（物理学专业论文）mwd旋转阀连续压力波发生器结构研究及转子受力分析.pdf

摘要 随钻测量( m w d ) 技术是一种在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的现代 钻井辅助技术。随钻测量通常是通过钻井液信息遥测系统进行井下数据的传输，其中钻 井液压力波发生器是钻井液信息遥测系统的核心设备。为提高信息传输速率，目前先进 的钻井液信息遥测系统采用基于旋转阀或振荡剪切阀的连续压力波发生器及频带方式 进行井下数据的传输。本文通过对钻井液压力波的产生机理、旋转阀阀口的结构设计及 旋转阀转子受力情况等进行理论研究，为钻井液连续压力波发生器的研制提供理论指 导。 根据流体力学非稳定流的水击理论研究了钻井液压力波的产生机理，构建出钻井液 压力波数学模型，并结合旋转阀的特点构建出正弦压力波数学模型，研究了阀孔开度与 压力幅度的理论关系。根据对四阀孔旋转阀产生水击压力的过程分析及结构特点，通过 建立面积微元分别对旋转阀定、转子阀孔的结构进行了数学建模与计算，在不考虑转子 机械运动特性的理想情况下，确定出产生正弦压力信号的定、转子阀孔结构与几何参数， 为旋转阀转子在最小受力状况下产生正弦压力的阀孔参数设计提供了理论依据。 根据工程流体力学的相关理论及钻井液压力波数学模型，对旋转阀转子进行了轴向 受力分析，分析了在水击压力及阀孔节流阻力作用下转子受到的旋转阻力矩。数值计算 表明，转子受到的轴向力主要由阀孔节流阻力产生，且随阀孔的开度呈非线性变化，当 阀孔接近全关闭时，该力作用于转子止推轴承上会产生相当大的负荷及转子旋转阻力 矩。通过转子的轴向受力分析，可以为止推轴承的参数确定及变阻力矩情况下转子的驱 动控制方法提供理论依据。 关键词：水击理论，连续压力波发生器，旋转阀，受力分析，阻力矩 r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eo fm w d r o t a r yv a l v ep r e s s u r ec o n t i n u o u s w a v eg e n e r a t o ra n dt h er o t o rf o r c ea n a l y s i s g a od u n s h e n g ( p h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f s h e ny u e a b s t r a c t m e a s u r ew h i l ed r i l l i n g ( m w d ) i sak i n do fm o d e md r i l l i n gs u p p o r t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a nr e a l t i m em e a s u r ea n dt r a n s m i tt h ed o w n h o l ei n f o r m a t i o nd u r i n gt h ed r i l l i n g p r o c e s s m w du s u a l l yt r a n s m i t st h ed o w n h o l ed a t ab yt h ed r i l l i n gf l u i di n f o r m a t i o nt e l e m e t r y s y s t e m ，i nw h i c hd r i l l i n gf l u i dp r e s s u r ew a v eg e n e r a t o ri st h ec o r ed e v i c e t oi m p r o v et h e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ec u r r e n ta d v a n c e dd r i l l i n gf l u i di n f o r m a t i o nt e l e m e t r y s y s t e mt r a n s m i t st h ed o w n h o l ed a t ab yt h ec o n t i n u o u sp r e s s u r ew a v eg e n e r a t o r , w h i c hi s b a s e do nr o t a r yv a l v eo ro s d l l a t i n gs h e a rv a l v e ，a n dt r a n s m i t sd o w n h o l ed a t ai nab a n d w i d e m o d e t l l i sp a p e rc o n d u c t st h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f d r i l l i n gf l u i dp r e s s u r ew a v e ，t h ed e s i g no ft h er o t a r yv a l v ea n