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采油工程1

1.设计任务1

1.1设计目的1

1.2设计内容1

1.3设计原则1

1.4设计步骤2

2．基本数据2

3．设计计算方法3

3.1油井产能预测或流压的确定3

3.1.1确定井底流压3

3.1.2确定沉没压力3

3.1.3确定下泵深度4

3.2初选抽汲参数4

3.2.1泵效4

3.3初选抽油杆柱5

3.4有杆抽油装置的设计（API方法）7

3.4.1S=3,N=8（Dp=44.45mm）7

3.4.2S=2.67,N=9（Dp=44.45mm）9

3.4.3S=2,N=12（Dp=44.45mm）11

3.4.4结论14

4.参考文献14

5.设计小结、体会与建议15

1.设计任务

1.1设计目的

给定的新井和转抽井选定一套合理的机、杆、泵组合，并确定其合理的工作参数，并对目前的生产井调整工作参数。

1.2设计内容

在上述已知条件下，通过系统设计，最后可完成的设计内容包括以下三个方面：

（1）确定油井产量或已知产量下的流压；

（2）计算各种载荷并确定系统中各机械设备（主要指抽油机、抽油杆、抽油泵和原动机）的类型和规格；

（3）确定系统的工作参数。

在确定系统中各机械设备的同时，还要选定系统的工作参数，这里只要指的是抽油机的冲程长度S、冲数n、所需的平衡力矩M。

然后根据S，n，M即可进一步确定连杆销轴在曲柄上的位置、电动机小皮带带轮尺寸，以及平衡重的调整位置。

1.3设计原则

要合理地设计有杆抽油系统，应遵循以下几条基本原则：

（1）符合油层及油井的工作条件。

所选的抽油设备，应该适合该井或该地区的自然条件和生产条件，诸如气候条件、地表条件、流体物性条件、生产维护条件等等。

（2）能充分发挥油层的生产能力。

所选择的抽油设备，应该在其经济寿命期内，能满足油井在开发界限上的最大供液能力，以防止因抽油设备的限制而是油井生产受到影响。

（3）设备利用率较高且能满足安全生产的需要。

所选的抽油设备，应在使用周期中的大部分时间内有较高的载荷利用率、扭矩利用率、电机功率利用率以及抽油杆应力利用率等经济技术指标，但又不至于因超负荷而造成设备非寿命损坏。

（4）有较高的系统效率和经济效益。

选用抽油设备应从多方面统筹考虑，尽可能采用先进技术设备，把高指标、低成本、低消耗统筹考虑，并获得尽可能高的经济效益。

1.4设计步骤

由于有杆抽油系统的各个部件是相互联系、共同工作、不可分割的，所以，企图首先完全地确定其中的某一环节，然后在此基础上进行设计计算，一次性地确定出系统的各个部分，在实际中几乎是不可能的。

由于上述特点，基本上都用的是试算（试凑）法，一般都包括以下几个步骤，即：

（1）确定油井产量或已知产量下的流压；

（2）根据原始要求和条件初选设备及工作参数；

（3）对初选出的系统进行校核设计计算；

（4）将核算结果与原始要求进行对比，如不满足，则需改变初选参数或初选设备，再进行核算，如此进行，直到满足要求为止。

由此可见，有杆抽油系统的设计，就是根据油井的条件和生产动态，使用按物理逻辑关系建立的有关解析表达式，从产能预测开始逐步进行计算，以此选出满足要求的泵、杆、机等抽油设备。

2．基本数据

有杆抽油系统工程设计基本数据：

地层平均压力：

Pr=19MPa；

原油饱和压力Pb=8.5MPa；

含水率：

fw=60%；

油层中部深度H=1860m；

油管内径Dti=62mm（2.441in）；

原油相对密度：

0.85；

地层水相对密度：

1.02；

杆柱使用系数：

SF=0.9；

试井产量：

Qt=36m3/d，

产液指数J=4.0m3/（d•MPa）；

设计产量（配产）Qx=40m3/d

井口套管生产压力：

Pc=0.1MPa；

泵入口温度：

80℃；

GOR：

40m3/m3（生产油气比）

3．设计计算方法

随着科学技术的进步，有杆抽油系统的设计计算、校核方法也在不断发展。

归结起来设计计算方法大致可分为三类：

近似公式计算法、以电模拟计算机工作为基础的APIRP11L所推荐的方法、解振动方程的纯数学方法。

在以上三种方法中，近似公式计算法应用方便，但计算误差较大，一般可用于预选有杆抽油系统的校核计算；解振动方程的纯数学方法过于复杂；API方法是在模拟电子计算机上通过大量模拟试验得到的，虽然它也是在若干假设基础上得到的，但它比近似公式的计算精度要高，因此，采用API方法计算。

