井下液體自激振蕩發(fā)電裝置設(shè)計(jì)含7張CAD圖-獨(dú)家.zip
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井下液體自激振蕩發(fā)電裝置設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化事業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油這一戰(zhàn)略資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日益加深，因此石油生產(chǎn)作業(yè)也顯得愈加繁忙。而在石油開(kāi)采中，為了了解產(chǎn)量以及獲得更多的油井參數(shù)，通常需要對(duì)抽油機(jī)井進(jìn)行動(dòng)液面深度等測(cè)試。
抽油機(jī)井動(dòng)液面深度測(cè)試方法從前一般采用機(jī)械式壓力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，然而為了提高測(cè)量效率，節(jié)省起放機(jī)械式壓力計(jì)的維護(hù)成本，近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始越來(lái)越多的采用電子式壓力計(jì)。相比機(jī)械式壓力計(jì)，電子式壓力計(jì)的可靠性更強(qiáng)，使用更加方便，并且能在井下工作更長(zhǎng)的時(shí)間。
美中不足的是，電子式壓力計(jì)在井下進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，需要電池為其供電。目前主要是采用高溫電池對(duì)其供電，工作時(shí)間一般為1到6個(gè)月時(shí)間不等。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)題目旨在解決電子式壓力計(jì)不能通過(guò)電池在井下長(zhǎng)期工作的問(wèn)題，通過(guò)采用流體自激震蕩裝置，將原油流體中的動(dòng)能和壓能轉(zhuǎn)換稱(chēng)為活塞垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。其實(shí)現(xiàn)方式為：活塞上鑲嵌有永磁材料，在活塞缸外繞有線圈，當(dāng)活塞在活塞缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中的磁通發(fā)生改變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如此一來(lái)，本文中所提到的抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置便可為電子式壓力計(jì)長(zhǎng)期供電。
關(guān)鍵詞：動(dòng)液面測(cè)試；井下發(fā)電裝置；壓力及供電；井下發(fā)電設(shè)計(jì)
Abstract
Along with the vigorous development of our country's socialism modernization, the oil resources influence on the economic development of the economic development, so the oil production operation becomes more and more busy.. And in oil exploitation, in order to understand the yield and get more of the oil well parameters, usually need to pumping wells into action level depth testing.
Pumping wells dynamic liquid level depth test method before the mechanical pressure meter to measure. However, in order to improve the measurement efficiency, saving on mechanical pressure gauge maintenance costs, in recent years, the scene began to more and more adoption of electronic pressure gauge. Compared with the mechanical type pressure gauge, electronic type pressure gauge reliability is stronger, use more convenient, and can work longer in the underground time.
A fly in the ointment is, the electronic pressure gauge measurement work in the underground, need batteries to supply power for the. At present, the power supply of high temperature battery is mainly used, the working time is generally ranging from 1 to 6 months..
The subject of this graduation design is to solve the electronic pressure gauge can not through the battery in underground for a long period of time, through the use of fluid self-excited oscillation device, oil fluid kinetic energy and pressure energy conversion to the vertical movement of the piston mechanical energy. In this way: piston inlaid with a permanent magnet material, in the piston cylinder around the coil, when the piston in the piston cylinder reciprocating motion, coil in the magnetic flux change, resulting in the induction electromotive force. As a result, underground oil well pumping power generation device mentioned in this paper will be electronic pressure gauge long-term power supply.
Key Words：Moving liquid level test；Underground power plant；Pressure and power supply；Underground power generation design
目錄
1 緒論 1
1.1 選題目的 1
1.2 選題意義 1
1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
2 研究的主要內(nèi)容 3
2.1 研究計(jì)劃 3
2.2 發(fā)電裝置參數(shù)確定 3
2.3 發(fā)電裝置擬定設(shè)計(jì)方案 3
2.4 擬定采用的研究思路 3
2.5 課題的進(jìn)度安排 5
2.6 研究的預(yù)期結(jié)果 5
3 抽油泵介紹 6
3.1 概述 6
3.2 管式泵 6
3.3 桿式泵 6
3.4 套管泵 7
3.5 其它類(lèi)型抽油泵 8
3.5.1 雙作用抽油泵 8
3.5.2 防氣抽油泵 9
3.5.3 稠油抽油泵 10
3.5.4 水力保護(hù)式抽油泵 10
3.6 水力活塞泵 10
4 幾種電子井下壓力計(jì)的介紹 12
4.1 JC系列石英電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 12
4.1.1 概述 12
4.1.2 主要技術(shù)指標(biāo) 12
4.1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 13
4.2 ZPG系列電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 13
4.2.1 概述 13
4.2.2 主要技術(shù)指標(biāo) 14
4.2.3 ZPG壓力計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 14
4.3 JDYC/JDYD/JDYG型電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 15
4.3.1 概述 15
4.3.2 主要技術(shù)指標(biāo) 15
4.3.3 結(jié)構(gòu)、組成及配套 16
5 渦輪發(fā)電方案 18
5.1 概述 18
5.2 貝茨理論 18
5.2.1 概述 18
5.2.2 有效功率計(jì)算公式 18
5.3 方案計(jì)算 19
5.3.1 計(jì)算相關(guān)參數(shù) 19
5.3.2 發(fā)電量試算 19
6 流體自激震蕩發(fā)電方案 21
6.1 概述 21
6.2 自激震蕩發(fā)電裝置結(jié)構(gòu) 21
6.3 自激震蕩發(fā)電裝置原理 22
7 方案詳細(xì)設(shè)計(jì) 25
7.1 發(fā)電量試算 25
7.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
7.2.1 總體尺寸設(shè)計(jì) 25
7.2.2 上下接頭設(shè)計(jì) 26
7.2.3 流通短節(jié)連接設(shè)計(jì) 29
7.2.4 發(fā)電裝置殼體設(shè)計(jì) 30
7.2.5 發(fā)電裝置流道短節(jié)設(shè)計(jì) 31
7.2.6 自激振蕩裝置彈簧設(shè)計(jì) 40
總結(jié)與展望 43
致 謝 44
參考文獻(xiàn) 45
53
1 緒論
1.1 選題目的
在油田采油作業(yè)中，抽油機(jī)井動(dòng)液面深度測(cè)試是了解油井產(chǎn)能的主要措施，也是確定機(jī)抽參數(shù)的主要依據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)，抽油機(jī)井動(dòng)液面深度測(cè)試普遍采用聲波測(cè)試，而現(xiàn)場(chǎng)使用證明聲波測(cè)試動(dòng)液面往往導(dǎo)致較大誤差，油套環(huán)空存在氣泡時(shí)，誤差甚至可能達(dá)到上千米之多[[]陳超,劉德基,尹玉川,白彥華,呼惠娜.高氣油比油井動(dòng)液面測(cè)試解釋新方法[J].石油地質(zhì)與工程,2008,(2):104-106.
]。目前，有研究者已經(jīng)研究出井下壓力計(jì)（包括機(jī)械式壓力計(jì)和電子壓力計(jì)），但電子壓力計(jì)通常采用蓄電池進(jìn)行供電，然而由于蓄電池電量非常的有限，因此通常測(cè)試時(shí)間不足3到6個(gè)月，所以采用蓄電池供電的方案并不能滿足測(cè)試儀器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試的需要[[]劉均榮,姚軍,張凱.智能井技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].油氣地質(zhì)與采收率,2007,(6):107-110.
]。
為此，我們選擇該畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，針對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)井動(dòng)液面深度測(cè)試設(shè)備不能滿足現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期作業(yè)需求的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)和分析，設(shè)計(jì)出一種可靠的抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置，要求該裝置可長(zhǎng)時(shí)間為井下壓力計(jì)供電。
1.2 選題意義
井下壓力計(jì)是采油作業(yè)中井下測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，它在采油過(guò)程中對(duì)于油田產(chǎn)能的監(jiān)測(cè)和把握具有重要的作用[[]王哲金.國(guó)產(chǎn)電子式井下壓力計(jì)的發(fā)展[J].石油儀器,2000,(2):28-29.
