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井下 液体 振荡 发电 装置 设计 CAD 独家

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井下液体自激振荡发电装置设计摘 要随着我国社会主义现代化事业的蓬勃发展，石油这一战略资源对经济发展的影响日益加深，因此石油生产作业也显得愈加繁忙。而在石油开采中，为了了解产量以及获得更多的油井参数，通常需要对抽油机井进行动液面深度等测试。抽油机井动液面深度测试方法从前一般采用机械式压力计进行测量，然而为了提高测量效率，节省起放机械式压力计的维护成本，近年来，现场开始越来越多的采用电子式压力计。相比机械式压力计，电子式压力计的可靠性更强，使用更加方便，并且能在井下工作更长的时间。美中不足的是，电子式压力计在井下进行测量工作时，需要电池为其供电。目前主要是采用高温电池对其供电，工作时间一般为1到6个月时间不等。本毕业设计题目旨在解决电子式压力计不能通过电池在井下长期工作的问题，通过采用流体自激震荡装置，将原油流体中的动能和压能转换称为活塞垂直运动的机械能。其实现方式为：活塞上镶嵌有永磁材料，在活塞缸外绕有线圈，当活塞在活塞缸内往复运动时，线圈中的磁通发生改变，从而产生感应电动势。如此一来，本文中所提到的抽油机井井下发电装置便可为电子式压力计长期供电。关键词：动液面测试；井下发电装置；压力及供电；井下发电设计AbstractAlong with the vigorous development of our countrys socialism modernization, the oil resources influence on the economic development of the economic development, so the oil production operation becomes more and more busy. And in oil exploitation, in order to understand the yield and get more of the oil well parameters, usually need to pumping wells into action level depth testing.Pumping wells dynamic liquid level depth test method before the mechanical pressure meter to measure. However, in order to improve the measurement efficiency, saving on mechanical pressure gauge maintenance costs, in recent years, the scene began to more and more adoption of electronic pressure gauge. Compared with the mechanical type pressure gauge, electronic type pressure gauge reliability is stronger, use more convenient, and can work longer in the underground time.A fly in the ointment is, the electronic pressure gauge measurement work in the underground, need batteries to supply power for the. At present, the power supply of high temperature battery is mainly used, the working time is generally ranging from 1 to 6 months.The subject of this graduation design is to solve the electronic pressure gauge can not through the battery in underground for a long period of time, through the use of fluid self-excited oscillation device, oil fluid kinetic energy and pressure energy conversion to the vertical movement of the piston mechanical energy. In this way: piston inlaid with a