趙常青，李 輝，周永清，李奇龍

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

1 引言

旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)在井下經(jīng)過簡單計算并按一定的規(guī)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(tǒng)［3-4］。該測量方式除了現(xiàn)場操作簡單外，還具有鉆井工藝簡單、信號穩(wěn)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(yè)中應(yīng)用最為廣泛的傳輸方式［6］。

隨著國內(nèi)煤層氣及油氣田開發(fā)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)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(chǎn)品，這些儀器價格十分昂貴、配件成本高并且維護保養(yǎng)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(yè)快速發(fā)展的影響，政府及市場的需求呼吁盡快開展國內(nèi)隨鉆測量技術(shù)的研制。正是由于以上各方面因素的促進，國內(nèi)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(nèi)在泥漿脈沖隨鉆測量儀的研發(fā)仍然處于樣機設(shè)計及實驗階段［12-13］，對壓力信號產(chǎn)生單元的設(shè)計主要關(guān)注脈沖信號的產(chǎn)生方式、提高脈沖信號強度的和信號產(chǎn)生速率等性能指標(biāo)［14］。旋轉(zhuǎn)閥正脈沖隨鉆測量儀的信號產(chǎn)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(fā)電機供電技術(shù)還不成熟，降低能耗是隨鉆儀器設(shè)計時需要考慮的重要標(biāo)準(zhǔn)，為確保正脈沖隨鉆測量儀正常工作，達到設(shè)計條件，需要研究閥體總成轉(zhuǎn)子在不同工作狀態(tài)下的負載特性，便于正確選擇轉(zhuǎn)子軸系設(shè)計固定方式和電動機的選擇。

2 機械結(jié)構(gòu)及受力分析

正脈沖隨鉆測量儀是通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鉆井液通流面積的變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的壓力信號，現(xiàn)有的儀器中通常采用運動件直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種方式來實現(xiàn)［17］。旋轉(zhuǎn)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(fā)生單元接收的數(shù)據(jù)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(fā)出動作指令，電動機的動力通過機械傳動系統(tǒng)傳遞到轉(zhuǎn)子主軸，從而帶動轉(zhuǎn)子規(guī)律性正反轉(zhuǎn)。整個運動過程中轉(zhuǎn)子始終處于高速鉆井液環(huán)境中，當(dāng)鉆井液流經(jīng)轉(zhuǎn)子葉片時，鉆井液的軸向速度產(chǎn)生沖擊力，該沖擊力作用在轉(zhuǎn)子葉片兩側(cè)形成流體水力轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動；且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子葉片背面，從而產(chǎn)生作用力，軸向力同時也會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)阻力矩阻礙轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 閥體總成機械結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子周期性正反轉(zhuǎn)，并且在打開和關(guān)閉兩個狀態(tài)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(chǎn)生的壓力Fh、定轉(zhuǎn)子節(jié)流口節(jié)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動關(guān)閉過程中，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子葉片受到轉(zhuǎn)子運動引起的水擊壓力Ph；同時定、轉(zhuǎn)子間通流面積的改變使鉆井液在軸向間隙位置產(chǎn)生了局部壓力損失的壓差Pj；轉(zhuǎn)子不斷打開、關(guān)閉，局部鉆井液速度變化而產(chǎn)生了慣性損失壓力Pi，轉(zhuǎn)子葉片的軸向力即為鉆井液作用下時的這三個力之和。

轉(zhuǎn)子運動過程中所受到的這三個力隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置而發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位置可以表示為時間的函數(shù)，其中，數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子軸向間隙；Ae（t）—定、轉(zhuǎn)子軸向間隙溢流面積，m2；As（t）—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩［18］：

轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運動過程中，轉(zhuǎn)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(jié)果及分析

3.1 軸向力分析

轉(zhuǎn)子工作在鉆井液環(huán)境中，工作過程中受力情況復(fù)雜。為了分析軸向間隙、流量、鉆井液粘度和轉(zhuǎn)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(shù)值計算模型，其中軸向間隙1.14mm的模型包括兩種轉(zhuǎn)子葉片厚度模型，結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)對閥體轉(zhuǎn)子進行數(shù)值仿真計算，針對不同的研究對象分別設(shè)置相應(yīng)的邊界條件進行計算并進行后處理。數(shù)值計算網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 正脈沖發(fā)生器數(shù)值計算模型Fig.3 Numeral Calculations Model of Positive Pulse Generator