3.1油井产能预测或流压的确定

3.1.1确定井底流压（9Mpa）

Qb=J（Pr-Pb）=4×（19-8.5）=42Mpa

Qomax=Qb+Qc=Qb+JPb/1.8=42+4×8.5/1.8=60.889m3/d

而Qt=36m3/d,则0＜Qt＜Qb，此时产量与流压呈线性关系

则Qt下的井底流压可通过下式计算：

Pwf=Pr-Qt/J=19-36/4=10Mpa

3.1.2确定沉没压力（2.5367Mpa）

计算沉没压力公式如公式

以上公式计算沉没压力，β为未知数，可自己设定一个β值,β=0.65

则Ps=2.5367

3.1.3确定下泵深度

Kg/m³

泵挂深度的公式为

=1860-106（9-2.5367-0.1）/0.952×9.8×1000=1177.9m

Lp=1178

3.2初选抽汲参数

3.2.1泵效

泵效ηp采用如下公式计算：

ηp=1-0.4（Lp/（Lp+300））2ηp=1-0.4×（1178/（1178+300））2=0.746≈0.75

Qt（PD，泵的理论排量）=Qx/ηpQt=42/0.75=56

s×n=Qt/（1.131×10-3Dp2）s×n=56/（1.131×10-3Dp2）

由于s、n、Dp都是未知的，应采用不同的泵径Dp来确定s、n的组合

由于油管内径Dti=62mm，因而泵径Dp不应大于油管内径，则可供选择的泵径为：

38.1mm，44.45mm，57.15mm

则有：

1、Dp=38.1mm时，s×n=32.5

2、Dp=44.45mm时，s×n=24

3、Dp=57.15mm时，s×n=14。

4（舍去）

原则上：

s×n=20-50m/min则1、2符合要求

选用Dp=38.1mm和Dp=44.45mm的泵径，柱塞长度选用1.2m，防冲距0.8m。

根据不同的泵径，选择不同的s、n组合。

①Dp=38.1s×n=32.5则有：

5.417

4.063

3.611

2.7083

②Dp=44.45s×n=24则有：

2.667

3.3初选抽油杆柱

（1）Dp=38.1mm,s×n=32.5

Fo=103×Dp2×Lp×γl×g×π/4

Fo=10-3×38.12×1178×1×9.8×3.14/4=12523KN

Fo————作用在整个活塞截面积上的液柱载荷，即上下冲程中静液柱载荷之差，KN；

γl————液体的相对密度

1）计算无因次冲数N/No'

单级抽油杆的自然振动频率：

No=15a/L=15×4980/1178=63.42（次/min）

a————声波在抽油杆中的传播速度，a≈4980m/s；

L————抽油杆长度，m；

Fc————频率系数，初选抽油杆住时可选Fc=1.15

得出：

N/No'=N/（No×Fc）=0.2

5.417

4.063

3.611

2.708

n/no'

0.0823

0.11

0.1234

0.165

取Sp/S=0.8，查图7-4得Fo/Skr=0.2

Skr

62.615

62.62

62.615

62.62

11.559

15.41

17.34

23.12

Er=（1/Kr）/（Lp×10-3）,则有：

0.0734

0.055

0.049

0.037

以上计算的弹性系数值大于表7-6中的弹性系数值。

故全部舍去

以上计算的弹性系数值中0.037虽然符合，但其数值还是太大，故应舍去，其他三组均不符合要求，所以应全部舍去。

（2）Dp=44.45mm，s×n=24

Fo=103×Dp2×Lp×γl×g×π/4

Fo=10-3×44.452×1178×1×9.8×3.14/4=17.045kN

No=15a/L=15×4980/1178=63.416

N/No'=N/（No×Fc）=0.2

2.667

n/no'

