开题报告-轮式电动扶正器的设计.doc

中国海洋大学本科毕业设计开题报告题 目 轮式电动扶正器设计 院、 系 工程学院 机电工程系 专 业 机械 (年级) 2011学生姓名 学 号 指导教师 教务处制表 2015年4 月 2 日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值选题依据和背景情况随着世界经济的高速发展、人口压力的不断增加、社会生活水平的不断提高,世界各国对石油等化石能源的需求也进一步增加。而目前石油的开采过程中为了封隔易塌、易漏等复杂的地层，保证钻井的顺利进行。同时为了封隔油气水层，建立油气流出的通道，防止产层之间的互窜以及方便安装井口，因此在开采过程中需要下套管，并进行相应的固井工作，以便进行石油的后续开采工作。而固井工程又具有一定的特殊性，其为一次性过程，如果质量不好，一般情况下是无法补救的。同时因为它的隐蔽性，主要过程集中在井下，施工时不容易直接观察，质量控制的好坏将直接影响后续工程的实施。因此在固井下套管的过程需要保证套管在井眼中的居中度，其是油气井固井质量好坏的决定因素之一,而扶正器安放又是套管居中与否的基础。同时在油田生产的测井过程中需要测量大量的参数、使用各种仪器，为了测量的准确性，需要使仪器处于油管的中心位置。因此也需要使用扶正器。目前所使用的扶正器多为机械式扶正器，其扶正支架始终与管壁接触，而接触压力小了将起不到扶正的作用，但若是接触力过大的话将直接导致下井困难，在井中上提，下拉时摩擦力较大，上提、下拉困难。同时由于摩擦力大，其磨损也较严重，直接影响扶正器的使用寿命。课题研究目的、学术价值或实际应用价值本课题研究的主要目的是针对目前石油开采中扶正器井下作业发生卡钻等事故，设计出利用电机驱动扶正器的支撑臂的支撑与收缩动作。并且利用轮式机构的设计，将之前的滑动摩擦变为滚动摩擦，在不改变支撑力的前提下，有效的减少了摩擦力，提高扶正器的使用寿命。使扶正器在保证其正常扶正作用的前提下，可以提高其在工作中的可靠性。电动支撑臂的提出为解决扶正器上提、下拉时摩擦力大等问题提供了一种解决方案。可以通过对其的研究以及结构的改进，改善仪器利用的稳定性、一致性和重复性，可以提高扶正器在固井过程的成功率，保证固井质量。另外，本课题通过利用轮式机构改善原有扶正器由于摩擦力过大而直接导致其寿命较短的问题，通过改进将使扶正器在油田利用中有更高的可靠性。同时尝试改进扶正器的材料尽量不采用尼龙件，提高扶正器的强度，同时减少其在运行过程中出现的卡泵现象。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献目前个油田所使用的扶正器都存在一定的缺点,在石油的开采过程中也经常会出现一些事故。扶正器属固井工具，其种类繁多，目前市场上按其结构可以分为滚轮式，滑轮式、自由换向式等。不同结构和材质的扶正器适用于不同的油井。目前国内使用的套管扶正器有三种:刚性扶正器,扶正力为最大,有导流功能,可提高顶替效率,但刚性也最大;双弧弹性扶正器,其扶正力为单弧扶正器的两倍;单弧弹性扶正器,其扶正力比双弧弹性扶正器较小。国内水平井固井在水平井的水平段多选用刚性扶正器和双弧弹性扶正器间隔加入的方法,每20m加一只刚性扶正器和一只弹性扶正器,其扶正力足以支撑平躺套管的重力,从理论计算和实际施工结果看可以保证套管居中度大于水平井固井水泥浆体系的要求。 图1 刚性扶正器另外国内还有一种旋流式扶正器,它是以弹性扶正器为基础进行研制的。旋流式扶正器有3个导向叶片,在导向叶片角度为3540,张开角为100115时可以得到最佳旋流导流效果。旋流式扶正器使水泥浆在环空中形成一定的旋流场,且主流速越大,旋流场强度越大,形成的 环向流速也越大。试验结果表明,越靠近井壁处旋流强度越大;在返速是0.8m/s时,实测旋流场的有效范围达5m。现场实际返速远大于0.8m/s,所以旋流场的有效范围也相应增大。 图2 弹性扶正器 图3 弹性旋流扶正器结构图提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而,在实际施工中活动套管因种种困难难以实施。对于大斜度井更是如此。使用旋流扶正器等机械辅助方法来提高注水泥顶替效率是近年来一个新的发展方向。借鉴这些技术,国内设计了刚性旋流式扶正器。其目的是一方面支撑大斜度井段靠在井眼下侧的套管,防止粘卡和增大间隙居中套管,同时又可以迫使流过旋流扶正器的钻井液和水泥产生旋流以提高顶替效率。目前各类型的扶正器由于使用尼龙件会造成卡泵、卡钻等现象。同时目前扶正器存在强度低、寿命短等缺点。由于大部分扶正器均是直接与油管接触，摩擦力较大，使抽油机的负载增大。综合以上的扶正器的缺点，设计一种利于支撑，减少摩擦力，延长寿命的扶正器是必要的。查阅文献1.杨道平,张胜鹏,王慧琴等.一种可变径套管扶正器P.中国专利:200720146825.X,2008-3-5 2.