抽油机井系统效率分析及提高措施ppt课件.ppt

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1、薛建泉电 话：8393777,抽油机井系统效率分析及提高措施,中国石油大学（华东）石油工程学院2006年8月22日,2,目 录,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第三部分 提高地面系统效率的方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,3,常规有杆抽油系统采油是通过抽油设备将地面的电能转化、传递给井筒中的生产流体，从而将其举升至地面的采油方式。整个系统的工作实质上就是能量不断传递和转化的过程，在能量的每一次传递和转化时都会有一定的能量损失。从地面供入系统提供的能量扣除系统中的各种损失，就是系统给井筒流体的有效能量，其与系统输入的能量之比即为抽油机井的系统效率。显然，无论是节能还是提高

2、经济效益，都要求常规有杆抽油系统有较高的系统效率。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第一节 概述,4,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,目前，全世界所有的机械采油井中常规游梁式抽油机井占85%抽油机井的耗电量高达约占油田总耗电量的 3035左右资料表明，我国有杆抽油系统效率不足20%。我国在用抽油机近5104台，若每口抽油机井实用功率按10kW计，5104台抽油机一年耗电近4.26109kW.h。若将有杆抽油系统效率提高到30%，每年可节电近14.8108kW.h。可以节省大量能源还可以缓解油田用电紧张状况。 目前，全世界有近百万口抽油机井，其耗电量非常可观，因此对有杆抽油系统效

3、率的研究有重要意义。,第一节 概述,5,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第一节 概述,技术装备水平。高水平和好性能的技术装备是提高抽油机井生产系统效率的重要基础。要想从根本上解决抽油机井系统效率低的问题，就应采用较先进的、节能型的技术装备。抽油机井生产系统优化设计水平。它是提高抽油机井系统效率的技术依托。在一定的油井条件和设备条件下，优化设计生产系统的工作制度，将在一定程度上提高抽油设备的运行效率和油井的生产效率。管理水平。高的管理水平是提高抽油机井生产系统效率的必要条件。及时准确地分析油井及其设备的工作状况、调整工作制度等，都会影响抽油机井的系统效率。,影响系统效率的主要因素,6,第

4、一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,一、定义与系统效率分解1有杆抽油系统 包括原动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置以及油层供液系统。2抽油机的输入功率（P入） 拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。 3抽油机的光杆功率（P光） 提升液体和克服各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。 4抽油机系统的有效功率（P水） 将井下液体提升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水力功率,7,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,5有杆抽油系统效率抽油机有效功率与输入功率的比值为抽油机井系统效率，即： 抽油机工作过程中负荷是不断

5、变化的，因而其瞬时输入功率、光杆功率、输出功率等也是不断变化的，相应的各种瞬时效率也是不断变化的。为了便于研究，这里有杆抽油系统及各部分的效率主要是指抽油机每工作一个周期的平均效率，所采用的各种功率值，也是每一周期内的平均功率。,8,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,效率分解 抽油机系统的效率分为两部分，即地面效率和井下效率。以光杆悬绳器为界，悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率；悬绳器以下到抽油泵为井下效率，即： 式中 地地面效率； 井井下效率。,9,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,地面部分的能量损失发生

6、在电动机、皮带和减速箱、四连杆机构中：式中 K有效载荷系数； 1电动机效率； 2皮带和减速箱效率； 3四连杆机构效率。,10,由于皮带的输出功率（减速箱输入功率）不便测试，因此不再进一步将它们分开。有效载荷系数K是由于上下冲程时四连杆机构中能量的传递方向不同而引入的一个系数。各个效率又可分别表示为：,P1电动机输入功率，即P ，kW；P2电动机输出功率，kW；P3减速箱输出功率，kW； P4光杆功率，即P光，kW。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,11,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,井下部分能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油

7、泵和管柱中，因此： 式中 4盘根盒效率； 5抽油杆效率； 6抽油泵效率； 7管柱效率。,12,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,各个效率又分别表示为： 式中 P5光杆经盘根盒后传给抽油杆的功率，kW； P6抽油泵的输入功率，kW； P7抽油泵的输出功率，kW； P8有杆抽油系统的有效功率，即P水，kW。,13,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,为了确定、地、井及各部分效率i必须求得从电机输入到抽油机系统输出的各部分功率Pi。,14,二、测试参量与计算公式1. 电动机部分 电动机的测试参量有：有功功率、无功功率、电流、电压、电机