0.0823

0.11

0.1234

0.165

取Sp/S=0.8，查图7-4得Fo/Skr=0.2

Skr

85.225

85.23

21.306

28.41

31.957

42.62

Er=（1/Kr）/（Lp×10-3）,则有：

0.0398

0.0299

0.0266

0.02

以上计算的弹性系数值只有0.04不符合，其他三组符合要求

表中Er=0.0398虽然符合抽油杆柱中弹性系数值，但其数字仍然太大，故应将其舍去，但其他三组均符合要求。

综合可知，只有Dp=44.45mm，s*n=24时符合抽油杆柱的设计。

3.4有杆抽油装置的设计（API方法）

3.4.1S=3,N=8（Dp=44.45mm）

（15.9mm杆比例为56.4%，12.7mm杆比例43.6%）

1、计算基本参数Wr，Wrf，Kr，Kt，N0，Fc，Fo。

查表得抽油杆柱的qr=1.42kg/m，则

（1）计算Wr的值：

Wr=qr×g×L=1.42×9.8×0.001×1178=16392N/m

（2）计算Wrf的值：

Wrf=Wr（1-ρl/ρs）×L×9.8×10^-3=14.402kN

（3）计算Kr及Kt的值：

Fc=1.137

Er=0.0297mm/（kN

m）

Et=4.14×10-3=0.00414mm/（kN

m）

Kr=Er×L×103=0.035kN/m

Kt=1/（Et×L）=0.00488kN/m

（4）计算No的值：

No=15a/L=63.42rpm

（5）计算Fo的值：

Fo=Dp2×Lp×γ1×g×10-6×π/4=17045N=17.045kN

2、计算无因次变量

1/kr=Er×L×10-3=0.035

Skr=S/（1/kr）=85.751

Fo/Skr=0.19877

N/No=N/（15a/L）=0.1262

N/No'=（N/No）/Fc=0.11095

Wrf/（Skr）=0.1680

由图7-6至图7-11查得无因次参数如下：

F1/（Skr）=0.28

F2/（Skr）=0.06

2T/（S2kr）=0.21

F3/（Skr）=0.18

计算得调整百分数c=5%

3、计算抽汲工况指标

（1）求柱塞冲程

查表得：

Sp/S=0.8

Sp=[（Sp/s）×s]-[Fo×（1/Kt）]=2.3169m

（2）求泵排量

PD=1.131×10-3×Sp×N×Dp2=41.419m3/d

由于设计的产量为42m3/d，而通过参数计算出的泵排量为41.42m3/d，满足相对误差小于10%的要求

（3）求工作参数

①光杆最大载荷PPRL

PPRL=Wrf+[（F1/Skr）×Skr]=38.413kN=38413N

②光杆最小载荷MPRL

MPRL=Wrf-[（F2/Skr）*Skr]=9.2572kN=9257.2N

③曲柄最大扭矩PT

Ta=1+（Wrf/Skr-0.3）×10c=0.9332

PT=[2T/（S2kr）]×Skr×S×0.5×Ta=25.228N

④光杆功率PRHP

PRHP=[F3/（Skr）]×Skr×S×N/60=6.1741kW

⑤求有效平衡值CBE

CBE=1.06（Wrf+Fo×0.5）=24.3N

4、抽油杆强度校核

最粗的抽油杆直径为15.9mm

Atop=198.46mm2

σmin=MPRL/Atop=46.646N/mm2

σT=965N/mm2（查表得）

σa=（σT/4+0.5626σmin）×SF=239.6N/mm2

σmax=PPRL/Atop=240.74N/mm2

很明显，σa＞σmax

Rs=（σmax-σmin）/（σa-σmin）=0.7659N/mm2

满足0.5＜Rs＜1

因而抽油杆柱校核准确，S=3，N=8，Dp=44.45mm满足要求

5、计算利用率与系统效率

杆应力利用率：

σmax/σa=0.80401

有效扬程He：

He=Hm-（Pwf×1000）/（γl×g）=895.33m

水力功率HPh：

HPh=Q×He×γl×g/86400=4.0605KW

电动机输出功率Pi：

Pi=PRHP/ηs=8.4955KW

系统效率η：

η=HPh/Pi=0.478

计算举升效率LE：

LE=HPh/PRHP=0.6577

计算经济指数EI：

EI=（PPRL×PT×PRHP）/LE=9097.6（kN2

kW）（最小）

经比较选择，该方案为最优方案

3.4.2S=2.67,N=9（Dp=44.45mm）

