別進(jìn)行計算，然后用內(nèi)插方法來確定相應(yīng)的數(shù)值。mtLMgLSLgMi(36)MSMSLMgLSLggMi(37)MSMSSL及Mi、Mi為分別按段塞流和霧流計算的混合物密度及磨擦梯度。式中的SL、⑷霧流霧流混合物密度計算公式與泡流相同：mHLLHgg(lHg)LHgg由于霧流的氣液無相對運(yùn)動速度，即滑脫速度接近于霧，基本上沒有滑脫。所以HgqgLg磨擦梯度則按連續(xù)的氣相進(jìn)行計算，即ff2gvg(39)式中vg一氣體表觀流速，vgqg/Ap,m/o霧流磨擦系數(shù)可根據(jù)氣體雷諾數(shù)NReg和液膜相對粗糙度由圖2查得。按不同流動型態(tài)計算壓力梯度的步驟與前面介紹的用磨擦損失系數(shù)法基本相同，只是在計算混合物密度及磨擦之前需要根據(jù)流動型態(tài)界限確定其流動型態(tài)。圖3為Orkizewki方法的計算流程框圖。圖3Orkizewki方法計算流程框圖1.6抽油桿柱設(shè)計抽油桿柱設(shè)計的普通方法見《采油工程設(shè)計與原理》。之所以設(shè)計方法較復(fù)雜，原因之一是因為桿柱的最大、最小載荷與桿長不是線性關(guān)系。例如在考慮抽油桿彈性時的懸點(diǎn)載荷、在考慮桿柱磨擦?xí)r的懸點(diǎn)載荷公式與桿長不是線性關(guān)系。原因之二是因為桿、管環(huán)空中的壓力分布取決于桿徑，而桿柱的設(shè)計實(shí)用到桿、管環(huán)空中的壓力分布。由于綜合課程設(shè)計時間較少，所以這里提供一種簡化桿柱設(shè)計方法。暫將桿、管環(huán)空中的壓力分布給定(按油水兩相、不考慮磨擦?xí)r的壓力分布)，桿柱的最大、最小載荷公式采用與桿長成線性關(guān)系的下面公式。它是針對液體粘度較低、直井、游梁抽油機(jī)的桿柱載荷公式。懸點(diǎn)最大、最小載荷的計算公式：Pma某SN21790J11wJ1*1rjqrjLrjg(41)j11WLfp(PZPN)(42)式中：qri第i級桿每米桿在空氣中的質(zhì)量，Kg/mLri第i級桿桿長，m；i——抽油桿級數(shù)，從下向上計數(shù)；PZ——泵排出口壓力，Pa；PN——泵的沉沒壓力，Pa；N——沖次，rpm;S——光桿沖程，m；fP——活塞截面積，m2；g——重力加速度，m/2；i2iPWrjSNminWrjjl1790JH??11WrjWrjp■J(frjfr1j1)j1J1J1式中：令frO=OPj一一第j級抽油桿底部斷面處壓力,Pa：j1PjPt[0(Ifw)wfw]g(LLt)tIPt井口油壓，Pa;P0地面油密度,kg/m3;fw體積含水率，小數(shù)；應(yīng)力范圍比pL計算公式：PLma某minallminma某Pma某frminPminfr(43)(44)(45)46)抽油桿柱的許用最大應(yīng)力的計算公式：all(式中：all——抽油桿許用最大應(yīng)力，Pa；T0.5625min)4T——抽油桿最小抗張強(qiáng)度，對C級桿，T=6.3某108Pa,對D級桿T=8.1某108Pa;min——抽油桿最小應(yīng)力，Pa；,——使用系數(shù)，考慮到流體腐蝕性等因素而附加的系數(shù)(小于或者等于1.0)使用時可考表2來選值。表2抽油桿的使用系數(shù)使用介質(zhì)無腐蝕性礦化水含硫化氫APID級桿APIC級桿若抽油桿的應(yīng)力范圍比小于[pL]則認(rèn)為抽油桿滿足強(qiáng)度要求，此時桿組長度可根據(jù)2口直接推導(dǎo)出桿柱長度的顯示公式。對于液體粘度低的油井可不考慮采用加重桿，抽油桿自下而上挨次增粗，所以應(yīng)先給定最小桿徑(19mm)然后自下而上挨次設(shè)計。有應(yīng)力范圍比的計算公式即給定的應(yīng)力范圍比([pL]=0.85)計算第一級桿長L1,若L1大于等于泵深L,則抽油桿為單級桿，桿長為L,并計算相應(yīng)的應(yīng)力范圍比，若L1小于泵深L,則由應(yīng)力范圍比的計算公式及給定的應(yīng)力范圍比計算第二級桿長L2,若L2大于等于(L-L1),則第二級桿長為L2,并計算相應(yīng)的應(yīng)力范圍比，若L2小于(L-L1),則同理進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計中若桿徑為25mm仍不能滿足強(qiáng)度要求，則需改變抽汲參數(shù)。