延长吴起采油厂30-95井机械采油井生产系统优化设计

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延长2-201井机械采油生产系统优化设计

摘 要

陕西延长油田常规有杆泵抽油井总数达1万余口，据统计全油田平均每月有杆泵井停井达542井次，其中地面设备故障占24.1%；井下设备故障占75.9%。检泵周期最长的突破了1000天，最短的不足30天。由于系统故障导致的停井严重地制约了油井的正常生常，造成系统效率很低的影响。所以我们应对新投产或转轴的油井合理的选择抽油设备，对有杆泵抽油系统进行必要的优化设计。

有杆泵抽油系统优化设计是完成油藏工程方案制定的油田开发总体指标的重要保证，是地面建设工程方案设计的依据,在提高油田开发经济效益中起到了重要的作用。内容主要包括：流入动态预测，下泵深度、动液面深度及泵效计算，确定出油井的合理下泵深度，确定合适的冲程、冲次，选择合适的抽油泵，确定抽油杆直径及组合，选出合适的抽油机。经过了优选抽油泵、优化杆柱设计、采用新工艺新技术，可以有效解决油田开发生产过程中存在的突出矛盾，减少了系统故障，收到了明显的经济效益和社会效益。 关键词：抽油杆，下泵深度，泵效，校核

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Abstract

Yanchang Oilfield conventional sucker rod pumping wells a total of one million port, according to statistics oilfield rod pump wells to stop the wells up to 842 wells amonthly average of the ground equipment failure accounting for 24.1%; down hole equipment failure accounting for 75.9%. The longest check period break of 1000 days, the shortest less than 30 days. Stop well system failure resulting in severely restricted the normal life of the wells often, resulting in low system efficiency. So we deal with a reasonable choice of new production or shaft wells pumping equipment necessary to optimize the design of sucker rod pumping system.

The design of rod pumping system's optimization is important to ensure completion of the reservoir engineering solutions to develop oil field development in general indicators is the basis of the ground construction engineering design, has played an important role in improving the economic efficiency of oil field development. The contents include: into the dynamic forecasts, pump depth, dynamic surface depth and calculate the efficiency of the pump to determine reasonable under the pump depth of the wells, and determine the appropriate stroke, pumping, choose the right pump to determine the sucker rod diameter and composition, choose the right pumping. After the optimization of the pump, and new technology to optimize the design of the rod string, using new technology, can solve the prominent contradictions in the production process, received a significant economic and social benefits.

Keywords: sucker rodsl; pump depthl; the efficiency of the pumpl; check

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目 录

摘 要 ............................................................... I ABSTRACT ............................................................ II 1 前 言 ............................................................. 1 1.1研究的背景 ...................................................... 1 1.2 国外机械采油技术进展 ............................................ 2 1.2.1 抽稠泵 ..................................................... 3 1.2.2 超长冲程抽油泵 ............................................. 3 1.2.3 防气锁泵 ................................................... 3 1.2.4 多功能抽油泵 ............................................... 4 1.2.5 螺杆泵 ..................................................... 4 1.3 国外在机械采油方面的配套技术 .................................... 4 1.3.1 有杆泵抽油系统效率评价 ..................................... 4 1.3.2 有杆泵控制器 ............................................... 4 1.3.3 抽油井动态实时监测系统 ..................................... 4 1.3.4 油井抽空控制器 ............................................. 4 1.4 国内机械采油技术现状 ............................................ 5 1.4.1 抽油机 ..................................................... 5 1.4.2 抽油杆 ..................................................... 5 1.4.3 抽油泵 ..................................................... 6 1.4.4 抽油系统优化设计技术 ....................................... 6 1.4.5 交流变频调速技术 ........................................... 6 1.5 国内外机械采油技术的系统优化趋势 ................................ 6 2 工艺计算 ........................................................... 8 2.1 流入动态预测 .................................................... 8 2.1.1 采液指数与流压关系 ......................................... 8 2.1.2 绘制IPR曲线 .............................................. 10 2.1.3 计算是否用下泵 ............................................ 10 2.2 流体物性参数及下泵深度计算 ..................................... 10 2.2.1 井筒温度场计算 ............................................ 10

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2.2.2 假设下泵深度 .............................................. 11 2.2.3 流体物性参数计算 .......................................... 11 2.2.4 计算下泵深度 .............................................. 15 2.2.5 流体物性参数计算 .......................................... 19 2.3 动液面计算 ..................................................... 25 2.4 计算泵出口压力及抽油杆柱设计 ................................... 30 2.4.1 计算泵的出口压力 .......................................... 30 2.4.2 抽油杆柱的设计 ............................................ 32 2.5 抽油机校核 ..................................................... 34 2.5.1 最大扭矩计算 .............................................. 34 2.5.2 电动机功率计算 ............................................ 34 3 泵效计算 .......................................................... 35 3.1 理论排量 ....................................................... 35 3.2 冲程损失系数的计算 ............................................. 35 3.3 充满系数 ....................................................... 35 3.4 泵内液体的体积系数 ............................................. 37 3.5 漏失量计算 ..................................................... 38 3.6 泵效计算 ....................................................... 38 4 结论 .............................................................. 39 参考文献 ............................................................ 40 谢 辞 ............................................................ 41

