（定稿）毕业设计_全自动泡沫流体PVT实验仪的设计.rar（完整版）

钻井用孔内循环介质的演进，经历了从早期无循环液到有循环液从用清水到兼用普通泥浆优质泥浆和无固相无粘土钻井液从水基到兼有油基和气基低密度循环介质空气和含气介质从般条件下用循环介质到兼有特种条件下和特种钻井工艺方法用循环介质等过程。

十分明显，钻井技术介质的每步发展和进步，都是和钻井施工条件及工艺技术方法的变革紧密联系的。

随着钻井技术的发展，人们越来越重视油气层的保护和环境污染的控制，于是在早期普通钻井液的基础上新研制出了泡沫钻井液体系作为钻井介质。

从年代起正式用于生产的空气和泡沫钻探技术，开始主要出现在石油和天然气钻井，它和低固相泥浆低密度优质泥浆无固相钻井液样，都被视为近代钻探井技术的重要成就。

进入年代，空气和泡沫钻探技术日益完善，应用领域愈益广泛，在石油天然气钻探煤田钻探固体矿产钻探水文水井钻探工程地质钻探基础工程施工矿山爆破孔施工锚固孔和物探震源孔施工等方面都得到广泛应用。

与此同时，还发展了多种低密度循环介质，如雾状气充气泡沫泥浆等，这些都为泡沫钻井技术的扩展和推广应用创造了条件。

泡沫钻井液性能稳定，具有静液柱压力低润滑性和携岩性能好滤失量小抗污染和助排能力强以及对油层伤害小等优点。

针对油气低压低渗的地质特点，以泡沫为钻井液，合理利用配套的泡沫钻井工艺，可最大限度地减少对油气的侵害，且将污染控制在最小。

开发井钻井液重点在于解决两方面的问题，是油层保护二是井壁稳定。

开发井的油层保护工作主要表现在控制钻井液密度方面。

而在钻井过程中，泡沫钻井液的密度受温度压力等因素影响较大，为了使钻井工程能正常进行，必须弄清微沫钻井液体系密度温度压力之间的关系。

全自动泡沫流体实验仪就是为此目的而专门研制的。

它不但能测量出钻井液密度随压力温度的变化情况，而且能准确测量出钻井液密度的具体值。

发展历程．泡沫钻井液密度的研究分析随着泡沫钻井技术的应用和发展，人们对泡沫钻井液密度的研究分析也逐渐深入。

在钻井过程中人们把钻井液比喻成钻井的血液，钻井液性能的好坏直接关系到钻井的成败，随着钻井技术的发展，钻井液技术也在不断地发展，由起初的清水自然造浆发展到目前的水基油基和气基三大钻井液体系，能够满足各种复杂地层和各种井型的钻井需要。

早期的钻井技术通常采用的是普通钻井液，尽管我国的钻井技术在不断的发展，然而由于历史和社会的各种原因，也由于人们对环保的忽视，对地质层保护的重视不够，我们对钻井液的研究不够深入，也直没有采用理想的钻井液。

年代到年代初，我国实行对外开放的政策，国民经济建设进入了个崭新的发展时期，我国石油工业也得到迅速发展。

国外大约在五十年代开始研究和使用泡沫流体，当时美国在易塌层打了口大直径的井，后来在加利福尼亚州标准石油公司研制出中种耐原油和盐水的稳定泡沫，它可用于在低压油藏钻井油层及修井。

那时已认识到泡沫密度小，具有较强的清除和携带岩屑能力。

这期间我国也大胆引进了国外先进技术，在钻井技术方面取得了很大的进步。

不可否认，我国泡沫钻井技术起步较晚。

年代中期，首先在石油部门利用泡沫进行钻井和洗井工作，同时也研制出了几种泡沫剂如﹑等，人们还发现泡沫钻井液对地质油层的伤害较其它普通钻井液小很多，在环保方面也发挥了很大的功效。

