MWD旋转阀连续压力波发生器设计 可行性研究报告.doc
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1、MWDMWD旋转阀连续压力波发生器设计旋转阀连续压力波发生器设计 可行性研发报告可行性研发报告 目录目录 一、技术领域及背景.3 1.1技术相关.3 1.2技术背景.3 1.3意义及必要性.4 二、技术可行性分析5 2.1技术简介.5 2.2技术原理.7 2.3技术具体实施方式.8 2.3.1定子阀孔结构设计.8 2.3.2转子阀孔结构设计.11 2.4关键技术及创新点.23 2.4.1转子沿轴向受力的数学建模23 2.4.2轴向力的数学分析.25 三、市场分析及风险应对30 3.1市场需求分析.30 3.2风险分析及应对.32 3.2.1风险分析.32 3.2.2风险对策.34 四、经济效益
2、与社会效益分析 37 4.1经济效益分析.37 4.2社会效益分析.38 五、报告结论.39 一、技术领域及背景一、技术领域及背景 1.1技术相关技术相关 技术名称:MWD旋转阀连续压力波发生器设计 持有人: 1.2技术背景技术背景 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,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。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
3、心错误的情况。因此,在钻井过程中进行实时监控、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(MWD)技术就逐步发展起来,成为获取实时信息的关键技术。 MWD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,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
4、WD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,目前使用的最普遍的遥测信道 是钻柱内的钻井液柱。信号在地面上被检测到后,经译码和处理,提供所需的 信息。MWD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。 钻井液连续压力波信息遥测系统始于上世纪80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 。总体上,连续波压力发生器可以分为两大类:振荡剪切阀和旋转阀。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
5、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,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阀,但是它的电机控制方式
6、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。 1.3意义及必要性意义及必要性 随着旋转导向钻井、地质导向钻井等先进钻井技术的应用,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bits)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。MWD旋转阀 连续压力波发生器设计是目前随钻测量系统中应用最广泛的井下数据传输技术 ,采用MWD旋转阀连续压力波发生器设计进行数据的传输,使数据传输速率得到 较大地提高,采用MWD旋转阀连续压力波发生器设计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
7、景。 通过MWD旋转阀连续压力波发生器设计可以为相关研究提供指导,因此MWD 旋转阀连续压力波发生器设计具有较大地实际应用意义。 二、技术可行性分析二、技术可行性分析 2.1技术简介技术简介 MWD旋转阀连续压力波发生器设计借助钻井液的压力波来传送信号。MWD旋 转阀连续压力波发生器设计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,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。 图1-2正脉冲信
8、号的产生 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。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。MWD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.350.70MPa。 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.25 1.Os,突然使压力急剧下降。压力降则沿着钻井液液柱传至地表。 图1