IV

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1 前 言

本设计的主要内容是通过对有杆泵抽油系统的一系列优化措施，进而减少设备故障，最终达到提高原油采收率的目的。

有杆泵抽油系统包括油层、井筒流动、机-杆-泵和地面出油管线到油气分离器。有杆抽油系统设计主要是选择抽油机、杆、泵、管以及抽汲参数，并预测其工况指标，使整个系统高效而安全地工作。设计原则是以油藏供液能力为依据，以油藏与抽油设备的协调为基础，最大限度地发挥油藏和设备潜力，是抽油系统高效而安全地工作。有杆泵抽油系统设计是采油工程中的重要组成部分。

通过对资料的分析，本人认为该作业井的工作制度存在着一些问题，所以经过一系列原始数据的推算，对该井的有杆泵抽油系统重新进行了设计。

本设计的主要内容是通过有杆泵抽油系统的原始生产动态数据和设计数据设计来确定合理的下泵深度和最高的泵效；熟练地掌握设计的主要过程、步骤以及所涉及的各个参数的计算。同时，该设计包括制作IPR曲线；计算井底流压和动液面；做充满程度与下泵深度关系曲线；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等。

本次有杆泵采油系统的设计的指导思想是根据有提供、测得的相关数据，通过一系列计算，包括参数计算、泵效校核等，以及图标的绘制最后估算出实际泵效，进而确定采油方案。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，严肃认真和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、应用标准与规范以及计算机应用等方面的能力。

1.1研究的背景

油田开发除了初期油藏能量充沛,可依靠自喷采油,中后期采油的原理都是将电能从地面传递给井下液体,从而把井下液体举升到井口。由于采用抽油机提液为主,根据抽油机井系统

工作的特点,可将抽油机系统效率分为地面效率和井下效率。以光杆悬绳器为界,悬绳器以上机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率;而悬绳器以下到

1

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抽油泵的效率为井下效率。

为了对抽油机系统各部分的能量损失及分布情况进行深入分析,可将以上两部分的效率进一步分解,地面部分的能量主要损失在电动机、三角带、减速箱、抽油机的连杆机构;井下部分的能量主要损失在盘根盒、抽油杆、油管柱、抽油泵的摩擦中。

本文在进行采油系统优化的过程中，对抽油机、抽油杆、抽油泵三部分进行了技术适应性、经济适应性分析。

1.2 国外机械采油技术进展

（1）抽油机

国外抽油机总的发展方向是:超大载荷、长冲程、低冲次;自动化、智能化;高效节能;高适应性;无游梁长冲程、大型化。游梁式抽油机经过多年的发展,产品的系列化、标准化和通用化程度日益提高;各种节能机型得到了普遍推广;抽油机自动化控制系统也被广泛使用;多种型式的无游梁长冲程抽油机的发展已日趋完善[1]。

（2）抽油杆

为了满足大泵强采、小泵深抽、稠油井、高含蜡井、腐蚀井和斜井采油的需要,国外研制了许多特种抽油杆,如超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆、电热抽油杆、KD级抽油杆、连续抽油杆、金属塑料复合喷涂防腐抽油杆、柔性抽油杆和铝合金抽油杆,进一步提高了抽油杆的使用寿命和应用范围[2]。

○1Amoco公司利用碳纤维合成技术研究而成的抽油杆,可以作为连续的合成带状抽油杆取代常规柱状抽油杆,以提高标准游梁式举升系统的工作性能。

○2加拿大Corod公司研究开发的椭圆截面型连续抽油杆,已经在许多国家15000多口井中使用,最大下泵深度已达3500m,均取得了较好的使用效果,Corod抽油杆与油管相对磨损较少,抽油杆应力减少23%,光杆最大载荷减少12.6%,消耗功率减少14.3%,特别适用于深井、斜井和丛式井开采石油及小直径油管抽油。

○3美国Axelson公司生产的S-80型超高强度抽油杆,由于抗疲劳强度高,消耗功率减少30%～50%。

○4美国Maga公司生产的铝合金抽油杆,耐腐蚀能力很强,质量较轻,操作方便,消耗功率减少30%～50%,是一种很有发展前途的抽油杆。

○5俄罗斯杜马兹石油股份公司2000年在1317油井和1520油井安装了2套玻璃钢

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抽油杆。玻璃钢抽油杆的优良性能表现为兼有相当大的强度和很大的弹性,其质量大大低于钢质抽油杆。这样在不改变设备类型的情况下,可以使用提高泵排量的大直径柱塞泵。 （3）抽油泵

有杆抽油泵由于结构简单、工艺成熟、操作简便、维修容易,仍然是美国和俄罗斯等主要机械采油设备。国外抽油泵发展的特点是:

