第一篇：工程光學照相物鏡鏡頭設計與像差分析

課程設計說明書

工程光學課程設計

題目：照相物鏡鏡頭設計與像差分析

院（系）名稱

信 息 工 程 學 院

專

業 班 級

光電信息科學與工程 學

號

14010210XX

學

生 姓 名

T X Y

指

導 教 師

2016年1月10日 課程設計說明書

I

目錄

1照相物鏡發展歷程....................................................................................................1 1.1風情攝影物鏡.......................................................................................................1 1.2匹茲堡人物物鏡...................................................................................................1 1.3對稱型物鏡...........................................................................................................1 1.4三片式物鏡...........................................................................................................1 1.5雙高斯物鏡...........................................................................................................2 1.6攝遠物鏡...............................................................................................................2 1.7反攝遠物鏡...........................................................................................................2 1.8廣角物鏡...............................................................................................................2 1.9變焦距物鏡...........................................................................................................2 2照相物鏡光學性能....................................................................................................3 2.1相對孔徑...............................................................................................................3 2.2視場角2W.............................................................................................................3 2.3焦距F’..................................................................................................................3 3設計過程....................................................................................................................5 3.1初始結構的選擇...................................................................................................5 3.2輸入參數和縮放...................................................................................................6 3.3在ZEMAX中進行優化......................................................................................8 總結..............................................................................................................................14 致

謝..........................................................................................................................15 參考文獻.....................................................................................................................16

課程設計說明書

II 照相物鏡鏡頭設計與像差分析

摘 要

隨著信息化時代的到來，人們對照相的要求也越來越高，而照相物鏡是照相機的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機的精度與成像質量。要保證所設計的照相物鏡達到較高的技術要求，在設計時就必須達到更高的精度和分辨率。

完成本課題需要以下幾個部分

第一： 知曉物鏡發展歷程和物鏡基本光學性能； 第二： 選擇所需器件參數，符合本次課題設計要求； 第三： 應用ZEMAX光學設計軟件進行課題設計；

第四： 對各結構元件進行反復的優化設計，使之達到要求的技術指標并顯示快 速傅里葉顯示圖，賽德爾系數，視場、場曲失真圖 第五： 總結了設計過程的心得體會。

關鍵詞：ZEMAX；物鏡；賽德爾系數；快速傅里葉

課程設計說明書1照相物鏡發展歷程

物鏡的發展經歷了許多年，經過不斷地更新與發展，實際用途越來越廣，質量越累越好，物鏡經歷了以下發展： 1.1風情攝影物鏡

最早出現的照相物鏡在1812年是單片的正月牙透鏡，相對孔徑小于1:14，視場50度以內，可用于室外照明良好的條件下拍照。

1821年出現了膠合的透鏡，代替了彎月牙型的單透鏡，雙膠合透鏡因色差得到校正成像質量有所提高，但制作成本比較高，正、負透鏡分離的形式可以得到更好的成像質量，因為雙分離情形下可以更好地校正色散。1.2匹茲堡人物物鏡

1840年匹茲堡設計出了一個相對孔徑為1:3.4，視場為25度左右的物鏡，即匹茲堡人像物鏡，該物鏡可用于室內攝影，是第一個依靠設計而制造出來的照相物鏡。

匹茲堡物鏡是1910年以前的所有物鏡中相對孔徑最大的，它在近軸部分的成像優良，至今仍在用作電影放映物鏡等須要大孔徑小視場的場合，匹茲堡物鏡的改進形式很多，是現在五大類物鏡中的一類。1.3對稱型物鏡

最早出現的對稱型物鏡，相對孔徑很小，如斯坦赫爾的潛望鏡頭，相對孔徑為1:30，視場為70度，只能用做風景攝影。海普崗是這種類型的極限結構，是馮虛格在1900年設計出的，兩個透鏡的外表幾乎是半球面，具有140度左右的視場，相對孔徑很小1:30，但它具有大的無畸變視場，至今仍用在航測儀器中。數器、輸入/輸出接口和其他多種功能期間集成在一塊芯片上的微型計算機。1.4三片式物鏡

1893年，塔克洛爾用分離薄透鏡作為對稱型的一半，設計出了柯克三片式物鏡，這是能校正所有像差的一種最簡單的結構，在非對稱情況下，其獨立變數 課程設計說明書恰能校正七種像差。這種類型現在已具有相對孔徑1:4，視場50度的光學性能。如果視場減小時，相對孔徑可達1:2.8，現在它依舊是一種比較流行的物鏡。

1902年出現的天塞物鏡可看做三式的后面一塊正透鏡改為二塊玻璃膠合的結果，它在高級像差方面要比三片式要好。1.5雙高斯物鏡

雙高斯與達崗等對稱物鏡不同，它是用薄透鏡加厚透鏡的結構。由于具有小半徑的厚透鏡處在薄透鏡后的會聚光中，近于不暈位置，因此它的像差和帶像差都有所縮小，相對孔徑比較大，它是現在1:2物鏡的主要結構。1.6攝遠物鏡

用正負二透鏡組所構成能使攝影物長度減短的都稱為攝遠物鏡。1.7反攝遠物鏡

由正負透鏡組分離組成，負透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物鏡后方，達到像方頂焦距大于焦距的目的。1.8廣角物鏡

廣角物鏡是以海里的全天照相物鏡出發的，其視場很大。1.9變焦距物鏡

物鏡能在一定范圍內迅速的改變焦距，從而在投影儀固定不動的情況下獲得不同比例的影像，可以代替多個定焦距攝影物鏡使用。

（本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學特性的照相物鏡中結構最單，像片質量最好的一種，被廣泛使用在比較廉價的135#和120#相機中，例如國產的海鷗—

4、海鷗—

9、天鵝相機等。這種照相物鏡進一步復雜化的目的，大多是為了增大相對孔徑，或提高視場邊緣成像質量）

課程設計說明書2照相物鏡光學性能

照相物鏡的基本光學性能主要由三個參數表征，即相對孔徑D/f’，視場角2w，焦距f’。2.1相對孔徑

相對孔徑是個比值，鏡頭的有效的孔徑與焦距比值，表示鏡頭的納光束多少。照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率，多數照相物鏡因其本身的分辨率不高，相對孔徑的作用是為了提高像面光照度

E’=1/4πLτ(D/f’)2

照相物鏡按其相對孔徑的大小，大致可分為如下表1所示：

表1 照相物鏡的相對孔徑

弱光物鏡 普通物鏡 強光物鏡 超強光物鏡 2.2視場角2w

相對孔徑小于1：9； 相對孔徑為1：9~1：3.5 相對孔徑為1：3.5~1：1.4 相對孔徑大于1：1.4 在光學儀器中，以光學鏡頭為頂點，以被測目標的物像，可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角叫做視場角。

照相物鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。視場角越大，視野就越大，光學倍率就越小。照相物鏡沒有專門的視場光闌，視場大小被接受器本身的有效接受面積所限制，即以接收器本身的邊框作為視場光闌。

按視場角的大小，照相物鏡又可分為如下表2所示：

表2 照相物鏡視場角

小視場物鏡 中視場物鏡 廣角物鏡 超廣角物鏡 2.3焦距f’

視場角在30°以下 視場角在30°~60°之間 視場角在60°~90°之間 視場角在90°以上

焦距是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指平行光入射時從透鏡 課程設計說明書光心到光聚集之焦點的距離。

照相物鏡的焦距決定所成像的大小 當物體處于有限遠時，像高為

y’=(1-?)f'tan?

?：垂軸放大率，??y'l'?。yl對一般的照相機來說，物距l都比較大，一般l>1米，f’為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，l'?f'，所以

??f' l當物體處于無限遠時，?→∞像高為

y’=f'tan?

