旋轉閥正脈沖隨鉆測量儀轉子負載特性研究

趙常青，李 輝，周永清，李奇龍

（1.陸軍航空兵學院航空機械工程系，北京 101123；2.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

1 引言

旋轉閥正脈沖隨鉆測量儀是以脈沖信號為傳輸載體的無線隨鉆測量方式［1-2］，測量數據在井下經過簡單計算并按一定的規則和順序進行壓縮編譯，然后通過正脈沖信號序列傳輸至地面系統［3-4］。該測量方式除了現場操作簡單外，還具有鉆井工藝簡單、信號穩定可靠、信號采集不受場地條件限制等特點［5］，是目前隨鉆測量行業中應用最為廣泛的傳輸方式［6］。

隨著國內煤層氣及油氣田開發產業的迅速發展，施工單位不斷大量引進國外泥漿脈沖隨鉆測量儀［7］，由于缺乏競爭和替代產品，這些儀器價格十分昂貴、配件成本高并且維護保養周期長［8］，間接提高了隨鉆測量的成本。另一方面，受國際隨鉆測量行業快速發展的影響，政府及市場的需求呼吁盡快開展國內隨鉆測量技術的研制。正是由于以上各方面因素的促進，國內多個廠家也逐步開展了泥漿脈沖隨鉆測量儀的研制工作［9-11］，但由于國內在泥漿脈沖隨鉆測量儀的研發仍然處于樣機設計及實驗階段［12-13］，對壓力信號產生單元的設計主要關注脈沖信號的產生方式、提高脈沖信號強度的和信號產生速率等性能指標［14］。旋轉閥正脈沖隨鉆測量儀的信號產生單元是閥體總成［15-16］，該部分也是整個儀器的核心單元，目前井下高溫高下工況發電機供電技術還不成熟，降低能耗是隨鉆儀器設計時需要考慮的重要標準，為確保正脈沖隨鉆測量儀正常工作，達到設計條件，需要研究閥體總成轉子在不同工作狀態下的負載特性，便于正確選擇轉子軸系設計固定方式和電動機的選擇。

2 機械結構及受力分析

正脈沖隨鉆測量儀是通過機械結構實現鉆井液通流面積的變化，從而產生相應的壓力信號，現有的儀器中通常采用運動件直線運動和旋轉運動兩種方式來實現［17］。旋轉閥正脈沖隨鉆測量儀閥體總成單元的機械原理，如圖1所示。閥體總成流域的局部示意圖，如圖2所示。脈沖發生單元接收的數據信息通過一定的方式傳遞到控制裝置，控制裝置通過信息識別對電動機發出動作指令，電動機的動力通過機械傳動系統傳遞到轉子主軸，從而帶動轉子規律性正反轉。整個運動過程中轉子始終處于高速鉆井液環境中，當鉆井液流經轉子葉片時，鉆井液的軸向速度產生沖擊力，該沖擊力作用在轉子葉片兩側形成流體水力轉矩驅動轉子運動；且轉子運動方向與鉆井液主流向始終相互垂直，鉆井液直接作用在轉子葉片背面，從而產生作用力，軸向力同時也會產生旋轉阻力矩阻礙轉子的旋轉運動。

圖1 閥體總成機械結構簡圖Fig.1 Mechanical Structure Diagram of Valve Assembly System

圖2 正脈沖隨鉆測量儀工作原理示意圖Fig.2 Schematic Illustration of Positive Pulse MWD

轉子周期性正反轉，并且在打開和關閉兩個狀態下保持恒定位置不變，軸向主要是由三個力共同作用下的合力：水擊壓力波產生的壓力Fh、定轉子節流口節流作用引起的局部壓力損失力Fj和鉆井液速度變化引起的慣性壓力損失Fi。轉子旋轉運動關閉過程中，轉子葉片阻礙了鉆井液的流動，鉆井液的瞬時速度突然減小，變化速度特別大，轉子葉片受到轉子運動引起的水擊壓力Ph；同時定、轉子間通流面積的改變使鉆井液在軸向間隙位置產生了局部壓力損失的壓差Pj；轉子不斷打開、關閉，局部鉆井液速度變化而產生了慣性損失壓力Pi，轉子葉片的軸向力即為鉆井液作用下時的這三個力之和。