○1抽油泵向适应出砂、高油气比、稠油、腐蚀、井斜等特殊井况,满足深抽和强采需要以及高效、长寿命方向发展。

○2形成了范围较广的尺寸系列,能适应油井不同井深及采液量的需要。 ○3目前国外长冲程泵及相应的抽油机发展很快。

○4抽油泵的泵筒与柱塞副和阀件的耐久性的提高增加了使用寿命。 1.2.1 抽稠泵

目前美国已有长度为5.5m、6.1m、7.6m、10.37m、12.2m、15.24m的长冲程抽稠油泵。俄罗斯已将冲程为6m的稠油泵列为国家标准,并研制出长泵筒和长柱塞结构的60/48型稠油泵,最大排量为234m3/d[3]。 1.2.2 超长冲程抽油泵

美国Axelson公司研制出了直径为44.45mm、冲程为24.38m的杆式抽油泵。前苏联试制了冲程达上百米的特种有杆泵,与钢带式超长冲程抽油装置配用。 1.2.3 防气锁泵

美国Harbison-Fischer公司开发成功了一种可在气锁情况下使用的新型有杆泵。采用它有助于消除气锁,缩小杆柱应力范围,消除泵的气液击,减轻杆管摩擦[4]。 此外,加拿大Harbison-Fischer有限公司生产出了一种高排量、高压缩能力凡尔罩的有杆泵,其液体通过能力比现有凡尔罩高一倍,并能对液体传递螺旋运动,从而延长凡尔球的使用寿命;美国Nilcra陶瓷公司研制了PSZ陶瓷抽油泵阀。经过60多口油井实验,结果表明:平均检泵周期延长4.4倍,每口油井修理费用减少13640美元,具有很好的经济效益。

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1.2.4 多功能抽油泵

Texaco公司设计的井下往复泵,置于油水分界面上,在上冲程时提升油,在下冲程时注入水[5]。 1.2.5 螺杆泵

随着各国稠袖、含砂、含气井的数量越来越多,为满足油田开采工艺的需要,近十年来,各国有关制造厂和公司相继推出了井下单螺杆抽油泵系列产品,主要以地面驱动、抽油杆传动为主。

螺杆泵开采技术的发展趋势包括改进螺杆泵的选择性以增强其适应性,改进螺杆泵性能提高其运行和节能效率,延长螺杆泵的使用寿命等[6]。

1.3 国外在机械采油方面的配套技术

1.3.1 有杆泵抽油系统效率评价

美国休斯顿Case Services公司2001年研制成功评价有杆泵抽油系统效率的csBeam软件系统。利用这套系统可进行井下动态分析、可根据历史数据设计新型抽油系统、优化抽油机的平衡、监控油井的动态变化,以确保每口井以最高产量生产[7]。 1.3.2 有杆泵控制器

Lufkin自动化公司在2005年第二季度将气体密闭输送技术引入SAM Well Manager有杆泵控制器。应用这一新型的联合技术,可以解决一直以来存在的维持产量的同时降低成本这一技术难题。 1.3.3 抽油井动态实时监测系统

此系统是建立在便携式计算机及综合数据采集程序包基础上研制出来的。它可以作为定期优化油井动态的一种诊断工具。 1.3.4 油井抽空控制器

Madison工程公司生产的一种抽空控制器,能利用数字信号处理技术优化油井抽汲工作,不需要测示功图而只测定交流电压及电机的电流就能判断油井抽空情况,并能存储一个月的相关信息,其配套的控制程序能自动调节停抽时间间隔以优化油井的产量[8]。

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1.4 国内机械采油技术现状

为了适应不同类型油藏的开发需要,国内在机械采油领域研究与应用了系列新技术[9]。 1.4.1 抽油机

研究开发了各种类型的抽油机,提高了抽油机的适应性。为了适应各种油藏条件,如含砂、含气、含蜡、稠油、及低渗透油田采油的需要,研制与应用了液压抽油机、长冲程无游梁抽油机、螺杆泵采油系统等;为了适应斜井、丛式井采油的需要,研制与应用了斜井、丛式井抽油机;为了适应高含水油井采用大泵提液时不停机进行环空测试的需要,研制与应用了长冲程抽油机;为了解决常规抽油机耗电量大的问题,研制与应用了多种新型节能抽油机,提高了抽油效率,降低了采油成本[10]。

○1中美合资胜利高原有限公司生产的ROTAFLEX长冲程低冲次抽油机,系统效率达55%,具有较好的经济效益。

○2武汉江汉石油机械有限公司利用直线电机技术创新研制成功的一种新型无游梁式抽油机-ZXCY系列直线电机抽油机,该机以直线电机作为动力,不需任何中间转换机构或传动装置,将电能直接转换成直线运动的机械能,实现抽油机的抽油功能,从而彻底改变了常规抽油机必须将旋转电动机的旋转运动转换成抽油杆往复运动的机理,适用于各种类型油藏油井的举升,特别是超深井、大排量抽油井、间抽井、稠油油井、海上平台油井、斜直井等[11]。 1.4.2 抽油杆