照相物鏡的焦距標準如下表3所示：

表3照相物鏡焦距標準

物鏡類型 魚眼 超廣角 廣角 標準 段望遠 望遠 超望遠

物鏡焦距f’/mm 7.5~15 17~20 24~28~25 50 85~100 135~200~300 400~500~600~800 照相物鏡上述三個光學性能參數是相互關聯，相互制約的。這三個參數決定了物鏡的光學性能。企圖同時提高這三個參數的指標則是困難的，甚至是不可能的。只能根據不同的使用要求，在側重提高一個參數的同時，相應地降低其余兩個參數的指標。

課程設計說明書3設計過程

3.1初始結構的選擇

照相物鏡屬于大視場大孔徑系統, 因此需要校正的像差也大大增加, 結構也比較復雜, 所以照相物鏡設計的初始結構一般都不采用初級像差求解的方法來確定, 而是根據要求從手冊、資料或專利文獻中找出一個和設計要求比較接近的系統作為原始系統。在選擇初始結構時, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相對孔徑和視場角達到要求時, 我們就可以將此初始結構進行整體縮放得到要求的焦距值。

設計要求：

1、焦距：f’=12mm；

2、相對孔徑D/f’不小于1/2.8；

3、圖像傳感器為1/2.5英寸的CCD，成像面大小為4.29mm×5.76mm；

4、后工作距>6mm；

5、在可見光波段設計(取d、F、C三種色光，d為主波長)；

6、成像質量，MTF 軸上>40% @100 lp/mm，軸外0.707 >35%@100 lp/mm；

7、最大畸變<1%。

照相物鏡的視場角和有效焦距決定了攝入底片或圖像傳感器的空間范圍，鏡頭所成的半像高y可用公式y=-f*tanw計算。

f為有效焦距，2w為視場角。半像高y應稍大于圖像傳感器CCD或CMOS的有效成像面對角線半徑,防止CMOS裝調偏離光軸而形成暗角。

經過簡單計算：

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

在光學技術手冊查詢后選定初始結構為后置光闌的三片物鏡（如圖1所示），課程設計說明書后置光闌三片物鏡原始結構

圖1 初始參數為： 焦距分f’=42.12mm； 相對孔徑2.8； 視場角2w=54°。其余參數如下表4所示：

表4其余參數

r1=13.44 r2=30.996 r3=-40.614 r4=13.44 r5=32.508 r6=-27.006 3.2輸入參數和縮放

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

將參數輸入ZEMAX中：

其中第六面設為光闌面，厚度設為marginal ray height，移動光標到STO光闌面（中間一個面）的“無窮（Infinity）之上”；

按INSERT鍵，這將會在那一行插入一個新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標為第2面。再按按INSERT鍵兩次，移動光標到IMA像平面，按INSERT鍵兩次。在LDE曲率半徑（Radius）列，順序輸入表4中的鏡片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在鏡片厚度（Thickness）列順序輸入表4中的鏡片厚度；在第七個面厚度處單擊右鍵，選擇面型為Marginal Ray Height。在鏡片類型（Class）列輸入鏡片參數，方法是：在表中點右鍵對話框Solve Type選中Model，課程設計說明書Index nd中輸入n值Abbe Vd中輸入v值，如下圖2所示。在system-general-aperture中輸入相對孔徑值2.8如下圖3所示，在tools-make focus中該改焦距為12mm進行縮放如下圖4所示。在system-wavelength中輸入所選波段，選d光為主波長如下圖5所示。輸入初始參數如下圖2所示：

圖2輸入相對孔徑值

設置相對孔徑值和波段如下圖3所示：

圖3：輸入相對孔徑值

改焦距為12mm進行縮放如下圖4所示：

圖4：縮放后圖

課程設計說明書輸入所選波段如下圖5所示：

圖5輸入所選波長

縮放后得到我們所設計的焦距f’=12mm的初始參數（如下圖6所示）。

圖6：初始參數

現在開始定義視場，我們根據之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所選孔徑光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452輸入到system-field中，類型選擇真值高度。

到這里，初始結構及其參數已經完成。3.3在ZEMAX中進行優化

利用ZEMAX得到初始結構的MTF曲線（如下圖7所示）可看出成像質量很差, 因此需要校正像差。

課程設計說明書MTF曲線圖如下圖7所示：

圖7：MTF曲線圖

該結構可以用作優化變量的的數據有： 6個曲率半徑，2個空氣間隔，3個玻璃厚度。

首先使用Default Merit Function建立缺省評價函數進行優化，選擇Editors-Merit Function，在第一行中先輸入EFFL，目標值設為12，權重設為1。在輸入SPHA，在Target中輸入0.4，在Weight中輸入1。第二個BLNK改為MTFT并Enter，在Freq中輸入100，在Target中輸入0.04，在Weight中輸入1。同理輸入MTFA和MTFS（如下圖8所示）。再選擇Tools-Default Merit Function，設置玻璃厚度以及空氣間隔、start設為2（如下圖9所示），再選擇OK，建立缺省評價函數。（EFFL：Effective focal length的縮寫，指定波長號的有效焦距。SPHA：指球差，如果Surf=0，則指整個系統的球差總和。MTF：指子午調制傳遞函數。）

課程設計說明書缺省評價函數如下圖8所示：

圖8：缺省評價函數

設置玻璃厚度以及空氣間隔如下圖9所示：

圖9：玻璃及空氣厚度

然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出對賽得和數影響大的面，將這些面的曲率半徑設為變量優先優化如圖10所示。

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圖10

發現第一面和光闌面影響較大，優先優化。先將STO面的類型改為Even Asphere，并將此行的4th term、6th term、8th term設為變量。將1、6面曲率半徑設為變量，選擇快捷選項Opt，然后進行優化，優化后取消變量，將剩余面的曲率半徑設為變量，再次優化，完畢后取消變量。再將透鏡間隔和玻璃厚度先后進行優化。如下圖11所示。

優化后圖

圖11

到這一步后發現已經基本符合設計要求，再根據2D圖適當調整曲率半徑和厚度，每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內。

課程設計說明書賽德爾系數如下圖14所示：

圖14 3D草圖顯示如下圖15所示：

圖15：3D草圖

在分析（Analysis）的雜項中得出視場場區圖，然后再在分析中找到點列圖得到如下圖所示的點列圖如下圖16所示：

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圖16：點列圖

優化后視場、場曲失真圖如下圖17所示

圖17：視場、場曲失真圖

課程設計說明書總結

在這次工程光學課程設計中，我選擇的題目是照相物鏡鏡頭設計與像差分析，剛看到這個題目時我以為很簡單，感覺有些熟悉，但是等到做的時候才發現并不是這么回事的，真的到自己做的時候才發現還是很有難度的。在這次課程設計中，之所以能夠從當初的茫然無措中走出來最重要的就是平時的光學知識的學習和積累。在接到這個題目之后，我查閱了很多關于照相物鏡的資料，去了圖書館，又在網上搜到很多的相關資料，通過對這些資料的研究和分析。不但對我的課程設計有很大的幫住，而且對自己的照相物鏡的學習也提高了不少，學到了許多平時課本上比較模糊的知識點，知識變得更加清晰，也更加明了。本文采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透鏡, 在ZEMAX 中使用合適的優化函數和權重對像差進行校正, 逐步消除了基本像差、高級像差, 并進行了像差平衡, 獲得了實際焦距11.953mm照相鏡頭, 各個市場畸變控制在1%以內,M TF 曲線也比較理想, 鏡頭總長為14.3602 mm。該鏡頭不僅體積小, 結構緊湊, 而且像質較好。在此次設計中，我們發現光闌面使用非球面能夠很好的平衡像差，同時我們只進行了對玻璃厚度和曲率的簡單優化，查閱相關資料后設想如果將第一面的透鏡換為鼓形透鏡，第二面換為彎月透鏡或換成折射率更高的玻璃，還可以進一步做出深度優化，使之獲得更好的表現。