]。因此為保證井下壓力計(jì)的長(zhǎng)期可靠的使用，現(xiàn)設(shè)計(jì)相應(yīng)井下發(fā)電裝置，為其供電。從而提升井下測(cè)試作業(yè)的質(zhì)量，提高檢測(cè)效率，減少取出壓力計(jì)更換電池等作業(yè)，節(jié)省采油測(cè)試作業(yè)成本。
1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在國(guó)內(nèi)外有許多井下發(fā)電裝置和技術(shù)，諸如國(guó)內(nèi)外有人研究提出的泥漿驅(qū)動(dòng)渦輪電機(jī)發(fā)電技術(shù)[[]張辛耘,王敬農(nóng),郭彥軍.隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 測(cè)井技術(shù),2006,30(1):10-14.
]以及溫差發(fā)電技術(shù)[[]嚴(yán)李強(qiáng),程江,劉茂元.淺談溫差發(fā)電[J].太陽(yáng)能,2015,(1):11-15.
]、振動(dòng)發(fā)電技術(shù)[[]楊曉光,汪友華,張波,曹瑩瑩.一種新型振動(dòng)發(fā)電裝置及其建模與實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,(1):113-115.
]等，但其多為鉆井作業(yè)及其鉆時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)檢測(cè)而設(shè)計(jì)，而針對(duì)采油測(cè)試中井下電子壓力計(jì)供電的發(fā)電裝置設(shè)計(jì)仍難以尋求，壓力計(jì)往往多采用電池供電。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電子壓力計(jì)供電多采用高溫鋰電池技術(shù)，一般使用周期為2到6個(gè)月。由此可見(jiàn)，采用電池供電的方式無(wú)法滿足井下電子壓力計(jì)長(zhǎng)期供電的需要，因而想要獲得井下測(cè)試數(shù)據(jù)，就必須定期打撈電子壓力計(jì)以更換電池。此方案不僅導(dǎo)致操作繁瑣，成本增加，而且高溫鋰電池技術(shù)多為國(guó)外電子巨頭壟斷，如需使用效率較好的高溫鋰電池為電子壓力計(jì)長(zhǎng)期供電，則需要付出更大的代價(jià)和成本。
另外，在技術(shù)上，鉆井作業(yè)中，發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的壓差也較大，換言之，在鉆井作業(yè)中由于泥漿自身特點(diǎn)，其較大的壓力可以推動(dòng)渦輪獲得較大的轉(zhuǎn)速，這一特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)鉆井作業(yè)中的發(fā)電機(jī)更易實(shí)現(xiàn)。而相比較而言，在采油作業(yè)中，一般油井的產(chǎn)量在20m3左右，相當(dāng)于家用6分水龍頭一天的流量，其壓差也遠(yuǎn)低于鉆井作業(yè)，因此為采油作業(yè)設(shè)計(jì)放電裝置，其難度可見(jiàn)一斑。
經(jīng)過(guò)大量的資料查詢證明，目前在抽油機(jī)井發(fā)電方面的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都較為缺乏，尤其是在國(guó)內(nèi)，尚沒(méi)有成熟的現(xiàn)場(chǎng)操作方案，因此本設(shè)計(jì)題目意義深遠(yuǎn)。
2 研究的主要內(nèi)容
2.1 研究計(jì)劃
對(duì)收集資料的整理并加以分析，對(duì)抽油機(jī)井下發(fā)電裝置設(shè)計(jì)需要研究的內(nèi)容如下：
1) 調(diào)查研究采油工程和采油測(cè)試技術(shù)；
2) 調(diào)查研究采油過(guò)程井下動(dòng)液面測(cè)試技術(shù)；
3) 調(diào)查研究井下電子壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理和供電參數(shù)；
4) 調(diào)查研究井下發(fā)電技術(shù)，主要研究流體（原油和天然氣）驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電技術(shù)方案及流體自激震蕩發(fā)電方案；
5) 全面設(shè)計(jì)抽油機(jī)井下發(fā)電裝置設(shè)計(jì)方案。
2.2 發(fā)電裝置參數(shù)確定
1) 供電參數(shù)
電壓：3.6V；電流：1.6Ah
2) 工作環(huán)境
井深：3000m；動(dòng)液面深度：0～2000m；溫度：60~80℃
2.3 發(fā)電裝置擬定設(shè)計(jì)方案
1） 渦輪發(fā)電
2） 流體自激震蕩發(fā)電
2.4 擬定采用的研究思路
1) 方法：通過(guò)收集、整理資料，總結(jié)國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)井下發(fā)電裝置設(shè)計(jì)資料最后經(jīng)過(guò)研究總結(jié)，確定出一種能供油、氣井使用的可靠的井下發(fā)電裝置。
2) 擬定研究方案的思路如下：
2.5 課題的進(jìn)度安排
序號(hào)
設(shè)計(jì)（論文）各階段內(nèi)容
起止日期
1
通過(guò)廣泛調(diào)研分析，掌握機(jī)抽井動(dòng)液面測(cè)試方法、井下壓力計(jì)工作原理及耗電量、發(fā)電裝置工作原理，初步確定抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置設(shè)計(jì)方案和技術(shù)參數(shù)，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告
3月2日～3月20日
2
細(xì)化抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置設(shè)計(jì)方案
～3月27日
3
抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
～4月24日
4
繪制出抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置總裝圖及部分零件圖（2.5張0號(hào)圖工作量）
～5月15日
5
完成論文編寫(xiě)，外文文獻(xiàn)翻譯，提交畢業(yè)論文全部資料
～5月31日
6
準(zhǔn)備答辯，論文審閱、評(píng)審、答辯
～6月12日
2.6 研究的預(yù)期結(jié)果
1) 設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置；
2) 提交抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置總裝圖及部分零件圖（2.5張0號(hào)圖工作量）；
3) 提交翻譯外文文獻(xiàn)（25000字符以上）；
4) 提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（1.5萬(wàn)字以上）。
3 抽油泵介紹
1
2
3
3.1 概述
在石油鉆采設(shè)備中，抽油泵是非常重要的工具之一。抽油泵一般由固定閥體、柱塞、泵筒、游動(dòng)滑閥組成。抽油泵具有許多形式，通常情況之下使用基本型號(hào)的抽油泵；其它情況應(yīng)采用特殊型號(hào)的抽油泵，如當(dāng)油井含氣、砂抑或是定向井、水平井、稠油井之時(shí)。在設(shè)計(jì)和選擇拍油泵的泵筒、泵閥與柱塞之時(shí)，針對(duì)不同井況其要求不同，因而其結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。
常見(jiàn)的抽油泵主要有以下三種：桿式泵(又名插入式泵)、套管泵(又名大尺寸插入式泵) 、 管式泵(又名油管泵)[[]李繼志,陳榮振.石油鉆采設(shè)備及工藝概論[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社, 1992.05.496-542.