9、-3负脉冲信号的产生 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。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。 图l-4连续波压力信号产生 2.2技术原理技术原理 图1-5A和图1- 5B为钻井液连续压力波发生器示意图。该压力波发生器有一个定子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
10、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。 图1- 5A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- 5B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。 图1-5连续压力波发生器示意图 图1- 6为旋转阀产生正弦压力波的示意图。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,
11、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。 图1-6旋转阀压力发生器的工作原理 2.3技术具体实施方式技术具体实施方式 2.3.1定子阀孔结构设计定子阀孔结构设计 四孔旋转阀定子、转子阀孔结构中实线代表定子结构,虚线代表转子结构 ,转子处于定子下部。该旋转阀定子、转子阀孔在极坐标下近似呈三角形结构 ,定子孔口和转子瓣均有一条边与径向重合。 图3-1阀孔打开过程示意图 图3-2阀孔关闭过程示意图 旋转阀阀孔打开过程(图3- 1)中,设定子孔的极坐标函数为r1(),转
12、子瓣的极坐标函数为r2()=r0。当 转子相对于定子转动时,阀打开过程中阀孔面积为r2()与r1()所围面积之 差,0=0450。 阀孔关闭过程(图3- 2)中,阀孔面积表示困难。设转子阀孔另一边的极坐标函数为r3(),可以利 用r1()、r3()和r0()围成的面积来表示阀的关闭面积,=q900, 则阀孔流通面积=A01-阀关闭面积。 阀孔打开时,将AV1(t)的电角度t换算为极坐标下的圆心角,则孔的开 口面积为 根据AV ()=O,可以得到阀孔具有最大流通面积时的约束条件 在极坐标下取图3-3所示开口微元面积 由于为二阶小量,可以忽略不计,因此所示微元面积变为 ,由式(3 1)得 式(3-
13、3)两边对求导得 由于 得出: 根据式(3- 5)利用MATLAB进行仿真,得出极坐标下定子阀孔结构示意图,见图3- 4。计算条件为ro=O.05m,q=4,=1000kgm3,c=1280ms,Q=O.Olm3s,Pm= 4x106pa,由图可以看出,定子孔口实际上为对称图形,在孔口角度中间位置 处,孔口沿径向高度最大值为r0-r=0.02m,图3-5为定子阀孔示意图。 图3-4定子阀孔仿真示意图 图3-5四孔旋转阀定子阀孔示意图 2.3.2转子阀孔结构设计转子阀孔结构设计 如果转子阀孔采用图3- 1虚线结构,需要根据定子阀孔结构及参数确定转子阀孔的几何参数。通过图3- 1可以看出,转子阀孔
14、的边在极坐标下呈直线且部分与定子结构重合,因此可以 利用定子结构作为参照,尝试构建转子阀孔函数式。 利用定子结构线性构建转子阀孔 利用定子边在圆心角00150的结构外延,分三段依次顺接构建转子结构, 在直角坐标和极坐标下进行仿真,结果见图3-6和图37。 图3-6分三段构建转子结构示意图 图3-7分三段构建转子结构示意图 由图3-6和图3- 7可以看出,根据定子边外延构建的转子结构在直角坐标系下呈直线结构;而在 极坐标下,呈不规则形状。转子阀孔沿径向高度最大值达到O05m且向极点产 生很大的弯曲。利用此种方法构建的转子结构与图3- 1不相符。原因在于极坐标下定子边的斜率drd与圆心角有关,并不
15、是常 数,因此不能利用直角坐标系的线性关系来构建转子阀孔。 利用定子斜率构建转子阀孔 根据定子阀孔结构,对式(3-5)求导可得 代入各点值,见下表3-1 表3-1斜率随圆心角变化关系表 可以利用定子阀孔各点的斜率构建转子后半部分(圆心角22.50450)的阀 孔结构。其中,转子前半部分结构(圆心角0022.50)沿用定子结构,后半部分 结构(圆心角22.50450)利用圆心角在22.50450范围内某点的定子斜率来构建 转子结构。 图3-8和图3- 9分别表示直角坐标和极坐标下利用圆心角为180时斜率构建的转子结构示意图 。两图中均将构建的转子阀孔和定子阀孔进行对比,由图可以看出,构建的转 子
16、结构(圆心角22.50450)部分,在直角坐标下呈直线结构;而在极坐标下会 向极点产生较大弯曲,因此不符合图(3-1)中的转子结构。 图3-10和图3- 11分别表示直角坐标和极坐标下利用圆心角为200时斜率构建的转子结构示意图 。两图中均将构建的转子阀孔和定子阀孔进行对比,由图可以看出,构建的转 子结构(圆心角22.50450)部分在直角坐标下呈直线结构;而在极坐标下向极 点产生轻微弯曲,因此也不符合图(3-1)中转子结构。 图3-8外延斜率为0.0316转子结构示意图 图3-9外延斜率为0.0316转子结构示意图 图3-10外延斜率为0.0165转子结构示意图 图3-11外延斜率为0.01
