剪切式旋轉閥高速脈沖器定轉子間隙對脈沖幅度的影響

葛 陽,賈武升,李曉明,陶海君

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

0 引言

泥漿脈沖發生器是將井下實時數據通過泥漿脈沖上傳地面的重要的執行機構。隨著地質導向鉆井的不斷發展,井下上傳的數據量逐漸增多。國內外現有的泥漿脈沖發生器以伸縮類脈沖發生器和旋轉閥類脈沖發生器為主。伸縮類脈沖器結構簡單,容易實現,加工制造精度較低,但受結構限制,動作響應時間長,傳輸速度明顯受限,對鉆井液環境要求高。旋轉閥類脈沖器結構復雜,加工精度高,對鉆井液環境要求低,響應時間短,傳輸速度理論可達2bps以上。但現有的旋轉閥類脈沖發生器除國外進口外,均在試驗推廣應用階段,且受減速器內部噪聲的干擾影響較大,導致旋轉閥脈沖發生器產生的脈沖信號幅度不理想,因此有必要對剪切式旋轉閥高速脈沖器定轉子軸向間隙調整對脈沖幅度變化的影響進行深入研究,以提高脈沖信號傳輸的穩定性、傳輸速率、傳輸距離及信號強度。

1 剪切式旋轉閥高速脈沖器壓力波信號的產生

剪切式旋轉閥高速脈沖器由定子、轉子、齒輪減速機構、直流無刷電動機、控制電路組成。定子、轉子在轉閥全開時的相對位置如圖1所示。定子位于轉子的上方,定轉子位置剖面結構如圖2所示。

圖1 高速率剪切式旋轉閥脈沖器全開時定轉子的相對位置Fig.1 Determination of the relative position of the rotor when the high speed shear rotary valve pulser is fully opened

圖2 定轉子位置剖面結構Fig.2 Profile structure of fixed rotor position

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

與定子不同的是,轉子會產生截流效應,從而使鉆柱內泥漿產生壓力脈沖[1-2]。剪切式高速旋轉閥脈沖器的定轉子是產生壓力脈沖的關鍵元器件。剪切式高速旋轉閥脈沖器的控制系統通過驅動軟件來驅動旋轉閥脈沖器內部的控制電路,控制電路驅動直流無刷電動機來驅動轉子轉動[3-4]。鉆井液從定子的上方流入,經過定子和定轉子的間隙h從轉子的下方流出。轉子通過不斷的轉動改變流過轉閥閥口的面積A(t),由大到小再由小到大這樣每隔一段時間循環變化一次,使鉆柱內的鉆井液壓力不斷變化,進而產生連續的壓力波信號[5]。壓力波信號是鉆井液流過旋轉閥時所產生的壓降[5],正是由于有壓降,剪切式旋轉閥高速脈沖器才會產生脈沖信號,壓力波信號的大小在一定程度上可表示脈沖幅度。

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

(1)

式(1)中,Q為流量,單位m3/s。C0為旋轉閥閥口處的流量系數,近似為常數。A(t)為流過旋轉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式為:

(2)

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

壓力波信號的最大與最小值是將泥漿靜壓力排除后的數據。從數據獲取的角度,對于產生的泥漿脈沖信號想要得到的結果是泥漿壓力波的最小值越小越好,而脈沖信號的最大值越大越好。流經旋轉閥的最大泥漿通流面積受到鉆桿本身的形狀尺寸及轉閥結構的影響。在設計旋轉閥脈沖器定轉子時,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,定子與轉子之間的間隙有所不同,脈沖信號幅度也有所不同。

2 定轉子間隙對脈沖幅度的影響

定轉子間隙調整使流過間隙處的流體流量發生變化,根據節流有關理論,由式(2)可知,Q改變ΔP(t)就會發生相應改變。用ΔP(t)來度量脈沖信號幅度,故定轉子間隙調整會影響脈沖信號幅度。

轉子旋轉過的角度會對旋轉閥閥口處的通流面積產生一定的影響。定轉子設置一定的間隙是為了有效防止鉆井液中的雜物堵塞旋轉閥,但是間隙不能太大也不能太小。如果定轉子間隙過小會使間隙處額外的流體流量過小,鉆井液中的巖屑、泥沙會被堵住,造成間隙處壓力過高,進而損壞泥漿泵。相反,如果定轉子間隙過大會使間隙處額外的流體流量過大,根據薄壁小孔節流理論可知,壓力會向下游傳播,整個液柱壓力下降,使得泥漿脈沖器入口處的壓力峰值降低。因此主要研究定轉子間隙調整對脈沖幅度的影響。