]。以上各種抽油泵的工作筒安裝方式并不相同，管式泵一般將工作筒設(shè)計(jì)在油管的底部，跟油管作為一個(gè)整體的下到井中。而插入式泵確實(shí)將井下泵裝置和工作筒作為一個(gè)整體，使用抽油桿柱下到油井的油管或套管內(nèi)。
3.2 管式泵
管式泵通常直接將泵筒和油管相連，并且一般與油管具內(nèi)徑幾乎相等。如此一來(lái)，管式泵便可以通過(guò)較大直徑的柱塞和工作筒，來(lái)獲取相對(duì)而言更多的產(chǎn)液量。工程上一般將管式泵的柱塞和游動(dòng)閥安裝在一起，在拆解時(shí)將會(huì)通過(guò)抽油桿將其取出。固定閥一般有活動(dòng)式固定閥和固定式固定閥兩種。固定式的固定閥一般安裝在油管的最底部，正是由于這種安裝方式，當(dāng)需要檢修時(shí)，便必須把油管柱全部從井中取出，因而這種閥可以做得比較大，如此一來(lái)，當(dāng)其在高粘度和低液面的油井中使用時(shí)，效果便可見(jiàn)一斑。當(dāng)固定閥是活動(dòng)式時(shí)，為了安裝方便，既可以把它裝在工作筒上之后再下入井中，又可以先將其下入工作筒，隨后再?gòu)牡孛嫱断?，并且在投下之后使用柱塞推?dòng)其就位，采用摩擦錐等方式將其固定。待到需要檢查維護(hù)時(shí)，便可用閥打撈器（一般連接在柱塞底部位置）將其拔出，如此一來(lái)，在檢修工作筒時(shí)仍然必須將油管柱全部提出。由此可見(jiàn)，管式泵具有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)便是檢修作業(yè)十分困難。
3.3 桿式泵
桿式泵包括有內(nèi)工作筒和外工作筒。內(nèi)工作筒一般和固定閥、游動(dòng)閥及柱塞構(gòu)成一體，其經(jīng)抽油桿直接便放到外工作筒中，最后安裝在在錐體座上面，通過(guò)鎖緊彈簧等將其卡住之后，與外工作筒形成一個(gè)整體。而外工作筒是通過(guò)鎖緊卡簧來(lái)進(jìn)行鎖緊并且配有錐體座等，這些組件與油管下部相連，在放置時(shí)與油管一起先下放入井中。通常與其它泵相比較，桿式泵具有如下優(yōu)點(diǎn)：如果想要提起內(nèi)工作筒及在里面的的柱塞和兩種閥體時(shí)，只需要提起抽油桿，這樣以來(lái)，便使得檢修作業(yè)十分便。因?yàn)閮?nèi)泵筒是要經(jīng)過(guò)油管才能下入井中，所以相對(duì)于管式泵而言其直徑小，因此產(chǎn)量也小。一般而言桿式泵又可以分為動(dòng)筒桿式泵和定筒桿式泵兩種。
1) 定筒桿式泵
定筒桿式泵的特點(diǎn)是工作筒固定，且柱塞在泵內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其抽油桿有柱塞與其相連，帶動(dòng)著柱塞在工作筒中做著往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)工作筒既可以頂部固定，又可以在外工作筒之中固定。
2) 動(dòng)筒桿式泵
動(dòng)筒桿式泵的特點(diǎn)是柱塞與固定閥作為一個(gè)整體一起固定在油管下端的錐座上，同時(shí)抽油桿與內(nèi)工作筒緊密相連，并在同定柱塞上做著往復(fù)運(yùn)動(dòng)。固定柱塞的頂部有動(dòng)筒桿式泵的固定閥，游動(dòng)泵筒的頂部則是游動(dòng)閥。這種類(lèi)型的泵的具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于泵筒往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此使得它外圍環(huán)形空間的液體產(chǎn)生一種漩渦運(yùn)動(dòng)，這種漩渦運(yùn)動(dòng)可以有效阻止泵周?chē)纳俺练e下來(lái)，如此一來(lái)，泵就不會(huì)卡在砂中；并且當(dāng)抽油裝置需要間歇停抽時(shí)，泵筒頂部的游動(dòng)閥將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，這種機(jī)制可以有效的防止進(jìn)到泵內(nèi)的砂堆積在柱塞的頂部和周?chē)５@種結(jié)構(gòu)也有一些明顯的缺點(diǎn)：由于這種結(jié)構(gòu)將可能會(huì)加劇油管與泵筒的磨損，因此這種泵便不宜在偏斜的井眼里工作；固定閥尺寸較小。一般而言，為了提高泵的效率定筒桿式泵應(yīng)該使用盡可能大的固定閥，如此一來(lái)，氣體被分離出來(lái)了，油中氣體含量也減少了。如果在靠近井底的位置安放，還可以使得井中液體進(jìn)入固定閥的壓力降減小，總的來(lái)說(shuō)，桿式泵要比管式泵優(yōu)秀得多，尤其是如今油井逐漸向深層發(fā)展，泵掛深度也是越來(lái)越大，相比費(fèi)時(shí)、費(fèi)工的管式泵，如果使用用桿式泵，檢泵工作量將會(huì)減少幾乎一半；要是采用上、下沖程都可以排液的桿式泵，其排液量更是可以達(dá)到甚至超過(guò)管式泵。另外，管式泵的防氣、防砂能力也不如桿式泵。不過(guò)，也正是由于上述桿式泵的特點(diǎn)，使得其不易加工，并且造價(jià)高昂，為了保證桿式泵的順利通過(guò)，對(duì)內(nèi)徑尺寸及油管壁厚的均勻程度的一致性要求也是相當(dāng)之高。
3.4 套管泵
套管泵一般是指用套管代替油管出油所用的抽油泵，它實(shí)際上也是一種桿式泵，只不過(guò)其外型相比其它桿式泵而言較大，其安裝及操作方式和一般桿式泵并無(wú)區(qū)別。套管泵下入井中，也需要使用抽油桿。套管泵大多裝有封隔器，一般在泵筒的底部或頂部，其目的是便于在泵筒和套管間建立液體密封。套管泵的特點(diǎn)是：排量大；適用范圍：淺井抽油泵（尤其適用于高產(chǎn)井）。
套管泵的故障大多是因?yàn)橹捅瞄y的損壞。一般柱塞都是用金屬制造，形狀多種多樣；抽油泵閥的結(jié)構(gòu)也有許多。
3.5 其它類(lèi)型抽油泵
除了以上提到的三種常見(jiàn)抽油泵之外，根據(jù)不同的工作情況，還制造出了多種變型泵，主要有以下幾種。
3.5.1 雙作用抽油泵
1) 概述
研制柱塞上、下行程都可向地面排液的雙作用抽油泵，其目的是為了改善桿式抽油泵產(chǎn)液量較小的問(wèn)題。
2) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
雙作用抽油泵擁有上、下兩個(gè)柱塞，經(jīng)連通管連接，形成“工”字柱塞總成。連通管在一個(gè)密封件中運(yùn)動(dòng)，因此在這個(gè)密封件中產(chǎn)生了兩個(gè)密封腔室。上密封腔室與連通管內(nèi)腔相通，其組成包括上柱塞和密封元件；下密封腔室與泵筒和油管之間的環(huán)形空間相通，其組成包括下柱塞和密封元件。隨著“工”字形柱塞總成的上、下位移，兩個(gè)液體腔室的長(zhǎng)度也發(fā)生相應(yīng)改變。當(dāng)柱塞上行時(shí)，由于液柱重力作用使得游動(dòng)閥關(guān)閉，而此時(shí)固定閥開(kāi)啟，流體開(kāi)始流入泵筒，并通過(guò)下柱塞和連通管繼續(xù)上升，最后經(jīng)連通管上的油口進(jìn)入上腔室，于是抽油泵便開(kāi)始吸液。在這個(gè)時(shí)候，下密封腔室中的井液被迫通過(guò)泵筒上的油口流入泵筒和油管之間的環(huán)形空間，此時(shí)抽油泵便向油管排液。隨著柱塞逐漸向上提，井液便升到了地面。當(dāng)柱塞下行，此時(shí)固定閥關(guān)閉，下柱塞的下部空間和上腔室內(nèi)的液體通通被擠到連通管中，并推開(kāi)游動(dòng)閥從而進(jìn)人油管。這樣伴隨著下腔室逐漸增大，壓力便隨之降低，油管和泵筒環(huán)形空間中便又有一部分井液返回到泵中。事實(shí)上，泵對(duì)油管里排出的流體就與下密封腔室內(nèi)變化的體積相同，在柱塞向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，泵對(duì)油管中排出的流體只和下柱塞下部腔室的體積變化相等，因此我們可以看作下腔室吸人了上腔室內(nèi)排入油管中的液體，柱塞的下行程并無(wú)吸人量，其在上、下行程的時(shí)候從抽油泵中排出的液體，總的來(lái)看都是從上行程中一次性吸人的。
