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新型压裂、酸化泵机理研究及结构设计

周和平  
【摘要】:随着压裂技术在高渗层防砂压裂、复合压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面取得突破,使得压裂设备的主机压裂、酸化泵的功能有了较大的扩展和改变,压裂工艺的迅速发展对压裂设备的性能提出了更高的要求。由于各种原因,国产压裂泵的设计和生产技术发展较慢,使得国产压裂泵因品种规格少,部分零部件可靠性不高、使用功能单一而不能满足现场生产需要,并成为制约压裂设备发展的主要因素。因此,研究压力高、排量大,工作可靠,多用途、输送介质多样化,高质量、高技术含量,能满足现代钻采工艺的新一代压裂、酸化泵,具有非常重要的现实意义和社会经济效益。针对目前国内压裂、酸化泵设计和生产中存在的突出问题,本文在往复泵已有研究成果的基础上,开展了压裂、酸化泵的基础研究,重点是泵的基础理论、工作机理、材料选用、结构设计等方面的工作。在此基础上,结合现代设计、分析软件,完成了泵的结构设计和关键零部件的力学分析。通过建立系统动力学模型,运用计算机仿真技术对新型压裂、酸化泵的工作行为进行了仿真计算。利用神经网络技术对所设计的泵进行了结构优化,为我国研制新型压裂、酸化泵提供了新的理论依据和方法。本论文的研究工作是中原油田特种车辆厂与西南石油学院合作的科研课题“新型压裂、酸化泵机理研究与结构设计”的主要内容。本论文主要开展了以下几方面的研究工作。 (1) 通过广泛查阅、检索国内外文献资料,深入调研、分析了现有压裂泵的性能和使用情况,全面系统地了解、掌握和分析了国内外压裂、酸化泵的技术发展动态和水平,找到了国内压裂、酸化泵存在的主要问题和发展方向。 (2) 通过开展压裂、酸化泵工作机理研究,对压裂泵的工作特性、运动规律和受力状况有了较为全面和系统的认识,为泵的结构设计提供了理论依据,对提高压裂泵的设计水平具有非常重要的意义。 (3) 通过对国内外先进压裂、酸化泵结构和性能进行比较和多个设计方案对比论证,根据现场生产需要提出了技术可行、结构先进的新型压裂、酸化泵设计方案和技术参数。 (4) 利用PRO/E,ANSYS等现代设计软件,采用计算机辅助设计(CAD)和有限元分析相结合的方法,设计出了新型压裂、酸化泵的零件和整体结构。在建立新型压裂、酸化泵实体模型的基础上,利用现代设计分析软件对主要零部件进行了有限元计算,并对其结构进行了优化设计。 (5) 通过对低温材料的研究,设计出了能输送液体CO_2及液氮等低温液体的液力端,完成了低温材料加工工艺研究和设计,完善了低温液力端零件的设计图纸,实现了新型压裂、酸化、低温泵输送低温介质和常温介质一体化的要求。 (6) 建立了新型压裂、酸化泵液力端流体模型和动力端动力学模型。在此基础上,从系统的观点出发建立了新型压裂、酸化泵的系统动力学模型。利用仿真技术,研究了在压裂泵运行过程中,液缸内压力变化、泵阀升程、柱塞、连杆在冲击载荷下的应力变化、曲轴力矩变化以及角速度的变化等规律,为下一步的结构优化打下了基础。 摘要 (7)在仿真的基础上,采用神经网络技术,建立了新型压裂、酸化泵基本结构参数的神经网 络优化模型,利用此模型实现了新型压裂、酸化泵的结构优化。 总之,通过本论文的研究工作,建立了比较完善的新型压裂、酸化泵设计理论和方法.将传统 设计方法与计算机技术、软件技术相结合开展了新型压裂、酸化泵的开发和研究,大大提高了泵的 设计效率,缩短了压裂、酸化泵的研发周期。同时,开发了具有自主知识产权的新型压裂、酸化泵 产品,将压裂、酸化泵研究水平向前推进了一步。因此,本论文的研究工作不仅具有较高的理论水 平,而且具有重要的应用价值。 关键词:压裂、酸化泵机理研究仿真分析结构优化


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