轉子運動過程中所受到的這三個力隨轉子轉角位置而發生變化，轉子轉角位置可以表示為時間的函數，其中，數學模型可以表示為：

式中：ρ—鉆井液的密度，kg/m3；A0—定子孔口的通流面積，m2；e—定、轉子軸向間隙；Ae（t）—定、轉子軸向間隙溢流面積，m2；As（t）—轉子旋轉過程中與定子孔口重合的面積，m2；q—鉆井液流量，L/s；a—水擊壓力波的傳播速度，m/s。

轉子水力轉矩［18］：

轉子正反轉旋轉運動過程中，轉子葉片受到的摩擦阻力與運動方向相反，和半徑方向垂直，摩擦阻力矩可以表示為：

3 負載特性計算結果及分析

3.1 軸向力分析

轉子工作在鉆井液環境中，工作過程中受力情況復雜。為了分析軸向間隙、流量、鉆井液粘度和轉子厚度等因素對軸向力的影響分析，分別建立軸向間隙為0.76mm、1.14mm和1.52mm的數值計算模型，其中軸向間隙1.14mm的模型包括兩種轉子葉片厚度模型，結合動網格技術對閥體轉子進行數值仿真計算，針對不同的研究對象分別設置相應的邊界條件進行計算并進行后處理。數值計算網格模型，如圖3所示。

圖3 正脈沖發生器數值計算模型Fig.3 Numeral Calculations Model of Positive Pulse Generator

轉子軸向力在不同工況下的變化，如圖4所示。軸向力隨著軸向間隙的增大而減小，隨鉆井液流量、粘度以及轉子葉片厚度的增加而增大趨勢，且軸向間隙及鉆井液了流量對軸向力的影響大。軸向力隨著軸向間隙、鉆井液流量、粘度和轉子葉片厚度周期性變化，其數值在轉子關閉過程中不斷變大，且在轉子完全關閉狀態時達到最大值，在轉子打開過程中軸向力逐漸減小；在轉子關閉的初始階段、打開過程的后半行程以及保持完全打開狀態時軸向力雖小，但其值為負值，轉子軸向力與其余狀態時方向相反。轉子軸向力及其方向周期性變化，轉子軸向方向產生偏移量。軸向力方向的變化是因為完全打開狀態時軸向間隙溢流量基本為0，外部高速流體作用使軸向間隙處的壓力低于下游流域壓力，作用在轉子葉片背面的壓力大于軸向間隙流體作用力。

圖4 轉子軸向力與各參數的關系Fig.4 Distribution of the Axial Force in Different Parameters

3.2 轉子轉矩分析

由于轉子的旋轉作用速度場發生變化，鉆井液速度沿圓周方向的分量對轉子產生轉矩，建立不同的數值計算模型，對各種條件下鉆井液流經轉子流域時，不同影響因素對轉矩的影響分析，如圖5所示。

圖5 軸向間隙對轉子轉矩的影響Fig.5 Influence of Axial Gap on Rotor Torque

軸向間隙不同時，轉矩在單個運動周期內的變化，如圖5所示。隨著軸向間隙的增大，轉子轉矩遞減。這是因為軸向間隙變大時，通過軸向間隙溢流的鉆井液就增多，入口速度一定時由連續性方程可知出口速度變小，鉆井液速度在轉子圓周方向的分量就減小，因此轉子轉矩減小。

同一軸向間隙條件下，旋轉閥關閉的初始階段和即將完全打開時，軸向的間隙引起的通流面積變化小，鉆井液主要通過主節流口的通流面積流域，速度的大小變化不明顯，但速度方向變化引起轉矩變化，此時轉矩波動比較大，而且會阻礙轉子的運動。

轉子轉矩隨鉆井液流量的變化，如圖6 所示。鉆井液流量增加時，轉子所受到鉆井液的水力轉矩也變大。流量增大時，鉆井液入口速度增加，通過軸向間隙后轉子流域的流速也隨之變大，因此轉子圓周方向的速度分量增加，作用在轉子上的轉矩就變大。

