王智明，肖俊遠(yuǎn)，菅志軍

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

·專(zhuān)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(yuǎn)2，菅志軍1

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

利用流體仿真法對(duì)所建立的泥漿脈沖發(fā)生器進(jìn)行三維流場(chǎng)仿真，分析了定子、轉(zhuǎn)子間隙及鉆井參數(shù)等因素對(duì)泥漿脈沖器性能的影響；總結(jié)了這些因素對(duì)轉(zhuǎn)子水力轉(zhuǎn)矩和脈沖強(qiáng)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(guān)鍵部件，也是能量消耗的主要元件，其由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，脈沖器基本工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。深入研究轉(zhuǎn)子的負(fù)載特性對(duì)改善泥漿脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和控制性能、減少電機(jī)功率消耗、提高泥漿脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離具有一定的指導(dǎo)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(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件是定子和轉(zhuǎn)子。利用CFD軟件對(duì)泥漿脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)子進(jìn)行三維流場(chǎng)計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便于獲得更強(qiáng)的連續(xù)高速率脈沖信號(hào)［6］。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立流場(chǎng)仿真模型時(shí)，需要對(duì)模型簡(jiǎn)化處理。為了便于計(jì)算和分析，對(duì)泥漿脈沖發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)作5個(gè)假設(shè)：

1） 忽略泥漿溫升的影響。

2） 假設(shè)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(jìn)出口外，沒(méi)有工作介質(zhì)從其他地方進(jìn)入流道。

4） 忽略定子中空容腔內(nèi)的流體流動(dòng)，忽略下游轉(zhuǎn)軸對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場(chǎng)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(wú)變形。

單一流道不能全面地反應(yīng)整個(gè)泥漿脈沖發(fā)生器的流場(chǎng)特性，采用全流道進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算能夠得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。為了減少整個(gè)流道模型進(jìn)出口邊界條件設(shè)置對(duì)分析結(jié)果的影響，加長(zhǎng)進(jìn)口和出口的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有旋轉(zhuǎn)場(chǎng)和非旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，故流道的劃分采取分區(qū)劃分。為了便于計(jì)算，把整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為定子區(qū)、轉(zhuǎn)子區(qū)和出口區(qū)3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)劃分和邊界條件設(shè)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(dòng)狀態(tài)為湍流，選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型、SIMPLE算法和二階迎風(fēng)格式［7－8］。采用滑移網(wǎng)格設(shè)置，入口速度為6.5m／s，出口壓力設(shè)為0.75MPa。

2 定轉(zhuǎn)子間隙對(duì)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(duì)不同間隙的轉(zhuǎn)子進(jìn)行流場(chǎng)分析。轉(zhuǎn)子從最大流通面積位置開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子相對(duì)定子轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，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(duì)應(yīng)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(shí)；且間隙每增大4mm，轉(zhuǎn)矩峰值成倍減小，說(shuō)明定、轉(zhuǎn)子之間的間隙對(duì)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(duì)應(yīng)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(huì)減小信號(hào)強(qiáng)度，導(dǎo)致地面信號(hào)接收困難。較小的間隙雖然可以增大壓力波信號(hào)強(qiáng)度，但定、轉(zhuǎn)子間隙過(guò)小，轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩過(guò)大，且由于堵漏材料的影響，定、轉(zhuǎn)子在流體中長(zhǎng)期工作會(huì)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(chǎng)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(jié)構(gòu)為四葉片三角形閥口，在此條件下分別對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子進(jìn)行流場(chǎng)分析。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1／4周期時(shí)，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(diǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)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(duì)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(duì)壓力脈沖沒(méi)有影響，只是對(duì)轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩有些影響。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)小，在相同時(shí)間下產(chǎn)生的壓力脈沖個(gè)數(shù)較少，降低了數(shù)據(jù)傳輸速率；轉(zhuǎn)速過(guò)高，雖然增加了脈沖個(gè)數(shù)，但對(duì)電機(jī)性能的要求較高，電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增大，并增加了成本；綜合考慮以上分析結(jié)果及信號(hào)的干擾因素，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在360r／min左右。

3.2 泥漿流量對(duì)水力轉(zhuǎn)矩的影響

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

圖6 流量對(duì)脈沖強(qiáng)度的影響

圖7 流量對(duì)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(shì)越小；在同一間隙下，壓力幅值隨流量的增大而增大；間隙為0～5mm時(shí)，同一流量下壓力幅值變化較大；間隙為5～9mm時(shí)變化相對(duì)較小，間隙＞9 mm后壓力最小，基本上沒(méi)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(shí)，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(guò)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(guān)系。對(duì)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?yàn)殂@井深度越深，壓力信號(hào)衰減量越大，所要求的壓力脈沖強(qiáng)度越強(qiáng)。通過(guò)增加泥漿排量固然可以增加脈沖強(qiáng)度，但還要考慮電機(jī)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(shí)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(guò)圖6～7可得到最合理的間隙，既滿足強(qiáng)度要求又可以在滿足脈沖強(qiáng)度下轉(zhuǎn)子所受水力轉(zhuǎn)矩最小，節(jié)省時(shí)間，提高效率，對(duì)實(shí)際的隨鉆測(cè)井研究設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

1） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子的水力轉(zhuǎn)矩和脈沖強(qiáng)度影響很小，但增加轉(zhuǎn)速，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個(gè)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(qiáng)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(guò)大，同時(shí)也不能過(guò)小，應(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（2）：611－613.

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

［3］ 蔡文軍，劉 濤，江正清，等.往復(fù)節(jié)流型正脈沖發(fā)生器脈沖產(chǎn)生過(guò)程模擬［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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(chǎng)機(jī)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(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

［8］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)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(wù)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(jī)研制”項(xiàng)目（YJB12YF012）

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