常规油井采油设计说明.doc

常规油井采油设计目录第1章 前言11.1 设计的目的及意义11.2 目前国外的发展趋势11.3 设计的主要容3第2章 抽油泵的选择42.1 油井产能计算42.1.1 单相液体渗流时的流入动态42.1.2 油气两相渗流时的流入动态42.1.3 组合型流入动态52.1.4 油、气、水三相流入动态62.2 冲程及冲次的选择原则72.3 泵径的计算82.4 泵使用类型的确定82.5 活塞与衬套间配合间隙的确定9第3章 抽油杆的选择103.1 抽油杆柱使用长度的确定103.2 悬点载荷的计算103.3 抽油杆强度校核123.4 抽油杆组合的确定13第4章 抽油机的选择154.1 抽油的作用及选择原则154.2 减速箱作用及计算校核减速箱扭矩154.3 计算出电动机功率并选电机16第5章 实例分析18参考文献21第1章 前言1.1设计的目的及意义当油气井完井以后,经过诱导油气流,油气就会在油气藏压力的作用下流入井底。当油气层自身的能量能够使油气通过井筒喷到地面时,称为自喷采油。而当油气层能量较低,不足以使油气自喷到地面时,则需要人工将气体压入井,或将有杆泵、电泵、水力泵等下入井,靠气体或泵的作用将原油举升到地面。有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。其中,游梁式有杆泵采油方法以其结构简单、适应性强和寿命长等特点,成为目前最主要的机械采油方法之一。1.2 目前国外的发展趋势1国抽油机的发展趋势 20世纪90年代以来,我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期17。为确保高效生产,对抽油机的要求呈现两个特点：一是急需采用长冲程抽油机,以增加油井的产液量；二是为了降低油井的单位生产成本,对抽油机的节能性提出了更高的要求。其次就目前抽油机耗电量大,工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一,在抽油机效率和节能方面,还有很大的提升空间,具有非常诱人的前景。 长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈,长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、减少故障及提高整机运行质量等优点。因此, 发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采, 减缓产量递减速度, 开采稠油、低渗透油田以及沙漠油田深井及超深井的机械开采, 都具有重要的现实意义。游梁式抽油机的局限性十分突出,多方面事实说明,长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向22。为适应油田采油需要, 在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时, 应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机。 开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义。根据我国实际情况, 发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机, 将是我国今后抽油机发展的主要方向。 近年来,变频技术在抽油机上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数,提高电机功率因数,减小供电电流,还可以实现电机的软起动,减小冲击,并可根据油井供液能力实时调整冲次频率,实现增产节能效果；另外,研究开发机电一体化抽油装置,根据抽油机井特性实时控制和改变抽油状态,实现高效智能化采油。如美国NSCO公司智能抽油机,采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测,具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点。研发大型、高适应性的丛式井抽油机,随着世界油气资源的不断开发,油层开采深度逐年加大,油田含水量的增多,大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机。现代大型抽油机应具备有高适应性,以适应多种恶劣环境和地层油层的变化,如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改变、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等。另外,由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性,体积的庞大,其工作面积也相应增大,同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业,采用综合平衡方式和节能方式,达到最好的作业效果。 2国外抽油机的发展趋势  如前所述, 世界围抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展。 