王智明，肖俊遠，菅志軍

（1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部，北京101149；2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230022） ＊

·專題研究·

旋轉(zhuǎn)閥泥漿脈沖器轉(zhuǎn)子水力特性研究

王智明1，肖俊遠2，菅志軍1

（1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部，北京101149；2.安徽江淮汽車股份有限公司，合肥230022）＊

利用流體仿真法對所建立的泥漿脈沖發(fā)生器進行三維流場仿真，分析了定子、轉(zhuǎn)子間隙及鉆井參數(shù)等因素對泥漿脈沖器性能的影響；總結了這些因素對轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩和脈沖強度的影響。

泥漿脈沖發(fā)生器；水力特性；流體仿真；鉆井參數(shù)

在泥漿脈沖發(fā)生器中，轉(zhuǎn)子是壓力脈沖產(chǎn)生的關鍵部件，也是能量消耗的主要元件，其由無刷直流電動機直接驅(qū)動，脈沖器基本工作原理見文獻［1］。深入研究轉(zhuǎn)子的負載特性對改善泥漿脈沖發(fā)生器的結構和控制性能、減少電機功率消耗、提高泥漿脈沖信號的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離具有一定的指導意義［2－5］。

1 網(wǎng)格劃分及邊界條件確定

泥漿脈沖器脈沖發(fā)生機構的關鍵部件是定子和轉(zhuǎn)子。利用CFD軟件對泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子進行三維流場計算，對轉(zhuǎn)子進行優(yōu)化設計，以便于獲得更強的連續(xù)高速率脈沖信號［6］。由于轉(zhuǎn)子結構比較復雜，在建立流場仿真模型時，需要對模型簡化處理。為了便于計算和分析，對泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)部流場作5個假設：

1） 忽略泥漿溫升的影響。

2） 假設鉆井液為清水，工作介質(zhì)密度不變，ρ＝988.2kg／m3。

3） 除了流道進出口外，沒有工作介質(zhì)從其他地方進入流道。

4） 忽略定子中空容腔內(nèi)的流體流動，忽略下游轉(zhuǎn)軸對轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場的影響。

5） 泥漿脈沖發(fā)生器的部件視為剛性體，定、轉(zhuǎn)子葉片在工作中無變形。

單一流道不能全面地反應整個泥漿脈沖發(fā)生器的流場特性，采用全流道進行流場計算能夠得到更準確的結果。為了減少整個流道模型進出口邊界條件設置對分析結果的影響，加長進口和出口的長度。泥漿脈沖發(fā)生器的流道模型如圖1。

圖1 脈沖發(fā)生器流道模型

由于該流道結構較為復雜，有旋轉(zhuǎn)場和非旋轉(zhuǎn)場，故流道的劃分采取分區(qū)劃分。為了便于計算，把整個計算區(qū)域分為定子區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)和出口區(qū)3個部分，結構劃分和邊界條件設置如圖2。

圖2 脈沖發(fā)生器流道分區(qū)模型

泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)部流動狀態(tài)為湍流，選用標準k－ε模型、SIMPLE算法和二階迎風格式［7－8］。采用滑移網(wǎng)格設置，入口速度為6.5m／s，出口壓力設為0.75MPa。

2 定轉(zhuǎn)子間隙對水力特性的影響

在流量為30L／s、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為360r／min工況下，分別對不同間隙的轉(zhuǎn)子進行流場分析。轉(zhuǎn)子從最大流通面積位置開始轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子相對定子轉(zhuǎn)過90°時，其轉(zhuǎn)矩和壓力變化如圖3～4。

由圖3可以看出：轉(zhuǎn)矩成周期性變化，間隙為4、8、12mm對應的轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)矩分別為8.2、2.8、1.3N·m，其峰值出現(xiàn)在定、轉(zhuǎn)子葉片完全閉合時；且間隙每增大4mm，轉(zhuǎn)矩峰值成倍減小，說明定、轉(zhuǎn)子之間的間隙對轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩有明顯的影響；間隙越大，水力轉(zhuǎn)矩峰值越小，間隙以相同幅度增加，對應的轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩峰值減小的幅度大。

由圖4可以看出：隨著定、轉(zhuǎn)子間隙的增大，壓力波幅值減小，雖然轉(zhuǎn)矩減小明顯，但壓力波幅值太小會減小信號強度，導致地面信號接收困難。較小的間隙雖然可以增大壓力波信號強度，但定、轉(zhuǎn)子間隙過小，轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩過大，且由于堵漏材料的影響，定、轉(zhuǎn)子在流體中長期工作會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

圖3 不同間隙下轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖4 不同間隙下壓力變化曲線

3 不同鉆井參數(shù)下的流場仿真分析

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和泥漿流量是影響轉(zhuǎn)子水力特性的重要參數(shù)。

3.1 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩的變化

流量為30L／s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為360r／min，轉(zhuǎn)子結構為四葉片三角形閥口，在此條件下分別對不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子進行流場分析。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1／4周期時，轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩的變化及轉(zhuǎn)子上端靠近轉(zhuǎn)子的質(zhì)點壓力變化如圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩變化曲線