深抽、稠油、高含蜡、腐蚀、斜井和水平井等特殊油井对抽油杆的性能、抽油杆柱的设计组合要求不同,促进了国内抽油杆技术的发展。超高强度抽油杆、电热抽油杆、空心抽油杆、玻璃钢抽油杆、柔性连续抽油杆先后得到应用推广,其中空心抽油杆和电热抽油杆在国内十多个油田应用,效果较好,取得了明显的经济效益,并出口俄罗斯、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦和墨西哥。

○1宁夏恒力钢丝绳股份公司研制开发的柔性抽油杆,先后在青海、辽河、大港、中原、大庆等油田进行了试验。从现场试验应用结果看,泵效提高10%以上,有较好的增油效果;能在一定程度缓解偏磨,降低了抽油机悬点最大载荷,因杆断因素导致的检泵周期得到了延长;有效减少油井停井时间,大大缩短了作业时间;在直井大泵

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提液、小泵深抽井中使用效果更加明显。

○2青海油田钻采工艺研究院在青海油田推广应用了柔性连续抽油杆工艺技术。 1.4.3 抽油泵

研制应用了整筒管式泵,引进了美国LTV公司整筒泵生产线。稠油泵、防砂泵、环形阀防砂泵、动筒式防砂泵基本形成系列,防气泵、分抽泵、深抽过桥泵、串联泵、长冲程泵也有很大发展。

○1胜利油田根据需要研制开发了多种抽稠泵、管式防砂泵、防腐耐磨泵、带余隙调零功能的阀式防气泵和排气抽油泵、分层开采用的串联泵和分抽混出泵、大排量双作用和三作用泵,以及油气分采泵。开发了用于深井、斜井、定向井、丛式井以及水平井等的过桥式和机械启闭式抽油泵。

○2吐哈油田有杆泵防气技术自1999年起在油田试验,2001年开始规模应用,截至2003年5月,已在现场应用326井次,平均提高泵效12.2%,单井增油1.42吨/日,应用效果显著。

1.4.4 抽油系统优化设计技术

为了提高整个机械采油系统效率,开发了抽油机井举升工艺优化设计技术、螺杆泵井杆柱受力分析及优化设计技术等系列抽油系统优化设计技术。中国石油大学针对有杆泵往复抽汲采油方式使用广泛,但系统效率较低的实际情况,研究出了有杆泵抽油时机、杆、泵及抽汲参数的优化设计方法。该方法可应用于抽油井的参数优化和新投产井的优化设计。2003年10月以来,在胜利采油厂进行了现场应用,取得了良好的效果。 1.4.5 交流变频调速技术

为了解决能耗和抽油杆与油管、柱塞与泵筒的偏磨,以及调整冲次困难等问题,大庆油田有限股份公司采油一厂等单位研究并使用了交流变频调速技术。1998年～2001年初,经过了17口井运用,取得了节电、增油、降低交变载荷、预防偏磨等方面的效果。

1.5 国内外机械采油技术的系统优化趋势

适应机械、材料、电气、计算机等技术的发展和为了满足不同类型油藏和不同

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油井条件对举升技术的要求,机械采油技术正在朝以下几个方向优化:

1拓宽各种机械采油方法的适应范围,提高其对出砂油藏、稠油油藏、深抽井、○

高油气比井、斜井、偏磨井、腐蚀性油井等的适应性。

2推广应用无游梁长冲程抽油机、气动抽油机、多功能抽油泵、螺杆泵等。 ○

3抽油杆将朝着新结构、新工艺、新材料、高强度、连续杆、抗腐蚀和耐磨损、○

长寿命和高可靠性等方向发展。

4特殊型泵的研制,以适应高油气比、出砂和稠油等特殊井况。 ○

5开展抽油井动态实时监测和有杆泵抽油系统效率评价,保证油井在最佳状态○下生产。

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2 工艺计算

2.1 流入动态预测

2.1.1 采液指数与流压关系 由于油水混合液体的密度为

?l??o?(1?fw)??w?fw 式中：?l——混合液体相对密度； ?o——油相对密度； ?w——水相对密度；

fw——含水率,小数。

可得本井油水混合液体的密度为：

?L=0.84?(1?0.52)?1?0.52

=0.904

产油量Gt?30t/d，则

qt(test)?300.904?33.2 m3/d 当qo?0时，Pwf?17.94MPa qt(test)?33.2 时，Pwf?12MPa。因为Pwf(test)=10.94MPa>Pb=10MPa 则

Jt(test)l?qP-P rwf(test)J33.21?17.94?12

=5.53 m3/d·MPa

式中：J1——采液指数, m3/（d·MPa）； 则qb?Jl(Pr?Pb)=5.53(17.94-10)=43.9 t/d

qJlPbomax?qb?1.8?43.9?5.53?101.8 =74.6 m3/d

（1）取43.9?qt1?60?74.6，则按流压加权平均进行推导得：

pqt)?0.125(1?f?qt?qb?wf?fw(pr?Jw)pb??1?81?80(?q?q)? omaxb?8

2-1）2-2）2-3）（

（

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pwf=0.4?(17.94?=6.77

??6060?43.9)?0.125?(1?0.4)?10??81?80?()?1? 5.5374.6?43.9??（2）取43.9?qt2?70?74.6：

?qq?qb?pwf?fw(pr?t)?0.125(1?fw)pb??1?81?80(t)? J70?qomax?qb70????43.90.4?(17.94?)?0.125?(1?0.4)?10?81?80?()?1=??