（15.9mm杆比例为83.4%，12.7mm杆比例16.6%）

1、计算基本参数Wr，Wrf，Kr，Kt，N0，Fc，Fo。

查表得抽油杆柱的qr=1.59kg/m，则

（1）计算Wr的值：

Wr=qr×g×L=18.355N/m

（2）计算Wrf的值：

Wrf=Wr（1-ρl/ρs）=16.129kN

（3）计算Kr及Kt的值：

Fc=1.061

Er=0.0261mm/（kN

m）

Et=4.14×10-3=0.00414mm/（kN

m）

Kr=Er×L×103=0.03074kN/m

Kt=1/（Et×L）=0.19627kN/m

（4）计算No的值：

No=15a/L=63.42rpm

（5）计算Fo的值：

Fo=Dp2×Lp×γ1×g×10-6×π/4=17045N=17.045kN

2、计算无因次变量

1/kr=Er×L×10-3=0.03074

Skr=S/（1/kr）=86.8454

Fo/Skr=0.1963

N/No=N/（15a/L）=0.13376

N/No'=（N/No）/Fc=0.13376

Wrf/（Skr）=0.18572

由图7-6至图7-11查得无因次参数如下：

F1/（Skr）=0.3

F2/（Skr）=0.065

2T/（S2kr）=0.22

F3/（Skr）=0.2

计算得调整百分数c=5%

3、计算抽汲工况指标

（1）求柱塞冲程

查表得：

Sp/S=0.8

Sp=[（Sp/s）×s]-[Fo×（1/Kt）]=2.05288m

（2）求泵排量

PD=1.131×10-3×Sp×N×Dp2=41.2868m3/d

由于设计的产量为42m3/d，而通过参数计算出的泵排量为41.29m3/d，满足相对误差小于10%的要求。

（3）求工作参数

光杆最大载荷PPRL

PPRL=Wrf+[（F1/Skr）×Skr]=42.1826kN=42183N

②光杆最小载荷MPRL

MPRL=Wrf-[（F2/Skr）×Skr]=10.4841kN=10484N

③曲柄最大扭矩PT

Ta=1+（Wrf/Skr-0.3）×10c=0.9472

PT=[2T/（S2kr）]×Skr×S×0.5×Ta=24.0491N

④光杆功率PRHP

PRHP=[F3/（Skr）]×Skr×S×N/60=6.95632kW

⑤求有效平衡值CBE

CBE=1.06（Wrf+Fo×0.5）=26.1306N

4、抽油杆强度校核

最粗的抽油杆直径为15.9mm

Atop=198.46mm2

σmin=MPRL/Atop=52.8279N/mm2

σT=965N/mm2（查表得）

σa=（σT/4+0.5626σmin）×SF=243.874N/mm2

σmax=PPRL/Atop=212.556N/mm2

很明显，σa＞σmax

Rs=（σmax-σmin）/（σa-σmin）=0.83607N/mm2

满足0.5＜Rs＜1

因而抽油杆柱校核准确，S=2.67，N=9，Dp=44.45mm满足要求。

5、计算利用率与系统效率

杆应力利用率：

σmax/σa=0.87158

有效扬程He：

He=Hm-（Pwf×1000）/（γl×g）=895.328m

水力功率HPh：

HPh=Q×He×γl×g/86400=4.06051KW

电动机输出功率Pi：

Pi=PRHP/ηs=9.57182KW

系统效率η：

η=HPh/Pi=0.42422

计算举升效率LE：

LE=HPh/PRHP=0.58372

计算经济指数EI：

EI=（PPRL×PT×PRHP）/LE=12090（kN2

kW）

3.4.3S=2,N=12（Dp=44.45mm）

（19.1mm杆比例为58.4%，15.9mm杆比例41.6%）

1、计算基本参数Wr，Wrf，Kr，Kt，N0，Fc，Fo。

查表得抽油杆柱的qr=2.12kg/m，则

（1）计算Wr的值：

Wr=qr×g×L=24.473N/m

（2）计算Wrf的值：

Wrf=Wr（1-ρl/ρs）=21.505kN

（3）计算Kr及Kt的值：

Er=0.0196mm/（kN

m）

Et=4.14×10-3=0.00414mm/（kN

m）

Kr=Er×L×103=0.0231kN/m

Kt=1/（Et×L）=0.00488N/m

（4）计算No的值：

No=15a/L=63.42rpm

（5）计算Fo的值：

