采油工程课程设计--有杆泵抽油系统设计

采油工程课程设计
课程设计任务书
前言 (4)
一、设计内容 (5)
（一）基础数据 (5)
（二）生产动态数据 (5)
（三）设计数据 (5)
（四）设计内容与步骤 (5)
二、流入动态预测 (6)
（一）根据原始生产动态数据计算采液指数 (6)
（二）IPR曲线的绘制 (7)
（三）由设计数据和IPR曲线计算井底流压和动液面 (8)
三、工作参数的确定 (10)
（一）作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线 (10)
（二）初选下泵深度 (12)
（三）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径 (13)
（四）确定冲程和冲次 (14)
（五）抽油杆柱设计 (14)
（六）计算泵效： (19)
（七）产量校核 (21)
（八）抽油机校核 (22)
（九）结论 (23)
四、最优泵效与下泵深度选择 (23)
（一）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径 (24)
（二）确定冲程和冲次 (24)
（三）抽油杆柱设计 (25)
（五）计算泵效 (29)
（六）产量校核 (30)
（七）抽油机校核 (31)
（八）结论 (32)
五、总结 (33)
参考文献 (33)
前言
采油工程是油田开采过程中根据开发目标通过生产井和注入井对油藏采取的各项技术措施的总称。

作为一门综合应用学科，它所研究的是可经济有效地作用于油藏，以提高油井产量和原油采收率的各项工程技术措施的理论、工程设计方法及实施技术。

有杆泵采油包括游梁式抽油机井有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油，它们都是用抽油杆将地面动力传递给井下泵。

前者是将抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵；后者是将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，最大限度地发挥设备和油藏潜力，使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。

本课程设计的主要目的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；熟练的掌握设计的主要过程、步骤以及所涉及的个个参数的计算。

同时该设计包括制作IPR曲线；计算井底流压和动液面；作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。

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、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。

通过课程设计实践，训练并提高我们在查阅资料、理论计算、结构设计、应用标准与规范及计算机应用等方面的能力，进行课程设计必须制定教学大纲，明确课程设计的目的、要求和内容
一、设计内容
（一）基础数据
井深2146m，地层压力17MPa，油藏温度70℃，饱和压力12MPa，套管内径140mm，油管内径62mm，油管外径73mm，地面原油相对密度0.856，地面产出水相对密度1，标况下天然气相对密度0.7。

（二）生产动态数据
体积含水20%，井底流压6.26MPa，产油量6t/d。

（三）设计数据
体积含水50%，产油量4t/d，生产气油比87m3/t，油压0.8MPa，套压0.2MPa。

（四）设计内容与步骤
1.根据原始生产动态数据和设计数据作IPR曲线。

2.又设计数据和IPR曲线计算井底流压和动液面。

3.作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线。

4.初选下泵深度。

5.由下泵深度和产液量初选抽油机和泵径。

6.确定冲程和冲次。

7.抽油杆柱设计。

8.计算泵效。

9.产量校核，不满足时调整冲程和冲次返回第6或4步。

10.计算最大最小载荷、曲柄轴扭矩，抽油机校核，不满足返回第4步
11.确定机杆泵及其工作参数
二、流入动态预测
油井流入动态是指油井产量与井底流动压力的关系，它反映了油藏向该井供油的能力。

表示产量与流压关系的曲线称为流入动态曲线（Inflow Performance Relationship Curve ）,简称IPR 曲线。

（一）根据原始生产动态数据计算采液指数
采油指数是一个反应油层性质、厚度、流体参数、完井条件及泻油面积等与产量之间的关系的综合指标，其数值等于单位生产压差下的油井产油量，有了采油指数就可以在对油井进行系统分析时预测不同产量时的井底流压，另外还可以研究油层参数
已知： r P =17Mpa ，b P =12Mpa ，
=
)(tes t w f P 6.26 MPa, f w =0.2, Q (test ) =6t/d
r o =0.856, r g=0.7
=t Q 3
0611651()8.7610.85610.20.8564t w t d m Q test r d f ⨯=
⨯=⨯=--
因为，
)
(tes t w f P = 6.62 MPa <b P =12MPa <r P =17Mpa ，所以，由下式
]
))((8.0))((2.01)[(2
max b
w f b w f b o b oil
P test P P west P Q Q Q Q ---+=
)]
([1test P P J Q w f r w ater -=
其中：
）
b r b P P J Q -=(1
b
b o Q P
J Q +=8
.11max 因此推出采液指数的表达式为：
()
1()(1)()()
1.8t test b w r b w r wf test Q J P A
f P P f P P =
⨯--++- （2-1）
上式中：
2
)()()
(8.0)(2.01b
tes t w f b tes t w f P P P P A --= （2-2）
)
(tes t t Q -----对应流压
)
(tes t w f P 时的总产液量；
oil Q ----)(tes t w f P 下纯油IPR 曲线的产油量； w ater Q ----)(tes t w f P 下水IPR 曲线的产水量； w f ----含水率;
68.0)12
26.6(8.0)1226.6(
2.012
=--=A 318.76
0.897(.)12
[(10.2)(17120.68)0.2(17 6.26)]
1.8
a m
J d MP ==--+⨯+-3
1()0.897(1712) 4.485b r b m
Q J P P d =-=⨯-= 31max 0.897124.48510.4651.8 1.8
b o b J P m Q Q d ⨯=+=+= （二）IPR 曲线的绘制
Petrobras 提出了一种计算三相流动IPR 曲线的方法，Petrobras 方法计算综合IPR 曲线的实质是按含水率取纯油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，可按产量加权平均；当预测产量或流压时，可按流压加权平均。