8、转速、电机输出扭矩等。 2. 皮带 减速箱部分 皮带、减速箱应当分别测试，从而分别计算它们的效率。但由于抽油机的结构原因，单独测试困难，将它们作为一个组件。测试参量有：输出轴扭矩、输出轴转速,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,15,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,3. 光杆部分 光杆的测试参数有：光杆载荷、光杆位移和光杆功率。 4. 盘根盒 盘根盒的测试参数有：光杆与盘根盒的摩擦力、光杆运动速度。 5. 抽油杆部分 抽油杆的测试参数为：抽油杆在运动中的摩擦耗功（P杆）。,16,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节

9、系统效率计算与测试,6. 抽油泵部分 抽油泵的测试参数有：抽油泵的实际产液量、泵的吸入压力、抽油泵的排出压力。 7. 井下管柱部分 井下管柱的测试参数有：油井产量、油井动液面深度等。,17,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,三、系统效率测试 目前虽有一些计算有杆抽油系统各部分功耗的公式，但其一般误差都很大。只有采用一定的测试仪器，在现场进行实测，才可能得到比较精确的耗功数据，进而计算系统效率。（一）各分效率的测试方法1测试点分布 为了测试有杆抽油系统的分效率，可在整个系统布点9处。,18,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,分级

10、效率测试布点简图,19,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,（1）测点1 位于电动机动力输入处，在该点测各种电参数用电功率表可以在1点测得电动机的输入功率。除此之外还要测输入的电流、电压、无功功率（功率因数cos）等。用最大电流比可以确定抽油机的平衡度；根据电压是否变化，可以了解整个系统的平稳程度；无功功率或功率因数则说明所测抽油机系统对整个供电系统的影响。（2）测点2、3 测点2位于电动机输出轴端，测点3位于减速箱的曲柄轴输出端。用动态应变仪分别测2、3点处的扭矩，同时用转速计测该两点处的转速；然后就可以分别求出电动机的输出功率和减速箱输出功率。,20,第一部

11、分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,（3）测点4 位于悬绳器处。用动力仪可测得示功图；根据示功图面积及动力仪的比例系数可求得光杆功率。（4）测点5 在井下抽油泵处。在泵的吸入口和排出口分别安装振弦压力计，测试抽油泵吸入和排出压力。（5）测点6、7、8、9 四点都在井口处。在6点处用回声仪测油井动液面深度，在7点处用压力表测套管压力，在8点处用压力表测油管压力，9点为油管出口处，在该点用流量计测量油井产量Q。,21,2模拟测试 根据5、6、7、8、9五点所测得数值，可分别求得抽油泵输出功率和系统的有效功率，9个测试点可确定6种功率（P1、P2、P3、P4、P5、P6）。

12、用这6种功率求全部的7个分效率是不够的，因为井口盘根盒的耗功和井下抽油杆耗功还是个未知数。 要在直接测试P5与P6有较大的困难，为此采用模拟测试方法。 测试盘根盒耗功测试是室内完成的。用一根短管把两个盘根盒连接起来，管上安装有压力管通油泵，用油泵对盘根盒加压。光杆上贴有电阻片测出光杆的摩擦力。见下图,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,22,盘根盒耗功测试装置简图1盘根盒；2连接管；3光杆；4加压管；5压力表,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,23,3简便测试方法 在研究分析抽油机系统各部分耗功时，进行分级效率测试是必要的，因为

13、只有这样才能深入地揭示系统中各部分的工况。分级效率测试与计算的工作量很大，在日常管理工作中要对每一口抽油机井都进行这样的测试工作是不可能的。为此，下面给出一种简便而适应于日常管理工作的测试方法。（1）测输入功率P及电流I用功率表测电动机输入功率。用钳形电流表测量抽油机上下冲程时最大的工作电流，从而确定抽油机平衡程度。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,24,式中 I下max抽油机下冲程的最大工作电流，A； I上max抽油机上冲程的最大工作电流，A； n测量组数； B平衡度，%。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,25,（2）测