permanent magnet material, in the piston cylinder around the coil, when the piston in the piston cylinder reciprocating motion, coil in the magnetic flux change, resulting in the induction electromotive force. As a result, underground oil well pumping power generation device mentioned in this paper will be electronic pressure gauge long-term power supply.Key Words：Moving liquid level test；Underground power plant；Pressure and power supply；Underground power generation design目录1绪论11.1选题目的11.2选题意义11.3国内外研究现状12研究的主要内容32.1研究计划32.2发电装置参数确定32.3发电装置拟定设计方案32.4拟定采用的研究思路32.5课题的进度安排52.6研究的预期结果53抽油泵介绍63.1概述63.2管式泵63.3杆式泵63.4套管泵73.5其它类型抽油泵83.5.1双作用抽油泵83.5.2防气抽油泵93.5.3稠油抽油泵103.5.4水力保护式抽油泵103.6水力活塞泵104几种电子井下压力计的介绍124.1JC系列石英电子压力计的概述、主要参数及结构特点124.1.1概述124.1.2主要技术指标124.1.3结构特点134.2ZPG系列电子压力计的概述、主要参数及结构特点134.2.1概述134.2.2主要技术指标144.2.3ZPG压力计结构特点144.3JDYC/JDYD/JDYG型电子压力计的概述、主要参数及结构特点154.3.1概述154.3.2主要技术指标154.3.3结构、组成及配套165涡轮发电方案185.1概述185.2贝茨理论185.2.1概述185.2.2有效功率计算公式185.3方案计算195.3.1计算相关参数195.3.2发电量试算196流体自激震荡发电方案216.1概述216.2自激震荡发电装置结构216.3自激震荡发电装置原理227 方案详细设计257.1发电量试算257.2结构设计257.2.1总体尺寸设计257.2.2上下接头设计267.2.3流通短节连接设计297.2.4发电装置壳体设计307.2.5发电装置流道短节设计317.2.6自激振荡装置弹簧设计40总结与展望43致 谢44参考文献45531 绪论1.1 选题目的在油田采油作业中，抽油机井动液面深度测试是了解油井产能的主要措施，也是确定机抽参数的主要依据。长期以来，抽油机井动液面深度测试普遍采用声波测试，而现场使用证明声波测试动液面往往导致较大误差，油套环空存在气泡时，误差甚至可能达到上千米之多陈超,刘德基,尹玉川,白彦华,呼惠娜.高气油比油井动液面测试解释新方法J.石油地质与工程,2008,(2):104-106.。目前，有研究者已经研究出井下压力计（包括机械式压力计和电子压力计），但电子压力计通常采用蓄电池进行供电，然而由于蓄电池电量非常的有限，因此通常测试时间不足3到6个月，所以采用蓄电池供电的方案并不能满足测试仪器在现场进行长期测试的需要刘均荣,姚军,张凯.智能井技术现状与展望J.油气地质与采收率,2007,(6):107-110.。为此，我们选择该毕业设计题目，针对现有抽油机井动液面深度测试设备不能满足现场长期作业需求的问题，通过设计和分析，设计出一种可靠的抽油机井井下发电装置，要求该装置可长时间为井下压力计供电。1.2 选题意义井下压力计是采油作业中井下测试的关键设备，它在采油过程中对于油田产能的监测和把握具有重要的作用王哲金.国产电子式井下压力计的发展J.石油仪器,2000,(2):28-29.。因此为保证井下压力计的长期可靠的使用，现设计相应井下发电装置，为其供电。从而提升井下测试作业的质量，提高检测效率，减少取出压力计更换电池等作业，节省采油测试作业成本。1.3 国内外研究现状 在国内外有许多井下发电装置和技术，诸如国内外有人研究提出的泥浆驱动涡轮电机发电技术张辛耘,王敬农,郭彦军.随钻测井技术进展和发展趋势J. 测井技术,2006,30(1):10-14.以及温差发电技术严李强,程江,刘茂元.浅谈温差发电J.太阳能,2015,(1):11-15.、振动发电技术杨晓光,汪友华,张波,曹莹莹.一种新型振动发电装置及其建模与实验研究J.电工技术学报,2013,(1):113-115.等，但其多为钻井作业及其钻时测试数据检测而设计，而针对采油测试中井下电子压力计供电的发电装置设计仍难以寻求，压力计往往多采用电池供电。目前国内外对于电子压力计供电多采用高温锂电池技术，一般使用周期为2到6个月。