（机械电子工程专业论文）井下旋转控制压力信号发生器的设计与研究.pdf

井下旋转控制压力信号发生器的设计与研究 李荣喜( 机械电子工程) 指导教师：房军高工 摘要 随着钻井技术的不断发展，随钻测量的井下参数越来越多，对测量 的实时性要求也越来越高。在h d s l 液压脉冲信号发生器的研究基础上， 采用新的设计方案和控制方式，对信号发生器进行了新的设计。 依据井下旋转控制压力信号发生器的工作原理和特点，设计了井下 旋转控制压力信号发生器，选择了合适的无刷直流电动机、电机驱动器、 联轴器及机械密封装置。根据所设计的直阀口转阀和圆阀口转阀的结构 尺寸，针对转阀的升降压2 个阶段的不同特点，分别建立了具体的数学 模型，并对其进行了仿真，仿真结果表明，该类型信号发生器的响应速 度有显著提高，并且不同的阀口形式可以得到不同的压差响应波形。确 立了无刷直流电动机控制系统的总体控制方案，选择经典的电流环、转 速环的双环控制，建立了整个控制系统的数学模型，然后根据井下旋转压 力信号发生器控制系统响应快的特点，应用工程化的频域设计方法设计 了电流环、转速环控制器。 最后对无刷直流电动机的控制系统进行了组装模拟调试。文中给出 了三种输入波形一正弦波、三角波和方波及所对应的输出脉冲，并进行 了分析。调试结果表明，该控制系统稳定可靠，具有良好的调速性能， 达到了预期效果。 关键词：随钻测量，液压信号发生器，无刷直流电动机，仿真 t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho f t h ed o w n h o l ep r e s s u r es i g n a l p r o d u c e rc o n t r o l l e db yr o t a r yv a l v e l ir o n g - x i ( e l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rf a n gj u n a b s t r a c t w i t l lt h ed r i l l i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g t h ep a r a m e t e r so fm w da r e m o r ea n dm o r ea n dt h em e a s u r e m e mo ft h er e a l t i m e r e q u i r e m e n t s a r e i n c r e a s i n 舀yh i g h b a s e do nt h er e s e a r c ho fh d s lh y d r a u l i ci m p u l s es i g n a l p r o d u c e r , t h es i g n a lp r o d u c e ri san e wd e s i g n e dw i t ht h en e wd e s i g np l a na n d c o n t r o lm o d e b a s e do nt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ef e a t u r eo ft h ed o w n h o l ep r e s s u r e s i g n a lp r o d u c e rc o n t r o l l e db yr o t a r yv a l v e ，t h ep a p e rc o n c e i v e sa n dd e s i g n s t h el a be x p e r i m e n tp r o t o t y p ea n dc h o o s e sb l d c m , t h ed r i v e ，t h es h a f t c o u p l i n ga n dt h em e c h a n i c a ls e a l a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r es i z eo ft h e s t a a i g h tv a l v ea n dt h er o u n dv a l v ea n dt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co f p r e s s u r er i s i n ga n df a l l i n gp h a s e so ft h er 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 a r ee s t a b l i s h e d t h es i m u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e dt h a ti m p u l s es p e e dr a t eo ft h i s k i n ds i g n a lp r o d u c e ra r eo b v i o u s l yi m p r o v e da n dt h ed i f f e r e n tv a l v ec a n o b t a i nt h ed i f f e r e n tp r e s s u r ew a v e t oa