钻井液连续波发生器转阀设计与信号特性分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 石 油机械 CHI NA P ET ROL E UM MAC HI NE RY ． 一 专题研究 钻 井液连续 波发 生器转 阀设计与信号特性分析 贾 朋 房 1 ．中国石油大学 华 东机 电工程 学院 军 李 林 2 ．中国石 油集 团钻 井工程技 术研 究院 摘要 为了改善信号发生器的控制性能、提高连续波信号的产生速 率与传输距离，需要设计 合理 的转阀阀 口形状。根据压力． 流量关系式推导出可 以获得简谐波压力信号 的阀 口形状 曲线方 程，并据此方程对设计的转阀定转子形状进行 了修 正。通过 三维流场仿真分析 了不 同定、转子轴 向间隙对压力波信号的影响。结果表 明， 当轴 向间隙小于 1 m m 时，推导所得 的转 阀阀 口曲线可 以获得较理想的简谐波压力信号。为 了解决减小轴 向间隙引起 的阀口冲蚀和堵塞 问题，建议在 转 阀设计中增加与转阀并联 的旁路，在转阀入 口处增加过滤装置。 关键词 钻井液连续波 转阀设计 阀 口曲线 简谐波信号 轴向间隙 转 阀是钻井液连续波信号发生器的核心部件 ， 其设计关系到信号的质量 、信号发生器的控制性能 和转阀的寿命等。 目前 ，转 阀阀 口形状 主要有扇 形 、三角形 和圆形一 矩形 等。这些 阀口形状 所产生的压力信号波形与简谐压力波偏差较大 ，含 有较大的谐波分量 ，这些谐波分量在钻井液通道 中 衰减很快 。为 了改善信号发生器的控制性能、提高 连续波信号的产生速率与传输距离，需要设计合理 的转 阀阀口形状 ，笔者 以获得简谐压力波为 目标 ， 研究转阀阀 口形状的设计方法 ，然后通过流场仿真 对压力波信号特性的影响因素进行 了分析。 1 简谐压力波阀口形状曲线方程 钻井液连续波信号发生器属于旋转节流型信号 发生器，其主要部件为 1 个定子和 1 个转子 ，转子 由电动机控制 ，按一定的规律相对于定子打开或者 关闭时，就会产生脉 冲或者连 续压力波 动 。改 变转子的运动规律或者转阀阀口形状可以获得多种 形式的压力波信号，其 中以简谐压力波信号的频谱 能量最为集中。改变转子运动规律获得简谐压力波 需要复杂的控制算法 ，并且电动机一直处于加 、减 速状态 中，既影响电动机的使用寿命又会产生很大 的动态转矩 ，增加 电能消耗。设计合理的转 阀阀口 形状 ，只需控制电动机匀速旋转就可以获得简谐压 力波 ，电动机的加 、减速控制只需在实现信号调制 调相或调频时进行。 能够获得简谐压力波信号 的转 阀阀口形状有很 多种 ，笔者提出的转阀阀口设计思想是在极坐标系 下 ，将定子的一条边设计成通过原点的直线段 ，用 该边扫略转子阀口曲线 ，从而获得转阀通流面积的 变化规律 ，然后调整转子阀 口的曲线方程使转 阀转 动产生的压力波信号为简谐信号。 1 ． 1 阀口曲线方程的推导 要获得的简谐压力波信号为 a p s i n n c c， ￡ 。 b 1a s l n n o t 一 L 十 十 二 其中a P ⋯ - p i ／ 2 ，b P p i ／ 2 式中P 、P i 压力信号最大、最小值 ，M P a ； n 转 阀叶瓣个数 ； 转阀转动角频率 ，r a d ／ s ； 转 阀的初始相位 ，r a d 。 假定流量 、密度恒定 ，定 、转子间的轴 向间隙 为 0 。当雷诺数大于临界雷诺数时，流量系数保持 不变 ，根据节流口流量与压力关系 Qc a A,／ 2 a p ／ p 2 可 得 基金项 目中国石油集 团国际合作项 目 “ 泥浆 连续波井下信息高速上传技术研究” 2 0 0 8 C一 2 1 0 1 0 1 。 一 1 0一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 A √ ㈩ cd 2 △ p 式中Q 钻井液流量 ，m ／ s ； p 密度 ，k g ／ m 。 ； c 流量系数 ； A 转 阀的通流面积 ，11 1 。 当转子以恒速运转 时，O l 0 9 t ，对应转阀的不 同开度 。