10型传动链长冲程抽油机的开题报告 - 图文

本科毕业设计（论文）开题报告

题 目： 10型传动链长冲程抽油机

学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械0905班 指导教师： 完成时间： 2013年 3月 15 日

10型传动链长冲程抽油机 一、 开题的意义及目的 有杆采油是国内外应用最广泛的机械采油技术，世界上80%以上的机械采油均采用此方法。随着胜利油田和大庆油田等老油田的二次开发以及西部塔里木油田、近海海洋油田的开发，深井、超深井、强腐蚀井的数量急速增加，采油难度越来越大。井深的不断增加不但使金属抽油杆承受越来越大的交变、震荡载荷，仅其自重一项就不堪负担；另外腐蚀严重的井，使用传统的金属抽油杆，三个月抽油杆就会因为腐蚀产生疲劳断裂。因此，传统金属抽油杆成为制约有杆采油发展的“瓶颈”，研制超高强度和耐腐蚀杆是抽油杆技术发展的方向。4000-6000米的超深井和腐蚀严重的井是主要的应用领域。新生碳纤维连续抽油杆是由耐高温的碳纤维和树脂复合而成，与其他抽油杆相比，碳纤维抽油杆有一下优点： 1． 2． 3． 4． 5． 6． 密度小，可以降低载荷和减速器的扭矩，节电； 耐腐蚀，延长了检泵周期； 碳纤维连续抽油杆没有接箍，降低了失效频率和活塞效应； 碳纤维连续抽油杆与油管的摩擦力减小，降低了管管的磨损； 碳纤维连续抽油杆弹性好可实现长冲程，提高产液量； 抽油杆起下作业速度快，减轻了作业工人的劳动强度，混合抽油杆柱的起下作业速度约比钢抽油杆柱快60%； 7． 扩大了有杆抽油系统的应用范围。 根据碳纤维抽油杆的特性，碳纤维连续抽油杆适用于深井、超深井、腐蚀井、超载井和高含水井。与其他抽油杆相比，使用碳纤维抽油杆的投资最少。总之，碳纤维连续抽油杆有着普通抽油杆无法比拟的优越性，能够较好的解决普通抽油杆无法解决的问题，将逐渐替代普通抽油杆，特别对于解决斜井、深井、腐蚀井及低渗透井有着十分重要的现实意义，具有广泛的发展前途。 二、 碳纤维连续抽油杆国内外现状 1. 国外发展 20世纪80年代初研制的CFRPC抽油杆，适用于泵挂深度为1524m的油井，其横截面的宽度为35.56mm，适用于φ50.88mm(2英寸)的油管。根据碳纤维的不同弹性模量，其厚度有两种：碳纤维的弹性模量为3.79×105 MPa时，厚度为1.8mm ； 碳纤维模量为2.28×105MPa时，厚度为2.54mm。相应的许用工程应力分别为414MPa和345MPa。一根CFRPC的长度达1130m。 90年代初研制的CFRPC抽油杆有两种型号：名义尺寸为12.7mm和15.88mm。两种型号的CFRPC抽油杆，的几何尺寸见表1.一根拉挤成的CFRPC抽油杆长度可达4572m，并被卷到滚筒上，使用时根据设计需要的长度切下来，两端部予以加强，再安装钢接头。 CFRPC抽油杆的增强相为ThornelTMT-30012K碳纤维，基本相为乙烯树脂，上下表面覆盖玻璃纤维布，左右两侧面和棱角覆芳纶纤维布。4中抽油杆材料的物理性能见表2.CFRPCC抽油杆的密度最小，强度最高，弹性模量介于钢抽油杆和玻璃钢抽油杆之间。经过107次载荷循环后，（如果抽油杆的的充数为12min-1,一天运转24h，一个月为30天，则10次载荷循环相当于运行1.5年），CFRPC抽油杆的剩余强度为原来强度的60%，而钢抽油杆和玻璃钢抽油杆的剩余强度分别为原来各自强度的40%和20%。Acomo公司对CFRPC抽油杆进行了实验室疲劳试验，试样长1.22m,两端部增强后安装钢接头，最小试验载荷为4445N，最大载荷取光杆的最大载荷，载荷波形为正弦波，试验频率为5-10Hz,试验一个月就相当于模拟抽油5年。 7 还对CFRPC抽油杆试样进行了模拟井下环境的腐蚀实验。为了优选端部加强带的粘结剂，对用不同粘结剂粘接的端部进行了剪切实验。为了保证每根CFRPC抽油杆的制造质量，还进行了短梁剪切强度试验和90°弯曲实验。 进行了矿场试验，取得较好效果。