圖6 鉆井液流量對轉子轉矩的影響Fig.6 Influence of Drilling Fluid Flow on Rotor Torque

不同鉆井液粘度時作用在轉子上的水力轉矩，如圖7所示。由圖可知隨著鉆井液粘度的增加，轉子轉矩成增大趨勢。粘度變大時阻礙鉆井剪切變形的能力增強，因此同種粘度鉆井液中，轉子打開過程的初始階段對轉子運動起到阻礙作用。同樣選擇兩種不同厚度的轉子葉片進行分析，轉子轉矩在一個運動周期內的變化，如圖8所示。兩中不同轉子厚度工況下，轉子葉片厚度大時轉矩隨之變大。這是因為隨著轉子厚度增加，單位時間內作用在轉子葉片上的鉆井液質量增大，轉矩隨之變大。對圖5～圖8 對比分析可以看出，旋轉閥關閉的初始階段和即將完全打開時，轉矩變化不穩定且出現負值。這是因為在這兩個階段，鉆井液主要通過主節流口直接流向轉子流域，而軸向間隙引起的通流面積變化小，速度大小變化不明顯，但速度方向變化引起的轉矩變化，此時轉矩波動比較大，而且會阻礙轉子的運動。

圖7 鉆井液粘度對轉子轉矩的影響Fig.7 Influence of Drilling Fluid Viscosity on Rotor Torque

圖8 葉片厚度對轉子轉矩的影響Fig.8 Influence of Blade Thickness on Rotor Torque

3.3 旋轉阻力矩研究

旋轉阻力矩受軸向間隙、鉆井液流量、粘度和轉子厚度影響的變化關系曲線圖，如圖9所示。由對比分析可知，轉子阻力矩隨軸向間隙的增大而減小，隨著鉆井液流量、鉆井液粘度和轉子葉片厚度的圖增加而增加。阻力矩在單個運動周期內存在負值的現象，這和轉子軸向力作用區域相對應，轉子運動過程中由于局部流場變化引起的鉆井液速度和方向發生變化，因此阻力矩的方向也隨之發生變化。

圖9 各因素對轉矩的影響Fig.9 Influence of Factors on Rotor Resistance Moment

4 電動機選型

通過對轉子系統轉矩分析，選用30V 直流電機控制轉子運動。工作環境高溫高壓的密封空間，電機需要不斷正反轉，而碳刷電機在工作過程中會產生熱量，長時間工作會引起過失效，電機選擇時不能選用含電刷裝置的電機。無刷直流電機具有發熱少等優點，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以選用無刷直流電機。同時要求選用電機的轉子是永磁組件，采用霍爾元件作為傳感器，以滿足儀器在井下工況長時間連續工作的使用要求。

針對所選用某型號的無刷直流電機，依據相關標準對電機進行性能測試，測試時電壓選擇30V，對電機17個力矩點的電流、轉速、輸出功率及效率相關信息記錄，如表1所示。根據相關標準及表1電機測試結果，所選電機最大工作電流、轉矩等參數符合要求，能夠應用于上述控制單元。

表1 電機主要參數表Tab.1 The Main Parameters of Motor

電機輸出軸轉速高、轉矩小，而轉子轉速比較低。電機輸出軸的高轉速也需要大傳動比的減速機構降低轉速才能實現轉子的理想轉速，設計時選用大傳動比的減速器來提高主軸轉矩。井下儀器普遍存在空間小的問題，行星減速器具有結構緊湊、體積小、承載能力高，使用壽命長、運轉平穩等優點。為了實現大傳動比的要求，選用小齒輪行星輪系減速選用行星減速機構。行星輪系單個小齒輪行星輪系的傳動比有限，不能滿足轉子轉速的需求，因此采用多級小齒輪行星輪系串聯的方式提高傳動比。

5 轉子轉矩性能測試

測試系統布局圖，如圖10所示。系統采用直流電源直接供電，主軸系統由固定于扶正裝置的動力系統直接加載，傳感器采集的轉矩信息直接在采集面板顯示，主軸系統由同樣的扶正裝置固定于測試臺。

