鉆井液連續(xù)波發(fā)生器設(shè)計(jì)與信號傳輸特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文以提高隨鉆測量鉆井液連續(xù)波信息傳輸系統(tǒng)的傳輸速率為目的，圍繞連續(xù)波發(fā)生器的設(shè)計(jì)和信號傳輸特性展開了若干關(guān)鍵問題的研究。在連續(xù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)閥閥口形狀設(shè)計(jì)與優(yōu)化、連續(xù)波發(fā)生器負(fù)載特性分析、連續(xù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)閥沖蝕預(yù)測與緩解、連續(xù)波發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鉆井液信道中信號的反射與疊加幾個(gè)方面取得了較大研究進(jìn)展，并且針對信號波形、水力轉(zhuǎn)矩與信號的反射疊加開展了地面水力環(huán)路與風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)研究。主要研究進(jìn)展總結(jié)如下：
　　 1.轉(zhuǎn)閥閥口

2、形狀設(shè)計(jì)與優(yōu)化
　　 根據(jù)信號與系統(tǒng)的基本理論確定了與連續(xù)波發(fā)生器轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個(gè)特征量，在最小、最大開度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出了相關(guān)系數(shù)最大的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；建立了不同閥口形狀的轉(zhuǎn)閥通流面積的參數(shù)化計(jì)算模型，根據(jù)最小、最大開度準(zhǔn)則和相關(guān)系數(shù)最大準(zhǔn)則建立了轉(zhuǎn)閥閥口形狀的優(yōu)化模型，并進(jìn)行了優(yōu)化，理論分析表明優(yōu)化結(jié)果可以獲得較理想的信號波形；根據(jù)通流面積參數(shù)化計(jì)算模型的啟示，提出了一種理論上可以獲得理想正弦波的曲線閥口的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了風(fēng)洞

3、實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該曲線閥口可以獲得較好的正弦波信號；分析了定轉(zhuǎn)子軸向間隙、信號頻率對壓力波信號品質(zhì)的影響規(guī)律，通過對非定常伯努利方程的分析解釋了實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的壓力波信號幅值隨頻率的增加而有所下降的現(xiàn)象。
　　 2.連續(xù)波發(fā)生器的負(fù)載特性分析
　　 提出了大開度雙邊節(jié)流口射流角的計(jì)算方法，為通過理論計(jì)算作用在轉(zhuǎn)閥上的水力轉(zhuǎn)矩提供了基礎(chǔ)；根據(jù)射流的基本理論，在動(dòng)量矩定理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了作用在轉(zhuǎn)閥上的水力轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算公式；并用

4、CFD數(shù)值仿真研究了各種因素對轉(zhuǎn)閥水力轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，即，作用在轉(zhuǎn)閥上的水力轉(zhuǎn)矩隨信號頻率的增加而增加、隨定轉(zhuǎn)子軸向間隙、轉(zhuǎn)閥閥瓣個(gè)數(shù)的減小而增加；分析了不同信號調(diào)制方式下作用在轉(zhuǎn)閥上的慣性轉(zhuǎn)矩，結(jié)果表明對于相位調(diào)制方式慣性轉(zhuǎn)矩與信號頻率的平方成正比，與閥瓣的個(gè)數(shù)成反比；通過CFD數(shù)值仿真找出了出現(xiàn)反向軸向力的位置與力的大小，為信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
　　 3.轉(zhuǎn)閥的沖蝕預(yù)測與緩解
　　 本文利用Fluent中的

5、UDF解決了轉(zhuǎn)閥三維沖蝕變形的預(yù)測問題，結(jié)果表明，考慮沖蝕變形的沖蝕預(yù)測在沖蝕的初始階段與沒有沖蝕變形的沖蝕預(yù)測結(jié)果相差不大，隨著閥口沖蝕變形的增加，轉(zhuǎn)子上沖蝕最嚴(yán)重的位置從閥口棱邊轉(zhuǎn)移到閥瓣側(cè)壁上；利用固體顆粒在非牛頓流體中的曳力公式來計(jì)算固體顆粒在鉆井液中的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果表明，鉆井液的非牛頓特性對其中的固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡影響顯著；建立了鉆井液中粒度小于40微米固體顆粒的沖蝕預(yù)測模型，計(jì)算結(jié)果與離散相模型的結(jié)果疊加，可以獲得較好的預(yù)測結(jié)

6、果；針對連續(xù)波發(fā)生器工作過程中存在的堵塞、沖蝕問題，利用液壓流體力學(xué)的基本理論，提出了節(jié)流口串聯(lián)的轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)形式，研究結(jié)果表明，節(jié)流口串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式可以增大轉(zhuǎn)閥的最小通流面積，降低流過轉(zhuǎn)閥的鉆井液流速，從而減少堵塞發(fā)生的概率，減弱了鉆井液與固體顆粒對轉(zhuǎn)閥的沖蝕作用。
　　 4.連續(xù)波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　 在轉(zhuǎn)閥閥口形狀與轉(zhuǎn)閥負(fù)載轉(zhuǎn)矩研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了連續(xù)波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在正脈沖信息傳輸系統(tǒng)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)

7、思了用于連續(xù)波信息傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，并在通信協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)思了連續(xù)波發(fā)生器的整體控制流程；進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件與軟件的設(shè)計(jì)；建立了連續(xù)波發(fā)生器的動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了不同控制方式的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明包含速度特性的位置閉環(huán)控制方式可以獲得較準(zhǔn)確的相位調(diào)制信號和較小的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。
　　 5.連續(xù)波信號的傳輸特性分析
　　 連續(xù)波信號的傳輸特性是連續(xù)波信息傳輸成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，信號衰減是連續(xù)波信息傳輸中的固有問題、不可避免，而

8、信號的反射與疊加卻是一把雙刃劍，運(yùn)用、處理不當(dāng)就會導(dǎo)致信息傳輸失敗，反之則可以改善信息的傳輸條件，提高信息的傳輸速率。
　　 本文建立了鉆井液信道的多層耦合傳輸模型，分析了多層耦合作用對壓力波傳播速度的影響；建立了鉆頭的反射模型，分析了鉆頭反射對轉(zhuǎn)閥上游信號的影響；建立了復(fù)雜管路的傳遞函數(shù)模型，利用所建立的傳遞函數(shù)模型可以組裝成不同的鉆井液信息傳輸通道來預(yù)測地面接收到信號的頻譜，為連續(xù)波信號載波頻率的選擇提供依據(jù)。
　　

9、 6.連續(xù)波信息傳輸系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)研究
　　 在儲建學(xué)院多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了連續(xù)波信息傳輸系統(tǒng)地面實(shí)驗(yàn)環(huán)路的設(shè)計(jì)與改造；進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的相似設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；進(jìn)行了壓力波信號波形實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：曲線閥口可以獲得較理想的壓力信號波形，CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符；進(jìn)行了作用在轉(zhuǎn)閥上的水力轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)，分析了影響轉(zhuǎn)閥水力轉(zhuǎn)矩的幾種因素；進(jìn)行了壓力波信號的反射、疊加實(shí)驗(yàn)，分析了連續(xù)波信號發(fā)生器啟動(dòng)過程對壓力波信