（1）已知原始生产动态数据：f w = 20%,Q o = 6t ∕d
d m f r Q Q w o t /76.820
.011856.0611311=-⨯=-⨯=
所以：2
111122111131)
(8.0)(2.01)()8
.1)(1()
/(897.0b
wf b wf wf r w l b
b r w l t l p p p p A p p f J A p p p f J q MPa d m J --=-++--=⋅=--
流压与产量的关系
产液量与流压的关系曲线
IPR曲线（图1）（2）已知设计数据：f w = 50%,Q o = 4t∕d
所以：
d
m
f
r
Q
Q
w
o
t
/
35
.9
50
.0
1
1
856
.0
4
1
13
2=
-
⨯
=
-
⨯
=
，
3
21
0.897/()
l l
J J m d Mpa
==⋅
2222222
222
2
(1)()()
1.8
10.2()0.8()
b
t l w r b l w r wf
wf wf
b b
p
q J f p p A J f p p
p p
A
p p
=--++-
=--
流压与产量的关系
产液量与流压的关系曲线（图2）
.
IPR曲线
（三）由设计数据和IPR曲线计算井底流压和动液面
由设计数据：f w = 50%, Q o = 4t ∕d
d
m f r Q Q w o t /35.950.011856.041132=-⨯=-⨯=，
查IPR 流入流出动态曲线图可知： P wf =5.53 MPa.
也可以有下式求解P wf
当b Q <max o t Q Q <时，（其中465.10,485.4max ==o b Q Q ） ()()
(1)wf w wf oil w wf water P f P f P =-⨯+⨯ (2-3)
按流压加权平均值计算： )(oil w f P --对应产量t Q
下纯油IPR 曲线上的流压； ）（wate r wf P --对应产量t Q
下水IPR 曲线上的流压。

用组合IPR 曲线计算：
)(oil w f P =0.125⨯b P
[-1+b o b
t Q Q Q Q ---max 80
81] (2-4) 用恒定的生产指数公式计算
）
（wate r wf P 有：
）（wate r wf P =
1
J Q P t
r - (2-5)
于是有：(wf w P f =⨯1J Q
P t
r -）+0.125（1-w f ）b P [-1+b o b t Q Q Q Q ---max 8081]
代入：r P =17Mpa ，
f w =50%;P b =12MPa,Q t =9.35m ³∕d ；Q b =4.485m ³∕
d ,Q omax =10.465m ³∕d ；J l =0.897 m ³∕MPa ；
解得：P wf =5.53MPa
计算动液面
由井底流压与沉没度的关系得：含水井正常抽油时，泵吸入口以上的油套环形空间流体不会发生流动。

因此，油水由于密度差而发生重力分异，使泵吸入口以上的环行空间的液柱中不含水，而在吸入口以下为油水混合物。

c
o s g f P g h g L H P +⨯+-=-6110])[(ρρ (2-6)
式中：
f P ---流压，MPa ； H---油层中部深度，m ； L----泵挂深度，m ； s h ---沉没度，m ； g---重力加速度， m/s 2
；
o ρ---吸入口以上环行空间的油柱平均密度，kg/m 3；
c P ---套压，MPa ；。

井内气液平均密度c kg /,lg ----
ρ
928
.0)1(=+-=w w w o l f f ρρρ 假设m h s 600=, 代入
：
f
P =5.53Mpa,H=2146m,
3
3
lg /10928.0m
kg ⨯=-
ρ,
3
3/10856.0m kg o ⨯=-
ρ,
MPa P m kg g c 2.0,/81.93==。