14、光杆功率P光及水功率P水 通过动力仪测光杆功率；用回声仪测动液面深度；由压力表测套管压力、油管压力；在计量站测出油井产液量，从而求出抽油机系统的有效功率。 求得P、P光、P水后，可分别求得、地及井。这样的测试工作，工作量不大，又可求得系统总效率以及地面与井下的分效率，对于生产井的管理工作有指导意义。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,26,（二）提高系统效率的措施 （1）应用系统效率控制图； （2）认真解决“大马拉小车”问题； （3）推广各种节能型抽油机； （4）保持适当的举升高度； （5）防止非正常漏失及气体的影响； （6）运用优化设计、诊断技术对抽油机井进

15、行设计、分析。,第一部分 系统效率分析及系统测试与监测,第二节 系统效率计算与测试,27,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,设计原则：以油藏供液能力为依据，以各子系统协调为基础，采用节点系统分析方法，以经济效益和生产系统效率为目标，使抽油系统高效、安全地工作。优化设计的整体思路：常规有杆泵井及其改型工艺的优化设计主要包括抽汲参数（泵径、冲程、冲次）的优选、抽油设备（主要指杆柱结构）的选择。设计与分析内容：工况分析、不动杆柱设计、动杆柱优化设计。,28,油井流入动态曲线（IPR曲线）： 表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。,油井流入动态： 油井产量与井底流动压力的关系。 它反

16、映了油藏向井的供油能力，反映油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资料；为采油工程的下一步工作提供依据；检查钻井、固井、完井和各项工艺措施等技术水平的优劣。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,29,1.单相液体流入动态,供给边缘压力不变圆形地层中心一口井的产量公式为：,圆形封闭油藏，拟稳态条件下的油井产量公式为：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,30,单相流动时，油层物性及流体性质基本不随压力变化，产量公式可表示为:,采油指数J的获得：,

17、油藏参数计算 试井资料：测得35个稳定工作制度下的产量及其流压，便可绘制该井的实测IPR曲线,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,31,2.油气两相渗流时的流入动态,平面径向流，直井油气两相渗流时油井产量公式为：,(1)垂直井油气两相渗流时的流入动态,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,32,1)Vogel 方法,假设条件：a.圆形封闭油藏，油井位于中心；b.均质油层，含水饱和度恒定；c.忽略重力影响；d.忽略岩石和水的压缩性； e.油、气组成及平衡不变；f.油、气两相的压力相同；g.拟稳态下流动状态。,Vogel方程,第二部分 有杆

18、抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,33,2）费特柯维奇方法,溶解气驱油藏：,假设 与压力 成直线关系，则：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,34,式中：,则：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,35,(2)斜井和水平井的IPR曲线,Cheng对溶解气驱油藏中斜井和水平井进行了数值模拟，并用回归的方法得到了类似Vogel方程的不同井斜角井的IPR回归方程：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,36,Bendakhlia等用两种三维三相黑油模拟器研究了多种情况下溶解气驱油藏中水平井的流

19、入动态关系。得到了不同条件下IPR曲线。,Bendakhlia用公式来拟合IPR曲线图版，发现吻合很好。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,37,（1）基本公式 当油藏压力高于饱和压力，而流动压力低于饱和压力时，油藏中将同时存在单相和两相流动，拟稳态条件下产量的一般表达式为:,3. 时的流入动态,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,38,组合型IPR曲线,（2）实用计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,39,流压等于饱和压力时的产量为：, 当 时，由于油藏中全部为单相液体流动。,流入动态公式为：

20、,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,40, 当 后，油藏中出现两相流动。,直线段采油指数,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,41,3.油气水三相IPR 曲线（Petrobras方法）,油气水三相IPR 曲线,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,综合IPR曲线的实质: 按含水率取纯油IPR曲线和水IPR曲线的加权平均值。当已知测试点计算采液指数时，是按产量加权平均；当预测产量或流压时是按流压加权平均。,42,(1)采液指数计算,已知一个测试点( 、 )和饱和压力 及油藏压力, 当 时：, 当 时：, 当

