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含CAD图纸、说明书 全自动 泡沫 流体 PVT 实验 设计 CAD 图纸 说明书

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内容简介：

引言 全自动泡沫流体PVT实验仪的设计1引言32发展历程421泡沫钻井液密度的研究分析42.2 钻井液密度测量技术的发展53.设计的大体思路63.1 PVT实验仪的结构63.2设计的原理73.3优化设计83.4主要设计部分的实物图83.5技术关键84实验仪的设计94.1 筒体设计94.11 PVT筒体材料的选择94.12 筒体结构的选择94.13 筒体内径Ri的设计104.14 筒体长度L的设计104.15 厚度的设计104.16 筒体的强度校核135 容器塞盖的设计145.1 容器塞盖的结构设计145.2塞盖的密封设计156 螺母设计166.1螺母设计166.2螺纹联结设计176.3螺纹强度校核187活塞设计197.1活塞结构设计197.2活塞的密封设计208支架柜的设计209柱塞泵的选择2010毕业设计总结21参考文献22附录221引言世界钻井业的长期实践表明，开发新型钻井用孔内循环流体介质，不断改善流体性能，是提高钻井速度、保证安全施工、降低钻井成本和促进钻井技术进步的重要因素之一。钻井用孔内循环介质的演进，经历了从早期无循环液到有循环液；从用清水到兼用普通泥浆、优质泥浆和无固相（无粘土）钻井液；从水基到兼有油基和气基低密度循环介质（空气和含气介质）；从一般条件下用循环介质到兼有特种条件下和特种钻井工艺方法用循环介质等过程。十分明显，钻井技术介质的每一步发展和进步，都是和钻井施工条件及工艺技术方法的变革紧密联系的。随着钻井技术的发展，人们越来越重视油气层的保护和环境污染的控制，于是在早期普通钻井液的基础上新研制出了泡沫钻井液体系作为钻井介质。从50年代起正式用于生产的空气和泡沫钻探技术，一开始主要出现在石油和天然气钻井，它和低固相泥浆、低密度优质泥浆、无固相钻井液一样，都被视为近代钻探（井）技术的重要成就。进入7080年代，空气和泡沫钻探技术日益完善，应用领域愈益广泛，在石油天然气钻探、煤田钻探、固体矿产钻探、水文水井钻探、工程地质钻探；基础工程施工、矿山爆破孔施工、锚固孔和物探震源孔施工等方面都得到广泛应用。与此同时，还发展了多种低密度循环介质，如雾状气、充气泡沫泥浆等，这些都为泡沫钻井技术的扩展和推广应用创造了条件。泡沫钻井液性能稳定，具有静液柱压力低、润滑性和携岩性能好、滤失量小、抗污染和助排能力强以及对油层伤害小等优点。针对油气低压、低渗的地质特点，以泡沫为钻井液，合理利用配套的泡沫钻井工艺，可最大限度地减少对油气的侵害，且将污染控制在最小。开发井钻井液重点在于解决两方面的问题，一是油层保护；二是井壁稳定。开发井的油层保护工作主要表现在控制钻井液密度方面。 而在钻井过程中，泡沫钻井液的密度受温度、压力等因素影响较大，为了使钻井工程能正常进行，必须弄清微沫钻井液体系密度温度、压力之间的关系。全自动泡沫流体PVT实验仪就是为此目的而专门研制的。它不但能测量出钻井液密度随压力、温度的变化情况，而且能准确测量出钻井液密度的具体值。2发展历程21泡沫钻井液密度的研究分析随着泡沫钻井技术的应用和发展，人们对泡沫钻井液密度的研究分析也逐渐深入。 在钻井过程中人们把钻井液比喻成钻井的血液，钻井液性能的好坏直接关系到钻井的成败，随着钻井技术的发展，钻井液技术也在不断地发展，由起初的清水自然造浆发展到目前的水基、油基和气基三大钻井液体系，能够满足各种复杂地层和各种井型的钻井需要。早期的钻井技术通常采用的是普通钻井液，尽管我国的钻井技术在不断的发展，然而由于历史和社会的各种原因，也由于人们对环保的忽视，对地质层保护的重视不够，我们对钻井液的研究不够深入，也一直没有采用理想的钻井液。