剪切式旋转阀高速脉冲器定转子间隙对脉冲幅度的影响

葛 阳,贾武升,李晓明,陶海君

(1.西安石油大学 电子工程学院,西安 710065; 2.川庆钻探工程公司长庆钻井总公司,西安 710018)

0 引言

泥浆脉冲发生器是将井下实时数据通过泥浆脉冲上传地面的重要的执行机构。随着地质导向钻井的不断发展,井下上传的数据量逐渐增多。国内外现有的泥浆脉冲发生器以伸缩类脉冲发生器和旋转阀类脉冲发生器为主。伸缩类脉冲器结构简单,容易实现,加工制造精度较低,但受结构限制,动作响应时间长,传输速度明显受限,对钻井液环境要求高。旋转阀类脉冲器结构复杂,加工精度高,对钻井液环境要求低,响应时间短,传输速度理论可达2bps以上。但现有的旋转阀类脉冲发生器除国外进口外,均在试验推广应用阶段,且受减速器内部噪声的干扰影响较大,导致旋转阀脉冲发生器产生的脉冲信号幅度不理想,因此有必要对剪切式旋转阀高速脉冲器定转子轴向间隙调整对脉冲幅度变化的影响进行深入研究,以提高脉冲信号传输的稳定性、传输速率、传输距离及信号强度。

1 剪切式旋转阀高速脉冲器压力波信号的产生

剪切式旋转阀高速脉冲器由定子、转子、齿轮减速机构、直流无刷电动机、控制电路组成。定子、转子在转阀全开时的相对位置如图1所示。定子位于转子的上方,定转子位置剖面结构如图2所示。

图1 高速率剪切式旋转阀脉冲器全开时定转子的相对位置Fig.1 Determination of the relative position of the rotor when the high speed shear rotary valve pulser is fully opened

图2 定转子位置剖面结构Fig.2 Profile structure of fixed rotor position

转子每隔一定的周期会阻断流道,转子剪切摆动是剪切式旋转阀高速脉冲器获得能量的主要途径。转子旋转的位置、精度及速度都受到转子剪切摆动的影响。

与定子不同的是,转子会产生截流效应,从而使钻柱内泥浆产生压力脉冲[1-2]。剪切式高速旋转阀脉冲器的定转子是产生压力脉冲的关键元器件。剪切式高速旋转阀脉冲器的控制系统通过驱动软件来驱动旋转阀脉冲器内部的控制电路,控制电路驱动直流无刷电动机来驱动转子转动[3-4]。钻井液从定子的上方流入,经过定子和定转子的间隙h从转子的下方流出。转子通过不断的转动改变流过转阀阀口的面积A(t),由大到小再由小到大这样每隔一段时间循环变化一次,使钻柱内的钻井液压力不断变化,进而产生连续的压力波信号[5]。压力波信号是钻井液流过旋转阀时所产生的压降[5],正是由于有压降,剪切式旋转阀高速脉冲器才会产生脉冲信号,压力波信号的大小在一定程度上可表示脉冲幅度。

压力波信号在钻井液通道中的传递实质上是由钻井液的可压缩性产生的[6-7],当旋转阀通流面积减少时,靠近旋转阀上端的一段钻井液由于流动受到阻碍而突然停止流动,但上层钻井液在惯性作用下依然保持流动状态,因此该段钻井液被压缩,压力增高,最终压力波以声速传播,整个液柱压力增加;相反,当旋转阀通流面积增加时,靠近旋转阀上端的一段钻井液由于流动通畅而逐渐膨胀,同理,在液柱的相互作用下,压力得以向下游传播,整个液柱压力下降,因此通过旋转阀的关闭和打开动作产生限流作用,从而产生脉冲信号。旋转阀的限流作用产生机理为薄壁小孔节流。薄壁小孔流量公式为[8]:

(1)