dt h ef o r c ec o n d i t i o no ft h e r o t a r yv a l v er o t o r , e t c ，a i m st op r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e c o n t i n u o u sp r e s s u r ew a v eg e n e r a t o r a c c o r d i n gt o t h e n o n - s t e a d y f l o ww a t e rh a m m e rt h e o r yo fh y d r o m e c h a n i c s ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r i l l i n gf l u i dp r e s s u r ew a v ei sb u i l tb ys t u d yo ft h ep r e s s u r ew a v e g e n e r a t i n gm e c h a n i s m c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o t a r yv a l v e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fs i n u s o i d a lp r e s s u r ew a v ei sb u i l t , a n dt h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l v eh o l e o p e n i n ge x t e n ta n dt h ep r e s s u r ea m p l i t u d ei ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sa n a l y s i sa n d t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so faf o u r - v a l v eh o l e sr o t a r yv a l v ep r o d u c i n gt h ew a t e rh a m m e r p r e s s u r e ，t h es t r u c t u r ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e ro ft h er o t a r yv a l v es t a t o ra n dv a l v eh o l eo f r o t o ra r ed e t e r m i n e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o nr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h e e s t a b l i s h m e n to fs u r f a c em i c r o e l e m e n ti nt h ec o n d i t i o no fn o tc o n s i d e r i n gt h em e c h a n i c a l m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o r t h o s ec a l lp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ev a l v eh o l e p a r a m e t e r sd e s i g nf o rt h er o t a r yv a l v er o t o rg e n e r a t e st h es i n u s o i d a lp r e s s u r eu n d e rt h e m i n i m u l nf o r c ec o n d i t i o n a c c o r d i n gt or e l a t e dt h e o r i e so fe n g i n e e r i n gh y d r o m e c h a n i c sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f d r i l l i n gf l u i dp r e s s u r ew a v e ，c o m b i n i n g 讯t ht h ea x i a lf o r c ea n a l y s i so i lr o t a r yv a l v er o t o r , t h e r o t a r yr e s i s t i v et o r q u eo fr o t o ru n d e rt h ee f f e c to fw a t e rh a m m e rp r e s s u r