当 0≤O L m a x A ， 时 ，式 7 才有意义 。 当给定钻井液流量 ，压力信号的最大 、最小值 等设计参数之后 ，就可以通过式 7 、式 8 确 定合理的转子几何参数。由式 3 可知 ，当几何 形状确定之后 ，改变钻井液流量和密度 ，压力波信 号仍然是正弦波信号。 1 ． 2 设计 实例 利用上述方法进行转 阀形状设 计 ，设计参 数 为 钻井液流量 Q0 ． 0 3 0 m 。 ／ s ，压力波信号最大 值 2 MP a 、最小值 0 ． 2 7 MP a ，钻井液密度为 1 1 0 0 k g ／ i n ，阀口流量系数 C d 0 ． 6 5 。图 2给出了转子 叶瓣数分别 为 3 、4时的设计结果 ，图中粗线 为 r O 1 周期性拓展后得到的曲线。 图 2转子 轮 廓 图 设定子形状如图 1 所示 。当 n ≤ 2 , r r ／ n时， 转阀处于开启状态，其开 口面积可由下式表示 A O l“ r r ／ n A ⋯ A 。 一 O t 0≤ O lw ／ n 9 综合式 3 和式 9 ，可得如图 3所示的压 力 、面积变化曲线 n 4 。由图可知 ，转子和定 子形状不同，压力信号在前半周期按简谐规律变化 ， 但后半周期不再按照简谐规律变化。因此 ，需要对 上述方法得到的转阀定子 、转子形状进行修正。 0 ． 0 0 2 0． 0 02 ， 、0． O01 u 0． 001 。E 0 0o 0 - 0 ． 0 0 0 ． 0_ O 01 0． 0O1 0． 0 02 图 3 1个 周 期 内通 流 面积 、压 力 的 变化 曲 线 2 转 阀阀 口形状修正 由图 2可知 ，转子的轮廓曲线可以在最小半径 处分为 2段。曲线段 1 如图 2所示 变化较 陡， 接近径 向线 ，因此将该曲线段改为通过圆心的径向 线，然后 与曲线段 2之间用 圆弧过渡 ，如 图 4所 示。修正后的转子与定子形状相同。 对式 7 求导 ，可得最小半 径 r i 对应的角 度 ⋯的表达式为 *csin H ， 简谐波周期 O t 与 i 的比值为 O ／ T ,ff 1 1 由式 1 1 可知 ，k只与压力波信号 的最 大 2 0 1 0年 第 3 8卷第 2期 贾 朋等 钻 井液连续 波发 生器转 阀设计 与信 号特性 分析 值 、最小值和初始相位有关 ，当 P ⋯ 2 MP a 、P ⋯ 0 ． 2 7 M P a 、 一,r r ／ 2时，k 6 ，即由于形状修 正引起的信号失真 约 占整个简谐波周期 的 。因 此 ，修正对压力波信号的影响不大。 一 ； ． 一 ．． ＼ J 图4 修 正后 的转子轮 廓 图 3 定 、转子轴 向间隙对压 力波信 号特 性 的影响 游流道的几何模型 ，然后导入 G a mb i t内进行 网格 划分 、设置边界类 型，接着用 T m e r g e程序将 3部 分网格合在一起 ，最后在 F l u e n t 内用滑动网格方法 进行转阀的流场仿真 见图 6 。 图 6转 阀流 道 的 几 何 模 型 仿真过程中认为钻井液为单相不可压缩流体 ， 只考虑其粘性 、密度对转阀性能的影响。入 口边界 条件 为速度 人 口，流速 为 3 m ／ s ；出 口边 界 为 压 力 出 口，出口压力设为井底环境压力 ；壁面为无滑移 壁面 ；滑动网格的旋转速度为 6 2 ． 8 r a d ／ s 信号频 率 4 0 H z 。流动状态 为紊 流，使用标准 K 一 紊 流 模型。采用非定常二阶隐式分离求解器 ，用 S i m p l e 算法进行速度 、压力耦合计算。 3 ． 2 仿 真结 果分 析 图7是不同轴 向间隙下定 、转子的压力波信号 与标准简谐波信号 的比较图。由图 7可知 ，当轴 向 间隙为 3 m m时压力波信号变形严重 ，随着轴向间 隙的减小压力波信号逐渐趋近简谐波波形 ；当轴 向 在转阀阀 口形状设计过程中没有考虑定子 、转 量 子间的轴 向间隙对压力波信号形状 、强度 的影响。 毒 实际设计 中定 、转子之间需要保持一定的间隙 ，防 ～ -- 1 止钻井液 中夹杂的碎屑 、固体颗粒阻塞转阀。