解得：L=2114m 。

所以：
动液面深度为：m m L f f 632H 1514
==或。

三、工作参数的确定
（一）作充满程度与下泵深度（沉没度）关系曲线 由摘自采油技术手册（第三版）公式：
9.81(1)(1)0.25()1
go K P R P F P ϕηα++=
'-++ (3-1)
3333,;/;
,/;
0.25,;
;go p p c
c t
p c t K P Mpa R m m m m Mpa A A F F A A A A A A ηϕϕα------------------------⋅''----=+
-------------充满系数，
弹性变形影响，K=0.1;
余隙体积百分数，=0.1;
沉没压力生产汽油比,天然气溶解系数天然气进泵系数泵径面积;套管内圆面积油管外圆面积;
如(图3)所示，将f P
等效到泵吸入口压力时：
=P s h o ρg 3
10-⨯+c P （3-2） 将（3-2）式代入（3-1）式中：
1
10)]10([25.0)
1)(110(81.93'
3
3++⨯++⨯-+++⨯=
--
--
--
c o s c o s go c o s P g h F P g h R P g h K ρραϕρη
(3-3) 假设泵径选择28mm 2
时：
；
228.615284mm A p =⨯=π
；22153861404mm A c =⨯=
π
；224183734mm A t =⨯=
π
0.25'
F =0.25(⨯t c p
p A A A Ac A -+
）
=0.25(⨯4183
153868
.615153868.615-+
） =0.25×0.095
取：ϕ（空隙体积百分数）为0.1， 考虑弹性形变影响 1.0=k 由油藏物理性质可知：
Rgo=87⨯0.856=74.473
3m m
()024
.1s 10/277.2R αγP g ⨯⨯= D a 0125.000091.0-=θ ();322738.1+-⨯=T θ
5
.1315.1410
-=r D
.........g r 天然气相对密度 .........T 原油温度 .........P 油藏压力 代入数据计算： 7
.0=g r
1.8(343273)32158θ=-+=
0.000911580.012533.80.28a =⨯-⨯=-
8
.335.131856
.05.141=-=D 根据沉没度与充满程度的关系得：
3339.81(100.21)(10.1)
0.25(74.470.28(100.2))0.095100.21
s o s o s o K h g h g h g ρηρρ---⨯+++=
+⨯++⨯++ （3-4）
又已知
o
ρ=0.856g ∕cm ³，K=0.1即有：
12.01081.910856.0095.0]2.01081.910856.028.047.74[25.0)1.01)(12.01081.910856.0(81.9K 636363++⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯⨯++++⨯⨯⨯⨯=
---s s s h h h ）（η
97.21045.895.121062.903
3+⨯+⨯=--s s h h
97.21045.8295.110062.933+⨯+⨯=
⇒--s s h h η
充满程度与沉没度的关系
充满程度与沉没度的关系曲线
（二）初选下泵深度
由（图5）充满程度和沉没度的关系可知：
当84.0=η时，沉没度,600m h s =
由设计数据得： p w f =5.53Mpa , Q t =9.35(m 3
／d)
c
o s g f P g h g L H P +⨯+-=-6110])[(ρρ
代入数据即：5.53=[（2146－L p ）×0.928×9.81+600×0.856×9.81]×10‾³+0.2
得：L p =2114m
由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径
沉没度和下泵深度与抽油机选取关系图
各类抽油机参数表
已知：L
p =2114m
Q t=9.35(m3／d)
Q t=9.35(m3／d) 在《游梁式抽油机（短冲程中）选择图解》中由L
p =2114m,
得交点a，由a所在区域选用抽油机为：CYJ7－2.1－26F
选定抽油机型号参数
所对应的抽油机选择泵径：Dp=28mm 。

