CN105675053B - 一种产生连续波信号发生器阀口特性模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气钻井中井下信息传输技术，特别是钻井液连续波信号产生技术，提供一种产生连续波信号发生器阀口特性模拟试验装置。该装置主要由法兰连接管总成、阀口试验总成、数据测量设备及数据采集装置组成。试验装置核心主体为阀口试验总成，包括阀结构和驱动机构。阀结构主要由阀芯、阀座、中心轴组成，阀芯和阀座圆柱侧壁上成形多排分布的阀口。驱动机构主要由推动轴和圆盘卡座组成。推动轴和圆盘卡座通过螺纹连接，通过旋转推动轴，将推动轴的旋转运动转化为往复运动，进而推动中心轴带动阀芯运动。该试验装置可以对不同形状阀口进行试验，最终测量阀口流量系数并验证其产生连续压力波特性，从而为实现井下信息快速高效传播提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及油气随钻测量或随钻测井中钻井液压力脉冲信号产生装置，特别是产生钻井液连续波信号装置，目的是对产生连续波信号的阀口特性进行研究，最终实现井下信息快速、高效传播。
背景技术
20世纪80年代末，大斜度井、定向井和水平井钻井活动十分活跃，随之随钻测量技术也开始了迅猛的发展。从目前应用情况来看，钻井液压力脉冲信号传输应用广泛，按照信号发生机理，MWD液压信号发生器可分为泄流型(负脉冲信号发生器)和节流型(包括正脉冲和连续信号发生器)两种基本类型。但是正脉冲和负脉冲传输方式的传输速率较低，并且没有很好的抗干扰能力，容易受到外界环境的影响造成数据传输出现偏差从而造成误码。相对而言，连续波方式传输速率高，并且抗干扰能力强。目前从国外研究情况来看，只有斯伦贝谢公司拥有连续波信号发生器的商业产品，该仪器采用连续波泥浆脉冲传输方式传送脉冲信号，发射频率24Hz，最高传输速率12bit/s，数据传输速度比较快，比正脉冲传输方式的传输速度提高了近10倍，而且操作简单，方便维修，无故障时间平均可达1000h。在国内，连续波信号发生器研究类型主要包括旋转阀信号发生器和摆动转阀式信号发生器，但是两种类型的信号发生器都存在着电能消耗大、转阀冲蚀严重、阀口过流面积受空间限制的缺点。所以研发一种耗电少、结构简单、能产生连续波信号的发生器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提供一种由阀芯往复运动打开或关闭特定形状的阀口来产生连续压力波信号的试验装置，主要测量阀口流量系数Cd及验证阀口理论推导形状是否能够产生连续波。
为实现上述发明目的，对产生连续压力波阀口形状特性进行模拟试验装置设计。该试验装置主要由泥浆泵、法兰连接管总成1、法兰连接管总成2、阀口试验总成、数据测量设备及数据采集装置组成。实验装置核心主体为试验总成，它是研究连续压力波产生特性及不同阀口形状对连续压力波产生因素进行分析的重要装置。试验总成包括阀结构和驱动机构。阀结构由阀外套、阀芯、阀座、卡环、中心轴、后盖、管接头、密封圈、螺母、螺栓组成；驱动机构主要由支撑杆、推动轴、固定圆盘、圆盘卡座、压紧螺母组成。驱动原理是推动轴和圆盘卡座通过螺纹连接，通过旋转推动轴，将推动轴的旋转运动转化为往复运动，进而推动中心轴带动阀芯运动。数据测量设备有电磁流量计、压力变送器、压力表，电子数显百分表。数据采集卡对数据进行数据采集，后期用计算机对数据进行处理。
本发明中阀芯和阀座是产生连续压力波信号的直接部件，其产生机理是阀芯和阀座的圆柱侧壁加工有一定形状的阀口，阀芯安装在阀座内部，阀芯外壁和阀座内壁通过间隙配合产生往复运动来实现阀口面积大小的控制(如图4)，从而对流过阀口的流体实现节流的作用，进而产生压力波。利用流量压力特性方程关系(式1)便可求出压力和阀口面积的关系式，此式作为推导阀口形状的依据。
本发明的阀口形状推导过程首先是确定阀芯往复运动，阀芯运动满足速度先加速后减速为零，反向加速后再减速为零，以此循环往复的运动特点。然后将预期得到的信号压力波用方程表示出来，将运动位移和阀口面积关系运用积分求解后再与流量压力特性方程式(1)联立，最后再求导去掉积分符号便求得方程阀口形状方程。但是理论推导出的阀口形状是一个较为复杂的曲线，为了能够满足工艺上阀口的加工要求，先要对所求曲线进行拟合处理，尽量使得阀口形状由简单的直线构成，最后按照处理后的阀口形状加工在阀座管壁上进行后期试验。
基于产生连续波压力信号的阀口形状推导过程如下：
(1)阀芯往复运动方程：h＝g(t)，反函数为t＝g-1(h)；
式中，h为阀芯往复运动位移，m；t为往复运动时间，s。
阀芯运动满足速度先加速后减速为零，反向加速后再减速为零，以此循环往复运动。
(2)预期得到的理想正弦连续波方程：其中
式中，Pmax、Pmin为预期压力信号最大、最小值，Mpa；为压力信号的初始相位，rad；ω压力信号频率，Hz。
(3)假设阀口曲线为f(x)，当阀芯运动到x＝h时，按照图2坐标系积分求得单一阀口的通流面积A。
(4)依据式(1)建立如下方程关系式：
式中，A0为单一阀口总面积，m2；n为单层阀口数量，个；L为阀口层数，层；Cd为阀口流量系数，无量纲。
(5)求解阀口形状曲线方程：
