旋转阀泥浆脉冲器转子水力特性研究

王智明，肖俊远，菅志军

（1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京101149；2.安徽江淮汽车股份有限公司，合肥230022） ＊

·专题研究·

旋转阀泥浆脉冲器转子水力特性研究

王智明1，肖俊远2，菅志军1

（1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京101149；2.安徽江淮汽车股份有限公司，合肥230022）＊

利用流体仿真法对所建立的泥浆脉冲发生器进行三维流场仿真，分析了定子、转子间隙及钻井参数等因素对泥浆脉冲器性能的影响；总结了这些因素对转子水力转矩和脉冲强度的影响。

泥浆脉冲发生器；水力特性；流体仿真；钻井参数

在泥浆脉冲发生器中，转子是压力脉冲产生的关键部件，也是能量消耗的主要元件，其由无刷直流电动机直接驱动，脉冲器基本工作原理见文献［1］。深入研究转子的负载特性对改善泥浆脉冲发生器的结构和控制性能、减少电机功率消耗、提高泥浆脉冲信号的数据传输速率和传输距离具有一定的指导意义［2－5］。

1 网格划分及边界条件确定

泥浆脉冲器脉冲发生机构的关键部件是定子和转子。利用CFD软件对泥浆脉冲发生器转子进行三维流场计算，对转子进行优化设计，以便于获得更强的连续高速率脉冲信号［6］。由于转子结构比较复杂，在建立流场仿真模型时，需要对模型简化处理。为了便于计算和分析，对泥浆脉冲发生器内部流场作5个假设：

1） 忽略泥浆温升的影响。

2） 假设钻井液为清水，工作介质密度不变，ρ＝988.2kg／m3。

3） 除了流道进出口外，没有工作介质从其他地方进入流道。

4） 忽略定子中空容腔内的流体流动，忽略下游转轴对转子内部流场的影响。

5） 泥浆脉冲发生器的部件视为刚性体，定、转子叶片在工作中无变形。

单一流道不能全面地反应整个泥浆脉冲发生器的流场特性，采用全流道进行流场计算能够得到更准确的结果。为了减少整个流道模型进出口边界条件设置对分析结果的影响，加长进口和出口的长度。泥浆脉冲发生器的流道模型如图1。

图1 脉冲发生器流道模型

由于该流道结构较为复杂，有旋转场和非旋转场，故流道的划分采取分区划分。为了便于计算，把整个计算区域分为定子区、转子区和出口区3个部分，结构划分和边界条件设置如图2。

图2 脉冲发生器流道分区模型

泥浆脉冲发生器内部流动状态为湍流，选用标准k－ε模型、SIMPLE算法和二阶迎风格式［7－8］。采用滑移网格设置，入口速度为6.5m／s，出口压力设为0.75MPa。

2 定转子间隙对水力特性的影响

在流量为30L／s、转子转速为360r／min工况下，分别对不同间隙的转子进行流场分析。转子从最大流通面积位置开始转动时，转子相对定子转过90°时，其转矩和压力变化如图3～4。

由图3可以看出：转矩成周期性变化，间隙为4、8、12mm对应的转子最大转矩分别为8.2、2.8、1.3N·m，其峰值出现在定、转子叶片完全闭合时；且间隙每增大4mm，转矩峰值成倍减小，说明定、转子之间的间隙对转子水力转矩有明显的影响；间隙越大，水力转矩峰值越小，间隙以相同幅度增加，对应的转子水力转矩峰值减小的幅度大。

由图4可以看出：随着定、转子间隙的增大，压力波幅值减小，虽然转矩减小明显，但压力波幅值太小会减小信号强度，导致地面信号接收困难。较小的间隙虽然可以增大压力波信号强度，但定、转子间隙过小，转子的水力转矩过大，且由于堵漏材料的影响，定、转子在流体中长期工作会出现卡阻现象。

图3 不同间隙下转矩变化曲线

图4 不同间隙下压力变化曲线

3 不同钻井参数下的流场仿真分析

转子转速和泥浆流量是影响转子水力特性的重要参数。

3.1 不同转速下转子水力转矩的变化

流量为30L／s，转子转速为360r／min，转子结构为四叶片三角形阀口，在此条件下分别对不同转速下的转子进行流场分析。转子转过1／4周期时，转子水力转矩的变化及转子上端靠近转子的质点压力变化如图5。