課程設計說明書致 謝

通過本次課程設計，我學到了很多新的知識，讓我了解到理論和實踐是分不開的，同時也發現了自己的不足。在設計過程中，孫彩霞老師在百忙中對我的設計進行了指導。老師首先細致地為我解題；當我迷茫于眾多的資料時，她又為我提綱挈領、梳理脈絡，使我確立了本文的框架。感謝老師對我的課程設計不厭其煩的細心指點。我才能更快更準確地完成。在以后的學習中，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。而且我還從老師那里學到了嚴謹、務實、認真的工作態度和極強的敬業精神。我再次為老師的耐心付出表示感謝。

課程設計說明書參考文獻

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[8] 石順祥，張海興，劉勁松．物理光學與應用光學[M]．西安西安電子科技大學出版社，1999．

第二篇：工程光學設計課程教學改革與創新探析論文

“工程光學設計”課程是機械電子工程專業光機電一體化方向的一門重要必修課,文章從教學現狀和教學難點動身,針對教學內容、教學辦法和理論教學等方面,提出和進行了一系列詳細的教學變革。

隨著光學技術的開展，對光學儀器和光電儀器設計的請求也越來越高，這就請求設計者具備扎實的理論根底、較高的設計技巧和現代光學系統設計計算才能。目前，社會上對光學設計的專業人才有著越發迫切的需求，為此，高校肩負著培育具有良好光學設計才能的工程型人才的重擔。

為了協助學生穩固應用光學專業根底學問，控制評價光學系統的根本辦法，進步學生對光學系統的應用才能和設計才能，該校在光學工程學科研討生教學中開設了“光學工程與系統設計”課程。該課程在本科工程光學的根底上，系統、全面地解說光學工程的理論、應用和系統設計辦法，協助學生進步在工程應用中處理實踐問題的才能。

“光學工程與系統設計”課程針對光學工程學科研討生開設，請求學生具有一定的光學工程根底學問，教學目的是培育光學工程的高級應用人才。授課內容除注重于根本概念的解說和根本原理的剖析外，擬經過大量豐厚的光學系統應用實例，培育和進步學生發現和處理工程問題的才能。

因而，該門課程在較短的課時內，既要有對專業根底學問的深化了解，又要結合工程消費理論，以處理實踐設計問題為目的，使學生在系統、全面地控制光學設計理論和設計辦法根底上，可以獨立完成大多數典型光學部件和系統的設計工作。因而，要到達較好的授課效果，對授課教員提出了較高的請求。

在“光學工程與系統設計”的授課中，如何將理論與實踐相結合，充沛調動學生學習興趣，使學生逐漸順應從習氣于科學理論、理想假定的學習者到光學工程專業技術人員的轉變，培育和進步學生發現和處理工程問題的才能，是重點思索的問題。該文將對教學中遇到的問題及經歷進行做出總結。“光學工程與系統設計”教學中面臨的主要問題

在該課程的教學過程中，主要存在的問題有以下幾點。

1.1 學時少，相應配套課程不完善，學生根底學問程度不平衡

“光學工程與系統設計”課程涵蓋光學成像理論、典型現代光學系統的構造原理和光學特性、光學系統設計辦法等等方面，觸及學問內容十分普遍。在有限的學時內，要完成一切的教學內容，到達使學生系統、全面地控制光學設計理論和辦法，進步學生現代光學系統設計才能，培育學生工程素質的目的，對學生的根底學問、綜合才能的請求都較高。而在實踐教學中，由于學生可能來自于不同的本科專業，在光學工程類根底課程方面的學問程度表現出很不平衡，相應的配套課程也不夠完善。因而，如何在本課程的教學中，如何緩這些矛盾，補償這些缺陷，到達好的授課效果，對教員提出了很大應戰。

1.2 學生工程認識淡薄，入手才能差，不能將理論與實踐相結合學生對工程設計的特性仍舊缺乏認識，對工程問題較為陌生，工程認識十分淡薄，因而形成了入手才能差，不能將所學的理論學問與實踐應用有機結合的問題。而本課程正是以培育具有良好光學設計才能的工程型人才為目的，因而，如何理論結合實踐，在對實踐問題的剖析與討論中，培育學生學習與開展的才能和發明性處理工程問題的才能，是重點要處理的一個問題。

1.3 學生的學習積極性問題

教育學以為：興趣是學習最好的教師。學生對所學習的課程產生了興趣，才干愈加認真、愈加投入地吸取課程的學問，更好地發揮思想和智力的潛能，做出發明和創造。正是由于本課程觸及內容普遍，學生根底學問程度不平衡，假如不可以采取合理措施，將理論與理論相結合，充沛調動起學生學習的主動性，就更容易形成局部學生對課程喪失興趣，消極學習。因而，作為專業課程教師，怎樣培育學生的學習興趣，不使學生覺得學習過程無聊、無用而索然無味，是授課教員必需認真考慮的問題。教學變革理論與探究

針對以上問題，我們在教學過程中，從教學體系、教材、課件、教學辦法等多方面進行變革探究，以完善教學內容、創新教學辦法為動身點，從進步學生興趣，增強師生互動，解說深化淺出，理論結合實踐，融入科研內容等多方面著手，改善教學效果，獲得了較好的效果。主要采用了以下手腕后。

2.1 精心規劃授課內容，留意銜接，對癥下藥

該課程許多內容觸及到幾何光學、物理光學、激光原理等根底課程學問，希望學生可以具有一定的相關根底，在授課時才干產生較好的效果。但是，如前所述，在教學中存在學生根底學問程度不平衡，配套課程不夠完善的問題。為處理這一矛盾，在授課體系與授課內容方面，進行了精心的規劃，力圖合理。

首先，在授課內容方面，注重教材內容的科學組織，在內容的編排上留意學問自身的內在規律性、系統性及互相聯絡，加強課程各個局部之間的邏輯性，對癥下藥，從而儉省學時，處理課程容量大與學時有限的矛盾。其次，在講授必要內容的根底上，留意與前期課程的銜接，但并不完整依賴于前期課程學問的控制，而是注重啟示、引導學生自主的溫習、控制、擴展原有學問，例如經過布置考慮標題、提供參考文獻、課上討論等方式，協助和鼓舞學生經過主動學習，來處理根底學問程度不平衡的問題。同時，在授課中并不簡單的依照教材施教，而是及時結合科研項目，充沛應用與課程有關的最新研討成果，補充身手域的前沿技術。經過合理的規劃授課內容，并在授課過程中，留意銜接，對癥下藥，鼓勵學生課下主動學習的方式，進步了教學質量。

2.2 理論結合實踐，重在才能培育

本課程除了具有學問的系統性、理論性強的特性外，更重要的特性是應用性強。在工程設計中，需求靈敏地運用學過的理論學問，用理論指導理論，才干使設計朝著勝利的方向行進。當設計過程呈現問題時，怎樣應用理論學問和理論經歷，來有效地進行修正，最終得到滿足運用請求的系統設計，這種處理工程問題的才能的進步，是本課程最中心要處理的問題。

