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。

权利要求

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。

说明书

旋转阀阀口设计方法

技术领域：

[0001] 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：

[0002] 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。
发明内容：

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转阀阀口设计的方法。

[0004] 本发明所要解决的技术问题按以下技术方案实现：

[0005] 1.根据非稳定流动的流体惯性压力分析建立钻井液压力信号的数学模型[0006] 根据非稳定流的伯努利方程分析，旋转阀的阀孔在关闭过程中除了会产生阀孔节流损失，还会产生流体惯性压力，流体惯性压力为流体被转子叶片阻挡时动能转换成的压力势能，具有波动传播特性。旋转阀工作时，转子以一定速度相对于定子转动，转子叶片周期性地遮挡流过定子孔口的钻井液，在阀口处产生流体惯性压力，该惯性压力即为钻井液压力信号，可以表示为

[0007]

[0008] 其中，L为阀口上部非稳定流区域的长度；ρ为钻井液密度； 为阀孔流速；Q为钻井液流量；AV(t)＝A0-As(t)+Aδ(t)为阀孔的流通截面积，反映旋转阀阀口的结构特征；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)为转子旋转过程中由定、转子间隙产生的等效泄漏截面积。

[0009] 旋转阀工作时，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，定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙；此外，钻井液中均含有一定的粉状固体成分，称为固相，如果定子与转子之间间隙很小，固相会在间隙中沉降驻留，在转子运动时产生摩擦阻力，从而阻碍转子的正常转动，为避免固相在间隙中的驻留，通常定子与转子之间要保持3mm左右的间隙，以利于钻井液的冲刷。由于定、转子间隙的存在，会使一部分钻井液没有从阀孔流过而直接通过间隙泄漏到转子下部，由此带来的钻井液泄漏用等效泄漏截面积表示。

[0010] 根据式(1)，对阀孔流速进行导数运算，可以建立钻井液压力信号的数学模型[0011]

[0012] 其中， 为遮挡截面积随时间的变化率，反映旋转阀的阀孔关闭速度；为定、转子之间间隙产生的等效泄漏截面随时间的变化率，反映钻井液从定、转子间隙的泄漏速度。

[0013] 式(2)指出，钻井液压力信号的幅度与钻井液流量、密度、阀口上部非稳定流区域的长度、阀口结构、关阀速度和钻井液通过定子与转子间隙泄漏的速度等有关。式(2)体现了关阀速度、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，可较精确地表达旋转阀阀孔变化过程中产生的非稳定流压力变化。

[0014] 2.基于流体惯性压力分析的旋转阀阀口结构设计

[0015] 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函数，设正弦信号角频率为ω，振幅为pm，由式(2)可得到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为

[0016]

[0017] 由于旋转阀定子和转子皆为圆形，其平面结构可以用极坐标来表示，当转子相对于定子旋转时，转子的旋转角θ即为定子极坐标的圆心角。设转子的机械角频率为Ω，定子或转子的孔口数为q，由于转子恒转速下产生的压力信号相角ωt与转子旋转角的关系为ωt＝qθ，在关阀过程中旋转角的变化范围为 考虑到式(3)中的 项很小，忽略其影响，则式(3)可以表示为

[0018]

[0019] 其中，k为与非稳定流区域长度有关的系数。式(4)经化简并整理后，得到转子叶片对定子孔口遮挡截面积的数学表达式

[0020]

[0021] 其中，Aδ为阀孔全关时的等效泄漏截面积。

[0022] 旋转阀阀口结构设计的目标是确定出定子和转子孔口的平面几何形状及尺寸，设计步骤分为2步，第一步先设计出定子孔口结构(平面几何形状及尺寸)，第二步确定出转子孔口结构。

[0023] (1)定子孔口结构设计

[0024] 定子孔口的结构设计在阀孔关闭过程中实现，首先将转子叶片的右边设成与定子圆的径向线重合的直线，当转子叶片逆时针旋转时，该边逐渐扫过定子孔口，使转子叶片逐渐遮挡住定子孔口，定子孔口被遮挡的面积随旋转角度逐渐增大，阀孔流通面积由最大逐渐减小，直至定子孔口被转子叶片完全遮挡，在这一过程中，定子孔口被转子叶片的遮挡面积应遵循式(5)的数学表达式。

[0025] 在旋转阀阀口关闭过程中，转子叶片逆时针旋转并以角度 完整扫过定子孔口，旋转阀阀孔流通截面积由最大到最小发生变化，压力信号幅度由最小达到最大，产生前半个周期的正弦压力信号。

