中國石油大學（北京）
石油天然氣工程學院
2013.3.5
本次採油工程課程設計的主要內容是進行有桿抽油生產系統設計，通過設計計算，讓學生了解有桿抽油生產系統的組成、設計原理及設計思路。
1．有桿幫浦抽油生產系統設計
1．1有桿抽油生產系統設計原理
有桿抽油系統包括油層，井筒流體、幫浦、油管、抽油杆、抽油機、電動機、地面出油管線直到油氣分離器。有桿抽油系統設計就是選擇合理的機，杆，幫浦，管以及相應的抽汲引數，目的是挖掘油井潛力，使生產壓差合理，抽油裝置工作安全、高效及達到較好的經濟效益。
在生產過程中，井口回壓基本保持不變，可取為常數。它與出油管線的長度、分離器的入口壓力有關，此處取。
抽油井井底流壓為向上為多相管流,至幫浦下壓力降至幫浦的沉沒壓力(或吸入口壓力),抽油幫浦為增壓裝置,故幫浦出口壓力增至,稱為幫浦的排出口壓力.在向上,為抽油杆油管間的環空流動.至井口,壓力降至井口回壓。
(1)設計內容
對剛轉為有桿幫浦抽油的井和少量需調整抽油機機型的有杆抽油井可初選抽油機機型。對大部分有桿抽油油井。抽油機不變，為己知。對於某一抽油機型號，設計內容有：
幫浦徑、衝程、衝次、幫浦深及相應的幫浦徑、桿長，並求載荷、應力、扭矩、功率、產量等技術指標。
(2)需要資料
井：井深，套管直徑，油層靜壓，油層溫度
混合物：油、氣、水比重，飽和壓力
生產資料：含水率，套壓，油壓，生產氣油比，原產量，原流壓（或原動液面）。
(3)設計方法這裡介紹給定配產時有杆抽油系統的設計方法。首先需要獲得油層的ipr曲線。若沒有井底流壓的測試值，可根據測試液面和套壓計算得井底流壓，從而計算出採液指數及ipr曲線。
1） 根據測試液面計算測試點流壓
從井口到井底可分為三段。從井口到動液面為氣柱段，若忽略氣柱壓力，則動液面頂端壓力仍為套壓。從動液面到吸入口為純油柱段，可以將這一段分為許多小段，採用迭代壓力方法可求出每小段油的密度，最後求出吸口處的壓力。
從吸入至油層中部分多相管流段。通過分小段計算多相管流壓力分布，可求得測試點流壓。
2） 根據測試點流壓和產量計算ipr曲線
3） 給定配產量時有杆幫浦油井設計步驟（簡化設計方法）
a． 利用ipr曲線，由給定產量計算流壓。
b． 按由流壓向上進行多相管流計算，得不同深度處的壓力分布。一般分若干小段進行壓力分布計算。為了計算簡便，此處可按深度增量迭代方法分兩段計算。
若井底流壓高於飽和壓力，則以飽和壓力點為分界線分為兩段，從到為一段，從到零為一段。若井底流壓低於飽和壓力，則以為分界線分為兩段，從到為一段，從到零為一段。
c． 根據幫浦沉沒壓力內插確定幫浦深；
d． 初選杆、管直徑，按由井口向下進行杆、管環空壓力分布計算，得不同深度處的壓力分布，為了簡化計算，給定壓力分布；
e． 對某一抽汲引數組合：幫浦徑、衝程、衝次、幫浦沉沒壓力，計算液柱載荷，設計抽油桿柱；
f． 計算扭矩和需要電機功率等校核抽油機：
g． 計算幫浦效：從而計算出產量
h． 判斷。若不成立，則換另一組抽汲引數，轉第e步；若成立轉第i步。
i． 計算舉公升效率。
j． 通過計算多組抽汲引數的產量，最後得到產量比配產高但最接近且經濟、技術指標較好的抽汲引數組合。
1.2 油井流入動態計算
油井流入動態是指油井產量與井底流動壓力的關係，它反映了油藏向該井供油的能力，從單井來講，ipr曲線表示了油層工作特性。因而，它既是確定油井合理工作方式的依據，也是分析油井動態的基礎。本次設計油井流入動態計算採用petrobras方法。
petrobras方法計算綜合ipr曲線的實質是按含水率取純油ipr曲線和水ipr曲線的加權平均值。當已知測試點計算採液指數時，按產量加權平均。
⑴採液指數計算
已知乙個測試點；、和飽和壓力及油藏壓力。
①如果則1）
②如果採液指數
2）式中，
— 對應流壓時總產液量；
— 含水率，小數：
— 油 ipr 曲線的最大產油量。
⑵某一產量下的流壓計算
3）4）