选择抽油杆柱组合：25mm ×22mm ×19mm, 油管直径73mm
（三）确定冲程和冲次
由加速因子公式
17902
SN C =
得： 条件：选择冲程和冲次时，应保证加速因子.225.0<C 取抽油机的悬点最大冲程：S =2.1m.
13.8
2.1N <
=
初选冲次为 ： 5.3min N =次
（四）抽油杆柱设计
表3-4 抽油杆强度级别和对应的抗拉强度表
（1）抽油杆柱下部加重杆设计方法及步骤 1）
计算泵筒与柱塞间半干摩擦力
0.94(
)140386.4(0.02~0.07)p
M D P N
δ
δδ=-=间隙为查《采油技术手册》此处取0.05 2）
计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部向上推力
2
52.63/()
1
),;
3
2.53),;
p e L p o o o o o R n s D d d d D m mpa s ρμμμ=⋅⋅⋅⋅⋅----=----=⋅o 计算雷诺数
排出阀座孔直径，(抽汲液体动力粘度，（
2
26352.63/()
1
52.63 5.3 2.19282810/(2810 2.53)
3
180480.37lg R 1.38(300000.19
e l p o o e e R n s D d R ρμμμμ--=⋅⋅⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-<∴=----当时）为流量系数
3）
计算液体通过排出阀的水力阻力所产生对柱塞底部的向上推力
322
2
2
3242
(1)1.5()729()(2810) 6.151044
o
p p
k
l L o p p A A A n s
P A n
A D m ρμ
ππ
--+
⋅=
⋅⋅⋅=⋅=⨯⨯=⨯
23262
31222
21228
()(10)68.3810443
68.38
6.1510(1)
1.52
2.1615()928729(0.248)(68.38)10 5.3
0.53892
o o l A d m P N
ππ----=⋅=⨯⨯=⨯⨯+
⨯=⨯
⋅⋅⨯⨯==k 代入数据：目前现场所用的抽油泵中游动阀1个或2个，此处n
4） 计算作用抽油杆柱底部液体上浮力
4232.0010600928/9.81/1092f rl s l P A h g m kg m N kg N ρ-=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯= 计算下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力
386.410920.53891478.94W M f l P P P P N =++=++= 5）
计算需配加重杆长度
选择所用的加重杆的直径为32mm ，则
261478.9423.9321078509.81
4
W
w W r P L m A g πρ-=
==⋅⋅⨯⨯⨯⨯
（2） 加重杆上部抽油杆柱组合设计方法与步骤 1）计算各级抽油杆柱长度
抽油杆长度L=L p －L w =2114－23.9 =2090.1(m)
抽油杆组合参数
max 12112W d d X B d d -=⨯
22
max 2323
2W d d X B d d -=⨯
3max 1112
700.0065878(10.1280.225)
X X X W KN
B L ρ=--==-+
0.00658782090.1(10.1280.9280.225)15.2B =⨯⨯-⨯+=
22
17252215.22522X -=⨯⨯=0.118
22
72219215.22219
X -=⨯⨯=0.136
X 3=1－0.118－0.136=0.746 122090.10.118246.62090.10.136284.3L m
L m
=⨯==⨯=
L3=2090.1-246.6-284.3=1559.2m
2）求抽油杆柱按长度加权平均横截面积
1444
242
()
2114
246.6284.31559.223.9
3.9110 3.8010 2.8510(0.032)4
3.0710p
r M
i W i ri
W L A L L A A m π=----=+=
+++⨯⨯⨯⨯=⨯∑
3）计算油管柱金属部分面积 262662731062101165.725104
4
t A m π
π
---=
⨯⨯-
⨯⨯=⨯
4）计算抽油杆柱在液体中重力 各级抽油杆柱在空气中重力
192225 2.309.811559.235.183.079.81284.38.5623.179.81246.67.669W kN W kN W kN
φφφ=⨯⨯==⨯⨯==⨯⨯= 加重杆在空气中的重力 32627850/23.99.81/32104
1.48w r w W
W L g A kg m N kg m kN
ρπ
-=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯
⨯⨯=
所以抽油杆柱在液体中总重力为
252219(35.188.5627.669 1.48)0.88246.65r
l
r w r
W W W W W kN
φφφρρρ-'=+++⋅=+++⨯=（） 5）计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷
266
()0.82810(2114600)9289.810.81047.994l p p s l W f L h g kN
ρπ
-'⎡⎤=⋅-⋅⋅-⎣⎦
⎡⎤=⨯
⨯⨯-⨯⨯-⨯⎣⎦=
6）计算抽油机从冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变
形期）曲柄转角
11220.146
cos (1)cos (1)37.582.1
S λλα--⨯=-=-=。

7）计算变形分布系数
11.6570.7923.0711.657
t r t A A A ϕ===++
8）计算悬点最大，最小载荷
max 1143
sin()(1)sin 603046.657.9942.0610 3.0710 3.14 2.1 5.3104968603.14 5.32114sin(37.58)(10.792)sin(37.58)30496857.52p r r L n L EA s n P W W kN
λλππαϕααα--⋅⋅⎡
⎤⋅⋅''=++⋅+--⋅⎢
⎥⎣⎦
=++
⎡⎤⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯⎢⎥⎣⎦
⨯⨯⎡⎤+--⋅⎢⎥⨯⎣⎦=。

min 1143sin()(1)sin 603046.652.0610 3.0710 3.14 2.1 5.30.85104968603.14 5.32114sin(37.58)(10.792)sin(37.58)30496844.21p r r n L EA s n P W C kN
λλπππαϕαααα--⋅⋅⎡
⎤⋅⋅'=-⋅⋅+--⋅⎢⎥
⎣⎦
=-
⎡⎤⨯⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯⎢⎥⎣⎦⨯⨯⎡⎤+--⋅⎢⎥⨯⎣⎦=----。