由此可见，采用电池供电的方式无法满足井下电子压力计长期供电的需要，因而想要获得井下测试数据，就必须定期打捞电子压力计以更换电池。此方案不仅导致操作繁琐，成本增加，而且高温锂电池技术多为国外电子巨头垄断，如需使用效率较好的高温锂电池为电子压力计长期供电，则需要付出更大的代价和成本。另外，在技术上，钻井作业中，发电机工作环境的压差也较大，换言之，在钻井作业中由于泥浆自身特点，其较大的压力可以推动涡轮获得较大的转速，这一特点使得设计钻井作业中的发电机更易实现。而相比较而言，在采油作业中，一般油井的产量在20m3左右，相当于家用6分水龙头一天的流量，其压差也远低于钻井作业，因此为采油作业设计放电装置，其难度可见一斑。 经过大量的资料查询证明，目前在抽油机井发电方面的技术，国内外都较为缺乏，尤其是在国内，尚没有成熟的现场操作方案，因此本设计题目意义深远。2 研究的主要内容2.1 研究计划对收集资料的整理并加以分析，对抽油机井下发电装置设计需要研究的内容如下：1) 调查研究采油工程和采油测试技术；2) 调查研究采油过程井下动液面测试技术；3) 调查研究井下电子压力计结构原理和供电参数；4) 调查研究井下发电技术，主要研究流体（原油和天然气）驱动涡轮旋转发电技术方案及流体自激震荡发电方案；5) 全面设计抽油机井下发电装置设计方案。2.2 发电装置参数确定1) 供电参数电压：3.6V；电流：1.6Ah2) 工作环境井深：3000m；动液面深度：02000m；温度：60802.3 发电装置拟定设计方案1） 涡轮发电2） 流体自激震荡发电2.4 拟定采用的研究思路1) 方法：通过收集、整理资料，总结国内外抽油机井下发电装置设计资料最后经过研究总结，确定出一种能供油、气井使用的可靠的井下发电装置。2) 拟定研究方案的思路如下：2.5 课题的进度安排序号设计（论文）各阶段内容起止日期1通过广泛调研分析，掌握机抽井动液面测试方法、井下压力计工作原理及耗电量、发电装置工作原理，初步确定抽油机井井下发电装置设计方案和技术参数，写出开题报告3月2日3月20日2细化抽油机井井下发电装置设计方案3月27日3抽油机井井下发电装置结构设计与分析4月24日4绘制出抽油机井井下发电装置总装图及部分零件图（2.5张0号图工作量）5月15日5完成论文编写，外文文献翻译，提交毕业论文全部资料5月31日6准备答辩，论文审阅、评审、答辩6月12日2.6 研究的预期结果1) 设计出结构简单、性能可靠的抽油机井井下发电装置；2) 提交抽油机井井下发电装置总装图及部分零件图（2.5张0号图工作量）；3) 提交翻译外文文献（25000字符以上）；4) 提交设计说明书（1.5万字以上）。3 抽油泵介绍1233.1 概述在石油钻采设备中，抽油泵是非常重要的工具之一。抽油泵一般由固定阀体、柱塞、泵筒、游动滑阀组成。抽油泵具有许多形式，通常情况之下使用基本型号的抽油泵；其它情况应采用特殊型号的抽油泵，如当油井含气、砂抑或是定向井、水平井、稠油井之时。在设计和选择拍油泵的泵筒、泵阀与柱塞之时，针对不同井况其要求不同，因而其结构形式也多种多样。常见的抽油泵主要有以下三种：杆式泵(又名插入式泵)、套管泵(又名大尺寸插入式泵) 、 管式泵(又名油管泵)李继志,陈荣振.石油钻采设备及工艺概论M.东营：石油大学出版社, 1992.05.496-542.。以上各种抽油泵的工作筒安装方式并不相同，管式泵一般将工作筒设计在油管的底部，跟油管作为一个整体的下到井中。而插入式泵确实将井下泵装置和工作筒作为一个整体，使用抽油杆柱下到油井的油管或套管内。3.2 管式泵管式泵通常直接将泵筒和油管相连，并且一般与油管具内径几乎相等。如此一来，管式泵便可以通过较大直径的柱塞和工作筒，来获取相对而言更多的产液量。工程上一般将管式泵的柱塞和游动阀安装在一起，在拆解时将会通过抽油杆将其取出。固定阀一般有活动式固定阀和固定式固定阀两种。固定式的固定阀一般安装在油管的最底部，正是由于这种安装方式，当需要检修时，便必须把油管柱全部从井中取出，因而这种阀可以做得比较大，如此一来，当其在高粘度和低液面的油井中使用时，效果便可见一斑。当固定阀是活动式时，为了安装方便，既可以把它装在工作筒上之后再下入井中，又可以先将其下入工作筒，随后再从地面投下，并且在投下之后使用柱塞推动其就位，采用摩擦锥等方式将其固定。待到需要检查维护时，便可用阀打捞器（一般连接在柱塞底部位置）将其拔出，如此一来，在检修工作筒时仍然必须将油管柱全部提出。由此可见，管式泵具有一个明显的缺点便是检修作业十分困难。3.3 杆式泵杆式泵包括有内工作筒和外工作筒。内工作筒一般和固定阀、游动阀及柱塞构成一体，其经抽油杆直接便放到外工作筒中，最后安装在在锥体座上面，通过锁紧弹簧等将其卡住之后，与外工作筒形成一个整体。而外工作筒是通过锁紧卡簧来进行锁紧并且配有锥体座等，这些组件与油管下部相连，在放置时与油管一起先下放入井中。通常与其它泵相比较，杆式泵具有如下优点：如果想要提起内工作筒及在里面的的柱塞和两种阀体时，只需要提起抽油杆，这样以来，便使得检修作业十分便。