① 若則
5）② 若則按流壓加權平均進行推導得；
6） ③ 若，則綜合ipr曲線的斜率可近似常數。
7）1．3 流體物性引數計算方法
(1) **密度計算
8）式中，—在壓力p 及溫度t下的**密度，；
—地面條件下的**相對密度；
—地面條件下的氣體相對密度；
—在壓力p及溫度下的溶解油汽比，；
—在壓力p及溫度t下的**體積係數。
(2) **的api度
9）式中， —**的api度。
(3) **體積係數的計算
10）式中，
(4) 溶解油氣比的計算
①當時，使用standing的相關式
11）式中，
t—溫度，℃；
p—泡點壓力（在多相管流中取計算段的平均壓力p），pa。
②當時，使用lastater的相關式
12）式中，—地面脫氣**的有效分子量；
—天然氣的摩爾分數。
其中，和可以通過差圖來獲得。為便於計算，可以採用以下公式計算和。
的計算當時13）
當時14）
的計算；
首先計算泡點壓力係數15）
當時16）
當時17）
當時17-1）
如果計算出來的溶解油氣比大於生產油氣比，則等於生產油氣比。
(5) 油水混合液體的密度
18）式中，—體積含水，小數。
(6) 液體粘度
①**粘度
「死油」（脫氣油）粘度：
19）式中，
「活油」（飽和油）粘度：
20）式中，
—**死油與活油粘度，。
②水的粘度
21）式中，—水的粘度，。
③液體的粘度
(7) 油、天然氣的表面張力
22）式中，—油、氣的表面張力，；
p—壓力,pa。
(8) 水、天然氣的表面張力
23）其中
式中，—溫度為t℃時水、氣的表面張力，；
p—壓力,pa。
(9) 油水混合物和天然氣的表面張力
(10) 天然氣的壓縮因子z
迭代-1）
（迭代-2）
此處迭代過程z取初值1，迭代1次。
式中，p—壓力,pa。
(11)天然氣的密度
;式中，p—壓力pa。
(12) 天然氣的粘度
天然氣粘度取
1．4井筒溫度場計算
根據經驗公式計算沿井筒的溫度分布：
24）式中，—油井產液量，t/d；
—質量含水率，小數，體積含水率與質量含水率的換算公式為：
—恆溫層溫度，℃；
—油層溫度，℃；
h—油層中部深度，m；
l—井筒中任意點深度，m。
1.5 井筒多相流計算
1.5.1井筒多相流壓力梯度方程
井筒多相管流的壓力梯度包括：因舉高液體而克服重力所需的壓力勢能、流體因加速而增加的動能和流體沿管路的摩阻損失，其數學表示式如下：
25)式中為多相混合物的密度；為多相混合物的流速；為多相混合物流動時的摩擦阻力係數；d為管徑；p為壓力；h為深度；g為重力加速度；為井斜角的餘角。
1.5.2多相垂直管流壓力分布計算步驟
根據多相管流的壓力梯度就可計算出沿程壓力分布。由於多相管流中每相流體影響流動的物理引數(密度、粘度等)及混合物密度和流速都隨壓力和溫度而變，沿程壓力梯度並不是常數。因此，多相管流需要分段計算，並要預先求得相應段的流體性質引數。
然而，這些引數又是壓力和溫度的函式，壓力卻又是計算中需要求得的未知數。所以，多相管流通常採用迭代法進行計算。有兩種不同的迭代途徑：
按深度增量迭代和按壓力增量迭代。
⑴按深度增量迭代的步驟
①已知任一點(井口或井底)的壓力作為起點，任選乙個合適的壓力降作為計算的壓力間隔。具體要根據流體流量(油井的氣、液產量)、管長(井深)及流體性質來定。
②估計乙個對應的深度增量，以便根據溫度梯度估算該段下端的溫度。
③計算出該管段的平均溫度及平均壓力，並確定在該和下的全部流體性質引數(溶解氣油比、 **體積係數和粘度、 氣體密度和粘度，混合物粘度及表面張力…等)。
④計算該段的壓力梯度。
⑤計算對應於的該段管長(深度差)。
⑥將第步計算得的與第②步估計的進行比較，兩者之差超過允許範圍，則以新的作為估算值，重複②～⑤的計算，使計算的與估計的之差在允許範圍內為止。
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