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1、摘 要对于一口产量已经下降了的老油井，需要提高产量，增加经济效益。那么，对采油系统进行优化就显得非常有必要了。本篇设计的目的是通过对一口老油井的原始生产动态数据来设计合理的下泵深度和最高的泵效。石油开采的第一个流动过程是油气从油层流向井底。它遵循渗流规律。采油过程中，常用油井流入动态来表述这一宏观规律。油井的流入动态是指油井产量和井底流动压力的关系，它反映了油藏向该井供油的能力。油气水的物性参数为以后的计算提供数据支持。假设对一个出口压力进行迭代根据下泵深度和油压确定大约的出口压力。有杆泵采油机包括游梁式抽油机和地面螺杆泵抽油机，他们都是用抽油杆将地面动力传递给井下泵，因此要求杆必须有相相应的
2、安全载荷。抽油杆柱的设计是为了选择合适的杆柱来确保安全和经济的生产。根据得到的数据计算抽油机的功率和扭矩，进而对给定的抽油机参数进行比较使抽油机能够安全生产。关键词：产量，泵效，抽油杆柱，抽油机AbstractFor a production has dropped the old oil, we need to increase production, increase economic efficiency. So, to optimize the system for the oil becomes very necessary. Benpian is designed to pass
3、on an old oil well production performance data of the original design and reasonable depth and the highest pump pump efficiency. The first flow of oil extraction process is the flow of oil and gas from the reservoir bottom. It follows the seepage law. Oil extraction process, commonly used to describ
4、e the inflow performance macroscopic laws. Inflow of oil wells and oil production is flowing bottomhole pressure dependence, which reflects the ability of the reservoir to the oil wells. Gas-water physical parameters to provide data for future computing support. Suppose for an outlet pressure to ite
5、rate based on the depth and the hydraulic pump outlet pressure to determine approximate. Rod pump extraction machine including beam pumping unit and the ground screw pumping unit, sucker rod They are used to transmit power to the downhole pump ground, thus requiring lever must have the appropriate s
6、ecurity phase load. Sucker rod is designed to select the appropriate poles to ensure a safe and economical production. Calculated based on the data obtained pumping power and torque, thereby pumping parameters given comparison of the unit to safety in production.Keywords：yield，pump efficiency，sucker
7、 rod，pumping目 录前 言5第1章 设计内容71.1 原始数据71.2 设计内容及步骤7第2章 流体物性参数的计算92.1 井筒温度场计算92.2 流体物性参数9第3章 油井流入动态预测173.1 采液指数的计算173.2 绘制IPR曲线203.2.1 IPR曲线的绘制203.1.2确定下泵21第4章 计算下泵深度224.1 多相垂直管流的压力降224.2 有关参数的计算23第5章 计算泵出口压力及抽油杆柱设计495.1 计算泵的出口压力495.2 抽油杆柱的设计52第6章 动液面计算566.1 物性参数566.2 天然气静气柱的压力分布57第7章 抽油机校核63第8章 结论70谢