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子葉片厚度周期性變化，其數(shù)值在轉(zhuǎn)子關(guān)閉過程中不斷變大，且在轉(zhuǎn)子完全關(guān)閉狀態(tài)時達到最大值，在轉(zhuǎn)子打開過程中軸向力逐漸減??；在轉(zhuǎn)子關(guān)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(tài)時軸向力雖小，但其值為負值，轉(zhuǎn)子軸向力與其余狀態(tài)時方向相反。轉(zhuǎn)子軸向力及其方向周期性變化，轉(zhuǎn)子軸向方向產(chǎn)生偏移量。軸向力方向的變化是因為完全打開狀態(tài)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(zhuǎn)子葉片背面的壓力大于軸向間隙流體作用力。

圖4 轉(zhuǎn)子軸向力與各參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Distribution of the Axial Force in Different Parameters

3.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分析

由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用速度場發(fā)生變化，鉆井液速度沿圓周方向的分量對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，建立不同的數(shù)值計算模型，對各種條件下鉆井液流經(jīng)轉(zhuǎn)子流域時，不同影響因素對轉(zhuǎn)矩的影響分析，如圖5所示。

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

軸向間隙不同時，轉(zhuǎn)矩在單個運動周期內(nèi)的變化，如圖5所示。隨著軸向間隙的增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(xù)性方程可知出口速度變小，鉆井液速度在轉(zhuǎn)子圓周方向的分量就減小，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩減小。

同一軸向間隙條件下，旋轉(zhuǎn)閥關(guān)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(jié)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(zhuǎn)矩變化，此時轉(zhuǎn)矩波動比較大，而且會阻礙轉(zhuǎn)子的運動。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨鉆井液流量的變化，如圖6 所示。鉆井液流量增加時，轉(zhuǎn)子所受到鉆井液的水力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子流域的流速也隨之變大，因此轉(zhuǎn)子圓周方向的速度分量增加，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩就變大。

圖6 鉆井液流量對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的水力轉(zhuǎn)矩，如圖7所示。由圖可知隨著鉆井液粘度的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子打開過程的初始階段對轉(zhuǎn)子運動起到阻礙作用。同樣選擇兩種不同厚度的轉(zhuǎn)子葉片進行分析，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩在一個運動周期內(nèi)的變化，如圖8所示。兩中不同轉(zhuǎn)子厚度工況下，轉(zhuǎn)子葉片厚度大時轉(zhuǎn)矩隨之變大。這是因為隨著轉(zhuǎn)子厚度增加，單位時間內(nèi)作用在轉(zhuǎn)子葉片上的鉆井液質(zhì)量增大，轉(zhuǎn)矩隨之變大。對圖5～圖8 對比分析可以看出，旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉的初始階段和即將完全打開時，轉(zhuǎn)矩變化不穩(wěn)定且出現(xiàn)負值。這是因為在這兩個階段，鉆井液主要通過主節(jié)流口直接流向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩變化，此時轉(zhuǎn)矩波動比較大，而且會阻礙轉(zhuǎn)子的運動。

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

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

3.3 旋轉(zhuǎn)阻力矩研究

旋轉(zhuǎn)阻力矩受軸向間隙、鉆井液流量、粘度和轉(zhuǎn)子厚度影響的變化關(guān)系曲線圖，如圖9所示。由對比分析可知，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子葉片厚度的圖增加而增加。阻力矩在單個運動周期內(nèi)存在負值的現(xiàn)象，這和轉(zhuǎn)子軸向力作用區(qū)域相對應(yīng)，轉(zhuǎn)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(fā)生變化，因此阻力矩的方向也隨之發(fā)生變化。

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

4 電動機選型

通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分析，選用30V 直流電機控制轉(zhuǎn)子運動。工作環(huán)境高溫高壓的密封空間，電機需要不斷正反轉(zhuǎn)，而碳刷電機在工作過程中會產(chǎn)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(fā)熱少等優(yōu)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(zhuǎn)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(xù)工作的使用要求。

針對所選用某型號的無刷直流電機，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)速、輸出功率及效率相關(guān)信息記錄，如表1所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及表1電機測試結(jié)果，所選電機最大工作電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)符合要求，能夠應(yīng)用于上述控制單元。