因为内泵筒是要经过油管才能下入井中，所以相对于管式泵而言其直径小，因此产量也小。一般而言杆式泵又可以分为动筒杆式泵和定筒杆式泵两种。1) 定筒杆式泵定筒杆式泵的特点是工作筒固定，且柱塞在泵内做往复运动。其抽油杆有柱塞与其相连，带动着柱塞在工作筒中做着往复运动，而内工作筒既可以顶部固定，又可以在外工作筒之中固定。2) 动筒杆式泵动筒杆式泵的特点是柱塞与固定阀作为一个整体一起固定在油管下端的锥座上，同时抽油杆与内工作筒紧密相连，并在同定柱塞上做着往复运动。固定柱塞的顶部有动筒杆式泵的固定阀，游动泵筒的顶部则是游动阀。这种类型的泵的具有以下优点：由于泵筒往复运动，因此使得它外围环形空间的液体产生一种漩涡运动，这种漩涡运动可以有效阻止泵周围的砂沉积下来，如此一来，泵就不会卡在砂中；并且当抽油装置需要间歇停抽时，泵筒顶部的游动阀将会自动关闭，这种机制可以有效的防止进到泵内的砂堆积在柱塞的顶部和周围。但这种结构也有一些明显的缺点：由于这种结构将可能会加剧油管与泵筒的磨损，因此这种泵便不宜在偏斜的井眼里工作；固定阀尺寸较小。一般而言，为了提高泵的效率定筒杆式泵应该使用尽可能大的固定阀，如此一来，气体被分离出来了，油中气体含量也减少了。如果在靠近井底的位置安放，还可以使得井中液体进入固定阀的压力降减小，总的来说，杆式泵要比管式泵优秀得多，尤其是如今油井逐渐向深层发展，泵挂深度也是越来越大，相比费时、费工的管式泵，如果使用用杆式泵，检泵工作量将会减少几乎一半；要是采用上、下冲程都可以排液的杆式泵，其排液量更是可以达到甚至超过管式泵。另外，管式泵的防气、防砂能力也不如杆式泵。不过，也正是由于上述杆式泵的特点，使得其不易加工，并且造价高昂，为了保证杆式泵的顺利通过，对内径尺寸及油管壁厚的均匀程度的一致性要求也是相当之高。3.4 套管泵套管泵一般是指用套管代替油管出油所用的抽油泵，它实际上也是一种杆式泵，只不过其外型相比其它杆式泵而言较大，其安装及操作方式和一般杆式泵并无区别。套管泵下入井中，也需要使用抽油杆。套管泵大多装有封隔器，一般在泵筒的底部或顶部，其目的是便于在泵筒和套管间建立液体密封。套管泵的特点是：排量大；适用范围：浅井抽油泵（尤其适用于高产井）。套管泵的故障大多是因为柱塞和泵阀的损坏。一般柱塞都是用金属制造，形状多种多样；抽油泵阀的结构也有许多。3.5 其它类型抽油泵除了以上提到的三种常见抽油泵之外，根据不同的工作情况，还制造出了多种变型泵，主要有以下几种。3.5.1 双作用抽油泵1) 概述研制柱塞上、下行程都可向地面排液的双作用抽油泵，其目的是为了改善杆式抽油泵产液量较小的问题。2) 结构特点双作用抽油泵拥有上、下两个柱塞，经连通管连接，形成“工”字柱塞总成。连通管在一个密封件中运动，因此在这个密封件中产生了两个密封腔室。上密封腔室与连通管内腔相通，其组成包括上柱塞和密封元件；下密封腔室与泵筒和油管之间的环形空间相通，其组成包括下柱塞和密封元件。随着“工”字形柱塞总成的上、下位移，两个液体腔室的长度也发生相应改变。当柱塞上行时，由于液柱重力作用使得游动阀关闭，而此时固定阀开启，流体开始流入泵筒，并通过下柱塞和连通管继续上升，最后经连通管上的油口进入上腔室，于是抽油泵便开始吸液。在这个时候，下密封腔室中的井液被迫通过泵筒上的油口流入泵筒和油管之间的环形空间，此时抽油泵便向油管排液。随着柱塞逐渐向上提，井液便升到了地面。当柱塞下行，此时固定阀关闭，下柱塞的下部空间和上腔室内的液体通通被挤到连通管中，并推开游动阀从而进人油管。这样伴随着下腔室逐渐增大，压力便随之降低，油管和泵筒环形空间中便又有一部分井液返回到泵中。事实上，泵对油管里排出的流体就与下密封腔室内变化的体积相同，在柱塞向上运动的时候，泵对油管中排出的流体只和下柱塞下部腔室的体积变化相等，因此我们可以看作下腔室吸人了上腔室内排入油管中的液体，柱塞的下行程并无吸人量，其在上、下行程的时候从抽油泵中排出的液体，总的来看都是从上行程中一次性吸人的。3) 优点因为增加了一个上腔室参与吸入，所以在一个冲程中泵的吸人排出量均有明显增加，从而使得产液量和管式泵的水平几乎相当。4) 缺点双作用式抽油泵的下行阻力较大，且抽油杆容易弯曲，如此一来，便有可能造成抽油杆脱扣甚至断裂。1233.13.23.33.43.53.5.13.5.2 防气抽油泵1) 概述在一些油井里，其液体中含有许多的溶解气体，这一情况将很大程度上影响到抽油泵的效率，严重时将直接导致抽油泵无法正常工作。之所以出现这种情况，是抽油泵中存在“防冲距”，所谓“防冲距”是指在抽油泵里固定阀和游动阀之间必许保持一段距离，而这段距离形成的空间我们就将其称为“余隙容积”，在其中充满着油气混合物。当柱塞下行的时候，由于泵筒内压力上升，使得余隙容积中的气体被压缩，同时溶解到油液里，但柱塞上行的时候，泵简里压力便迅速的下降了，因此，流体中溶解的气体开始分离、膨胀，这样一来便会占用更多的空间。当含气量不多时，气体膨胀后所占据空间相对比较小，如此一来，自然对泵的工作效率影响不大。