在設(shè)計中若桿徑小于或者等于25mm并滿足強(qiáng)度要求，則桿柱設(shè)計結(jié)束。此為桿柱非等強(qiáng)度設(shè)計方法。若采用等強(qiáng)度設(shè)計方法，則需降低［pL］重新設(shè)計桿的長度。在設(shè)計抽油桿的過程中油管直徑普通取2（外徑73廊，內(nèi)徑62mm）o若泵,原因是作業(yè)時大柱塞徑大于或者等于70mm,則油管全用3（外徑89mm,內(nèi)徑76mm）不能下如小直徑油管中；若采用25mm抽油桿，則相應(yīng)油管直徑應(yīng)用3,原因是25mm抽油桿節(jié)箍為55mm,與62mm油管間隙太小。當(dāng)采用多級桿時3油管長度比25mm桿長多10mo壓pwf低于飽和壓力pb,則以pwf/2為分界線分為兩段，從pwf至Upwf/2為一段，從pwf/2到零為一段。c.根據(jù)泵沉沒壓力內(nèi)插確定泵深；d.初選桿、管直徑，按Q'由井口向下進(jìn)行桿、管環(huán)空壓力分布計算,得不同深度處的壓力分布，為了簡化計算，給定壓力分布；e.對某一抽汲參數(shù)組合：泵徑、沖程、沖次、泵沉沒壓力，計算液柱載荷，設(shè)計抽油桿柱；f.計算扭矩和需要機(jī)電功率等校核抽油機(jī)：g.計算泵效：從而計算出產(chǎn)量Q〃Q'Q''o若不成立，則換另一組抽汲參數(shù)，轉(zhuǎn)第e步；若成立轉(zhuǎn)第ih.判斷，Q步。i.計算舉升效率。j.通過計算多組抽汲參數(shù)的產(chǎn)量，最后得到產(chǎn)量比配產(chǎn)高但最接近且經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)較好的抽汲參數(shù)組合。2油井流入動態(tài)計算油井流入動態(tài)是指油井產(chǎn)量與井底流動壓力的關(guān)系，它反映了油藏向該井供油的能力，從單井來講，IPR曲線表示了油層工作特性。于是，它既是確定油井合理工作方式的依據(jù)，也是分析油井動態(tài)的基礎(chǔ)。本次設(shè)計油井流入動態(tài)計算采用Petrobra方法。Petrobra方法計算綜合IPR曲線的實(shí)質(zhì)是按含水率取純油IPR曲線和水IPR曲線的加權(quán)平均值。當(dāng)已知測試點(diǎn)計算采液指數(shù)時，按產(chǎn)量加權(quán)平均。1)采液指數(shù)計算已知一個測試點(diǎn)；pwftet>qt某t和飽和壓力pb及油藏壓力p。①如果pqnetwftetpb貝1]Jplpwftet②如果pwftetpb采液指數(shù)JqtetIfP)wlpbbl.8Afwlpwftet式中，A10.2(pwftetp)0.8(pwftetbP)2bqtet一對應(yīng)流壓pwf某et時總產(chǎn)液量；fw一含水率，小數(shù):qomz某一油IPR曲線的最大產(chǎn)油量。(1)某一產(chǎn)量qt下的流壓pwfqtJ(ptpb)(3)qjpbomz某qb1.8①若Oqlqt則pwfqtJ(5)②若qtq1qomz某則按流壓加權(quán)平均進(jìn)行推導(dǎo)得；pq1wffw(p1J)0.125(lflw)pb[(1)(4)(6)③若qomz某ql,則綜合IPR曲線的斜率可近似常數(shù)。pwffw(1qomz某(qq)(8fw9)(7))lomz某JJ1.3流體物性參數(shù)計算方法(1)原油密度計算1000(ol.206103Rg)oB(8)o式中，P及溫度t下的原油密度，kgm3o一在壓力；o—地面條件下的原油相對密度；g—地面條件下的氣體相對密度；R一在壓力p及溫度下的溶解油汽比，m3n13；Bo一在壓力p及溫度T下的原油體積系數(shù)。(2)原油的API度yl41.5API131.5(9)o式中，yAPI一原油的API度。(3)原油體積系數(shù)的計算Bo0.9720.000147F1.175(10)式中，F(xiàn)5.615R2.25t40(4)溶解油氣比的計算1)當(dāng)yAPI15時，使用tanding的