陈葳,王绍军,缪克等. TYF4型八臂四轮式扶正器J.石油仪器,2001,15(5):48-49 3.黄勤保,余茂人.电动扶正器P.中国专利:200820170212.4,2009-9-23 4.杨道平.可变径刚性套管扶正器P.中国专利:200620167223.8,2007-11-215.王树坦.滚轮扶正器P. 中国专利:01272966.0, 2001-12-316.张景福，李成林，王忠福等.套管弹性旋流扶正器的旋流规律与应用N.石油学报，1997，18（1）:111-114.7.徐爱舫，陈黎升等，电动扶正器的改进及应用J.石油仪器，2000,14（5）：58-60.8. Bai Xianglin, Li Haoyu, Liu Faxian.Dynamic simulation of auto-centralizer for ho-rizontal well traction robot based on ADAMSA. Petroleum Exploration And Develop-ment. China. 2010, 37(1): 104110.9.Fei Yin,Deli Gao，Mechanical analysis and design of casing in directional well under in-situ stressesJ.Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2014, 13(3):26-30.10. 王兆会，蒋刚等.刚性扶正器P.中国专利:200520016237.5,2005-04-04.11.孙莉，黄晓川，向兴华，国内水平井固井技术及发展J.钻采工艺，2005,28（5）：23-258三、研究内容1.学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）思路：查阅相关的文献，理清扶正器基本原理与用途，并根据现有的扶正器的特点，利用它的先进创新部分，并对不合理的地方进行相应的改进，进行整体的方案设计。主要研究内容：（1） 了解扶正器的工作原理，明晰扶正器工作性能参数。查阅相关资料，完善对扶正器的了解（2） 参考市场现有的扶正器结构，根据所学知识，设计出以电机为驱动、并通过计算分析，增加轮式机构。（3）对所设计的机构进行优化，并利用UG CAD等软件进行分析。 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法：（1） 创新构思，功能设计 首先进行市场调研，分析不同扶正器的优缺点，如下优点缺点刚性扶正器有很高的支撑力和较低的启动力或位移力,能使套管顺利下入又保持较高的居中度对井眼的要求较高,不能有缩径井段;刚性正器还会增加管柱的刚度,造成下套管困难;造价高制造工艺复杂弹性扶正器（根据弹簧原理设计）它有较高的复位力即扶正力,扶正力的大小取决其上载荷的大小。制造工艺简单,价格低,性能能满足常规井的要求产生较大的下入力,影响套管的正常下入，摩擦力大，影响寿命滚轮扶正器滚轮扶正器在套管上可以自由转动和上下滑动，也可以用固定螺钉或固定环将其固定在套管的某个部位强度低、寿命短通过以上对目前几种扶正器的分析发现现在的扶正器都存在下井困难，摩擦力大，寿命低等缺点，刚性扶正器虽然可以较好地保证套管的居中度，但其下井困难，不利于使用。弹性扶正器虽价格低，工艺简单。但下井摩擦力大等问题直接影响了其使用寿命。对于滚轮扶正器由于它的强度较低，导致现在油田很少使用。综合以上各扶正器的优缺点，目前拟采用电机驱动扶正器的支撑臂来完成支撑与收缩动作。在下井作业前将支撑臂收起可以有效的减少摩擦，方便下井。同时在刚性扶正器的基础上增加滑轮，进一步减少摩擦力。（2) 机械结构设计 针对所设想的功能，运用机械原理，机械设计等专业课程分析设计，设计出最优的机械结构和工作原理。同时利用UG等相关专业软件对支撑臂等部位进行受力分析及运动仿真，重点对支撑臂的结构与强度进行分析，不断校核修改，使设计更具可行性。(3) 电气控制设计在此设计中有用到电气方面的技术，被控制对象包括电机、传感器等部件。设计主要考虑支撑臂的收缩与支持的实现，同时考虑相应的机械结构对机械臂逇运动进行相应的定位等问题。（4）设计图纸，优化设计经过原理优化与结构设计后，运用机械制图和三维建模的所学知识进行设计出图，仔细考虑尺寸和工艺要求，利用软件对扶正器的尺寸进行相应的修改，不断优化其结构，最终出图。四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标3月1日-3月22日查找文献，了解国内外研究现状及发展方向，对本次课题有一定了解对本次设计有初步构想3月23日-4月1日深入了解本次课题设计内容，分析对比各种方案确定原理方案4月2日-4月20日进行