1991年5月——1995年11月美国在33口抽油井中使用了碳纤维连续抽油杆，平均泵挂深度为1444m，平均泵径为50.5mm，7口井的平均冲数为10.5n/min,平均冲程为3.94m，碳纤维连续抽油杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为56.8%，井底平均温度为42.7摄氏度，井液平均含氺88.8%,平均日产液91.7t。其中一口井正常运行了四年，另一口井含有硫化氢正常运行了三年，还有几口井正常运行了三年多。这33口井在四年半的矿场中作业共45次，最主要的失败形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维连续抽油杆端部连接失效，其次是由于碳纤维柔性连续抽油杆受压应力引起的失效。试验表明了，碳纤维连续抽油杆具有足够的抗疲劳强度，可以达到延长检泵周期和节电的目的。 2.国内发展 我国在20世纪90年代开始研制，引进碳纤维连续抽油杆。2000年陈厚等介绍了以环氧树脂作为树脂基体，以碳纤维作为增强材料，采用拉挤成型工艺生产树脂基碳纤维杆，并分析和讨论了该连续生产过程中容易出现的问题。他们提出的工艺科连续成型，自动化程度高，且成型制品力学性能优异，是生产连续抽油杆一种较好的工艺方法。2000年开始，顾学林和杨小平等开始碳纤维杆的制造和作业工艺及装备的研究，以制备出耐温等级为90摄氏度，120摄氏度和150摄氏度的碳纤维杆，其中等级为90摄氏度的已经正常生产并投入现场使用。在乙烯基酯树脂-碳纤维拉挤复合材料方面申请了具有自主知识产权的专利, 在碳纤维杆与金属接头的连接方面取得了突破性进展, 在产品实验室疲劳实验和所有下井的工况试验中获得100% 的成功。2001 年吴则中[ 15] 等人详细介绍了美国碳纤维杆( CFRPC ) 的研究、生产、油田应用等情况, 指出: CFRPC 抽油杆适用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采, 目前我国有抽油井约8万口, 原油平均含水80%以上, 泵挂深度2 000 m以深的井数占总井数的15% 以上, 腐蚀井的井数也占总井数15%以上, 因此, CFRPC 抽油杆在我国有广阔的应用前景。2003年李颖[ 3] 等人介绍了碳纤维杆在胜利油田胜利采油厂的试验情况, 使用表明碳纤维杆能带来明显的节能效果, 同时油井产量还有明显增加的现象, 碳纤维杆有很好的应用前景。顾雪林、李颖等人共进行了19井次16口油井的矿场试验, 解决了接头可靠性和下井作业的可靠性等应用难题,实际节能超过35%, 一般可接近50% ; 悬点最大载荷可减少25% 左右, 载荷幅度减小, 可降低抽油机型号1~ 2个等级, 直接节约固定资产投入约10万元/口油井; 最大泵径56 mm; 部分油井使用碳纤维抽油杆提高的油井产量达到原金属抽油杆的110%, 平均提高泵效24% ; 还可解决大泵深抽的采油技术难题。最大下泵深度为2 800 m, 其中碳纤维抽油杆为1 850 m, 最长的油井使用时间已超过1 a。碳纤维杆在胜利、大港、中原等油田的使用总数已接近50口油井。薛承谨针对国内石油开采的抽油杆长期耐温使用的需要，研究了四种不同树脂基体的碳纤维拉伸复合材料的抽油杆样品，采用了DSC分析了四种树脂基体的固化特征，通过力学性能

和动态热机械分析了所得的四种碳纤维抽油杆的力学性能和耐热性能，并初步进行了碳纤维抽油杆的动态服役和实验室模拟的介质腐蚀静态试验。 结果表明：制备的四种具有不同耐温等级的碳纤维连续抽油杆，可满足国内深井和超深井石油开采的抽油杆的耐温要求，具有良好的耐温和力学性能。李仲伟根据文献提出简易公式法的基本原理，建立了直井中碳纤维抽油杆的简易公式法数学模型，编制出碳纤维钢混合抽油杆设计软件，该软件计算精度能够满足工程需要。 碳纤维抽油杆在胜利油田、大港油田、中原油田等的使用总数已接近50口油井。使用中暴露出很多问题，需要以后更深入的研究和开发。而我国与碳纤维抽油杆采油配套技术的研究与碳纤维抽油杆的研究同步，但是大部分配套技术的研究起步较晚，尤其是配套的理论研究才刚刚起步。 3.