8、辞71参考文献72前 言采油工程是通过一系列可作用于油藏的采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过生产井和注入井对油藏采取的各项工程技术的总称。它所研究的是可经济有效的作用于油藏，以提高油井产量和原油采收率的各项工程技术措施的理论、工程设计方法及实施技术。有杆泵采油包括游梁式抽油机井有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油，他们都是用抽油杆将地面动力传递给井下泵。前者是将抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵；后者是将井口驱动的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。有杆泵采油系统包括油层、井筒流体、油管、抽油杆、泵、抽油机、电动机、地面出油管线直到油气分离器。有杆泵抽油系统设计就是选择合理的机、杆
9、、泵、管以及相应的抽汲参数。目的是挖掘油井潜力，使生产压差合理，抽油设备工作安全、高效以及达到较好的经济效益。一口油井经过一段时间的开采其经济效益和产量都会有所下降，尤其像西南油田这样的老油田，会有很多油井出现这种状况，因此对老井进行采油系统的优化设计以提高产量，增加经济效益显得非常必要。本设计的主要目的是通过有杆泵抽油系统的原始生产动态数据和设计数据来确定合理的下泵深度和最高的泵效；熟练的掌握设计的主要内容、步骤以及所涉及的参数的计算。同时该设计包括制作IPR曲线；设计井底流压和动液面；初选下泵深度由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径；确定冲程和冲次；抽油杆柱设计；计算泵效；产量校核；计算最大
10、最小载荷、曲柄轴扭矩；抽油机校核；确定机杆泵及其工作参数。进行此次设计可以培养我们正确的设计思想、理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。加深我们对所学课程的理解和掌握，培养我们综合运用所学知识独立分析和解决问题的初步能力。通过设计实践，训练并提高我们在查阅资料、理论计算、结构设计、应用标准和规范及计算机应用等方面的能力。第1章 设计内容1.1 原始数据表1-1 原始数据井深(m)1850油相对密度0.84油层静压(MPa)17.5水相对密度1油层温度()80气相对密度0.74恒温层温度()16含水率0.46地面脱气油粘度()30原生产压差(MPa)6油饱和压
11、力(MPa)8.2原产液量()30套管内径(m)0.124套压(MPa)0.5油管内径(mm)62油压(MPa)1油管外径(mm)73配产量（）52生产气油比()20泵径（mm）44抽油机型号CYJ10365HB冲程3沉没压力（MPa）3冲次（rpm）6电机额定功率（KW）371.2 设计内容及步骤(1)根据给定的地层压力、饱和压力以及生产动态数据计算采液指数；(2)由设计基础数据和采液指数得到IPR曲线(3)由IPR曲线计算井底流压；(4)计算下泵深度；(5)计算动液面；(6)计算出口压力；(7)确定抽油杆柱材料、组合；(8)根据产量和下泵深度确定抽油机型号和泵径；(9)确定抽吸参数（S、N
12、）；(10)计算泵效；(11)计算产液量；(12)产量校核（偏差最好不超过10%）；(13)抽油机校核（最大载荷、扭矩）。第2章 流体物性参数的计算2.1 井筒温度场计算根据经验公式计算沿井筒的温度分布4： (2-1)式中：油井产液量，；重量含水率，小数；体积含水率，小数；恒温层温度，；油层温度，；油层中部深度，m；井筒中任意点深度，m。2.2 流体物性参数假设下泵深度：由井底流动压力,假设泵下入深度为900米。 (2-2)=58.958 (2-3) (1)原油的API度5 (2-4) 式中：原油的API度。(2)溶解气油比的计算 (2-5)式中：溶解气油比。的计算：时，的计算：(3)原油体积
13、系数的计算 (2-6) (2-7) (4)原油密度计算 (2-8) 式中： 在压力P以及温度T下的原油密度，；地面条件下的原油相对密度；地面条件下的气相对密度；在压力P以及温度T下的溶解气油比，；在压力P以及温度T下的原油体积系数，。(5)油水混合液体的密度 (2-9)(6)液体粘度原油粘度“死油”（脱气油）粘度： (2-10) “活油”（饱和油）粘度： (2-11)式中：；原油死油粘度，；原油活油粘度，。水的粘度 (2-12)式中：水的粘度，。体积粘度 (2-13) = (7)油、天然气的表面张力 (2-14) 5式中：油、气的表面张力，。(8)水、天然气的表面张力 (2-15)式中：；温度
