基于三维建模的采油螺杆泵压力分布规律研究

论文摘要

采油螺杆泵以结构简单、泵效高、适用范围广等特点被国内外油田所普遍使用。目前螺杆泵的扬程有限,限制了它在深井和超深井中的应用,因此对螺杆泵压力分布规律及影响因素进行系统研究对提高螺杆泵的扬程具有重要的现实意义。目前多数是利用平面模型进行研究,存在一定误差,本文将利用三维模型对螺杆泵压力分布规律进行研究。本文研究了采油螺杆泵密封与泄漏的动态关系,表明采油螺杆泵稳定工作时,腔室之间油液的举升与泄漏窜流是一个动态平衡的状态,进而确定了定子与转子间的密封准则,即当相邻腔室之间的压差大于接触压力时螺杆泵密封;当相邻腔室之间的压差小于接触压力时发生泄漏。本文以油田生产中普遍使用的GLB120-27型中等排量采油螺杆泵为研究对象,利用SolidWorks软件与ANSYS软件建立采油螺杆泵半个导程的三维有限元模型。建模过程中,确定了定子橡胶本构关系为Mooney-Rivilin模型,并对原有参数进行了修正;利用布尔运算将定子各腔室内表面分离,并将腔室内表面与相邻腔室之间的密封带建立接触,以便正确模拟各腔室流体压力。通过有限元计算,确定了采油螺杆泵首先发生泄漏的位置,在密封带上并靠近半圆处。利用螺杆泵三维有限元模型,改变压差进行有限元计算,分析密封带上泄漏位置的接触压力与压差的关系,从而确定相邻腔室间的临界接触压力。利用该方法分别确定螺杆泵上、中、下有限几个腔室间的临界接触压力并利用MATLAB软件对临界接触压力进行多项式拟合。利用拟合结果近似得出GLB120-27型采油螺杆泵的压力分布规律,进而确定其扬程为10.77MPa。通过该型采油螺杆泵水力特性试验测得实际扬程为10.5MPa,有限元模拟结果的误差为2.26%,从而验证了模拟结果的正确性。利用上述方法研究了GLB120-27型采油螺杆泵的扬程随定子橡胶泊松比变化的变化规律,表明泊松比增加了0.0003时,扬程增加300多米。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 采油螺杆泵的研究背景
• 1.1.1 采油螺杆泵的发展概述
• 1.1.2 国内外相关领域的研究现状及发展趋势
• 1.2 螺杆泵采油系统的结构
• 1.3 螺杆泵采油系统的特点
• 1.4 论文的研究内容、方法及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 研究意义
• 1.5 本章小结
• 第二章 采油螺杆泵压力传递规律研究
• 2.1 采油螺杆泵的工作原理
• 2.1.1 采油螺杆泵转子（螺杆）结构
• 2.1.2 采油螺杆泵定子结构
• 2.1.3 采油螺杆泵螺杆-衬套副工作原理
• 2.2 采油螺杆泵在理想状态下压力的产生及传递规律
• 2.3 定子橡胶的变形
• 2.4 采油螺杆泵螺杆-衬套副的密封准则
• 2.5 采油螺杆泵在实际工况下压力的产生及传递规律
• 2.6 本章小结
• 第三章 采油螺杆泵三维有限元模型的建立
• 3.1 采油螺杆泵实体模型的建立
• 3.1.1 SolidWorks 软件简介
• 3.1.2 GLB120-27 型采油螺杆泵三维模型的建立
• 3.2 结构非线性有限元原理
• 3.2.1 有限元法及ANSYS 软件简介
• 3.2.2 材料非线性有限元理论
• 3.2.3 几何非线性有限元理论
• 3.2.4 接触非线性有限元理论
• 3.3 定子橡胶材料模型及其常数的确定
• 3.3.1 定子橡胶材料本构关系
• 3.3.2 定子橡胶材料模型参数的确定
• 3.3.3 定子橡胶与40Cr 镀铬刚体摩擦系数的试验测定
• 3.4 有限元模型的建立
• 3.4.1 单元类型的选取
• 3.4.2 材料模型相关参数的选取
• 3.4.3 网格的划分与内腔流体压力的模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于三维模型的采油螺杆泵压力分布规律
• 4.1 泄漏位置的判定
• 4.2 采油螺杆泵压力传递规律的有限元计算
• 4.2.1 施加载荷
• 4.2.2 有限元计算结果
• 4.2.3 计算结果分析
• 4.3 GLB120-27 型采油螺杆泵压力场的建立
• 4.3.1 采油螺杆泵压力场分布规律
• 4.3.2 GLB120-27 型采油螺杆泵压力场的建立
• 4.4 模拟结果的试验校核
• 4.4.1 螺杆泵性能检测试验台简介
• 4.4.2 试验流程
• 4.4.3 试验结果及分析
• 4.5 橡胶材料泊松比对举升压力的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢
• 论文摘要