图5 转子水力转矩变化曲线

由图5可以看出：转速为270、360、450r／min时对应的转子水力转矩最大值分别为2.5、2.3、1.9 N·m，相对于转子转速的增加幅度，转矩的值减小很小，转子转矩随着转速的增大稍有减小，但变化不明显。由此得知改变转子转速对压力脉冲没有影响，只是对转子的水力转矩有些影响。

转子转速过小，在相同时间下产生的压力脉冲个数较少，降低了数据传输速率；转速过高，虽然增加了脉冲个数，但对电机性能的要求较高，电机的控制系统设计难度增大，并增加了成本；综合考虑以上分析结果及信号的干扰因素，转子转速应控制在360r／min左右。

3.2 泥浆流量对水力转矩的影响

在流量25～50L／s范围对脉冲发生器进行仿真分析，根据仿真结果和数据可以得流量对泥浆脉冲发生器产生的脉冲强度和转子最大水力转矩的影响，如图6～7。

图6 流量对脉冲强度的影响

图7 流量对转子最大水力转矩的影响

由图6可知：在同一流量下，随着间隙的增大，压力脉冲幅值逐渐减小，间隙越大，压力幅值减小趋势越小；在同一间隙下，压力幅值随流量的增大而增大；间隙为0～5mm时，同一流量下压力幅值变化较大；间隙为5～9mm时变化相对较小，间隙＞9 mm后压力最小，基本上没有变化；在同一间隙下，流量越大，压力脉冲幅值就越大。

由图7可以看出：随着间隙的减小，转子水力转矩逐渐增大，转矩增量逐渐增大；在间隙为4mm时，流量为25～50L／s，流量每增加5L／s，转子的水力转矩增量依次为2.58、3.00、3.30、4.20、4.80 N·m，转矩增量逐渐增大；在同一间隙下，随着流量的增加，转矩也逐渐增大。

通过分析，得出不同流量下压力峰值、转子水力转矩与定转子间隙的变化呈线性关系。对于不同钻井深度，脉冲发生器所需要的压力波峰值大小也不同，需要给定泥浆排量和定转子间隙的大小，因为钻井深度越深，压力信号衰减量越大，所要求的压力脉冲强度越强。通过增加泥浆排量固然可以增加脉冲强度，但还要考虑电机消耗的功率，即转子在钻井液中所受到的水力转矩大小，原则上是转子水力转矩越小越好，此时转子的水力转矩就取决于定转子的间隙大小。由此，通过图6～7可得到最合理的间隙，既满足强度要求又可以在满足脉冲强度下转子所受水力转矩最小，节省时间，提高效率，对实际的随钻测井研究设计具有一定指导意义。

4 结论

1） 转子转速对转子的水力转矩和脉冲强度影响很小，但增加转速，单位时间内产生的脉冲个数越多，可以提高数据传输速率。

2） 增加泥浆流量可以提高脉冲强度，满足不同钻井深度作业的需求。

3） 定、转子间隙不能过大，同时也不能过小，应当为2～6mm较为合适。

［1］ 王智明，菅志军，李相方，等.连续波高速率泥浆脉冲器设计研究［J］.石油天然气学报，2008，30（2）：611－613.

［2］ 肖俊远，王智明，刘建领.泥浆脉冲发生器研究现状［J］.石油矿场机械，2010，39（10）：8－11.

［3］ 蔡文军，刘 涛，江正清，等.往复节流型正脉冲发生器脉冲产生过程模拟［J］.石油矿场机械，2010，39（2）：55－58.

［4］ 许朝辉，王智明，姜天杰.钻井液正脉冲器原理研究［J］石油矿场机械，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］ 韩占忠，王 敬，兰小平.FLUENT——流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［8］ 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，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

中海油田服务股份有限公司“高速率泥浆脉冲随钻数据传输系统样机研制”项目（YJB12YF012）

王智明（1969－），男，辽宁建平人，副教授，博士，主要从事随钻测井仪器的研发工作，E－mail：wangzhim＠cosl.com.cn。