s c e r t a i nt h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ea n d c o n t r o lp r o g r a m i ti sc l a s s i ct w ol o o pc o n t r o lw i t hc u r r e n tl o o pa n dv e l o c i t y l o o p a f t e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l es y s t e mw a se s t a b l i s h e d ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ed o w n h o l ep r e s s u r e s i g n a lp r o d u c e rc o n t r o l l e db yr o t a r yv a l v e ，i td e s i g n st h ec o n t r o l l e ro fc u r r e n t l o o pa n dv e l o c i t yl o o pa p p l y i n gt h ed e s i g nm e t h o do f f r e q u e n c yd o m a i ni nt h e p r o j e c t i nt h ee n do ft h ep a p e r , t h es y s t e md e b u g g i n gp r o d u c e ri s i n t r o d u c e d t h em e a s u r e d s i g n a l so fs p e e da r ep r e s e n t e da n da n a l y z e di ns e v e f a l c o n t i n u o u s w a v es i g n a l s e x p e r i m e n t ss h o wt h a ti th a sg o o dp e r f o r m a n c ea n d s t a b i l i t y , a n dt h ea d j u s t i n gs p e e dp e r f o r m a n c eo f s y s t e mi sg o o d k e yw o r d s ：m w d ，h y d r a u l i cs i g n a lp r o d u c e r , b l d c m ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： z o o 年 sy j 达! f i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：盔墓釜 z o o 年箩y j 岁日 导师签名 刍晕 z 柚7 年，月r 日 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 无线随钻测量系统研究发展状况 随钻测量系统( m w d ) 能在钻进过程中自动连续测量井底附近的有 关参数并传输到地面，进行计算机实时显示、存储、处理和打印，为下 一步施工设计提供依据。m w d 最大的优点是可实时地“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，所以可 以改善决策过程。在地质钻探、石油钻井中，特别是受控定向斜井和大 位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少 的工具【1 1 们。 m w d 的信号传输方式分为有线( 电缆) 和无线两种。电缆方式的优 点是可直接向井内传感器供电，实现井内和地表设备之间的双向通讯， 实时性好，数据传输率高。但电缆往往影响正常钻进过程。无线方式不 使用电缆，是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。导向钻进和自动 定向钻进等现代钻探技术都以无线方式为基础4o 】。无线随钻测量仪一般 有两大部分组成：一是地面系统，一般由地面接口箱、钻台显示器、上 位机软件组成，其主要功能是把井下脉冲发生器传来的信号从立管压力 中解读，计算测量参数，并显示给操作人员，指导定向钻井；二是井下 部分，主要由测量控制短节、动力短节和信号传输短节组成，而液压脉 冲信号发生器是信号传输短节的核心部分 3 1 。钻井液脉冲无线随钻测量仪 器的信号传输方式是；首先将井下测量的电信号数据转换为机械信号， 然后转换为压力脉冲信号，再以钻柱内的钻井液为介质带到地面，最后 在地面接收脉冲信号并解码获取随钻参数 4 1 。 随着受控定向斜井、分支井和大位移水平井等钻井技术的迅猛发展， 美、俄、法、英的无线随钻测量技术日趋完善，其井内仪器已经系列化 并大面积推广使用卜“j ，如： 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 ( 1 ) 斯伦贝谢公司 用新的s l i m p u l s e 回收式m w d 系统解决了深水平井作业面临的高 温、高压两大难题。在意大利v i l l a f o r t u u a - t r e c a t e 油田，用s l i m p u l s em w d 技术钻成了世界上最深的水平采油井。