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采油工程课程设计
抽油井系统设计是将抽油井从地层到地面看作一个完整的系统，通过相关理论知识的学习和运用，掌握抽油井系统选择设计方法。具体讲就是学习和掌握抽油设备的选择方法及抽油杆柱设计方法。
一、设计要求
（1） 确定出该井的合理下泵深度；
（2） 选择出合适的抽油机。
（3） 选择合适的抽油泵；
（4） 确定合适的冲程和冲次；
（5） 确定抽油杆直径及其组合；
（6） 计算悬点的最大和最小载荷；
（7） 抽油机减速箱电动机及其它附属设备的选择。
二、基础数据
表2-1 抽油系统设计基本数据
井号
yj080501
油层深度
(m)
1500+学号*10
油管直径
(mm)

套管直径
(mm)
190
地温梯度(oC/100m)
3.29
井底温度
(oC)
81.8
地层压力
(MPa)
10.0+0.学号
饱和压力
(MPa)
9．6
传热系数(W/moC)
2.93
试井产液
(m3/d)
28.1
试井流压
(MPa)
4.88
体积含水率
(%)
19.5
原油密度(kg/m3)
960.05
地层水密度(kg/m3)
1000
原油比热(W/kgoC)
2303.49
地层水热比(W/kgoC)
4327.77
设计沉没度
(m)
204.23
设计排量
(m3/d)
20+班号
三、设计原理
1、井底流压
井底流压是根据油井产能和设计排量来确定的。当设计排量一定时，根据油井产能便可确定相应排量下的井底流压。设计排量一般是由配产方案给出的。
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要首先确定。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：
（3－1）
式中：——对应于井底流压下的油井产量，m3/d；
——油井的极限产量,m3/d；
——井底流压, MPa；
——平均地层压力，MPa；
将已知数据代入上式，在设计排量为= m3/d的条件下，求得该井流压为∶
= MPa。
2、泵吸入口压力
泵吸入口压力是确定泵深度的重要参数，主要根据设计沉没度来估算。而沉没度是根据油井的产量、气油比、原油粘度、含水率以及泵的进口设备等条件来确定。
气油比小于80m3/m3的稀油，定时或连续放套管气生产时，沉没度应大于50m。
（1） 气油比大于80m3/m3，并且控制套管压力生产时，沉没度应保持在150m以上。
（2） 当产液量高、液体粘度大（如稠油或油水乳化液时），沉没度还应再高些。
由于稠油不仅进泵阻力大，而且脱出的溶解气不易与油分离，往往被液流带入泵内而降低泵的充满程度。因此，稠油井需要有较高的沉没度。这样，既有利于克服进泵阻力，又可减少脱气，以便保持较高的充满程度。一般情况下，稠油井的沉没度应在200m以上。
当沉没度确定后，便可利用有关方法计算或根据静液柱估算沉没压力ps。
沉没段油、水混合液的平均密度计算公式为：
（3－2）
3、下泵深度
下泵深度是抽油机系统设计的重要数据，它决定了抽油杆的总长度，并且影响着悬点载荷、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，应用相应方法来确定。
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MPa，根据静液柱估算，该压差对应的高度Hp为 。因此，下泵深度则为：
Lp=H-Hp= m （3－2）

四、抽油设备的图表选择法

五、悬点载荷计算及抽油杆强度校核方法
（1） 悬点载荷计算
在下泵深度及沉没度不是很大，井口回压及冲次不是很高的油井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略振动、沉没压力、井口压力、液柱惯性产生的悬点载荷，此时，悬点最大和最小载荷可表示为：
（5－1）
(5－2）
式中：、——悬点承受的最大和最小载荷；
——上冲程中抽油杆柱所受的重力与浮力之差产生的载荷；
——下冲程中液柱的重力对抽油杆的浮力产生的载荷；
、——上、下冲程中抽油杆产生的最大惯性载荷；
——上、下冲程中的最大摩擦载荷。
其中∶

式中：L ——抽油杆长度，m；
ρs——抽油杆材料的密度，kg/m3；
ρl——抽汲液的密度，kg/m3；
——抽油杆截面积，m2；
——抽油泵活塞截面积，m2；
——游动凡尔孔截面积，m2；
——抽油机曲柄回旋半径，m；
——抽油杆连杆长度，m；
——抽油杆与液柱之间的摩擦力，N;
——凡尔流量系数。
其中： （5－3）