存在的问题 碳纤维连续抽油杆在使用中暴露出的问题主要有： （1） 抽汲参数未优化,，难于发挥碳纤维杆的优势；（2）杆柱设计较简单， 与油井供液能力无匹配考虑，影响油井产量；（3）碳纤维杆产品质量缺少生产和使用中的检测手段，产品质量有一定离散性，出现断杆事故；（4）碳纤维杆主要材料性能参数不完备，缺少高温和疲劳环境的使用依据，影响碳纤维杆的使用寿命；（5） 碳纤维杆与油井的适应性分析未开展研究，井身状态、产出液性能等因素无法考虑， 选井缺少依据；（6）碳纤维杆采油井工况监测与控制技术研究未相应跟上， 致使采油井工况分析缺少依据， 无从下手；（7）碳纤维杆采油工艺配套设备与工具开发尚不完善， 影响作业质量和效率， 甚至制约碳纤维杆的推广应用。 3.今后的研究趋势 针对碳纤维抽油杆系统目前的研究和应用情况，今后主要研究重点包括以下方面： 1.碳纤维杆的制造及服役性能研究：包括乙烯基酯树脂和高温环氧的拉挤配方、工艺、性能；碳纤维杆高温弹性特性；碳纤维杆高温蠕变性；碳纤维杆常温及高温疲劳特性；碳纤维杆高温及腐蚀环境下的寿命；碳纤维杆的成分、组织、结构的变化及其服役性能的关系。 2.碳纤维杆生产质量监测与控制技术：包括拉挤工艺的质量保证体系；碳纤维杆无损检测技术与仪器研究；碳纤维杆制备工艺及参数对产品质量的影响性评价；碳纤维杆生产线工艺及参数的调整及其改造。 3.碳纤维抽油杆与油井的适应性评价研究：包括理论分析动力学模型及计算机仿真；采油系统优化设计与设备选配；扁带状碳纤维杆油井环空多相垂直管流模型；扁带状碳纤维杆与产出液及油管的魔族；现有的各型抽油机与碳纤维杆的匹配性分析。 4.碳纤维抽油杆采油井工况监测与控制技术研究；包括碳纤维杆采油系统工作状态的监测与故障诊断；已用碳纤维抽油杆剩余寿命评价与判废标准；碳纤维抽油杆采油系统工作状态的远程计算机监测与控制。 5.碳纤维抽油杆采油系统配套采油工艺技术研究：包括检、下泵工艺技术；井下工具选配；调参设计；检泵周期预测等。 6.碳纤维抽油杆采油工艺配套设备与工具开发：包括地面与井下配套设备开发；安装与作业配套工具开发；废旧碳纤维抽油杆的回收利用技术。 四、设计的主要内容 1.夹持系统采用全液压控制的原因 针对缠绕盘驱动扭矩过大的问题，将碳纤维连续抽油杆作业车的起下夹持系统设计成全液压形式，将碳纤维杆起下杆装置由缠绕式驱动改为夹紧摩擦式驱动的形式，不仅解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态，其主要特点是：起升（下放）载荷能力大。 2.液压控制夹持系统的工作原理 本次设计的碳纤维连续抽油杆作业车的起下夹持装置实际上就是碳纤维杆的起升及缠绕单元。其工作原理如下：在碳纤维杆起升时，首先主液压缸将右侧链条边的导轨推向左侧导轨并将碳纤维杆加紧固定于链条上的夹持块之间，接着小液压缸驱动右侧的张紧轮将右侧传动链张紧而后主液压马达带动主动小齿轮转动，主动小齿轮同时带动左边的驱动大齿轮和右边的小齿轮（过轮）转动，而右边的小齿轮转动带动右边的驱动大齿轮转动，左右两个驱动大齿轮分别带动自身同一轴上的链轮转动，实现两挂传动链的同步反向传动，从而带动碳纤维杆上提，缠绕盘在另一小液压马达的驱动下带动缠绕盘实现碳纤维杆的小拉力缠绕，完成碳纤维杆在缠绕盘上的收放。 五 、结合导师的要求和自身的实际情况，决定以下设计进度： 第一周（2013.2.26—2013.3.4） 查阅资料，找相关文献做好准备工作。并进行外文翻译。 第二周（2013.3.5—2013.3.11） 根据参考资料，编写开题报告。 第三周~第四周（2013.3.12—2013.3.25） 方案设计，比较拟订的各种方案，确定最终的设计方案。设计方案包括工艺方案、结构方案、强度方案。 第五周——第七周（2013.3.26—2013.4.15） 设计计算，根据设计方案，确定主要部件的结构形状、尺寸，进行强度校核，编写设计说明书，翻译外文资料，并绘制各部分结构的装配草图。 第八周——第十一周（2013.4.16—2013.5.13） 利用计算机绘制总装配图、部装配图、零件图；设计说明书、外文资料译文的计算机录入。 