17、65转子结构示意图 通过对比上述两组图形可以看出,图3-11相对于图3- 9,转子阀孔向极点产生的弯曲较小。即在保证转子阀孔沿径向高度大于定子阀 孔的前提下,选取的斜率越小,构建的转子阀孔向极点产生的弯曲越少。 利用分段数值拟合构建转子阀孔 将转子阀孔沿圆心角分三段构建,其中第一段结构(圆心角00180部分)沿 用定子结构;第二段(18022.50部分)利用定子圆心角为=180时的斜率0.0316 构建;第三段转子结构(圆心角22.50450部分)利用圆心角为0022.50的定子 结构并乘系数0.25。图3-12为构建的转子阀孔结构图。 图3-12直角坐标转子阀孔示意图 由图可以看出,构建的转
18、子结构(00450)部分,在直角坐标下呈弧形。为 求得转子阀孔的函数表达式,在直角坐标系下对转子结构曲线进行数值拟合, 得到径向高度与圆心角之间的函数关系 根据式(3- 7),利用MATLAB工具在极坐标下对转子阀孔进行仿真,并与定子阀孔进行对比 ,见图3-13。 图3-13极坐标转子阀孔示意图 由图3- 13可以看出,数值拟合后的转子结构(00450)。在极坐标下,转子阀孔呈线性 结构,阀孔沿径向高度最大值为O.026m且前半部分(0022.50部分)与定子阀孔 重台,基本符合图(3-1)中的转子阀孔结构。 转于阀孔结构的修正 根据前面得出的转子和定子阀孔结构,分别对旋转阀转子保持恒速旋转过
19、 程中,单一阀孔流通面积AV1和水击压力波动P随角度变化规律进行分析。 如图3- 14所示为转子旋转00450,单一阀孔流通面积AV1,随角度变化示意图。 图3-14流通面积随旋转角度变化示意图 由图3- 14可毗看出,四孔旋转阀转子旋转00450过程中,单一阀孔流通面积AV1,由“ 关闭”位置(=00,AV1)变化至“开”位置(=450,AV1=0.0004m2),整个过程 呈正弦变化。 由于水击压力波动与遮挡面积有如下关系: 其中A0为旋转阀全开时截面积;A1为遮挡面积;AV为流通面积;AV1为单一 阀孔遮挡面积;A01为旋转阀全开时单一阀孔截面积;AV1为单一阀孔流通面积: =1000k
20、g/m3;C=1280ms;Q=0.01 m3s;A0=00016m3。 根据图3-14和式(3- 8),得出转子旋转00450过程中,水击压力波动p随角度变化示意图,见 图3-15。 图3-15水击压力波动随旋转角度变化示意图 由图3- 15可以看出,四孔旋转阀转子旋转00450过程中,水击压力波动卸由“关闭“ 位置(压力最大值)变化至“开“位置(压力最小值),整个过程呈正弦变化。 如图3- 16所示为旋转阿转子旋转450900过程中,单一阀孔流通面积AV1,随角度变 化示意图。 图3-16流通面积随旋转角度变化示意图 由图316可以看出,四孔旋转阀转子旋转450900过程中,当旋转阀转子
21、旋转至6750位置处,单一流通面积AV1已经降为最大值的25(AV1=00001m2) ,而此处的流通面积本应该为最大值的一半(AV1=00002m2),见前图314。 根据式(38),得出转子旋转450900过程中,水击压力波动P随角度 变化示意图,见图3-17。 图3-17水击压力波动随旋转角度变化示意图 根据图3-15和图3- 17,可以得出旋转阀转子旋转00900过程中,水击压力波动卸随角度变化示 意图,见图3-18。 图3-18整个900水击压力波动随旋转角度变化示意图 由图3- 18可以看出,四孔旋转阀转子旋转00450过程中,水击压力波动p随角度 呈正弦变化;而在转子旋转4509
22、00过程中,水击压力波动卸随角度0则没有出 现正弦变化。 出现图3- 18中的问题是由于四孔旋转阀转子旋转O0450过程中,流通面积是由定子阀孔 和转子瓣中的一条边(沿径向方向)所围成的面积构成;而在转子旋转450900 过程中,流通面积是由定子阀孔和转子瓣中的一条边(沿非径向方向)所围成的 面积构成,见前图3-1和图3- 2。即转子旋转450900过程和O0450过程中,流通面积随角度变化的规律是不 一致的。因此,当转子旋转至67.50位置处,阀孔流通面积本应为最大值的一半 ,而由图3-19可以看出,流通面积实际己降为最大值的25。 图3-19转子旋转示意图 图3-20修改后转子示意图 由图
23、3- 19可以看出,利用图中所示的转子结构是不能在转子旋转00900过程中,产生 连续压力波信号。因此需要对转子结构进行如下修改,见图3-20。 如图3- 20所示,虚线表示修改后转子结构。由图中可以看出,修改后转子阀孔为对称 结构且转子瓣的两条边均沿径向方向。因此,修改后的转子旋转00450和450 900过程中,阀孔流通面积随角度的变化规律完全一致,阀孔结构见图 3- 21。由图可以看出,转子孔口为对称图形,孔口两边均沿径向方向且径向高度 为恒值r0-r。为保证产生连续压力波,只要孔口沿径向高度r0- rO.02m即高于定子阀孔结构即可。 图3-2l四孔旋转阀转子结构示意图 根据定子和转子
24、阀孔,对转子旋转00900过程中,产生的水击压力波动卸 随角度进行数值模拟,如图3-22。 图3-22整个900水击压力波动随旋转角度变化示意图 由图3- 22可以看出,修改后的转子阀孔恒速旋转00900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3-21所示转子结构符合设计要求。 2.4关键技术及创新点关键技术及创新点 2.4.1转子沿轴向受力的数学建模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
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