式中：——抽油杆柱与液柱之间的摩擦力，N；
——井内液体的动力粘度，Pa·s；
m——油管内径与抽油杆直径之比，；
——油管内径，m；
——抽油杆直径，m；
——抽油杆柱最大下行速度，m/s；
可按悬点最大运动速度来计算，当采用简谐运动模型时，其值为：
（5－4）
(2)抽油杆强度校核
抽油杆强度校核，是保证抽油杆安全工作的前提条件，其校核方法有两种：计算法和图表法。
抽油杆柱在工作时承受着交变负荷，因此，抽油杆承受着由最小应力到最大应力变化的非对称循环应力作用：
（5－5）
（5－6）
根据研究，在非对称循环应力条件下的抽油杆强度条件为：
（5－7）
其中 （5－8）
（5－9）
式中：、 —分别为抽油杆柱的折算应力、循环应力的应力幅值；
—非对称循环疲劳极限应力，亦即抽油杆的许用应力，它与抽油杆柱的材质有关。
六、抽油杆的选择
常用的抽油杆主要有普通抽油杆、玻璃纤维抽油杆和空心抽油杆三种类型。设计所用抽油杆是指普通型抽油杆。
抽油杆的直径规定为13，16，19，22，25，29mm六种规格，抽油杆的长度一般为8000mm和7620mm。为了调节抽油杆柱的长度，还有长度各为410，610，910，1220，1839，2440，3050，3660mm的短抽油杆。
抽油杆的选择主要包括确定杆柱的长度、直径、组合及材料。当下泵深度确定后，抽油杆柱的长度就确定下来。抽油杆的制造材料决定了抽油杆的强度和其它性能，应该根据油井中的流体性质和井况来确定。不同直径抽油杆的组合，应保证各种杆径的抽油杆在工作时都能够满足强度要求。
当下泵深度较大时，小直径抽油杆将不能满足强度要求，需要换大直径抽油杆。这样，既浪费了抽油杆，又增加了悬点载荷。为此，往往采用上粗下细的多级组合抽油杆柱。
抽油杆组合的确定步骤
通常人们把确定抽油杆柱组合称之为抽油杆柱设计。其具体设计计算步骤如下：
（1）以抽油泵为起点，其高度为；给抽油杆直径变量数组赋值。
（2）假定一个液柱载荷（可用中等直径抽油杆进行估算）；
（3）最大和最小载荷分别赋值为：上冲程载荷常量，下冲程载荷常量；
（4）给定最下一级抽油杆直径（最小直径）；
（5）假定计算段长度H，则计算的起点高度，末点高度为。如果时，则令，该段的长度则为；
（6）计算段的平均高度为，计算该平均高度下对应的温度，并计算原油的粘度及混合物的粘度；
（7）分别计算该计算段的最大载荷与最小载荷；
（8）分别计算累计最大和最小载荷：，
（9）计算抽油杆的折算应力，进行该段抽油杆强度校核；
（10）如果不满足强度要求，则换次一级抽油杆直径，返回到步骤5重新计算；如满足强度要求，则以H作为下一计算段的起点，进行下一段计算；
（11）当时则结束，否则返回到5继续计算，直到为止。
(12)最后应检验假定的液柱载荷。如与计算值不相等，则重新假设并计算。
应用计算机程序进行计算所得到的抽油杆直径及组合如下：
表5-1抽油杆直径及组合
项 目
一级杆
二级杆
三级杆
直 径/mm
16
19
22
长 度/m
622
496
133
七、抽油机减速箱电动机及其它附属设备的选择
选择抽油机时，要使计算的悬点最大载荷小于所选择抽油机的许用载荷，同时所选择的抽油机能够提供前面确定的冲程冲次。
选择减速箱时，要使计算的最大扭矩小于所选择减速箱的许用扭矩。
选择电动机时，要使计算的电机最大功率小于所选择电动机的许用功率。
其他附属设备要根据油井具体情况和某些特殊要求进行选择。
此外，还要考虑这些设备应满足以后调参以及油井条件变化的需要。
1、计算与校核载荷
在进行抽油杆直径及组合确定计算结束时，便可得到悬点的最大载荷和最小载荷，它们分别为：
=47.75kN，=12.06kN；
由于该抽油机的许用载荷为=80kN,因此满足载荷要求。
2、计算与校核扭矩
曲柄轴处的最大扭矩可采用如下任一公式计算：
（7－1）
（7－2）
（7－3）
式中： ——曲柄轴最大扭矩，N·m；
S——光杆冲程，m；
——悬点最大载荷，N；
——悬点最小载荷，N；
三个公式计算最大扭矩Mmax分别是：26.77 kN•m 、26.17kN•m、27.03 kN•m。
由于该抽油机的许用扭矩为[Mmax]= 48 kN•m，因此满足扭矩要求。
3、计算需要的电功率
电机实际输出的最大功率可用如下公式计算：
（7－4）
式中：——电机实际输出的最大功率，kW；
——曲柄轴最大扭矩，N•m；
——冲次，1/min；
——传动效率，取0.9。
将Mmax＝27.03KN•m，n＝6 min-1代入上式，可得需要的最大电动机功率：
Nmax＝11.322 kW。
八、 设计结果
设计结果
混合密度，kg/m3
967.84
井底流压，MPa
5.203
沉没压力，MPa
1.94
下泵高度，Hp
344.3
下泵深度，m
1250.7
泵径，mm
44.00
最大悬点载荷，kN
47.75
最小悬点载荷kN
12.06
扭矩，kN•m
27.030
电动机功率kW
11.322
抽油机型号

油管直径mm

抽油杆组合
抽油杆直径，mm
16
19
22
抽油杆长度，m
622
496
133
抽汲参数
冲程m

冲次