流体 _ 。 在定 、转子轴 向间隙中的流动十分复杂，随着转子 的转动，流动在 间隙节 流与 刃 口节流之 间相互 转 变 ，并且流量系数在转 阀开 、关过程 中不断变化 。 因此，笔者通过流场仿真来分析定、转子间的轴向 S 、 间隙对压力波信号特性的影响。 二 3 ． 1 转 阀流 场仿 真 转阀的结构如 图 5所示 ，转 阀阀瓣个数 为 4 。 笔者首先在 S o l i d w o r k s内分别建立定子、转子和下 图5 转阀的结构简 图 1 一钻铤 ；2 一堵头 ；3 一外壳 ；4 一定子 ；5 一转子 ；6 一转轴。 0． 01 0 ． 1 2 0 】 3 0． 04 0 ． 0 5 时 问t ／ s a间隙 1 mm 0 ． 01 0． 0 2 0 ． 0 3 0 0 4 ． 0 5 时间f ／ S b ． 间隙 1 ．5mm 0 ． 01【 】 _ 02 0． 03 r I ． 0 4 0 ． 0 5 】 1 1 0 ． 【 】 2 0 03【 l _ 04 0． 0 5 时间 ／ S 时Ik lt ／ s c间隙 2mm d ’日 J 隙 3mm 图 7不 同轴 向 间 隙下 压 力波 信 号 与 简谐 波 信 号 的 比 较 间隙减小到 1 m m时压力信号波形基本与简谐波波 形重合 。对图 7中的压力信号进行频谱特性分析可 得轴向问隙为 3 m m时的二次谐波分量是间隙为 1 mm时 的 3倍 。 由图 7可知 ，随着轴向间隙的减小，压力波信 号的幅值不断增加 。当间隙为 1 m m时 ，信号的幅 度可达 3 M P a 。由公式 c 2 △ p c 为流速 如 ∞ ∞ ∞ m 0 m ∞ ∞ ∞ 一 一 一 一 0 O O O O 0 O O O 0 O 4 。 一 1 2一 石油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 系数 可知 ，此时流过定子 和转子 间隙 的钻井液 流速高达 7 5 m ／ s ，在此流速 下会严 重 冲蚀 转 阀。 另外 ，过小的轴向间隙会加大堵塞发生的概率。 由上述讨论可知 ，定、转子间轴向间隙既影响 压力波信号的特性又影响转阀的寿命和可靠性 。为 解决两者之间的矛盾 ，在保持转阀定 、转子间的轴 向间隙为 1 m m 的前提下设 置与转 阀并联 的旁路。 通过调整旁路 的通流面积来确定压力波信号的最大 值；在转阀人 口处增加过滤装置 ，使钻井液中的碎 屑、固体颗粒等通过旁路流到信号发生器 的下游 ， 防止由于轴向间隙的减小引起堵塞。改进后的转阀 结构如图 8所示。 1 旁路 2 3 4 图 8 改进 后 的转 阀结 构 1 一滤 网；2 一定子 ；3 一转子 ；4 一转轴。 综上所述 ，可得如下结论 1 根据压力一 流量关系式推导出可 以获得简 谐波压力信号的阀口形状 曲线方程。 2 通过三维流场仿真分析 了不 同定、转子 轴向间隙对压力波信号特性的影响。结果表明，当 轴向间隙小于 1 m m时，根据笔者推导所得的转 阀 阀口曲线可以获得较理想的简谐波压力信号 。 3 为了解决减小轴 向间隙引起的阀 口冲蚀 和堵塞问题 ，建议在转阀的设计 中增加与转阀并联 的旁路 ，在转阀人 口处增加过滤装置。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 C h i n W C，T r e v i n o J A． P r e s s u r e p u l s e g e n e r a t o r US - A，4 7 8 5 3 0 0 [ P ]． 1 9 8 8 1 1 1 5 ． Ma l o ne D． Si n us o i da l p r e s s ur e p u l s e g e ne r a t o r f o r me a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g t o o l U S A，4 8 4 7 8 1 5 [ P ]． 