应力波在抽油4968
0.85C C α=----=杆柱中的传播速度，下冲程动载荷修正系数，一般
9）校核疲劳强度
抽油杆的使用系数
max min 38
max 4
6min 48(0.5625)40.957.5210 1.64103.510
7941044.21(0.5625)(0.5625)144 3.5101.98610rM rM
rM rM P P T
SF A A SF SF T P pa A P T SF A pa
--≤+⋅⋅----=----⨯==⨯⨯⨯+⋅⋅=+⨯⨯⨯=⨯∴古德曼使用系数，抽油杆最小抗张强度，T=794Mpa
满足条件
10）计算曲柄最大扭矩
max max min () 6.99134
S
M P P kN m kN m
=⋅-=⋅<⋅我们根据国内油井扭矩曲线的峰值，建立如下经验公式：
符合条件
（五）计算泵效：
在抽油机井生产过程中,实际产量Q 一般都比理论产量Qt 要低,两者的比值叫泵效,用η表示,即:η=Q/Qt
在正常情况下,若泵效为0.7---0.8,就认为泵的工作状况是良好的. 有些带喷井的泵效可能接近或大于1.矿场实践表明,平均泵效大都低于0.7, 甚至有的油井泵效低于0.3. 影响泵效的因数很多, 但从深井泵工作的三个基本环节(柱塞让出体积,液体进泵,液体从泵内排出)来看,可归结为以下三个方面:
（1）抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩.根据深井泵的工作特点, 抽油杆柱和油管柱在工作过程中因承受着交变载荷而发生弹性伸缩, 使柱塞冲程小于光杆冲程, 所以减少了柱塞让出的体积.
（2）气体和充不满的影响. 当泵内吸入气液混合物后, 气体占据了柱塞让出的部分空间,或者当泵的排量大于油层供油能力时液体来不及进入泵内,都会使进入泵内的液体量减少.
（3）漏失影响. 柱塞与衬套的间隙及阀和其他连接部件间的漏失都会使实际排量减少. 只要保证泵的制造质量和装配质量, 在下泵后一定时期内, 漏失的影响是不大
的. 但当液体有腐蚀性或含沙时, 将会由于对泵的腐蚀和磨损使漏失迅速增加. 泵内结蜡和沉沙都会使阀关闭不严, 甚至被卡, 从而严重破坏泵的工作. 在这些情况下, 除改善泵的结构’提高泵的抗磨蚀性能外, 主要是采取防沙及防蜡措施, 以及定期检泵来维持泵的正常工作. (4)静载荷作用下的柱塞冲程 λ
λλ-=+-=S S S i r p )(
_λ冲程损失
由于本题是多级杆柱；
)
/(11∑=+=m i ri i t f b f L
f L E
g L f λ
(3-5)
--t r b f f f ,,柱塞，抽油杆，油管的截面积 2m
L---抽油杆总长度,m; 1ρ---液体密度，kg/3m ;
E---钢的弹性模量，2.061110⨯Pa; f L ---动液面深度，m; m---抽油杆级数；
i L ---第i 级抽油杆的长度，m;
ri f ---第i 级抽油杆截面积，m 2; 代入数据计算：
411444
2424
6.151092815149.8121141559.2284.3246.623.9()2.0610 2.8510 3.810 3.9110
7.310 3.21044
λππ------⨯⨯⨯⨯=++++⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ =0.304m
(2)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算：
)
1(1790222'
L r E f L sn W E f dL T r r r r -⨯==λ (3-11)
)1(1790222'
'L r E f L sn W E f dL T r r r r +⨯==λ (3-12)
由于抽油杆上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取平均值，即取悬点惯性载荷的一半。

将'λ及''λ代入i λ='λ+''λ，
E
f L Lgsn q E f L sn W ri r r r i 1790179022==λ=
222411411411
2.301559.29.81 5.31559.2 2.1
3.0728
4.39.81
5.3 2.1284.3 3.1724
6.69.81 5.3246.6 2.1
1790 2.8510 2.06101790 3.8010 2.06101790 3.9110 2.0610---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯++
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
=0.044m
0.3040.044
11 2.1
i s λλλη--=-=-
=0.8762 由上面计算得
= 10.11R
R
-⨯+=0.847
11B B =η=
77.03
.11
= 0.87620.8470.7710.5714
l B
ληηβηη==⨯⨯⨯= （六）产量校核
泵的理论排量：
26314401440(28)10 2.1 5.3
4
9.87/p Q f s n m d
π
-=⋅⋅⋅=⨯
⨯⨯⨯⨯=
实际排量：Q t =9.35m ³∕ d
理论排量与实际排量之间的绝对误差E ，则
E =（Q －Q t ）∕Q ×100%= （9.87-9.35）/9.87=5.3%<10%, 满足要求 所以，选择结果：s=2.1m ，n=5.3次/min
四、最优泵效与下泵深度选择
由改组其他同学所得下泵深度和泵效的关系可得到下表和下图：
11KR R
β-=
+
a，
由上图可知：Lp=2070(m),此时泵效有最大值，即此时的泵效最高，沉没度为Hs =550(m),泵效为57.18%。

同时得动液面深度：Lf =2070-550=1520(m)
（一）由产液量和下泵深度选择抽油机和泵径
已知：L
p =2070m
Q t=9.35(m3／d)
Q t=9.35(m3／d)
在《油梁式抽油机（短冲程中）选择图解》中由L
p =2070m,
得交点a，由a所在区域选用抽油机为：CYJ7－2.1－26F
选定抽油机型号参数
所对应的抽油机选择泵径：Dp=28mm。