14、为t时水、气的表面张力，；温度为23.33时水、气的表面张力，；温度为137.78时水、气的表面张力，。所以(9)油、水混合物和天然气的表面张力 (2-16)(10)天然气粘度 (2-17)式中：天然气粘度，；天然气分子量，；。(11)天然气的压缩因子 (2-18)式中：；临界温度,；压力，；临界压力，。当时， (2-19) (2-20) (2-21) (2-22) 首先假设，迭代计算压缩因子：所以，Z取0.91。(12)天然气的密度 (2-23)式中：在给定温度和压力下的天然气密度，。第3章 油井流入动态预测3.1 采液指数的计算由油水混合液体的密度公式1: (3-1)=0.84（1-0.4
15、6）+10.46=0.9136t/m式中：油相对密度，小数；水相对密度，小数；含水率，小数。原产油量G=30t/d，则 (3-2)=30/0.9136=32.84m/d式中：原油原体积产量，；原油相对密度，小数；原油质量产量，。配产量Q=52d/t (3-3)=52/0.9136=56.92 m/d原油配体积产量，；原油配产量质量产量，。Pr=17.5MPa，Pb=8.2MPa,P=6MPaQt(test)=32.84m/d时， (3-4) =11.5MPa式中：井底流压，MPa；油层静压，MPa。因为Pwf=11.5MPaPb=8.2MPa，则2 (3-5) =32.84/6 =5.47MP
16、a/(md)式中：采液指数,。 (3-6) =5.47(17.5-8.2) =50.871m/d (3-7)=50.871+5.478.21.8=75.790m/d式中：饱和压力下的产液量,；由IPR曲线的最大产油量,。若0qtqb取0q=56.92m/dqb，则按流压加权平均进行推导得： =7.99MPa (3-8） 因为取 =7.4270MPa (3-9)取 =5.3347MPa取 =2.2302MPa 当时，由 得 式中：纯水产量,；对应流压的总产液量,。总结出以下数据：表3-1 流压与流量关系表：17.511.57.42705.33472.23020050.87155657577.51
17、373.2 绘制IPR曲线 3.2.1 IPR曲线的绘制图3-1 井底流压与设计产量的关系3.1.2确定下泵根据IPR曲线，计算可得:井底的流动压力3： (3-10) 式中：配产量，；油水混合液体相对密度，小数。 由估算值可知需要下泵。第4章 计算下泵深度4.1 多相垂直管流的压力降多相垂直管流的压力降公式可以表示为6： (4-1)式中：计算管段压力降，；计算管段的深度差，；计算管段的平均压力，；摩擦损失速度，；重力加速度，；混合物密度，；流体总质量流量，；气体体积流量，；管子流通截面积，。对于套管内的流动取套管的截面积，对于油管内的流动取油管的截面积，对于油、套环空内的流动取油、套环空的截面
18、积，对于油管、抽油杆环空内的流动取油管、抽油杆环空的截面积。不同流动型态下的和的计算方法不同，为此，计算中首先要判断流动形态。该方法的四种流动形态的划分界限如下表：表41 四种流动形态的划分界限流动型态界限泡流段塞流过渡流雾流4.2 有关参数的计算(1)气体的体积流量 (4-2)式中：气体的体积流量，；产油量，；生产气油比，。 (4-3) (2)气体的质量流量 (4-4)式中：气体的质量流量，。（3）液体的体积流量 (4-5)式中：液体的体积流量，；产液量，；。(4)液体的质量流量 (4-6)式中：液体的质量流量，。(5)总体积流量 (4-7) (6)总质量流量 (4-8) 由基本数据可知：
19、(4-9) (4-10) (4-11)=1.06经查表41可知：所以该流动型态为泡流。泡流中，平均密度： (4-12)式中：气相存容比，计算管段中气相体积与管段容积之比值；在平均压力、温度条件下气体的密度，；在平均压力、温度条件下液体的密度，；在平均压力、温度条件下混合物的密度，。 (4-13)式中：滑脱速度，。Griffith由实验得出泡流的滑脱速度的平均值为0.038m/s7。取=0.038m/s。=0.0116泡流摩擦损失梯度按液相进行计算： (4-14) (4-15)式中：摩擦阻力；液相真实速度，。摩擦阻力系数可根据管壁相对粗糙度和液相雷诺数计算得到。 (4-16)当时，因为从油层底部
20、到油层压力为饱和压力中还有一段距离即。则，下泵深度。一次假设值为1120m，则对进行第二次假设。假设图4-1 计算下泵深度流程图(1)原油的API度=59.72式中：原油的API度。(2)溶解汽油比的计算的计算：时，的计算：(3)原油体积系数的计算(4)原油密度计算式中：在压力P以及温度T下的原油密度，；地面条件下的原油相对密度；地面条件下的气相对密度；在压力P以及温度T下的溶解气油比，；在压力P以及温度T下的原油体积系数，。(5)油水混合液体的密度(6)液体粘度原油粘度6“死油”（脱气油）粘度：式中：；。“活油”（饱和油）粘度：式中：；原油死油粘度，；原油活油粘度，。水的粘度式中：水的粘度，