為此，我們在根底理論講授后，經過拋出一個或幾個實踐工程設計問題，引導學生進行深化考慮與討論，完成自主設計。例如在學習了像差理論及典型顯微光學系統后，請求學生設計一款高倍率顯微系統，針對該系統設計過程中發作的各種問題，包括怎樣從低倍率系統逐漸過渡到高倍率系統，怎樣完成復消色差，以及工程實踐中如何完成系統裝調等等問題，逐個進行討論和剖析，經過引導學生發現問題，鼓舞學生自主剖析處理問題，進步學生的理論才能。

這樣的理論與實踐相結合的過程，深受學生好評，學生們分歧以為，經過這樣的練習，不但加深了對理論學問的了解，更大大進步了他們發現和處理工程問題的才能。

2.3 創新授課辦法，刺激學生主動學習

由于授課內容的更新以及理論與實踐相結合的請求，教員在授課辦法上也必需進行相應的創新，才干夠到達預期的效果。學生是課堂教學的主體，只要激起學生求知的動力，課堂教學才有可能勝利。除了傳統的講授方式外，在本課程的授課過程中，愈加注重啟示式教學和討論式教學。啟示式教學辦法，是指經過具有啟示式的發問，鼓勵學生學習的興趣，從而培育學生的發明性思想才能。討論式教學辦法，是指經過討論問題，積極引導學生進行獨立考慮，培育學生的自主學習才能。

在詳細做法上，除了采用布置考慮標題，引薦參考文獻的方式外，還經過將學生分為協作小組，針對某一任務進行組內協作，然后組織各小組就各自研討成果在全班進行交流，鼓舞學生之間就技術問題進行討論、質疑與爭辯，加深了解。

經過啟示式與討論式教學辦法的引入，加強了師生互動，進步了學生的學習興趣，刺激學生主動學習的愿望。結語

在“光學工程與系統設計”的教學中，針對存在的問題，從規劃授課內容、理論結合實踐以及創新授課辦法等等方面進行了教學變革的理論與探究。經過合理地規劃授課內容，理論與實踐相結合，以及引入啟示式和討論式的教學辦法，注重對學生發現和處理工程問題的才能的培育，刺激學生學習的主動性與積極性，進步了教學質量，收到了良好的效果。

第三篇：飛行器設計與工程專業前景分析

飛行器設計與工程專業前景分析

學號：1081820129

姓名：郭澤宇

飛行器設計與工程專業

哈工大飛行器設計與工程專業簡介：

飛行器設計與工程專業的前身是1959年成立的戰略導彈總體設計專業，文革期間停辦，1990年根據國家航天發展和國防建設需要恢復專業招生，1991年根據國家教委專業設置的原則，更名為飛行器設計與工程專業，1959年至今已經為國家培養21屆畢業生。該專業已成為國防科工委重點專業。該專業是我校航空宇航科學與技術一級學科的重要組成部分，下設飛行器設計、人機與環境工程兩個二級學科，均具有碩士和博士學位授予權，其中飛行器設計學科是國家重點學科，并建有航空宇航博士后流動站。

飛行器設計與工程專業方向的培養目標：

將人才培養定位于培養高素質的航天專業研究、設計型人才，相應的專業培養目標是培養適應21世紀社會主義現代化建設需要的德、智、體、美等方面全面發展的，具有寬廣的自然和人文社會科學基礎，具有創新和實踐能力的高級航天專業技術專門人才。學生畢業后可在航空航天及兵器等領域從事飛行器總體設計、結構設計、飛行力學與控制等研究設計工作。也可在其它領域從事產品機電一體化設計和控制等方面應用研究、技術開發工作。

業務培養要求：

本專業學生主要學習飛行器設計方面的基本理論和基本知識，受到航空航天飛行器工程方面的基本訓練，具有參與飛行器總體和部件設計方面的基本能力。

主要課程：

材料力學、機械設計、彈性力學、結構力學、流體力學與空氣動力學基礎、飛行器動力學、飛行力學、力學性能與結構強度、試驗技術、自動控制理論、飛行器總

體設計、結構設計、復合材料設計與分析、空間制導控制等。

深造與就業前景：

畢業生可選擇報考本專業及相關學科專業的碩士研究生，近年來平均考研率40％以上。

畢業生就業實行雙向選擇，就業方向主要分布在航天、航空研究院（所）、國有大型企業、部隊、政府機關等。主要到航空、航天、交通、能源、環境等部門從事飛行器動力裝置及其他熱動力機械的設計、研究、生產、實驗、運行維護和技術管理等方面的工作。從事飛行器設計、仿真技術與控制系統等方面的研究、開發和技術管理工作，就業地點集中在北京、上海、西安、沈陽、成都等大中城市。

各航天研究院：

航天一院:運載火箭技術研究院；

航天二院:地空導彈研究院(長峰集團)

航天三院:飛航導彈研究院(海鷹集團)

航天四院:航天化學動力研究院(固體)西安

航天五院:空間技術研究院

航天六院:中國河西化工機械公司(內蒙古)

航天七院:航天建筑設計研究院

航天八院:上海航天技術研究院(上海航天局)

航天九院:航天基礎電子技術研究院

航天十院:航天時代儀器公司（北京）

兩大航天集團：

1、中國航天科技集團

中國航天科技集團公司（簡稱“航天科技集團公司”，CASC）是經國務院批準，在原中國航天工業總公司所屬的部分企事業單位的基礎上組建成立的國有特大型獨資企業，由國務院直接管理。航天科技集團公司具有完整配套的研究、設計、試制、生產和試驗體系和技工貿一體化的經營機制，主要研制、生產、經營各類航天運載器、航天器、戰略戰術導彈以及衛星地面應用系統等航天產品;開發、生產、經營機械、電子、化工、通訊、交通、計算機、醫療等多種民用產品。作為擁有47年歷史的特大型國企，航天科技集團書寫了震驚世界的兩彈一星成就，記錄了神舟五號載人飛船的圓滿成功，以及發射五艘飛船、六十多顆國產衛星和二十多顆國外衛星的驕傲。

中國航天科技集團公司現在擁有5個大型研究院：

1、中國運載火箭技術研究院（第一研究院）；

2、中國空間技術研究院（第五研究院）；

3、上海航天技術研究院（第八研究院）；

4、航天化學動力技術研究院（第四研究院）；

5、中國航天電子基礎技術研究院；

另外有2個大型科研生產基地：

1、四川航天工業總公司（067基地）；

2、西安航天科技工業總公司（062基地）；

此外還有若干直屬研究所、工廠、公司等。

2、中國航天科工集團公司

又名中國航天機電集團公司，現擁有4個大型研究院，8個大型科研生產基地、7個直屬大型企業和若干直屬研究所、外貿公司、投資公司、控股與參股公司等。

擁有3個大型研究院：

一、中國長峰機電技術研究設計院（第二研究院）

二、中國海鷹機電技術研究院（第三研究院）

三、中國河西化工機械公司（第六研究院）

四、中國航天建筑設計研究院（第七研究院）

五、河南航天工業總公司

六、云南航天工業總公司

七、中國江南航天工業集團公司（０６１基地）

八、中國三江航天工業集團公司（０６６基地）

九、湖南航天管理局（０６８基地）

十、自動化測量控制技術公司

十一、中國航天工業供銷總公司

十二、直屬單位

中國長城工業總公司

第四篇：采油工程原理與設計

采油工程（張琪）

：油井流入動態與井筒多相流動計算

油井流入動態是指油井產量與井底流動壓力的關系，它反映了油藏向該井供油能力。動態曲線：表示產量與流壓關系的曲線，簡稱IPR曲線。三種流動狀態：地層滲流（地層到井底）井口多相管流（井底到井口）