70年代到80年代初，我国实行对外开放的政策，国民经济建设进入了一个崭新的发展时期，我国石油工业也得到迅速发展。 国外大约在五十年代开始研究和使用泡沫流体，当时美国在易塌层打了一口大直径的井，后来在加利福尼亚州标准石油公司研制出一中种耐原油和盐水的稳定泡沫，它可用于在低压油藏钻井油层及修井。那时已认识到泡沫密度小，具有较强的清除和携带岩屑能力。这期间我国也大胆引进了国外先进技术，在钻井技术方面取得了很大的进步。不可否认，我国泡沫钻井技术起步较晚。80年代中期，首先在石油部门利用泡沫进行钻井和洗井工作，同时也研制出了几种泡沫剂（如F873TAS等），人们还发现泡沫钻井液对地质油层的伤害较其它普通钻井液小很多，在环保方面也发挥了很大的功效。但在理论上探讨不够，还没真正形成一套用于指导实际生产的理论体系。近年来，随着我国钻井技术的飞速发展以及多年的研究和探索，泡沫流体的应用已取得了很大的成效，目前泡沫钻井液钻井在辽河油田和胜利油田得到广泛采用。新疆吐哈油田也开展了泡沫钻井液钻井，成功开展了牛102水平井，使泡沫钻井液欠平衡钻井的使应井身范围更趋于多样性和广泛性。在实践中，泡沫钻井技术理论方面的研究也渐渐深入。对泡沫本身而言，主要有泡沫的质量参数泡沫的悬浮性和携岩能力泡沫的滤失能力泡沫的热物理性能泡沫的腐蚀性和泡沫的第 21 页 （共 22 页）导电性等。对泡沫流体应用而言，由于冲洗介质的固相含量固相类型密度等对钻井效率影响很大，所以人们在实际应用中一直倾向采用密度较低静压柱压力较小的泡沫冲洗介质，以提高钻井效率。由此泡沫钻井液密度的研究引起了广泛的关注。其研究工作主要归结为以下三个方面：模拟实验研究高温高压对钻井液的影响；提出了相应的钻井液密度模型；在模型的基础上计算钻井液对井下压力的影响。由提出理论到通过建立模型装置来研究再到后来在模拟地质层条件下研究钻井液密度随温度压力的影响而变化，这一系列研究取得了辉煌的成就，它得出了钻井液密度与温度压力之间的关系，在钻井方面为实际生产起到了很好的知道作用。可以肯定的说，随着经济的发展和技术的进步，泡沫和泡沫钻井技术的应用范围将越来越广，对钻井液密度的研究也将发挥更大的技术和经济效益。2.2 钻井液密度测量技术的发展多年来，我国测量钻井液密度的技术不断取得进步，在引进国外技术，消化吸收和自主开发的基础上，取得了重大突破。由起初的只能测量给定体积流量的钻井液的密度，方法：是将仪器底座放置在一个水平平面上， 测量钻井液的温度并记录在钻井液报表上，将待测钻井液注入到洁净、干燥的钻井液杯中，把杯盖放在注满钻井液的杯上，旋转杯盖至盖紧。要保证一些钻井液从杯盖小孔溢出以便排出混入钻井液中的空气或天然气， 将杯盖压紧在钻井液杯上，并堵住杯盖上的小孔，冲洗并擦净擦干杯和盖。 将臂梁放在底座的刀垫上，沿刻度移动游码使之平衡。在水准泡位于中心线下时即已达到平衡，在靠近钻井液杯一边的游码边缘读取钻井液密度值。前些年， 根据中国石油天然气行业标准SY5154-87，按储层流体高压物性分析要求对泡沫钻井液密度测定装置进行改进，研制出了泡沫钻井液密度测定装置，建立了测定泡沫钻井液密度-压力-温度关系的方法。主要包括：模拟井筒中钻井液转动起来；改进装置加热模式，使加热范围扩大到300。该装置能测量运动中钻井液的密度，克服了以往只能测量钻井液在静止条件下的密度。全自动泡沫流体PVT实验仪与上面的测定装置原理基本相同，利用计算机软件跟踪测试，更好的测定不同类型泡沫钻井液在不同地层温度，压力条件下的密度，并能够自动测量采集数据、计算并分析打印试验结果，测量更精确，可以为钻井设计提供重要的实验数据，更好的服务于我国的钻井技术。3.设计的大体思路 3.1 PVT实验仪的结构具体名称如下：1密封圈 2筒体 3手柄 4密封圈 5压紧螺母 6卡簧 7容器塞盖 8阀门 9油杯 10压力表 11柱塞泵 12步进电机 13固定架 14支架柜 15活塞筒体设计发展历程设计的原理3.2设计的原理在设定温度条件下，通过改变压力大小，来观察并记录密度随压力的变化情况，并随时记录密度大小；同理，在一定的压力条件下，通过改变温度高低，来观察并记录密度随温度的变化情况，并随时记录密度大小，这样既可以得出钻井液密度与压力温度的关系，而且可以得出在不同条件下钻井液的密度值。 