21、 时：,其中：,直线段采液指数,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,43, ，则：, ，则按流压加权平均进行推导：,(2)某一产量下的流压计算,所以：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,44,因为：,所以：,若 ，则综合IPR曲线的斜率可近似为常数。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第一节 油井流入动态,45,油井流入动态研究主要有三种途径： 基于Vogel、Fetkovich、Petrobras方法的完善。 建立不同类型油藏和井底条件的渗流模型。 利用单井流入动态的油藏数值模拟技术。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设

22、计与分析,第一节 油井流入动态,46,第二节 已知动液面计算井底流压方法,由动液面计算井底流压的方法是在套管不产气正常生产井井筒中，将井筒流体划分为气柱、油柱及液柱三段，分别求出各段的压力降落，从而计算井底流压。其计算表达式如下：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,47,1.动液面处压力的计算,2. 油柱所产生压力的计算,第二节 已知动液面计算井底流压方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,48,3.井底流压的计算,当油管未下至油层中部时，在油管管鞋至油层中部深度处流体呈现多相混合流动。已知油管管鞋处的压力、温度等，并以此作为起点，利用多相流相关式计算井底流压。,第二节 已

23、知动液面计算井底流压方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,49,根据流体静力学的原理，关井后井底静压是井口套压与各段流体压力降落之和，即,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第三节 根据静液面计算静压方法,50,1.井筒中油水界面深度的计算, 关井之后由地层续流到井筒中的流体含水率与 油井正常生产时地面产液的含水率相同； 关井之后由抽油泵及油管漏失到井筒中的流体的含水率与正常生产时地面产液的含水率相同。,为了便于研究，特作如下假设：,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第三节 根据静液面计算静压方法,51,因此，井筒中油水界面深度为：,第二部分 有杆抽油井生产系统优

24、化设计与分析,第三节 根据静液面计算静压方法,52,2.计算气柱的压力降落,3.计算油柱的压力降落,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第三节 根据静液面计算静压方法,53,4.计算水柱的压力降落,第三节 根据静液面计算静压方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,54,井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论,研究特点：流动复杂性、无严格数学解,研究途径：基本流动方程 实验资料相关因次分析 近似关系,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,55,石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,70年代，石油工业开始采用已在其它工业领

25、域中使用的 一些物理机理来预测多相流的流型,80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展,80年代中期应用了核密度计、超声波、电容传感器、激光多普勒仪和高速摄影机等设备对多相流机理进行研究,目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法,1.多相流理论的研究简史,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,56,多相流问题未得到解析解,复杂管道中的流动研究较少,水平井段变质量流动研究较少,缺乏专用研究仪器,缺乏向下流动的综合机理模型,多相流理论的研究现存的问题,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计

26、与分析,57,2.井筒气液两相流动的特性,(1)气液两相流动与单相液流的比较,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,58,流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。,(2)气液混合物在垂直管中的流动结构变化,影响流型的因素,各相介质的体积比例,介质的流速,各相的物理及化学性质(密度、粘度界面张力等),流道的几何形状,壁面特性,管道的安装方式,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,59,流动型态的划分方法：两类 第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分，包括泡状流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流或

27、冲击流、环状流、雾状流,垂直气液两相流流型,水平气液两相流流型,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,60,第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分，包括分散流、间歇流、分离流,第一类划分方法,泡状流,弹状流或团状流,层状流,波状流,段塞流或冲击流,环状流,雾状流,第二类划分方法,分散流,间歇流,分离流,分离流,间歇流,分离流,分散流,两类划分结果的对应关系,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,61,两种分类方法比较,第一类划分方法较为直观,第二类划分方法便于进行数学处理,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部

