抽油机系统设计.docx

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抽油机系统设计

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

饱和压力：

7.00Mpa

传热系数：

2.5W/M·℃

地温梯度：

3.3℃/100m

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

原油比热：

2100W/kg·℃

地层水比热：

4186.8W/kg·℃

设计沉没度：

200.00m

　　2.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，℃

40

45

50

55

60

65

70

75

粘度，mPa·s

2680

1820

1240

900

600

420

310

230

　　3.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）

3000

2000

3330

6.0,9.0,12.0

　　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]=48kN

　　4.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

32

31.8

48.3,60.3

1.2～6

14～69

23.813

38

38.1

60.3,73.0

1.2～6

20～112

26.988

44

44.5

73.0

1.2～6

27～138

26.988

51

50.8

73.0

1.2～6

35～173

26.988

57

57.2

88.9

1.2～6

44～220

26.988

63

63.5

88.9

1.2～6

54～259

30.163

管

式

泵

整

体

泵

筒

32

31．8

60.3,73.0

0.6～6

7～69

23.813

38

38．1

60.3,73.0

0.6～6

10～112

26.988

44

44．5

60.3,73.0

0.6～6

14～138

26.988

44

45．2

57

57．2

73.0

0.6～6

22～220

26.988

70

69．9

88.9

0.6～6

33～328

30.163

83

83

101.6

1.2～6

93～467

30.163

95

95

114.3

1.2～6

122～613

34.945

组

合

泵

筒

32

32

60.3,73.0

0.6～6

7～69

23.813

38

38

60.3,73.0

0.6～6

10～128

26.988

44

44

73.0

0.6～6

13～128

26.988

56

56

73.0

0.6～6

21～220

26.988

70

70

88.9

0.6～6

33～328

30.163

　　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，Pas

　　　　m——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H2>Hp，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,mm

19.00

22.00

25.00

29.00

长度，m

395.00

483.50

246.60

66.37

　　10.计算与校核载荷

　　在进行抽油杆直径及组合确定计算结束时，便可得到悬点的最大载荷和最小载荷，它们分别为：

　　由于该抽油机的许用载荷为[Pmax]=100kN，因此满足载荷要求。

　　11.计算与校核扭矩

　　曲柄轴处的最大扭矩可采用如下任一公式计算：

　式中∶Mmax——曲柄轴最大扭矩，kNm；

　　　　S——光杆冲程，m；

　　　　Pmax——悬点最大载荷，N；

　　　　Pmin——悬点最小载荷，N。

　　三个公式计算最大扭矩Mmax分别为：

42.93、41.43、40.09kNm。

　　由于该抽油机的许用扭矩为[Mmax]=48kNm，因此满足扭矩要求。

　　12.计算需要的电机功率

　　电机实际输出的最大功率可如下计算：

　式中∶Nmax——电机实际输出的最大功率，kW;

　　　　Mmax——曲柄轴最大扭矩，kNm；

　　　　n——冲次，1/min；

——传动效率，取0.9。

　　将Mmax=40.09kNm,n=61/min代入上式，可得需要的最大电机功率为Nmax=27.99kW。

五、设计结果

按照设计要求，最终设计结果如下：

　　1.井温分布

　　该井的井温度分布如图2所示。

　　2.原油粘温关系

　　原油粘温关系附合：

　　经确定，a=9.7858,b=3.9481。

　　原油粘温关系曲线如图3所示。

　　3.下泵深度

　　经确定，Lp=1291.37m。

　　4.冲程和冲次

　　经确定，S=3m,n=61/min。

　　5.选择抽油泵

　　选择泵径为56mm的抽油泵。

　　6.抽油杆直径及组合

　　确定的抽油杆直径及组合如下表

项　目

一级杆

二级杆

三级杆

四级杆

直径,mm

19.00

22.00

25.00

29.00

长度,m

395.00

483.50

346.60

66.37

　　7.悬点最大和最小载荷；

　　计算的悬点最大载荷和最小载荷分别为：

　　8.计算并校核减速箱扭矩

　　经计算：

Mmax=40.09kNm

　　9.计算电机功率并选择电机

　　电机最大功率为Nmax=40.09kW

　　10.选择出合适的抽油机

　　选择宝鸡CYJ10-3-48型抽油机较为合适。