最终井深达6 4 2 1 m ，井斜角8 9 6 。， 创造了在垂深6 0 6 2 m 、井斜角8 5 。9 0 。的条件下水平钻进1 8 4 m 的世界纪 录。 ( 2 ) p r e c i s i o nd r i l l i n gc o m p u t a l o g 公司 其恶劣环境m w d ( h e lm w d ) 系统能在1 8 0 ，1 7 2 m p a 的井下环 境中稳定工作。h e l 包括定向探测器、高温方位伽马仪、环境恶劣度测 量和井i t l l 环空压力探测器。h e l 系统已在墨西哥和美国进行了广泛的现 场试验，在泥浆密度高达1 8 7 9 e m 3 ，井下温度超过1 7 0 。c 的井中成功作 业。 ( 3 ) 俄罗斯电磁波式m w d 系统 1 9 8 7 年研制成功后，曾在西伯利亚几个油田的2 0 口井内5 0 2 0 0 0 m 深度的井段进行了9 3 个回次的生产试验。与传统测斜仪的比较试验表明， 其中7 5 的回次吻合的很好或较好，表明俄罗斯的该遥测系统已经满足 工业要求。1 9 9 9 年1 1 月该系统曾用于“亚马尔地质科技生产公司的 n 0 2 0 3 0 井。在井深2 5 0 3 2 8 1 8 m 的井段，用了两个回次进行造斜，使顶 角增至3 4 5 。经过一段稳斜段后，在井深3 4 2 2 m 处再次造斜，使顶角达 到8 5 6 。，终于钻到了设计的层位，并顺利准确地从油层中穿过。结果表 明，这种电磁波式系统不仅在钻井过程中，而且在接钻杆停止钻井液循 环的情况下，都可保证井眼弯曲参数的正确测量，同时还可记录钻进过 程中的岩层电阻率曲线。正是由于在n 0 2 0 3 0 号井中使用了电磁波式系 统，才使这口井深3 7 5 6 m ，水平偏距9 5 0 m ( 其中水平井段4 5 0 m ) 的油井 在9 4 天的时间内完成了全部钻井、固井和测井工作，并达到了沿含油层 钻进的目的。 与国外技术相比，我国还处在引进和消化国外无线m w d 技术的阶 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 段，但正在加快研究步伐。如中国石油天然气总公司、大港油田、胜利 油田和北京海蓝公司等单位和相关研究机构正在进行国产随钻测量仪器 的研制工作，以尽快消除m w d 技术长期被国外垄断的局面。 1 2 无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状 无线m w d 按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波和声波三种方式，最新 的组合式目前还处在研究阶段。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到 生产实践中，以泥浆脉冲式使用最为广泛 i q 2 l 。 ( 1 ) 声波传输系统 该系统利用声波传播机理来工作。当钻柱、钻头与井底相互作用时， 钻柱中会出现纵向弹性波，能监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频 率，其中主要是牙轮的振动谐波。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损 程度具有相关性，所以可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变 时，信号的幅值变化情况还可以反映岩石的力学性质。由于信号在钻杆 柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔4 0 0 5 0 0 m 要装一个中继站。声 学信息通道的缺点是传送的信息量少，类似于噪声的声学信号不可能给 出准确的工艺解释，信号随深度衰减很快。 ( 2 ) 电磁波通道系统 该系统把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器中，通过 远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号。其优点是信息传输速度 比水力通道快；对钻井液的质量要求和钻探泵的不均匀性要求更低；对 正常钻进没有干扰；与其它方法相比，准备工作简单，起下钻时也能传 输井下资料。缺点是信号衰减大，只能传播低频电磁波，易受井场电气 设备的干扰和岩石电阻率的影响。 由于钻井空间狭小，电磁波发射实际只有垂直天线( 沿钻杆的轴向电 流) 和垂直磁天线( 绕钻杆的水平电流环激励沿钻杆方向的磁场) 两种激 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 励方式。激励轴向电流最简单而有效的方法就是使特制的钻杆成为用绝 缘接头连接的两段结构，由激励器输出的电压通过密封接头馈于两端， 形成一种类似双极天线的地下非对称双极激励装置。最合适的井下激励 方式为激励沿钻杆引导的轴向电流。 ( 3 ) 泥浆脉冲系统 泥浆脉冲系统在石油钻井工程中应用最普遍，脉冲信号的产生可以 通过将部分钻井液排到环空来实现，也可以通过限制钻井液在钻柱中的 流动来实现。对钻井液有严格的要求：含砂量 l 4 ，含气量 7 。 泥浆脉冲系统的信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和连续波三种【1 3 1 ， 在下一节将作详细介绍。 