【摘要】：石油作為一種不可再生的自然資源,具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。當(dāng)前石油開(kāi)采方式以機(jī)械采油為主,而有桿抽油泵仍是我國(guó)主要的機(jī)械采油工具,其中抽油泵柱塞是有桿抽油泵總成的核心零件。而柱塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的摩擦阻力,在多種環(huán)境因素作用下,將引起柱塞表面磨損失效,影響油田產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益。如何延長(zhǎng)柱塞的使用壽命,提高抽油泵的工作效率仍是機(jī)械采油急需解決的主要問(wèn)題之一。為適應(yīng)沙漠中長(zhǎng)時(shí)間受沙粒磨損的生活環(huán)境,東方沙蚺進(jìn)化出具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的體表鱗片。研究東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機(jī)理可為減阻耐磨抽油泵柱塞表面的設(shè)計(jì)提供仿生學(xué)依據(jù)。本文針對(duì)抽油泵柱塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在摩擦阻力大且表面磨損嚴(yán)重的問(wèn)題,以東方沙蚺為生物模本,研究了東方沙蚺體表鱗片減阻和耐磨原理,借鑒六邊形鱗片形貌特征,開(kāi)展了仿生六邊形織構(gòu)表面摩擦和潤(rùn)滑性能研究。本文使用顯微鏡、仿真模擬、納米壓痕儀和納米摩擦儀,對(duì)宏觀及微觀尺度下的東方沙蚺體表鱗片表面形貌特征及材料力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試與分析,探討了東方沙蚺體表鱗片減阻耐磨生物機(jī)理。結(jié)果表明,東方沙蚺體表由六邊形鱗片織構(gòu)所覆蓋,單個(gè)鱗片表面具有微米級(jí)鱗片和納米級(jí)凹坑的非光滑復(fù)合結(jié)構(gòu),鱗片內(nèi)部為彈性模量/硬度連續(xù)變化的梯度材料且具有摩擦各向異性特點(diǎn)。相比背部和側(cè)部鱗片,腹部鱗片具有較低的表面粗糙度和較高的彈性模量/硬度及較大的摩擦系數(shù)。分析表明,蛇體表鱗片復(fù)合形貌特征與梯度材料之間的耦合作用具有提高鱗片表面減阻耐磨性能的作用。本文借鑒鱗片六邊形織構(gòu)形貌特征及梯度材料,利用激光淬火技術(shù),設(shè)計(jì)并制備出多元耦合仿生試樣,探究了耦合仿生效應(yīng)對(duì)試樣表面干摩擦性能的影響。結(jié)果表明,多元耦合仿生試樣表面的溝槽具有減小接觸面積、分散表面應(yīng)力、存儲(chǔ)磨屑、降低二次磨損的作用。而且試樣表層硬度梯度可緩解摩擦過(guò)程中對(duì)試樣的應(yīng)力沖擊,在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的同時(shí),能夠減少表面材料的剝落,從而更有效地降低試樣表面磨損,進(jìn)而揭示了耦合仿生減阻耐磨機(jī)理。本文搭建了仿生表面激光加工裝置,探究了仿生六邊形織構(gòu)對(duì)45#鋼表面潤(rùn)滑摩擦性能的影響。對(duì)比不同形狀(正三角形、正方形和圓)表面織構(gòu),仿生六邊形織構(gòu)試樣在同樣工況下均表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù),且隨著載荷降低和轉(zhuǎn)速增加,其潤(rùn)滑效果更顯著。利用ANSYS軟件,先后對(duì)試樣表面油膜壓力及接觸壓力進(jìn)行仿真分析,模擬結(jié)果表明,仿生六邊形織構(gòu)表面具有較好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果,且在同等面積下,仿生六邊形織構(gòu)表面具有最小的接觸應(yīng)力,因此,二者的耦合作用使仿生六邊形織構(gòu)表面具有良好的潤(rùn)滑摩擦性能。本文建立了仿生六邊形織構(gòu)單元體數(shù)學(xué)幾何模型與流體力學(xué)模型,并利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值求解分析,探究了幾何尺寸及工況條件對(duì)仿生六邊形單元體表面潤(rùn)滑摩擦性能的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于幾何尺寸參數(shù),其摩擦系數(shù)受面密度和溝槽深度共同影響。在低面密度和深溝槽條件下,取向角度對(duì)摩擦系數(shù)影響較為顯著。而對(duì)于工況條件,其摩擦系數(shù)隨著速度和外載的增加而降低,其主要原因在于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和外載的增大可以提高流體動(dòng)壓和承載力。本文利用自行改建的摩擦摩擦試驗(yàn)裝置,探究仿生六邊形織構(gòu)單元體在潤(rùn)滑摩擦性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,摩擦試驗(yàn)現(xiàn)象與理論研究結(jié)果具有較好的一致性。在相同工況下,對(duì)比光滑試樣,不同幾何尺寸下的仿生六邊形織構(gòu)單元體均表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑摩擦性能。選取合適的尺寸參數(shù),加工出仿生抽油泵柱塞小試樣,進(jìn)行了密封性檢驗(yàn)。根據(jù)漏失量結(jié)果表明,仿生六邊形織構(gòu)沒(méi)有增大抽油泵柱塞原有的漏失量,且在一定壓力下,具有提高表面密封性的作用。
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文是依靠地下巖層能量，在油藏周邊尤其是上層覆蓋的巖石的擠壓作用下，油層流向井底，再經(jīng)由井筒流向井口，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)油氣自身壓能作用而油目的的方法[3]。由于其方法簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本較低，是一種首選的采油方我國(guó)絕大部分油井由于地質(zhì)環(huán)境因素影響，，油氣的自身能量不足以把其舉面上來(lái)，需要人為地利用機(jī)械給油氣補(bǔ)充能量，使其得以開(kāi)發(fā)與利用。目國(guó)最主要的開(kāi)采石油方式是機(jī)械采油，國(guó)際上主要的機(jī)械采油方法分為氣，常規(guī)有桿泵采油，電動(dòng)潛油離心泵采油，螺桿泵采油，水力射流泵采油中常規(guī)有桿泵采油方式占我國(guó)采油總井?dāng)?shù)的 80%以上[4]。