选择抽油杆柱组合：25mm×22mm×19mm,油管直径73mm
（二）确定冲程和冲次
由加速因子公式
17902
SN C =
得： 条件：选择冲程和冲次时，应保证加速因子.225.0<C 取抽油机的悬点最大冲程：
S =2.1m.
13.8
2.1N <
=
初选冲次为 ： 5.5min N =次
（三）抽油杆柱设计
抽油杆强度级别和对应的抗拉强度表
（1）抽油杆柱下部加重杆设计方法及步骤 6）
计算泵筒与柱塞间半干摩擦力
0.94(
)140386.4(0.02~0.07)p
M D P N
δ
δδ=-=间隙为查《采油技术手册》此处取0.05 7）
计算液体通过排出阀的水力阻力所产生的对柱塞底部向上推力
2
52.63/()
1
),;
3
2.53),;
p e L p o o o o o R n s D d d d D m mpa s ρμμμ=⋅⋅⋅⋅⋅----=----=⋅o 计算雷诺数
排出阀座孔直径，(抽汲液体动力粘度，（
2
26352.63/()
1
52.63 5.5 2.19282810/(2810 2.53)
3
187290.37lg R 1.38(300000.2
e l p o o e e R n s D d R ρμμμμ--=⋅⋅⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-<∴=----当时）为流量系数
8）
计算液体通过排出阀的水力阻力所产生对柱塞底部的向上推力
322
2
2
3242
(1)1.5()729()(2810) 6.151044
o
p p
k
l L o p p A A A n s
P A n
A D m ρμ
ππ
--+
⋅=
⋅⋅⋅=⋅=⨯⨯=⨯
23262
31222
21228
()(10)68.3810443
68.38
6.1510(1)
1.52
2.1615()928729(0.248)
(68.38)10 5.5
0.1132
o o l A d m P N
ππ----=⋅=⨯⨯=⨯⨯+
⨯=⨯⋅⋅⨯⨯==k 代入数据：目前现场所用的抽油泵中游动阀1个或2个，此处n
9） 计算作用抽油杆柱底部液体上浮力
4232.0010550928/9.81/1001f rl s l P A h g m kg m N kg N ρ-=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯= 计算下冲程时抽油杆柱底部所受的总下行阻力
386.410010.1131387.5W M f l P P P P N =++=++= 10） 计算需配加重杆长度
选择所用的加重杆的直径为32mm ，则
261387.522.4321078509.814
W
w W r P L m A g πρ-=
==⋅⋅⨯⨯⨯⨯ （3） 加重杆上部抽油杆柱组合设计方法与步骤 2）计算各级抽油杆柱长度
抽油杆长度L=L p －L w =2070－22.4 =2048(m)
抽油杆组合参数
max 12112W d d X B d d -=⨯
22
max 2323
2W d d X B d d -=⨯
3max 1112
700.0065878(10.1280.225)
X X X W KN
B L ρ=--==-+
0.00658782045.6(10.1280.9280.225)14.9B =⨯⨯-⨯+=
22
17252214.92522X -=⨯⨯=0.121
22
72219214.92219
X -=⨯⨯=0.139
X 3=1－0.121－0.139=0.74 1220480.12124820480.139285L m
L m =⨯==⨯=
L3=2048-248-285=1515m
2）求抽油杆柱按长度加权平均横截面积
1444242
()
2070
248285151522.43.9110 3.8010 2.8510(0.032)
4
3.0810p
r M
i W i ri W L A L L A A m π=----=+=
+++
⨯⨯⨯⨯=⨯∑
3）计算油管柱金属部分面积
26
2662731062101165.725104
4
t A m π
π
---=
⨯⨯-
⨯⨯=⨯
4）计算抽油杆柱在液体中重力 各级抽油杆柱在空气中重力
192225 2.309.81151534.183.079.812858.5833.179.812487.712W kN W kN W kN
φφφ=⨯⨯==⨯⨯==⨯⨯= 加重杆在空气中的重力 32627850/22.49.81/32104
1.39w r w W
W L g A kg m N kg m kN
ρπ
-=⋅⋅⋅=⨯⨯⨯
⨯⨯=
所以抽油杆柱在液体中总重力为
252219(34.188.5837.712 1.39)0.88245.745r
l
r w r
W W W W W kN
φφφρρρ-'=+++⋅=+++⨯=（） 5）计算作用在抽油泵柱塞上的液体载荷
266
()0.82810(2070550)9289.810.81048.028l p p s l W f L h g kN
ρπ
-'⎡⎤=⋅-⋅⋅-⎣⎦
⎡⎤=⨯
⨯⨯-⨯⨯-⨯⎣⎦=
6）计算抽油机从冲程开始到液柱载荷加载完毕时（初变
形期）曲柄转角
11220.146
cos (1)cos (1)37.582.1
S λλα--⨯=-=-=。

7）计算变形分布系数
11.6570.7913.0811.657
t r t A A A ϕ===++
8）计算悬点最大，最小载荷
max 1143sin()(1)sin 603045.7458.0282.0610 3.0810 3.14 2.1 5.5104968603.14 5.52070sin(37.58)(10.791)sin(37.58)30496857.52p r r L n L EA s n P W W kN
λλππαϕααα--⋅⋅⎡⎤⋅⋅''=++⋅+--⋅⎢
⎥⎣⎦
=++
⎡⎤
⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯⎢⎥⎣⎦
⨯⨯⎡⎤+--⋅⎢⎥⨯⎣⎦=。

min 1143sin()(1)sin 603045.72.0610 3.0810 3.14 2.1 5.50.85104968603.14 5.52070sin(37.58)(10.791)sin(37.58)30496842.52p r r n L EA s n P W C kN
λλπππαϕαααα--⋅⋅⎡⎤⋅⋅'=-⋅⋅+--⋅⎢⎥
⎣⎦
=-
⎡⎤
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯⎢⎥⎣⎦
⨯⨯⎡⎤+--⋅⎢⎥⨯⎣⎦=----。

