抽油井系统设计指导

抽油井系统设计指导一、基础数据二、设计要求三、设计步骤四、设计原理及计算五、设计结果一、基础数据抽油井系统杆柱设计所必须的基础数据主要有基础生产数据、原油粘温关系数据、抽油机型参数、抽油杆参数、抽油泵参数。其中,抽油机型、抽油泵这三方面的参数、抽油杆参数、抽油泵参数。其中,抽油机型、抽油杆、抽油泵泵这三方面的参数均可由《采油技术手册》（修订本四）查得。1.基础生产数据基础生产数据是进行抽油井系统设计的基本条件,它包括油井井身结构、油层物性、流体（油、气、水）物性、油井条件，传热性质以及与油井产能有关的试井参数等，详见表1。表1基础生产数据油层深度：1500.00m套管内径：124.00mm油管内径：88.90mm井底温度：80℃地层压力：10.00Mpa试井产液量：25m/d试井流压：5.00MPa体积含水率：30%原油密度：997.40kg/m地层水密度：1000.00kg/m饱和压力：7.00Mpa传热系数：2.5W/M·℃地温梯度：3.3℃/100m原油比热：2100W/kg·℃地层水比热：4186.8W/kg·℃设计沉没度：200.00m2.原油粘温关系数据原油粘度是影响摩擦载荷的主要因素，因此原油粘度数据的准确度是影响设计结果合理性的重要参数。原油粘度随温度变化非常敏感，通过对现场实测原油粘温关系数据进行回归分析，可以得到原油粘度随温度变化的关系式。这样，不仅可以提高抽油井系统设计结果的准确度，而且还易于实现设计的程序化。现场可以提供的原油粘温关系数据，如表2所示。表2某区块原油粘温关系数据温度，℃4045505560657075粘度，mPa·s2680182012409006004203102303.抽油机参数抽油机参数是指常规型游梁式抽油机的型号、结构参数、可以提供的冲程冲次大小。目前已有93种不同型号的常规型抽油机，其型号意义如下：不同型号抽油机的参数可见《采油技术手册》（修订本四）。这里，以宝鸡产CYJ10-3-48型抽油机为例，其有关参数见表3。表3抽油机参数游梁前臂(mm)游梁后臂(mm)连杆长度(mm)曲柄半径/冲程(mm/m)冲次(1/min)3000200033306.0,9.0,12.0另外，由抽油机型号CYJ10-3-48，根据型号意义可直接得出：许用载荷[Pmax]=100kN；许用扭矩[Mmax]=48kN4.抽油杆参数抽油杆的材质为普通碳钢，其许用应力一般为90N/mm，可提供的直径有：16mm、19mm、22mm、25mm和29mm。二、设计要求根据以上的基础数据，在产液量为28.29m/d时，对该井进行系统选择设计以下内容：(1)确定出该井的井温分布；(2)确定出原油粘温关系表达式；(3)确定合理的下泵深度；(4)选择合适的冲程和冲次；(5)选择合适的抽油泵；(6)确定出抽油杆直径及组合；(7)计算出悬点的最大和最小载荷；(8)计算并校核减速箱扭矩；(9)计算电机功率并选电机；(10)选择出合适的抽油机。三、设计步骤针对该井的已知条件，系统设计的步骤如下：(1)根据油井条件，建立热传导能量方程，计算出井温沿井深的温度分布;(2)通过对原油粘温关系数据进行回归分析,拟合出原油粘温关系表达式;(3)根据试井参数，确定出该井的流入动态方程，并进一步确定出在设计排量条件下的井底流压;(4)根据设计沉没度确定泵吸入口压力;(5)根据井底流压和泵吸入口压力,确定下泵高度,并进一步确定下泵深度;(6)初选抽油机，并根据油井条件，选择合适的冲程和冲次;(7)根据冲程、冲次和设计排量，确定抽油泵的直径;(8)自下而上，计算并确定抽油杆直径及组合;(9)计算悬点最大和最小载荷，并对所选择的抽油机进行载荷校核;(10)计算减速箱的最大扭矩，并进行扭矩校核;(11)计算需要的电机功率，并进行电机功率校核;(12)选择抽油机。四、设计原理及计算1.油井温度分布原油越稠，原油粘度随井温变化就越敏感。因此，井温分布对抽油井系统选择设计是十分重要的。根据热传导，可建立井筒的能量方程为：(1)式中∶——油管中L位置处原油的温度，℃；K1——总传热系数，W/(m·℃)；——内热源，W/m；W——水当量，W/℃——井底原油温度，℃；m——地层温度梯度，℃/m。