摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析.pdf
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1、摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析曲汉武,尚捷,卢华涛,王智明,陈锟(中海油田服务股份有限公司,北京 101149)摘要:摆动阀泥浆脉冲器本身可以产生较高频率的载波,成为高速泥浆脉冲传输的较好选择。由于工作时负载力矩复杂,影响因素众多,为电机输出特性研究带来较大困难。利用在井下工作时的动力学平衡方程,通过水循环实验方式测量得到摆动阀电机在最大转矩比电流控制方式下的位置角度和输出电流数据,进而计算井下工作时电机输出转矩和输出功率,并对其影响因素进行综合分析。结果表明,受惯性转矩、弹性转矩和动态水力转矩的影响,电机输出转矩在不同工作频段表现为不同特征;低频段时,电机输出转矩的变化幅度随载
2、波频率的增大而减小,输出功率随载波频率的增大而缓慢增大;中低频段时,电机输出转矩和输出功率在该频段幅度变化较小,相对比较稳定;高频段时,电机输出转矩和输出功率均随频率的增大而快速增大。可以通过增大扭杆刚度系数和降低摆动阀转子轴系转动惯量的方式降低电机在高频段的输出,以保证电机在额定转矩和额定功率下可以控制摆动阀在井下实现高频快速的摆动,产生稳定高载波频率下的泥浆脉冲压力波形,实现高频载波的目的,为随钻测井数据的高速传输提供了保障。关键词:摆动阀脉冲器;泥浆脉冲;动力平衡方程;电机输出特性;结构参数优化;随钻测井中图分类号:TE927 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)09
3、-0180-09AnalysisonmotoroutputcharacteristicsandinfluencingfactorsofoscillatingvalvemudpulserQU Hanwu,SHANG Jie,LU Huatao,WANG Zhiming,CHEN Kun(China Oilfield Services Limited Oilfield Technology Institute,Beijing 101149,China)Abstract:The oscillating valve pulser is a better choice for high-speed mu
4、d pulse transmission due to its capability ofgenerating a higher frequency carrier.Great difficulties are brought to the research on the motor output characteristicsdue to the complex load moment and its numerous influencing factors during the operation.Using the dynamic balanceequation for the moto
5、r operating in underground coal mine,the position angle and output current data of the oscillatingvalve motor under the Max Torque per Ampere(MTPA)control mode were obtained by measurement in the water cycleexperiment.Then,the output torque and output power of the motor operating in underground coal
6、 mine was calculated,and its influencing factors were comprehensively analyzed.The research results show that under the influence of inertiatorque,elastic torque and dynamic hydraulic torque,the output torque of the motor has different characteristics in differ-ent working frequency bands.Specifical
7、ly,the variation amplitude of motor output torque decreases but the outputpower increases slowly with the increasing carrier frequency in the low frequency band.Besides,the output torque andoutput power of the motor are relatively stable in the intermediate frequency band,with little variation.Howev
8、er,both ofthe output torque and output power of motor increase rapidly with the increasing frequency in the high frequency band.The motor output in the high frequency band can be reduced by increasing the stiffness coefficient of the torsional springand decreasing the moment of inertia of oscillatin