1 3 液压信号发生器的发展现状 由上一节可知泥浆脉冲的传输方式有三种：负脉冲式、正脉冲式和 连续信号式。 负脉冲信号发生器的基本工作原理( 如图1 1 所示) ：发送器由泄流 阀门组成，当阀门打开时，使得一部分钻井液从钴柱内流向环空。 图1 - 1负脉冲信号产生原理 因此，开闭阀门就会引起管内的压力波，产生一系列的脉冲将数据传输 到地面，由于这种信号是通过阀芯的突然开闭产生的，压力波动信号为 低于钻柱内正常压力的脉动信号，因此产生的一系列脉冲为负脉冲。从 信号产生的机理来看属于泄流型信号发生器。这种信号发生器由于存在 4 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 污染环空、信号速率低、能量损失大等缺点，已逐渐被淘汰f f l f h 。6 】。 正脉冲信号发生器的基本工作原理( 如图l 一2 所示) ：在井下信号发 生器中有一个节流阀，由液压调节器控制。当阀动作时，通过钻柱的钻 井液液流形成瞬时的压缩，引起管内的压力增加，从而产生一系列的压 力脉冲传输到地面，由于这种信号是通过阀芯的突然开大或关小产生的， 压力波动信号为高于钻柱内正常压力的脉冲信号，因此产生的系列压力 脉冲为正脉冲 1 】【1 6 1 。 黏毳 图1 2 正脉冲信号产生原理 从1 9 9 9 年6 月开始，中国石油勘探开发研究院成立“地质导向钻井 技术研究与应用”课题组，经过几年攻关，研制了c g d s 1 ( c h i n a o e 灯s t e e r i n g d r i l l i n g s y s t e m 1 ) 地质导向钻井系统，其中新型正脉冲无线随 钻测量系统c g m w d 作为c g d s 1 地质导向钻并系统的一个重要子系 统，于2 0 0 3 年，分别在大港油田和冀东油田定向井进行了实钻试验和应 用，取得了较好的实验结果，该产品作为独立产品推出。这样实现了该 技术国产化，将大幅度降低仪器的成本，有利于在国内钻并行业中推广 应用，缩短了与先进国家的差距，提高了我国的石油技术装备水平。 连续信号发生器的工作原理：由一个转子和一个定子组成，每个转 子和定子上带有多个叶片，由电机驱动转子打开或部分关闭定子叶片间 的开口。当开口开大时，泥浆流动畅通，压力减小；当开口关闭时，泥 浆流动受阻，压力增大。控制转子瞬时开闭或连续开闭，就会产生脉冲 信号或连续压力波动信号。从信号产生的机理来看，也是属于节流型信 号发生器i n 1 18 9 1 。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 连续波脉冲发生器是在转子转动过程中，转子与定子之间切割钻井 液，产生不同的钻井液压力差，再由钻井液连续传递到地面，形成了连 续的脉冲波。地面的连续跟踪系统接收连续的脉冲波后，按规律将其转 换成数据，用地面计算机进行处理。连续脉冲的最大特点是传输速率高 ( 可达m i o ) ，但因结构复杂，难度大，目前只有s c h t u m b e r g e r 公司研制 的p u l s e 系列旋转阀式信号发生器产品和美国a p s 公司研制的a p s r o t a r yp u l s e r ( 旋转阀式脉冲发生器，其旋转阀如图1 3 所示) 产品成功 地应用于钻井领域【l 】。另外胜利油田通过引进美国a p s 公司的旋转阀式 脉冲发生器，与他们自己研制的电子测量短节配套，由锂电池供电，组 成的一种新型m w d 无线随钻测量系统( a p s 旋转定向测量系统) ，通过 现场应用，取得了一定的应用经验【唧。 图1 3a p sr o t a r yp u l s e r 的旋转阀结构图 1 4 课题的研究背景、目的及意义 1 4 1 课题的研究背景 在h d s l 液压脉冲信号发生器中无论是“进液控制式”还是改进后 的“回液控制式”信号发生器的响应能力，都受到先导阀通流能力的制 约，即不增大先导阀的阀口尺寸、提高流量系数，无法实现大幅度提高 信号产生的速率。为了解决这个问题，提出了将先导阀改为旋转阀的方 案，以加大阀口的通流面积来提高信号产生的速率。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 4 2 课题的研究目的及意义 随着随钻测井和地质导向等钻井技术的发展，随钻测量的井下参数 越来越多，对测量的实时性要求也越来越高，泥浆脉冲信号发生器的信 号传输速率已无法满足较大数据通讯量的要求。为提高井下信号的传输 速率，必须通过改进信号发生器的结构，达到传输速率的要求。 通过该课题的研究可以缩短与先进国家在信号发生器理论模型分析 的差距，提高我们的技术水平。同时该项目研究也为地质导向和闭环钻 井技术研究打下一定基础，对控制钻井成本、提高钻进技术水平，特别 是对大位移井、分支井、水平井等高难度工艺井的应用具有重要的现实 意义，把我国钻井技术推向新的发展阶段。 1 5 课题的主要研究内容 本文“井下旋转控制压力信号发生器的设计与研究”的研究内容可 以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 了解并掌握井下旋转控制压力信号发生器的工作原理及特点。 查阅国内外关于并下旋转控制压力信号发生器的相关资料，在这些 资料的基础上了解并进一步掌握井下旋转控制压力信号发生器的工作原 理及特点，对下一步结构设计打下基础。 ( 2 ) 根据已有参数和条件进行原理样机结构设计。 在掌握了井下旋转控制压力信号发生器的工作原理的基础上，根据 已有的参数和实际条件进行原理样机的结构设计。 ( 3 ) 在以上所设计的转阀结构的基础上，对阀口进行另一种方案设 计，结构设计完后，分别对不同阀口结构的转阀建立数学模型，并在 m a t l a b 环境下对其进行仿真，并对仿真结果进行分析。 ( 4 ) 在样机中采用无刷直流电动机为动力源，确立控制系统的总体 结构和控制方案。控制系统采用经典的双闭环控制结构，即转速环和电 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 流环。建立整个控制系统的数学模型，对系统进行动态分析，针对井下 旋转控制压力信号发生器控制系统响应快的特点，对控制系统的控制器 进行设计，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行计算机仿真。 ( 5 ) 利用实验室内的条件，组装无刷直流电动机的控制系统，并对 其进行模拟调试。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章信号发生器的工作原理与设计要点 第2 章信号发生器的工作原理与设计要点 2 1 井下旋转控制压力信号发生器的工作原理 从连续波信号发生器的信号产生的机理上来看，该类型信号发生器 和往复节流型信号发生器( 正脉冲信号发生器) 类似( 如图1 2 所示) ，其 不同之处在于，井下旋转控制压力信号发生器中的转阀代替了节流阀； 信号不是靠阀口的瞬时开闭产生的，而是在转子转动过程中，转子与定 子之间切割钻井液，产生不同的钻井液压力差，从而产生了压力波动信 号；井下旋转控制压力信号发生器产生的信号可以为正脉冲信号也可以 为连续信号。 井下旋转控制压力信号发生器的工作原理如图2 - 1 所示，电机通过传 动装置来控制转阀中的转子旋转。其中电机由控制器和驱动器来控制。 图中转阀由转子和定子组成，转子和定子上都歼有通孔，在转子旋转的 过程中，当转阀通流面积增大时，泥浆流动畅通，压力减小；当通流面 积减小时，泥浆流动受阻，压力增大，所以通过改变转阀通流面积的大 小，就会产生压力波动信号。 图2 - 1井下旋转控制压力信号发生器的1 二作原理简图 2 2 井下旋转控制压力信号发生器信号产生的理论依据 在液压系统中常见的节流方式大致有薄壁小孔节流、缝隙节流、短 管节流和细长孔节流等类型，在阀类元件中以薄壁小孔节流型式应用较 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章信号发生器的工作原理与设计要点 多。节流型液压信号发生器的阀孔可以近似为薄壁小孔。 井下旋转控制压力信号发生器的工作原理和节流型信号发生器的工 作原理类似，所以在设计阀口时，以薄壁4 , - i l 的流量特性理论为依据， 其流量特性可由下式表示 2 0 - 2 2 ： _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ - 一 q = c d a 4 2 a p p ( 2 - 1 ) 式中，q 为流过阀1 ：3 的流量，m 3 s ； c d 为阀的流量系数，般c 。= 0 6 0 8 【2 3 j ； p 为液体密度，k g m 3 ： 幻为阀口前后压差，m p a ： a 为阀口的面积，m 2 。 由式( 2 1 ) 变换得： 卸= 筹嘻 由式( 2 - 2 ) 可以看出，当c 。，p ，q 确定后， 只与通流面积有关，并与通流面积a 2 成反比。 ( 2 2 ) 阀口前后的压力增量 2 3 井下旋转控制压力信号发生器转阀设计的要点 2 3 1 最小通流面积的设计原则 ( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可以看出通流面积减小时，压力增大，为了防止转阀关 闭时压力过高，出现憋压情况，一般在设计时需要留有最小通流面积 a 。，其中a 向的大小由所限定的最大压力增量p 一来确定，即 1 0 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章信号发生器的工作原理与设计要点 k = 芑店瓦1 ( 2 4 ) 因此，最小通流面积a 。可根据所需最大压力波的幅度通过结构设 计加以控制。 2 3 2 最大通流面积的设计原则 由式( 2 3 ) 可以看出通流面积增大时，压力减小。所以最大通流面 积a 。的大小是由所限定的最小压力增量卸m 来确定，即 a 。= 芑居赤 亿s ) 因此，最大通流面积a 。可根据所需最小压力波的幅度也可以通过 结构设计加以控制。 2 4 有关井下旋转控制压力信号发生器的几点基本认识 2 4 1 信号的类型取决于阀口开关的规律 由式( 2 3 ) 可以看出，在液体的性质、流量、转阀的结构一定的情 况下，压力增量卸的变化唯一地取决于通流面积a 的变化，因此，只要 控制阀的通流面积按照一定的规律变化，就可以产生一定规律的压力波 动。在转阀结构中，只要设计合理，控制得当，不仅可以产生脉冲信号， 同样也可以产生连续信号。 2 4 2 井下旋转控制压力信号发生器系统的构成、控制方式是信号产生和 变化的关键 如上所述，压力波动信号的类型和变化规律取决于转阀的运动规律， 而转阀的运动规律取决于整个系统的构成和控制方式的实现。因此，整 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章信号发生器的t 作原理与设计要点 个系统的构成和控制系统的能力和特性，是决定信号产生和变化的关键， 所以，研究、设计优良的结构及相应的控制方法是提高信号发生器工作 性能的主要途径。 