旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器信号特性的有限元分析研究

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随钻测量的信息传输方式中,依靠钻井液压力进行信号传输是目前使用最普遍的井下信号传输方式,其中钻井液连续压力波信息遥测系统的传输速率最高,其核心部件是连续压力波信号发生器。随着井下测量参数的增多,钻井过程中迫切需要较高的井下信息传输速率,因此有必要对连续压力波信号发生器进行系统的基础研究。本文根据流体力学的非稳定流理论,分析研究了钻井液压力波的产生机理,通过垂直钻柱系统的伯努利方程建立了钻井液连续压力波的数学模型;利用FLUENT软件模拟了钻井液连续压力波信号发生器的流场和动态压力场,仿真分析了压力信号的波形及频谱特性。通过旋转阀的旋转阻力矩研究,仿真分析了旋转阀转子所受轴向力和流体驱动转矩,为旋转阀转子的驱动与控制奠定了相关研究基础。理论研究表明,旋转阀产生的压力信号由转子叶瓣阻碍钻井液流动引起的水击压力、阀孔节流引起的钻井液压力损失及流体运动惯性引起的压力损失组成;在定、转子阀板间存在一定的流体泄漏通道条件下,旋转阀产生的钻井液压力变化中,水击压力起主要作用,节流压力损失和流体惯性压力损失起相对次要的辅助作用,该理论分析结果通过FLUENT软件的模拟仿真得以证实。仿真分析表明,钻井液压力信号强度与钻井液粘度、钻井液流量、定转子间隙和定子、转子厚度有关,信号强度随钻井液粘度和流量的增加而增大,随定、转子间隙及定子厚度的增加而减小。研究表明,旋转阀的阻力矩由转子所受轴向力作用于止推轴承产生的摩擦转矩和流体驱动转矩组成,其中摩擦转矩随转子旋转角度呈非线性变化;流体驱动转矩随转子旋转角度呈周期性变化,强度与转子叶片厚度有关,其对转子旋转的影响随转角体现阻碍和推动相互交替的作用并随转子叶片厚度的增加而增大。
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