工程光学照相物镜镜头设计与像差分析

第一篇：工程光学照相物镜镜头设计与像差分析

课程设计说明书

工程光学课程设计

题目：照相物镜镜头设计与像差分析

院（系）名称

信 息 工 程 学 院

专

业 班 级

光电信息科学与工程 学

号

14010210XX

学

生 姓 名

T X Y

指

导 教 师

2016年1月10日 课程设计说明书

I

目录

1照相物镜发展历程....................................................................................................1 1.1风情摄影物镜.......................................................................................................1 1.2匹兹堡人物物镜...................................................................................................1 1.3对称型物镜...........................................................................................................1 1.4三片式物镜...........................................................................................................1 1.5双高斯物镜...........................................................................................................2 1.6摄远物镜...............................................................................................................2 1.7反摄远物镜...........................................................................................................2 1.8广角物镜...............................................................................................................2 1.9变焦距物镜...........................................................................................................2 2照相物镜光学性能....................................................................................................3 2.1相对孔径...............................................................................................................3 2.2视场角2W.............................................................................................................3 2.3焦距F’..................................................................................................................3 3设计过程....................................................................................................................5 3.1初始结构的选择...................................................................................................5 3.2输入参数和缩放...................................................................................................6 3.3在ZEMAX中进行优化......................................................................................8 总结..............................................................................................................................14 致

谢..........................................................................................................................15 参考文献.....................................................................................................................16

课程设计说明书

II 照相物镜镜头设计与像差分析

摘 要

随着信息化时代的到来，人们对照相的要求也越来越高，而照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨率直接影响到照相机的精度与成像质量。要保证所设计的照相物镜达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度和分辨率。

完成本课题需要以下几个部分

第一： 知晓物镜发展历程和物镜基本光学性能； 第二： 选择所需器件参数，符合本次课题设计要求； 第三： 应用ZEMAX光学设计软件进行课题设计；

第四： 对各结构元件进行反复的优化设计，使之达到要求的技术指标并显示快 速傅里叶显示图，赛德尔系数，视场、场曲失真图 第五： 总结了设计过程的心得体会。

关键词：ZEMAX；物镜；赛德尔系数；快速傅里叶

课程设计说明书1照相物镜发展历程

物镜的发展经历了许多年，经过不断地更新与发展，实际用途越来越广，质量越累越好，物镜经历了以下发展： 1.1风情摄影物镜

最早出现的照相物镜在1812年是单片的正月牙透镜，相对孔径小于1:14，视场50度以内，可用于室外照明良好的条件下拍照。

1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙型的单透镜，双胶合透镜因色差得到校正成像质量有所提高，但制作成本比较高，正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量，因为双分离情形下可以更好地校正色散。1.2匹兹堡人物物镜

1840年匹兹堡设计出了一个相对孔径为1:3.4，视场为25度左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影，是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。

匹兹堡物镜是1910年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它在近轴部分的成像优良，至今仍在用作电影放映物镜等须要大孔径小视场的场合，匹兹堡物镜的改进形式很多，是现在五大类物镜中的一类。1.3对称型物镜

最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望镜头，相对孔径为1:30，视场为70度，只能用做风景摄影。海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在1900年设计出的，两个透镜的外表几乎是半球面，具有140度左右的视场，相对孔径很小1:30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在航测仪器中。数器、输入/输出接口和其他多种功能期间集成在一块芯片上的微型计算机。1.4三片式物镜

1893年，塔克洛尔用分离薄透镜作为对称型的一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数 课程设计说明书恰能校正七种像差。这种类型现在已具有相对孔径1:4，视场50度的光学性能。如果视场减小时，相对孔径可达1:2.8，现在它依旧是一种比较流行的物镜。

1902年出现的天塞物镜可看做三式的后面一块正透镜改为二块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式要好。1.5双高斯物镜

双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径比较大，它是现在1:2物镜的主要结构。1.6摄远物镜

用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远物镜。1.7反摄远物镜

由正负透镜组分离组成，负透镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到像方顶焦距大于焦距的目的。1.8广角物镜

广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。1.9变焦距物镜

物镜能在一定范围内迅速的改变焦距，从而在投影仪固定不动的情况下获得不同比例的影像，可以代替多个定焦距摄影物镜使用。

（本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最单，像片质量最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—

4、海鸥—

9、天鹅相机等。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量）

课程设计说明书2照相物镜光学性能

照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征，即相对孔径D/f’，视场角2w，焦距f’。2.1相对孔径

相对孔径是个比值，镜头的有效的孔径与焦距比值，表示镜头的纳光束多少。照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度

E’=1/4πLτ(D/f’)2

照相物镜按其相对孔径的大小，大致可分为如下表1所示：

表1 照相物镜的相对孔径

弱光物镜 普通物镜 强光物镜 超强光物镜 2.2视场角2w

相对孔径小于1：9； 相对孔径为1：9~1：3.5 相对孔径为1：3.5~1：1.4 相对孔径大于1：1.4 在光学仪器中，以光学镜头为顶点，以被测目标的物像，可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角叫做视场角。

照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。

按视场角的大小，照相物镜又可分为如下表2所示：

表2 照相物镜视场角

小视场物镜 中视场物镜 广角物镜 超广角物镜 2.3焦距f’

视场角在30°以下 视场角在30°~60°之间 视场角在60°~90°之间 视场角在90°以上

焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜 课程设计说明书光心到光聚集之焦点的距离。

照相物镜的焦距决定所成像的大小 当物体处于有限远时，像高为

y’=(1-)f'tan

：垂轴放大率，y'l'。yl对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般l>1米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，l'f'，所以

f' l当物体处于无限远时，→∞像高为

y’=f'tan

照相物镜的焦距标准如下表3所示：

表3照相物镜焦距标准

物镜类型 鱼眼 超广角 广角 标准 段望远 望远 超望远

物镜焦距f’/mm 7.5~15 17~20 24~28~25 50 85~100 135~200~300 400~500~600~800 照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数决定了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。

课程设计说明书3设计过程

3.1初始结构的选择

照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。

设计要求：

1、焦距：f’=12mm；

2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；

3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；

4、后工作距>6mm；

5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；

6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm；

7、最大畸变<1%。

照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围，镜头所成的半像高y可用公式y=-f*tanw计算。

f为有效焦距，2w为视场角。半像高y应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径,防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角。