[0026] 设定子半径为ri，设转子半径为r1，定子轴套半径为ra，定子孔口的极坐标函数为r(θ)，极坐标下，通过数学分析建立定子孔口被转子叶片遮挡的截面积微元并进行截面积微元的积分，得到阀孔关闭过程中定子孔口被转子叶片遮挡的截面积为

[0027]

[0028] 令式(5)与式(6)相等并整理，得到定子孔口的极坐标函数

[0029]

[0030] 对式(7)进行数值计算并做极坐标下的曲线图，可以得到旋转阀定子孔口的平面几何形状及尺寸。根据式(7)计算，定子孔口的极坐标函数存在一个极小值rmin，该值对应定子孔口曲线图的顶点，且应有rmin＞ra，由于旋转角θ＝0时的定子孔口的极坐标值r(0)＝ri，旋转角θ＝π/q时的定子孔口的极坐标值 因此定子孔口的平面几何形状为曲边三角扇形，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。

[0031] (2)转子孔口结构设计

[0032] 转子孔口的结构设计在阀孔打开过程中实现。转子旋转角在 变化的开阀过程中，转子叶片对定子孔口的遮挡截面积逐渐减小，阀孔的流通截面积逐渐增大，压力逐渐降低；根据对称性分析，流通截面积随转角的变化率应与关阀时遮挡截面积随转角的变化率相同才能使压力信号的后半个周期也呈正弦变化。由式(4)分析，压力信号幅度与遮挡截面积随时间的变化率 呈线性关系，由于阀孔流通截面积为AV(t)＝A0-As(t)+Aδ(t)，则有 忽略 的影响，有 其中负值代表引起压力下降，即阀孔流通截面积与遮挡截面积随转角变化率的绝对值相同，说明开阀时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符合对称性，因此在开阀过程中，可以用 来代替式(4)的 项，则开阀过程中旋转阀阀口产生的压力信号可以表示为

[0033]

[0034] 因此，只要将转子叶片的左边也设定为与定子圆的径向线重合，则在开阀过程中，其产生的压力变化也符合正弦函数的变化规律。

[0035] 由于转子叶片的左边与定子圆的径向线重合，即转子叶片的左右两条边是互相对称的，由此可以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的极小值rmin，其余两边与转子的径向线重合。

[0036] 本发明的有益效果是：采用本发明所提供的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。附图说明：

[0037] 图1是现有技术中包含有随钻测量/随钻测井工具及钻井液连续压力波信号发生器的钻井装置示意图。

[0038] 图2是本发明中旋转阀的结构示意图。

[0039] 图3是本发明中通过数值计算得到的4孔口旋转阀定子孔口和叶片的平面结构图。

[0040] 图4是本发明中通过数值计算得到的4孔口旋转阀转子孔口和叶片的平面结构图。

[0041] 图5是采用本发明设计的旋转阀，在恒转速下产生的钻井液压力信号的仿真波形。

[0042] 图6为采用本发明设计的旋转阀，在恒转速下产生的钻井液压力仿真信号的频谱图。

[0043] 图7是本发明的计算机设计程序框图。

[0044] 图中：1-钻井液、2-地面、3-钻柱、4-钻井液泵、5-钻头、6-环形空间、7-地层、8-钻井参数及地层参数测量装置、9-钻井液连续压力波信号发生器、10-压力传感器、11-信号处理装置、12-钻铤、13-钻井液罐、14-定子、15-转子、16-定子下表面与转子上表面之间的间隙、17-转子轴、18-定子孔口、19-定子叶片、20-定子轴套、21-转子孔口、22-转子叶片。具体实施方式：

[0045] 下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

[0046] 图1所示是现有的包含有随钻测量/随钻测井工具及钻井液连续压力波信号发生器的钻井装置。钻井液罐13中的钻井液1通过地面2的钻井液泵4注入钻进地层7的钻柱3中，到达钻柱3底端的钻头5，从钻头水眼流出后通过钻柱3与地层7之间的环形空间6返回至地面2，箭头表示钻井液的流动路径。

[0047] 钻柱3中靠近钻头5的钻铤12中放置仪器，钻铤上部连接钻杆形成钻柱，整个钻柱对钻头5施加足够的钻压用于钻进地层7。钻铤12中的仪器包括钻井参数及地层参数测量装置8用于监控钻井操作及评估地层的物理特性。

[0048] 为了在钻井液中产生压力波动及通过钻井液传输井下数据，将钻井液连续压力波信号发生器9安装在钻铤12的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过压力传感器10检测并送入信号处理装置11进行信号处理。