以下实验流程方框图可以简要说明PVT实验仪测试系统的原理： 实验仪工作原理与泡沫钻井液密度测定装置基本相同。工作时，步进电机旋转带动柱塞泵螺杆旋转，柱塞移动，缸内出现负压， 油杯内的液体被吸入缸内。柱塞向另一方向移动，将液体压缩后另一单向阀被打开，被吸入缸内的液体排除流入与缸相连的管道。再通过管道流入筒体内，进而推动活塞移动，压缩泡沫钻井液，改变钻井液的压力，支架柜内装配的计算机软件会测试钻井液随压力的变化情况。3.3优化设计利用上述原理，PVT实验仪的优点在于采用计算机软件跟踪测试。只需在计算机软件操作界面上输入具体的温度值，然后操作系统加热或冷却，再启动电机计量泵，设定电动计量泵的流量和上限压力，正反启动电机计量泵，排尽泵和过渡容器端的空气，吸满工作液（水）停泵。在达到设定的温度值后，设定泵的恒压功能和参数值（此时压力表读值），启动电动机计量泵，当泵的压力达到设定值时，泵会自动停止。 PVT实验仪的优点体现在：结构简单、操作方便、测量精确。3.4主要设计部分的实物图设计的主要部分是剩有泡沫泥浆即泡沫钻井液的筒体部分。3.5技术关键在设计中最主要的是注意筒体内的压力，根据工作压力和温度以及工作的其它环境选择合理材料和结构，螺纹设计要满足强度要求，且要注意密封效果。要根据实用、经济、美观的原则设计容器的尺寸和结构。筒体设计4实验仪的设计4.1 筒体设计4.11 PVT筒体材料的选择 设计之前首先对PVT筒体进行材料的选择。压力容器材料费用占总成本的比例筒体设计很大，一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故，因此，合理选择压力容器是设计的关键之一。压力容器用材多种多样，有钢、有色金属、非金属、复合材料等，用的最多的还是钢。设计中我选择了不锈耐酸钢1Cr18Ni9Ti，因为1Cr18Ni9Ti不仅在高温高压下变形抗力较大而且耐酸耐腐蚀性强，适合本设计的操作条件，成本也较其他耐酸不锈钢小。4.12 筒体结构的选择 近年来，高压容器的操作压力越来越高，容器尺寸越来越大，这就迫使人们去研究高压容器的新结构和新的设计方法。普遍使用或散见于文献中的高压容器的筒体结构主要有：1.单层厚壁筒体2.双层或多层筒体3.饶丝式筒体4.其他形式筒体：(1)剖分块式(2)层间充压式(3)其他形式各种结构的筒体承载能力如下图： P()K根据筒体结构的承载能力和设备的操作条件以及技术经济指标，选择单层厚壁筒体。4.13 筒体内径Ri的设计根据体积公式V=h而工作要求V = 1L=110mm根据结构需要以及为使整体美观,选取筒体内径Ri=41mm4.14 筒体长度L的设计由h=可得L=189.5mm可知钻井液在筒体中所占的长度为189.5mm，又考虑到活塞，螺母等在筒体中所占的空间，在设计中取筒体高度L=600mm。4.15 厚度的设计根据我国钢制石油化工压力容器的设计规定，为计算简便，内压厚壁圆筒壁厚的计算仍采用薄壁圆筒的中径公式。由机械设计手册（GB12275），对1Cr18Ni9Ti,可查得：b=550MPa; s=196MPa;其中， b为为常温时材料的抗拉强度； s为钢材的屈服点；根据设计压力和液柱静压力确定计算压力液柱静压力P=gh假设液体密度=1000kg/m3P=gh=10009.88210-310-6=0.0008Mpa小于设计压力的5% 忽略不计园筒应力分析如图：筒体设计 弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。对于韧性材料，在单向拉伸应力作用下，屈服失效判据的数学表达式为=S （4-1）式中S-材料的屈服点，MPa.