3) 優(yōu)點(diǎn)
因?yàn)樵黾恿艘粋€(gè)上腔室參與吸入，所以在一個(gè)沖程中泵的吸人排出量均有明顯增加，從而使得產(chǎn)液量和管式泵的水平幾乎相當(dāng)。
4) 缺點(diǎn)
雙作用式抽油泵的下行阻力較大，且抽油桿容易彎曲，如此一來(lái)，便有可能造成抽油桿脫扣甚至斷裂。
1
2
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.5.1
3.5.2 防氣抽油泵
1) 概述
在一些油井里，其液體中含有許多的溶解氣體，這一情況將很大程度上影響到抽油泵的效率，嚴(yán)重時(shí)將直接導(dǎo)致抽油泵無(wú)法正常工作。之所以出現(xiàn)這種情況，是抽油泵中存在“防沖距”，所謂“防沖距”是指在抽油泵里固定閥和游動(dòng)閥之間必許保持一段距離，而這段距離形成的空間我們就將其稱(chēng)為“余隙容積”，在其中充滿著油氣混合物。當(dāng)柱塞下行的時(shí)候，由于泵筒內(nèi)壓力上升，使得余隙容積中的氣體被壓縮，同時(shí)溶解到油液里，但柱塞上行的時(shí)候，泵簡(jiǎn)里壓力便迅速的下降了，因此，流體中溶解的氣體開(kāi)始分離、膨脹，這樣一來(lái)便會(huì)占用更多的空間。當(dāng)含氣量不多時(shí)，氣體膨脹后所占據(jù)空間相對(duì)比較小，如此一來(lái)，自然對(duì)泵的工作效率影響不大。不過(guò)在含氣量相對(duì)較多時(shí)，膨脹的氣體將充斥著柱塞在泵筒中運(yùn)動(dòng)的空間，并且它的壓力仍然不會(huì)小于套管內(nèi)的沉沒(méi)壓力，這樣就會(huì)使得固定閥打不開(kāi)，自然也就影響到抽油泵的吸入。與此同時(shí)，柱塞只是在壓縮和氣體，因此抽油泵并沒(méi)有，這種現(xiàn)象就叫作“氣鎖”。
為了防止“氣鎖”，也為了提高泵效，特設(shè)計(jì)出了適合含氣原油開(kāi)采的抽油泵，這便是防氣抽油泵。防氣抽油泵為了消除“氣鎖”，往往在常規(guī)抽油泵額上端會(huì)加裝一個(gè)承載閥。
2) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
在柱塞上沖程的過(guò)程中，游動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，固定閥和承載閥處于打開(kāi)狀態(tài)，液體從抽油泵游動(dòng)閥下面的泵筒下腔中吸人，油氣則從上腔通過(guò)承載閥進(jìn)入到油管中。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程均充滿著液體，因此在上沖程時(shí)液面并不會(huì)發(fā)生撞擊。
下沖程過(guò)程中，承載閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)承載閥承受油管里的液柱負(fù)載，這樣一來(lái)，油管內(nèi)液體便不會(huì)直接作用于游動(dòng)閥，因此上腔中的壓力將會(huì)急速降低，游動(dòng)閥隨之開(kāi)啟，油氣很快從下腔通過(guò)游動(dòng)閥進(jìn)入到上腔，這樣也就消除了下沖程過(guò)程中的液面撞擊。
在柱塞即將運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)的時(shí)侯，柱塞桿上帶槽的那部分正好經(jīng)過(guò)承載閥所在的位置，如此一來(lái)，便溝通了承載閥的上、下兩部分，液體從上部油管進(jìn)入下部，氣體也從下部上腔內(nèi)被壓縮或排到了油管之中，其原來(lái)的空間將完全被液體所取代。
當(dāng)上沖程再一次開(kāi)始，因?yàn)闅怏w已經(jīng)從游動(dòng)閥的上、下腔室內(nèi)排出，所以固定閥與承載閥均快速開(kāi)啟，此時(shí)，油便開(kāi)始從上腔室排向油管中，下腔室吸液過(guò)程也再次開(kāi)始。
3) 優(yōu)點(diǎn)
因?yàn)槭褂昧顺休d閥，消除了抽油泵在原油含氣的情況下工作可能出現(xiàn)的“氣鎖”現(xiàn)象，便使得泵的可靠性和效率均得到很大的提高。
3.5.3 稠油抽油泵
所謂稠油（也稱(chēng)高粘重質(zhì)原油），通常是指密度大于0.9g/cm3、溫度在50℃的時(shí)候，粘度為100~1000cP的原油。在一些油田中(例如高升油田)，原油密度甚至可達(dá)0.94~0.96g/cm3，粘度5000cP，有的油井甚至可以達(dá)到10000cP[[]姚春東.石油礦場(chǎng)機(jī)械[M].北京：石油工業(yè)出版社, 2012.02.200-215.
]。像這類(lèi)高粘性原油具有明顯的缺點(diǎn)便是流動(dòng)阻力大，其流動(dòng)性也很差，如果使用常規(guī)的抽油泵進(jìn)行開(kāi)采，就有可能造成驢頭的下行速度大于抽油桿的下行速度，這便是通常所說(shuō)的“驢頭打架”。不只如此，還會(huì)導(dǎo)致閥球開(kāi)啟延遲、延遲關(guān)閉的情況，與此同時(shí)，抽油桿上的拉應(yīng)力也隨之增加，在其向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中抽油桿受壓縮，其最大應(yīng)力值與交變應(yīng)力幅度均會(huì)變大。如此一來(lái)，如果情況不嚴(yán)重，泵的工作效率將會(huì)降低，如果情況嚴(yán)重，甚至可能導(dǎo)致泵不能正常工作。如果導(dǎo)致泵被卡住甚至是抽油桿斷脫事故，就更加的言重了。所以，在稠油井中必須要選用合適的抽油泵。
3.5.4 水力保護(hù)式抽油泵
一般說(shuō)來(lái)，可以增加抽油泵在水淹井和多砂井中工作效率的泵稱(chēng)之為水力保護(hù)式抽油泵。水力保護(hù)式抽油泵的特點(diǎn)是：工作壽命長(zhǎng)、校塞和泵筒的磨損小。
3.6 水力活塞泵
水力活塞泵的工作特點(diǎn)是：動(dòng)力液從地面動(dòng)力泵經(jīng)過(guò)油管直接運(yùn)送至驅(qū)動(dòng)油缸中，以帶動(dòng)抽油泵進(jìn)行工作。多年的現(xiàn)場(chǎng)采油作業(yè)經(jīng)驗(yàn)證明，水力活塞泵不僅適用于一般油井的開(kāi)采外，還可用于多蠟井、深井、稠油井、定向井和海上油井的開(kāi)采。在單井和多井的開(kāi)采之中，管理方式集中，因此效率很高。
水力活塞一般分為閉式循環(huán)和開(kāi)式循環(huán)兩種。閉式循環(huán)的特征是液壓馬達(dá)排出的廢動(dòng)力液經(jīng)過(guò)另一條單獨(dú)的通道返回地面，其與油井里的抽出液與始終不混合。開(kāi)式循環(huán)的特征則是廢動(dòng)力液同井內(nèi)液體混合并一同返回到地面。
根據(jù)水力活塞泵在油井內(nèi)的安裝方式區(qū)別，可將其分為套管投入式、平行管投入式、會(huì)管固定式和插入固定式四類(lèi)。
4 幾種電子井下壓力計(jì)的介紹
4.1 JC系列石英電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
4.1.1 概述
JC系列的石英電子壓力計(jì)，其特征是溫度和壓力傳感器的材料都采用石英。此類(lèi)電子壓力計(jì)的原理是利用不同的切割石英材料方向制成石英諧振器，石英諧振器的頻率因壓力和溫度作用，其敏感性的表現(xiàn)將不同。根據(jù)壓力作用的特性改變諧振頻率特性制造出來(lái)的的石英型溫度傳感器，靈敏度可以達(dá)到0.0005℃/Hz之高[[]中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司人事服務(wù)中心編.職業(yè)技能培訓(xùn)教程與鑒定試題集 采氣測(cè)試工 上[M].北京：石油工業(yè)出版社, 2005.11.