经过简单计算：

y’=sqrt(4.29^2+5.76^2)/2≈3.6mm，w=atan(y’/f)≈16.66°，视场角2w=33.32°。

在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1所示），课程设计说明书后置光阑三片物镜原始结构

图1 初始参数为： 焦距分f’=42.12mm； 相对孔径2.8； 视场角2w=54°。其余参数如下表4所示：

表4其余参数

r1=13.44 r2=30.996 r3=-40.614 r4=13.44 r5=32.508 r6=-27.006 3.2输入参数和缩放

d1=4.41 d2=4.41 d3=1.01 d4=2.39 d5=3.36

n=1.67779

n=1.59341

n=1.69669

v=55.2 v=35.5 v=55.4

将参数输入ZEMAX中：

其中第六面设为光阑面，厚度设为marginal ray height，移动光标到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（Infinity）之上”；

按INSERT键，这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。新的面被标为第2面。再按按INSERT键两次，移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入表4中的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表4中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是：在表中点右键对话框Solve Type选中Model，课程设计说明书Index nd中输入n值Abbe Vd中输入v值，如下图2所示。在system-general-aperture中输入相对孔径值2.8如下图3所示，在tools-make focus中该改焦距为12mm进行缩放如下图4所示。在system-wavelength中输入所选波段，选d光为主波长如下图5所示。输入初始参数如下图2所示：

图2输入相对孔径值

设置相对孔径值和波段如下图3所示：

图3：输入相对孔径值

改焦距为12mm进行缩放如下图4所示：

图4：缩放后图

课程设计说明书输入所选波段如下图5所示：

图5输入所选波长

缩放后得到我们所设计的焦距f’=12mm的初始参数（如下图6所示）。

图6：初始参数

现在开始定义视场，我们根据之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所选孔径光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452输入到system-field中，类型选择真值高度。

到这里，初始结构及其参数已经完成。3.3在ZEMAX中进行优化

利用ZEMAX得到初始结构的MTF曲线（如下图7所示）可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。

课程设计说明书MTF曲线图如下图7所示：

图7：MTF曲线图

该结构可以用作优化变量的的数据有： 6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。

首先使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化，选择Editors-Merit Function，在第一行中先输入EFFL，目标值设为12，权重设为1。在输入SPHA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。第二个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入100，在Target中输入0.04，在Weight中输入1。同理输入MTFA和MTFS（如下图8所示）。再选择Tools-Default Merit Function，设置玻璃厚度以及空气间隔、start设为2（如下图9所示），再选择OK，建立缺省评价函数。（EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距。SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。MTF：指子午调制传递函数。）

课程设计说明书缺省评价函数如下图8所示：

图8：缺省评价函数

设置玻璃厚度以及空气间隔如下图9所示：

图9：玻璃及空气厚度

然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量优先优化如图10所示。

课程设计说明书

图10

发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。先将STO面的类型改为Even Asphere，并将此行的4th term、6th term、8th term设为变量。将1、6面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。如下图11所示。

优化后图

图11

到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据2D图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注MTF图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。

课程设计说明书赛德尔系数如下图14所示：

图14 3D草图显示如下图15所示：

图15：3D草图

在分析（Analysis）的杂项中得出视场场区图，然后再在分析中找到点列图得到如下图所示的点列图如下图16所示：

课程设计说明书

图16：点列图

优化后视场、场曲失真图如下图17所示

图17：视场、场曲失真图

课程设计说明书总结

在这次工程光学课程设计中，我选择的题目是照相物镜镜头设计与像差分析，刚看到这个题目时我以为很简单，感觉有些熟悉，但是等到做的时候才发现并不是这么回事的，真的到自己做的时候才发现还是很有难度的。在这次课程设计中，之所以能够从当初的茫然无措中走出来最重要的就是平时的光学知识的学习和积累。在接到这个题目之后，我查阅了很多关于照相物镜的资料，去了图书馆，又在网上搜到很多的相关资料，通过对这些资料的研究和分析。不但对我的课程设计有很大的帮住，而且对自己的照相物镜的学习也提高了不少，学到了许多平时课本上比较模糊的知识点，知识变得更加清晰，也更加明了。本文采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透镜, 在ZEMAX 中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正, 逐步消除了基本像差、高级像差, 并进行了像差平衡, 获得了实际焦距11.953mm照相镜头, 各个市场畸变控制在1%以内,M TF 曲线也比较理想, 镜头总长为14.3602 mm。该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较好。在此次设计中，我们发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，同时我们只进行了对玻璃厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜，第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之获得更好的表现。

课程设计说明书致 谢

通过本次课程设计，我学到了很多新的知识，让我了解到理论和实践是分不开的，同时也发现了自己的不足。在设计过程中，孙彩霞老师在百忙中对我的设计进行了指导。老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，她又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。感谢老师对我的课程设计不厌其烦的细心指点。我才能更快更准确地完成。在以后的学习中，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。而且我还从老师那里学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神。我再次为老师的耐心付出表示感谢。

课程设计说明书参考文献

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[7] 涂德华．共轴光学系统镜框结构设计[J]．光学仪器2007．

[8] 石顺祥，张海兴，刘劲松．物理光学与应用光学[M]．西安西安电子科技大学出版社，1999．

第二篇：工程光学设计课程教学改革与创新探析论文

“工程光学设计”课程是机械电子工程专业光机电一体化方向的一门重要必修课,文章从教学现状和教学难点动身,针对教学内容、教学办法和理论教学等方面,提出和进行了一系列详细的教学变革。

随着光学技术的开展，对光学仪器和光电仪器设计的请求也越来越高，这就请求设计者具备扎实的理论根底、较高的设计技巧和现代光学系统设计计算才能。目前，社会上对光学设计的专业人才有着越发迫切的需求，为此，高校肩负着培育具有良好光学设计才能的工程型人才的重担。

为了协助学生稳固应用光学专业根底学问，控制评价光学系统的根本办法，进步学生对光学系统的应用才能和设计才能，该校在光学工程学科研讨生教学中开设了“光学工程与系统设计”课程。该课程在本科工程光学的根底上，系统、全面地解说光学工程的理论、应用和系统设计办法，协助学生进步在工程应用中处理实践问题的才能。

“光学工程与系统设计”课程针对光学工程学科研讨生开设，请求学生具有一定的光学工程根底学问，教学目的是培育光学工程的高级应用人才。授课内容除注重于根本概念的解说和根本原理的剖析外，拟经过大量丰厚的光学系统应用实例，培育和进步学生发现和处理工程问题的才能。