朝着大型化方向发展 随着世界油气资源的不断开发,开采油层深度逐年增加,石油含水量也在不断增多,采用大泵提液采油工艺和开采稠油等,都要求采用大型抽油机,所以近年来,国外出现了许多大载荷抽油机,如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN,气囊平衡抽油机最大载荷227kN等。还会出现更大载荷新型抽油机。采用长冲程抽油方式,抽油效率高,抽油机寿命长,动载荷小,排量稳定,具有较好的采油经济效益,所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机,如法国Mape公司抽油机,最大冲程10m；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m,NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式,Mape公司抽油机最大冲次5min,GDCO公司抽油机最大冲次为3min。   朝着低能耗方向发展 为了减少能耗,提高采油经济效益,近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%50%；低矮型抽油机节电5%20%；ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%50%。   朝着精确平衡方向发展 近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果,使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机,可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机,由于可在动态下调节气平衡,平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果。朝着高适应性方向发展 现代抽油机应具有较高的适应性,以便拓宽使用围。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等。 朝着长冲程无游梁方向发展 近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机；实践与理论分析表明,增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。 朝着自动化和智能化方向发展  近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机,具有保护和报警功能,实时测得油井运行参数,及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析,推出最优工况参数,进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机,采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测,具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点。1.3 设计的主要容本课题的主要设计容包括：1抽油泵的选择；2抽油杆的选择；3抽油机的选择；4实例分析。第2章 抽油泵的选择抽油泵是有杆泵抽油系统中的是主要设备,主要由工作筒外筒和衬套、活柱塞及阀游动阀和固定阀组成,游动阀又称为排出阀,固定阀又称为吸入阀。抽油泵按其结构不同可分为管式泵和杆式泵。由于井液性质的复杂性,对泵往往有特殊要求,因此从用途上又可将抽油泵常规泵和特种泵。特种泵主要有防砂泵、防气泵、抽稠泵、分抽混出泵和双作用泵以及各种组合泵等。2.1 油井产能计算2.1.1 单相液体渗流时的流入动态 1符合线性渗流规律时的流入动态 2-1式中 油井产量地面,m3/s；平均地层压力,Pa；井底流动压力,Pa；采油指数,是一个表示油井产能大小的指标,这一指标综合反映了油层性质、流体性质、完井条件及封闭泄油面积等与油井产量之间的关系。 2符合非线性渗流规律时的流入动态 2-22.1.2 油气两相渗流时的流入动态 2-3式中 实际油井的井底流压；理想完善井的井底流压；流动效率,用以表征油井的完善程度,完善井,非完善井,超完善井。沃格尔型流入动态 2-4斯坦丁流入动态 2-5 2-6哈里森流入动态2.1.3 组合型流入动态当油藏压力高于饱和压力。而流压低于饱和压力时,油藏中将同时存在单相油流与油、气两相流动。在单向油流区域流入动态曲线为一直线；在油、气两相流动区域流入动态曲线可用沃格尔方程描述。图2-1 流动曲线示意图（1） 单向原油流动部分,此时流入动态表示为 2-7当流压等于饱和压力时产量为 2-8（2） 油、气两相流动部分<,此时流入动态表示为 2-9 2-102.1.4 油、气、水三相流入动态如果流压低于饱和压力,就将出现油气水三相渗流。 2-11 2-12 2-132-14式中 井底流压为零时的最大产油量；井底流压为零时的最大产液量；含水率；采夜指数。测试时,如果,则 2-15测试时,如果,则 2-16式中 2-172.2 冲程及冲次的选择原则泵的活塞上、下运动一次称为一冲程,可分为上冲程和下冲程。此外,冲程还是描述抽油泵的工作参数,即指悬点或活塞在上、下死点间的位移,称为光杆冲程或活塞冲程。每分钟完成上、下冲程的次数称为冲次。冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提,选择时应遵循下述原则：1一般情况下应采用大冲程、小泵径的工作方式,这样既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对于原油比较稠的井,一般是选用大泵径、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和配合不利区；5所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择围之。2.3 泵径的计算泵径是根据前面确定的冲程s、冲次n、配产方案给出的设计排量Q以及统计给出的泵效,由 2-18计算得出。2.4 泵使用类型的确定 1国际常用抽油泵分类管式泵管式泵结构简单,成本低,在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大,因而排量大。但检泵时必须起下油管,修井工作量大,故适用于井深小于1000m,含砂量小于0.2%,油井结蜡较严重或油较稠,产量较高的井。杆式泵检泵时不需要起出油管,而是通过抽油杆把工作筒拔出。杆式泵检泵方便,但结构复杂,制造成本高,在相同的油管直径下允许下入的泵径教管式泵要小,适用于下泵深度较大,产量较小的油井。 2国特殊井况专用抽油泵分类液压反馈抽稠泵适用于粘度在2000mPa.s以下的原油开采。长柱塞防砂泵出油阻力较常规泵小。柱塞下行阻力也较小,泵效较高,因此适用于抽稠油,防砂效果好。动筒式防砂泵该泵不适宜作长冲程泵和在稠油井中使用,排量小,防砂效果好。过桥防气抽油泵过桥泵就是常规泵的上、下接箍之间搭一个受力桥过桥泵外管,而泵筒仅靠一端悬挂固定于外管,这样就避免了因承受悬挂尾管、锚定油管锚、坐封封隔器产生的拉伸力而使泵筒发生缩径或弯曲变形,有利于提高泵效,避免充不满现象的发生。防落物抽油泵泵底部固定凡尔采用了环型空间设计,落物空间大,避免了因砂粒和残留物直接的下落导致进油口堵塞。独特的固定凡尔进出油口设计,避免因柱塞的往复运动使砂粒和残留物做往复运动而导致的整泵进出油口堵塞现象发生。双作用抽油泵一个往复冲程可完成两次汲油和排油的过程,比泵径和工作参数完全相同的抽油泵提高了产液量。因为下冲程时杆柱下行阻力较大,不宜在原油粘度过大而出砂严重的油井中使用,且抽油杆柱易断脱。抽砂泵安全,不污染油层,节约环境污染处理费用。节约水泥车,罐车劳务,减轻工人劳动强度。工人劳动强度比传统水力冲砂工艺低。缩短作业周期,不等不靠水泥车、罐车。减少泵站水处理费用。特别对于漏失井,节约使用暂堵剂的费用2.5 活塞与衬套间配合间隙的确定活塞和衬套的配合间隙,要根据原油粘度、井温及含砂量等资料来选择,参见表2-1。表2-1 活塞与衬套的配合间隙选择配合等级配合尺寸,mm适用条件一级0.020.07下泵深度大、含砂少。粘度较低的油井二级0.070.12含砂不多的井三级0.120.17含砂多、粘度高的浅井第3章 抽油杆的选择3.1 抽油杆柱使用长度的确定 2-19式中 下泵深度,m；油层中部深度,m；沉没压力,Mpa；钻井液平均密度,kg/m3。2-20式中 泵口温度,；经泵生产汽油比,m3/ m3；标准状况压力,0.1Mpa；饱和压力,Mpa；含水率；泵充满系数。3.2 悬点载荷的计算 1静载荷 静载荷通常是指抽油杆和液柱所受的重力以及液柱对抽油杆的浮力所产生的悬点载荷。上冲程抽油杆自重计算公式： 2-21式中 抽油杆柱的重力,N；抽油杆钢密度,；重力加速度,取9.807m/s2；抽油杆截面面积,；抽油杆长度,m。 液柱自重计算公式： 2-22式中 上冲程中由液柱的重力产生的悬点载荷,N；抽汲液的密度,kg/m³；活塞截面积,。下冲程 2-23式中 抽油杆柱在液体中重量,N。 2动载荷振动载荷,一般可忽略。惯性载荷2-24 2-25 2-26式中 ,抽油杆柱和液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷,N；抽油杆柱在下冲程中产生的最大惯性载荷,N；油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数；油管的过流断面面积。摩擦载荷,包括抽油杆和液柱之间的摩擦载荷、抽油杆和油管间的摩擦载荷、油管和液柱间的摩擦载荷、柱塞和衬套间的摩擦载荷、液体通过游动阀产生的摩擦载荷。（3） 其它载荷 包括沉没压力和管线回压产生的载荷。沉没压力的影响只发生在上冲程,它将减小悬点载荷；液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压,将对悬点产生附加载荷。（4） 最大载荷和最小载荷最大载荷 2-27最小载荷 2-283.3 抽油杆强度校核 1计算法 2-29 2-30 2-31 2-32 2-33式中 ,分别为抽油杆柱的折算应力、循环应力的应力幅值；非对称循环疲劳极限应力,即抽油杆的许用应力,与抽油杆的材质有关。 2图表法0图3-1 修正古德曼图 2-34 2-35式中 抽油杆最大许用应力；最小抗强度；抽油杆使用系数,见表3-1。