28、分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,62,油井生产中可能出现的流型自下而上依次为：纯油(液)流、泡流、段塞流、环流和雾流。 实际上，在同一口井内，一般不会出现完整的流型变化。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,油气沿井筒喷出时的流型变化示意图纯油流；泡流；段塞流；环流；雾流,63,3.井筒气液两相流能量平衡方程,两个流动断面间的能量平衡关系：,倾斜管流能量平衡关系示意图,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,64,倾斜管流能量平衡关系示意图,倾斜多相管流断面1和断面2的流体的能量平衡关系为：,第四节 井筒多相流理论与

29、计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,65,适合于各种管流的通用压力梯度方程：,则：,令：,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,66,说明：a. 计算压力分布过程中，温度和压力是相关的；b. 流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差；c. 不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,67,4.井筒气液两相流动的模型,气液两相流动的规律较单相流复杂得多,常采用简化的流动模型进行处理，以便探讨其流动规律。常用的模型有流动型态

30、模型、均相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,68,（1）流动型态模型,定义：将两相流动分成几个典型的流动型态，然后按照不同的流动型态分别研究其流动规律。,特点,针对性强，精确度高数学处理复杂，计算量大流型界限确定困难,流动型态模型是未来的研究方向,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,69,（2）均相流动模型,（1）气相和液相的实际速度相等，即,（2）两相介质已达到热力学平衡状态,对于泡状流和雾状流，具有较高的精确性,对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正,对于层状流、波状流

31、和环状流，则误差较大,两个假定,特点,定义：把气液两相混合物看成均匀介质，其物 性参数取两相的均值而建立的模型,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,70,（3）分相流动模型（简称分流模型）,定义：它是把气液两相流动看成为气、液相各自分开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建立每一相介质的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流断面的份额（即真实含气率）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的摩擦阻力，为了取得这些数据，目前主要是利用实验研究所得的经验关系式。 近年来，随着计算流体力学的发展，有些数据已可以通过数学模型用解析计算求

32、得。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,71,分流模型的基本假设是： (1) 两相介质分别有各自的按所占断面积计算的断面平均流速； (2) 虽然两相介质之间可能有质量交换，但两相之间处于热力学平衡状态，压力和密度互为单值函数。,分流模型适用于层状流、波状流和环状流。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,72,（4）漂移流动模型,漂移流动模型简称漂移模型，它是由朱伯(Zuber)和芬德莱(Findlay)针对均流模型、分流模型与实际的两相流动之间存在的偏差而提出的特殊模型。 在均流模型中，没有考虑两相间的相互作用，而是

33、用平均流动参数来模拟两相介质；分流模型中，尽管在流动特性方面分别考虑了每相介质以及两相界面上的作用力，但是每相的流动特性仍然是孤立的；而在漂移流动模型中，既考虑了气液两相之间的相对运动，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布规律。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,73,在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的多相流计算模型，而且常常需将前面介绍的多种模型有机地结合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。,5.井筒气液两相流动的计算方法,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,74,Poettmann-C

34、arpenter方法、Fanch-Brown相关式、Baxendell-Thomas 相关式、Hagedron-Brown 关系式、Duns-Ros相关式、Orkiszewski相关式、Beggs-Brill 相关式、Dukler相关式、Mukherjee-Brill相关式、 Aziz相关式、Eaton相关式、Ansari相关式等。 不同方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,75,数学相关式大体分为三种类型：在计算井筒流体混合密度时不考虑液体滞留量的影响，而液体滞留量与管壁摩阻损失用一个经验摩阻系数来表达，不

35、区分多相流体的流态分布情况。在计算多相流体混合物密度时考虑液体滞留量的影响，而摩阻系数要依据液体和气体的组成特征来确定。考虑液体滞留量的影响，摩阻系数取决于多相流体中连续相的特征。同时考虑了不同流态的影响，其中包括泡状流、段塞流、环流及雾状流。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,76,在进行气液两相流动的有关计算中，常需要确定工作条件下原油、天然气、水及其混合物的物性参数。客观地讲，确定这些物性参数最根本、最精确的方法是实验测定。然而，实际生产设计和计算中所遇到的原油、天然气及水的组成、工作温度和工作压力等的范围都非常广泛，完全依赖实验方法测定各种工况条