地面水平或傾斜管流（井口到分離器）采油指數：單位生產壓差下的油井產油量。（單相流動時的IPR曲線為直線，其斜率的負倒數便是采油指數）

流動效率FE：該井的理想生產壓差與實際生產壓差之比。

油井的不完善：打開性質不完善井；打開程度不完善井；雙重不完善井 S=0,FE=1 完善井 S<0,FE>1 超完善井 S>0,FE<1 不完善井

單相液流：當油井的井口壓力高于原油的飽和壓力時井筒內的液流 氣液兩相流動：當自噴井的井底壓力低于飽和壓力時 泡流：在井筒中從低于飽和壓力的深度起，溶解氣開始從油中分離出來，這時，由于氣量少，壓力高，氣體都以小氣泡分散在液相中，氣泡直徑相對于油管直徑要小很多，這種結構混合物的流動稱為泡流。

滑脫：由于油、氣密度的差異和泡流的混合物的平均流速小，因此，在混合物向上流動的同時，氣泡上升速度大于液體流速，氣泡將從油中超越而過，這種氣體超越液體上升的現象稱為滑脫。

泡流的特點：氣體是分散相，液體是連續相；氣體主要影響混合物密度，對摩擦阻力的影響不大；滑脫現象比較嚴重。

段塞流：當混合物繼續向上流動時，壓力逐漸降低，氣體不斷膨脹，小氣泡將合成大氣泡，直到能過占據整個油管斷面時，在井筒內將形成一段油一段氣的結構，這種混合物的流動稱為段塞流。

環流：隨著混合物繼續向上流動，壓力不斷下降，氣相體積繼續增大，泡彈狀的氣泡不斷加長，并逐漸由油管中間突破，形成油管中心是連續的氣流而管壁為油環的流動結構。

霧流：在油氣混合物繼續上升過程中，當壓力下降使氣體的體積流量增加到足夠大時，油管中流動的氣流芯子將變得很粗，沿管壁流動的油環變得很薄，此時，絕大部分油都以小油滴分散在氣流中，這種流動結構稱為霧流。

霧流特點：氣體是連續相，液體為分散相；氣體以很高的速度攜帶液滴噴出井口；氣、液之間的相對運動速度很小；氣相是整個流動的控制因素。自下而上：純液流、泡流、段塞流、環流、霧流

滑脫損失的實質：液相的流動斷面增大將引起混合物密度的增加。

滯留率：多相流動的某一管段中某相流體體積與管段容積之比（存容比）：自噴與氣舉采油

自噴：油層能量充足時，利用油層本身的能量就將油舉升到地面的方式

(p54)自噴井生產系統的組成：地層到井底—地層滲流 井底到井口—井口多相管流

井口到分離器—地面水平或傾斜管流 嘴流：生產流體通過油嘴的流動 自噴井節點分析：以油井生產系統為對象把從油藏到地面分離器所構成的整個油井生產系統按不同的流動規律分成若干個流動子系統，在每個流動子系統的起始及銜接處設置節點。在分析研究各子系統流動規律的基礎上分析各子系統的相互關系及其各自對整個系統工作的影響，為優化系統運行參數和進行系統的調控提供依據。

以井底為求解點：油藏到井底、井底到分離器（井底流壓即油管鞋壓力）以井口為求解點：油藏到井口、井口到分離器

以分離器為求解點：油藏到井底、井底到井口、井口到分離器

(P63)臨界流動：指流體的流速達到壓力波在流體介質中的傳播速度即聲波速度時的流動狀態 油嘴系統分為：油嘴、井下安全閥、井下節流器 功能節點：壓力不連續即存在壓差的節點系統 功能節點分析過程：當以功能節點為求解點時，先要以系統兩端為起點分別計算不同流量下節點的上、下游壓力，并求得節點壓差和繪出壓差—流量曲線；然后，根據描述節點設備（油嘴、安全閥）的流量—壓差公式或相關式，求得設備工作曲線。由兩條壓差—流量曲線的交點便可求得問題的解，即節點設備產生的壓差及相應的油井產量。（對油嘴的生產系統，必須以油嘴為求解點）

氣舉：是利用從地面注入高壓氣體將井內原油舉升至地面的一種人工舉升方式（條件：必須有足夠的氣源；原理：依靠從地面注入井內的高壓氣體與油層產出的流體在井筒中的混合，利用氣體的膨脹使井筒中的混合液密度降低，將流入到井內的原油舉升到地面。）

氣舉按注氣方式分為：連續氣舉：將高壓氣體連續注入井內，排井筒中液體的舉升方式 間歇氣舉：向井筒周期性地注入氣體，推動停注期間在井筒內聚集的 油層流體段塞升至地面從而排出井中液體的舉起方式 沉沒度：表示泵沉沒在動液面以下的深度

啟動壓力：隨著壓縮機壓力的不斷提高，環形空間內的液面最終將達到管鞋（注氣點）處，此時，井口注入壓力達到的最高值稱為啟動壓力。氣舉設計：根據給定的設備條件（可提供的注氣壓力及注氣量）和油井流入動態確定的。（包 括氣舉方式和氣舉裝置類型；氣舉點深度、氣液比和產量；閥位置、尺寸、類型 及裝配要求）

氣舉閥的作用：降低啟動壓力和排出油套環形空間中的液體。氣舉裝置：開式裝置（僅限于連續氣舉）、半閉式裝置、閉式裝置、箱式裝置（后三種既可用于連續氣舉也可用于間歇氣舉）：有桿泵采油

有桿泵采油包括游梁式抽油井有桿泵采油和地面驅動螺桿泵采油 抽油裝置系統：抽油機、抽油桿、抽油泵

抽油機工作原理：工作時，動力機將高速旋轉運動通過皮帶和減速箱傳給曲柄軸，帶動曲柄做低速旋轉，曲柄通過連桿經橫梁帶動游梁作上下擺動，掛在驢頭上的懸繩器便帶動抽油桿柱作往復運動。P94 游梁式抽油機：游梁—連桿—曲柄機構—減速箱—動力設備—輔助裝置 按結構分為：普通式、前置式（區別：游梁和連桿的連接位置不同；平衡方 式不同，普通式多采用機械平衡，支架在驢頭和曲柄連桿之間，其上、下沖程的時間相等。前置式多采用氣動平衡）

抽油泵滿足條件：

1、結構簡單，強度高，質量好，連接部分密封可靠。

2、制造材料耐磨和抗腐蝕性好，使用壽命長。

3、規格類型能滿足油井排液量的需要，適應性強。

4、便于起下

5、在結構上應考慮防砂、防氣，病帶有必要的輔助設備。抽油泵可分為管式泵和桿式泵

管式泵：結構簡單、成本低、在相同油管直徑下允許下入的泵徑較桿式泵大，因而排量大。但檢泵時必須起出油管，修井工作量大，故適用于下泵深不很大、產量較高的油井。

桿式泵：檢泵方便，結構復雜，制造成本高，在相同油管直徑下允許下入的泵徑比管式小。適用于泵深度大、產量較小的油井。

沖程：活塞上下運動一次稱為一個沖程分為上沖程和下沖程 沖次：每分鐘內完成上下沖程的次數

光桿沖程：懸點在上下死點間的位移用S來表示 活塞沖程：活塞在上下死點間的位移用Sp來表示 泵吸入的條件：泵內壓力（吸入壓力）<沉沒壓力

泵排出液體的條件：泵內壓力（排出壓力）>柱塞以上的液柱壓力

泵的工作過程：柱塞在泵內讓出容積、井內液體進泵、泵內排出井內液體

四連桿機構：以游梁支點和曲柄軸中心的連線做固定桿，以曲柄、連桿、游梁后臂為三個活 動桿。

懸點載荷：抽油桿柱載荷Wr，柱塞上的液柱載荷Wl，慣性載荷 上沖程抽油桿柱載荷—抽油桿柱在空氣中的重力 下沖程抽油桿柱載荷—抽油桿柱在液體中的重力 上沖程中柱塞上的液柱載荷—柱塞以上的液柱重力 下沖程過程中無液柱載荷—等于零