式(1)中,Q为流量,单位m3/s。C0为旋转阀阀口处的流量系数,近似为常数。A(t)为流过旋转阀阀口的钻井液面积,单位为m2。ρ为钻井液密度,单位为kg/m3。ΔP(t)为阀口入口处与出口处之间的压力差,单位为MPa。

由式(1)可得阀口入口处与出口处之间的压力差表达式为:

(2)

由式(2)可知,阀口入口处与出口处的压差与流过阀口的钻井液面积的平方成反比,通过这一变化规律可得到压力波信号[9]。该压力差与钻井液流量Q、密度ρ及流过阀口钻井液面积A(t)有关。以下就流量及定转子间隙对脉冲幅度的影响进行研究。

压力波信号的最大与最小值是将泥浆静压力排除后的数据。从数据获取的角度,对于产生的泥浆脉冲信号想要得到的结果是泥浆压力波的最小值越小越好,而脉冲信号的最大值越大越好。流经旋转阀的最大泥浆通流面积受到钻杆本身的形状尺寸及转阀结构的影响。在设计旋转阀脉冲器定转子时,需考虑最大、最小的通流面积。在不同泥浆流量与井深情况下,定子与转子之间的间隙有所不同,脉冲信号幅度也有所不同。

2 定转子间隙对脉冲幅度的影响

定转子间隙调整使流过间隙处的流体流量发生变化,根据节流有关理论,由式(2)可知,Q改变ΔP(t)就会发生相应改变。用ΔP(t)来度量脉冲信号幅度,故定转子间隙调整会影响脉冲信号幅度。

转子旋转过的角度会对旋转阀阀口处的通流面积产生一定的影响。定转子设置一定的间隙是为了有效防止钻井液中的杂物堵塞旋转阀,但是间隙不能太大也不能太小。如果定转子间隙过小会使间隙处额外的流体流量过小,钻井液中的岩屑、泥沙会被堵住,造成间隙处压力过高,进而损坏泥浆泵。相反,如果定转子间隙过大会使间隙处额外的流体流量过大,根据薄壁小孔节流理论可知,压力会向下游传播,整个液柱压力下降,使得泥浆脉冲器入口处的压力峰值降低。因此主要研究定转子间隙调整对脉冲幅度的影响。

经过先期多次试验,泥浆流量在22～38 L/s时,剪切式旋转阀高速脉冲发生器的振动较大,脉冲信号幅度的变化较明显。故选取泥浆流量范围22～38 L/s进行试验。采用的转子为八瓣子结构。目前工程上使用的流量单位为L/s,1 L/s=10-3m-3/s,因此使用的流量单位为L/s,取C0=0.65(流量系数一般取0.65),ρ=1.1 kg/m3(现场钻井液密度),旋转阀间隙越小越好,A(t)=π×10-6m2。根据试验结果和数据可以得到转阀全开时流量、定转子间隙对剪切式旋转阀高速泥浆脉冲发生器产生的脉冲幅度的影响规律。

设置该旋转阀脉冲发生器的脉宽为1 s,转子直径79 mm,测得的数据如图3所示。在同一间隙下,随着流量的增加,脉冲信号幅度呈现先减少后增加的趋势,在流量为27 L/s时达到最小,主要是由于泥浆泵工作时的噪声对信号产生一定的干扰。在流量为22～27 L/s时,由于定转子之间存在间隙,随着间隙增加,转阀流通面积会增加,从而使脉冲幅度逐渐减小。流量为37 L/s时,间隙为0.5 mm和0.7 mm时测得的脉冲幅度更接近于理论值。当排量相当大时,缝隙越小,间隙处的泄流越小,脉冲幅度越大,这时实测值与理论值逐渐趋近。间隙为0.5 mm和0.7 mm所对应的曲线在流量为27～34 L/s时,脉冲幅度较为接近。这是由于间隙从0.5 mm变化到0.7 mm的过程中泄流增加量不明显所致。在同一流量下,间隙越小,脉冲信号幅度越大。间隙为0.8 mm时,脉冲幅度相对较小。因此,合理的定转子间隙为0.5～0.7 mm。