因而，该门课程在较短的课时内，既要有对专业根底学问的深化了解，又要结合工程消费理论，以处理实践设计问题为目的，使学生在系统、全面地控制光学设计理论和设计办法根底上，可以独立完成大多数典型光学部件和系统的设计工作。因而，要到达较好的授课效果，对授课教员提出了较高的请求。

在“光学工程与系统设计”的授课中，如何将理论与实践相结合，充沛调动学生学习兴趣，使学生逐渐顺应从习气于科学理论、理想假定的学习者到光学工程专业技术人员的转变，培育和进步学生发现和处理工程问题的才能，是重点思索的问题。该文将对教学中遇到的问题及经历进行做出总结。“光学工程与系统设计”教学中面临的主要问题

在该课程的教学过程中，主要存在的问题有以下几点。

1.1 学时少，相应配套课程不完善，学生根底学问程度不平衡

“光学工程与系统设计”课程涵盖光学成像理论、典型现代光学系统的构造原理和光学特性、光学系统设计办法等等方面，触及学问内容十分普遍。在有限的学时内，要完成一切的教学内容，到达使学生系统、全面地控制光学设计理论和办法，进步学生现代光学系统设计才能，培育学生工程素质的目的，对学生的根底学问、综合才能的请求都较高。而在实践教学中，由于学生可能来自于不同的本科专业，在光学工程类根底课程方面的学问程度表现出很不平衡，相应的配套课程也不够完善。因而，如何在本课程的教学中，如何缓这些矛盾，补偿这些缺陷，到达好的授课效果，对教员提出了很大应战。

1.2 学生工程认识淡薄，入手才能差，不能将理论与实践相结合学生对工程设计的特性仍旧缺乏认识，对工程问题较为陌生，工程认识十分淡薄，因而形成了入手才能差，不能将所学的理论学问与实践应用有机结合的问题。而本课程正是以培育具有良好光学设计才能的工程型人才为目的，因而，如何理论结合实践，在对实践问题的剖析与讨论中，培育学生学习与开展的才能和发明性处理工程问题的才能，是重点要处理的一个问题。

1.3 学生的学习积极性问题

教育学以为：兴趣是学习最好的教师。学生对所学习的课程产生了兴趣，才干愈加认真、愈加投入地吸取课程的学问，更好地发挥思想和智力的潜能，做出发明和创造。正是由于本课程触及内容普遍，学生根底学问程度不平衡，假如不可以采取合理措施，将理论与理论相结合，充沛调动起学生学习的主动性，就更容易形成局部学生对课程丧失兴趣，消极学习。因而，作为专业课程教师，怎样培育学生的学习兴趣，不使学生觉得学习过程无聊、无用而索然无味，是授课教员必需认真考虑的问题。教学变革理论与探究

针对以上问题，我们在教学过程中，从教学体系、教材、课件、教学办法等多方面进行变革探究，以完善教学内容、创新教学办法为动身点，从进步学生兴趣，增强师生互动，解说深化浅出，理论结合实践，融入科研内容等多方面着手，改善教学效果，获得了较好的效果。主要采用了以下手腕后。

2.1 精心规划授课内容，留意衔接，对症下药

该课程许多内容触及到几何光学、物理光学、激光原理等根底课程学问，希望学生可以具有一定的相关根底，在授课时才干产生较好的效果。但是，如前所述，在教学中存在学生根底学问程度不平衡，配套课程不够完善的问题。为处理这一矛盾，在授课体系与授课内容方面，进行了精心的规划，力图合理。

首先，在授课内容方面，注重教材内容的科学组织，在内容的编排上留意学问自身的内在规律性、系统性及互相联络，加强课程各个局部之间的逻辑性，对症下药，从而俭省学时，处理课程容量大与学时有限的矛盾。其次，在讲授必要内容的根底上，留意与前期课程的衔接，但并不完整依赖于前期课程学问的控制，而是注重启示、引导学生自主的温习、控制、扩展原有学问，例如经过布置考虑标题、提供参考文献、课上讨论等方式，协助和鼓舞学生经过主动学习，来处理根底学问程度不平衡的问题。同时，在授课中并不简单的依照教材施教，而是及时结合科研项目，充沛应用与课程有关的最新研讨成果，补充身手域的前沿技术。经过合理的规划授课内容，并在授课过程中，留意衔接，对症下药，鼓励学生课下主动学习的方式，进步了教学质量。

2.2 理论结合实践，重在才能培育

本课程除了具有学问的系统性、理论性强的特性外，更重要的特性是应用性强。在工程设计中，需求灵敏地运用学过的理论学问，用理论指导理论，才干使设计朝着胜利的方向行进。当设计过程呈现问题时，怎样应用理论学问和理论经历，来有效地进行修正，最终得到满足运用请求的系统设计，这种处理工程问题的才能的进步，是本课程最中心要处理的问题。

为此，我们在根底理论讲授后，经过抛出一个或几个实践工程设计问题，引导学生进行深化考虑与讨论，完成自主设计。例如在学习了像差理论及典型显微光学系统后，请求学生设计一款高倍率显微系统，针对该系统设计过程中发作的各种问题，包括怎样从低倍率系统逐渐过渡到高倍率系统，怎样完成复消色差，以及工程实践中如何完成系统装调等等问题，逐个进行讨论和剖析，经过引导学生发现问题，鼓舞学生自主剖析处理问题，进步学生的理论才能。

这样的理论与实践相结合的过程，深受学生好评，学生们分歧以为，经过这样的练习，不但加深了对理论学问的了解，更大大进步了他们发现和处理工程问题的才能。

2.3 创新授课办法，刺激学生主动学习

由于授课内容的更新以及理论与实践相结合的请求，教员在授课办法上也必需进行相应的创新，才干够到达预期的效果。学生是课堂教学的主体，只要激起学生求知的动力，课堂教学才有可能胜利。除了传统的讲授方式外，在本课程的授课过程中，愈加注重启示式教学和讨论式教学。启示式教学办法，是指经过具有启示式的发问，鼓励学生学习的兴趣，从而培育学生的发明性思想才能。讨论式教学办法，是指经过讨论问题，积极引导学生进行独立考虑，培育学生的自主学习才能。

在详细做法上，除了采用布置考虑标题，引荐参考文献的方式外，还经过将学生分为协作小组，针对某一任务进行组内协作，然后组织各小组就各自研讨成果在全班进行交流，鼓舞学生之间就技术问题进行讨论、质疑与争辩，加深了解。

