[發(fā)明專利]旋轉(zhuǎn)閥閥口設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510945893.1
• 申請(qǐng)日: 2015-12-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105422029A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈躍;盛利民
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）;中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): E21B21/10
• 分類號(hào): E21B21/10;E21B47/20;G06F19/00
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙) 37104
• 代理人: 楊大興

本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)閥閥口設(shè)計(jì)方法，用于隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井的旋轉(zhuǎn)閥式鉆井液壓力信號(hào)發(fā)生器的研制。根據(jù)流體非穩(wěn)定流動(dòng)的慣性壓力分析建立鉆井液壓力信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，以該數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立恒轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)閥閥口處產(chǎn)生的鉆井液連續(xù)壓力波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)分析和數(shù)值計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)閥定子孔口和轉(zhuǎn)子孔口的平面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥閥口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)閥閥口結(jié)構(gòu)，可以使恒轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)閥閥口處產(chǎn)生的鉆井液壓力信號(hào)波形更接近于正弦波，且具有波動(dòng)傳播特性；由于壓力信號(hào)波形的失真度較小，信號(hào)能量更加聚集于基波，有利于隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的調(diào)制及調(diào)制后的鉆井液連續(xù)壓力波信號(hào)的傳輸。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種油氣鉆井過(guò)程中的隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井工具的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種用于鉆井液壓力信號(hào)發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)閥閥口設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

井下隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井(MWD/LWD)是一種在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量及傳輸井下信息的現(xiàn)代鉆井輔助技術(shù)。鉆井過(guò)程中，鉆井液由地表通過(guò)鉆柱被泵入井下，從鉆頭水眼噴出用于鉆頭的潤(rùn)滑和冷卻并通過(guò)井壁與鉆柱的環(huán)型空間向上返出井口，MWD/LWD工具安裝在鉆頭上部的鉆鋌內(nèi)，見(jiàn)附圖1。在MWD/LWD工具中，安裝在近鉆頭鉆柱中的傳感器獲得測(cè)量數(shù)據(jù)并通過(guò)鉆井液壓力信息遙測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妫畔⑦b測(cè)通過(guò)對(duì)鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力進(jìn)行調(diào)制及壓力波在鉆柱中的傳播來(lái)傳輸井下隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。鉆井液壓力信息遙測(cè)通常采用基帶壓力脈沖或連續(xù)壓力波來(lái)傳輸井下信息，其中連續(xù)壓力波具有比基帶壓力脈沖高得多的井下信息傳輸速率，是鉆井液壓力信息遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。鉆井液連續(xù)壓力波信號(hào)由井下連續(xù)壓力波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，連續(xù)壓力波信號(hào)發(fā)生器目前有兩種結(jié)構(gòu)，均由定子和相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子組成，不同的是，一種為轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子做單方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，另一種為轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子做左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的剪切閥結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)閥位于安裝有井下測(cè)量工具的鉆鋌上部，鉆鋌是鉆柱的一部分，靠近鉆頭；旋轉(zhuǎn)閥的定子與轉(zhuǎn)子平面均為圓形，二者同心安裝，定子固定在鉆鋌內(nèi)壁，轉(zhuǎn)子安裝在定子下部，鉆井液從定子上部流入，從轉(zhuǎn)子下部流出；為便于轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子直徑稍小于定子直徑，且定子下表面與轉(zhuǎn)子上表面之間留有一定間隙；轉(zhuǎn)子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定子和轉(zhuǎn)子上有相同數(shù)量的多個(gè)孔口和葉片，定子和轉(zhuǎn)子孔口的重合部分形成流通的閥孔，在轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上的孔口相對(duì)于定子孔口產(chǎn)生移動(dòng)，造成閥孔流通面積的改變，使定子上部的鉆井液壓力發(fā)生變化，該壓力以波動(dòng)方式向井口傳輸，利用該壓力波可以進(jìn)行井下測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳。為保證鉆井液連續(xù)壓力波信號(hào)在鉆井液信道中的傳輸效率最高，旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子在恒轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的鉆井液壓力信號(hào)應(yīng)呈正弦變化并作為通信載波，通過(guò)隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)形成的基帶脈沖控制旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)制壓力載波的頻率或相位，產(chǎn)生能量集中于載波頻率附近的鉆井液連續(xù)壓力波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在鉆井液信道中的高效傳輸。如果恒轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的正弦壓力波形存在明顯失真，會(huì)存在大量的高次諧波，不僅會(huì)造成載波中用于信號(hào)調(diào)制與信號(hào)傳輸?shù)幕芰繙p小，而且會(huì)使調(diào)制后的信號(hào)波形產(chǎn)生畸變，不利于信號(hào)的傳輸、檢測(cè)與處理，因此應(yīng)盡可能減小恒轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生的正弦壓力波的失真度。要使旋轉(zhuǎn)閥在恒轉(zhuǎn)速下閥口處產(chǎn)生的鉆井液壓力信號(hào)呈正弦變化，合理地設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)閥閥口結(jié)構(gòu)(定子和轉(zhuǎn)子孔口的平面幾何形狀及尺寸)非常必要。旋轉(zhuǎn)閥閥口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以鉆井液壓力波的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，該數(shù)學(xué)模型應(yīng)根據(jù)鉆井液壓力波的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)建立，有關(guān)鉆井液壓力波的產(chǎn)生機(jī)理，SPE25356、27516等多篇文獻(xiàn)均指出是流體非穩(wěn)定流動(dòng)的水錘(水擊)效應(yīng)引起的壓力突變，這種壓力變化具有波動(dòng)傳播的特性；但水擊壓力表達(dá)式只能反映閥口突然關(guān)閉產(chǎn)生的壓力突變現(xiàn)象，無(wú)法體現(xiàn)關(guān)閥速度、閥口結(jié)構(gòu)等流體運(yùn)動(dòng)的控制體參數(shù)對(duì)非穩(wěn)定流壓力的影響，因此水擊壓力并不適用于鉆井液壓力信號(hào)的數(shù)學(xué)描述。有關(guān)旋轉(zhuǎn)閥的閥口設(shè)計(jì)，美國(guó)專利U.S.Pat.No.5237540、5586083、5636178、5787052、6970398、7327634、7468679、文獻(xiàn)SPE67762等給出了多種閥口結(jié)構(gòu)，但均未說(shuō)明閥口設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法，美國(guó)專利U.S.Pat.No.4847815介紹了一種閥口結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要敘述了閥孔流通面積、鉆井液流量和密度對(duì)壓力信號(hào)幅度和波形的影響，并以此作為閥口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，該閥口結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)閥恒轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的壓力信號(hào)的波形失真度為21％，但該文獻(xiàn)描述的壓力信號(hào)數(shù)學(xué)模型卻是流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)在閥孔處產(chǎn)生的壓力損失，由于該壓力損失不具有波動(dòng)傳播特性，因此其給出的旋轉(zhuǎn)閥閥口結(jié)構(gòu)存在較大疑問(wèn)。因此，如何根據(jù)鉆井液壓力波的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)正確建立鉆井液壓力信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，如何基于鉆井液壓力信號(hào)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥閥口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)有技術(shù)均無(wú)法提供有效的解決方法和解決途徑。