负脉冲发生器地面装置台设计

1、负脉冲发生器地面装置台设计摘要：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,mwd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，设计了压力信号发生器，选择了合适的直流电动机、电机驱动器、联轴器及机械密封装置。根据所设计的泄流阀的结构尺寸，针对阀门打开闭合降压2个阶段的不同特点，分别建立了具体的数学模型，关键词：随钻测量，液压信号发生器，负脉冲发生器中文摘要.ii第1章前言.11.1无线随钻测量系统研究发展状况.11.2无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状.3

2、1.3液压信号发生器的发展现状.41.4课题的研究背景、目的及意义.61.4.1课题的研究背景.61.4.2课题的研究目的及意义.71.5课题的主要研究内容.7第2章信号发生器的工作原理与设计要点.92.1井下旋转控制压力信号发生器的工作原理.92.2井下旋转控制压力信号发生器信号产生的理论依据.92.3井下旋转控制压力信号发生器转阀设计的要点.102.3.1最小通流面积的设计原则.102.3.2最大通流面积的设计原则.112.4有关井下旋转控制压力信号发生器的几点基本认识.112.4.1信号的类型取决于阀口开关的规律.112.4.2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

3、化的关键.112.5本章小结.12第3章信号发生器模型结构设计.133.1井下旋转控制压力信号发生器结构简图.133.2转阀的结构设计.143.2.1转阀阀口的形状.14v3.2.2转阀通流面积a的计算.153.2.3转子和定子扇形孔角度的确定.163.3电动机的选择.163.3.1无刷直流电动机的优点.163.3.2计算电动机负载.173.3.3电动机的选择.213.3.4电机驱动器的选择.213.4联轴器的选择.223.4.1类型选择.223.4.2型号选择.223.5机械密封的选择.233.6模型中零件的结构设计及装配关系.233.6.1外壳.243.6.2信号发生器端头组件.243.6

4、.3阀组件.253.6.4导流环.273.6.5保护筒.273.6.6机械密封组件.283.6.7定位筒.293.6.8传动组件.293.6.9密封盖.303.6.10信号发生器模型组成.303.7本章小结.31第4章信号发生器转阀的数学模型与仿真.334.1转阀的工作原理.334.2直阀口转阀的数学模型与仿真.334.2.1直阀口转阀的数学模型.334.2.2直阀口转阀仿真.354.3圆阀口转阀的数学模型与仿真.364.3.1圆阀口转阀的数学模型.36vi4.3.2圆阀口转阀仿真.394.4仿真结果分析.404.5本章小结.41第5章信号发生器控制系统设计.425.1无刷直流电动机简介.42

5、5.1.1无刷直流电动机的结构.435.1.2无刷直流电动机的工作原理.43第7章结论与研究展望.757.1结论.757.2研究展望.76参考文献.77致谢.801.1无线随钻测量系统研究发展状况随钻测量系统（mwd）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mwd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。mwd的信号传输方式分为有

6、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。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。钻井液脉冲无线随钻测量仪器的信号传输

7、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。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，如：（1）斯伦贝谢公司用新的slimpulse回收式mwd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villafortuua-trecate油田，用slimpulse mwd技术钻成了世界上最深的水平采油井。最终井深达6421m，井斜角，创造了在垂深6062m、斜角8590的条件下水平钻进184

8、m的世界纪录。（2）precision drilling computalog公司其恶劣环境mwd（hel mwd）系统能在180，172mpa的井下环境中稳定工作。hel包括定向探测器、高温方位伽马仪、环境恶劣度测量和井眼/环空压力探测器。hel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1.87g/cm，井下温度超过170的井中成功作业。（3）俄罗斯电磁波式mwd系统1987年研制成功后，曾在西伯利亚几个油田的20口井内502000m深度的井段进行了93个回次的生产试验。与传统测斜仪的比较试验表明，其中75%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。199

9、9年11月该系统曾用于“亚马尔地质科技生产公司的no2030井。在井深25032818m的井段，用了两个回次进行造斜，使顶角增至34.5。经过一段稳斜段后，在井深3422m处再次造斜，使顶角达到85.6，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no2030号井中使用了电磁波式系统，才使这口井深3756m，水平偏距950m(其中水平井段450m)的油井在94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

10、国外技术相比，我国还处在引进和消化国外无线mwd技术的阶段，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mwd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mwd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。（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

11、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400500m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

12、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

13、格的要求：含砂量1%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。负脉冲信号发生器的基本工作原理（如图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钻柱内流向环空。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。 图一负脉冲信号发生器的基本工作原理1.4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

14、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。第2章负脉冲发生器的工作原理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，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

15、制器和驱动器来控制。图中转阀由转子和定子组成，转子和定子上都开有通孔，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。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。井下旋转系统的工作原理如图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，转子和定子上都开有通孔，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；当通流面积减小时，泥浆流动受阻 图22.2井下旋转控制系统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多。在设计阀口时，以薄壁小孔的流量特性理论为依据，其流量特性可由下式表示 (2-1)式中，q为流过阀口的流量 ， ；为阀的流量系数，一般=0.60.8；为液体密度，；为阀口前后压差，mpa；a为阀口的面积，由公式（2-1）变换的：= (2-2)由是（2-2）可以看