Fo=Dp2×Lp×γ1×g×10-6×π/4=17045N=17.045kN

2、计算无因次变量

1/kr=Er×L×10-3=0.021

Skr=S/（1/kr）=86.626

Fo/Skr=0.19676

N/No=N/（15a/L）=0.1892

N/No'=（N/No）/Fc=0.17048

Wrf/（Skr）=0.24825

由图7-6至图7-11查得无因次参数如下：

F1/（Skr）=0.32

F2/（Skr）=0.11

2T/（S2kr）=0.25

F3/（Skr）=0.188

计算得调整百分数c=3%

3、计算抽汲工况指标

（1）求柱塞冲程

查表得：

Sp/S=0.8

Sp=[（Sp/s）×s]-[Fo×（1/Kt）]=1.5169m

（2）求泵排量

PD=1.131×10-3×Sp×N×Dp2=40.676m3/d

由于设计的产量为42m3/d，而通过参数计算出的泵排量为40.68m3/d，满足相对误差小于10%的要求。

（3）求工作参数

光杆最大载荷PPRL

PPRL=Wrf+[（F1/Skr）×Skr]=49.577kN=49226N

②光杆最小载荷MPRL

MPRL=Wrf-[（F2/Skr）×Skr]=12.825kN=11976N

③曲柄最大扭矩PT

Ta=1+（Wrf/Skr-0.3）×10c=0.988

PT=[2T/（S2kr）]×Skr×S×0.5×Ta=21.096N

④光杆功率PRHP

PRHP=[F3/（Skr）]×Skr×S×N/60=6.5143kW

⑤求有效平衡值CBE

CBE=1.06（Wrf+Fo×0.5）=31.829N

4、抽油杆强度校核

最粗的抽油杆直径为19.1mm

Atop=286.38mm2

σmin=MPRL/Atop=41.819N/mm2

σT=965N/mm2（查表得）

σa=（σT/4+0.5626σmin）×SF=238.3N/mm2

σmax=PPRL/Atop=171.89N/mm2

很明显，σa＞σmax

Rs=（σmax-σmin）/（σa-σmin）=0.662N/mm2

满足0.5＜Rs＜1

因而抽油杆柱校核准确，S=2，N=12，Dp=44.45mm满足要求。

5、计算利用率与系统效率

杆应力利用率：

σmax/σa=0.72133

有效扬程He：

He=Hm-（Pwf×1000）/（γl×g）=895.33m

水力功率HPh：

HPh=Q×He×γl×g/86400=4.0605KW

电动机输出功率Pi：

Pi=PRHP/ηs=8.9636KW

系统效率η：

η=HPh/Pi=0.453

计算举升效率LE：

LE=HPh/PRHP=0.6233

计算经济指数EI：

EI=（PPRL×PT×PRHP）/LE=10853（kN2

kW）

3.4.4结论

经过以上计算，本设计可选用的抽油机型号为CYJ8-3-48B型，冲程为3米，冲次为9次/分，泵径为44.45mm。

15.9mm杆比例为83.4%，12.7mm杆比例16.6%，油管规格为73.3mm

4.参考文献

1.《石油工程设计指导书》，石油工业出版社

2.《采油工程原理与设计》，石油工业出版社

3.《升举法采油工艺》（卷二），石油工业出版社

4.《有杆抽油系统》，石油工业出版社

5.《采油技术手册》（第四分册）石油工业出版社

5.设计小结、体会与建议

此次有杆抽油系统设计的主要目的是为给定的新油井或转轴井选择一套合理的机、杆、泵的组合，并确定其合理的工作参数的配合，并对正在生产的油井提供工作参数的调整措施。

在这次采油工程的课程设计过程之中：

1、熟悉并掌握了相关知识2、计算是一个难点，首先是计算的公式很多，计算重复性大，其次是过程复杂，总的来说，掌握了杆抽油系统设计方法计算步骤；3、掌握了悬点载荷及抽油杆柱的设计计算、泵效计算。

这次课程设计的收获很多，不仅对书本上的知识加深理解，也培养了自己独立思考和解决问题的能力，使我的专业知识得到了巩固与提高,学会了通过生产数据，剖析采油机、杆、泵等装置的自身特性，分析了有杆抽油系统设计的内容、计算步骤、计算方法，熟练运用有杆抽油装置设计计算方法（APIRP11L）。

这对我将来的学习必然有所帮助。

我认为，在这次课程设计中，我的多方面能力都有了提高，而且学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最

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