1 98 90 7 1 1 ． Ha h n D，Pe t e r s V ， Ro u a t bi C，e t a1．Os c i l l a t i ng s he a r va l v e for mu d p ul s e t e l e me t r y a nd a s s o c i a t e d me t h o ds o f u s e U S A，6 9 7 5 2 4 4 [ P ]． 2 0 0 51 21 3 ． 房军 ，苏义脑 ．液压信号发生器基本类型与信号 产生 的原理 [ J ]．石油 钻探 技术 ，2 0 0 4，3 2 2 3 941 ． 盛敬超 ．液压流体力学 [ M]．北京机械工业出 版社 ，1 9 8 0 1 7 9 ． 第一作者简介 贾朋 ，生于 1 9 8 2年 ，2 0 0 5年毕业于 中国石油大学 华 东机制专业 ，现为该校机 械设计及 理 论专业在读博士生 ，主要从事井下 工具 的设计与研究 工作 。 地址 2 5 7 0 6 1 山东 省东 营市。Em a i l j i a p e n g 1 9 9 8 1 6 3． C O rn。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 7 本文编辑王刚庆 上接第 8页 2 从增压特性来看 ，模拟结果与试验数据吻 合 ，说明了数值模拟方法 的正确性 ，验证了数值模 拟所得流场结果分析的可信度，也为采用此方法进 一 步模拟和预测优化后的混输泵流场提供了依据。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 J a g g e ma u t h A J ，B r a n d t J U，Mu l l e r Hn k D． O ff s h o r e Mu l t i ph a s e Pu mpi n g Te c hn o l o g y I d e n t i f yi n g t h e P r o b l e m s[ C ]． S P E ／ N F P E u r o p e a n P r o d u c t i o n O p e r a t i o ns Co n f e r e n c e， 1 9 96 ． 李清平 ．螺旋轴流式 多相泵原理 机设计初 探及其 内 部气液两相流动的三维数值分析 [ D]．北京石 油大学，1 9 9 8 ． 李清平，薛敦松 ，卢文强 ．多相泵设计方法初探 [ J ]．工程热物理学报，1 9 9 9 ，2 0 1 6 1 6 4 ． 李清平，薛敦松，朱宏武，等 ．螺旋轴流式多相泵 的设计与实验研究 [ J ]．工程热物理学报，2 0 0 5 ， [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 2 6 1 8 48 7 ． 朱宏武 ，李忠芳 ．螺旋轴 流式多相 泵对 比实验 研究 [ J ]．工程热 物理学报 ，2 0 0 4，2 5 4 6 0 66 0 8 ． 朱宏武 ，李清平 ，薛敦松 ．叶片式 油气水多相 增压 泵 中国 ，0 2 1 5 9 2 7 4 ． 3 [ P ]． 2 0 0 6 ． 李 清平 ，薛敦松 ，李忠芳 ．螺旋轴 流式多相 泵的实 验研究 与优 化设计[ J ]．工程热 物理 学报 ，2 0 0 4， 2 5 6 9 6 2 9 6 4 ． 王福军 ，黎耀军 ，王文娥 ，等 ．水泵 C F D应用 中的 若干问题与思考 [ J ]．排灌机械，2 0 0 5 ，2 3 5 】一 】 0 ． 第一作者简介张金亚，博士研究生，生于 1 9 8 0年， 主要研究方 向为 流体机 械的设计、模 拟及优化。地址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平 区。Em a i l z h j i n y a 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 8 本文编辑谢守平