直线驱动式螺杆泵的结构设计及系统的动力学分析

论文摘要

随着我国各大油田开发的不断发展,油田的开发难度不断增加,其中有的油井出现了高含砂量、高油气比的稠油,有的则陆续步入水驱油藏开采后期的高含水期甚至特高含水期,这时若继续使用原来的“三抽”机械采油设备,则会出现工作效率低下,采油效果不理想。在这种情况下使用螺杆泵采油系统是理想的开采方式。但是采用现有任何一种驱动形式的螺杆泵来开采,都会造成原来广泛使用的“三抽”采油设备报废。针对这种情况本文提出了直线驱动式螺杆泵采油系统,这种直线驱动式螺杆泵使用原抽油机和抽油杆作为动力驱动装置,它不仅具有螺杆泵适应于高粘度、高含砂量、高油气比的原油开采外,还具有有杆柱塞泵采油的适应性强、工作可靠、工作寿命长、适合于深井开采的特点。本文首先简单介绍了机械采油的基本原理,接着提出了直线驱动式螺杆泵采油系统,并介绍了其工作原理,对其中的动力转换装置—直旋机构作了详细的运动分析,并设计了一种直线驱动式往复旋转螺杆泵,用Solidworks三维软件进行了零部件的造型、产品装配、模拟运动仿真和干涉检查。其次分别对上下冲程过程中直旋机构中的滚珠花键副和滚珠丝杠副作了受力分析,建立了它们的动力学模型;对螺杆泵的转子作了详细的运动学和动力学分析,也建立了它的动力学模型;同时还建立了常规游梁式抽油机的数学模型。接着详细分析了抽油杆柱的受力情况,建立了它的一维纵向振动力学模型;在考虑抽油杆柱和液柱耦合的情况下,建立了它们的动力学方程(二维模型);在考虑抽油杆柱油管柱和液柱耦合的情况下,建立了它们的动力学模型(三维模型),并在每个动力学方程中给出了它们的初始条件和边界条件;此外还详细分析了抽油杆柱的扭转成因,建立了它的扭转振动方程,也给出了方程的初始条件和边界条件,从而丰富了抽油杆柱的理论知识。最后在不考虑抽油杆柱弹性变形的情况下,使用定转差率的电动机驱动抽油机,对直线驱动式往复旋转螺杆泵采油系统进行了仿真,并用Matlab软件绘出了仿真曲线,对仿真结果进行了分析,得到了螺杆泵的瞬时转速波动较大,但驱动力矩的变化幅值相对较小的结论,表明本文中提出的直线驱动式螺杆泵具有较好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究的目标和主要内容
• 1.3.1 本文研究的目标
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 第二章 机械采油的基本原理及直旋螺杆泵的结构设计
• 2.1 柱塞泵采油、螺杆泵采油的基本原理
• 2.1.1 柱塞泵采油的基本原理
• 2.1.2 螺杆泵采油的基本原理
• 2.2 直线驱动式往复旋转螺杆泵的工作原理
• 2.2.1 直旋机构的动力转换分析
• 2.2.2 直线驱动式往复旋转螺杆泵的工作原理
• 2.3 直线驱动式往复旋转螺杆泵的结构设计
• 2.3.1 螺杆泵泵体的结构设计
• 2.3.2 滚动螺旋副的结构设计
• 2.3.3 滚动花键副的结构设计
• 2.4 直线驱动式往复旋转螺杆泵的装配体
• 第三章 直线驱动式往复旋转螺杆泵的动力学分析
• 3.1 直旋机构的动力学分析
• 3.1.1 滚动花键副的动力学模型
• 3.1.2 滚动螺旋副的动力学模型
• 3.2 螺杆泵的运动学及动力学分析
• 3.2.1 螺杆泵的运动学分析
• 3.2.2 螺杆泵的动力学分析
• 3.2.3 螺杆泵泵体的动力学模型
• 第四章 抽油杆柱的动力学模型
• 4.1 抽油杆柱的纵向振动力学模型
• 4.1.1 抽油杆柱的一维纵向振动模型
• 4.1.2 抽油杆柱液柱耦合的振动力学模型
• 4.1.3 抽油杆油管液柱耦合的振动力学模型
• 4.2 抽油杆柱的扭转力学模型
• 4.2.1 抽油杆柱的扭转振动分析
• 4.2.2 抽油杆柱的扭转模型
• 4.2.3 抽油杆柱扭转振动模型的边界及初始条件
• 第五章 直线驱动式螺杆泵采油系统的仿真分析
• 5.1 抽油机的数学模型
• 5.1.1 悬点的运动位移
• 5.1.2 悬点的运动速度
• 5.1.3 悬点的运动加速度
• 5.2 直旋螺杆泵采油系统的运动仿真与分析
• 5.2.1 系统仿真参数的选择
• 5.2.2 直线驱动式螺杆泵采油系统的运动仿真与结果分析
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文及申报专利情况