剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)脈沖幅度的影響

葛 陽(yáng),賈武升,李曉明,陶海君

(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,西安 710065; 2.川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司,西安 710018)

0 引言

泥漿脈沖發(fā)生器是將井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)泥漿脈沖上傳地面的重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著地質(zhì)導(dǎo)向鉆井的不斷發(fā)展,井下上傳的數(shù)據(jù)量逐漸增多。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的泥漿脈沖發(fā)生器以伸縮類(lèi)脈沖發(fā)生器和旋轉(zhuǎn)閥類(lèi)脈沖發(fā)生器為主。伸縮類(lèi)脈沖器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),加工制造精度較低,但受結(jié)構(gòu)限制,動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),傳輸速度明顯受限,對(duì)鉆井液環(huán)境要求高。旋轉(zhuǎn)閥類(lèi)脈沖器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工精度高,對(duì)鉆井液環(huán)境要求低,響應(yīng)時(shí)間短,傳輸速度理論可達(dá)2bps以上。但現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)閥類(lèi)脈沖發(fā)生器除國(guó)外進(jìn)口外,均在試驗(yàn)推廣應(yīng)用階段,且受減速器內(nèi)部噪聲的干擾影響較大,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)閥脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度不理想,因此有必要對(duì)剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器定轉(zhuǎn)子軸向間隙調(diào)整對(duì)脈沖幅度變化的影響進(jìn)行深入研究,以提高脈沖信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、傳輸速率、傳輸距離及信號(hào)強(qiáng)度。

1 剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器壓力波信號(hào)的產(chǎn)生

剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器由定子、轉(zhuǎn)子、齒輪減速機(jī)構(gòu)、直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、控制電路組成。定子、轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)閥全開(kāi)時(shí)的相對(duì)位置如圖1所示。定子位于轉(zhuǎn)子的上方,定轉(zhuǎn)子位置剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 高速率剪切式旋轉(zhuǎn)閥脈沖器全開(kāi)時(shí)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置Fig.1 Determination of the relative position of the rotor when the high speed shear rotary valve pulser is fully opened

圖2 定轉(zhuǎn)子位置剖面結(jié)構(gòu)Fig.2 Profile structure of fixed rotor position

轉(zhuǎn)子每隔一定的周期會(huì)阻斷流道,轉(zhuǎn)子剪切擺動(dòng)是剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器獲得能量的主要途徑。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的位置、精度及速度都受到轉(zhuǎn)子剪切擺動(dòng)的影響。

與定子不同的是,轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生截流效應(yīng),從而使鉆柱內(nèi)泥漿產(chǎn)生壓力脈沖[1-2]。剪切式高速旋轉(zhuǎn)閥脈沖器的定轉(zhuǎn)子是產(chǎn)生壓力脈沖的關(guān)鍵元器件。剪切式高速旋轉(zhuǎn)閥脈沖器的控制系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥脈沖器內(nèi)部的控制電路,控制電路驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[3-4]。鉆井液從定子的上方流入,經(jīng)過(guò)定子和定轉(zhuǎn)子的間隙h從轉(zhuǎn)子的下方流出。轉(zhuǎn)子通過(guò)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)改變流過(guò)轉(zhuǎn)閥閥口的面積A(t),由大到小再由小到大這樣每隔一段時(shí)間循環(huán)變化一次,使鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力不斷變化,進(jìn)而產(chǎn)生連續(xù)的壓力波信號(hào)[5]。壓力波信號(hào)是鉆井液流過(guò)旋轉(zhuǎn)閥時(shí)所產(chǎn)生的壓降[5],正是由于有壓降,剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖器才會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào),壓力波信號(hào)的大小在一定程度上可表示脈沖幅度。

壓力波信號(hào)在鉆井液通道中的傳遞實(shí)質(zhì)上是由鉆井液的可壓縮性產(chǎn)生的[6-7],當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥通流面積減少時(shí),靠近旋轉(zhuǎn)閥上端的一段鉆井液由于流動(dòng)受到阻礙而突然停止流動(dòng),但上層鉆井液在慣性作用下依然保持流動(dòng)狀態(tài),因此該段鉆井液被壓縮,壓力增高,最終壓力波以聲速傳播,整個(gè)液柱壓力增加;相反,當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥通流面積增加時(shí),靠近旋轉(zhuǎn)閥上端的一段鉆井液由于流動(dòng)通暢而逐漸膨脹,同理,在液柱的相互作用下,壓力得以向下游傳播,整個(gè)液柱壓力下降,因此通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥的關(guān)閉和打開(kāi)動(dòng)作產(chǎn)生限流作用,從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。旋轉(zhuǎn)閥的限流作用產(chǎn)生機(jī)理為薄壁小孔節(jié)流。薄壁小孔流量公式為[8]:

(1)