經過先期多次試驗,泥漿流量在22～38 L/s時,剪切式旋轉閥高速脈沖發生器的振動較大,脈沖信號幅度的變化較明顯。故選取泥漿流量范圍22～38 L/s進行試驗。采用的轉子為八瓣子結構。目前工程上使用的流量單位為L/s,1 L/s=10-3m-3/s,因此使用的流量單位為L/s,取C0=0.65(流量系數一般取0.65),ρ=1.1 kg/m3(現場鉆井液密度),旋轉閥間隙越小越好,A(t)=π×10-6m2。根據試驗結果和數據可以得到轉閥全開時流量、定轉子間隙對剪切式旋轉閥高速泥漿脈沖發生器產生的脈沖幅度的影響規律。

設置該旋轉閥脈沖發生器的脈寬為1 s,轉子直徑79 mm,測得的數據如圖3所示。在同一間隙下,隨著流量的增加,脈沖信號幅度呈現先減少后增加的趨勢,在流量為27 L/s時達到最小,主要是由于泥漿泵工作時的噪聲對信號產生一定的干擾。在流量為22～27 L/s時,由于定轉子之間存在間隙,隨著間隙增加,轉閥流通面積會增加,從而使脈沖幅度逐漸減小。流量為37 L/s時,間隙為0.5 mm和0.7 mm時測得的脈沖幅度更接近于理論值。當排量相當大時,縫隙越小,間隙處的泄流越小,脈沖幅度越大,這時實測值與理論值逐漸趨近。間隙為0.5 mm和0.7 mm所對應的曲線在流量為27～34 L/s時,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,脈沖信號幅度越大。間隙為0.8 mm時,脈沖幅度相對較小。因此,合理的定轉子間隙為0.5～0.7 mm。

圖3 不同間隙時脈沖幅度與流量的關系Fig.3 Relationship between pulse amplitude and flow rate at different gaps

3 不同泥漿流量下定轉子間隙對脈沖信號幅度及轉子所受扭矩的影響

定轉子間隙調整會對轉子負載產生一定的影響。當定轉子之間的間隙變小時,轉子所受扭矩會增加,導致脈沖器產生的脈沖信號幅度變大。當定轉子之間的間隙變大時,轉子所受扭矩會減小,導致脈沖器產生的脈沖信號幅度變小。圖5是在不同流量時轉子所受扭矩與定轉子間隙的關系。

在流量22～32 L/s對剪切式旋轉閥高速脈沖發生器進行水循環試驗,采用的轉子為八瓣子結構。根據試驗結果數據得到流量、定轉子間隙對剪切式旋轉閥高速泥漿脈沖發生器脈沖幅度的影響。

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

圖4 不同流量時脈沖幅度與定轉子間隙的關系Fig.4 Relationship between pulse amplitude and fixed rotor clearance at different flow rates

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

圖5 不同流量時轉子所受扭矩與定轉子間隙的關系Fig.5 Relationship between rotor torque and constant rotor clearance at different flow rates

通過實驗可知,在不同泥漿流量下,壓力脈沖信號幅度與定轉子間隙的變化呈現出近似線性的關系,轉子所受扭矩與定轉子間隙的變化呈現出近似線性的關系。

4 結論

不同間隙時脈沖幅度與流量的關系:在同一間隙下,隨著流量的增加,脈沖信號幅度呈現先減少后增加的趨勢,在流量為27 L/s時達到最小。在流量為22～27 L/s時,由于定轉子之間存在間隙,隨著間隙的增加,轉閥流通面積增加,從而使脈沖幅度逐漸減小。在流量為37 L/s時,間隙為0.5 mm和0.7 mm時測得的脈沖幅度更接近于理論值。當排量相當大時,縫隙越小,間隙處的泄流越小,脈沖幅度越大,這時實測值就與理論值逐漸趨近。間隙為0.5 mm和0.7 mm所對應的曲線在流量為27～34 L/s時,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,間隙越小脈沖信號幅度越大,間隙為0.8 mm時,脈沖幅度相對較小。

不同流量時脈沖幅度與定轉子間隙的關系:在同一間隙下,脈沖信號幅度隨流量的增加呈現出逐漸增大的趨勢,流量越大脈沖信號幅度越大;在相同流量下,脈沖信號幅度隨著定轉子間隙的增大逐漸減小,定轉子間隙越大脈沖信號幅度越小。

不同流量時轉子所受扭矩與定轉子間隙的關系:在同一定轉子間隙下,轉子所受扭矩隨流量的增加呈現出逐漸增加的趨勢。在相同泥漿流量下,脈沖信號幅度隨著定轉子間隙的增大逐漸減小,定轉子間隙越大脈沖信號幅度越小。

在不同泥漿流量下,壓力脈沖信號幅度與定轉子間隙的變化呈現出近似線性的關系。

在不同泥漿流量下,轉子所受扭矩與定轉子間隙的變化呈現出近似線性的關系。