圖10 轉子負載測試實驗裝置Fig.10 Testing Facility for Load Characteristic Analysis

5.1 測試目的及步驟

5.1.1 測試目的

模擬旋轉閥隨鉆測量系統對井下惡劣環境的適應性及信號響應，測試閥體總成核心機構轉子系統在大扭矩條件下長時間工作的性能和轉子打開、關閉的準確度。

5.1.2 測試步驟

測試時集體采用30V直流電源供電，并按以下步驟進行測試：

（1）測試臺架不加載額外扭矩，觀察旋轉閥閥體總成在連續接收自動脈沖信號下的響應，測試時長6h并記錄測試結果；

（2）通過空氣壓縮機將扭矩加至20磅英尺，觀察儀器在連續脈沖信號下響應狀態，測試時間1.5h；

（3）循環步驟b的操作，測試時間1.5h，通過空氣壓縮機將扭矩分別加載至40磅英尺和60磅英尺，并記錄相關測試結果。

5.2 測試結果及分析

測試過程主要觀察轉子能否在相應的脈沖信號下持續完成打開、關閉動作以及轉子定位的準確性，并記錄電機瞬間啟動的電流峰值。

測試記錄結果，如表2所示。由表可知轉子系統在連續接收到響應脈沖信號時，隨著不斷加載電流峰值突變大，這是因為儀器工作過程中電機不斷啟動和關閉，啟動瞬間存在沖擊電流，而且負載越大沖擊電流就越大。加載情況下的沖擊電流在安全范圍內，儀器在無附加載荷和不同額外轉矩作用下系統噪音小，轉子旋轉運動正常，并且能夠準確定位。測試表明正常工作和有額外轉矩作用下儀器響應正常，可以進行下一環節的測試。

表2 轉矩加載測試表Tab.2 Table of Rotor Loading Test

5.3 現場實驗驗證

為了對系統在不同工況下工作狀態進行驗證，在某油田分別進行了現場測試，選取脈沖寬度為0.2s，通過增加鉆井液流量方式從而實現作用于轉子系統的軸向力和轉矩的調節。測試時通過地面監測系統進行信息采集，經過反復測試，系統在不同工況下信號穩定、傳輸信息可靠，達到了預期的目的。現場測試時地面檢測系統采集的壓力信號，鉆井液流量增大時轉子軸向力及轉矩變大，三種工況下儀器工作正常，測試結果表明：不同軸向力和轉矩下信號穩定可靠，理論分析和數值計算的可信度高，可以作為隨鉆儀器設計的理論依據，如圖11所示。

圖11 不同鉆井液流量下的信號強度Fig.11 The Signal Strength with Different Drilling Fluid Flow

6 結論

在建立軸向力數學模型的基礎上，研究了轉子軸向力、轉子轉矩和阻力矩在單個循環周期內的變化特性，主要結論如下：

（1）利用流體力學基本方程及能量方程建立了轉子軸向力數學模型，分析了軸向力的影響因素，通過數值計算表明：轉子關閉狀態軸向力最大，方向與鉆井液流向一致；即將完全打開至打開關閉初始階段軸向力較小，此時方向與鉆井液流向相反。說明轉子工作時軸向力的大小和方向都是變化的，為了平衡軸向力，主軸設計時要能夠承載雙向軸向力作用，為系統設計方案供了理論依據。（2）轉子受到轉子流域流體產生的轉矩作用。通過轉矩分析得出，水力轉矩受到軸向間隙、鉆井液流量、粘度以及轉子葉片厚度的影響，并且隨鉆井液流量、粘度和轉子葉片厚度的增加而增加，隨著軸向間隙的增加而減小。（3）轉子阻力矩受軸向間隙、鉆井液流量、粘度和轉子葉片厚度的影響。降低鉆井液流量、粘度、減小轉子葉片厚度或增大軸向間隙可以降低阻力矩，但信號強度減弱，因此實際中應進行合理優化。（4）理論分析和數值計算的可信度高，為旋轉閥正脈沖隨鉆測量儀的設計提供了理論基礎和技術支撐，對隨鉆測井工程具有重要的應用價值和指導意義。