许用应力t代替（4-1）中的材料屈服点，得到相应的设计准则t （4-2）由于历史的原因，压力容器设计中，常用最大拉应力1来代替（4-2）中的应力，建立设计准则，即1t （4-3）压力容器材料的韧性较好，对于承受内压的薄壁圆筒，经向和周向薄膜应力为式中-计算厚度，mm;D-圆筒中面直径，mm;显然，1= ，由式（4-3）得1=t 用D=i 、 =i （D i系圆筒内直径0带入上式，经化简得t （4-4）取等号得径比K为K= （4-5）圆筒厚度计算式为 （4-6）称为中径公式在该实验仪筒体的厚度设计中，我们选择中径公式 =14.82mm由机械设计手册查得：单层厚壁筒体在内压作用下，圆筒壁内所产生的应力很大，并且应力的分布沿着器壁的厚度方向是极不均匀的，内壁应力很大，外壁应力就降低很快，应力变得很低。所以在较高压力作用下，筒内壁受有很高的应力，以至有可能发生屈服或者塑性流动，而外壁应力仍然很低。厚壁圆筒在非弹性范围内工作，会使容器的寿命大大受到影响，更容易发生疲劳破坏。为了保证筒体在弹性范围内工作，可以用高强度的材料来制造筒体，但是随着材料强度的提高，其塑性、韧性就下降，反而显得不甚安全。而且整个筒体都采用高强度钢制造就不经济。为了提高单层厚壁圆筒的承载能力，在筒体的外径与内径之比K在3以内，常常用增加筒体的壁厚的办法。螺纹强度校核根据以上理论，为保证筒体安全，在设计中取厚度=25mm。4.16 筒体的强度校核厚壁圆筒在几何上对称于轴线，所受载荷和约束情况，一般也对称于轴线。针对单层厚壁筒体，最大剪应力理论即第三强度理论，只考虑了周向应力与径向应力，而未考虑轴向应力对强度的影响，尽管有些偏差，但经加压试验证实：无论在理论上或在实验上，最大剪应力理论都比其他理论合理，且设计所得数据偏于保守安全。因此，采用第三强度理论进行校核。这里略去轴向应力效应，径向应力与周向应力形成一个二维系统。最大正应力发生在垂直于轴的截面上，而最大剪应力发生在与轴成45的截面上，其值为最大主应力与最小主应力之差的一半，等于最大正应力之半，即：= 2=所谓相当应力值，即在复杂应力下的二倍剪应力，相当于材料受拉伸时的应力，=2。当剪应力达到最大值时，相当应力即达到屈服时应力。内壁表面剪应力，r=Ri时有最大值。只承受内压相当于应力值代入设计的数据，K=1.61 由化工设备手册查得，在150时1Cr18Ni9Ti的许用应力是：=137。 于是可得出：=137 满足强度要求5 容器塞盖的设计5.1 容器塞盖的结构设计所设计的顶盖是由下面的沟槽和上面的立柱组成。中心轴处开直径为4mm的孔，与上端的阀门管道连接。从经济、美观方面考虑，设计立柱直径24.5mm。塞盖通过密封槽上的密封圈与筒体密封连接，并通过螺母压紧。塞盖与螺母通过卡簧连接。 在顶盖的上部安装卡簧和一个M121的螺孔。顶盖的设计图如下：容器塞盖的设计5.2塞盖的密封设计在设计中用“O型圈”来实现密封，“O型圈”密封具有优良的密封性能，特别实用于高压密封，不仅可用作小直径密封元件，而且也可用作大直径元件。因为筒体内盛装的是钻井液，具有一定的腐蚀性，根据美国Parker公司的精密O型圈手册材料推荐表选用精密O形圈的材料为丁晴橡胶。丁晴橡胶具有耐热、耐磨和耐老比的特点；它有良好的耐水性、气密性及优良的粘结性能。密封是由“O型圈”和金属沟槽组成。此处的密封圈只需有好的密封配合，因此选择液静密封型的O型圈。标准“O型圈”尺寸图如下：根据容器塞盖密封槽的尺寸b=7.2mm，选择密封圈断面直径=5.33mm,所以选择密封圈直径为=75.57mm,密封圈型号为2337。6 螺母设计6.1螺母设计容器塞盖与筒体之间的密封要靠螺母来压紧。根据筒体和塞盖的尺寸设计螺母的结构和尺寸如下： 螺母设计6.2螺纹联结设计筒体和容器顶盖为螺纹联结的形式，加上O型圈的密封，使容器能满足密封性能，并能拆卸方便，运用广泛。从加工工艺考虑，对于筒体内螺纹的直径，在满足条件的情况下，我们取公称直径为85mm.