表1 電機主要參數(shù)表Tab.1 The Main Parameters of Motor

電機輸出軸轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較低。電機輸出軸的高轉(zhuǎn)速也需要大傳動比的減速機構(gòu)降低轉(zhuǎn)速才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的理想轉(zhuǎn)速，設(shè)計時選用大傳動比的減速器來提高主軸轉(zhuǎn)矩。井下儀器普遍存在空間小的問題，行星減速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、承載能力高，使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點。為了實現(xiàn)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(gòu)。行星輪系單個小齒輪行星輪系的傳動比有限，不能滿足轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的需求，因此采用多級小齒輪行星輪系串聯(lián)的方式提高傳動比。

5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩性能測試

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

圖10 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)閥隨鉆測量系統(tǒng)對井下惡劣環(huán)境的適應(yīng)性及信號響應(yīng)，測試閥體總成核心機構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在大扭矩條件下長時間工作的性能和轉(zhuǎn)子打開、關(guān)閉的準(zhǔn)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(zhuǎn)閥閥體總成在連續(xù)接收自動脈沖信號下的響應(yīng)，測試時長6h并記錄測試結(jié)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(xù)脈沖信號下響應(yīng)狀態(tài)，測試時間1.5h；

（3）循環(huán)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(guān)測試結(jié)果。

5.2 測試結(jié)果及分析

測試過程主要觀察轉(zhuǎn)子能否在相應(yīng)的脈沖信號下持續(xù)完成打開、關(guān)閉動作以及轉(zhuǎn)子定位的準(zhǔn)確性，并記錄電機瞬間啟動的電流峰值。

測試記錄結(jié)果，如表2所示。由表可知轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在連續(xù)接收到響應(yīng)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(guān)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(nèi)，儀器在無附加載荷和不同額外轉(zhuǎn)矩作用下系統(tǒng)噪音小，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動正常，并且能夠準(zhǔn)確定位。測試表明正常工作和有額外轉(zhuǎn)矩作用下儀器響應(yīng)正常，可以進行下一環(huán)節(jié)的測試。

表2 轉(zhuǎn)矩加載測試表Tab.2 Table of Rotor Loading Test

5.3 現(xiàn)場實驗驗證

為了對系統(tǒng)在不同工況下工作狀態(tài)進行驗證，在某油田分別進行了現(xiàn)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(xiàn)作用于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向力和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。測試時通過地面監(jiān)測系統(tǒng)進行信息采集，經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)在不同工況下信號穩(wěn)定、傳輸信息可靠，達到了預(yù)期的目的。現(xiàn)場測試時地面檢測系統(tǒng)采集的壓力信號，鉆井液流量增大時轉(zhuǎn)子軸向力及轉(zhuǎn)矩變大，三種工況下儀器工作正常，測試結(jié)果表明：不同軸向力和轉(zhuǎn)矩下信號穩(wěn)定可靠，理論分析和數(shù)值計算的可信度高，可以作為隨鉆儀器設(shè)計的理論依據(jù)，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(jié)論

在建立軸向力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了轉(zhuǎn)子軸向力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩和阻力矩在單個循環(huán)周期內(nèi)的變化特性，主要結(jié)論如下：

（1）利用流體力學(xué)基本方程及能量方程建立了轉(zhuǎn)子軸向力數(shù)學(xué)模型，分析了軸向力的影響因素，通過數(shù)值計算表明：轉(zhuǎn)子關(guān)閉狀態(tài)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(guān)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(zhuǎn)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(shè)計時要能夠承載雙向軸向力作用，為系統(tǒng)設(shè)計方案供了理論依據(jù)。（2）轉(zhuǎn)子受到轉(zhuǎn)子流域流體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用。通過轉(zhuǎn)矩分析得出，水力轉(zhuǎn)矩受到軸向間隙、鉆井液流量、粘度以及轉(zhuǎn)子葉片厚度的影響，并且隨鉆井液流量、粘度和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子阻力矩受軸向間隙、鉆井液流量、粘度和轉(zhuǎn)子葉片厚度的影響。降低鉆井液流量、粘度、減小轉(zhuǎn)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(yīng)進行合理優(yōu)化。（4）理論分析和數(shù)值計算的可信度高，為旋轉(zhuǎn)閥正脈沖隨鉆測量儀的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，對隨鉆測井工程具有重要的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義。