经过启示式与讨论式教学办法的引入，加强了师生互动，进步了学生的学习兴趣，刺激学生主动学习的愿望。结语

在“光学工程与系统设计”的教学中，针对存在的问题，从规划授课内容、理论结合实践以及创新授课办法等等方面进行了教学变革的理论与探究。经过合理地规划授课内容，理论与实践相结合，以及引入启示式和讨论式的教学办法，注重对学生发现和处理工程问题的才能的培育，刺激学生学习的主动性与积极性，进步了教学质量，收到了良好的效果。

第三篇：飞行器设计与工程专业前景分析

飞行器设计与工程专业前景分析

学号：1081820129

姓名：郭泽宇

飞行器设计与工程专业

哈工大飞行器设计与工程专业简介：

飞行器设计与工程专业的前身是1959年成立的战略导弹总体设计专业，文革期间停办，1990年根据国家航天发展和国防建设需要恢复专业招生，1991年根据国家教委专业设置的原则，更名为飞行器设计与工程专业，1959年至今已经为国家培养21届毕业生。该专业已成为国防科工委重点专业。该专业是我校航空宇航科学与技术一级学科的重要组成部分，下设飞行器设计、人机与环境工程两个二级学科，均具有硕士和博士学位授予权，其中飞行器设计学科是国家重点学科，并建有航空宇航博士后流动站。

飞行器设计与工程专业方向的培养目标：

将人才培养定位于培养高素质的航天专业研究、设计型人才，相应的专业培养目标是培养适应21世纪社会主义现代化建设需要的德、智、体、美等方面全面发展的，具有宽广的自然和人文社会科学基础，具有创新和实践能力的高级航天专业技术专门人才。学生毕业后可在航空航天及兵器等领域从事飞行器总体设计、结构设计、飞行力学与控制等研究设计工作。也可在其它领域从事产品机电一体化设计和控制等方面应用研究、技术开发工作。

业务培养要求：

本专业学生主要学习飞行器设计方面的基本理论和基本知识，受到航空航天飞行器工程方面的基本训练，具有参与飞行器总体和部件设计方面的基本能力。

主要课程：

材料力学、机械设计、弹性力学、结构力学、流体力学与空气动力学基础、飞行器动力学、飞行力学、力学性能与结构强度、试验技术、自动控制理论、飞行器总

体设计、结构设计、复合材料设计与分析、空间制导控制等。

深造与就业前景：

毕业生可选择报考本专业及相关学科专业的硕士研究生，近年来平均考研率40％以上。

毕业生就业实行双向选择，就业方向主要分布在航天、航空研究院（所）、国有大型企业、部队、政府机关等。主要到航空、航天、交通、能源、环境等部门从事飞行器动力装置及其他热动力机械的设计、研究、生产、实验、运行维护和技术管理等方面的工作。从事飞行器设计、仿真技术与控制系统等方面的研究、开发和技术管理工作，就业地点集中在北京、上海、西安、沈阳、成都等大中城市。

各航天研究院：

航天一院:运载火箭技术研究院；

航天二院:地空导弹研究院(长峰集团)

航天三院:飞航导弹研究院(海鹰集团)

航天四院:航天化学动力研究院(固体)西安

航天五院:空间技术研究院

航天六院:中国河西化工机械公司(内蒙古)

航天七院:航天建筑设计研究院

航天八院:上海航天技术研究院(上海航天局)

航天九院:航天基础电子技术研究院

航天十院:航天时代仪器公司（北京）

两大航天集团：

1、中国航天科技集团

中国航天科技集团公司（简称“航天科技集团公司”，CASC）是经国务院批准，在原中国航天工业总公司所属的部分企事业单位的基础上组建成立的国有特大型独资企业，由国务院直接管理。航天科技集团公司具有完整配套的研究、设计、试制、生产和试验体系和技工贸一体化的经营机制，主要研制、生产、经营各类航天运载器、航天器、战略战术导弹以及卫星地面应用系统等航天产品;开发、生产、经营机械、电子、化工、通讯、交通、计算机、医疗等多种民用产品。作为拥有47年历史的特大型国企，航天科技集团书写了震惊世界的两弹一星成就，记录了神舟五号载人飞船的圆满成功，以及发射五艘飞船、六十多颗国产卫星和二十多颗国外卫星的骄傲。

中国航天科技集团公司现在拥有5个大型研究院：

1、中国运载火箭技术研究院（第一研究院）；

2、中国空间技术研究院（第五研究院）；

3、上海航天技术研究院（第八研究院）；

4、航天化学动力技术研究院（第四研究院）；

5、中国航天电子基础技术研究院；

另外有2个大型科研生产基地：

1、四川航天工业总公司（067基地）；

2、西安航天科技工业总公司（062基地）；

此外还有若干直属研究所、工厂、公司等。

2、中国航天科工集团公司

又名中国航天机电集团公司，现拥有4个大型研究院，8个大型科研生产基地、7个直属大型企业和若干直属研究所、外贸公司、投资公司、控股与参股公司等。

拥有3个大型研究院：

一、中国长峰机电技术研究设计院（第二研究院）

二、中国海鹰机电技术研究院（第三研究院）

三、中国河西化工机械公司（第六研究院）

四、中国航天建筑设计研究院（第七研究院）

五、河南航天工业总公司

六、云南航天工业总公司

七、中国江南航天工业集团公司（０６１基地）

八、中国三江航天工业集团公司（０６６基地）

九、湖南航天管理局（０６８基地）

十、自动化测量控制技术公司

十一、中国航天工业供销总公司

十二、直属单位

中国长城工业总公司

第四篇：采油工程原理与设计

采油工程（张琪）

：油井流入动态与井筒多相流动计算

油井流入动态是指油井产量与井底流动压力的关系，它反映了油藏向该井供油能力。动态曲线：表示产量与流压关系的曲线，简称IPR曲线。三种流动状态：地层渗流（地层到井底）井口多相管流（井底到井口）

地面水平或倾斜管流（井口到分离器）采油指数：单位生产压差下的油井产油量。（单相流动时的IPR曲线为直线，其斜率的负倒数便是采油指数）

流动效率FE：该井的理想生产压差与实际生产压差之比。

油井的不完善：打开性质不完善井；打开程度不完善井；双重不完善井 S=0,FE=1 完善井 S<0,FE>1 超完善井 S>0,FE<1 不完善井

单相液流：当油井的井口压力高于原油的饱和压力时井筒内的液流 气液两相流动：当自喷井的井底压力低于饱和压力时 泡流：在井筒中从低于饱和压力的深度起，溶解气开始从油中分离出来，这时，由于气量少，压力高，气体都以小气泡分散在液相中，气泡直径相对于油管直径要小很多，这种结构混合物的流动称为泡流。