吸入壓力：上沖程中，在沉沒壓力作用下，井內液體克服泵的入口設備的阻力進入泵內，此 時液流所具有的壓力

井口回壓對懸點載荷的影響：上沖程中增加懸點載荷；下沖程中減小抽油桿柱載荷 上沖程中：前半沖程加速度為正，即加速度向上，則慣性力向下，增加懸點載荷 后半沖程加速度為負，即加速度向下，則慣性力向上，減小懸點載荷 下沖程中：前半沖程慣性力向上，減小懸點載荷 后半沖程慣性力向下，增大懸點載荷 抽油機不平衡的原因和后果：上沖程中懸點承受著最大載荷，所以電動機必須作很大的功才能使驢頭上行；下沖程中，抽油桿在其自身重力作用下克服浮力下行，這是電動機不僅不需要對外做功，反而接受外來的能量做負功，造成抽油機在上、下沖程中的不平衡。（上、下沖程中懸點載荷不同，造成電動機在上、下沖程中所做的功不想等。）后果： 上沖程中電動機和承受著極大的負荷，下沖程中抽油機反而帶著電動機運轉，從而造成功率的浪費，降低電動機的效率和壽命。

由于負荷極不均勻，會使抽油機發生激烈振動，而影響抽油裝置的壽命。會破壞曲柄旋轉速度的均勻性，而影響抽油桿和泵的正常工作。抽油機平衡原理：在下沖程中把能量儲存起來；在上沖程中利用儲存的能量來幫助電動機做功。

抽油機平衡方式：氣動平衡

機械平衡：游梁平衡、曲柄平衡、復合平衡

抽油機平衡檢驗方法：

1、測量驢頭上、下沖程的時間（如果上沖程快、下沖程慢，說明平衡過量，則應減小平衡重量或平衡半徑）

2、測量上、下沖程中的電流（如果上沖程的電流峰值大于下沖程大 的電流峰值，則說明平衡不夠，應增加平衡重量或增大平衡半徑）

3、觀察法

目前國產抽油機所選配的電動機大多是：高啟動轉矩系列的三相異步封閉式鼠籠型電動機。等值扭矩：用一個不變化的固定扭矩代替變化的實際扭矩，兩種扭矩下電動機發熱條件相同，則此固定扭矩即為實際變化的扭矩的等值扭矩。

水力功率：指在一定時間內將一定量的液體提升一定距離所需要的功率 光桿功率：通過光桿來提升液體和克服井下損耗所需要的功率 泵效：實際產量/理論產量

影響泵效的因素：抽油桿柱和油管柱的彈性伸縮 氣體和充不滿的影響 漏失影響

影響泵效的漏失的因素：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、選擇合理的工作方式。

2、確定合理沉沒度，以降低泵口氣液比，減少進泵氣量，從而提高泵的充滿程度。

3、改善泵的結構，提高泵的抗磨、抗腐蝕性能，采取防砂、防腐蝕、防蠟及定期檢查泵等 措施。

4、使用油管錨減少沖程損失。

5、合理利用氣體能量及減少氣體影響。

有桿油井生產系統：油層、井筒流動、機—桿—泵和地面出油管線到油氣分離器。靜液面：關井后環形空間中液面恢復到靜止（與地層壓力相平衡）時的液面。動液面：油井生產時油套環形空間的液面。

地面示功圖：表示懸點載荷與位移的示功圖稱為地面示功圖

P157

第五章：注水

油田注水要求：水源的水量充足、水質穩定

水源種類：地面水源、來自河床等沖積層的水源、地層水水源、油層采出水 注入水處理技術：

1、沉淀（聚凝劑：硫酸鐵、三氯化鐵和偏鋁酸鈉）

2、過濾

3、殺菌（殺菌劑：次氯酸、次氯酸鹽及氟化鈣、甲醛既有殺菌作用又有 防腐作用）

4、脫氧

5、曝曬

6、含油污水處理

污水回注的優點：(1)污水中含表面活性物質，能提高洗油能力。

(2)高礦化度污水回注后，不會使粘土顆粒膨脹而降低滲透率。

(3)污水回注保護了環境，提高了水的利用率。污水回注應解決的問題：(1)處理后的污水應達到注水水質標準。

(2)水在設備和管線中既不產生堵塞性結垢，又不產生嚴重腐蝕。

(3)和地層水不起化學反應生成沉淀，以免堵塞油層。注水地面系統：水源泵站、水處理站、注水站、配水間和注水井 注水站作用：將來水升壓，以滿足注水井對注入壓力的要求。儲水罐作用：

1、儲備作用：為注水泵儲備一定水量，防止因停水而造成缺水停泵現象。

2、緩沖作用：避免因供水管網壓力不穩定而影響注水泵正常工作及其它系統的 供水量及水質。

3、分離作用：可使水中較大的固體顆粒物質、砂石等沉降于罐底，含油污水中 較大顆粒的油滴可浮于，便于集中回收處理。注水井投注程序：

排液（目的在于清除油層內的堵塞物，在井底附近造成適當的低壓帶，為注水創造 有利條件，并利用部分彈性儲量，減少注水井排或注水井附近的能量損失，有利于 注水井排拉成水線。）

洗井（目的是把井筒內的腐蝕物、雜質等污物沖洗出來，避免油層被污物堵塞，影 響注水。）

試注（目的在于確定能否將水注入油層并取得油層吸水啟動壓力指數等資料，根據 要求注入量選定注入壓力。）

4、轉注（注水井通過排液、洗井、試注，取全準試注的資料，并繪出注水指示曲線，在經過配水就可以轉為正常注水。）

吸水指數：單位注水壓差下的日注水量，單位為m3/(d*MPa)比吸水指數：地層吸水指數除以油層有效厚度的數值 視吸水指數：日注水量/井口壓力

（未進行分層注水時若采用油管取水，則井口壓力取套管壓力；若采用套管注水，則井口壓力取油管壓力。）

影響吸水能力的因素：

分層注水作用：解決層間矛盾，調整油層平面上注入水分布不均勻的狀況，以控制油井含水 上升和油田綜合含水率的上升速度，提高油田的開采效果。

封隔器失效的原因：

1、封隔器膠皮筒變形或破裂，使膠皮筒無法密封

2、配水器彈簧失靈及管柱底部閥密封不嚴，使油管內外壓差達不到封 隔器膠皮筒脹開所需要的壓力差。

表現：油套壓平衡；注水壓力不變（或下降），而注入量上升。欠注：設計配注量大于實際注水量使配注誤差為正 超注：設計配注量小于實際注水量使配注誤差為負

嘴損曲線：配水嘴尺寸、配水量和通過配水嘴的節流損失三者之間的定量關系曲線。

注水井調剖：為了調整注水井的吸水剖面，提高注入水的波及系數，改善水驅效果，向地層 的高滲透層注入堵劑，堵劑凝固或膨脹后，降低高滲透層的滲透率，迫使注入 水增加對低含水部位的驅油作用的工藝措施稱為注水井調剖。