圖 1.3 有桿抽油泵采油工作原理示意圖惡劣、井身結(jié)構(gòu)、油泵自身性能、泵井不匹配等原因，將引起間發(fā)生摩擦，尤其當(dāng)油田進(jìn)入石油開(kāi)采的中后期，伴隨油井出腐蝕介質(zhì)等含量急劇增多，傳統(tǒng)的柱塞表面結(jié)構(gòu)及材料已經(jīng)不工況，且工作人員也無(wú)法根據(jù)油井具體情況來(lái)選用合適的抽油柱塞外表面的磨損愈加嚴(yán)重，進(jìn)而加速柱塞的失效速度，最終濟(jì)效益。另外在市場(chǎng)上，由于泵筒的成本約是柱塞的 6~10 倍角度考慮，只單方面注重對(duì)泵筒表面的保護(hù)設(shè)計(jì)，而忽略對(duì)柱考量，顯然目前十分有必要研發(fā)減阻耐磨的抽油泵柱塞。泵柱塞表面磨損形式及成因油泵柱塞表面磨損機(jī)理的探究與分析是研發(fā)減阻耐磨柱塞的設(shè)內(nèi)外研究者利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、臺(tái)架試驗(yàn)和仿真模擬等方法，將抽
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE933.3

【參考文獻(xiàn)】

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1 李孟龍;周瑞芬;馬春陽(yáng);;抽油泵泵筒表面沉積Ni-P-SiC鍍層研究[J];兵器材料科學(xué)與工程;2017年05期

2 周廣慶;;我國(guó)石油經(jīng)濟(jì)的未來(lái)發(fā)展研究[J];現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息;2016年05期

3 羅鵬飛;;柔性金屬抽油泵及在冀東油田的應(yīng)用[J];石化技術(shù);2015年03期

4 姜民政;張玉娥;董康興;趙國(guó)峰;;抽油泵柱塞表面化學(xué)沉積Ni-P-SiC鍍層的制備及性能研究[J];功能材料;2014年15期

本文編號(hào)：2600874