应力波在抽油杆4968
0.85C C α=----=柱中的传播速度，下冲程动载荷修正系数，一般
9）校核疲劳强度
抽油杆的使用系数
max min 38
max 4
6min 48(0.5625)40.957.5210 1.64103.510
7941042.51(0.5625)(0.5625)144 3.5101.98610rM rM
rM rM P P T
SF A A SF SF T P pa A P T SF A pa --≤+⋅⋅----=----⨯==⨯⨯⨯+⋅⋅=+⨯⨯⨯=⨯∴古德曼使用系数，抽油杆最小抗张强度，T=794Mpa
满足条件
10）计算曲柄最大扭矩
max max min ()7.875134
S
M P P kN m kN m
=⋅-=⋅<⋅我们根据国内油井扭矩曲线的峰值，建立如下经验公式：
符合条件
（四）计算泵效：
在抽油机井生产过程中,实际产量Q 一般都比理论产量Qt 要低,两者的比值叫泵效,用η表示,即:η=Q/Qt
在正常情况下,若泵效为0.7---0.8,就认为泵的工作状况是良好的. 有些带喷井的泵效可能接近或大于1.矿场实践表明,平均泵效大都低于0.7, 甚至有的油井泵效低于0.3. 影响泵效的因数很多, 但从深井泵工作的三个基本环节(柱塞让出体积,液体进泵,液体从泵内排出)来看,可归结为以下三个方面:
（1）抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩.根据深井泵的工作特点, 抽油杆柱和油管柱在工作过程中因承受着交变载荷而发生弹性伸缩, 使柱塞冲程小于光杆冲程, 所以减少了柱塞让出的体积.
（2）气体和充不满的影响. 当泵内吸入气液混合物后, 气体占据了柱塞让出的部分空间,或者当泵的排量大于油层供油能力时液体来不及进入泵内,都会使进入泵内的液体量减少.
（3）漏失影响. 柱塞与衬套的间隙及阀和其他连接部件间的漏失都会使实际排量减少. 只要保证泵的制造质量和装配质量, 在下泵后一定时期内, 漏失的影响是不大的. 但当液体有腐蚀性或含沙时, 将会由于对泵的腐蚀和磨损使漏失迅速增加. 泵内结蜡和沉沙都会使阀关闭不严, 甚至被卡, 从而严重破坏泵的工作. 在这些情况下, 除改善泵的结构’提高泵的抗磨蚀性能外, 主要是采取防沙及防蜡措施, 以及定期检泵来维持泵的正常工作. (4)静载荷作用下的柱塞冲程 λ
λλ-=+-=S S S i r p )(
_λ冲程损失
由于本题是多级杆柱；
)/(1
1∑
=+=
m
i ri
i
t f b f L f L E
g L f λ
(3-5)
--t r b f f f ,,柱塞，抽油杆，油管的截面积 2m L---抽油杆总长度,m; 1ρ---液体密度，kg/3m ;
E---钢的弹性模量，2.061110⨯Pa; f L ---动液面深度，m;
m---抽油杆级数；
i L ---第i 级抽油杆的长度，m;
ri f ---第i 级抽油杆截面积，m 2; 代入数据计算：
411444
2424
6.151092815209.812070151528524822.4()2.0610 2.8510 3.810 3.9110
7.310 3.21044
λππ------⨯⨯⨯⨯=++++⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ =0.2984m
(2)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算：
)
1(1790222'
L r E f L sn W E f dL T r r r r -⨯==λ (3-11)
)
1(1790222'
'L r
E f L sn W E f dL T r r r r +⨯==λ (3-12) 由于抽油杆上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取平均值，即取悬点惯性载荷的一半。