不过在含气量相对较多时，膨胀的气体将充斥着柱塞在泵筒中运动的空间，并且它的压力仍然不会小于套管内的沉没压力，这样就会使得固定阀打不开，自然也就影响到抽油泵的吸入。与此同时，柱塞只是在压缩和气体，因此抽油泵并没有，这种现象就叫作“气锁”。为了防止“气锁”，也为了提高泵效，特设计出了适合含气原油开采的抽油泵，这便是防气抽油泵。防气抽油泵为了消除“气锁”，往往在常规抽油泵额上端会加装一个承载阀。2) 结构特点在柱塞上冲程的过程中，游动阀处于关闭状态，固定阀和承载阀处于打开状态，液体从抽油泵游动阀下面的泵筒下腔中吸人，油气则从上腔通过承载阀进入到油管中。因为整个过程均充满着液体，因此在上冲程时液面并不会发生撞击。下冲程过程中，承载阀处于关闭状态，此时承载阀承受油管里的液柱负载，这样一来，油管内液体便不会直接作用于游动阀，因此上腔中的压力将会急速降低，游动阀随之开启，油气很快从下腔通过游动阀进入到上腔，这样也就消除了下冲程过程中的液面撞击。在柱塞即将运动到下止点的时侯，柱塞杆上带槽的那部分正好经过承载阀所在的位置，如此一来，便沟通了承载阀的上、下两部分，液体从上部油管进入下部，气体也从下部上腔内被压缩或排到了油管之中，其原来的空间将完全被液体所取代。当上冲程再一次开始，因为气体已经从游动阀的上、下腔室内排出，所以固定阀与承载阀均快速开启，此时，油便开始从上腔室排向油管中，下腔室吸液过程也再次开始。3) 优点因为使用了承载阀，消除了抽油泵在原油含气的情况下工作可能出现的“气锁”现象，便使得泵的可靠性和效率均得到很大的提高。3.5.3 稠油抽油泵所谓稠油（也称高粘重质原油），通常是指密度大于0.9g/cm3、温度在50的时候，粘度为1001000cP的原油。在一些油田中(例如高升油田)，原油密度甚至可达0.940.96g/cm3，粘度5000cP，有的油井甚至可以达到10000cP姚春东.石油矿场机械M.北京：石油工业出版社, 2012.02.200-215.。像这类高粘性原油具有明显的缺点便是流动阻力大，其流动性也很差，如果使用常规的抽油泵进行开采，就有可能造成驴头的下行速度大于抽油杆的下行速度，这便是通常所说的“驴头打架”。不只如此，还会导致阀球开启延迟、延迟关闭的情况，与此同时，抽油杆上的拉应力也随之增加，在其向下运动过程中抽油杆受压缩，其最大应力值与交变应力幅度均会变大。如此一来，如果情况不严重，泵的工作效率将会降低，如果情况严重，甚至可能导致泵不能正常工作。如果导致泵被卡住甚至是抽油杆断脱事故，就更加的言重了。所以，在稠油井中必须要选用合适的抽油泵。3.5.4 水力保护式抽油泵一般说来，可以增加抽油泵在水淹井和多砂井中工作效率的泵称之为水力保护式抽油泵。水力保护式抽油泵的特点是：工作寿命长、校塞和泵筒的磨损小。3.6 水力活塞泵水力活塞泵的工作特点是：动力液从地面动力泵经过油管直接运送至驱动油缸中，以带动抽油泵进行工作。多年的现场采油作业经验证明，水力活塞泵不仅适用于一般油井的开采外，还可用于多蜡井、深井、稠油井、定向井和海上油井的开采。在单井和多井的开采之中，管理方式集中，因此效率很高。水力活塞一般分为闭式循环和开式循环两种。闭式循环的特征是液压马达排出的废动力液经过另一条单独的通道返回地面，其与油井里的抽出液与始终不混合。开式循环的特征则是废动力液同井内液体混合并一同返回到地面。根据水力活塞泵在油井内的安装方式区别，可将其分为套管投入式、平行管投入式、会管固定式和插入固定式四类。4 几种电子井下压力计的介绍4.1 JC系列石英电子压力计的概述、主要参数及结构特点4.1.1 概述JC系列的石英电子压力计，其特征是温度和压力传感器的材料都采用石英。此类电子压力计的原理是利用不同的切割石英材料方向制成石英谐振器，石英谐振器的频率因压力和温度作用，其敏感性的表现将不同。根据压力作用的特性改变谐振频率特性制造出来的的石英型温度传感器，灵敏度可以达到0.0005/Hz之高中国石油天然气集团公司人事服务中心编.职业技能培训教程与鉴定试题集 采气测试工 上M.北京：石油工业出版社, 2005.11.。因为石英晶体自身的材料特性非常稳定，所以这类型的电子压力计也具备非常好的性能。4.1.2 主要技术指标1）压力测量传感器：石英压力传感器；压力量程：040MPa，060MPa，090MPa；压力精度：0.05%FS,0.03%FS,0.01%FS；压力分辨率：0.004MPa；压力漂移量：0.01MPa/年。2）温度测量温度量程：-20125，-20150，-20170；温度精度：+0.05；温度分辨率：0.02。3）供电电源：3.6V，1.6Ah 高温锂电池。4）数据采集采样间隔：2s18.2h；存储容量：3.2万组，6.4万组，12.8万组，25.6万组，51.2万组。5）外形尺寸外径：19mm，21mm，25mm，32mm；长度：400450 mm；材质：1Cr18Ni9Ti。4.1.3 结构特点JC系列的石英电子压力计在设计上结合了石油井下工作的实际情况，因此结构十分紧凑，尺寸也多种多样，能够适应各种井的测试工作。