式(1)中,Q為流量,單位m3/s。C0為旋轉(zhuǎn)閥閥口處的流量系數(shù),近似為常數(shù)。A(t)為流過(guò)旋轉(zhuǎn)閥閥口的鉆井液面積,單位為m2。ρ為鉆井液密度,單位為kg/m3。ΔP(t)為閥口入口處與出口處之間的壓力差,單位為MPa。

由式(1)可得閥口入口處與出口處之間的壓力差表達(dá)式為:

(2)

由式(2)可知,閥口入口處與出口處的壓差與流過(guò)閥口的鉆井液面積的平方成反比,通過(guò)這一變化規(guī)律可得到壓力波信號(hào)[9]。該壓力差與鉆井液流量Q、密度ρ及流過(guò)閥口鉆井液面積A(t)有關(guān)。以下就流量及定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)脈沖幅度的影響進(jìn)行研究。

壓力波信號(hào)的最大與最小值是將泥漿靜壓力排除后的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)獲取的角度,對(duì)于產(chǎn)生的泥漿脈沖信號(hào)想要得到的結(jié)果是泥漿壓力波的最小值越小越好,而脈沖信號(hào)的最大值越大越好。流經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥的最大泥漿通流面積受到鉆桿本身的形狀尺寸及轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的影響。在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)閥脈沖器定轉(zhuǎn)子時(shí),需考慮最大、最小的通流面積。在不同泥漿流量與井深情況下,定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙有所不同,脈沖信號(hào)幅度也有所不同。

2 定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)脈沖幅度的影響

定轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整使流過(guò)間隙處的流體流量發(fā)生變化,根據(jù)節(jié)流有關(guān)理論,由式(2)可知,Q改變?chǔ)(t)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。用ΔP(t)來(lái)度量脈沖信號(hào)幅度,故定轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整會(huì)影響脈沖信號(hào)幅度。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)閥閥口處的通流面積產(chǎn)生一定的影響。定轉(zhuǎn)子設(shè)置一定的間隙是為了有效防止鉆井液中的雜物堵塞旋轉(zhuǎn)閥,但是間隙不能太大也不能太小。如果定轉(zhuǎn)子間隙過(guò)小會(huì)使間隙處額外的流體流量過(guò)小,鉆井液中的巖屑、泥沙會(huì)被堵住,造成間隙處壓力過(guò)高,進(jìn)而損壞泥漿泵。相反,如果定轉(zhuǎn)子間隙過(guò)大會(huì)使間隙處額外的流體流量過(guò)大,根據(jù)薄壁小孔節(jié)流理論可知,壓力會(huì)向下游傳播,整個(gè)液柱壓力下降,使得泥漿脈沖器入口處的壓力峰值降低。因此主要研究定轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整對(duì)脈沖幅度的影響。

經(jīng)過(guò)先期多次試驗(yàn),泥漿流量在22～38 L/s時(shí),剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖發(fā)生器的振動(dòng)較大,脈沖信號(hào)幅度的變化較明顯。故選取泥漿流量范圍22～38 L/s進(jìn)行試驗(yàn)。采用的轉(zhuǎn)子為八瓣子結(jié)構(gòu)。目前工程上使用的流量單位為L(zhǎng)/s,1 L/s=10-3m-3/s,因此使用的流量單位為L(zhǎng)/s,取C0=0.65(流量系數(shù)一般取0.65),ρ=1.1 kg/m3(現(xiàn)場(chǎng)鉆井液密度),旋轉(zhuǎn)閥間隙越小越好,A(t)=π×10-6m2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)可以得到轉(zhuǎn)閥全開(kāi)時(shí)流量、定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖幅度的影響規(guī)律。

設(shè)置該旋轉(zhuǎn)閥脈沖發(fā)生器的脈寬為1 s,轉(zhuǎn)子直徑79 mm,測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖3所示。在同一間隙下,隨著流量的增加,脈沖信號(hào)幅度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),在流量為27 L/s時(shí)達(dá)到最小,主要是由于泥漿泵工作時(shí)的噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾。在流量為22～27 L/s時(shí),由于定轉(zhuǎn)子之間存在間隙,隨著間隙增加,轉(zhuǎn)閥流通面積會(huì)增加,從而使脈沖幅度逐漸減小。流量為37 L/s時(shí),間隙為0.5 mm和0.7 mm時(shí)測(cè)得的脈沖幅度更接近于理論值。當(dāng)排量相當(dāng)大時(shí),縫隙越小,間隙處的泄流越小,脈沖幅度越大,這時(shí)實(shí)測(cè)值與理論值逐漸趨近。間隙為0.5 mm和0.7 mm所對(duì)應(yīng)的曲線在流量為27～34 L/s時(shí),脈沖幅度較為接近。這是由于間隙從0.5 mm變化到0.7 mm的過(guò)程中泄流增加量不明顯所致。在同一流量下,間隙越小,脈沖信號(hào)幅度越大。間隙為0.8 mm時(shí),脈沖幅度相對(duì)較小。因此,合理的定轉(zhuǎn)子間隙為0.5～0.7 mm。