21、。液体粘度(7)油、天然气的表面张力式中：油、气的表面张力，。(8)水、天然气的表面张力式中：；温度为t时水、气的表面张力，；温度为23.33时水、气的表面张力，；温度为137.78时水、气的表面张力， 。(9)油、水混合物和天然气的表面张力7(10)天然气粘度式中：天然气粘度，；天然气分子量，；。(11)天然气的压缩因子式中：；临界温度，；压力；临界压力，。首先假设，迭代计算压缩因子：所以，。(12)天然气的密度式中：在给定温度和压力下的天然气密度，。(13)气体的体积流量式中：气体的体积流量， ； 产油量，；生产气油比，。(14)气体的质量流量式中：气体的质量流量，。(15)液体的体积流量
22、式中：液体的体积流量，；产液量，；。(16)液体的质量流量式中：液体的质量流量，。(17)总体积流量(18)总质量流量由基本数据可知：经查表4-1可知，所以该流动型态为泡流。泡流中，平均密度式中：气相存容比，计算管段中气相体积与管段容积之比值；在平均压力、温度条件下气体的密度，；在平均压力、温度条件下液体的密度，；在平均压力、温度条件下混合物的密度，。式中：滑脱速度，。Griffith由实验得出泡流的滑脱速度的平均值为0.244m/s。取。泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：式中：摩擦阻力；液相真实速度，。摩擦阻力系数可根据管壁相对粗糙度和液相雷诺数计算得到。当时，则下泵深度二次假设值为1137m
23、，则对进行第二次假设。假设(1)原油的API度式中：原油的API度。(2)溶解汽油比的计算的计算：时，的计算：(3)原油体积系数的计算(4)原油密度计算式中：在压力P以及温度T下的原油密度，；地面条件下的原油相对密度；地面条件下的气相对密度；在压力P以及温度T下的溶解气油比，；在压力P以及温度T下的原油体积系数，。(5)油水混合液体的密度(6)液体粘度原油粘度“死油”（脱气油）粘度：式中：；。“活油”（饱和油）粘度：式中：；原油死油粘度，；原油活油粘度，。水的粘度式中：水的粘度，。液体粘度(7)油、天然气的表面张力式中：油、气的表面张力，。(8)水、天然气的表面张力式中：；温度为t时水、气的表
24、面张力，；温度为23.33时水、气的表面张力，；温度为137.78时水、气的表面张力，。(9)油、水混合物和天然气的表面张力(10)天然气粘度式中：天然气粘度，；天然气分子量，；。(11)天然气的压缩因子式中：；临界温度，；压力，；临界压力，。当时，首先假设，迭代计算压缩因子：所以，Z取0.91。(12)天然气的密度式中：在给定温度和压力下的天然气密度，。(13)气体的体积流量式中：气体的体积流量，；产油量，；生产气油比，。(14)气体的质量流量式中：气体的质量流量，。(15)液体的体积流量式中：液体的体积流量，；产液量，；。(16)液体的质量流量式中：液体的质量流量，。(17)总体积流量(1
25、8)总质量流量由基本数据可知：经查表4-1可知：所以该流动型态为泡流。泡流中，平均密度式中：气相存容比，计算管段中气相体积与管段容积之比值；在平均压力、温度条件下气体的密度，；在平均压力、温度条件下液体的密度，；在平均压力、温度条件下混合物的密度，。式中：滑脱速度，。Griffith由实验得出泡流的滑脱速度的平均值为0.244m/s。取。泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：式中：摩擦阻力；液相真实速度，。摩擦阻力系数可根据管壁相对粗糙度和液相雷诺数计算得到。当时，则，下泵深度综合以上两次迭代，确定泵下入深度。第5章 计算泵出口压力及抽油杆柱设计5.1 计算泵的出口压力假设泵的出口压力流体物性参数的
26、计算：(1)原油的API度(2)溶解汽油比的计算(3)原油体积系数的计算(4)原油密度的计算 (5-1)(5)油水混合液体的密度（6）液体粘度原油粘度：“死油”（脱气油）粘度：“活油”粘度其中。水的粘度待添加的隐藏文字内容3当时， 假设因此，设；。5.2 抽油杆柱的设计本设计中采取一种简化杆柱的设计方法。暂将杆、管环空中的压力分布给定（按油水两相、不考虑摩擦时的压力分布），杆柱的最大、最小载荷公式采用与杆长成线性关系的下面公式。它是针对液体粘度较低、直井、游梁抽油机的杆柱载荷公式。悬点最大、最小载荷的计算公式8： (5-2) (5-3) (5-4) (5-5)式中：第级杆每米杆在空气中的质量，
27、；第级杆杆长，；抽油杆级数，从下向上计数；泵的排出口压力，；泵的沉没压力，；冲次，；光杆冲程，；活塞截面积，；重力加速度，。选取冲次3次/分，冲程3米。 (5-6) (5-7) (5-8) (5-9)式中：抽油杆许用最大应力，；抽油杆最小抗张强度，对于D级杆；抽油杆最小应力，Pa；使用系数，考虑到流体腐蚀性等因素而附加的系数。若抽油杆的应力范围比小于,则认为抽油杆满足强度要求。此时杆柱长度可根据直接推导出杆柱长度的显式公式。对于液体粘度低的油井，可不考虑采用加重杆。抽油杆自下向上依次增粗。所以应先给定最小杆径（19mm），然后由下向上依次设计。由应力范围比的计算公式及给定的应力范围比（）计算第
