[发明专利]旋转阀阀口设计方法

说明书

本发明提供了一种旋转阀阀口设计方法，用于随钻测量/随钻测井的旋转阀式钻井液压力信号发生器的研制。根据流体非稳定流动的惯性压力分析建立钻井液压力信号的数学模型，以该数学模型为基础，建立恒转速下旋转阀阀口处产生的钻井液连续压力波信号的数学模型，通过数学分析和数值计算得到旋转阀定子孔口和转子孔口的平面结构，实现旋转阀阀口的结构设计。采用本发明方法设计的旋转阀阀口结构，可以使恒转速下旋转阀阀口处产生的钻井液压力信号波形更接近于正弦波，且具有波动传播特性；由于压力信号波形的失真度较小，信号能量更加聚集于基波，有利于随钻测量/随钻测井数据的调制及调制后的钻井液连续压力波信号的传输。

技术领域：

本发明涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井工具的设计方法，特别涉及一种用于钻井液压力信号发生器的旋转阀阀口设计方法。

背景技术：

井下随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。钻井液压力信息遥测通常采用基带压力脉冲或连续压力波来传输井下信息，其中连续压力波具有比基带压力脉冲高得多的井下信息传输速率，是钻井液压力信息遥测技术的发展方向。钻井液连续压力波信号由井下连续压力波信号发生器产生，连续压力波信号发生器目前有两种结构，均由定子和相对于定子运动的转子组成，不同的是，一种为转子相对于定子做单方向旋转运动的旋转阀结构，另一种为转子相对于定子做左右摆动运动的剪切阀结构。旋转阀位于安装有井下测量工具的钻铤上部，钻铤是钻柱的一部分，靠近钻头；旋转阀的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定在钻铤内壁，转子安装在定子下部，钻井液从定子上部流入，从转子下部流出；为便于转子相对于定子转动，转子直径稍小于定子直径，且定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙；转子由电机驱动，定子和转子上有相同数量的多个孔口和叶片，定子和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，在转子相对于定子转动过程中，转子上的孔口相对于定子孔口产生移动，造成阀孔流通面积的改变，使定子上部的钻井液压力发生变化，该压力以波动方式向井口传输，利用该压力波可以进行井下测量数据的上传。为保证钻井液连续压力波信号在钻井液信道中的传输效率最高，旋转阀转子在恒转速下产生的钻井液压力信号应呈正弦变化并作为通信载波，通过随钻测量/随钻测井数据形成的基带脉冲控制旋转阀转速来调制压力载波的频率或相位，产生能量集中于载波频率附近的钻井液连续压力波信号，实现随钻测量/随钻测井数据在钻井液信道中的高效传输。如果恒转速下旋转阀产生的正弦压力波形存在明显失真，会存在大量的高次谐波，不仅会造成载波中用于信号调制与信号传输的基波能量减小，而且会使调制后的信号波形产生畸变，不利于信号的传输、检测与处理，因此应尽可能减小恒转速下旋转阀产生的正弦压力波的失真度。要使旋转阀在恒转速下阀口处产生的钻井液压力信号呈正弦变化，合理地设计旋转阀阀口结构(定子和转子孔口的平面几何形状及尺寸)非常必要。旋转阀阀口的结构设计是以钻井液压力波的数学模型为基础，该数学模型应根据钻井液压力波的产生机理来建立，有关钻井液压力波的产生机理，SPE25356、27516等多篇文献均指出是流体非稳定流动的水锤(水击)效应引起的压力突变，这种压力变化具有波动传播的特性；但水击压力表达式只能反映阀口突然关闭产生的压力突变现象，无法体现关阀速度、阀口结构等流体运动的控制体参数对非稳定流压力的影响，因此水击压力并不适用于钻井液压力信号的数学描述。有关旋转阀的阀口设计，美国专利U.S.Pat.No.5237540、5586083、5636178、5787052、6970398、7327634、7468679、文献SPE67762等给出了多种阀口结构，但均未说明阀口设计的理论依据和设计方法，美国专利U.S.Pat.No.4847815介绍了一种阀口结构，简要叙述了阀孔流通面积、钻井液流量和密度对压力信号幅度和波形的影响，并以此作为阀口结构的设计依据，该阀口结构的旋转阀恒转速下产生的压力信号的波形失真度为21％，但该文献描述的压力信号数学模型却是流体稳定流动时在阀孔处产生的压力损失，由于该压力损失不具有波动传播特性，因此其给出的旋转阀阀口结构存在较大疑问。因此，如何根据钻井液压力波的产生机理来正确建立钻井液压力信号的数学模型，如何基于钻井液压力信号的数学模型实现旋转阀阀口的结构设计，现有技术均无法提供有效的解决方法和解决途径。