]。因?yàn)槭⒕w自身的材料特性非常穩(wěn)定，所以這類(lèi)型的電子壓力計(jì)也具備非常好的性能。
4.1.2 主要技術(shù)指標(biāo)
1）壓力測(cè)量
傳感器：石英壓力傳感器；
壓力量程：0~40MPa，0~60MPa，0~90MPa；
壓力精度：0.05%FS,0.03%FS,0.01%FS；
壓力分辨率：0.004MPa；
壓力漂移量：0.01MPa/年。
2）溫度測(cè)量
溫度量程：-20~125℃，-20~150℃，-20~170℃；
溫度精度：+0.05℃；
溫度分辨率：0.02℃。
3）供電
電源：3.6V，1.6A·h 高溫鋰電池。
4）數(shù)據(jù)采集
采樣間隔：2s~18.2h；
存儲(chǔ)容量：3.2萬(wàn)組，6.4萬(wàn)組，12.8萬(wàn)組，25.6萬(wàn)組，51.2萬(wàn)組。
5）外形尺寸
外徑：19mm，21mm，25mm，32mm；
長(zhǎng)度：400~450 mm；
材質(zhì)：1Cr18Ni9Ti。
4.1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
JC系列的石英電子壓力計(jì)在設(shè)計(jì)上結(jié)合了石油井下工作的實(shí)際情況，因此結(jié)構(gòu)十分緊湊，尺寸也多種多樣，能夠適應(yīng)各種井的測(cè)試工作。
目前壓力和溫度傳感器的設(shè)計(jì)和加工工藝已經(jīng)十分先進(jìn)，因此測(cè)壓測(cè)溫儀器具有很高的精度，可靠性也非常高。
JC系列的優(yōu)點(diǎn)是耗電少、功耗低，即使每天進(jìn)行測(cè)試，一節(jié)5號(hào)高溫電池也能夠使用長(zhǎng)達(dá)數(shù)月時(shí)間，如此一來(lái)，便能夠提升測(cè)試工作的可靠性。
JC系列儀器均具備自檢功能，儀器的指示燈可以顯示其工作狀態(tài)，這種設(shè)計(jì)也可以保證其在井下開(kāi)展測(cè)試工作的可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。
圖4.1 JC系列石英電子壓力計(jì)
4.2 ZPG系列電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
4.2.1 概述
ZPG系列電子壓力計(jì)適合于油、氣、水井動(dòng)態(tài)測(cè)試，其高精度和智能化的特點(diǎn)使得其廣為現(xiàn)場(chǎng)所使用。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)十分方便，既可地面直讀又可井下存儲(chǔ)，工作范圍包括測(cè)井、試井以及地面、井下有關(guān)壓力的測(cè)試、溫度監(jiān)控測(cè)試等相關(guān)作業(yè)[[]《試井手冊(cè)》編寫(xiě)組.試井手冊(cè) 上[M].北京：石油工業(yè)出版社, 1991.07.
]。其具有以下特點(diǎn)：
1）功能多 直讀、存儲(chǔ)兩用，既能用鋼絲下井進(jìn)行測(cè)試作業(yè)，又可用纜線作業(yè)地面直讀，還能夠代替機(jī)械壓力計(jì)從事多井流壓測(cè)試；
2）組合式、免維護(hù) 電子壓力計(jì)與存儲(chǔ)器分離組合，一直存儲(chǔ)器可以和不同量程的電子壓力計(jì)組合使用?；Q性能強(qiáng)，壓力計(jì)全封閉型，免維護(hù)；
3）低能耗 電路設(shè)計(jì)先進(jìn)，不但工作電流小，且有休眠功能，所以，僅用4節(jié)5號(hào)或2節(jié)2號(hào)電池就能在井下120℃環(huán)境中連續(xù)工作60天；
4）數(shù)據(jù)傳輸可靠 具有掉電保護(hù)，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；
5）壓力響應(yīng)速度快、靈敏度高 可以測(cè)到1s級(jí)動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)，靈敏度高達(dá)0.01%；
6）穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng) 電路在十分惡劣的環(huán)境下可穩(wěn)定工作；
7）自動(dòng)化程度高 壓力計(jì)與微機(jī)結(jié)合構(gòu)成可編程、實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，采樣間隔以4s倍數(shù)任選，用等時(shí)間間隔和等時(shí)間對(duì)數(shù)間隔等多種方式編程采點(diǎn)；
8）存儲(chǔ)容量大 可存儲(chǔ)2萬(wàn)組數(shù)據(jù)（可擴(kuò)容）。
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)
1）壓力測(cè)量
壓力量程：0~25MPa，0~45MPa，0~100MPa；
壓力精度：+0.05%FS~+0.07%FS。
2）溫度測(cè)量
溫度量程：0~125℃，-40~85℃，-45~125℃；
溫度精度：+0. 5℃。
3）數(shù)據(jù)采集
采樣間隔：2s~18.2h；
存儲(chǔ)容量：2萬(wàn)組。
4）外形尺寸
外徑：25mm，38mm；
長(zhǎng)度：800~820 mm；
5）最高工作溫度：150℃（存儲(chǔ)式）、180℃（直讀式）。
4.2.2
4.2.3 ZPG壓力計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
ZPG電子壓力計(jì)具有結(jié)精度高、溫漂小、耐溫能力強(qiáng)、體積小巧、構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。它由繩帽頭、電池室、存儲(chǔ)器和電子壓力計(jì)四個(gè)部分組成，如圖4.2所示，井下所需的加重桿則由用戶自己準(zhǔn)備。
圖4.2 ZPG系列電子壓力計(jì)
4.3 JDYC/JDYD/JDYG型電子壓力計(jì)的概述、主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
4.3.1 概述
JDYC/JDYD/JDYG系列井下電子壓力計(jì)的特點(diǎn)是功耗低、容量大、精度高，其主要工作范圍是用在氣井、水井和油井的壓力和溫度測(cè)量。
壓力計(jì)按外徑尺寸分為三個(gè)系列：JDYG系列外徑為22mm，JDYC系列外徑為25mm，JDYD系列外徑為36mm。其中任一系列產(chǎn)品均提供三檔工作溫度上限：80℃、125℃和150℃；而每檔工作溫度按壓力量程提供五種規(guī)格：15MPa，20 MPa，30 MPa，45 MPa，60 MPa；每種規(guī)格一般有兩種準(zhǔn)確度：0.1FS%和0.2%FS。由此可組合成幾十種不同型號(hào)規(guī)格的壓力計(jì)產(chǎn)品，以便滿足各地油田，各種井眼勘探試井和開(kāi)發(fā)試井的需要。
4.3.2 主要技術(shù)指標(biāo)