但在理论上探讨不够，还没真正形成套用于指导实际生产的理论体系。

近年来，随着我国钻井技术的飞速发展以及多年的研究和探索，泡沫流体的应用已取得了很大的成效，目前泡沫钻井液钻井在辽河油田和胜利油田得到广泛采用。

新疆吐哈油田也开展了泡沫钻井液钻井，成功开展了牛水平井，使泡沫钻井液欠平衡钻井的使应井身范围更趋于多样性和广泛性。

在实践中，泡沫钻井技术理论方面的研究也渐渐深入。

对泡沫本身而言，主要有泡沫的质量参数﹑泡沫的悬浮性和携岩能力﹑泡沫的滤失能力﹑泡沫的热物理性能﹑泡沫的腐蚀性和泡沫的导电性等。

对泡沫流体应用而言，由于冲洗介质的固相含量﹑固相类型﹑密度等对钻井效率影响很大，所以人们在实际应用中直倾向采用密度较低﹑静压柱压力较小的泡沫冲洗介质，以提高钻井效率。

由此泡沫钻井液密度的研究引起了广泛的关注。

其研究工作主要归结为以下三个方面模拟实验研究高温高压对钻井液的影响提出了相应的钻井液密度模型在模型的基础上计算钻井液对井下压力的影响。

由提出理论到通过建立模型装置来研究再到后来在模拟地质层条件下研究钻井液密度随温度压力的影响而变化，这系列研究取得了辉煌的成就，它得出了钻井液密度与温度压力之间的关系，在钻井方面为实际生产起到了很好的知道作用。

可以肯定的说，随着经济的发展和技术的进步，泡沫和泡沫钻井技术的应用范围将越来越广，对钻井液密度的研究也将发挥更大的技术和经济效益。

.钻井液密度测量技术的发展多年来，我国测量钻井液密度的技术不断取得进步，在引进国外技术，消化吸收和自主开发的基础上，取得了重大突破。

由起初的只能测量给定体积流量的钻井液的密度，方法是将仪器底座放置在个水平平面上，测量钻井液的温度并记录在钻井液报表上，将待测钻井液注入到洁净干燥的钻井液杯中，把杯盖放在注满钻井液的杯上，旋转杯盖至盖紧。

要保证些钻井液从杯盖小孔溢出以便排出混入钻井液中的空气或天然气，将杯盖压紧在钻井液杯上，并堵住杯盖上的小孔，冲洗并擦净擦干杯和盖。

将臂梁放在底座的刀垫上，沿刻度移动游码使之平衡。

在水准泡位于中心线下时即已达到平衡，在靠近钻井液杯边的游码边缘读取钻井液密度值。

前些年，根据中国石油天然气行业标准，按储层流体高压物性分析要求对泡沫钻井液密度测定装置进行改进，研制出了泡沫钻井液密度测定装置，建立了测定泡沫钻井液密度压力温度关系的方法。

主要包括模拟井筒中钻井液转动起来改进装置加热模式，使加热范围扩大到。

该装置能测量运动中钻井液的密度，克服了以往只能测量钻井液在静止条件下的密度。

全自动泡沫流体实验仪与上面的测定装置原理基本相同，利用计算机软件跟踪测试，更好的测定不同类型泡沫钻井液在不同地层温度，压力条件下的密度，并能够自动测量采集数据计算并分析打印试验结果，测量更精确，可以为钻井设计提供重要的实验数据，更好的服务于我国的钻井技术。

.设计的大体思路.实验仪的结构具体名称如下密封圈Ⅰ筒体手柄密封圈Ⅱ压紧螺母卡簧容器塞盖阀门油杯压力表柱塞泵步进电机固定架支架柜活塞.设计的原理在设定温度条件下，通过改变压力大小，来观察并记录密度随压力的变化情况，并随时记录密度大小同理，在定的压力条件下，通过改变温度高低，来观察并记录密度随温度的变化情况，并随时记录密度大小，这样既可以得出钻井液密度与压力温度的关系，而且可以得出在不同条件下钻井液的密度值。

以下实验流程方框图可以简要说明实验仪测试系统的原理实验仪工作原理与泡沫钻井液密度测定装置基本相同。

工作时，步进电机旋转带动柱塞泵螺杆旋转，柱塞移动，缸内出现负压，油杯内的液体被吸入缸内。

柱塞向另方向移动，将液体压缩后另单向阀被打开，被吸入缸内的液体排除流入与缸相连的管道。

再通过管道流入筒体内，进而推动活塞移动，压缩泡沫钻井液，改变钻井液的压力，支架柜内装配的计算机软件会测试钻井液随压力的变化情况。

.优化设计利用上述原理，实验仪的优点在于采用计算机软件跟踪测试。

只需在计算机软件操作界面上输入具体的温度值，然后操作系统加热或冷却，再启动电机计量泵，设定电动计量泵的流量和上限压力，正反启动电机计量泵，排尽泵和过渡容器端的空气，吸满工作液水停泵。