查机械设计手册（第二版上册）,对一些一般螺纹的分类、特点及应用见下表分析：由于设计的试验仪筒体部分需承受较高的内压，需要连接强度高，自锁性好，根据上表，我们将螺纹设计为梯形螺纹。绝大多数螺纹连接在装配时必须拧紧，使连接在承受工作载荷之前预先受到一个力的作用，以增强联结的可靠性和紧密性，以防止受载后被联结件出现缝隙或者发生相对滑移，特别是像汽缸类别等。筒体的内径为82mm，因为要安装密封圈，所选螺纹直径应大于密封圈直径，便于安装密封圈。由冶金工业出版社机械零件设计手册标准梯形螺纹表可查得：选T955 型螺距外径内径中径tdd1d25mm95 mm89 mm92.5mm泵的选择6.3螺纹强度校核螺母螺纹牙的强度计算：螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。由机械设计 第 五章（ 5-50） 得：螺纹牙危险截面 b = b 式中：b-螺纹牙根部厚度，单位mm,对于梯形螺纹b=0.65p,(p为螺距)；l-弯曲力臂，l=单位mm； -螺母材料的许用切应力，单位MPa； b - 螺母材料的许用弯曲应力，单位MPa。经查表知：所选材料1Cr18Ni9Ti =0.6 =0.621=12.6 MPa b =1.121=23.1 MPa=7.8 MPa7.8MP12.6 MPa 活塞设计b =17.9 MPa17.9 MPa23.1 MPa满足强度校核所以选螺纹型号合适7活塞设计7.1活塞结构设计活塞在筒体内部移动，通过活塞来回移动从而压缩筒体内泡沫泥浆，改变钻井液压力，此须活塞必须与筒体紧密联结，其加工要求也高。为增加内部液体体积，在活塞两头中间挖直径50mm深8mm 的孔。并在上孔中间设计M12，深10mm 的标准螺纹孔，以便取出活塞。根据筒体内径为82mm，设计活塞结构和尺寸如下图： 7.2活塞的密封设计在全自动泡沫流体PVT实验仪工作过程中，活塞起了相当大的作用。因此，活塞除了尺寸加工精度高之外，还必须与筒体有好的密封效果，这样才能达到完善的改变钻井液压力的目的。此处的O型圈作为活塞和筒体的联结部分，不仅要保证密封效果，还要能使活塞在容体内移动，因此选择液动密封型的O型圈。根据活塞密封槽的尺寸b=4.8mm,选择密封圈断面直径=3.53mm，所以,所以选择密封圈直径为=75.79mm,密封圈型号为2234。8支架柜的设计实验仪支架柜，选用不锈钢折边而成，设计成如下框架：固定筒体的部分垫一个铁皮，加厚以增加强度。9柱塞泵的选择选择海安华达石油仪器有限公司生产的容积为300ml,承载压力为60MPa的单扛毕业设计总结全自动柱塞泵。10毕业设计总结截止到六月上旬，关于全自动泡沫流体PVT实验仪的设计已经完成。通过计算及校核结果，可以得出主体设计可以满足工作要求的结论。由于时间有限，辅助零部件的设计、产品根据外部要求的改进、产品试制和改进等后继设计工作都没有在本次毕业设计中体现。但这次设计涉及原理、理论设计，强度分析三大方面，通过对本次系统的设计，我在进一步巩固四年来所学理论的基础上，扩大了视野，增加了知识面，初步掌握了产品设计的思路和方法，对实际工程设计的一般步骤、工艺要求、标准规范等都有了进一步的认识和了解。在本次毕业设计中，我的课题是全自动泡沫流体PVT实验仪的设计。设计过程中不仅要清楚仪器的结构，了解它的原理和功能，同时要了解到国内外相关知识的发展现状。通过这次毕业设计，我对设计的一些最基本的步骤和过程有了一个很好的了解，掌握了一些最基本的技巧和方法，还学会如何利用手册去查自己想要设计的东西，这对我今后的工作是一次极好的实习。在设计过程中，我用到了很多以前学过的东西，将以前分门别类学到的课程结合到一起使用，促使我对四年学习的知识进行了一次较为系统的整理和复习，同时对以前所学的理论知识有了进一步的了解。这次设计中，我不断遇到一些问题，经常到图书馆查资料，遇到较大困难时，主动请教老师并从中增强了与人合作的能力，学会了解决实际问题的方法。毕业设计作为大学本科学习的最后一门课程，同时也是对这