1）壓力測(cè)量
量程：0~15MPa，0~20MPa，，0~30MPa ，0~45MPa 0~60MPa；
精度：0.1%FS~0.2%FS；
靈敏度：3kPa，4 kPa，6 kPa，9 kPa，12 kPa；
零點(diǎn)漂移：0.1%FS，0.2%FS。
2）溫度測(cè)量
溫度量程：JDY-80 ,(-20~80)℃；JDY-125 ,(-20~125)℃；JDY-150 ,(-20~150)℃；
溫度精度：+0. 1℃；
零點(diǎn)漂移：0.008%FS/℃；
靈敏度：0.1℃。
3）數(shù)據(jù)采集
最大測(cè)點(diǎn)數(shù)：16128點(diǎn)；
存儲(chǔ)容量：2萬(wàn)組。
4）外形尺寸
外徑：JDYG,22mm，JDYC,25mm，JDYD,36mm；
長(zhǎng)度：800~820 mm。
4.3.3 結(jié)構(gòu)、組成及配套
壓力計(jì)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)獨(dú)立組件：主機(jī)、配重（即加重桿）和電池組件。各組件外形示意圖見(jiàn)圖4.3。
圖4.3 JDY系列電子壓力計(jì)
5 渦輪發(fā)電方案
5.1 概述
我們知道，無(wú)論是在鉆井或是在采油作業(yè)過(guò)程中，都會(huì)有流體的產(chǎn)生和流動(dòng)，例如鉆井作業(yè)中的泥漿、采油作業(yè)中的原油及水和其它物質(zhì)的混合物、采氣作業(yè)中的天然氣及其它氣體的混合物等。這些流體在管道內(nèi)流動(dòng)，其具有充分的動(dòng)能，我們便可以使用一定的裝置將這種動(dòng)能利用起來(lái)，轉(zhuǎn)換成為我們需要的電能，例如本章我們要討論的渦輪發(fā)電方案。利用渦輪，就是一種常見(jiàn)的、成熟的能量轉(zhuǎn)換方案，同時(shí)這種方案也是可靠的、便于實(shí)現(xiàn)的。
5.2 貝茨理論
5.2.1 概述
世界上第一個(gè)關(guān)于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的理論體系便是由貝茨（Betz）建立的。貝茨理論的主要思路，是假設(shè)風(fēng)輪是“理想的”，即葉片沒(méi)有輪轂，其數(shù)量也是無(wú)限多片，對(duì)于空氣沒(méi)有阻力，并且可以全部接收風(fēng)能?？諝饬饕彩沁B續(xù)的，不可壓縮的，葉片掃掠面上的氣流是均勻的，氣流速度的方向不論在葉片前或流經(jīng)葉片后都是垂直葉片掃掠面的（或稱(chēng)平行風(fēng)輪軸線的）這時(shí)的風(fēng)輪稱(chēng)“理想風(fēng)輪”[[]蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2002.
]。
5.2.2 有效功率計(jì)算公式
然而在長(zhǎng)期的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，貝茨理論不僅適用于風(fēng)介質(zhì)，也適用于其它流體介質(zhì)。因此本設(shè)計(jì)中流體的是原油、天然氣，也同樣其用于貝茨理論。
其有效功率E（w）計(jì)算公式如下
E=ηρv3A （5—1）
式中 η —— 風(fēng)力機(jī)（輪機(jī)）全效率。全效率一般取η=25%~50%。低速時(shí)取小值，葉片數(shù)小于3的高速機(jī)取大直：一般設(shè)計(jì)時(shí)高速機(jī)取30%~50%；
ρ —— 流體密度，單位：Kg/m3；
v —— 風(fēng)速，單位：m/s；
A —— 葉片掃掠面積，單位：m2 。
5.3 方案計(jì)算
1)
2)
3)
4)
4.1
4.2
4.3
1.
2.
3.
4.
5.
1)
2)
3)
5.3.1 計(jì)算相關(guān)參數(shù)
相關(guān)參數(shù)如下，
1) 油井日產(chǎn)量：
Q=20m3/天
2) 原油比重：
ρ=0.85t/m3
3) 環(huán)境溫度：
T=60~80℃
4) 電機(jī)外殼直徑：
D<100mm
5) 發(fā)電機(jī)內(nèi)部流體流道直徑：
D=30~80mm
4)
5)
5.3
5.3.2 發(fā)電量試算
流體線速度計(jì)算公式：
v=QF （5—2）
式中 v — 流體線速度，單位：m/s ；
Q — 體積流量，單位：L/s ；
F — 流體截面積，單位：m2 。
取流道直徑D=80mm，根據(jù)公式5—1、5—2，可算出以下結(jié)果，
F =0.005204m2 、v = 0.044m/s、E=0.00019w；
取流道直徑D=30mm，根據(jù)公式5—1、5—2，可算出以下結(jié)果，
F =0.002826m2 、v = 0.082m/s、E=0.00066w。
再由功率計(jì)算公式，可得當(dāng)流道取30mm時(shí)，該發(fā)電方案的估算電量為15.83Ah/天，可以初步滿足為井下儀器充電的需求。
但是綜合考慮渦輪發(fā)電裝置在發(fā)電過(guò)程中的損耗、渦輪發(fā)電機(jī)在對(duì)電池充電過(guò)程中的損耗、以及蓄電池在長(zhǎng)時(shí)間工作中的損耗，該方案發(fā)電量還較小。但是在本章的計(jì)算之中，主要考慮的是采油作業(yè)，其特點(diǎn)便如計(jì)算過(guò)程之中所體現(xiàn)的：由于原油比重大，因此作為驅(qū)動(dòng)渦輪的流體介質(zhì)，其線速度明顯過(guò)低，因此該方案并不適合于抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)。
但是，稍加分析便可知道，該方案也并不是沒(méi)有可行性，當(dāng)我們將他運(yùn)用到氣井時(shí)，天然氣作為推動(dòng)渦輪的流體介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)了出來(lái)。由于在采氣作業(yè)中，天然氣的線速度較高，因此在蓋茨理論之中，渦輪機(jī)的發(fā)電效率相比在油井中的計(jì)算呈幾何式增長(zhǎng)，所以此方案非常適合于采氣作業(yè)中，為井下測(cè)量?jī)x器供電的方案設(shè)計(jì)。
綜上所述，在本論文中將不再對(duì)渦輪發(fā)電方案作進(jìn)一步討論和設(shè)計(jì)。
6 流體自激震蕩發(fā)電方案
6.1 概述
流體自激震蕩發(fā)電，是利用流體的能量，其包括流體自身在流動(dòng)過(guò)程中所具有的動(dòng)能和流體的壓能，其通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)將流體內(nèi)部所蘊(yùn)含的動(dòng)能和壓能等能量轉(zhuǎn)化為井下測(cè)量?jī)x器所需要的電能[[]中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司.流體自激震蕩井下發(fā)電機(jī)[P].中國(guó)專(zhuān)利:ZL200820123432.1,2009-07-22.