調剖方法：

1、單液法：向油層注入一種液體，液體進入油層后，依靠自身發生反應，隨后 變成的物質可封堵高滲透層，降低滲透率，實現堵水。

堵水劑：石灰乳、硅酸溶液、絡凍膠、硫酸、水包稠油

2、雙液法：向油層注入由隔離液隔開的兩種可反應（或作用）的液體。堵水劑：沉淀性堵劑、凍膠型堵劑、膠體分散體型堵劑 注水井調剖的選井條件：

1、位于綜合含水高、采出程度較低、剩余油飽和度較高的注水井

2、與井組內油井連通情況好的注水井

3、吸水和注水狀況良好的注水井

4、固井質量好、無竄槽和層間竄漏現象的注水井 調剖是否有效判斷條件：

1、處理層吸水指數較調剖前下降50%以上

2、吸水剖面發生明顯合理變化，高吸水層降低吸水量，低吸水層增 加吸水量10%以上

3、壓降曲線明顯變緩

示蹤劑：指能隨流體運動，易溶且在低濃度下仍可被檢測，用以指示溶解它的液體在多孔介 質中的存在、流動方向或滲透速度的物質。常用的水示蹤劑：放射性示蹤劑、化學示蹤劑 第六章：水力壓裂技術

水力壓裂：利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓，當此壓力大于井壁附近的地應力和地層巖石抗張強度時，便在井底附近地層產生裂縫；繼續注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫，使井達到增產增注的目的。（原理主要是通過降低降低附近地層中流體的滲流阻力和改變流體的滲流狀態。）

破裂梯度：指地層破裂壓力與地層深度的比值

1、一般認為β小于15-18時形成垂直裂縫，而大于23時則是水平裂縫。因此深地層出現的多為垂直裂縫，淺地層出現水平裂縫的幾率多。

2、如果地層破裂壓力過高，難以進行正常施工，可進行預處理以降低破裂壓。這些方法的實質是降低井底附近地層的應力，如高效射孔、密集射孔、水力噴砂射孔及小規模酸化。壓裂液：前置液：作用是破裂地層并造成一定幾何尺寸的裂縫，以備后面的攜砂液進入。攜砂液：作用是將支撐劑帶入裂縫中并將支撐劑填在裂縫內預定位置上。

頂替液：將攜砂液送到預定位置，并有預防砂卡的作用；注完攜砂液后要用頂替液 將井筒中全部攜砂液替入裂縫中，以提高攜砂液的效率和防止井筒沉砂。壓裂液的性能要求：

1、濾失少

2、懸砂能力強

3、摩阻低

4、穩定性

5、配伍性

6、低殘渣

7、易返排

8、貨源廣、便于配制、價錢便宜

壓裂液類型：水基壓裂液、酸基壓裂液、油基壓裂液、乳狀及泡沫壓裂液。

壓裂液到地層受三種機理控制：壓裂液的粘度、油藏巖石和流體的壓縮性及壓裂液的造壁 性。

初濾失量：形成濾餅前的濾失量用Vsp表示。冪律液體流動從地面到地下裂縫中的四種過程：地面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動。導流率：指油層條件下填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，常用FRCD表示。

支撐劑的性能要求：

1、粒徑均勻，密度小

2、強度大、破碎率小

3、圓度和球度高

4、雜質含量少

5、來源廣，廉價

支撐劑的類型：脆性支撐劑，韌性支撐劑（按力學性質分）樹脂包層支撐劑的優點：

樹脂薄膜包裹砂粒，增加了砂粒間的接觸面積，從而提高了支撐劑抗閉合壓力的能力。樹脂薄膜可將壓碎的砂粒小塊或粉砂包裹起來，減少了微粒的運移與堵塞孔道的機會，從而改善了填砂裂縫的導流能力。

樹脂包層砂總的體積密度比上述中強度與高強度陶粒要低很多，便于選否，因而降低了對攜砂液的要求。

樹脂包層支撐劑具有可變形的特點，這使其接觸面積有所增加，可防止支撐劑在軟地層中的嵌入。

裂縫內的砂濃度：指單位體積裂縫內所含支撐劑質量。

裂縫閉合后的砂濃度：指單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質量。地面砂比：單位體積混砂液中所含的支撐劑質量。（支撐劑體積與壓裂液體積之比）

平衡狀態：液體的流速逐漸達到使顆粒處于懸浮狀態的能力，此時顆粒停止沉降，這種狀態稱為平衡狀態。顆粒在垂直剖面上的分布：區域1是沉降下來的沙堤，在平衡狀態下沙堤的高度為平衡高度。區域2是在沙堤面上的顆粒滾流區

區域3則是懸浮區，顆粒都處于懸浮狀態，存在濃度梯度 區域4是無砂區

支撐劑的選擇依據：支撐劑的類型和粒徑

影響支撐劑選擇的因素：

1、支撐劑的強度；

2、粒徑及其分布；

3、支撐劑類型；

4、其他因素（支撐劑的質量、密度以及顆粒圓度、球度也都會影響裂縫的導流能力。）影響壓裂井增產幅度的原因：油層特性和裂縫的幾何參數

（油層特性只要是指壓裂層的滲透率、孔隙度、流體物性、油層能量、含油豐度和泄油面積等；裂縫參數是指填砂裂縫的長、寬、高和導流能力）麥克奎爾—西克拉曲線結論： 在低滲油藏中，增加裂縫長度比增加裂縫導流能力對增產更有利。因為對低滲油層容易得到高的導流能力，要提高增產倍數，應以加大裂縫長度為主，這是當前在壓裂特低滲透層時，強調增加裂縫長度的依據。而對高滲地層正好相反，應以增加導流能力為主。

對一定的裂縫長度，存在一個最佳的裂縫導流能力。因為對一定的油層條件，油層的供液能力是有限的，所要求的滲流條件（導流能力）也是有限的，過分追求高導流能力是不必要的。壓裂效果預測：

1、增產倍數；

2、產量預測 :：酸處理技術

酸化原理：通過酸液對巖石膠結物或地層孔隙、裂縫內堵塞物等的溶解和溶蝕作用，恢復或提高地層孔隙和裂縫的滲透性。酸化分為：

1、酸洗：將少量酸液注入井筒內，清除井筒孔眼中酸溶性顆粒和鉆屑及結垢等，并疏通射孔孔眼。

2、基質酸化：在低于巖石破裂壓力下將酸注入地層，依靠酸液的溶蝕作用恢復 或提高井筒附近較大范圍內油層的滲透性。

3、壓裂酸化：在高于巖石破裂壓力下將酸注入地層，在地層內形成裂縫，通過酸液對裂縫壁面物質的不均勻溶蝕形成搞導流能力的裂縫。酸巖反應速度：在數值上酸巖反應速度可用單位時間內酸濃度的降低值表示，也可用單位時間內巖石單位反應面積的溶蝕量來表示。酸巖反應的三個步驟：

1、酸液中H+傳遞到碳酸鹽巖表面；

2、H+在巖面與碳酸鹽進行反應；

3、反應生成物Ca2+、Mg2+和CO2氣泡離開巖面 酸液中的H+透過邊界層傳遞到巖面的方式：對流和擴散 面容比：巖石反應表面積與酸液體積之比，簡稱面容比。影響酸巖復相反速度的因素分析：P297 面容比：當其他條件不變時，面容比越大，單位體積酸液中的H+傳遞到巖石表面的數量就越多，反應速度也越快。

酸液的流速：隨著酸液流速的增加，酸液的流動可能會由層流變為紊流，從而導致H+的傳質速度顯著增加，反應速度也相應增加。

酸液的類型：酸巖反應速度近似與酸溶液內部的H+濃度成正比，采用強酸時反應速度快，采用弱酸時反應速度慢。

鹽酸的質量分數：鹽酸質量分數在24%—25%之前，隨鹽酸質量分數的增加，反應速度也增加；超過這個范圍后，隨鹽酸質量分數的增加，反應速度反而降低。溫度：溫度升高，H+的熱運動加劇，H+傳質速度加快，酸巖反應速度也隨之加快。