36、件下的油、气、水及其混合物的物性参数是很困难的。另外，过去曾一度建立和使用的许多物性参数图版，也都难以适应目前广泛应用电子计算机进行工程计算的要求。 因此，为了便于利用电子计算机进行气液两相流动的计算，建立原油、天然气、水及其混合物物性参数计算的相关公式是非常必要的。,第四节 井筒多相流理论与计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,77,1.假设条件,气体质量忽略不计,井筒中液体流动为准稳定流，体积和流态变化的影响忽略不计,流体对地层放热，其总传热系数为不变,因天然气析出及膨胀吸热忽略不计,油流在油管中流动时因摩擦而产生的热量忽略不计,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆

37、抽油井生产系统优化设计与分析,78,2.公式的推导,传热公式,油损失热量为,根据热量守恒,地层温度与深度的关系,联立上述公式可得,求解方程得,C为原油比热,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,79,3.公式中各项参数取值,参数取值,(1) 井底油温,井底油温也就是油层温度,(2) 地温梯度,一般认为 0.03m,(3) 井深h,取油层中部至井口的距离,(4）原油质量流量,油井生产时可实测，生产前由地质部门或作业者提供,(5）原油比热C,一般计算时取C21kJkg.当原油含水时,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析

38、,80,(6）总传热系数K,(7) 套管外径D,其数据在完井后即可提供,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,81,4.假设条件的分析,(1)气体质量流量,(2)流动型态,国内多数油田的气油比一般在1080之间，气量可忽略不计，假设条件（1）可以成立。但对气油比大于100的井，可将气量折换成油量。,井筒内的流型较复杂，但考虑到只研究宏观整体，故可将流动视为准稳定流。,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,82,(3)总传热系数,(4)天然气析出和膨胀问题,井筒外部不同位置的岩层性质亦不同，井筒内的流体流型又有变化，

39、所以严格地说，总传热系数值应该是一个变量，但其变化与平均值之间的差值不大，取实测平均值即可。因此，计算时可按常数考虑。,油流沿井筒上升，当压力低于饱和压力时，天然气析出。析出气体需要热量，已析出气体不断膨胀，又会吸收一部分热量，这两部分热量的计算比较复杂。但在井底压力大于饱和压力且气油比小于100时，气体析出膨胀而引起温降一般在2左右。而且此温降又被油气在油管中由于摩擦所产生的热量补偿掉一部分。因此，在一般工程计算中，可忽略此温降。,第五节 井筒多相流体温度分布计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,83,第六节 流体物性参数计算方法,1.原油密度,2.原油的API度,3.油水混合液

40、体的密度,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,84,4.原油体积系数,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,85,当平均压力小于饱和压力时：,当平均压力大于饱和压力时：,其中：,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,86,5.溶解气油比,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,87,6.液体粘度,死油粘度：,活油粘度：,水的粘度：,油水混合物粘度：,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,88,7.油、天然气的表面张力,8.水、天然气的表面张力,9

41、、油、水混合物和天然气的表面张力,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,89,10.天然气的粘度,y=2.4-0.2xx=3.5+986/(492+1.8t)+0.01MM=28.96,其中：,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,90,11.天然气的密度,12.天然气的压缩因子,第六节 流体物性参数计算方法,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,91,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,1.节点系统分析方法,节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统

42、，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。,92,2.抽油机井生产系统的组成,(1)油气层子系统,(2)井筒子系统,(3)地面集输子系统,(4)采油设备子系统,稳定工作条件：协调,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,93,节点系统分析对象：整个油井生产系统,节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展,协调条件,能量(压力)守恒,热量守恒,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,94,求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。,求解点：为使问题获得解决的节点。,节点流

43、入曲线,节点流出曲线,协调点,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,95,节点流入曲线,节点流出曲线,协调点,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,96,节点系统分析思路：,以系统两端为起点分别计算不同流量下节点上、下游的压力，并求得节点压差流量曲线。,根据描述节点设备(油嘴、安全阀等)的流量压差相关式，求得设备工作曲线。,两条压差流量曲线的交点为问题的解，即节点设备产生的压差及相应的油井产量。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,97,油藏与油管两个子系统的节点分析,(1