ea n dt h et h r o t t l e r e s i s t a n c eo fv a l v eh o l ei sa n a l y z e d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ss h o wt h a tt h ea x i a lf o r c eo nt h e r o t o ri sm a i n l yg e n e r a t e db yt h et h r o t t l er e s i s t a n c eo fv a l v eh o l e ，a n di tl i n e a r l yc h a n g e s 、) i ，i m t h ev a l v eh o l eo p e n i n g w h e nt h ev a l v eh o l ea l m o s ta l ls h u t sd o w n , t h i sf o r c ew i l lh a v ea c o n s i d e r a b l el o a da n dr o t o rr o t a r yi e s i s t i v et o r q u eo i lt h er o t o rt h r u s tb e a r i n g t h r o u g ht h e a x i a lf o r c ea n a l y s i so ft h er o t o r , i tw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e t h r u s tb e a t i n gp a r a m e t e r sa n dt h ed r i v ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h er o t o ri nt h ec a s eo fv a r i a b l e r e s i s t i v et o r q u e k e y w o r d s ：w a t e rh a m m e rt h e o r y , c o n t i n u o u sp r e s s u r ew a v eg e n e r a t o r , r o t a r yv a l v e ， f o r c ea n a l y s i s ，r e s i s t i v et o r q u e 关于学位论文的独创- i 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鸯童 日期：厶f 9 年 二月j r - 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：幽 指导教师签名：叠鲮 日期：刈9 年 月卑日 日期：。，。年厂月q 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 引言 包括钻井工程在内的油气井工程是石油工业上不可缺少的部分【1 1 ，与油气勘探和油 气开发合称为三大支柱。目前，钻井技术不仅仅是打开和建立油气通道，已经成为提高油 气井产量、提高采收率等增储上产的新途径和主要手段【2 1 。由于在实际钻进过程中经常 发生钻头偏离设计钻井轨迹的现象，有时是井眼轨迹设计有误差，导致钻井偏靶事件的发 生；有时是没有钻遇地质目标层以及钻井取心时由于深度误差造成取心错误的情况。因 此，在钻井过程中进行实时监控【引、及时修改钻井设计轨迹或钻井设计方案是很必要的。 由于电缆测井无法解决这类问题，随钻测量( m w d ) 技术就逐步发展起来，成为获取实 时信息的关键技术【4 】。 m w d 是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术的简称 5 】，是指在钻头 附近测得某些信息，不需中断正常钻进操作而将信息传送到地面上来这一过程。信息的 种类：( 1 ) 定向数据( 井斜角、方位角、工具面角) ；( 2 ) 地层特性( 伽马射线、电阻 率测井记录) ；( 3 ) 钻井参数( 井底钻压、扭矩、每分钟转数) 。传感器装在作为底部钻 具组合一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中有一个发射器，通过某种遥测信道将信号 发送到地面。m w d 按传输通道可分为( 钻井液) 泥浆压力脉冲、电磁波、声波和光纤 传播四种方式【6 】，目前使用的最普遍的遥测信道是钻柱内的钻井液柱【刀。信号在地面上 被检测到后，经译码和处理，提供所需的信息。m w d 的最大优点是可实时地“看”到 井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据只延误几分钟，可以改善决策 过程【引。 1 1 2 随钻测量钻井系统 随钻测量钻井系统【明可以在钻进过程中实时获取钻井和地层数据【l o 】。图1 1 描述了 可进行测井和井下测量的钻井装置【1 1 】，泥浆罐1 4 中的钻井液l 由通过地面2 的泥浆泵 4 注入钻进地质地层7 的钻柱3 中，钻井液l 到达钻柱3 底端的钻头5 ，然后钻井液1 流出钻柱3 并通过环空6 返回至地表2 ，钻井液1 的流动路径用箭头表示。