将'λ及''λ代入i λ='λ+''λ，
E
f L
Lgsn q E f L sn W ri r r r i 1790179022=
=λ= 222411411411
2.3015159.81 5.51515 2.1
3.072859.81 5.5 2.1285 3.172489.81 5.5248 2.1
1790 2.8510 2.06101790 3.8010 2.06101790 3.9110 2.0610---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯++
⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ =0.040m
0.29840.040
11 2.1
i s λλλη--=-=-=0.877
由上面计算得
= 10.11R
R
-⨯+=0.847
11B B =η=
77.03
.11
= 11KR R
β-=
+
0.8770.8470.7710.572
l B
ληηβηη==⨯⨯⨯= （五）产量校核
泵的理论排量：
26314401440(28)10 2.1 5.5
4
10.24/p Q f s n m d
π
-=⋅⋅⋅=⨯
⨯⨯⨯⨯=
实际排量：Q t =9.35m ³∕ d
理论排量与实际排量之间的绝对误差E ，则
E =（Q －Q t ）∕Q ×100%= （10.24-9.35）/10.24=8.7%<10%, 满足要求 所以，选择结果：s=2.1m ，n=5.5次/min
（六）抽油机校核
a.水功率
441.134101.1341010.240.928(2070550)0.5720.937H l H HP Q H kw HP kw
H γη
--=⨯⨯⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯-⨯=--------理水功率，有效提升高度，即动液面深度，m
b.光杆功率
8028 2.1 5.5
1.545601*********
l PR W s n HP kw '⋅⋅⨯⨯===⨯⨯
c.井下功率
0.937
100%60.6%1.545
H PR HP HP η=⨯==井井下泵效：
a. 电动机实际输出功率
1.545 1.930.80.8
PR HP P kw
ηηη==='''----=抽油机效率，
（七）结论
（八）确定平衡半径（平衡重）
根据抽油机选定型号CYJ7－2.1－26F，可知为复合平衡方式：查《采油工程手册》得抽油机型号CYJ7－2.1－26F
结构不平衡重1.42KN
单块曲柄质量710Kg
曲柄平衡块数4
单块平衡块质量790Kg
因此，曲柄平衡块总重：
47109.8127.86
W=⨯⨯= KN
cb
游梁平衡块总重：
⨯
=
W KN
⨯
31
4=
.9
81
790
b
五
一绘制下泵深度与泵效关系曲线一．改变沉没度计算泵效，相应数据如下表5-1所示
二．绘制下泵深度与泵效关系曲线
下泵深度与泵效关系曲线
二 最优下泵深度下的参数设计
根据下泵深度和泵效关系曲线，优选下泵深度为2070m ，相关设计数据如下： 一.选择抽油机型号及抽吸参数为：
抽油机型号：CYJ 7－2.1－26F 泵径：28mm 冲程：S=2.1m
冲次：n=5.5次/min
22
2.1 5.50.0350.22517901790
F sn a ⨯===≤
满足要求
二.选用普通碳钢材料的抽油杆，抽油杆柱组合如表5—2。

抽油杆柱组合及参数
0.8770.847 1.00.770.572l B ληηβηη==⨯⨯⨯=
产量校核：
9.3510.24
100%100%8.7%10.24
Q Q Q
--⨯=
⨯≈实
满足要求
四.抽油机校核
悬点最大载荷校核：
max 57.5270P KN KN =<
满足要求
最大扭矩校核： max 7.87513M KN m KN m =⋅<⋅
满足要求
六 电机选型、确定泵型、间隙等级及平衡半径
一 计算拖动装置功率，选择电机型号和功率
由《采油工程原理与设计》132页3—78式计算需要电动机的功率，得
60.113610(0.355)r t ml f N Q L K ρη-=⨯+
60.1136109.359281520(0.3550.572) 2.5 3.47kw -=⨯⨯⨯⨯⨯+⨯=
由《采油技术手册 上册》434页表5—34，选用电机型号为YCCH180，其主要性能参数如表所示6—1。

YCCH180电机主要性能参数
二 确定平衡半径
由于CYJ 7－2.1－26F 型抽油机的主要参数如表6—2。

CYJ 7－2.1－26F 型抽油机的主要参数
由上述数据，根据《采油工程原理与设计》119页3—50式计算平衡半径。

''
()()28028 2.1 1.653 1.655120.5
120031000.42222786022786027860
2.57l c
r uc b c cb cb cb
W W a r c r
R W X W R b W b W W m
=+-+-=+⨯⨯-+⨯⨯-⨯⨯=（45745）（）
三 确定泵型及其间隙等级
由于该井的下泵深度较浅且产量很小，所以选用杆式泵。

间隙等级选用I 级（20—70mm ）。

总结
1. 通过两周的采油工程课程设计，使我从其中学习了很多的从书本里学不到的东西，包括动手能力及设计思路和方法，我可以从另外的角度去学习采油工程这门课程，为我们以后的实习与工作打下了坚实的基础。

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。

有杆泵抽油系统设计主要是选择机、杆、泵、管以及抽汲系数，并预测其工况指标，使整个系统高效而安全的工作。

2.我希望能通过这次课程设计对自己这一段时间对采油工程学习做出的总结,同时为将来工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后自己的学习生活打下一个良好的基础。

总的说来,虽然在这次设计中自己学到了很多的东西,取得一定的成绩,但同时也存在一定的不足和缺陷,我想这都是这次设计的价值所在,以后的日子以后自己应该更加努力认真,以认真踏实的态度去学习，把这些再用到今后的工作中去。

参考文献
1 《采油工程原理与设计》张琪主编中国石油大学出版社；
2 《采油工程手册》万仁博主编，石油工业出版社；
3 《采油系统设计》张容军编。