在达到设定的温度值后，设定泵的恒压功能和参数值此时压力表读值，启动电动机计量泵，当泵的压力达到设定值时，泵会自动停止。

实验仪的优点体现在结构简单操作方便测量精确。

.主要设计部分的实物图设计的主要部分是剩有泡沫泥浆即泡沫钻井液的筒体部分。

.技术关键在设计中最主要的是注意筒体内的压力，根据工作压力和温度以及工作的其它环境选择合理材料和结构，螺纹设计要满足强度要求，且要注意密封效果。

要根据实用经济美观的原则设计容器的尺寸和结构。

实验仪的设计.筒体设计.筒体材料的选择设计之前首先对筒体进行材料的选择。

压力容器材料费用占总成本的比例很大，般超过。

材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。

选材不当，不仅会增加总成本，而且有可能导致压力容器破坏事故，因此，合理选择压力容器是设计的关键之。

压力容器用材多种多样，有钢有色金属非金属复合材料等，用的最多的还是钢。

设计中我选择了不锈耐酸钢，因为不仅在高温高压下变形抗力较大而且耐酸耐腐蚀性强，适合本设计的操作条件，成本也较其他耐酸不锈钢小。

.筒体结构的选择近年来，高压容器的操作压力越来越高，容器尺寸越来越大，这就迫使人们去研究高压容器的新结构和新的设计方法。

普遍使用或散见于文献中的高压容器的筒体结构主要有.单层厚壁筒体.双层或多层筒体.饶丝式筒体.其他形式筒体剖分块式层间充压式其他形式各种结构的筒体承载能力如下图根据筒体结构的承载能力和设备的操作条件以及技术经济指标，选择单层厚壁筒体。

.筒体内径的设计根据体积公式而工作要求根据结构需要以及为使整体美观，选取筒体内径.筒体长度的设计由可得.可知钻井液在筒体中所占的长度为.，又考虑到活塞，螺母等在筒体中所占的空间，在设计中取筒体高度。

.厚度的设计根据我国钢制石油化工压力容器的设计规定，为计算简便，内压厚壁圆筒壁厚的计算仍采用薄壁圆筒的中径公式。

由机械设计手册，对，可查得其中，为为常温时材料的抗拉强度为钢材的屈服点根据设计压力和液柱静压力确定计算压力液柱静压力假设液体密度小于设计压力的忽略不计园筒应力分析如图弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。

对于韧性材料，在单向拉伸应力作用下，屈服失效判据的数学表达式为式中材料的屈服点，.许用应力代替中的材料屈服点，得到相应的设计准则由于历史的原因，压力容器设计中，常用最大拉应力来代替中的应力，建立设计准则，即压力容器材料的韧性较好，对于承受内压的薄壁圆筒，经向和周向薄膜应力为式中计算厚度，圆筒中面直径，显然由式得用系圆筒内直径带入上式，经化简得取等号得径比为圆筒厚度计算式为称为中径公式在该实验仪筒体的厚度设计中，我们选择中径公式.由机械设计手册查得单层厚壁筒体在内压作用下，圆筒壁内所产生的应力很大，并且应力的分布沿着器壁的厚度方向是极不均匀的，内壁应力很大，外壁应力就降低很快，应力变得很低。

所以在较高压力作用下，筒内壁受有很高的应力，以至有可能发生屈服或者塑性流动，而外壁应力仍然很低。

厚壁圆筒在非弹性范围内工作，会使容器的寿命大大受到影响，更容易发生疲劳破坏。

为了保证筒体在弹性范围内工作，可以用高强度的材料来制造筒体，但是随着材料强度的提高，其塑性韧性就下降，反而显得不甚安全。

而且整个筒体都采用高强度钢制造就不经济。

为了提高单层厚壁圆筒的承载能力，在筒体的外径与内径之比在以内，常常用增加筒体的壁厚的办法。

根据以上理论，为保证筒体安全，在设计中取厚度。

.筒体的强度校核厚壁圆筒在几何上对称于轴线，所受载荷和约束情况，般也对称于轴线。

针对单层厚壁筒体，最大剪应力理论即第三强度理论，只考虑了周向应力与径向应力，而未考虑轴向应力对强度的影响，尽管有些偏差，但经加压试验证实无论在理论上或在实