目前压力和温度传感器的设计和加工工艺已经十分先进，因此测压测温仪器具有很高的精度，可靠性也非常高。JC系列的优点是耗电少、功耗低，即使每天进行测试，一节5号高温电池也能够使用长达数月时间，如此一来，便能够提升测试工作的可靠性。JC系列仪器均具备自检功能，仪器的指示灯可以显示其工作状态，这种设计也可以保证其在井下开展测试工作的可靠性。其结构如图4.1所示。图4.1 JC系列石英电子压力计4.2 ZPG系列电子压力计的概述、主要参数及结构特点4.2.1 概述ZPG系列电子压力计适合于油、气、水井动态测试，其高精度和智能化的特点使得其广为现场所使用。其数据存储十分方便，既可地面直读又可井下存储，工作范围包括测井、试井以及地面、井下有关压力的测试、温度监控测试等相关作业试井手册编写组.试井手册 上M.北京：石油工业出版社, 1991.07.。其具有以下特点：1）功能多 直读、存储两用，既能用钢丝下井进行测试作业，又可用缆线作业地面直读，还能够代替机械压力计从事多井流压测试； 2）组合式、免维护 电子压力计与存储器分离组合，一直存储器可以和不同量程的电子压力计组合使用。互换性能强，压力计全封闭型，免维护；3）低能耗 电路设计先进，不但工作电流小，且有休眠功能，所以，仅用4节5号或2节2号电池就能在井下120环境中连续工作60天；4）数据传输可靠 具有掉电保护，不会丢失数据；5）压力响应速度快、灵敏度高 可以测到1s级动态压强，灵敏度高达0.01%；6）稳定性高、抗干扰能力强 电路在十分恶劣的环境下可稳定工作；7）自动化程度高 压力计与微机结合构成可编程、实时测控系统，采样间隔以4s倍数任选，用等时间间隔和等时间对数间隔等多种方式编程采点；8）存储容量大 可存储2万组数据（可扩容）。44.14.24.2.14.2.2 主要技术指标1）压力测量压力量程：025MPa，045MPa，0100MPa；压力精度：+0.05%FS+0.07%FS。2）温度测量温度量程：0125，-4085，-45125；温度精度：+0. 5。3）数据采集采样间隔：2s18.2h；存储容量：2万组。4）外形尺寸外径：25mm，38mm；长度：800820 mm；5）最高工作温度：150（存储式）、180（直读式）。4.2.24.2.3 ZPG压力计结构特点ZPG电子压力计具有结精度高、温漂小、耐温能力强、体积小巧、构紧凑等特点。它由绳帽头、电池室、存储器和电子压力计四个部分组成，如图4.2所示，井下所需的加重杆则由用户自己准备。图4.2 ZPG系列电子压力计4.3 JDYC/JDYD/JDYG型电子压力计的概述、主要参数及结构特点4.3.1 概述JDYC/JDYD/JDYG系列井下电子压力计的特点是功耗低、容量大、精度高，其主要工作范围是用在气井、水井和油井的压力和温度测量。压力计按外径尺寸分为三个系列：JDYG系列外径为22mm，JDYC系列外径为25mm，JDYD系列外径为36mm。其中任一系列产品均提供三档工作温度上限：80、125和150；而每档工作温度按压力量程提供五种规格：15MPa，20 MPa，30 MPa，45 MPa，60 MPa；每种规格一般有两种准确度：0.1FS%和0.2%FS。由此可组合成几十种不同型号规格的压力计产品，以便满足各地油田，各种井眼勘探试井和开发试井的需要。4.3.2 主要技术指标1）压力测量量程：015MPa，020MPa，030MPa ，045MPa 060MPa；精度：0.1%FS0.2%FS；灵敏度：3kPa，4 kPa，6 kPa，9 kPa，12 kPa；零点漂移：0.1%FS，0.2%FS。2）温度测量温度量程：JDY-80 ,(-2080)；JDY-125 ,(-20125)；JDY-150 ,(-20150)；温度精度：+0. 1；零点漂移：0.008%FS/；灵敏度：0.1。3）数据采集最大测点数：16128点；存储容量：2万组。4）外形尺寸外径：JDYG,22mm，JDYC,25mm，JDYD,36mm；长度：800820 mm。4.3.3 结构、组成及配套压力计结构分为3个独立组件：主机、配重（即加重杆）和电池组件。各组件外形示意图见图4.3。图4.3 JDY系列电子压力计5 涡轮发电方案5.1 概述我们知道，无论是在钻井或是在采油作业过程中，都会有流体的产生和流动，例如钻井作业中的泥浆、采油作业中的原油及水和其它物质的混合物、采气作业中的天然气及其它气体的混合物等。这些流体在管道内流动，其具有充分的动能，我们便可以使用一定的装置将这种动能利用起来，转换成为我们需要的电能，例如本章我们要讨论的涡轮发电方案。利用涡轮，就是一种常见的、成熟的能量转换方案，同时这种方案也是可靠的、便于实现的。5.2 贝茨理论5.2.1 概述世界上第一个关于风力机风轮叶片接受风能的理论体系便是由贝茨（Betz）建立的。贝茨理论的主要思路，是假设风轮是“理想的”，即叶片没有轮毂，其数量也是无限多片，对于空气没有阻力，并且可以全部接收风能。