对于常规采油来说，由于没有内热源，故可取=0。水当量W可如下计算：W=MfCf+MgCg式中∶Mf——井液质量流量，kg/s；Cf——井液比热，W/(g·℃)；Mg——气体质量流量，kg/s；Cg——气体的比热，W/(g·℃)；g——重力加速度，m/s。将已知数据代入方程(1），可计算出任意深度所对应的油井温度，由此温度便可以计算出处于该深度处原油的粘度，从而可以进一步计算摩擦载荷、选择抽油设备。另外，还可以根据计算结果做出井温沿井深的分布曲线，如图1所示。2.原油粘温关系将现场实测原油粘温数据通过回归分析，发现原油粘度随温度的变化服从指数规律，可用下式表达：(2)式中∶——原油的动力粘度，mPa·s；t——原油的温度，℃；a——系数常数；b——温度指数。其中，a=9.7861,b=3.9483。对于不同区块原油，a、b的取值不同。3.井底流压井底流压是确定下泵深度的重要参数，因此，进行抽油井系统设计时必须首先确定。井底流压主要是利用油井产能并根据设计排量来确定。油井流入动态具有多种类型，这里采用沃格尔方程：(3)式中∶q1——对应于井底流压pwf下的油井产量；q1max——油井的极限产量；pwf——井底流压；pr——平地层压力。将已知数据代入上式，在设计排量为q1=28.29m/d的条件下，求得该井流压为：pwf=4.50MPa。4.泵吸入口压力泵吸入口压力是确定下泵深度的重要参数，主要根据设计沉没度来估算。沉没段油、水混合液的平均密度为：(4)代入已知数据，得=998.18m/d。再根据沉没度hs=200m，可求得泵吸入口压力ps=1.958MPa。5.下泵深度下泵深度是抽油井系统设计的重要数据，它决定了抽油杆的总长度，并且影响着悬点载荷、冲程损失以及泵效。下泵深度主要是根据井底流压与泵吸入口压力的差值，应用相应的方法来确定。确定方法主要有三类：1.将油、气、水看成是三相，应用相应的相关式来计算；2.将油、水处理成液相，这样便应用气、液两相垂直管流理论来计算；3.是对于象稠油井气体较少,从而可不考虑气体,只考虑单相液体进行估算。这里采用单相估算法。自油层中部到泵吸入口之间的压差为2.542Mpa,根据静液柱估算,该压差对应的高度Hp为208.63m。因此，下泵深度则为：6.确定冲程和冲次冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提，选择原则为：1.一般情况下应采用大冲程较小泵径的工作方式。这样，即可以减小气体对泵效的影响，也可以降低液柱载荷，从而减小冲程损失。2.如原油比较稠，一般选用大泵径、大冲程和低冲次的工作方式。3.对于连抽带喷的井，则选用高冲次快速抽汲，以增强诱喷作用。4.深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的S和n配合不利区。5.所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。对于该井，由于油比较稠，因此将冲程确定为最大值S=3m，冲次确定为最小值n=61/min。所选择的的冲程和冲次，应与下面的泵径相互配合，满足设计排量的要求。7.确定泵径根据设计排量，以及上一步确定的冲程、冲次，按照泵的实际排量公式来确定。(5)式中∶Q——泵的实际排量，m/d；Dp——泵径，m；S——光杆冲程，m；n——冲次，1/min；——泵效，小数，取0.7。抽油泵已是规格化的系列产品，计算得出抽油泵直径，应从规格参数表(见表4)中选出最为接近的值作为设计值。表4抽油泵基本参数表(SY5059-91)基本泵型泵的直径m联接油管外径mm(YB239-63)柱塞冲程长度范围m理论排量m/d联接抽油杆螺纹直径mm（Sy5029-83）公称直径基本直径杆式泵3231.848.3,60.31.2～614～6923.8133838.160.3,73.01.2～620～11226.9884444.573.01.2～627～13826.9885150.873.01.2～635～17326.9885757.288.91.2～644～22026.9886363.588.91.2～654～25930.163管式泵整体泵筒3231．