滑脱：由于油、气密度的差异和泡流的混合物的平均流速小，因此，在混合物向上流动的同时，气泡上升速度大于液体流速，气泡将从油中超越而过，这种气体超越液体上升的现象称为滑脱。

泡流的特点：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象比较严重。

段塞流：当混合物继续向上流动时，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡将合成大气泡，直到能过占据整个油管断面时，在井筒内将形成一段油一段气的结构，这种混合物的流动称为段塞流。

环流：随着混合物继续向上流动，压力不断下降，气相体积继续增大，泡弹状的气泡不断加长，并逐渐由油管中间突破，形成油管中心是连续的气流而管壁为油环的流动结构。

雾流：在油气混合物继续上升过程中，当压力下降使气体的体积流量增加到足够大时，油管中流动的气流芯子将变得很粗，沿管壁流动的油环变得很薄，此时，绝大部分油都以小油滴分散在气流中，这种流动结构称为雾流。

雾流特点：气体是连续相，液体为分散相；气体以很高的速度携带液滴喷出井口；气、液之间的相对运动速度很小；气相是整个流动的控制因素。自下而上：纯液流、泡流、段塞流、环流、雾流

滑脱损失的实质：液相的流动断面增大将引起混合物密度的增加。

滞留率：多相流动的某一管段中某相流体体积与管段容积之比（存容比）：自喷与气举采油

自喷：油层能量充足时，利用油层本身的能量就将油举升到地面的方式

(p54)自喷井生产系统的组成：地层到井底—地层渗流 井底到井口—井口多相管流

井口到分离器—地面水平或倾斜管流 嘴流：生产流体通过油嘴的流动 自喷井节点分析：以油井生产系统为对象把从油藏到地面分离器所构成的整个油井生产系统按不同的流动规律分成若干个流动子系统，在每个流动子系统的起始及衔接处设置节点。在分析研究各子系统流动规律的基础上分析各子系统的相互关系及其各自对整个系统工作的影响，为优化系统运行参数和进行系统的调控提供依据。

以井底为求解点：油藏到井底、井底到分离器（井底流压即油管鞋压力）以井口为求解点：油藏到井口、井口到分离器

以分离器为求解点：油藏到井底、井底到井口、井口到分离器

(P63)临界流动：指流体的流速达到压力波在流体介质中的传播速度即声波速度时的流动状态 油嘴系统分为：油嘴、井下安全阀、井下节流器 功能节点：压力不连续即存在压差的节点系统 功能节点分析过程：当以功能节点为求解点时，先要以系统两端为起点分别计算不同流量下节点的上、下游压力，并求得节点压差和绘出压差—流量曲线；然后，根据描述节点设备（油嘴、安全阀）的流量—压差公式或相关式，求得设备工作曲线。由两条压差—流量曲线的交点便可求得问题的解，即节点设备产生的压差及相应的油井产量。（对油嘴的生产系统，必须以油嘴为求解点）

气举：是利用从地面注入高压气体将井内原油举升至地面的一种人工举升方式（条件：必须有足够的气源；原理：依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出的流体在井筒中的混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流入到井内的原油举升到地面。）

气举按注气方式分为：连续气举：将高压气体连续注入井内，排井筒中液体的举升方式 间歇气举：向井筒周期性地注入气体，推动停注期间在井筒内聚集的 油层流体段塞升至地面从而排出井中液体的举起方式 沉没度：表示泵沉没在动液面以下的深度

启动压力：随着压缩机压力的不断提高，环形空间内的液面最终将达到管鞋（注气点）处，此时，井口注入压力达到的最高值称为启动压力。气举设计：根据给定的设备条件（可提供的注气压力及注气量）和油井流入动态确定的。（包 括气举方式和气举装置类型；气举点深度、气液比和产量；阀位置、尺寸、类型 及装配要求）

气举阀的作用：降低启动压力和排出油套环形空间中的液体。气举装置：开式装置（仅限于连续气举）、半闭式装置、闭式装置、箱式装置（后三种既可用于连续气举也可用于间歇气举）：有杆泵采油

有杆泵采油包括游梁式抽油井有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油 抽油装置系统：抽油机、抽油杆、抽油泵

抽油机工作原理：工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄做低速旋转，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。P94 游梁式抽油机：游梁—连杆—曲柄机构—减速箱—动力设备—辅助装置 按结构分为：普通式、前置式（区别：游梁和连杆的连接位置不同；平衡方 式不同，普通式多采用机械平衡，支架在驴头和曲柄连杆之间，其上、下冲程的时间相等。前置式多采用气动平衡）

抽油泵满足条件：

1、结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠。

2、制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长。

3、规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强。

4、便于起下

5、在结构上应考虑防砂、防气，病带有必要的辅助设备。抽油泵可分为管式泵和杆式泵

管式泵：结构简单、成本低、在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深不很大、产量较高的油井。

杆式泵：检泵方便，结构复杂，制造成本高，在相同油管直径下允许下入的泵径比管式小。适用于泵深度大、产量较小的油井。

冲程：活塞上下运动一次称为一个冲程分为上冲程和下冲程 冲次：每分钟内完成上下冲程的次数

光杆冲程：悬点在上下死点间的位移用S来表示 活塞冲程：活塞在上下死点间的位移用Sp来表示 泵吸入的条件：泵内压力（吸入压力）<沉没压力

泵排出液体的条件：泵内压力（排出压力）>柱塞以上的液柱压力

泵的工作过程：柱塞在泵内让出容积、井内液体进泵、泵内排出井内液体

四连杆机构：以游梁支点和曲柄轴中心的连线做固定杆，以曲柄、连杆、游梁后臂为三个活 动杆。

悬点载荷：抽油杆柱载荷Wr，柱塞上的液柱载荷Wl，惯性载荷 上冲程抽油杆柱载荷—抽油杆柱在空气中的重力 下冲程抽油杆柱载荷—抽油杆柱在液体中的重力 上冲程中柱塞上的液柱载荷—柱塞以上的液柱重力 下冲程过程中无液柱载荷—等于零

吸入压力：上冲程中，在沉没压力作用下，井内液体克服泵的入口设备的阻力进入泵内，此 时液流所具有的压力

井口回压对悬点载荷的影响：上冲程中增加悬点载荷；下冲程中减小抽油杆柱载荷 上冲程中：前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，增加悬点载荷 后半冲程加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，减小悬点载荷 下冲程中：前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷 后半冲程惯性力向下，增大悬点载荷 抽油机不平衡的原因和后果：上冲程中悬点承受着最大载荷，所以电动机必须作很大的功才能使驴头上行；下冲程中，抽油杆在其自身重力作用下克服浮力下行，这是电动机不仅不需要对外做功，反而接受外来的能量做负功，造成抽油机在上、下冲程中的不平衡。（上、下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不想等。）后果： 上冲程中电动机和承受着极大的负荷，下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命。