28、一级杆长，若大于等于泵深，则由应力范围比的计算公式及给定的应力范围比计算第二级杆长，若大于等于（）,则同理进行设计。在设计抽油杆的过程中，油管直径（内径）一般取62mm，外径73mm。由为了便于计算，下表中列出了不同尺寸的抽油杆在空气中的质量。表51 不同尺寸的抽油杆在空气中的质量直径截面积空气中每米抽油杆质量162.001.64192.852.30223.803.07253.913.17综上所述，选取19级抽油杆9。第6章 动液面计算6.1 物性参数假设(1)原油的API度 式中：原油的API度。(2)溶解汽油比的计算的计算：时， 的计算：(3)原油体积系数的计算(4)原油密度计算6.2 天
29、然气静气柱的压力分布8 (6-1)时，Z首先取1，迭代计算压缩因子：Z再取 (6-2)假设,取物性参数的计算：(1)原油的API度式中:原油的API度。(2)溶解汽油比的计算的计算：当时，的计算：(3)原油体积系数的计算(4)原油密度计算天然气静气柱的压力分布当时，Z首先取1，迭代计算压缩因子：Z再取所以，动液面约为838m第7章 抽油机校核(1)最大扭矩计算10 (7-1)式中：最大扭矩，；悬点最大载荷，N；悬点最小载荷，N；冲程，m。(2)电动机功率计算 (7-2)(3)泵效计算理论排量： (7-3)冲程损失系数的计算： (7-4) (7-5)充满系数： (7-6) (7-7)式中：泵内余
30、隙比；K=0.1；泵内气液比；地面生产气油比，；泵内溶解气油比，；沉没压力，Pa；体积含水率,小数；标准状况下的绝对压力；P0=105Pa；标准状况下的绝对温度，T0=293K；泵吸入口处的绝对温度，K；气体压缩因子。a.计算；。b.计算液体粘度“死油”（脱气油）粘度：；。“活油”（饱和油）粘度：c.计算d.计算Z；。Z首先取1，迭代计算压缩因子：Z再取所以，(4)泵内液体的体积系数 (7-8)(5)漏失量计算10 (7-9)式中：检泵初期的漏失量，；泵径，；液体动力粘度，；柱塞长度，m；取1.5m；柱塞两端的液柱压差，Pa；重力加速度，；径向间隙，m；取0.00005m；柱塞平均速度，,m/
31、s；冲程，m；冲次，rpm。(6)泵效的计算 (7-10) (7-11)(7)产量校核光杆功率： (7-12) (7-13) (7-14) (7-15)漏失系数： (7-16)式中：光杆功率，；水力功率，；井下效率；地面效率；系统效率。第8章 结论经过了优选抽油泵、优化杆柱设计、采用新工艺技术，达到了最初减少系统故障提高采油效率的目的。计算结果如下：(1)抽油机型号: CYJ10365H(2)泵径(m):0.044(3)冲程(m):3(4)冲次(rpm):6(5)配产量(t/d):52(6)电机额定功率(KW):37(7)下泵深度(m):1151(8)动液面深度(m):838(9)泵出口压力(
32、MPa):11.16(10)悬点最大载荷(KN):40.658(11)悬点最小载荷(KN):21.198(12)抽油杆径(m):0.019(13)抽油杆长(m):1151(14)抽油杆顶部最大应力(MPa):142.66(15)抽油杆顶部最小应力(MPa):74.38(16)减速箱最大扭矩():17193(17)电动机功率(KW):7.17(18)泵效(%):80.12(19)泵充满系数(小数):0.939(20)冲程损失系数(小数):0.909(21) 泵漏失系数(小数):0.9936谢 辞我要感谢我的导师王璐老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在闲聊中他总是能像知心朋友一样鼓励你，在论文的
33、写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，王老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是王老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢王老师。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校辽宁石油化工大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！参考文献1张琪.采油工程原理与设计M.山东东营:中国石油大学出版社,2000,9.2张琪.抽油机悬点最大载荷计算J.山东东营：华东石油学院报,1981,第三期;36.3王鸿勋,张琪.采油工艺原理M.北京:石油工业出版社,1989.4 崔振华,余国安等.有