5.5374.6?43.9??=4.0655 （3）pwf?0时，

qomax(q?qomax)(8fw?9))?t （2-4） JJ74.6(qt?74.6)(8?0.4?9)0?0.4?(17.94?)?

5.535.53pwf?fw(pr?qt?76.3

式中：qo——纯油产量,m3/d；

qw——纯水产量,m/d；

3

qomax——由IPR曲线的最大产油量,m/d； qt——对应流压的总产液量,m3/d；

3

qb——饱和压力下的产液量,m/d。

总结出以下数据

表2-1 流压与流量关系表

3

pwf(Mpa) qt(m3/d) 17.94 0 10 43.9 6.77 60 4.0655 70 0 76.3 9

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2.1.2 绘制IPR曲线 2.1.3 计算是否用下泵

设计产量m3/d

图2.1 井底流压与设计产量的关系

根据IPR曲线，计算可得: 井底的流动压力pwf=10.34 Mpa

pwf??gh?0.84?9.8?h?10.34?10MPah?1256.07m 由于h小于井深，估算可知需要下泵。

6

2.2 流体物性参数及下泵深度计算

2.2.1 井筒温度场计算

根据经验公式[2]计算沿井筒的温度分布：

t?t0?tr?t0?BATA?(H?L)???B?L?1?eATA? （2-5） BATAH? G?

t?15?QL?1000?1751.475 （2-6） 2485?15?0.001185?(1977?L)???0.001185?L?1?e? 0.001185?1977?式中：QL——油井产液量，t/d； Fw——重量含水率，小数； fw——体积含水率，小数；

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t0——恒温层温度，℃； tr——油层温度，℃； H——油层中部深度，m； L——井筒中任意点深度，m 。 2.2.2 假设下泵深度

由井底流动压力,假设泵下入深度为1070米。

t?29.88???0.001185?1070?1?e?0.001185?(1977?1070)in?15??

= 72.5663 ℃

t?tin?tr2?78.783℃

p?pb?pin2?6.5 MPa 2.2.3 流体物性参数计算 （1）原油的API度

?141.5API??131.5 =36.95

?o式中：?API ——原油的API度。 （2）溶解汽油比的计算

Rγoyngs?23650?M? o1-yngMo的计算：

M61.933??APIo?0.0943 M?36.95o?61.9330.0943?264.9058

yng的计算：

xg?8.0558?P??g105?(t?273.15) x?8.0558?6.5?106?0.76g105?(78.783?273.15)?1.13

11

2-7）2-8）2-9）（ （

（

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76e?3.62575?10?P?(23.33)??0.061000式中：

?752.5?8.7018?10?P?(137.78)??0.04681000?8?wg??(78.783)???0.05359N/m?248?1.8?78.9?0.06?0.0468??0.0468??

206??（9）油、水混合物和天然气的表面张力

?l??og(1?fw)??wgfw?0.01259?0.6?0.05359?0.4

?0.02899N/m（10）天然气粘度

?g?K?10e?4x(10?3?g)y

M?28.96?g?28.96?0.76?22.0248kg/kmolx?3.5?986986?0.01M?3.5??0.01?22.0248492?1.8?t492?1.8?78.9

?5.2754y?2.4?0.2x?2.4?0.2?5.2754?1.3449(9.4?0.02M)(492?1.8t)(9.4?0.02?22.0248)(492?1.8?78.9)?701?19M?1.8t701?19?22.0248?1.8?78.9?124.5338K?

?g?K?10e?4x(10?3?g)y?45.27623?(10?3?55.0585)1.3449 ?124.5338?10e

?R?0.27Pr/(ZT)p?0.01385mPa?sr273.15?tT?（11）天然气的压缩因子 rTc2292.22176.67?gr3)?R?(A4?A5/Tr)?RZ?1T?(?A/T?A6?R/Tr3 c1?r?A3/TP?PA/2P?rPcA1??10?(4.88A?20.39?g)式中：0.31506;??1.0467;A3??0.5783

273.1578.9A4?0.5353;A5???0.6123;A6?0.6815Tr??1.5544

92.22?176.67?K0.76Tc——临界温度，;首先假设Z=1，迭代计算压缩因子： 66.5?10P,P?——压力和临界压力，P?Pa1.4180.271.418r?c6?R??0.2463110?(4.88?0.39? 0.76)1?1.55446c 22

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1.0467?0.5783?)?0.2463131.55441.55440.61230.6815?0.2463122 ?(0.5353?)?0.24631?31.55441.5544?0.8934Z?1?(0.315051?1?0.8934?0.9467 20.27?1.418?R??0.26

0.9467?1.5544Z再取

1.0467?0.5783?)?0.261.55441.554430.61230.6815?0.2622 ?(0.5353?)?0.26?1.55441.55443?0.8885Z?1?(0.31506?（12）天然气的密度

0.76?6.5?106 ?g?3.4844?10?