表3-1 抽油杆的使用系数使用介质API"D"级杆API"C"级杆无腐蚀性1.001.00矿化水0.900.65含硫化氢0.700.503.4 抽油杆组合的确定通常人们把确定抽油杆组合称为抽油杆柱设计,其具体设计计算步骤为：1根据下泵深度及泵径,假设一液柱载荷；2给最大和最小载荷分别赋初值： ,；3给定最下级抽油杆直径,去计算段长度为,以抽油泵为计算段的起点,其距油层中部的高度为； 4计算段上端距油层中部的高度为,则该计算段的中心距油层中部的高度为； 5计算该段中心处的井温以及原油与混合物的粘度； 6求该段的最大载荷增量和最小载荷增量,并进行累积：,； 7校核该段抽油杆,如不满足强度,则将抽油杆直径增大为,返回步骤4重新计算该段；如满足强度条件,则取起点,返回步骤4继续计算上一段,知道井口为止； 8计算液柱载荷,并与假设的液柱载荷比较,如满足精度要求,则计算结束；否则重新假设液柱载荷,返回步骤2再次计算。26 / 26第4章 抽油机的选择抽油机是开采石油的一种机器设备,俗称"磕头机",通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时,油管弹性收缩向上运动,带动机械解堵采油器向上运动,撞击滑套产生振动；同时,正向单流阀关闭,变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时,油管弹性伸长向下运动,带动机械解堵采油器向下运动,撞击滑套产生振动；同时,反向单流阀部分关闭,变径活塞总成仍然封堵油套环形油道,使反向单流阀下方区域形成高压区,这一运动又对地层的油流通道产生一种反向的冲击力。4.1 抽油的作用及选择原则1抽油机的作用：电机的带动减速箱运转,通过减速箱减速后,通过抽油机上的曲柄连杆机构,将减速箱的旋转运动转变为上下往复运动,再通过驴头、毛辫子带动抽油杆、抽油泵,连续不断地上下往复运动,把井底的原油源源不断地抽到地面上来。2抽油机的选择原则：要使计算的悬点最大载荷小于所选抽油机的许用载荷,同时所选择的抽油机能够提供前面确定的冲程冲次。4.2 减速箱作用及计算校核减速箱扭矩1减速箱的作用：降速同时提高输出扭矩,扭矩输出比例按电机输出乘减速比,但要注意不能超出减速机额定扭矩；减速同时降低了负载的惯量,惯量的减少为减速比的平方。 2扭矩的计算复合平衡的扭矩计算 4-1式中 复合平衡扭矩；悬点载荷；抽油机结构不平衡值,等于与曲柄销脱开时,为了保持油梁处于水平位置而需要加在光杆上的力；当油梁和游梁悬挂重物共线时,重物和支点间的距离；悬点和支点间的距离；游梁悬挂物的重量；扭矩因子；曲柄最大平衡扭矩；曲柄转角。游梁平衡的扭矩计算 4-2式中 游梁平衡扭矩。曲柄平衡的扭矩计算 4-3式中 曲柄平衡扭矩。计算最大扭矩的近似公式 4-4计算最大扭矩的经验公式 4-5 4-6 3扭矩的校核最大扭矩小于所选减速箱的许用扭矩。4.3 计算出电动机功率并选电机已知传动效率、冲次、传动比以及电动机转数,则电动机功率与曲柄扭矩关系为 4-7由于曲柄扭矩在工作过程中是变化的,应当按均方根取其等值电流或等值扭矩来计算,即 4-8 所谓等值扭矩,就是用一个人固定扭矩来代替变化的实际扭矩,使其电动机的发热条件相同,则此固定扭矩称为实际变化扭矩的等值扭矩即均方根值。它可由扭矩曲线来计算,即 4-9 选择电机时,要使计算的电动机最大功率小于所选择的电动机的许用功率。第5章 实例分析1.油田某井=16MPa,=13MPa,=14MPa时的产量=20。试求=8MPa时的产量与采油指数,并绘制该井的IPR曲线。解：1计算 ,及。因>,采用2-10、式2-11及式2-13分别求,及。 2求 3计算不同流压下的产量列于表5-1中。表5-1 E井不同流压下的产量流压,MPa1514131197530产量,10203048664.577.788.195.8102.2 4表5-1中的数据绘制出IPR曲线,如图2-1所示。2.油田某抽油井泵径为70mm,冲程s=2.7m,冲次n=9 min,井液密度=960 kg/m。如采用7/8 in、许用应力为90 N/mm的抽油杆,试求其最大下入深度r/l=0.20。解：计算得抽油杆与活塞截面积分别为Ar=387.948mm,Ap=3848.451mm。由基本载荷公式计算得最大载荷和最小载荷分别为：Wmax=66.825LN,Wmin=23.295LN。则： =17.22510LN/mm=5.61010LN/mm=9.83010LN/mmLm计算结果表明：该例抽油杆的最大下入深度为915.52m。如继续增加下入深度,则该直径抽油杆将不能满足强度要求,需要换大直径 抽油杆。这样,既浪费了抽油杆,又增加了悬点载荷。为此,往往采用上粗下细的多级组合抽油杆。3.油田某抽油井：光杆冲程s=1.8m,冲次n=8min,采用2in油管油管径=62mm,外径、in抽油杆单级,并知泵径=56mm,下泵深度=903.8m,抽吸液体密度=934kg/m含水34。试按API RP 11L 方法计算各项抽吸工况指标。解：计算得。计算基本参数 。因采用单级杆柱,故Fc=1.0,No=No。2计算量纲1的量 3计算抽吸工况指标 查图10-36至图10-42可得=0.85, <>=0.23=0.03, <>=0.158 b=6.25, T=0.91,<>=0.158则各工况指标为 PD=0.1131PPRL=44367NMPRL=13964NPT=<>SK=15132N·mPRHR=CBE=1.06参考文献1.王常斌等.石油工程设计.石油学院自编教材2.涛平等.石油工程.石油工业,20003.万仁薄等.采油技术手册第四分册-机械采油技术.石油工业,19934.颖川.采油工程. 石油工业,2009.2