壓力：當壓力小于3MPa時，壓力對反應速度的影響顯著；壓力超過5—6MPa，壓力對反應速度影響甚微。

其他因素：巖石化學組分、物理化學性質、酸液粘度 酸化壓裂：用酸液作為壓裂液實施不加支撐劑的壓裂。

原理：

1、酸壓過程中一方面靠水力作用形成裂縫

2、靠酸液的溶蝕作用把裂縫的壁面溶蝕成凹凸不平的表面，停泵卸壓后，裂縫壁面不能完全閉合，具有較高的導流能了，可達到提高底層滲透性的目的。

提高酸壓裂縫的有效長度和酸壓效率： 固相防濾失劑 前置液酸壓 膠化酸

殘酸：當酸濃度降低到一定濃度時，酸液基本上失去溶蝕能力的酸液。

有效作用距離(裂縫的有效長度)：酸液由活性酸變為殘酸之前所流經裂縫的距離。增加酸液有效作用距離的方法： 在地層中產生較寬的裂縫 較低的氫離子有效傳質系數 較高的排量

盡可能小的濾失速度

土酸：由10%—15%的鹽酸及3%—8%的氫氟酸混合而成 土酸酸化設計步驟：

確信處理井是由于油氣層損害造成的地產或低注入量 選擇適宜的處理液配方

確定注入壓力或注入排量，以便在低于破裂壓力條件下施工 確定處理液量

提高土酸處理效果的方法：

同時將氟化銨水溶液與有機脂注入地層，一定時間后有機脂水解生成有機酸，有機酸與氟化銨作用生成氫氟酸。

利用粘土礦物的離子交換性質，在粘土顆粒上就地產生氫氟酸 高質量分數鹽酸處理的好處：

酸巖反應速度相對變慢，有效作用范圍增大

單位體積鹽酸可產生較多的CO2，利于廢酸的排出

單位體積鹽酸可產生較多的氯化鈣、氯化鎂，提高了廢酸的粘度，控制了酸巖反應速遞，并有利于懸浮、攜帶固體顆粒從底層中排出 受到地層水稀釋的影響較小

鹽酸處理的缺點：與石灰巖反應速度快，特別是高溫深井，由于地層溫度高，鹽酸與地層作用太快，因而處理不到地層深部；此外，鹽酸會使金屬坑蝕成許多麻點狀斑痕，腐蝕嚴重 多組分酸：一種或幾種有機酸與鹽酸的混合物 油酸乳化作用：

有利于延緩酸巖的反應速度

可把活性酸攜帶到油氣層深部，擴大了酸處理的范圍 解決防腐問題

稠化酸：指在鹽酸中加入增稠劑，使酸液粘度增加。緩蝕劑作用： 抑制陰極腐蝕 抑制陽極腐蝕

在金屬表面形成一層保護膜

穩定劑：為防止氫氧化鐵沉淀，避免發生地層堵塞現象而加入的某些化學物質 第八章：復雜條件下的開采技術 油層出砂的危害：

砂埋油層或井筒砂堵造成油井停產 出砂使地面和井下設備嚴重磨蝕、砂卡 沖砂檢泵、地面清罐等維修工作量劇增 出砂嚴重時還會引起井壁坍塌而損壞套管 出砂的原因： 地質因素（內因）

1、應力狀態

2、巖石的膠結狀態

3、滲透率的影響

二、開采因素（外因）

1、固井質量

2、射孔密度

3、油井工作制度

4、其它因素 防砂方法：

制定合理的開采措施 采取合理的防砂工藝方法 礫石填充防砂方法 化學防砂方法 清砂方法：

沖砂：通過沖管、油管或油套環空向井底注入高速流體沖散砂堵，由循環上返的液體將砂粒帶到地面，以解除油水井砂堵的工藝措施

撈砂：用鋼絲繩向井內下入專門撈砂工具，將井底積存的砂粒撈到地面上來的方法 沖砂方式：正沖砂；反沖砂；正反沖砂；聯合沖砂P347 石蠟：固相物質主要是含碳原子數為16—64的烷烴

結蠟現象：在開采過程中，隨著溫度、壓力的降低和氣體的析出，溶解的石蠟便以結晶體析出、長大聚集和沉積在管壁等固相表面上 影響結蠟的因素： 原油的性質及含蠟量 原油中的膠質、瀝青質 壓力和溶解氣油比 原油中的水和機械雜質

液流速度、管壁粗糙度及表面性質 油井防蠟方法：

1、阻止蠟晶的析出

2、抑制石蠟結晶的聚集

3、創造不利于石蠟結晶的條件 油井清蠟方法：

機械清蠟：用專門的工具刮除油管壁上的蠟，并靠液流將蠟帶至地面的方法 熱力清蠟：利用熱力學能提高液流和沉積表面的溫度，熔化沉積于井筒中的蠟

1、熱流體循環清蠟法

2、電熱清蠟法

3、熱化學清蠟法

油井出水：注入水、邊水、底水、上層水、下層水、夾層水 油井防水措施：

制定合理的油藏工程方案，合理部署井網和劃分注采系統，建立合理的注、采井工作制度和采取合適的工程措施以控制油水邊界均勻推進。

提高固井和完井質量，以保證油井的封閉條件，防止油層與水層串通 加強油水井日常管理、分析，及時調整分層注采強度，保持均衡開采 找水：指油氣井出水后，通過各種方法確定出水層位和流量的工作 稠油特點：

1、粘度高、密度大、流動性差

2、稠油的粘度對溫度敏感

3、稠油中輕質組分含量低，而膠質、瀝青質含量高 高凝油：指蠟含量高、凝固點高的原油

凝固點：指在一定條件下原油失去流動性時的最高溫度

第五篇：081501 飛行器設計與工程（推薦）

業務培養目標：培養具備較好數學、力學基礎知識和飛行器工程基本理論及飛行器總體結構設計與強度分析、試驗能力，能從事飛行器(包括航天器與運載器)總體設計、結構設計與研究、結構強度分析與試驗，并有從事通用機械設計及制造的高級工程技術人員和研究人員。

業務培養要求：本專業學生主要學習飛行器設計方面的基本理論和基本知識，受到航空航天飛行器工程方面的基本訓練，具有參與飛行器總體和部件設計方面的基本能力。畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：

1.掌握飛行器設計的基本理論、基本知識；

2.掌握飛行器結構設計的分析方法；

3.具有飛行器設計的基本能力；

4.熟悉航空航天飛行器設計的方針、政策和法規；

5.熟悉航空航天飛行器設計的理論前沿、應用前景和發展動態；

6.掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法，具有一定的科學研究和實際工作能力。主干學科：航空宇航科學與技術、力學、機械學

主要課程：材料力學、機械設計、彈性力學、結構力學、流體力學與空氣動力學基礎、飛行器動力學、飛行力學、力學性能與結構強度、試驗技術、自動控制理論、飛行器總體設計、結構設計、復合材料設計與分析、空間制導控制、傳熱學與熱防護

主要實踐性教學環節：包括機械制圖、金工實習、生產實習、計算機應用與上機實踐、課程設計、畢業設計。

主要專業實驗：固體、流體力學實驗，空氣動力學實驗，振動學實驗，專業綜合實驗修業年限：四年

授予學位：工學學士

開設院校：哈爾濱工程大學 北京理工大學 北京航空航天大學 南京航空航天大學 西北工業大學 哈爾濱工業大學 南昌航空工業學院等