本发明的优点就在于对理论推导的阀口形状进行试验验证能否产生连续压力波，目的性强，最终减少了试验次数；同时加工在管壁上的阀口不受空间限制，可以在管壁成形有多排阀口，压力可调范围较大；该试验装置还可以作为其他阀口的测试平台，只需要把设计成某形状的阀芯进行更换即可，方便简洁实用。
附图说明
下面结合附图进一步详细说明本发明；
图1是阀口特性模拟试验装置图；
图2是推导阀口形状建立的坐标系示意图
图3是阀口形状曲线理论推导举例；
图4阀芯和阀座配合结构图；
图5是某一阀座侧面阀口展开图。
图中：01、法兰连接管总成1 02、法兰连接管总成2 03、前盖 04、阀外套 05、阀座06、阀芯 07、卡环 08、中心轴 09、支撑杆 10、推动轴 11、固定圆盘 12、圆盘卡座；B01、入口端法兰连接螺母 B02、凹凸面法兰缠绕式垫片 B03、入口端法兰连接螺栓 B04、压力表B05、压力变送器 B06、法兰连接流量计螺母 B07、法兰连接流量计螺栓 B08、电磁流量计B09、O形静密封圈 B10、内紧锁螺母 B11、出口焊接式管接头 B12、出水软管 B13、O形动密封圈 B14、后盖压紧螺栓 B15、固定螺母1 B16、压紧螺母 B17、固定螺母2 B18、扩口式压力传感器接头。
图3中：所显示的理论计算的阀口形状并不是完整的形状，完整形状包括该曲线和与该曲线关于X轴对称的曲线，后期对曲线拟合处理后便得出完整加工的试验阀口如图5。
具体实施方式
(1)基于产生连续波压力信号的阀口形状推导。参数最大、最小压差ΔPmax、ΔPmin、连续压力波频率Hz、阀芯往复运动方程h＝g(t)，泵流量Q，钻井液体密度ρ，阀口流量系数Cd，单层阀口数量n，阀口层数L均为预设值，运用Matlab进行仿真计算，求得某一阀口形状如图3。坐标中的X轴方向为阀芯中心轴的方向，一个完整的阀口包含图中的曲线和与该曲线关于X轴对称的曲线；
(2)按照理论推导出的阀口形状进行拟合处理并最终将处理后的阀口形状加工在阀座05管壁上，阀座管壁侧面展开阀口图如图5。
(3)将法兰连接管总成1的较大法兰连接到已有的试验管路中，压力表B04、压力变送器B05、电磁流量计B08、法兰连接管总成2等零件按照图1依次安装；
(4)试验进行，开启泥浆泵，待整个实验流体循环稳定，调节泵的溢流阀，观察压力表B04数据，使得试验压力在合适的压力值范围之内。此时阀口为完全打开状态。
(5)打开流量计B08和压力变送器B05的电源，观察表盘流量数据，同时数据采集卡开始采集流量数据和此时流过阀芯前后的压力数据。
(6)旋转螺杆轴10，往复位移数据通过数显百分表测量。
(7)A.旋转螺杆轴10一定圈数，记录下位移h，同时记录下该位移所对应的时刻，以后便于数据处理。多选取不同位移的数据，分别记录下不同位移所对应的时刻。B.在一定范围内，连续正反旋转螺杆轴10一段时间，记录下该操作所对应的时间段，连续反复多做几次，分别记录。
(8)提取数据采集卡中的流量和压力数据，进行后期处理：
a.求得阀口流量系数Cd和流量压力特性方程关系。具体数据处理如下：
将上式(1)薄壁小孔流量压力特性方程写成Cd～f(Q，ρ，A)，其中A～g(h)，即
流量压力通式(2)
Q、ΔP分别为试验测量数据，A的数值计算依据阀口形状特点通过g(h)求得，待求未知数为Cd和n，通过2组数据(Q、ΔP)便可求得Cd和n，进而求得Cd～f(Q，ρ，g(h))关系式，为验证连续压力波产生提供准确的理论依据。
b.验证连续压力波产生情况，分析对连续压力波产生的影响因素。主要通过数据采集卡采集的数据处理后做成X轴为时间横坐标，Y轴为压力P1纵坐标的XY图。通过改变正反旋转螺杆的速度与时间以及打开或关闭阀口排数来分析对连续压力波产生的影响因素。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种产生连续波信号发生器阀口特性模拟试验装置，该装置由法兰连接管总成、阀口试验总成、数据测量设备及数据采集装置组成；阀口试验总成包括阀结构和驱动机构；阀结构由阀芯、阀座、中心轴组成，其中阀芯和阀座外管壁成形有一定形状的阀口，阀芯内孔套在中心轴上端并由紧锁螺母固定，阀芯外壁面和阀座内壁面间隙配合；驱动机构由推动轴和圆盘卡座组成，推动轴和圆盘卡座通过螺纹连接，推动轴前端和中心轴后端相接触；所述阀座圆柱侧面有若干沿轴向分布的多排阀口，且每一排有若干沿径向分布阀口；
所述的阀口形状曲线方程：
其中：
式中：pmax、pmin为与其压力信号最大、最小值，Mpa；为压力信号的初始相位，rad；ω压力信号频率，Hz；n为单层阀口数量，个；L为阀口排数，层；Cd为阀口流量系数，无量纲；Q为流体流量，m3/s，ρ为流体密度，kg/m3。
2.如权利要求1所述一种产生连续波信号发生器阀口特性模拟试验装置，其特征在于：所述阀芯沿轴向有通孔且外壁成形有多排环形槽，且多排环形槽和所述的通孔相连。
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Granted publication date: 20180313 Termination date: 20190121 |
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