空气流也是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的（或称平行风轮轴线的）这时的风轮称“理想风轮”苏绍禹.风力发电机设计与运行维护M.北京：中国电力出版社, 2002.。5.2.2 有效功率计算公式然而在长期的实践中发现，贝茨理论不仅适用于风介质，也适用于其它流体介质。因此本设计中流体的是原油、天然气，也同样其用于贝茨理论。其有效功率E（w）计算公式如下E=v3A （51）式中 风力机（轮机）全效率。全效率一般取=25%50%。低速时取小值，叶片数小于3的高速机取大直：一般设计时高速机取30%50%； 流体密度，单位：Kg/m3；v 风速，单位：m/s；A 叶片扫掠面积，单位：m2 。 5.3 方案计算1)2)3)4)4.14.24.31.2.3.4.5.1)2)3)5.3.1 计算相关参数相关参数如下，1) 油井日产量：Q=20m3/天2) 原油比重： =0.85t/m33) 环境温度：T=60804) 电机外壳直径：D 电池所需电压3.6V，由此可知该方案可行。7.2 结构设计抽油机井井下发电装置总体结构设计如图7.1：图7.1 流体自激震荡井下发电装置总装图7.2.1 总体尺寸设计根据XXX老师推荐，并结合油井实际情况，发电装置总体外径不得大于120mm，因此设计如下参数：1) 发电装置流通短节直径为100mm；2) 发电装置壳体直径为120mm；3) 发电机总长980mm。7.2.2 上下接头设计图7.2 发电装置上接头发电装置上接头如图7.2所示，尺寸设计如下：1） 上接头大端直径：120mm；2） 上接头大端内螺纹：2 7/8 TBG油管螺纹；3） 上接头大端内螺纹有效长度：58mm；4） 上接头小端螺纹：M107X2-6h；5） 上接头小端螺纹有效长度：48mm；6） 上接头顶紧螺钉孔螺纹深度：20mm；7） 上接头顶紧螺钉螺孔深度：52mm；8） 上接头流道孔径：20mm；9） 上接头流道长度：52mm。查机械设计手册上册第一分册 P479，选择发电装置上下接头材料为35CrMo，从其中可得知该材料的屈服极限为539.2Mpa。查GB/T 9253.21999P1113如图7.3、7.4所示：图7.3 油管圆螺纹手紧上口基本尺寸图7.4 油管圆螺纹牙型 查GB/T 9253.21999P13表12 不加厚油管螺纹尺寸，有2 7/8TBG螺纹参数如下：1) 代号规格：2 7/8；2) 外径D：73.03mm；3) 大端直径D4：73.03mm；4) 每25.4mm螺纹牙数：10；5) 管端至手紧面长度L1：35.99mm；6) 有效螺纹长度L2：48.11mm；7) 管端至消失点总长度L4：52.40mm；8) 手紧面处中径：E1：71.457mm；9) 机紧后管端至接箍中心J：12.7mm；10) 接箍端面至手紧面长度M：11.33mm；11) 接箍镗孔直径Q：74.63mm；12) 接箍镗孔深度q：7.94mm；13) 手紧紧密距牙数：2；14) 从管端起完整螺纹最小长度Lc：29.54mm。由此，抽油机井井下发电装置上下接口管螺纹设计各项参数应采用上述2 7/8TBG油管螺纹标准尺寸参数设计。查机械设计手册，取发电装置接头的螺纹参数如下：1) 大径D：107mm；2) 螺距P：2；3) 牙型：细牙；4) 中径公差：6H；5) 顶径公差：6H；6) 螺纹旋向：右旋；7) 旋合长度：中等；8) 代号：M107X2-6H。查机械设计手册“附录E 螺纹及螺纹紧固件”“ 表E1.1 普通螺纹的基本尺寸（GB/T 1961981）”，选择井下发电装置顶紧螺钉螺纹参数如下：1) 公称直径D：12mm；2) 螺距P：1.75mm；3) 牙型：粗牙；4) 螺纹小径D1，d1：10.106；5) 中径公差：6H；6) 顶径公差：6H；7) 螺纹旋向：右旋；8) 旋合长度：中等；9) 代号：M12X1.75-6H。123455.15.25.2.15.2.27.2.3 流通短节连接设计图7.5 销钉链接为保证发电装置各流通短节在发电装置壳体内的相对固定，以及为保证安装时发电机各流通短节对于流道的定位对接，现采用销钉连接方式（如图7.5），对发电装置各流通短节内的流道进行定位。查机械设计手册“表E9.1 圆柱销的基本尺寸（GB/T 119.12000）不淬硬钢和奥氏体不锈钢，选择销钉如下：1) 公称直径d：4mm；2) 公差等级：m6Ra0.8m；3) 公称长度：10mm；4) 材料：45；5) 硬度要求：125245 HV30；6) 代号： GB/T 119.1 4m6X10。7.2.4 发电装置壳体设计图7.6 发电装置壳体查机械设计手册上册第一分册，选择发电装置壳体材料为35CrMo，从其中可得知该材料的屈服极限为539.2Mpa。发电装置壳体如图7.6所示，尺寸设计如下：1) 总长：788mm；2) 直径：120mm；3) 两端螺纹：M107X2-6H；4) 有效螺纹长度：52mm。