2 5 本章小结 本章首先详细阐述了井下旋转控制压力信号发生器的基本工作原 理、信号产生的理论依据及井下旋转控制压力信号发生器转阀的最小通 流面积及最大通流面积的设计原则，对转阀的设计提供了设计依据；接 下来介绍了井下旋转控制压力信号发生器的几点基本认识，从而对井下 旋转控制信号发生器有了进一步的了解。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 第3 章信号发生器模型结构设计 随着钻井技术的不断发展，随钻测量的井下参数越来越多，对测量 的实时性要求也越来越高，现有的脉冲信号发生器的信号传输速率己无 法满足较大的数据通讯量的要求。为提高井下信号的传输速率，必须通 过改进信号发生器的结构，达到传输速率的要求。 3 1 井下旋转控制压力信号发生器结构简图 井下旋转控制压力信号发生器的原理结构简图如图3 l 所示，主要是 由外壳体、转阀、传动机构、电动机等组成，其中转阀是由定子和转子 组成。 图3 - 1井下旋转控制压力信号发生器结构简图 由地面泵提供的钻井液，由a 区经转阀口流入b 区，并经外壳体的 流道流入钻头喷嘴或供给井下动力钻具等其他负载。由于转阀口的节流 ( 限流) 作用，在a 区和b 区形成一定的压差，在电机带动转子旋转的 过程中，转阀口从最大通流面积变化到最小通流面积，然后再从最小通 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 流面积变化到最大通流面积这样依次变化。当转阀口从最大通流面积变 化到最小通流面积时，b 区的压力逐渐增高，于是产生一个压力信号； 当转阀口从最小通流面积变化到最大时，b 区的压力逐渐降低，如此转 阀口从最大通流面积到最小通流面积循环变化的过程中就会产生一系列 的压力信号。所以，按一定规律控制电机的旋转速度，就会在b 区产生 一定规律的压力波动信号，从而按一定的规则将井底的测量数据传到地 面。 3 。2 转阀的结构设计 3 2 1 转阀阀口的形状 在设计转阀时，根据已知条件可知阀口的形状可以设计成多种不同 的形式，在本节中采用一种简单的形式，将阀口设计成扇形形状，如图3 - 2 所示。 孑 l 多 ， 、 i ； i j l l 1 1 1 d 2 图3 - 2 转阀阀口扇形结构示意图 在此转阀中，转子和定子形状类似并都开有2 个对称的扇形孔，如 图3 3 所示，图中瓯为转子上所开扇形孔的角度，d ，为定子上所开扇形孔 的角度，所不同的是转子所开扇形孔的角度小于定子上所开扇形孔的角 度，即 口，其目的是保证阀口通流面积最小时产生所需的压力信号 幅度，同时防止出现憋压的情况。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 图3 - 3 转子和定子扇形孔结构示意图 3 2 2 转阀通流面积a 的计算 在转阀的设计中，已知参数为： 泥浆流量为q = o 0 3 m 3 s ； 泥浆密度p = 1 1 1 0 3 k g m 3 ； 前后压差最小为卸廊= 0 3 m p a ； 前后压差最大为p 一= 2 0 m p a ； 流量系数取c 。= o 7 ； 压差变化频率f = 1 0 h z 3 0 h z 。 在前面章节中已说明在设计井下旋转控制压力信号发生器的转阀阀 口时以薄壁小孔节流类型为理论依据，将已知数据q = 0 0 3 m 3 s ， p = 1 1 x 1 0 3 k g m 3 ，c d = 0 7 ，p 一= 2 0 m p a 代入表达式( 2 - 4 ) 得到 阀1 ：3 最小流通面积为： a 。= o 7 1 l 1 0 。m 2 同样将已知数据q = 0 0 3 m 3 s ，p = 1 1 x 1 0 3 k g m 3 ，c d = 0 7 ， 卸l l i j n = 0 3 m p a 代入表达式( 2 5 ) 得到阀口最大流通面积为： a 。= 1 8 3 5 1 0 。m 2 1 5 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章信号发生器模型结构设计 3 2 3 转子和定子扇形孔角度的确定 在转子旋转的过程中，压差达到最大时，转阀的通流面积达到最小 值a 。，。，按所构思的阀口为扇形形状分析得此时的通流面积表达式为： a 。：c m ( 垒塑一疗) 石 ( 3 1 ) 当压差达到最小时，转阀的通流面积达到最大值a 。，其表达式为： a 。= c m 睾 ( 3 2 ) 式中，c = ( d ：2 一d ，2 ) ，8 ，m 为扇形孔的个数，口。为转子上所开扇形孔的 角度，a ，为定子上所开扇形孔的角度( 如图3 3 所示) ，d 。为转阀口的内 径( 即转子和定子扇形孔的内径) ，d ，为转阀口的外径( 即转子和定子扇 形孔的外径) 。 所设计扇形孔个数m = 2 ，并根据钻铤的尺寸限制，选定转阀口的内 径d ，= 3 8 m m ，转阀口的外径d 2 = 7 5 m m 。 将以上已知数据分别代入表达式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 得到转子和定子 开e l 角度分别为： 55 9 口i 2 石石口22 而疗。 3 3 电动机的选择 在此模型结构中电动机选用的是应用越来越广泛的无刷直流电动 机，之所以选用无刷直流电动机，是因为它有一些独特的优点。 3 3 1 无刷直流电动机的优点 顾名思义在无刷直流电动机中就是无电刷。