]。
6.2 自激震蕩發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)
流體自激震蕩發(fā)電機(jī)，其主要包括發(fā)電機(jī)殼體、流體流道短節(jié)、發(fā)電機(jī)腔室、自激震蕩結(jié)構(gòu)腔室等構(gòu)成。
其發(fā)電機(jī)殼體上下有可與油井內(nèi)的抽油泵以及尾管連接的石油油管螺紋接頭；其流體流道短節(jié)主要是供原油在發(fā)電機(jī)內(nèi)流動(dòng)，并將原油的部分動(dòng)能和壓能轉(zhuǎn)換為電能的必要結(jié)構(gòu)；而發(fā)電機(jī)腔室，則是由鐵芯、活塞、永磁體、線圈等組成的發(fā)電結(jié)構(gòu)單元；自激震蕩結(jié)構(gòu)腔室則是由閥體和流體腔室和流道組成的。
在自激震蕩腔室中，最關(guān)鍵的一個(gè)部件則是一個(gè)錐形的自激震蕩閥體。而在錐形自激震蕩閥閥芯的上部開(kāi)有一個(gè)流體上腔室，在錐形自激震蕩閥閥芯的下部也開(kāi)有一個(gè)流體下腔室，而錐形自激震蕩閥則在上腔室和下腔室的自激震蕩中腔之中。
在自激震蕩閥上腔室鉆有自激震蕩腔室的流體入口流道，這個(gè)流體入口流道與自激震蕩中腔相連，從而流體能從自激震蕩腔室的流體入口流道進(jìn)入到自激震蕩中腔之中。
在自激震蕩閥下腔室鉆有自激振蕩腔室的下腔流道，自激震蕩閥下腔流道與自激震蕩腔室相連通，自激震蕩腔室中的流體可以通過(guò)自激震蕩閥下腔流道流出。
當(dāng)高壓的原油流體通過(guò)自激震蕩閥上腔室的入口流道進(jìn)入自激震蕩腔室后，自激震蕩閥閥芯產(chǎn)生自激震蕩。
發(fā)電機(jī)腔室是在流體自激震蕩閥下腔室的下部分連接有一個(gè)圓柱形的活塞腔室，在活塞的中部鑲嵌有永磁材料。在活塞腔的內(nèi)壁則鑲嵌有鐵芯和線圈。當(dāng)流體推動(dòng)活塞在發(fā)電機(jī)腔室做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，纏繞在鐵芯上的線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，因而會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)我們將線圈引出接線到外部閉合電路中，則會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。
6.3 自激震蕩發(fā)電裝置原理
圖6.1 流體自激震蕩井下發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面示意圖
1—自激震蕩腔上腔室 2—自激震蕩閥閥芯 3—自激震蕩腔上腔室流道 4—自激震蕩腔下腔室 5—壓縮彈簧 6—密封圈 7—鐵芯 8—線圈 9—發(fā)電機(jī)腔室下流道 10—節(jié)流口 11—自激震蕩腔流道 12—自激震蕩腔下腔室流道 13—永磁材料 14—活塞 15—發(fā)電機(jī)主體
在發(fā)電機(jī)主體15的上面連有一個(gè)圓柱形的自激震蕩腔上腔室1和一個(gè)圓柱形的自激震蕩腔下腔室4，在自激震蕩腔上腔室1和自激震蕩腔下腔室4之間有一個(gè)自激震蕩腔中腔室，自激震蕩腔上腔室1和自激震蕩腔下腔室4與自激震蕩腔中腔室連通。在自激震蕩腔中腔室內(nèi)有一個(gè)自激震蕩閥閥芯2。自激震蕩閥閥芯2為圓柱形，自激震蕩閥閥芯的上下兩端分別有圓錐面結(jié)構(gòu)。自激震蕩閥閥芯2能在自激震蕩腔中腔室內(nèi)上下震蕩。
在發(fā)電機(jī)主體15的上端面有自激震蕩腔流道11，自激震蕩腔流道11連通激震蕩腔中腔室。發(fā)電機(jī)主體15上端面以上是高壓區(qū)，高壓液體能通過(guò)自激震蕩腔流道11進(jìn)入激震蕩腔中腔室。
在發(fā)電機(jī)主體15的下端面鉆有自激震蕩腔下腔室流道12，自激震蕩腔下腔室流道12與自激震蕩腔下腔室4相連。自激震蕩腔下腔室4中的流體能通過(guò)自激震蕩腔下腔室流道12流出。在自激震蕩腔下腔室流道12中有一個(gè)節(jié)流口10。
發(fā)電腔室是在自激震蕩腔下腔室4的下端有一個(gè)圓柱形的活塞腔室，活塞腔室內(nèi)有一個(gè)圓柱形的活塞14，其外壁上鑲嵌有永磁材料13。在活塞腔內(nèi)壁上鑲嵌有鐵芯7和線圈8，線圈8的兩端有導(dǎo)線引出。在活塞腔室的下面有發(fā)電機(jī)腔室下流道9，發(fā)電機(jī)腔室下流道9與自激震蕩腔上腔室流道3連通。
在自激震蕩閥閥芯2與活塞14之間有一個(gè)螺旋壓縮彈簧5。
當(dāng)發(fā)電機(jī)工作時(shí)，情況如下：
閥芯2和活塞14有一個(gè)平衡點(diǎn)，在這平衡點(diǎn)上閥芯2和活塞14受到平衡力的作用，保持靜止?fàn)顟B(tài)，但是個(gè)平衡點(diǎn)并不穩(wěn)定。因此當(dāng)流體進(jìn)入自激振蕩腔室時(shí)，由于一種特殊的微小擾動(dòng)使得這種不穩(wěn)定的平衡被破壞，從而使得閥芯2往下移動(dòng)（向上離開(kāi)平衡點(diǎn)的分析方法與此類(lèi)似），流體流入自激震蕩腔上腔室1的瞬時(shí)阻力比流入自激震蕩腔下腔室4的瞬時(shí)阻力要小，造成自激震蕩腔上腔室1的壓力比自激震蕩腔下腔室4高。進(jìn)而流入自激震蕩腔上腔室1的流量增加，與此同時(shí)，流入自激震蕩腔下腔室4的流量減少，這便造成自激震蕩閥閥芯2所受的液動(dòng)力的合力向下，同時(shí)自激震蕩閥閥芯2所受的液壓力的合力也向下。這兩個(gè)合力便使得自激震蕩閥閥芯2進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致自激震蕩腔上腔室1的壓力不斷升高、自激震蕩腔下腔室4的壓力不斷下降。又因?yàn)樽约ふ鹗幥簧锨皇?和活塞下腔壓力相同，自激震蕩腔下腔室4和活塞上腔室壓力相同，壓差便使得活塞14向上移動(dòng)，從而開(kāi)始?jí)嚎s彈簧5，彈簧5對(duì)自激震蕩閥閥芯2向上的推力便開(kāi)始增大，當(dāng)這一推力大于自激震蕩閥閥芯2受到的液壓力和液動(dòng)力的向下合力時(shí)，自激震蕩閥閥芯2便開(kāi)始向上移動(dòng)。當(dāng)自激震蕩閥閥芯2向上越過(guò)平衡點(diǎn)時(shí)，自激震蕩閥閥芯2受到的液壓力和液動(dòng)力的合力方向?qū)⒆優(yōu)橄蛏?，自激震蕩閥閥芯2進(jìn)一步向上移動(dòng)，活塞上腔室的壓力大于活塞腔下腔室的壓力，活塞14便向上做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度降低到0之后，活塞14開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。彈簧5對(duì)自激震蕩閥閥芯2向下的拉力變大，當(dāng)拉力大于自激震蕩閥閥芯2受到的液壓力和液動(dòng)力的向上合力時(shí)，自激震蕩閥閥芯2便開(kāi)始向下移動(dòng)。如此循環(huán)，自激震蕩閥閥芯2便在自激震蕩腔室內(nèi)形成了流體自激震蕩，自激震蕩閥閥芯2和活塞14分別做周期相同、相位不同的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于活塞14上鑲嵌有永磁材料13，活塞缸的相應(yīng)位置有線圈8。當(dāng)活塞14作往復(fù)運(yùn)動(dòng)之時(shí)，永磁材料13便導(dǎo)致線圈8內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化從而產(chǎn)生電能。
7 方案詳細(xì)設(shè)計(jì)
7
7.1 發(fā)電量試算
由法拉第電磁感應(yīng)定律的定義式推導(dǎo)，有如下公式可以計(jì)算自激感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：
ε=-Blv （7—1）
式中 B—磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位：T；
l—運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體長(zhǎng)度，單位：m；
v—導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度，單位m/s。
取永磁材料磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T，閥體自激震蕩速度為0.3m/s，又有線圈直徑為30mm，匝數(shù)20，則由式7-1可計(jì)算相應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：