查机械设计手册，取发电装置壳体螺纹参数如下：1) 大径D：107mm；2) 螺距P：2；3) 牙型：细牙；4) 中径公差：6H；5) 顶径公差：6H；6) 螺纹旋向：右旋；7) 旋合长度：中等；8) 代号：M107X2-6H。壳体下端圆台设计尺寸：1) 圆台大径：100mm；2) 圆台小径：90mm；3) 圆台厚度：10mm。7.2.5 发电装置流道短节设计图7.7 发电装置流通短节第一节发电装置流通短节第一节如图7.7所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：40mm；3) 流道开孔孔径：15mm；4) 销孔深度：6mm；5) 销孔孔径：4mm；6) 流道长度：40mm；7) 流道数量：2。图7.8 发电装置流通短节第二节发电装置流通短节第一节如图7.8所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：20mm；3) 流道开孔孔径：5mm；4) 销孔深度：6mm；5) 销孔孔径：4mm；6) 流道长度：20mm；7) 流道数量：2；8) 销孔布置：4。图7.9 发电装置流通短节第三节发电装置流通短节第一节如图7.9所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：110mm；3) 两侧流道开孔孔径：15mm；4) 中心活塞腔室直径：30mm；5) 销孔深度：6mm；6) 销孔孔径：4mm；7) 流道长度：110mm；8) 流道数量：3；9) 销孔布置：4；10) 侧流道开孔长度：15mm。图7.10 发电装置流通短节第四节发电装置流通短节第一节如图7.10所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：90mm；3) 两侧流道开孔孔径：15mm；4) 中心铁芯腔室直径：42mm；5) 销孔深度：6mm；6) 销孔孔径：4mm；7) 流道长度：90mm；8) 流道数量：2；9) 销孔布置：4。图7.11 发电装置流通短节第五节发电装置流通短节第一节如图7.11所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：102mm；3) 两侧流道开孔孔径：15mm；4) 中心流道缩径孔孔径：24mm；5) 中心活塞腔室直径：30mm；6) 销孔深度：6mm；7) 销孔孔径：4mm；8) 流道长度：102mm；9) 流道数量：3；10) 销孔布置：4。图7.12 发电装置流通短节第六节发电装置流通短节第一节如图7.12所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：46mm；3) 两侧流道开孔孔径：15mm；4) 中心腔室直径：33.5mm；5) 销孔深度：6mm；6) 销孔孔径：4mm；7) 流道长度：46mm；8) 流道数量：3；9) 销孔布置：4；10) 侧流道开孔长度：25mm；11) 侧流道开孔深度：15mm。图7.13 发电装置流通短节第七节发电装置流通短节第一节如图7.13所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：84mm；3) 下侧流道开孔孔径：15mm；4) 中心腔室直径：40mm；5) 销孔深度：6mm；6) 销孔孔径：4mm；7) 下侧流道长度：84mm；8) 流道数量：2；9) 销孔布置：4；10) 侧流道开孔长度：25mm；11) 侧流道开孔深度：20mm。图7.14 发电装置流通短节第八节发电装置流通短节第一节如图7.14所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：103mm；3) 下侧流道开孔孔径：15mm；4) 上侧流道开孔孔径：20mm；5) 中心腔室直径：40mm；6) 中心腔室缩径：22mm；7) 销孔深度：6mm；8) 销孔孔径：4mm；9) 流道长度：103mm；10) 流道数量：3；11) 销孔布置：4。图7.15 发电装置流通短节第九节发电装置流通短节第一节如图7.15所示，尺寸设计如下：1) 流通短节直径：100mm；2) 流通短节厚度：61mm；3) 上侧流道开孔孔径：20mm；4) 中心腔室直径：22mm；5) 中心腔室深度：41mm；6) 销孔深度：6mm；7) 销孔孔径：4mm；8) 上侧流道长度：61mm；9) 流道数量：2；10) 侧流道长度：32.5；11) 侧流道深度：15；12) 销孔布置：2。7.2.6 自激震荡装置弹簧设计F=PA （72）式中 F压力，N；P压强，Pa；A作用面积，m2。又有设计弹簧座尺寸为21mm，则可计算出A=34.6185cm2，又流体压强为2MPa，则可计算出弹簧所受最大压力F=692.37N。查钢的密度为7.85g/cm3 ，又由活塞设计长度：172mm，设计底面直径30mm，可算出活塞重量Gh=9.54N，