0.8885?(78.9?273.15)?3 =55.0585kg/m3 （13）气体的体积流量 Qg?Z?qo?(RP?RS)?(t?273.15)

293.15?86400??o?P?10qo?ql(1?Fw)?38?(1?0.4)?21.204t/d

Qg?0.8885?21.204?(50?39.29)?(78.9?273.15) 293.15?86400?0.84?6.5?10?5.1365?10?5m3/s(14)气体的质量流量 Wg?1.206?qo?(RP?RS)??g86400??o

Wg?1.206?21.204?(50?39.29)?0.76 86400?0.84?0.002868kg/s(15)液体的体积流量

23

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Ql?ql?Bo(1?fw)?Bwfw?86400??o(1?fw)?fw?w?

Ql?38??1.153?(1?0.4)?0.4?86400?0.84?(1?0.4)?0.4?

?5.3?10?4m3/s(16)液体的质量流量

1000?ql?1.206?qo?RS??g Wl??o86400

1000?38?Wl??0.45kg/s(17)总体积流量

1.206?21.204?39.29?0.760.84 86400 Qt?Ql?Qg?5.81252?10?4m3/s (18)总质量流量

Wt?Wl?Wg?0.452868kg/s

D?0.124m1Ap??D2?0.0121m24Qt5.81252?10?4由基本数据可知， vt???0.048m/sAp0.01210.7277vt2LB?1.071??1.07D经查表可知， qg/qt?LB 所以该流动型态为泡流。 取vs=0.244 m/s。

1?5.81252?10?45.81252?10?420.4823?10?4?Hg??1??(1?)?? 2?0.0121?0.2440.0121?0.2440.0121?0.244????0.0147?m?(1?Hg)?l?Hg?g?844.02

24

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泡流摩擦损失梯度按液相进行计算：

?f?f

2?lvLHvLHD2

QL5.3?10?4???0.044455m/sAP(1?Hg)0.0121?(1?0.0147) 摩擦阻力系数f可根据管壁相对粗糙度和液相雷诺数[7]计算得到。 NRe??lDvLH855.722?0.124?0.0438??6640 ?L0.000704?0.32NRe?0.0355 当NRe?2000时，f?0.0056?2855.7220.04382??f?0.0355?? f D20.1242?0.242???g??f?Pk??mWtqg??1?2ApP?????h ?k??2?lvLH?844.02?9.8?0.242?6?h?(10?3)?10k?? 1?0???hk?849.24mL=1977-849.24-39.37=1088.4 m

经过计算机计算，确定泵下入深度L=1084m 。

2.3 动液面计算 利用程序进行迭代计算

假设Hf?775m

?0.001185?(1977?775)?tf?15?29.88??0.001185?775?1?e??

= 65.13 ℃ t?tf?tin2?65.13?78.9?72.015℃ 2 25

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p?0.5?3?1.75 MPa 2物性参数的计算

（1）原油的API度 ?API?141.5?o?131.5?141.5?131.5?36.95 0.84式中：?API ——原油的API度。 （2）溶解汽油比的计算

Rs?23650?Mo的计算：

?oMo1-yng?yng

API=36.95<38.3时，Mo=61.933-γAPI61.933-36.95==264.9058

0.09430.0943yng的计算：

8.0558?1.75?106?0.76xg?5??0.31041510?(t?273.15)10?(72.015?273.15)xg0.31041yg?0.1236?ln?0.1236?ln?0.115

0.12230.12230.840.115Rs?23650???10.146264.90581?0.1158.0558?P??g（3）原油体积系数的计算

Bo?0.972?0.000147?F1.175F?5.615Rs?256.223Bo?0.972?0.000147?(256.223)1.175?1.071413（4）原油密度计算

1000(?o?1.206?10?3Rs??s)?o?Bo1000?(0.84?1.206?10?3?10.146?0.76) ?

1.071413?792.69kg/m3?g0.76?2.25t?40?5.615?10.146??2.25?72.015?40?o0.84

26

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天然气静气柱的压力分布

?go?3.4844?10?PToavZavPso?0.5MPa?gogxToPg(x)?Psoexp(?gP) （2-27） ?3Z(t?273.15)?0.90334

?0.001185?(1977?L)?L=0时，t口?15?29.88???0.001185?L?1?e?=42.01℃

t?tf+t口65.13?42.01??53.57℃ 22Tav?53.57?273.15?326.72KTc?92.22?176.67?0.76?226.4892KPc?106?(4.88?0.37?g)?4.5988MPa Pr?P?0.108724PcTr?1.44254Z首先取1，迭代计算压缩因子：

0.27?0.108724?R??0.02035

1?1.442541.0467?0.5783?)?0.020351.442541.4425430.61230.6815?0.0203522 ?(0.5353?)?0.02035?31.442541.44254?0.987865Z?1?(0.31506?Z再取

1?0.987865?0.99393246

20.27?0.108724?R?0.99393246?1.44254 ?0.0204741.0467?0.5783?)?0.0204741.442541.4425430.61230.6815?0.02047422 ?(0.5353?)?0.020474?1.442541.442543?0.987324Z?1?(0.31506?Zav?0.987324

0.90334?9.8?775?293.15Pg(x)?0.5?10?e0.101?10?326.72?0.987324?0.532MPa

66 27

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Pg(x)??og?h?3MPa?h?317.7m Hf?1084?317.7?767m由计算机迭代计算

775?767?771m 假设Hf?2?0.001185?(1977?771)?tf?15?29.88??0.001185?771?1?e??