[0049] 钻井液连续压力波信号发生器9为旋转阀式钻井液压力信号发生器，旋转阀由定子14和转子15组成，定子和转子平面为圆形，定子固定在钻铤12的内壁，定子与转子同轴安装，转子安装在定子的下部，转子轴17安装在定子轴套20中，转子轴由电机驱动，定子上有多于一个且具有相同几何尺寸的定子孔口18和具有相同几何尺寸的定子叶片19，转子上有多于一个且具有相同几何尺寸的转子孔口21和具有相同几何尺寸的转子叶片22，定子与转子上的孔口数目相同，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的间隙16。定子孔口和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，钻井液1从定子的上部流入，通过阀孔从转子的下部流出；转子在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幅度发生变化，该压力以波动方式向井口传输；以旋转阀转子恒定转速下阀口产生的正弦压力波作为压力载波，通过钻井参数及地层参数测量装置8的测量数据改变旋转阀转子的转速来调制钻井液压力载波的频率或相位变为钻井液连续压力波信号，实现井下测量数据的上传。

[0050] 本发明所提出的一种用于随钻测量/随钻测井的旋转阀式钻井液压力信号发生器的旋转阀阀口设计方法，按以下技术方案实现：

[0051] 第一步先进行定子孔口结构设计，第二步进行转子孔口结构设计。定子孔口的结构设计在阀孔关闭过程中实现，首先将转子叶片的右边设成与定子圆的径向线重合的直线，当转子叶片逆时针旋转时，该边逐渐扫过定子孔口，使转子叶片逐渐遮挡住定子孔口，定子孔口被遮挡的面积随旋转角度的变化规律应遵循式(5)的数学表达式；极坐标下应用数学分析建立定子孔口被转子叶片遮挡的截面积微元并进行截面积微元的积分，得到式(6)表示的定子孔口被转子叶片遮挡的截面积；令式(5)与式(6)相等并整理得到式(7)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；根据式(7)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。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应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几何形状为四边扇形，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。

[0052] 参照附图1，钻铤12中仪器得到的测量数据，通过钻井液连续压力波信号发生器9进行数据调制变为钻井液连续压力波信号传输到地面，钻井液连续压力波信号发生器为旋转阀式钻井液压力信号发生器，旋转阀的阀口结构设计采用本发明的旋转阀阀口设计方法。

[0053] 图2是本发明中旋转阀的结构示意图，旋转阀由定子和转子组成，定子和转子平面为圆形，定子固定在钻铤内壁，定子与转子同轴安装，转子安装在定子的下部，转子轴安装在定子轴套中，转子轴由电机驱动，定子下表面与转子上表面之间留有一定间隙，定子孔口和定子叶片具有图3所示的平面结构，转子孔口和转子叶片具有图4所示的平面结构。

[0054] 图3是本发明中通过数值计算得到的4孔口旋转阀定子孔口和叶片的平面结构图，图4是本发明中通过数值计算得到的4孔口旋转阀转子孔口和叶片的平面结构图，设计条件为：定子直径100mm，定子轴套直径26mm，转子直径99mm，钻井液流量10L/s，钻井液密度1200kg/m3，阀孔最大流通截面积1600mm2，钻井液最大等效泄漏截面积900mm2。

[0055] 图5为采用本发明所设计的旋转阀，在恒转速下产生的钻井液压力信号的仿真波形，仿真条件为：定子与转子之间间隙为2.5mm，钻井液粘度为10mPa·s，旋转阀的转子转速为5r/s；转子旋转2周产生8个周期的正弦压力信号，信号频率为20Hz。

[0056] 图6为采用本发明设计的旋转阀，在恒转速下产生的钻井液压力仿真信号的频谱图，压力信号为近似的正弦波形，频率为20Hz的基波幅度为100，高次谐波的幅度以基波幅度为准，信号失真度为18.7％。

[0057] 图7是本发明的计算机设计程序框图，程序中首先根据给定的等效泄漏截面积、定子半径、转子半径、定子轴套半径、定子或转子的孔口数、阀孔全开时流通截面积初始值，计算定子孔口的极坐标函数，查找极坐标函数的极小值，判断极小值是否大于给定的定子轴套半径，如果不满足条件则减小阀孔全开时的流通截面积值，重新计算定子孔口的极坐标函数，并判断极小值是否大于定子轴套半径，周而复始直到满足判断条件为止；如果满足判断条件，则确定阀孔全开时的流通截面积值，计算定子孔口的极坐标函数，查找极坐标函数的极小值，绘制定子孔口的极坐标曲线，得到定子孔口的平面结构；根据定子孔口极坐标函数的极小值及转子半径，绘制转子孔口的极坐标曲线，得到转子孔口的平面结构。