圖3 不同間隙時(shí)脈沖幅度與流量的關(guān)系Fig.3 Relationship between pulse amplitude and flow rate at different gaps

3 不同泥漿流量下定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)脈沖信號(hào)幅度及轉(zhuǎn)子所受扭矩的影響

定轉(zhuǎn)子間隙調(diào)整會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子負(fù)載產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)定轉(zhuǎn)子之間的間隙變小時(shí),轉(zhuǎn)子所受扭矩會(huì)增加,導(dǎo)致脈沖器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度變大。當(dāng)定轉(zhuǎn)子之間的間隙變大時(shí),轉(zhuǎn)子所受扭矩會(huì)減小,導(dǎo)致脈沖器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度變小。圖5是在不同流量時(shí)轉(zhuǎn)子所受扭矩與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系。

在流量22～32 L/s對(duì)剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速脈沖發(fā)生器進(jìn)行水循環(huán)試驗(yàn),采用的轉(zhuǎn)子為八瓣子結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)得到流量、定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)剪切式旋轉(zhuǎn)閥高速泥漿脈沖發(fā)生器脈沖幅度的影響。

如圖4所示,在同一定轉(zhuǎn)子間隙下,脈沖信號(hào)幅度隨流量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。在相同流量下,脈沖信號(hào)幅度隨著定轉(zhuǎn)子間隙的增大逐漸減小,定轉(zhuǎn)子間隙越大,脈沖信號(hào)幅度越小,這是由間隙處的泄流變大所致。

圖4 不同流量時(shí)脈沖幅度與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系Fig.4 Relationship between pulse amplitude and fixed rotor clearance at different flow rates

如圖5所示,在同一定轉(zhuǎn)子間隙下,轉(zhuǎn)子所受扭矩隨流量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。在相同的泥漿流量下,脈沖信號(hào)幅度隨著定轉(zhuǎn)子間隙的增大逐漸減小,定轉(zhuǎn)子間隙越大,脈沖信號(hào)幅度越小。

圖5 不同流量時(shí)轉(zhuǎn)子所受扭矩與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系Fig.5 Relationship between rotor torque and constant rotor clearance at different flow rates

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,在不同泥漿流量下,壓力脈沖信號(hào)幅度與定轉(zhuǎn)子間隙的變化呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系,轉(zhuǎn)子所受扭矩與定轉(zhuǎn)子間隙的變化呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。

4 結(jié)論

不同間隙時(shí)脈沖幅度與流量的關(guān)系:在同一間隙下,隨著流量的增加,脈沖信號(hào)幅度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),在流量為27 L/s時(shí)達(dá)到最小。在流量為22～27 L/s時(shí),由于定轉(zhuǎn)子之間存在間隙,隨著間隙的增加,轉(zhuǎn)閥流通面積增加,從而使脈沖幅度逐漸減小。在流量為37 L/s時(shí),間隙為0.5 mm和0.7 mm時(shí)測(cè)得的脈沖幅度更接近于理論值。當(dāng)排量相當(dāng)大時(shí),縫隙越小,間隙處的泄流越小,脈沖幅度越大,這時(shí)實(shí)測(cè)值就與理論值逐漸趨近。間隙為0.5 mm和0.7 mm所對(duì)應(yīng)的曲線在流量為27～34 L/s時(shí),脈沖幅度較為接近。這是由于間隙從0.5 mm變化到0.7 mm的過(guò)程中間隙處泄流增加量不明顯所致。在同一流量下,間隙越小脈沖信號(hào)幅度越大,間隙為0.8 mm時(shí),脈沖幅度相對(duì)較小。

不同流量時(shí)脈沖幅度與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系:在同一間隙下,脈沖信號(hào)幅度隨流量的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),流量越大脈沖信號(hào)幅度越大;在相同流量下,脈沖信號(hào)幅度隨著定轉(zhuǎn)子間隙的增大逐漸減小,定轉(zhuǎn)子間隙越大脈沖信號(hào)幅度越小。

不同流量時(shí)轉(zhuǎn)子所受扭矩與定轉(zhuǎn)子間隙的關(guān)系:在同一定轉(zhuǎn)子間隙下,轉(zhuǎn)子所受扭矩隨流量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。在相同泥漿流量下,脈沖信號(hào)幅度隨著定轉(zhuǎn)子間隙的增大逐漸減小,定轉(zhuǎn)子間隙越大脈沖信號(hào)幅度越小。

在不同泥漿流量下,壓力脈沖信號(hào)幅度與定轉(zhuǎn)子間隙的變化呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。

在不同泥漿流量下,轉(zhuǎn)子所受扭矩與定轉(zhuǎn)子間隙的變化呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。