44、)井底为求解点当油压为已知时，可以井底为求解点。,已知条件：油藏深度；油管直径；气油比；含水；油、气、水密度；油藏压力；饱和压力(低于油层压力)及单相流时的采油指数。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,98,(2)井口为求解点,设定一组产量，通过IPR曲线A可计算出一组井底流压，然后通过井筒多相流计算可得一组井口油压曲线B。,使用：计算出任意产量下的井口油压的大小，并用于预测油井能否自喷。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,99,功能节点：存在压差的节点。 压力不连续的节点。,一般地，功能节点位置上装有起特

45、殊作用的设备，如油嘴、抽油泵等。油井生产系统中，当存在功能节点时，一般以功能节点为求解点。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,100,3.抽油机井生产系统节点的设置,1,2,3,4,5,6,求解点的选择：下泵处。,求解点：为使问题获得解决的节点。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,101,4.抽油机井生产系统优化设计技术,（1）设计原则 以油藏供液能力为依据，以各子系统协调为基础，采用节点系统分析方法，以经济效益和生产系统效率为目标，使抽油系统高效、安全地工作。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,

46、第七节 抽油机井生产节点系统分析,102,（2）设计与分析内容 对目前正常生产的抽油机井进行工况分析，以了解油层的生产能力、设备的工作状况，为进一步制定合理的技术措施提供依据。 对目前正常生产的，且工况分析认为只需进行地面生产参数调节、不动管杆柱的抽油机井进行地面生产参数对举升效率或经济效益的敏感性分析，并以高效为目标，制定参数调节方案，预测参数调节后的生产指标和设备工况指标。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,103,对新井或措施井（所谓的动管杆柱的油井），通过优化设计，确定合理的生产参数和采油设备配置（如抽油机、泵型、泵径、冲程、冲次、下泵深度、

47、抽油杆柱组合、扶正器安装位置、加重杆长度、规格等），预测相应抽汲参数下的工况指标（如载荷、应力、扭矩、功率、效率、产量、泵效及其组成分析等）。,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,104,4.抽油机井生产系统优化设计技术,（3）优化设计思路 利用数值模拟（仿真）的思路，对油井生产设备和技术可行的各种生产配置的可能性进行全面计算分析，使得优化结果具有很强的可操作性，同时具有敏感性分析作用。,四点条件：,油井流入动态 抽油设备 抽汲参数 优化目标,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,105,“抽油机井举升工艺优化设

48、计”总体框架,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,106,抽油机井举升工艺工况校核与分析框图,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,107,抽油机井举升工艺优化设计与分析框图,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第七节 抽油机井生产节点系统分析,108,有杆泵采油典型特点： 地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。,(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。,(2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。,有杆泵采油分类：,第二部分 有杆抽油井

49、生产系统优化设计与分析,第八节 抽油机井生产系统设计与分析,109,1.抽油装置,抽油机、抽油杆、抽油泵、其它附件。,新型抽油机：为了节能和加大冲程。,异相型游梁式抽油机,异形游梁式抽油机,双驴头游梁式抽油机,链条式抽油机,宽带传动抽油机,液压抽油机,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第八节 抽油机井生产系统设计与分析,110,超高强度抽油杆,玻璃钢抽油杆,空心抽油杆,电热抽油杆,连续抽油杆,柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆,抽稠泵,防砂卡泵,适合高气液比的抽油泵,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第八节 抽油机井生产系统设计与分析,111,2.抽油机悬点运动规律及载荷分析,悬点

50、速度变化曲线 1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,悬点加速度变化曲线1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第八节 抽油机井生产系统设计与分析,112,（1）静载荷,抽油杆柱载荷；液柱载荷；沉没压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响,（2）动载荷,惯性载荷；振动载荷；摩擦载荷,第二部分 有杆抽油井生产系统优化设计与分析,第八节 抽油机井生产系统设计与分析,113,3.抽油机平衡、扭矩、功率、效率的计算,平衡计算：平衡半径和平衡块重量。,扭矩计算：曲柄轴扭矩曲线,功率计算：电动机功率、光杆功率、水力功率。