在常规的直流电动机中 必须有换向器和电刷，以实现电枢绕组各元件的换向，而换向器和电刷 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 间的磨损和火花是这种电机容易发生故障的主要原因。在无刷直流电动 机中采用的是半导体开关器件实现电子换向，取消了机械换向器和电刷， 克服了上述的缺点。 无刷直流电动机及其控制不仅具有常规直流电动机的线性机械特 性、宽调速范围、大起动转矩、较高效率、容易控制等优点，而且兼有 交流电动机的结构牢固、耐受严酷环境条件能力较强等优点，近年来获 得越来越广泛的应用。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有如下 特点b 6 】： ( 1 ) 可靠性高、寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及润滑系统。 高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机 的寿命一般为数百小时到上千小时，在高空环境下甚至只有几分钟。 ( 2 ) 不必经常维护和修理。 ( 3 ) 无电气接触火花。 ( 4 ) 无线电干扰少。 ( 5 ) 机械噪声低。 ( 6 ) 可工作于高真空、不良介质环境。 ( 7 ) 可在高转速下工作，专门设计的高速无刷电动机的工作转速可 达每分钟1 0 万转以上。 ( 8 ) 发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，已得 到较高的功率体积比。 ( 9 ) 必须与一定的电子换向电路配套使用，从而总体成本增加，但 从控制角度看有更大的使用灵活性。利于低电平信号，可方便地控制电 机的起停、正反转、调节速度与转矩，适于数字控制，容易与微机接c i 。 3 3 2 计算电动机负载 ( 1 ) 计算转子转速 在此模型结构中转子的周期表达式为： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章信号发生器模型结构设计 t ：堡：竺 ( 3 3 ) m o om n 式中，m 为转子扇形孔的个数：n 为转子转速，r m i n 。 频率表达式为： f = 1 t ( 3 - 4 ) 由式( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 变化得： n = 6 0 f f m ( 3 5 ) 将f = - 1 0 3 0 h z ，m = 2 代入式( 3 5 ) 得 n = 3 0 0 9 0 0 r m i n ( 2 ) 计算转动惯量 计算转子的转动惯量 c 转子的结构如图3 - 4 所示，图中口l = 丢石，d i = 3 8 m m ，d 2 = 7 5 m m ， d 3 = 1 4 m m ，d 4 = 8 5 m m ，其转子的长度取，= 1 5 m m ，材料密度 d = 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 。 图3 4 转子结构图 转子的转动惯量表达式为【2 _ 7 】： 妒堕2 l k2 ) 倒卜6 一生2 1 3 23 删陪2 0 0 ”6 ( 3 6 ) 1 8 ! ! 旦互油大学( 华东) 硕七论文第3 章信号发生器模型结构设计 其中 m - - 删陋 2 删卜 妒倒卜 将数据分别代入式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 得： m i = 0 6 5 k g ，i n 2 = o 3 9 k g 将以上求得的数据代入式( 3 6 ) 得： j 转= 4 1 l x l o 。4 k g m 2 转子折算到电机轴上的转动惯量： j 转= j 转= 4 1 l x l o 。k g n 1 2 计算旋转轴的转动惯量 旋转轴的结构如图3 5 所示，其中材料密度 p = 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 ，轴的尺寸为d j = 1 4 m m ，l i = 6 0 m m ，d 2 = 1 8 m m ， l 2 = 1 0 6 m m ，d 3 = 1 4 m m ，l 3 = 3 2 m m ，d 4 = l o m m ，l 4 = 2 0 m m 。 即： 其中 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 图3 - 5 旋转轴结构图 旋转轴的转动惯量表达式为： j 轴= j l + j 2 + j 3 + j 4 ( 3 9 ) ，轴= ( m 。譬+ m ：号；+ m ，譬+ m 警 ，。一6 c s 。， 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 m t 一却( 妒 9 b 将数据代入式( 3 1 1 ) 得： i n = o 0 7 k g 同理可得m 2 = o 2 1 k g ，m 3 = 0 0 4 k g ，m 4 = o 0 1 k g 。 将求得的m l ，m 2 ，m 3 ，m 4 代入式( 3 1 0 ) 得： j 轴= o 1 l x l 0 4 k g m 2 旋转轴折算到电机轴上的转动惯量： j k = j 轴= o 1 l x l 0 。