[发明专利]旋转阀阀口设计方法

摘要

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。

主权项

1.一种旋转阀阀口设计方法，包括转子孔口的结构设计和定子孔口的结构设计,其特征是按以下步骤实现：(1)基于流体非稳定流动的惯性压力分析建立用式表示的钻井液压力信号数学模型，其中，pi为钻井液压力信号，L为阀口上部非稳定流区域的长度，ρ为钻井液密度，Q为钻井液流量，A0为阀孔全开时的流通截面积，As(t)为转子叶片旋转过程中对定子孔口的遮挡截面积，Aδ(t)为转子叶片旋转过程中由定、转子间隙产生的等效泄漏截面积，为遮挡截面积随时间的变化率，为定、转子之间间隙产生的等效泄漏截面随时间的变化率，以该数学模型为基础，建立式表示的旋转阀恒转速下阀口处产生的钻井液连续压力波信号数学模型，其中，ω为正弦信号角频率，pm为压力信号振幅；(2)旋转阀恒转速下根据压力信号相角与转子旋转角之间的关系，将压力信号随时间变化的表达式转换为式表示的随转子转角变化的表达式，其中，k为与非稳定流区域长度有关的系数，θ为转子旋转角，Ω为转子机械角频率，q为定子或转子的孔口数，Aδ为阀孔全关时的等效泄漏截面积，得到式表示的转子旋转时定子孔口被转子叶片遮挡的截面积；(3)在极坐标下应用数学分析，建立阀孔关闭过程中定子孔口被转子叶片遮挡的截面积微元并进行微元面积的积分，得到式表示的定子孔口被转子叶片遮挡的截面积，其中，ri为定子半径，r(θ)为定子孔口的极坐标函数；(4)将步骤(3)中的公式整理得到式表示的定子孔口的极坐标函数，以极坐标函数的曲线图来描述定子孔口的平面结构；根据计算得到的定子孔口的平面几何形状为曲边三角扇形，三角扇形的一个顶点为定子孔口极坐标函数的极小值，三角扇形的圆弧边在定子圆周上，圆弧长度为定子圆周长除以2倍的孔口数；(5)转子孔口的结构设计在阀孔打开过程中实现，根据开阀时的阀孔流通截面积随转角的变化率与关阀时遮挡截面积随转角的变化率相同的对称性分析，确定转子叶片的左边也与定子圆的径向线重合，由此得到旋转阀转子孔口的平面结构为四边扇形，其中大圆弧边在转子圆周上，圆弧长度为转子圆周长除以2倍的孔口数，小圆弧边半径为定子孔口极坐标函数的极小值，其余两边与转子的径向线重合。