图3 不同间隙时脉冲幅度与流量的关系Fig.3 Relationship between pulse amplitude and flow rate at different gaps

3 不同泥浆流量下定转子间隙对脉冲信号幅度及转子所受扭矩的影响

定转子间隙调整会对转子负载产生一定的影响。当定转子之间的间隙变小时,转子所受扭矩会增加,导致脉冲器产生的脉冲信号幅度变大。当定转子之间的间隙变大时,转子所受扭矩会减小,导致脉冲器产生的脉冲信号幅度变小。图5是在不同流量时转子所受扭矩与定转子间隙的关系。

在流量22～32 L/s对剪切式旋转阀高速脉冲发生器进行水循环试验,采用的转子为八瓣子结构。根据试验结果数据得到流量、定转子间隙对剪切式旋转阀高速泥浆脉冲发生器脉冲幅度的影响。

如图4所示,在同一定转子间隙下,脉冲信号幅度随流量的增加呈现出逐渐增加的趋势。在相同流量下,脉冲信号幅度随着定转子间隙的增大逐渐减小,定转子间隙越大,脉冲信号幅度越小,这是由间隙处的泄流变大所致。

图4 不同流量时脉冲幅度与定转子间隙的关系Fig.4 Relationship between pulse amplitude and fixed rotor clearance at different flow rates

如图5所示,在同一定转子间隙下,转子所受扭矩随流量的增加呈现出逐渐增加的趋势。在相同的泥浆流量下,脉冲信号幅度随着定转子间隙的增大逐渐减小,定转子间隙越大,脉冲信号幅度越小。

图5 不同流量时转子所受扭矩与定转子间隙的关系Fig.5 Relationship between rotor torque and constant rotor clearance at different flow rates

通过实验可知,在不同泥浆流量下,压力脉冲信号幅度与定转子间隙的变化呈现出近似线性的关系,转子所受扭矩与定转子间隙的变化呈现出近似线性的关系。

4 结论

不同间隙时脉冲幅度与流量的关系:在同一间隙下,随着流量的增加,脉冲信号幅度呈现先减少后增加的趋势,在流量为27 L/s时达到最小。在流量为22～27 L/s时,由于定转子之间存在间隙,随着间隙的增加,转阀流通面积增加,从而使脉冲幅度逐渐减小。在流量为37 L/s时,间隙为0.5 mm和0.7 mm时测得的脉冲幅度更接近于理论值。当排量相当大时,缝隙越小,间隙处的泄流越小,脉冲幅度越大,这时实测值就与理论值逐渐趋近。间隙为0.5 mm和0.7 mm所对应的曲线在流量为27～34 L/s时,脉冲幅度较为接近。这是由于间隙从0.5 mm变化到0.7 mm的过程中间隙处泄流增加量不明显所致。在同一流量下,间隙越小脉冲信号幅度越大,间隙为0.8 mm时,脉冲幅度相对较小。

不同流量时脉冲幅度与定转子间隙的关系:在同一间隙下,脉冲信号幅度随流量的增加呈现出逐渐增大的趋势,流量越大脉冲信号幅度越大;在相同流量下,脉冲信号幅度随着定转子间隙的增大逐渐减小,定转子间隙越大脉冲信号幅度越小。

不同流量时转子所受扭矩与定转子间隙的关系:在同一定转子间隙下,转子所受扭矩随流量的增加呈现出逐渐增加的趋势。在相同泥浆流量下,脉冲信号幅度随着定转子间隙的增大逐渐减小,定转子间隙越大脉冲信号幅度越小。

在不同泥浆流量下,压力脉冲信号幅度与定转子间隙的变化呈现出近似线性的关系。

在不同泥浆流量下,转子所受扭矩与定转子间隙的变化呈现出近似线性的关系。