由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。会破坏曲柄旋转速度的均匀性，而影响抽油杆和泵的正常工作。抽油机平衡原理：在下冲程中把能量储存起来；在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功。

抽油机平衡方式：气动平衡

机械平衡：游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡

抽油机平衡检验方法：

1、测量驴头上、下冲程的时间（如果上冲程快、下冲程慢，说明平衡过量，则应减小平衡重量或平衡半径）

2、测量上、下冲程中的电流（如果上冲程的电流峰值大于下冲程大 的电流峰值，则说明平衡不够，应增加平衡重量或增大平衡半径）

3、观察法

目前国产抽油机所选配的电动机大多是：高启动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。等值扭矩：用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩，两种扭矩下电动机发热条件相同，则此固定扭矩即为实际变化的扭矩的等值扭矩。

水力功率：指在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率 光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率 泵效：实际产量/理论产量

影响泵效的因素：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩 气体和充不满的影响 漏失影响

影响泵效的漏失的因素：排出部分漏失、吸入部分漏失、其他部分漏失 提高泵效的措施：

1、选择合理的工作方式。

2、确定合理沉没度，以降低泵口气液比，减少进泵气量，从而提高泵的充满程度。

3、改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能，采取防砂、防腐蚀、防蜡及定期检查泵等 措施。

4、使用油管锚减少冲程损失。

5、合理利用气体能量及减少气体影响。

有杆油井生产系统：油层、井筒流动、机—杆—泵和地面出油管线到油气分离器。静液面：关井后环形空间中液面恢复到静止（与地层压力相平衡）时的液面。动液面：油井生产时油套环形空间的液面。

地面示功图：表示悬点载荷与位移的示功图称为地面示功图

P157

第五章：注水

油田注水要求：水源的水量充足、水质稳定

水源种类：地面水源、来自河床等冲积层的水源、地层水水源、油层采出水 注入水处理技术：

1、沉淀（聚凝剂：硫酸铁、三氯化铁和偏铝酸钠）

2、过滤

3、杀菌（杀菌剂：次氯酸、次氯酸盐及氟化钙、甲醛既有杀菌作用又有 防腐作用）

4、脱氧

5、曝晒

6、含油污水处理

污水回注的优点：(1)污水中含表面活性物质，能提高洗油能力。

(2)高矿化度污水回注后，不会使粘土颗粒膨胀而降低渗透率。

(3)污水回注保护了环境，提高了水的利用率。污水回注应解决的问题：(1)处理后的污水应达到注水水质标准。

(2)水在设备和管线中既不产生堵塞性结垢，又不产生严重腐蚀。

(3)和地层水不起化学反应生成沉淀，以免堵塞油层。注水地面系统：水源泵站、水处理站、注水站、配水间和注水井 注水站作用：将来水升压，以满足注水井对注入压力的要求。储水罐作用：

1、储备作用：为注水泵储备一定水量，防止因停水而造成缺水停泵现象。

2、缓冲作用：避免因供水管网压力不稳定而影响注水泵正常工作及其它系统的 供水量及水质。

3、分离作用：可使水中较大的固体颗粒物质、砂石等沉降于罐底，含油污水中 较大颗粒的油滴可浮于，便于集中回收处理。注水井投注程序：

排液（目的在于清除油层内的堵塞物，在井底附近造成适当的低压带，为注水创造 有利条件，并利用部分弹性储量，减少注水井排或注水井附近的能量损失，有利于 注水井排拉成水线。）

洗井（目的是把井筒内的腐蚀物、杂质等污物冲洗出来，避免油层被污物堵塞，影 响注水。）

试注（目的在于确定能否将水注入油层并取得油层吸水启动压力指数等资料，根据 要求注入量选定注入压力。）

4、转注（注水井通过排液、洗井、试注，取全准试注的资料，并绘出注水指示曲线，在经过配水就可以转为正常注水。）

吸水指数：单位注水压差下的日注水量，单位为m3/(d*MPa)比吸水指数：地层吸水指数除以油层有效厚度的数值 视吸水指数：日注水量/井口压力

（未进行分层注水时若采用油管取水，则井口压力取套管压力；若采用套管注水，则井口压力取油管压力。）

影响吸水能力的因素：

分层注水作用：解决层间矛盾，调整油层平面上注入水分布不均匀的状况，以控制油井含水 上升和油田综合含水率的上升速度，提高油田的开采效果。

封隔器失效的原因：

1、封隔器胶皮筒变形或破裂，使胶皮筒无法密封

2、配水器弹簧失灵及管柱底部阀密封不严，使油管内外压差达不到封 隔器胶皮筒胀开所需要的压力差。

表现：油套压平衡；注水压力不变（或下降），而注入量上升。欠注：设计配注量大于实际注水量使配注误差为正 超注：设计配注量小于实际注水量使配注误差为负

嘴损曲线：配水嘴尺寸、配水量和通过配水嘴的节流损失三者之间的定量关系曲线。

注水井调剖：为了调整注水井的吸水剖面，提高注入水的波及系数，改善水驱效果，向地层 的高渗透层注入堵剂，堵剂凝固或膨胀后，降低高渗透层的渗透率，迫使注入 水增加对低含水部位的驱油作用的工艺措施称为注水井调剖。

调剖方法：

1、单液法：向油层注入一种液体，液体进入油层后，依靠自身发生反应，随后 变成的物质可封堵高渗透层，降低渗透率，实现堵水。

堵水剂：石灰乳、硅酸溶液、络冻胶、硫酸、水包稠油

2、双液法：向油层注入由隔离液隔开的两种可反应（或作用）的液体。堵水剂：沉淀性堵剂、冻胶型堵剂、胶体分散体型堵剂 注水井调剖的选井条件：

1、位于综合含水高、采出程度较低、剩余油饱和度较高的注水井

2、与井组内油井连通情况好的注水井

3、吸水和注水状况良好的注水井

4、固井质量好、无窜槽和层间窜漏现象的注水井 调剖是否有效判断条件：

1、处理层吸水指数较调剖前下降50%以上

2、吸水剖面发生明显合理变化，高吸水层降低吸水量，低吸水层增 加吸水量10%以上

3、压降曲线明显变缓

示踪剂：指能随流体运动，易溶且在低浓度下仍可被检测，用以指示溶解它的液体在多孔介 质中的存在、流动方向或渗透速度的物质。常用的水示踪剂：放射性示踪剂、化学示踪剂 第六章：水力压裂技术