860.3,73.00.6～67～6923.8133838．160.3,73.00.6～610～11226.9884444．560.3,73.00.6～614～13826.9884445．25757．273.00.6～622～22026.9887069．988.90.6～633～32830.1638383101.61.2～693～46730.1639595114.31.2～6122～61334.945组合泵筒323260.3,73.00.6～67～6923.813383860.3,73.00.6～610～12826.988444473.00.6～613～12826.988565673.00.6～621～22026.988707088.90.6～633～32830.163将已知数据代入式(4)，并由表4查得最为接近的泵径为56mm。8.悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法(1)悬点载荷计算在下泵深度及沉没度不是很大，井口回压及冲次不是很高的油井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略振动、沉没压力、井口回压、液柱惯性产生的悬点载荷，此时，悬点最大和最小载荷可表示为：(6)(7)式中∶Pmax、Pmin——悬点承受的最大和最小载荷；——上冲程中抽油杆柱所受的重力与浮力之差产生的载荷；——下冲程中液柱的重力与对抽油杆的浮力产生的载荷；Iru、Ird——上、下冲程中抽油杆产生的最大惯性载荷；Fu、Fd——上、下冲程中的最大摩擦载荷。其中式中∶L——抽油杆长度，m；——抽油杆材料的密度，kg/m；——抽汲液的密度，kg/m；fr——抽油杆截面积,m；fp——抽油泵活塞截面积，m。fo——游动凡尔孔截面积，m；r——抽油机曲柄回旋半径，m；l——抽油机连杆长度，m；Frl——抽油杆与液柱之间的摩擦力，N；——凡尔流量流数。其中(8)式中∶Frl——抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，N；——井内液体的动力粘度，Pasm——油管内径与抽油杆直径之比，m=dt/dr；dt——油管内径，m；dr——抽油杆直径，m；Vmax——抽油杆柱最大下行速度，m/s；Vmax可按悬点最大运动速度来计算，当采用简谐运动模型时，其值为：(2)抽油杆强度校核抽油杆柱在工作时承受着交变负荷，因此，抽油杆受到非对称循环应力的作用。其强度条件为：(9)式中∶——抽油杆的折算应力；[]——非对称循环疲劳极限应力，与抽油杆的材质有关。其中(10)(11)式中∶——循环应力的应力幅值。9.确定抽油杆直径及组合当下泵深度确定后，抽油杆的总长度便确定下来。下面将进一步确定抽油杆的直径及组合。抽油杆的直径及组合是抽油井系统选择设计的核心内容，确定的具体步骤如下:(1)以抽油泵处为起点。其高度为(2)假定一个液柱载荷W10(初值)；(3)给定最下一级抽油杆直径(最小直径)；(4)设计算段长度H，则该计算段的起点高度和末点高度分别为：如果H2Hp，则令H2=Hp，该段的长度应为：(5)该计算段的平均高度为=(H1+H0)/2，计算该点的温度和混合物的粘度。(6)分别计算该计算段的最大载荷与最小载荷(7)分别计算累积最大和最小载荷：(8)计算抽油杆的折算应力c，进行该段抽油杆强度校核；(9)如不满足强度要求，则换次一级抽油杆直径，返回到步骤(3)重新计算；(10)如满足强度要求，则以H1作为下一计算段的起点H0，进行下一段计算；(11)当H0=Hp时则结束，否则返回到(3)继续计算，直到H0=Hp为止；(12)校核液柱载荷。如果计算值与假设值的误差达到精度要求，则计算结束；如果未达到精度要求，则以计算值作为新的假设值，重新计算。应用计算机程序对核例进行计算，所得到的抽油杆直径及组合如下：项目一级杆二级杆三级杆四级杆直径,m