钻柱3 中的 靠近钻头5 的一根钻柱3 1 中放置仪器，放置仪器的钻柱3 1 中所包含的仪器中至少有 种测量装置8 用于评估地层的物理特性 1 2 】，例如：温度、压力、工具方向等，它是随 第一章绪论 钻测量( m w d ) 的一部分。为了在钻井液1 中产 生压力波动及通过钻井液传递数据，一个压力波发 生器9 安装在放置有测量装置8 的仪器钻柱3 1 上 部。压力波发生器9 是遥测模块1 2 的一部分，遥 测模块用于控制井下测量装置8 与地面压力传感器 1 0 之间的数据传输。测量装置8 产生的测量信息先 被转换成为控制信息，控制信息控制压力脉冲发生 器，使钻柱中的钻井液压力发生变化，产生的钻井r 液压力信号通过钻柱1 3 1 中的钻井液传递到地面2 ，。j 的压力传感器1 0 。由钻井液压力波发生器9 、信号i i 处理装置1 1 和压力传感器1 0 构成的遥测模块1 2 称为“遥测系统 。 1 1 3 钻井液信息遥测系统 图1 - 1 钻井装置图 f i l l 1d r i l l i n gd e v i c ed i a o r a m 钻井液信息遥测系纠1 q 借助钻井液的压力波 来传送信号。钻井液压力传输技术的基本原理是将井下测量的信息转换成控制信息，用 控制信息控制井下仪器的钻井液压力波发生器，使钻柱中的钻井液压力发生变化，压力 信号通过钻柱中的钻井液传递到地面【1 5 】，地面的压力传感器检测到压力信号，并经地面 仪器转换，从而得到井下测量信息。压力信号分为三种：正压力脉冲、负压力脉冲和连 续压力波信号。 钻井液正压力脉冲的产生如图1 2 所示，阀门通过限制井筒内泥浆流通来产生压力 脉冲【凋。当阀门阻碍泥浆流通时，钻柱内泥浆压力增加；当阀门复位，不阻碍泥浆流通 射i ，l ：液 雠胤 r 拦 啦 纠 时问 冲 图1 2 正脉冲信号的产生 f i g l - 2e m e r g e n c r eo fp o s i t i v ep r e s s u r ep u l s es i g n a l 时，钻柱内泥浆压力也恢复到初始状态，从而产生正压力脉冲。m w d 系统的信号接收 部分安装在地面，其压力传感器可测出的压力脉冲幅值为o 3 5 棚7 0 m p a 。 2o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 钻井液负压力脉冲的产生如图1 3 所示，当释放阀开启时，部分泥浆被旁路到钻柱 外的环空里，钻柱内泥浆压力减小；当释放阀闭合时，泥浆压力回升，恢复原值，这样 便形成了压力负脉冲。释放阀打开的时间很短暂，仅为o 2 5 1 o s ，突然使压力急剧下降。 压力降则沿着钻井液液柱传至地表。 时f 瞰 图1 - 3 负脉冲信号的产生 f i g l - 3e m e r g e n c eo fn e g a t i v ep r e s s u r ep u l s es i g n a l 钻井液连续压力波的产生如图1 4 所示。连续压力波发生器的驱动控制电路驱动发 生器转子转动，转子相对定子产生截流效应，使钻柱内钻井液产生压力脉动，形成连 续的正弦压力波。井下传感器的测量数据经编码后，通过调制系统产生压力变化，在地 面通过检测压力信号，经过译码，处理得到测量数据【1 7 1 。连续压力波技术的优点是数据 传输速度快；缺点是信号相对较弱，对信号处理系统要求较高【1 8 】。 立霉压力 八nnn。 uuuu 嘲 图l - 4 连续波压力信号产生 f i g l - 4e m e r g e n c eo fc o n t i n u o u s - w a v ep r e s s u r es i g n a l 1 1 4 选题意义 随着旋转导向钻井、地质导向钻井等先进钻井技术的应用【1 9 1 ，大量井下参数的实时 测量与传输对信息传输速率( 比特秒或b i t s ) 提出更高要求，如果传输速率过低，将成 为系统测量参数扩容的瓶颈，并影响钻速的提高。钻井液信息遥测是目前随钻测量系统 中应用最广泛的井下数据传输技术，目前国内采用钻井液压力脉冲技术及基带方式传输 井下数据，信息传输速率低，最大为3 b i t s ：国外已采用基于钻井液连续压力波技术及 频带方式进行数据的传输，使数据传输速率得到较大地提高，例如，s c h l u m b e r g e r 公司 3 第一章绪论 采用旋转阀的p o w e r p u l s e 系统数据传输速率可以达到1 6 b i t s ，其中钻井液连续压力波发 生器是其核心部件。采用连续压力波传输技术是解决井下数据传输“瓶颈 问题的有效 方法之一，具有广泛的应用前景。 针对钻井液连续压力波信息遥测技术，国内目前缺乏相应的基础理论研究，使得应 用研究进展缓慢。通过对钻井液压力波产生机理、旋转阀阀口的结构设计及旋转阀转子 的受力情况等进行理论研究，可以为国内钻井液连续压力波发生器的研制提供理论指 导，因此本课题具有较大地实际应用意义。 1 2 国内外研究现状 钻井液连续压力波信息遥测系统始于上世纪8 0 年代，目前国外对连续压力波传输 技术已掌握的非常成熟，而国内对于该项技术的研究则处于刚开始阶段【2 0 】。