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超磁致伸缩采油换能器工作机理及应用基础研究

徐爱群  
【摘要】: 随着经济社会发展,人们生活及工农业生产对石油的需求量不断增加,而石油的开采难度逐步加大,致使原油供需矛盾日趋紧张,油价迅速上涨。人们迫切需要研究新的采油方法及采油设备,以降低开采成本,提高企业竞争力,满足市场需求。基于超磁致伸缩材料的井下声波采油换能器主要由驱动器和声辐射器组成,其产生的声波可有效地提高原油产量,受到了石油行业的重视。但低频采油换能器的研究还处于起步阶段,为此开展井下声波采油换能器的应用基础研究具有十分重要的学术意义和可观的经济价值。本学位论文在国家及浙江省自然科学基金项目支持下,开展了超磁致伸缩采油换能器工作机理及应用基础方面的研究,研究过程中采取理论与实验相结合的方法,主要研究内容如下。 第一章,阐述了本学位论文的研究背景及意义,详细介绍了声波采油技术、大功率超磁致伸缩换能器以及声波采油换能器的研究现状,提出了论文研究的主要内容。 第二章,研究分析了声波采油工作机理及声波在油层中传播规律,提出了以超磁致伸缩材料为核心驱动元件的声波采油换能器的设计要求,包括换能器的结构设计、谐振频率和临界声辐射强度确定的依据等;采用弯曲振动模态来降低声辐射器的谐振频率,以缓解换能器的低频率与小尺寸的矛盾,并可减少声波能量在油层中传播损失;讨论了如何合理确定换能器的机械品质因素和带宽的关系,以及换能器在不同介质界面处的阻抗相匹配问题,为基于超磁致伸缩材料的采油换能器的设计提供理论基础。 第三章,根据采油换能器的设计要求,设计了拟椭球壳结构的新型声辐射器;基于Hamilton原理,建立了声辐射器的振动方程及各参数的计算表达式,并进行了声辐射器谐振频率的分析及计算;提出了辐射器声源级的计算方法,并推导了声辐射器的声源级与驱动器驱动力之间的关系,为进行声辐射器的设计及辐射声强的计算提供理论依据。 第四章,进行了超磁致伸缩驱动器的总体设计,提出了确定驱动器各参数的理论依据;研究了超磁致伸缩材料的动态特性及驱动器的动力学特性,并建立了换能器的动力学方程;提出了驱动器驱动能力的衡量标准,并通过优化预压应力、磁偏置值及线圈设计等措施提高驱动器的能量传递效率。 第五章,为了能有效地减小换能器的体积并实现同位控制,提出了超磁致伸缩换能器谐振工作点自感知机理及谐振频率自动跟踪原理;分析了超磁致伸缩换能器作为双向换能器的自感知物理基础,以此建立了换能器末端的位移、速度、阻抗及所受外力的自感知模型,并利用桥路法在强驱动信号的背景下提取感知信号;研究表明:感生电压大小与运动速度、运动频率及作用力的大小成正比。 第六章,在自行研制的驱动器及声辐射器的基础上,构建了基于LabVIEW的实验平台。实验研究了激励电流频率、幅值大小对换能器动态性能的影响;实验验证了换能器谐振工作点自感知方法的可行性与正确性;探讨了声辐射器产生的声波对提高岩芯渗透率的作用效果。 第七章,对论文的主要研究工作和创新点作了总结,并对今后的研究工作方向进行了展望。


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