水力压裂：利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，便在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。（原理主要是通过降低降低附近地层中流体的渗流阻力和改变流体的渗流状态。）

破裂梯度：指地层破裂压力与地层深度的比值

1、一般认为β小于15-18时形成垂直裂缝，而大于23时则是水平裂缝。因此深地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。

2、如果地层破裂压力过高，难以进行正常施工，可进行预处理以降低破裂压。这些方法的实质是降低井底附近地层的应力，如高效射孔、密集射孔、水力喷砂射孔及小规模酸化。压裂液：前置液：作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝，以备后面的携砂液进入。携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂缝内预定位置上。

顶替液：将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用；注完携砂液后要用顶替液 将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液的效率和防止井筒沉砂。压裂液的性能要求：

1、滤失少

2、悬砂能力强

3、摩阻低

4、稳定性

5、配伍性

6、低残渣

7、易返排

8、货源广、便于配制、价钱便宜

压裂液类型：水基压裂液、酸基压裂液、油基压裂液、乳状及泡沫压裂液。

压裂液到地层受三种机理控制：压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性及压裂液的造壁 性。

初滤失量：形成滤饼前的滤失量用Vsp表示。幂律液体流动从地面到地下裂缝中的四种过程：地面管线、井筒、射孔孔眼和裂缝中的流动。导流率：指油层条件下填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用FRCD表示。

支撑剂的性能要求：

1、粒径均匀，密度小

2、强度大、破碎率小

3、圆度和球度高

4、杂质含量少

5、来源广，廉价

支撑剂的类型：脆性支撑剂，韧性支撑剂（按力学性质分）树脂包层支撑剂的优点：

树脂薄膜包裹砂粒，增加了砂粒间的接触面积，从而提高了支撑剂抗闭合压力的能力。树脂薄膜可将压碎的砂粒小块或粉砂包裹起来，减少了微粒的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝的导流能力。

树脂包层砂总的体积密度比上述中强度与高强度陶粒要低很多，便于选否，因而降低了对携砂液的要求。

树脂包层支撑剂具有可变形的特点，这使其接触面积有所增加，可防止支撑剂在软地层中的嵌入。

裂缝内的砂浓度：指单位体积裂缝内所含支撑剂质量。

裂缝闭合后的砂浓度：指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。（支撑剂体积与压裂液体积之比）

平衡状态：液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力，此时颗粒停止沉降，这种状态称为平衡状态。颗粒在垂直剖面上的分布：区域1是沉降下来的沙堤，在平衡状态下沙堤的高度为平衡高度。区域2是在沙堤面上的颗粒滚流区

区域3则是悬浮区，颗粒都处于悬浮状态，存在浓度梯度 区域4是无砂区

支撑剂的选择依据：支撑剂的类型和粒径

影响支撑剂选择的因素：

1、支撑剂的强度；

2、粒径及其分布；

3、支撑剂类型；

4、其他因素（支撑剂的质量、密度以及颗粒圆度、球度也都会影响裂缝的导流能力。）影响压裂井增产幅度的原因：油层特性和裂缝的几何参数

（油层特性只要是指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等；裂缝参数是指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力）麦克奎尔—西克拉曲线结论： 在低渗油藏中，增加裂缝长度比增加裂缝导流能力对增产更有利。因为对低渗油层容易得到高的导流能力，要提高增产倍数，应以加大裂缝长度为主，这是当前在压裂特低渗透层时，强调增加裂缝长度的依据。而对高渗地层正好相反，应以增加导流能力为主。

对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力。因为对一定的油层条件，油层的供液能力是有限的，所要求的渗流条件（导流能力）也是有限的，过分追求高导流能力是不必要的。压裂效果预测：

1、增产倍数；

2、产量预测 :：酸处理技术

酸化原理：通过酸液对岩石胶结物或地层孔隙、裂缝内堵塞物等的溶解和溶蚀作用，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性。酸化分为：

1、酸洗：将少量酸液注入井筒内，清除井筒孔眼中酸溶性颗粒和钻屑及结垢等，并疏通射孔孔眼。

2、基质酸化：在低于岩石破裂压力下将酸注入地层，依靠酸液的溶蚀作用恢复 或提高井筒附近较大范围内油层的渗透性。

3、压裂酸化：在高于岩石破裂压力下将酸注入地层，在地层内形成裂缝，通过酸液对裂缝壁面物质的不均匀溶蚀形成搞导流能力的裂缝。酸岩反应速度：在数值上酸岩反应速度可用单位时间内酸浓度的降低值表示，也可用单位时间内岩石单位反应面积的溶蚀量来表示。酸岩反应的三个步骤：

1、酸液中H+传递到碳酸盐岩表面；

2、H+在岩面与碳酸盐进行反应；

3、反应生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡离开岩面 酸液中的H+透过边界层传递到岩面的方式：对流和扩散 面容比：岩石反应表面积与酸液体积之比，简称面容比。影响酸岩复相反速度的因素分析：P297 面容比：当其他条件不变时，面容比越大，单位体积酸液中的H+传递到岩石表面的数量就越多，反应速度也越快。

酸液的流速：随着酸液流速的增加，酸液的流动可能会由层流变为紊流，从而导致H+的传质速度显著增加，反应速度也相应增加。

酸液的类型：酸岩反应速度近似与酸溶液内部的H+浓度成正比，采用强酸时反应速度快，采用弱酸时反应速度慢。

盐酸的质量分数：盐酸质量分数在24%—25%之前，随盐酸质量分数的增加，反应速度也增加；超过这个范围后，随盐酸质量分数的增加，反应速度反而降低。温度：温度升高，H+的热运动加剧，H+传质速度加快，酸岩反应速度也随之加快。

压力：当压力小于3MPa时，压力对反应速度的影响显著；压力超过5—6MPa，压力对反应速度影响甚微。

其他因素：岩石化学组分、物理化学性质、酸液粘度 酸化压裂：用酸液作为压裂液实施不加支撑剂的压裂。

原理：

1、酸压过程中一方面靠水力作用形成裂缝

2、靠酸液的溶蚀作用把裂缝的壁面溶蚀成凹凸不平的表面，停泵卸压后，裂缝壁面不能完全闭合，具有较高的导流能了，可达到提高底层渗透性的目的。

提高酸压裂缝的有效长度和酸压效率： 固相防滤失剂 前置液酸压 胶化酸

残酸：当酸浓度降低到一定浓度时，酸液基本上失去溶蚀能力的酸液。

有效作用距离(裂缝的有效长度)：酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。增加酸液有效作用距离的方法： 在地层中产生较宽的裂缝 较低的氢离子有效传质系数 较高的排量