第十二周——第十四周（2013.5.14—2013.6.3） 设计说明书、外文资料译文排版、打印、装订；设计图的计算机输出； 第十五周——第十六周（2013.6.4—2013.6.20） 整理毕业设计资料，毕业设计答辩。 六、所采用的方法手段及步骤 1、 通过查阅大量相关文献了解常规抽油杆与碳纤维抽油杆的异同； 2、 查看文献，了解碳纤维连续抽油杆的工作情况及该装置的功能作用、工作情况； 3、 确定几套夹紧机构的结构方案，进行对比，选择最佳方案； 4、 对最佳方案进行计算分析说明，确定工作情况具体参数； 5、 利用AutoCAD绘制夹紧机构的装配图； 6、利用AutoCAD绘制主要零部件的零件图。 七、参考文献 [1] 吴则中，田丰，张海宴，等.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点与应用前景[J] .石油机械，2002 ，30（2） ：53-56. [2] 高军.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用.内蒙古石油化工，2008年，第24期 [3] 彭勇，顾雪林，常德友.碳纤维连续抽油杆的应用现状及研究方向.石油机械，2005年，第33卷，第10期. [4] 薛国锋，周春玲.碳纤维连续抽油杆采油配套工具研究.石油天然气学报（江汉石学院学报），2008年6月，第30卷，第3期. [5] 李颖，孙希庆，孟光玉，等.碳纤维复合材料柔性抽油杆技术性能及应用[J].石油机械，2003，31(3)：42-43，53. [6] 彭勇，闫文辉，顾雪林，等.碳纤维连续抽油杆作业车的研制.钻采工艺，2006，29(4)：81-82. [7] 薛承瑾.耐温型碳纤维拉挤复合材料连续抽油杆的制备和性能研究.北京化工大学学报，2003，Vol . 30：No. 4. [8] 朱波，蔡华苏，孙乃武.碳纤维复合材料柔性连续抽油杆开发及应用.石油 机械，2003，31 (1)：29-31. [9] 肖世宏.几种连续抽油杆的分析与比较.石油矿场机械，第2期：77页. [10] 任国富，张华光，付钢旦，等.国外连续油管作业机的最新进展.石油矿场机械，2009年，第38卷，第2期，第97页. [11] 张士诚，李亭，温庆志.我国连续抽油杆的研究现状.石油矿场机械，2004，33（增刊）：14-16. [12] 任国富，张华光，付钢旦，等.国外连续油管作业机的最新进展.石油矿 场机械，2009，38(2)：97-99. [13] 牛云峰，孙建荣，王兴朴.连续油管作业车主要功能装置的结构特点.专用汽车，2001年4月：26-27. [14] Hensley H N, Tanner C J1Graphite Composite Tape in Beam - Pumped Oil W e ll1 SPE 13200, 1984 [15] Tanner C J, Bender R E, Sinson A K, et al1 Ribbon Rod for Use in Oil Well Apparatus, U1 S1 4563391, 1986 [16] Lee J F, Hensley H N1 Space Age Material Techno logy Expends Beam Life Capac ity1SPE 28523, 1994 [17] Hensley H N, Lee J F1Ribbon rod development for beam pumping applications1 Southw estern Petroleum Short Course,1994: 44~ 55 [18]Foley W L, Hensley H N1Ribbon Rod – Improvement Sucker Rod Techno logy Show s Need to Re- Evaluate Current Artificial Lift Installations1SPE 35708, 1996

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