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《中国石油大学》 2010年
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天然气水合物钻探取样保真器结构研究

刘健  
【摘要】:为了实现海底水合物的原样取心,论文在调研了国内外不同取心保真器的基础上,结合课题组多年的研究经验,主要从取样长度,保温分析和保压研究方面入手,运用理论分析、实验和模拟研究的方法对海底天然气水合物保真器进行了结构研究。 论文将取样管贯入海底进行取样的过程模拟为球形孔扩张过程,基于球形孔扩张理论,通过对“桩效应”影响下能够取得的海底天然气水合物样品长度进行理论的研究,得到了基于球形孔扩张理论的可取样品长度的数学表达式,提出改善“桩效应”的建议 论文综合考虑各种传热方式对水合物取样过程进行了热量计算,结果表明所提出的高真空绝热结构能够满足海底取样需求,并进行了验证实验。在此基础上完成了对保真器的数值模拟,结果表明高真空杜瓦结构能够满足保温要求,但是保真器两端冷量流失比较严重,应该引起足够重视。 论文以O型圈为研究对象,利用有限元模拟软件ANSYS对O型圈的材料特性以及预紧时的压缩率进行了模拟研究,得出了不同材质O型圈在不同压缩率下的最大初始接触压力和其分布规律。并且通过对数据的处理得到了一般情况下求解初始最大接触压力的数学表达式,完善了O型圈最大接触压力理论,为保真器橡胶O型密封圈选材和设计提供了理论支持。 论文结合课题组多年研究经验提出了新型海底水合物钻探取心保真器结构。
【关键词】:天然气水合物 保真器 取样长度 O型圈 传热
【学位授予单位】:中国石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P744.4
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-10
  • 第1章 绪论10-21
  • 1.1 课题背景10
  • 1.2 天然气水合物简介10-15
  • 1.2.1 天然气水合物分布10-12
  • 1.2.2 天然气水合物成藏条件12
  • 1.2.3 天然气水合物分类12-13
  • 1.2.4 天然气水合物物理性质13-15
  • 1.3 天然气水合物取样保真设备简介15-19
  • 1.3.1 海底表层取样15-16
  • 1.3.2 钻探取心16-19
  • 1.4 课题研究内容19-21
  • 第2章 钻探取样保真器取样长度研究21-31
  • 2.1 "桩效应"机理21-23
  • 2.2 圆孔扩张理论23-27
  • 2.2.1 理论模型23
  • 2.2.2 基本假定23-24
  • 2.2.3 基本方程24
  • 2.2.4 圆孔扩张理论弹塑性解24-27
  • 2.3 取样长度公式推导27-28
  • 2.4 天然气水合物取样长度28-29
  • 2.5 减缓"桩效应"措施29
  • 2.6 小结29-31
  • 第3章 保真器保温结构研究31-47
  • 3.1 传热方式31-32
  • 3.1.1 热传导31
  • 3.1.2 热对流31-32
  • 3.1.3 热辐射32
  • 3.2 保真器绝热结构设计32-34
  • 3.2.1 保真器结构32
  • 3.2.2 被动保温类型32-34
  • 3.3 传热计算34-41
  • 3.3.1 固体导热率34-35
  • 3.3.2 稀薄气体导热35-38
  • 3.3.3 高真空绝热38-39
  • 3.3.4 保真筒热量计算39-41
  • 3.4 保真器传热实验研究41-46
  • 3.4.1 实验目的41
  • 3.4.2 实验装置41-42
  • 3.4.3 实验原理42-43
  • 3.4.4 实验内容43-44
  • 3.4.5 数据处理44-46
  • 3.4.6 实验结果分析46
  • 3.5 小结46-47
  • 第4章 保真器传热模拟研究47-51
  • 4.1 ANSYS10.0热分析流程47-48
  • 4.1.1 有限元模型的建立47-48
  • 4.1.2 温度载荷的确定48
  • 4.2 热分析结果48-50
  • 4.2.1 筒体温度分布云图48-49
  • 4.2.2 传热模拟结果分析49-50
  • 4.3 小结50-51
  • 第5章 保真器保压技术研究51-74
  • 5.1 保真器保压分析51-52
  • 5.2 O型橡胶密封圈52-54
  • 5.2.1 O型圈的密封原理52-53
  • 5.2.2 O型橡胶密封圈硬度53
  • 5.2.3 压缩量对密封效果的影响53-54
  • 5.3 橡胶材料在ANSYS程序中的参数设定54-57
  • 5.3.1 橡胶Mooney-Rivlin本构模型及材料系数定义54
  • 5.3.2 橡胶材料硬度与C_1和C_2的关系54-55
  • 5.3.3 不同硬度橡胶材料常数C_1和C_2的确定55-57
  • 5.4 保真器密封结构设计57-59
  • 5.4.1 设计形式的选定57
  • 5.4.2 活塞杆密封结构设计57-59
  • 5.5 O型圈密封机构的有限元分析59-61
  • 5.5.1 接触分类59
  • 5.5.2 ANSYS接触分析简介59
  • 5.5.3 计算中的几个假设59-60
  • 5.5.4 ANSYS接触分析步骤60-61
  • 5.6 结果分析61-72
  • 5.6.1 硬度对初始密封压力的影响61-63
  • 5.6.2 压缩率对初始密封压力的影响63-65
  • 5.6.3 O型圈内应力分布65-66
  • 5.6.4 各种工况下最大接触压力66-69
  • 5.6.5 橡胶O型圈计算选取69-72
  • 5.7 小结72-74
  • 第6章 保真器整体结构设计74-77
  • 6.1 保真器整体结构74-76
  • 6.2 保真器选材76-77
  • 结论与展望77-79
  • 1 结论77-78
  • 2 展望78-79
  • 参考文献79-82
  • 附录82-86
  • 攻读硕士学位期间取得的学术成果86-87
  • 致谢87

【参考文献】
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