由圖5可以看出：轉(zhuǎn)速為270、360、450r／min時對應的轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩最大值分別為2.5、2.3、1.9 N·m，相對于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加幅度，轉(zhuǎn)矩的值減小很小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大稍有減小，但變化不明顯。由此得知改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對壓力脈沖沒有影響，只是對轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩有些影響。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過小，在相同時間下產(chǎn)生的壓力脈沖個數(shù)較少，降低了數(shù)據(jù)傳輸速率；轉(zhuǎn)速過高，雖然增加了脈沖個數(shù)，但對電機性能的要求較高，電機的控制系統(tǒng)設計難度增大，并增加了成本；綜合考慮以上分析結果及信號的干擾因素，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應控制在360r／min左右。

3.2 泥漿流量對水力轉(zhuǎn)矩的影響

在流量25～50L／s范圍對脈沖發(fā)生器進行仿真分析，根據(jù)仿真結果和數(shù)據(jù)可以得流量對泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖強度和轉(zhuǎn)子最大水力轉(zhuǎn)矩的影響，如圖6～7。

圖6 流量對脈沖強度的影響

圖7 流量對轉(zhuǎn)子最大水力轉(zhuǎn)矩的影響

由圖6可知：在同一流量下，隨著間隙的增大，壓力脈沖幅值逐漸減小，間隙越大，壓力幅值減小趨勢越?。辉谕婚g隙下，壓力幅值隨流量的增大而增大；間隙為0～5mm時，同一流量下壓力幅值變化較大；間隙為5～9mm時變化相對較小，間隙＞9 mm后壓力最小，基本上沒有變化；在同一間隙下，流量越大，壓力脈沖幅值就越大。

由圖7可以看出：隨著間隙的減小，轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩逐漸增大，轉(zhuǎn)矩增量逐漸增大；在間隙為4mm時，流量為25～50L／s，流量每增加5L／s，轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩增量依次為2.58、3.00、3.30、4.20、4.80 N·m，轉(zhuǎn)矩增量逐漸增大；在同一間隙下，隨著流量的增加，轉(zhuǎn)矩也逐漸增大。

通過分析，得出不同流量下壓力峰值、轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩與定轉(zhuǎn)子間隙的變化呈線性關系。對于不同鉆井深度，脈沖發(fā)生器所需要的壓力波峰值大小也不同，需要給定泥漿排量和定轉(zhuǎn)子間隙的大小，因為鉆井深度越深，壓力信號衰減量越大，所要求的壓力脈沖強度越強。通過增加泥漿排量固然可以增加脈沖強度，但還要考慮電機消耗的功率，即轉(zhuǎn)子在鉆井液中所受到的水力轉(zhuǎn)矩大小，原則上是轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩越小越好，此時轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩就取決于定轉(zhuǎn)子的間隙大小。由此，通過圖6～7可得到最合理的間隙，既滿足強度要求又可以在滿足脈沖強度下轉(zhuǎn)子所受水力轉(zhuǎn)矩最小，節(jié)省時間，提高效率，對實際的隨鉆測井研究設計具有一定指導意義。

4 結論

1） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩和脈沖強度影響很小，但增加轉(zhuǎn)速，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)越多，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

2） 增加泥漿流量可以提高脈沖強度，滿足不同鉆井深度作業(yè)的需求。

3） 定、轉(zhuǎn)子間隙不能過大，同時也不能過小，應當為2～6mm較為合適。

［1］ 王智明，菅志軍，李相方，等.連續(xù)波高速率泥漿脈沖器設計研究［J］.石油天然氣學報，2008，30（2）：611－613.

［2］ 肖俊遠，王智明，劉建領.泥漿脈沖發(fā)生器研究現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2010，39（10）：8－11.

［3］ 蔡文軍，劉 濤，江正清，等.往復節(jié)流型正脈沖發(fā)生器脈沖產(chǎn)生過程模擬［J］.石油礦場機械，2010，39（2）：55－58.

［4］ 許朝輝，王智明，姜天杰.鉆井液正脈沖器原理研究［J］石油礦場機械，2011，40（7）：28－30.

［5］ Wilson C Chin.MWD Siren Pulser Fluid Mechanics［J］.PetroPhysics，2004，45（4）：363－379.

［6］ Malone，David.Sinussoidal pressure pulse generator for measurement while drilling tool：US，4847815［P］.1989－07－11.

［7］ 韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT——流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.

［8］ 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

Waterpower Specialty Study of the Rotor on Rotary Valve Mud Pulser

WANG Zhi－ming1，XIAO Jun－yuan2，JIAN Zhi－jun1
（1.Welltech of China Oilfield Services Limited，Beijing101149，China；2.Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230022，China）

Simulated three－dimensional flow field of mud pulse generator by CFD method，analyzed the rotor structure parameters，drilling parameters and other factors impact on the performance of mud pulse，summarized these factors how to affect the rotor hydraulic torque and pulse strength.

mud pulser；waterpower specialty；CFD；drilling parameter

1001－3482（2012）03－0001－03

TE927

A

2011－09－02

中海油田服務股份有限公司“高速率泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)樣機研制”項目（YJB12YF012）

王智明（1969－），男，遼寧建平人，副教授，博士，主要從事隨鉆測井儀器的研發(fā)工作，E－mail：wangzhim＠cosl.com.cn。