尽可能小的滤失速度

土酸：由10%—15%的盐酸及3%—8%的氢氟酸混合而成 土酸酸化设计步骤：

确信处理井是由于油气层损害造成的地产或低注入量 选择适宜的处理液配方

确定注入压力或注入排量，以便在低于破裂压力条件下施工 确定处理液量

提高土酸处理效果的方法：

同时将氟化铵水溶液与有机脂注入地层，一定时间后有机脂水解生成有机酸，有机酸与氟化铵作用生成氢氟酸。

利用粘土矿物的离子交换性质，在粘土颗粒上就地产生氢氟酸 高质量分数盐酸处理的好处：

酸岩反应速度相对变慢，有效作用范围增大

单位体积盐酸可产生较多的CO2，利于废酸的排出

单位体积盐酸可产生较多的氯化钙、氯化镁，提高了废酸的粘度，控制了酸岩反应速递，并有利于悬浮、携带固体颗粒从底层中排出 受到地层水稀释的影响较小

盐酸处理的缺点：与石灰岩反应速度快，特别是高温深井，由于地层温度高，盐酸与地层作用太快，因而处理不到地层深部；此外，盐酸会使金属坑蚀成许多麻点状斑痕，腐蚀严重 多组分酸：一种或几种有机酸与盐酸的混合物 油酸乳化作用：

有利于延缓酸岩的反应速度

可把活性酸携带到油气层深部，扩大了酸处理的范围 解决防腐问题

稠化酸：指在盐酸中加入增稠剂，使酸液粘度增加。缓蚀剂作用： 抑制阴极腐蚀 抑制阳极腐蚀

在金属表面形成一层保护膜

稳定剂：为防止氢氧化铁沉淀，避免发生地层堵塞现象而加入的某些化学物质 第八章：复杂条件下的开采技术 油层出砂的危害：

砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产 出砂使地面和井下设备严重磨蚀、砂卡 冲砂检泵、地面清罐等维修工作量剧增 出砂严重时还会引起井壁坍塌而损坏套管 出砂的原因： 地质因素（内因）

1、应力状态

2、岩石的胶结状态

3、渗透率的影响

二、开采因素（外因）

1、固井质量

2、射孔密度

3、油井工作制度

4、其它因素 防砂方法：

制定合理的开采措施 采取合理的防砂工艺方法 砾石填充防砂方法 化学防砂方法 清砂方法：

冲砂：通过冲管、油管或油套环空向井底注入高速流体冲散砂堵，由循环上返的液体将砂粒带到地面，以解除油水井砂堵的工艺措施

捞砂：用钢丝绳向井内下入专门捞砂工具，将井底积存的砂粒捞到地面上来的方法 冲砂方式：正冲砂；反冲砂；正反冲砂；联合冲砂P347 石蜡：固相物质主要是含碳原子数为16—64的烷烃

结蜡现象：在开采过程中，随着温度、压力的降低和气体的析出，溶解的石蜡便以结晶体析出、长大聚集和沉积在管壁等固相表面上 影响结蜡的因素： 原油的性质及含蜡量 原油中的胶质、沥青质 压力和溶解气油比 原油中的水和机械杂质

液流速度、管壁粗糙度及表面性质 油井防蜡方法：

1、阻止蜡晶的析出

2、抑制石蜡结晶的聚集

3、创造不利于石蜡结晶的条件 油井清蜡方法：

机械清蜡：用专门的工具刮除油管壁上的蜡，并靠液流将蜡带至地面的方法 热力清蜡：利用热力学能提高液流和沉积表面的温度，熔化沉积于井筒中的蜡

1、热流体循环清蜡法

2、电热清蜡法

3、热化学清蜡法

油井出水：注入水、边水、底水、上层水、下层水、夹层水 油井防水措施：

制定合理的油藏工程方案，合理部署井网和划分注采系统，建立合理的注、采井工作制度和采取合适的工程措施以控制油水边界均匀推进。

提高固井和完井质量，以保证油井的封闭条件，防止油层与水层串通 加强油水井日常管理、分析，及时调整分层注采强度，保持均衡开采 找水：指油气井出水后，通过各种方法确定出水层位和流量的工作 稠油特点：

1、粘度高、密度大、流动性差

2、稠油的粘度对温度敏感

3、稠油中轻质组分含量低，而胶质、沥青质含量高 高凝油：指蜡含量高、凝固点高的原油

凝固点：指在一定条件下原油失去流动性时的最高温度

第五篇：081501 飞行器设计与工程（推荐）

业务培养目标：培养具备较好数学、力学基础知识和飞行器工程基本理论及飞行器总体结构设计与强度分析、试验能力，能从事飞行器(包括航天器与运载器)总体设计、结构设计与研究、结构强度分析与试验，并有从事通用机械设计及制造的高级工程技术人员和研究人员。

业务培养要求：本专业学生主要学习飞行器设计方面的基本理论和基本知识，受到航空航天飞行器工程方面的基本训练，具有参与飞行器总体和部件设计方面的基本能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

1.掌握飞行器设计的基本理论、基本知识；

2.掌握飞行器结构设计的分析方法；

3.具有飞行器设计的基本能力；

4.熟悉航空航天飞行器设计的方针、政策和法规；

5.熟悉航空航天飞行器设计的理论前沿、应用前景和发展动态；

6.掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力。主干学科：航空宇航科学与技术、力学、机械学

主要课程：材料力学、机械设计、弹性力学、结构力学、流体力学与空气动力学基础、飞行器动力学、飞行力学、力学性能与结构强度、试验技术、自动控制理论、飞行器总体设计、结构设计、复合材料设计与分析、空间制导控制、传热学与热防护

主要实践性教学环节：包括机械制图、金工实习、生产实习、计算机应用与上机实践、课程设计、毕业设计。

主要专业实验：固体、流体力学实验，空气动力学实验，振动学实验，专业综合实验修业年限：四年

授予学位：工学学士

开设院校：哈尔滨工程大学 北京理工大学 北京航空航天大学 南京航空航天大学 西北工业大学 哈尔滨工业大学 南昌航空工业学院等