双螺杆泵井下油水分离杆柱力学分析及结构优化

发布时间：2017-07-17 09:17

  本文关键词：双螺杆泵井下油水分离杆柱力学分析及结构优化

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【摘要】：井下油水分离技术是提高高含水期油田经济采收率的有效手段,其主旨是将油田采出液在井下进行油水预分离,将富油流举升至地面,含油污水直接回注相应地层,大幅降低举升能耗和污水处理成本,延长油田经济开采周期,最终提高油田经济采收率。双螺杆泵井下油水分离杆柱系统是井下油水分离技术的工艺系统,主要承担扭矩传递、油水分离、高含油采出液举升和分离污水回注等作用。该杆柱系统的实用性和可靠性是保证井下油水分离技术得以顺利实施的前提,因此,对井下油水分离杆柱进行全面的力学分析和结构优化设计具有重要意义。本文根据双螺杆泵井下油水分离杆柱系统的工作原理和运动特点,进行运动学和力学分析,提出该杆柱系统完整的力学模型。利用有限元梁单元理论,建立杆柱系统的静力学平衡方程,求解杆柱的整体运动方程、固有振型的数学模型。由于杆柱与油管壁碰撞产生振动,对杆柱进行谐响应分析,获得反映井下油水分离杆柱在不同频率下响应值随频率变化规律的频响函数矩阵,并推导杆柱在启动阶段和工作阶段的瞬态运动控制方程。以理论分析为依据,针对双螺杆泵井下油水分离杆柱进行有限元模拟分析,求解稳态条件下的整体变形情况、应力分布情况和固有频率,找到引起杆柱共振的对应转速,分析变形发生位置和最大位移。井下油水分离管柱在工作时的两个主要振动激励来自螺杆泵的偏心载荷和柔性杆与油管直接的碰撞载荷,求解动态条件下的杆柱运动、变形和应力分布情况,找到现有井下油水分离系统所存在的设计缺陷,提出改进方案,并对优化后的结构安全系数重新计算,与改进前的设计结构进行数据比对。本文对双螺杆泵井下油水分离杆柱进行整体力学理论分析和数值模拟,并对杆柱中的薄弱环节进行优化设计,论文的研究思路和方法可为同类型杆柱的研究提供理论指导。同时通过本论文的研究,可避免整套井下油水分离杆柱的安全隐患,提升运行的安全性与可靠性。
【关键词】：井下油水分离 力学分析 双螺杆泵 有限元分析 结构优化
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE933.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 创新点摘要6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9
• 1.2 井下油水分离系统研究现状9-12
• 1.3 螺杆泵抽油杆柱力学分析研究现状12-14
• 1.4 本文研究的主要内容14-16
• 第二章 井下油水分离系统组成及工作原理16-21
• 2.1 井下油水分离系统组成及工作原理16-19
• 2.2 双螺杆泵井下油水分离系统的组成及工作原理19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第三章 井下油水分离杆柱的运动和力学分析21-41
• 3.1 井下油水分离杆柱的运动分析21-22
• 3.2 井下油水分离杆柱力学模型22-29
• 3.2.1 井下油水分离杆柱的载荷分析22-28
• 3.2.2 井下油水分离杆柱力学模型28-29
• 3.3 杆柱静力学分析29-34
• 3.3.1 坐标系和单元位移30-31
• 3.3.2 梁单元几何方程和物理方程31-32
• 3.3.3 梁单元的平衡方程32-33
• 3.3.4 梁单元刚度矩阵33-34
• 3.4 油水分离杆柱动力学分析34-40
• 3.4.1 井下油水分离杆柱模态分析35-37
• 3.4.2 井下油水分离杆柱谐响应分析37-38
• 3.4.3 井下油水分离杆柱瞬态动力学分析38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 井下油水分离杆柱有限元分析41-63
• 4.1 结构分析和几何模型的建立41-44
• 4.1.1 结构分析和几何模型的建立41-43
• 4.1.2 有限元分析模型43-44
• 4.2 井下油水分离杆柱静力学有限元模拟分析44-46
• 4.2.1 整体杆柱静力学求解设置45
• 4.2.2 静力学模拟结果分析45-46
• 4.3 井下油水分离杆柱动力学有限元模拟分析46-52
• 4.3.1 整体杆柱模态分析47-48
• 4.3.2 整体杆柱谐响应分析48-49
• 4.3.3 整体杆柱瞬态动力学分析49-52
• 4.4 井下油水分离杆柱关键部件有限元分析52-57
• 4.4.1 分离体有限元分析52-55
• 4.4.2 上、下键式脱接器有限元分析55-57
• 4.5 井下油水分离杆柱优化设计及有限元分析57-61
• 4.5.1 分离体上连接部分优化设计57-59
• 4.5.2 分离体下端连接部分优化设计59-61
• 4.6 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-68
• 发表文章目录68-69
• 致谢69-70

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本文编号：552919