总体上，连 续波压力发生器可以分为两大类：振荡剪切阀和旋转洲2 2 之3 1 。剪切阀有定子和转子两 部分。定子和转子均有相同数量的孔口，在结构上也十分相似。定子固定不动，转子相 对于定子以一定的角度偏差来回剪切振荡，当转子沿一个方向旋转时，钻井液流通面积 减少，压力增加；当压力增加至最大处时，转子反向旋转，流通面积增加，压力减小， 当转子和定子孔口重合时，压力恢复正常；转子相对于定子来回的剪切过程产生连续压 力变化。此外，剪切阀转子的双向旋转特性可以有效降低转阀被钻井液固相颗粒堵塞的 风险。剪切阀的不足之处在于【2 4 1 ，两侧末位置速度为零，需要电机不断正反转驱动，这 种控制方式通常采用步进电机，当遇到较大阻力时，电机难以转到设定位置，影响转子 的剪切作用。 旋转阀在结构上与剪切阀完全相同，不同之处在于，旋转阀沿着一个方向转动，其 防堵塞能力不如剪切剐2 5 1 ，但是它的电机控制方式相对简单，可以选用线性电机，建立 一个闭环反馈电路，通过电机精确控制转子的旋转，产生连续压力波。 1 2 1 连续压力波产生机理 图1 5 a 和图1 5 b 为文献【2 6 】介绍的钻井液连续压力波发生器示意图。该压力波发生 器有着一个定子1 和一个转子2 ，定子有着多个外围的孔口4 ，转子有着多个呈十字型 的翼片3 ，转子贴近定子靠马达驱动旋转。旋转阀的定子是固定不动的，而转子相对于 定子转动。图中以箭头表示钻井液通过定子的多个外围孔口，当转子旋转时部分堵住定 子外围孔口，可以限制或允许钻井液通过。 4 中国5 油大学( 华末) 碰士学位论文 图1 - 5 a 中，压力发生器处于所谓的“打开”位置 一致，使得钻井液通过压力发生器呈最大化。 图1 5 b 中，压力发生器处于所谓的“关闭”位置 口，使得钻井液通过压力发生器呈最小化。 霉 此时转子的翼片与定子孔口不 转子的翼片堵住定子的外围孔 圈1 - 5 ( a )圈1 - 5 ( 8 ) 圈1 - 5 连续压力渡发生嚣示意匿 f 逗l 占s 曲e m _ 血d i g r a m o f c o n f i n a o m - w l v e p n 蛳t mg e n e n 如r 图1 - 6 为斯伦贝谢公司所研制的旋转阀产生正弦压力波的示意图【锕。随着转子从打 开”位置开始旋转，旋转阀的流通面积逐渐变小，钻井液产生的压力不断增强，当转子 旋转至“关闭”位置时，流通面积最小，钻井液产生的压力达到峰值：随后，转子从“关 闭”位置继续开始旋转，流通面积逐渐变大，钻井液产生的压力逐渐变小，当转子再次 旋转至。关闭”位置时流通面积最大，形成一个完整呈正弦( 或余弦) 曲线的连续压 力波。 第一章绪论 时，大多采用薄壁小孔的流量特性理论作为依据，即认为压力信号是通过限流作用产生 的阻力压差而得出，实际上该压力差只是阀孔节流产生的压力损失，并不代表阀口处产 生的压力波【2 9 1 ，因此通过薄壁小孔节流分析方法的得到的数学模型中没有能体现压力波 动特性的参量( 波速) ，此种分析方法仅将流过阀孔的流体考虑成定常流动，并没有考 虑到高压钻井液的微压缩性及管壁弹性使此时的流体处于非定常状态，从而产生钻柱压 力的急剧变化及波动特性，因此钻井液压力波的产生机理c 3 0 】应该通过流体力学的水击理 论来研究。 1 2 2 水击理论 水击是指压力瞬变过程【3 l 】，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。当某种 原因引起管路中流速突然变化时，例如开关阀门过快，突然断电停泵，都会引起管内压 力突然变化，造成水击。当急剧升降的压力波波前通过管路时，会产生一种声音，犹如 用锤子敲击管路时发出的噪音，故水击亦称水锤。 图1 7 所示为水击压力波【3 2 】传递示 一一 意图。假设一个具有固定液面的液罐， 一i 驴| 血亡 沿长度为，直径为d 的等直径管路流 1 ) o p o + 印 向大气中，管路出口装有阀门控制。当 图1 - 7 阀门处液层示意图 阀门正常开启时，管中流速机进口 l _ 7 = ：o f h q 谢 压力为风，出口阀前压力为p 。如果阀门突然关闭，紧靠阀门的一段厚度为厶的流体在 & 时间内首先停止流动，该段流体被压缩，压力增高了p ，即水击压力。同时管壁也 发生膨胀，尽管液体和管材的弹性都不大，压缩性都很小，但绝不可忽略。随后第二段 流体被压缩，相应的管材也要膨胀。由此形成的增压波面，以波速c 依次向液罐方向传 播。 当阀门关闭= l c 时刻，压力波传至管路入口处。这时，全管内流体都已经停止流 动，处于被压缩状态，管子则处于膨胀状态。由于管内压力高于液罐压力，管入口紧靠 液罐的流体开始以速度又冲向液罐，而使水击压力消失，管壁恢复原状。此时，管中 减压波面又将以速度c 向阀门方向传播【2 8 】。 当阀门关闭乞= 2 l c 时刻，整个管路已恢复至静压岛。紧靠阀门的一段流体血，在 惯性作用下，仍以速度v o 向液罐方向流动，由于此刻后面没有流体补充，流体会产生双 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 倍膨胀，即产生负的水击压力p 。同理，形成的减压波面仍以速度c 向液罐方向传播。 