ε=5.652v
取永磁材料磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T，閥體自激震蕩速度為1.5m/s，線圈直徑和匝數(shù)不變，則由式7-1可計(jì)算出想應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：
ε=28.125v
因此該方案電動(dòng)勢(shì)：
ε=5.652v~28.125v > 電池所需電壓3.6V，
由此可知該方案可行。
7.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7.1：
圖7.1 流體自激震蕩井下發(fā)電裝置總裝圖
7.2.1 總體尺寸設(shè)計(jì)
根據(jù)XXX老師推薦，并結(jié)合油井實(shí)際情況，發(fā)電裝置總體外徑不得大于120mm，因此設(shè)計(jì)如下參數(shù)：
1) 發(fā)電裝置流通短節(jié)直徑為100mm；
2) 發(fā)電裝置殼體直徑為120mm；
3) 發(fā)電機(jī)總長(zhǎng)980mm。
7.2.2 上下接頭設(shè)計(jì)
圖7.2 發(fā)電裝置上接頭
發(fā)電裝置上接頭如圖7.2所示，尺寸設(shè)計(jì)如下：
1） 上接頭大端直徑：120mm；
2） 上接頭大端內(nèi)螺紋：2 7/8 TBG″油管螺紋；
3） 上接頭大端內(nèi)螺紋有效長(zhǎng)度：58mm；
4） 上接頭小端螺紋：M107X2-6h；
5） 上接頭小端螺紋有效長(zhǎng)度：48mm；
6） 上接頭頂緊螺釘孔螺紋深度：20mm；
7） 上接頭頂緊螺釘螺孔深度：52mm；
8） 上接頭流道孔徑：20mm；
9） 上接頭流道長(zhǎng)度：52mm。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè) P479，選擇發(fā)電裝置上下接頭材料為35CrMo，從其中可得知該材料的屈服極限為539.2Mpa。
查《GB/T 9253.2—1999》P11—13如圖7.3、7.4所示：
圖7.3 油管圓螺紋手緊上口基本尺寸
圖7.4 油管圓螺紋牙型
查《GB/T 9253.2—1999》P13表12 不加厚油管螺紋尺寸，有2 7/8″TBG螺紋參數(shù)如下：
1) 代號(hào)規(guī)格：2 7/8；
2) 外徑D：73.03mm；
3) 大端直徑D4：73.03mm；
4) 每25.4mm螺紋牙數(shù)：10；
5) 管端至手緊面長(zhǎng)度L1：35.99mm；
6) 有效螺紋長(zhǎng)度L2：48.11mm；
7) 管端至消失點(diǎn)總長(zhǎng)度L4：52.40mm；
8) 手緊面處中徑：E1：71.457mm；
9) 機(jī)緊后管端至接箍中心J：12.7mm；
10) 接箍端面至手緊面長(zhǎng)度M：11.33mm；
11) 接箍鏜孔直徑Q：74.63mm；
12) 接箍鏜孔深度q：7.94mm；
13) 手緊緊密距牙數(shù)：2；
14) 從管端起完整螺紋最小長(zhǎng)度Lc：29.54mm。
由此，抽油機(jī)井井下發(fā)電裝置上下接口管螺紋設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)采用上述2 7/8″TBG油管螺紋標(biāo)準(zhǔn)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取發(fā)電裝置接頭的螺紋參數(shù)如下：
1) 大徑D：107mm；
2) 螺距P：2；
3) 牙型：細(xì)牙；
4) 中徑公差：6H；
5) 頂徑公差：6H；
6) 螺紋旋向：右旋；
7) 旋合長(zhǎng)度：中等；
8) 代號(hào)：M107X2-6H。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》“附錄E 螺紋及螺紋緊固件”——“ 表E1.1 普通螺紋的基本尺寸（GB/T 196—1981）”，選擇井下發(fā)電裝置頂緊螺釘螺紋參數(shù)如下：
1) 公稱(chēng)直徑D：12mm；
2) 螺距P：1.75mm；
3) 牙型：粗牙；
4) 螺紋小徑D1，d1：10.106；
5) 中徑公差：6H；
6) 頂徑公差：6H；
7) 螺紋旋向：右旋；
8) 旋合長(zhǎng)度：中等；
9) 代號(hào)：M12X1.75-6H。
1
2
3
4
5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
7.2.3 流通短節(jié)連接設(shè)計(jì)
圖7.5 銷(xiāo)釘鏈接
為保證發(fā)電裝置各流通短節(jié)在發(fā)電裝置殼體內(nèi)的相對(duì)固定，以及為保證安裝時(shí)發(fā)電機(jī)各流通短節(jié)對(duì)于流道的定位對(duì)接，現(xiàn)采用銷(xiāo)釘連接方式（如圖7.5），對(duì)發(fā)電裝置各流通短節(jié)內(nèi)的流道進(jìn)行定位。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》——“表E9.1 圓柱銷(xiāo)的基本尺寸（GB/T 119.1—2000）——不淬硬鋼和奧氏體不銹鋼，選擇銷(xiāo)釘如下：
1) 公稱(chēng)直徑d：4mm；
2) 公差等級(jí)：m6—Ra≤0.8μm；
3) 公稱(chēng)長(zhǎng)度：10mm；
4) 材料：45；
5) 硬度要求：125~245 HV30；
6) 代號(hào)： GB/T 119.1 4m6X10。
7.2.4 發(fā)電裝置殼體設(shè)計(jì)
圖7.6 發(fā)電裝置殼體
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)第一分冊(cè)，選擇發(fā)電裝置殼體材料為35CrMo，從其中可得知該材料的屈服極限為539.2Mpa。
發(fā)電裝置殼體如圖7.6所示，尺寸設(shè)計(jì)如下：
1) 總長(zhǎng)：788mm；
2) 直徑：120mm；
3) 兩端螺紋：M107X2-6H；
4) 有效螺紋長(zhǎng)度：52mm。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，取發(fā)電裝置殼體螺紋參數(shù)如下：
1) 大徑D：107mm；
2) 螺距P：2；
3) 牙型：細(xì)牙；
4) 中徑公差：6H；
5) 頂徑公差：6H；
6) 螺紋旋向：右旋；
7) 旋合長(zhǎng)度：中等；
8) 代號(hào)：M107X2-6H。
殼體下端圓臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸：
1) 圓臺(tái)大徑：100mm；
2) 圓臺(tái)小徑：90mm；
3) 圓臺(tái)厚度：10mm。
7.2.5 發(fā)電裝置流道短節(jié)設(shè)計(jì)
圖7.7 發(fā)電裝置流通短節(jié)第一節(jié)
發(fā)電裝置流通短節(jié)第一節(jié)如圖7.7所示，尺寸設(shè)計(jì)如下：
1) 流通短節(jié)直徑：100mm；
2) 流通短節(jié)厚度：40mm；
3) 流道開(kāi)孔孔徑：15mm；
4) 銷(xiāo)孔深度：6mm；
5) 銷(xiāo)孔孔徑：4mm；
6) 流道長(zhǎng)度：40mm；
7) 流道數(shù)量：2。
圖7.8 發(fā)電裝置流通短節(jié)第二節(jié)
發(fā)電裝置流通短節(jié)第一節(jié)如圖7.8所示，尺寸設(shè)計(jì)如下：
1) 流通短節(jié)直徑：100mm；
2) 流通短節(jié)厚度：20mm；
3) 流道開(kāi)孔孔徑：5mm；
4) 銷(xiāo)孔深度：6mm；
5) 銷(xiāo)孔孔徑：4mm；
6) 流道長(zhǎng)度：20mm；
7) 流道數(shù)量：2；
8) 銷(xiāo)孔布置：4。
圖7.9 發(fā)電裝置流通短節(jié)第三節(jié)
發(fā)電裝置流通短節(jié)第一節(jié)如圖7.9所示，尺寸設(shè)計(jì)如下：
1) 流通短節(jié)直徑：100mm；
2) 流通短節(jié)厚度：110mm；
3) 兩側(cè)流道開(kāi)孔孔徑：15mm；
4)
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