= 65.07633 ℃ t? p?tf?tin2?65.07633?78.9?71.988℃

20.5?3?1.75 MPa 2物性参数的计算 （1）原油的API度

?API?141.5?o?131.5

?36.95（2）溶解汽油比的计算

Rs?23650??oMo1?yng?yng

Mo的计算：

API?36.95?38.3时，Mo?61.933??API61.933?36.95??264.9058

0.09430.0943yng的计算：

8.0558?1.75?106?0.76xg?5??0.31043510?(t?273.15)10?(71.988?273.15)xg0.31043yg?0.1236?ln?0.1236?ln?0.1151322

0.12230.12230.840.1151322Rs?23650???9.76264.90581?0.11513228.0558?P??g（3）原油体积系数的计算

28

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Bo?0.972?0.000147?F1.175F?5.615Rs?254.1Bo?0.972?0.000147?(254.1)1.175?1.070446?g0.76?2.25t?40?5.615?39.33??2.25?71.988?40 ?o0.84（4）原油密度计算

1000(?o?1.206?10?3Rs??s)?o?Bo1000?(0.84?1.206?10?3?9.76?0.76) ?

1.070446?793.077kg/m3 天然气静气柱的压力分布

Pg(x)?Psoexp(?gogxToPToavZav)

?go?3.4844?10?3?Pso?0.5MPa?gPZ(t?273.15)?0.90334

?0.001185?(1977?L)?L=0时，t口?15?29.88???0.001185?L1?e?

=42.01℃

t?tf?t口2?65.07633?42.01

2=53.543℃

Tav?53.57?273.15?326.693KTc?92.22?176.67?0.76?226.4892KPc?106?(4.88?0.37?g)?4.5988MPa Pr?P?0.108724PcTr?1.442422Z首先取1，迭代计算压缩因子：

0.27?0.108724?R??0.02035

1?1.442422 29

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1.0467?0.5783?)?0.0203531.4424221.4424220.61230.6815?0.0203522 ?(0.5353?)?0.02035?31.4424221.442422?0.98787Z?1?(0.31506?Z再取

1?0.98787?0.994 20.27?0.108724?R??0.0204744

0.994?1.4424221.0467?0.5783?)?0.02047441.4424221.44242230.61230.6815?0.020474422 ?(0.5353?)?0.0204744?1.4424221.4424223?0.98779Z?1?(0.31506?Zav?0.98779

0.90334?9.8?771?293.15Pg(x)?0.5?10?e0.101?10?326.72?0.98779 ?0.53174MPaPg(x)??og?h?3MPa?h?317.577m Hf?1084?317.577?766m66根据以上计算结果，可知动液面深度为766米。

2.4 计算泵出口压力及抽油杆柱设计

2.4.1 计算泵的出口压力

（1）假设泵的出口压力Pout?10.98MPa

P?10.98?1?5.99MPa2

72.8?42.01t??57.405℃2?API?36.95 ?g0.76F?5.615Rs?2.25t?40?5.615?38.6326??2.25?57.405?40 ?o0.84?375.5Bo?0.972?0.000147?(375.5)1.175?1.1278

30

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1000(?o?1.206?10?3Rs??s)?o?Bo1000?(0.84?1.206?10?3?38.6326?0.76)?

1.1278?776.21kg/m3?l??o(1?fw)??w?fw?814.6?(1?0.4)?1000?0.4?865.726kg/m3

z?3.0324?0.02023?API?3.0324?0.02023?36.95?2.2849

y?10z?192.708x?y?(32?1.8t)?1.163?192.708?(32?1.8?57.405)?1.163?0.64

?OD10x?1??0.00336510000.5488?(1000?0.003365)0.73672?o? 1000?0.00134?w??e1.003?1.479?10?2?2(32?1.8t)?1.982?10?5?(32?1.8t)21000(32?1.8?57.405)?1.982?10?5?(32?1.8?57.405)2e1.003?1.479?101000

?0.00053?l??o(1?fw)??wfw?0.00091451?0.6?0.00053?0.4?0.001016

?m??l?865.726kg/m3

Ql?38??1.1278?(1?0.4)?0.4?86400?0.84?(1?0.4)?0.4?