当阀门关闭t 3 = 3 1 c 时刻，减压波传至管子入口处，整个管路中流体处于低压状态， 即收缩状态。由于液罐压力高于管路压力，流体又会以速度冲向管路，使紧靠管子入 口处的流体恢复至正常压力，这种增压波面又以速度c 向阀门方向传播。此时，全管恢 复至阀门关闭前的流动状态，整个水击压力波传递过程结束1 2 8 1 。 从阀门关闭产生增压波到上游反射回来的减压波又传回阀门为止，所需时间恰为 2 1 c 。此时间称为水击的相长，用表示，即r o = 2 1 c 。 当阀门关闭时间t 时，在初生弹性波继续发生时，由上游反射回来的 减压波已经到达阀门处，就会部分抵消水击增压，使水击压力不至于达到直接水击的增 压值，称为间接水击【2 9 】。 通常情况下，泥浆罐中的钻井液通过地面的泥浆泵注入钻柱中，并沿钻柱流经旋转 阀这一过程是稳定流状态【3 3 1 ，即流体质点通过空间点时所有的运动要素( 速度、压力、 密度、温度等) 都不随时间发生改变。由于旋转阀的转子不断遮挡流体的流通面积，导 致流体的各个运动参数不断随时间变化，因此旋转阀处的流体实际上是处于不稳定流状 态 3 4 】，因此在旋转阀处会产生水击压力。 1 2 3 旋转阀的阀子l 设计 国外关于钻井液连续压力波发生器的研究主要体现在相关专利中。图1 - 8 a 和图 1 8 b 所示为美国专利 3 5 】介绍的六孔旋转阀定子和转子结构示意图。图1 8 a 中，定子 图1 迅a 定子结构示意图 f i g l - 8 a s t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h es t a t o r 7 图l - 8 b 转子结构示意图 f i g l - 8 bs t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h er o t o r 第一章绪论 叶片7 l 的一边1 5 2 为径向方向，另一边1 5 4 基本上与边1 5 2 平行。其中每个孔1 2 1 角度 为6 0 。，p 和均为3 0 。图1 8b 中，转子与定子结构完全相同，转子叶片7 2 的一边 1 6 2 为径向方向，另一边1 6 4 基本上与边1 6 2 平行。其中每个孔口角度为6 0 。，p 和矽 均为3 0 。该种阀孔的设计依据来自于薄壁小孔的节流分析方法及实验。 此外，国外专利【3 6 j 还描述有矩形、扇形等阀孔结构，但没给出具体的设计依据。 国内目前还未有相关文献【3 7 】介绍旋转阀阀孔的设计方法及结构【3 8 】。 1 3 论文完成的主要研究工作及创新点 1 论文完成的研究工作 ( 1 ) 根据流体力学非稳定流的水击理论研究了钻井液压力波的产生机理，构建出钻 井液压力波数学模型，并结合旋转阀的特点构建出正弦压力波数学模型，研究了阀孔开 度与压力幅度的理论关系。 ( 2 ) 根据对四阀孔旋转阀产生水击压力的过程分析及结构特点，通过建立面积微元 分别对旋转阀定、转子阀孔的结构进行了数学建模与计算，在不考虑转子机械运动特性 的理想情况下，确定出产生正弦压力信号的定、转子阀孔结构与几何参数。 ( 3 ) 根据工程流体力学的相关理论及钻井液压力波数学模型，对旋转阀转子进行了 轴向受力分析，分析了在水击压力及阀孔节流阻力作用下转子受到的旋转阻力矩。 2 论文创新点 ( 1 ) 基于流体力学水击理论的钻井液连续压力波的数学建模。 ( 2 ) 旋转阀定、转子阀孔结构和几何参数的理论设计。 ( 3 ) 根据水击理论及阀孔节流阻力对旋转阀转子进行轴向受力分析。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章钻井液压力波的数学建模 2 1 钻井液压力波的数学模型 2 1 1 钻井液压力波的产生机理 在流体力学中，一般流体都是在三维空间内流动，运动要素( 速度、压力等) 都是x 、 y 、z 三个坐标的函数，称为三元流动。以此类推，运动要素是一个坐标的函数，称为 一元流动。根据一元不稳定流( 速度、压力等运动要素随时间为一个坐标的函数) 连续 性方程的普遍形式 昙( 刖) + 昙( ) ：0 ( 2 1 ) 其中p 表示流体密度；1 ，表示流体流速；彳表示流体流通面积：s 表示流体通过距离； 表示时间。 将( 2 ，1 ) 式展开后 v a ) + 孚o s ( p 锄+ 罢( ) + 挈o t 彳+ 掣o tp = o ( 2 - 2 ) o 苫 由于a = a ( s ，t ) ，p = p ( s ，d ，则式( 2 - 2 ) 除以p a 得 兰望+ 塑+ 兰丝+ 三望+ 三丝：0 一( 2 3 ) 一上+ 一+ 一一+ 一上+ 一一= l z 一3 ) po s o sao s po t ao t 因为 d a 触础 = + v d t o t os(2-4) 塑：望+ v 望 d ta t8 s 则将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 可得到 三塑+ 三坐+ 鱼：0( 2 5 ) pd t ad to s 式( 2 5 ) 中第一项代表液体密度变化率，即压缩性。第二项为管道断面变化率，即管 子的压缩性。 