4 k g m 2 ( 3 ) 计算电动机负载 在电机加速和减速时，等加速和等减速的时间取为t = 0 3 s ，( t 为传动 系统启动所允许的最快加速时间，仁( 3 4 ) t 。，t 。为电动机机械时间常数 s ) 。电机轴上的等效惯性负载力矩 2 8 - 2 9 1 ： k - - ( j + b ( 3 1 2 ) 其中 国2 n n 占= 一= 一 t 6 0 t ( 3 1 3 ) 式中，占为电机加速或减速时的角加速度，r a d s 2 ，n 为转予最高转速换算 为电机输出轴转速，r m i n ，n = 9 0 0 r m i n 。 将n = 9 0 0 r m i n 代入式( 3 1 3 ) 得： 占= 1 0 0 m a d s 2 将占、j 辅、j 转代入式( 3 一1 2 ) 得： t 惯= o 1 3 n m 在此系统中等效负载力矩( 包括泥浆摩擦负载和工作负载) 为t 负， 大体估算后取t 负= 1 5 t 惯。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 电机轴上的总负载力矩为： 5 = 磊手磊 将数据代入( 3 - 1 4 ) 得： 瓦= o 3 2 5 n m 3 3 3 电动机的选择 ( 3 - 1 4 ) ( 1 ) 估算功率 预选电机的估算功率p 为1 2 9 1 ： p ：t z n m a x ，z ( 3 - 1 5 ) 9 5 5 式中，n 。为电机的最高转速，r m i r a a 为电机等的功率系数，一般取1 2 2 ，此处取2 。 将t z = 0 3 2 5 n m ，n 。= 9 0 0 r m i n ，五= 2 代入式( 3 1 5 ) 得： p = 6 1 3 w ( 2 ) 选择电动机 在选择电机时额定电压最好选择直流供电，因为在井下直流供电比 较容易实现，可以在井下安装电池实现，但交流电不容易实现。 根据以上计算的数据，本文选择北京和利时电机技术有限公司的无 刷直流电动机，其额定功率为7 0 w ，额定电压为2 4 ( d c ) v ，额定转速 为3 0 0 0 r m i n 。 3 3 4 电机驱动器的选择 在第3 3 1 节中讲到无刷直流电动机必须与一定的电子换向电路配 套使用，所以选择完电机后要选择和电机配套的驱动器或者根据需要自 己设计。本文先根据需要选择配套的电机驱动器，以电动机的额定电压 和额定功率值为标准进行选择。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章信号发生器模型结构设计 由上可知电机的额定电压为2 4 v ( d c ) ，额定功率为7 0 w ，所以驱 动器的供电电源必须是直流电，同样选择北京和利时电机技术有限公司 的电机驱动器，其供电电源直流2 4 v 4 8 v ，额定功率最大不超过1 0 0 w 。 3 4 联轴器的选择 3 4 1 类型选择 由工作条件可知所选用的联轴器必须具备体积小、有弹性等特点， 所以选择上海进隆机电设备有限公司的微型狭缝弹性联轴器m s t 紧 固螺栓型，其具有以下特点： ( 1 ) 此种联轴器是一体成型的金属弹性联轴器，零回转间隙，弹性 作用补偿径向、角向和轴向偏差； ( 2 ) 高扭转刚性和灵敏度、顺时针和逆时针回转特性完全相同； ( 3 ) 免维护、抗油和耐腐蚀性，铝合金和不锈钢材料； ( 4 ) 结构简单、重量轻、体积小。 3 4 2 型号选择 因为联轴器的一端直接与电机连接，所以在选择联轴器时，其额定 转矩以电机的额定转矩为依据来进行选择。由所选择的无刷直流电动机 的型号可以查得电机的额定转矩为o 2 3 n m ，最大转矩为0 4 6 n m ，根 据以上数据选择联轴器的型号为m s t - 4 0 ，固定方式为紧固螺栓型，根据 电机的输出轴的轴径与设计的旋转轴的轴径，选择联轴器的两端孔径尺 寸分别为庐8 0 m m 和们0 0 m m ，额定扭矩为o 5n m ，最大扭矩为 1 0 n m 。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章信号发生器模型结构设计 3 5 机械密封的选择 为了井下旋转控制压力信号发生器能可靠工作，所以在结构中须使 用机械密封。其目的是在工作的过程中阻止泥浆流入无刷直流电动机所 安装的区域，即保证无刷直流电动机在相应的环境下良好地工作。 本文根据工作环境选择丹东克隆集团生产的c 4 5 b 型机械密封配 “t p ”型密封环，此类机械密封是由四类标准密封模块( 定位环、补偿组 件、辅助密封和端面) 组合而成。其极限性能参数为：温度在4 0 。c 2 2 0 范围；最高压力5 0 m p a ，不适合负压及抽空状态下工作；速度最高2 5 m s 或不超过5 0 0 0 r p m 。 其安装图如图3 6 所示，安装尺寸如表3 1 所示： c 4 5 b 型机械密封配“t p ”环 图3 - 6 机械密封安装示意图 表3 1 安装尺寸( m m ) l 规格 d l d 2 d 3 d 4 l 1l 2l 3 l1 41 41 83 23 45 01 84 0 3 6 模型中零件的结构设计及装配关系 为满足地面实验条件，能够方便地对信号发生器实物和实验模拟 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器模型结构设计 样机进行性能测试或模型校验，对信号发生器进行了结构设计。文中 有些零件的结构图用三维图表示，使零件结构图更直观形象。 3 6 1 外壳 外壳结构如图3 7 所示，其作用是将泥浆从井下旋转