?5.24?10?4m3/s11Ap??D2??3.14??(62?10?3)2?(19?10?3)2???44?0.00273554vLH5.24?10?4??0.192m/s 0.00273554

31

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NRe??lDvLH865.726?(0.062?0.019)?0.192??7035 ?L0.001016?0.32NRe?0.035 当NRe?2000时，f?0.0056?2865.7260.1922?0.035???12.99 ?f?fD20.1242???g??f?Pk??mWtqg?1??2ApP?????h ?k??2?lvLH?865.726?9.8?12.99?6?1084?9.22?10Pa?? 1?0??（2）由计算机迭代计算

9.22?(10.98?1)?9.61MPa 假设?Pk?2因次，设Pout?10.61MPa 2.4.2 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：

11fp??D2??3.14?(0.044)2?15.1976?10?4m2 （2-28）

44'Wl?fp(Pz?PN)?15.1976?10?4?(10.91?3)?106?12021.3N （2-29）

?W??qrjj?1iirjLrjg （2-30）

'PmaxSN2?(?Wrj?Wl)(1?) （2-31）

1790j?1ij?1PminSN2i??Wrj?Wrj （2-32） ?1790j?1j?1i' 32

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式中：qrj ——第i级杆每米杆在空气中的质量，kg/m ； Lrj ——第i级杆杆长，m ； i ——抽油杆级数，从下向上计数； Pz ——泵的排出口压力，Pa ； PN ——泵的沉没压力，Pa ； N ——冲次，rpm ； S ——光杆冲程，m ； fp ——活塞截面积，m2 ； g ——重力加速度，m/s2 。 选取冲次6次/分，冲程3米。

PmaxSN2?(?Wrj?Wl)(1?)1790j?1i'i?1.06035(22.54Lr?12021.3)?40638.423Pmin??Wrj'?j?1SNWrj?1790j?12i

?21.18Lr?3109.35?21607.71Pmax?14260;?42.85?10Pmin?min??7581.65;?42.85?10T?au?(?0.5625?min)SF

4???minPL?max?au??min?max?式中：?au ——抽油杆许用最大应力，Pa ；

T —— 抽油杆最小抗张强度，对于D级杆T=8.1?108Pa ?min——抽油杆最小应力，Pa ；

SF—— 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??PL?,则认为抽油杆满足强度要求。此时杆柱长度?可根据??PL?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

33

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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（??PL?=0.85）计算第一级杆长L1，若L1大于等于泵深L，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L2，若L2大于等于（L-L1）,则同理进行设计[9]。

在设计抽油杆的过程中，油管直径（内径）一般取62mm，外径73mm。

PL??max??min?0.85?au??min

Lr?1832?1176

表2-3 不同尺寸抽油杆在空气中的质量关系表

直径d/mm 截面积fr/cm2 空气中每米抽油杆质量qr/(kg?m-1) 16 19 22 25 2.00 2.85 3.80 3.91 1.64 2.30 3.07 3.17 综上所述，选取19级抽油杆[10]。

2.5 抽油机校核

2.5.1 最大扭矩计算

Mmax?1800S?0.202S(Pmax?Pmin) （2-33）

Mmax?1800?3?0.202?3?(40714.5?21607.7)?16979N?m

2.5.2 电动机功率计算

1000?16979?614388

?7080.365WNr? 34

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3 泵效计算

3.1 理论排量

Qt?1440?fpSN [11] （3-1）

Q?1440?1t4?(0.044)2?3?6 ?39.3922m3/d3.2 冲程损失系数的计算

?NL??wl/a?305100?0.1437W'l?(Pz?Pin)fp?12021.3N E?2.06?1011Pa

Sp?2W'S?(1?lL1L12)?ES(f?)?0.987r1ft3.3 充满系数

R?(RP?RS)(1?fw)PoTinZ(P5 in?10)Tok?0.1 ??1?kR

1?R（1）计算RS

P?3MPa t?72.8℃

?API?36.95

x?8.0558?P??g8.0558?3?106?0.76g105?(t?273.15)?105?(72.8?273.15) ?0.531yg?0.18148

35

3-2） （辽宁石油化工大学继续教育学院论文

Rs?23650??16.6270.840.18148?264.90581?0.18148

（2）计算液体粘度

“死油”（脱气油）粘度：?OD10x?1? 1000z?3.0324?0.02023?API?3.0324?0.02023?36.95?2.2849

y?10z?192.708x?y?(32?1.8t)?1.163?192.708?(32?1.8?72.8)?1.163?0.51523

10x?1??0.0022751000?ODA?(1000??OD)B?o?10000.712?(1000?0.00275)0.85“活油”（饱和油）粘度： ?

1000?0.001432?w??ee1.003?1.479?10?2(32?1.8t)?1.982?10?5?(32?1.8t)210001000

1.003?1.479?10?2(32?1.8?72.8)?1.982?10?5?(32?1.8?72.8)2?0.00041416?l??o(1?fw)??wfw?0.00092?0.6?0.00041416?0.4?0.001025

（3） 计算Bo

F?5.615Rs?292.6Bo?0.972?0.000147?(292.6)1.175?1.0882?g0.76?2.25t?40?5.615?16.627??2.25?72.8?40?o0.84

（4）计算Z

36

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