由于 1 d p 1a p pd t ed t 1d add p ad t e e od t ( 2 6 ) 其中五表示流体的弹性系数，昂表示管材的弹性系数，p 表示钻柱厚度，d 表示总流断 面直径，p 表示总流断恧平均压强。 9 第二章钻井液压力波的数学建模 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 式中，则 三塑( 1 - 4 - 望1 + 尘= 0 ed te 奄s ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 第一项的系数丢( 1 + f e l ) ) 为常数，它决定于液体的压缩性和管壁的弹性。 乜 也。p 由于水击压力传播速度 将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) 并整理得 因p = p ( s ，t ) ，所以 仁后赢 上空+ c ：鱼：o pd t a s 垒：望+ v 望 出8 ta s 综合上式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，可得水击连续性方程 一塞= 去c 害+ v 争 由于p 训，且警 等挈0 s o 0 2 m 即高于定子阀孔结 构即可。 根据定子和转子阀孔，对转子旋转0 。9 0 。过程中，产生的水击压力波动卸随角度 口进行数值模拟，如图3 2 2 。 旋转角度，。 图3 - 2 2 整个9 0 。水击压力波动随旋转角度变化示意图 f i 9 3 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fe n t i r e9 0 。w a t e rh a m m e r p r e s s u r e f l u c t u a t i o nc h a n g ew i t hr o t a t i o na n g l e 由图3 2 2 可以看出，修改后的转子阀孔恒速旋转0 。9 0 。过程中，产生的水击压力 波动p 随角度移呈现出正弦变化，说明图3 2 1 所示转子结构符合设计要求。 通过与国外目前使用的旋转阀资料比较，定子阀孔结构形状与图卜6 所示斯伦贝谢 公司的i m p u l s em w d 工具旋转阀基本一致，但与其转子阀孔结构有些不同，这是由于 计算过程中忽略了旋转阀转子驱动系统的机械特性和响应速度的影响，因此还需要通过 转子系统的机电动力学分析及电机驱动控制模型来作进一步的计算分析与结构修正。 2 6 伯 们 伯 x x x x d d d d e 6 4 2 孟需髫r幽佃* 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第四章旋转阀转子的轴向受力分析 4 1 转子沿轴向受力的数学建模 旋转阀产生正弦压力波需要具备两个条件：合理的阀口结构和转子以恒定速率进行 旋转。为保证转子的恒速旋转，需要对转子进行受力分析。旋转阀转子的受力只是转子 系统受力的一部分，旋转阀转子的受力比较复杂，但主要作用力为轴向力。 由于转子以一定时间间隔周期性地遮挡定子阀孔，转子沿轴向方向主要受两个力： 水击作用产生的作用力e 及阀孔节流产生的作用力互。当转子叶瓣旋转逐渐遮挡定子阀 孔过程中，被转子叶瓣阻挡的钻井液瞬时速度变为零，转子叶瓣会受到被阻挡钻井液产 生的水击压力船；同时由于阀口流通面积的变化，流体通过阀口会产生流体能量损失 ( 局部压力损失) ，在转子薄片上形成压力差卸；。因此转子叶瓣在轴向受到的流体压力 为卸= 卸i + 卸i 。 对于局部压力损失产生的压力卸；，参照等径管道中孔板产生的局部阻力，流体流 过旋转阀阀口时，局部阻力系数为2 8 】 矧砉- 1 ) 2 “_ 1 ) 仃月，7 其中：仃= 。6 3 + 。3 7 ( 等) 3 鸽= 万d 2 4 为钻柱截面积；d 为管道内径：4 = 4 4 为 阀口流通面积，气为阀口全通面积，4 为阀口遮挡面积，通常有4 寺4 ，因此仃o 6 3 。 由于局部压力损失水头为 吃2 秀 ( 4 _ 2 ) 压力损失为 翘却= 孝孚 觇= 孝窘= 孝面q ：可p ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 式( 4 - i ) 代入式( 4 - 4 ) ，得 锄= c 赤叫2 者 c 考虑到阀板间隙以的影响，式( 4 - 5 ) 变为 2 7 第四章旋转阀转子的轴向受力分析 遮挡面积4 = 垦铲，代入式( 4 - 6 ) 可得： ( 4 6 ) 州面五a 再d- 1 ) 2 而雩q z 知p ( a p i ( t ) = ( 表) 2 则 c 4 剐 得出转子沿轴向受力的数学模型： 只= 石+ 巧= ( 衄+ 锄) 。4 ( f ) 南扣+ 瓦盘豪甄叫2 石簪q 2 p 4 2 轴向力的数学分析 图4 1 为关闭位置处 阀孔示意图，虚线代表转 子，实线代表定子，转子 位于定子下方。由于定、 转子阀板之间总是存在 一定的间隙4 以利于转 子旋转，因此，该间隙幺 的存在导致阀孔完全关 闭时存在一定的流体泄 漏。图中线段a b 、线段 4 c 和阴影部分艿c 即为 单一阀孔间隙部分。