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: 1500.00 m 套管内径: 124.00 mm 油管内径: 88.90 mm
井底温度: 80℃
地层压力: 10.00 Mpa 饱和压力: 7.00 Mpa
传热系数: 2.5 W/M·℃地温梯度: 3.3 ℃/100m 试井产液量: 25 m/d
试井流压: 5.00 MPa
体积含水率: 30 %
原油密度: 997.40 kg/m
地层水密度: 1000.00 kg/m
原油比热: 2100 W/kg·℃
地层水比热: 4186.8 W/kg·℃设计沉没度: 200.00 m
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, 经过对现场实测原油粘温关系数据进行回归分析, 能够得到原油粘度随温度变化的关系式。
这样, 不但能够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。
现场能够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 455055 60657075
粘度, mPa·s268018201240900600420310230
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、能够提供的冲程冲次大小。
当前已有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) 30003330 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[P max]=100 kN; 许用扭矩[M max]=48 kN
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90 N/mm, 可提供的直径有: 16 mm、 19 mm、 22 mm 、 25 mm和29 mm。
二、设计要求
根据以上的基础数据, 在产液量为28.29 m/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示式;
(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) 经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示式;
(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, ℃;
K
1
——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=M
f C
f
+M g C g
式中∶M f——井液质量流量, kg/s;
C
——井液比热, W/(g·℃);
f
M
——气体质量流量, kg/s;
g
C
——气体的比热, W/(g·℃);
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, 由此温度便能够计算出处于该深度处原油
的粘度, 从而能够进一步计算摩擦载荷、选择抽油设
备。
另外, 还能够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经过回归分析, 发现原油粘度随温度的变化服从指数规律, 可用下式表示:
(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p wf下的油井产量;
q
——油井的极限产量;
1max
p
——井底流压;
wf
p
——平地层压力。
r
将已知数据代入上式, 在设计排量为q 1=28.29 m/d的条件下, 求得该井流压为: p wf=4.50 MPa。
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h s=200 m, 可求得泵吸入口压力p s=1.958 MPa。
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, 而且影响着悬点载荷、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2.542 Mpa,根据静液柱估算,该压差对应的高度H p为208.63m。
因此, 下泵深度则为:
6.确定冲程和冲次。