其 ( 4 _ 9 ) 图4 - l 关闭位置处阀孔示意图 f i 9 4 1 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fv a l v eh o l ea tc l o s e dp o s i t i o n 4 ( f ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 中，线段a b 和线段a c 为垂直于纸面部分间隙，阴影部分b c 为平行于纸面部分间隙。 图4 - l 三角形o a b 中，线段o b 为o 0 5 m ，线段伽为0 0 3 m ，= 2 2 5 。，根据余弦 定理求出线段a b 和a c 为0 0 2 5 m 。设定、转子阀板平行于纸面间隙为o 0 0 1 m ，当阀板 轴向间隙为0 0 0 1 m 时，阀孔泄漏面积为4 = 3 4 7 5 m m 2 ；阀板轴向间隙为o 0 0 2 m ，阀 孔泄漏面积为以= 5 2 3 5 m m 2 。 z 、 长 幽 坦 撂 盅 羽 而 旺 警 + 臼 * z 、 穴 幽 短 暴 雹 羽 而 媾 忙 罱 匿 旋转角度， 旋转角度，。 图4 - 2 阀板间隙为l m m 时水击作用引起的图4 3 阖板间隙为l m m 时阀孔节流引起的 轴向压力与旋转角度关系 轴向压力与旋转角度关系 f i 9 4 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo f t h ef i 9 4 - 3 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo ft h e r o t o ra n da x i a lf o r c ec a u s e db yw a t e rh a m m e rr o t o ra n da x i a lf o r c ec a u s e db yt h r o t t l ew i t h1m m e f f e c tw i t h1i n i nv a l v ep l a t eg a pv a l v ep l a t eg a p 图4 2 和图4 3 分别表示定、转子阀板轴向间隙为l m m 时，水击作用和阀孔节流 引起的轴向压力随旋转角度 变化曲线。由图中可以看出， 轴向压力随旋转角度呈大幅 度非线性变化，阀孔节流引 起的轴向压力变化较水击作 用更为迅速。其中，阀孔节 流引起的轴向压力仅在阀孔 接近关闭时( 旋转角度 2 0 。) 才开始出现，且随阀 孔的关闭过程迅速增加。相 对于阀孔节流引起的轴向压 旋转角度，。 图4 - 4 阀板间隙为l m m 时轴向压力与旋转角度关系 f i 9 4 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo f t h er o t o ra n da x i a l f o r c ew i t h1m mv a l v ep l a t eg a p 2 9 第四章旋转阀转子的轴向受力分析 力，水击作用引起的轴向压力非常小，经计算，仅占整个轴向压力的1 1 ，即水击作 用引起的轴向压力占整个轴向压力的比重很小，转子旋转过程中的轴向压力主要是由阀 孔节流引起。图4 - 4 为转子轴向压力随旋转角度变化曲线，与图4 3 曲线非常接近。 z 、 穴 幽 世 壤 雹 蹭 菥 蠖 堆 罱 匪 图4 5 阀板间隙为2 m m 时水击作用引起的图4 石阀板间隙为2 r a m 时阀孔节流引起的 轴向压力与旋转角度关系轴向压力与旋转角度关系 f i 9 4 - 5 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo f t h ef i 9 4 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo ft h e r o t o ra n da x i a lf o r c ec a u s e db yw a t e rh a m m e rr o t o ra n da x i a lf o r c ec a u s e db yt h r o t t l ew i t h2m i l l e f f e c tw i t h2m mv a l v el f l a t eg a pv a l v ep l a t eg a p 图4 5 和图4 6 分别表 示定、转子阀板轴向间隙为 2 m m 时，水击作用和阀孔 节流引起的轴向压力随旋 转角度变化曲线。与阀板轴 向间隙为l m m 相比，阀孔 节流引起的轴向压力和水 击作用引起的轴向压力分 别下降至原来的1 8 9 和 8 4 9 。水击作用引起的轴 向压力占整个轴向压力的 4 8 。由此可见，随着间 z h 长 幽 匠 屏 图4 7 阀板间隙为2 m m 时的轴向压力与旋转角关系 f i 9 4 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l eo ft h er o t o ra n da x i a l f o r c ew i t h2r a i nv a l v ep l a t eg a p 隙的增加，阀孔节流引起的轴向压力迅速减少，占轴向压力的比重逐渐变小；