9、g swing valve rotor shaft,so as to ensure that the motor can control theoscillating valve under rated torque and rated power to achieve rapid oscillating at high frequency in the well,therebygenerating the mud pulse pressure waveform under stable and high carrier frequency to achieve the purpose of
10、high fre-quency carrier,which guarantees the high speed transmission of measurement while drilling(MWD)data.收稿日期:2023-05-24;修回日期:2023-08-03基金项目:海洋油气勘探国家工程研究中心基础研究类项目(YJB23YF007)第一作者:曲汉武,1988 年生,男,黑龙江绥化人,硕士,工程师,从事随钻、定向仪器研发工作.E-mail:Q通信作者:陈锟,1997 年生,男,湖北十堰人,硕士,初级工程师,从事随钻、定向仪器研发工作.E-mail:C 第 51 卷 第 9 期
11、煤田地质与勘探Vol.51 No.92023 年 9 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONSep.2023曲汉武,尚捷,卢华涛,等.摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析J.煤田地质与勘探,2023,51(9):180188.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0282QU Hanwu,SHANG Jie,LU Huatao,et al.Analysis on motor output characteristics and influencing factors of oscillatingvalve mud pulserJ.Coal Ge
12、ology&Exploration,2023,51(9):180188.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.05.0282Keywords:oscillating valve pulser;mud pulse;dynamic balance equation;motor output characteristics;the optimiza-tion of structure parameters;logging while drilling 随着煤田工业的发展和能源的需求量越来越大,钻井时需要实时测量的井下信息也越来越多,这些信息包括定向工程参数(方位、倾角、工具面
13、角)、地层特性(电阻率、伽马、中子孔隙率、中子密度)、钻井参数(井底钻压、扭矩、转速)等1-5。为获得这些井下信息参数,随钻测井中使用的泥浆脉冲发生器需要具有较高的传输速率。摆动阀式泥浆脉冲器由于可以产生较高频率的载波,成为高速泥浆脉冲传输的较好选择6-8。针对脉冲器井下工作时的转矩问题,由于其在工作时负载力矩复杂,影响因素众多,给研究带来较大困难。目前模型仿真是研究脉冲器负载转矩的主要手段,通过脉冲器建立稳态三维模型,进而进行理论研究和数值仿真,可以对不同外形转子进行实验研究8,但是该方法对所建立模型的准确度依赖很高,且只能分析剪切阀单向摆动时的负载特性,无法分析摆动阀脉冲器的动态负载特性。
14、基于相关系数设计准则及流场仿真,可以分析转子阀口形状、阀片个数等参数对转子水力转矩的影响,实现了简谐波压力信号的影响6-8,但是无法分析摆动阀脉冲器在井下的动态特性,且依然对模型准确性的依赖度很高。利用有限元分析软件可以对转阀的流场搭建模型9,但此模型是稳态的,只能对转阀的静态水力转矩进行分析。以往的仿真研究极大地丰富了脉冲器的理论,促进了国内外脉冲器的发展与应用,但是均受限于模型的准确性,如所建立模型与真实仪器存在微小差别,会对计算的准确性产生较大的影响,而且仿真研究均集中于脉冲器的静态负载特性,无法进一步研究其动态负载特性,因此,只能局部认识脉冲器井下工作时的负载特性,无法从整体上分析其影
15、响因素及规律。鉴于此,笔者从摆动阀脉冲器井下工作时的动力平衡方程出发,利用摆动阀脉冲器在水循环实验中测量的数据,计算得到电机输出转矩和输出功率,并进一步对其影响因素进行分析,以期对脉冲器结构参数的优化和设计以及电机的选型提供指导。1摆动阀脉冲器的动力平衡方程摆动阀脉冲器总成如图 1 所示,其核心部件由永磁同步电动机组成,电机转子和摆动阀转子通过扭杆连接在一起。当上电控制永磁同步电动机摆动时,电机转子通过扭杆拖动摆动阀转子做往复式摆动,进而剪切泥浆流体,产生泥浆脉冲压力波。由于扭杆尾端通过螺纹锁死,所以电动机摆动时需要克服扭杆的弹性力做功。1上轴承;2电机转子;3扭轴;4下轴承;5联轴器;6摆动
16、阀定子;7摆动阀转子 1234567图 1 摆动阀脉冲器总成Fig.1 Structure of oscillating valve pulser assembly 当摆动阀脉冲器在井下工作时,电动机还需要克服水力转矩负载做功,因此,再根据摆动阀脉冲器的结构特征,在电动机运动状态下的机械平衡方程的基础上附加水力转矩10-15,可以得到摆动阀脉冲器在井下工作时的动态力矩平衡方程:Te=Tn+Ts+TfThd(1)式中:Te为电机输出的电磁转矩;Tn为惯性转矩;Ts为扭杆产生的弹性转矩;Tf为黏滞摩擦转矩;Thd为水力转矩。在上述这些转矩参数中,Te和 Thd为驱动力矩,当它们方向沿着摆动阀关闭时
17、为正,沿着摆动阀打开时为负;Ts和 Tf为阻力矩,当它们方向沿着摆动阀打开方向时为正,沿着摆动阀关闭方向时为负,Tn可表示为:Tn=Jddt=Jd2dt2(2)式中:J 为摆动阀转子轴系的转动惯量;为转子摆动的角速度;为摆动阀转子的摆动角度;t 为时间变量。Ts可以表示为:Ts=ks(0)(3)式中:ks为扭杆的弹性系数;0为扭杆未发生扭动时所处的初始位置。Tf可以表示为:Tf=kf=kfddt(4)kf式中:为摆动阀摆动过程中的轴系黏滞摩擦因数。当选用的永磁同步电机采用最大转矩比电流 MTPA的方式控制时16-17,Te可表示为:Te=kmIq(5)式中:km为电机的转矩系数;Iq为电机的
18、Q 轴电流。脉冲器在井下工作的力矩动态平衡方程可以描述为电机的输出转矩等于摆动阀摆动过程中的惯性转矩、黏滞摩擦转矩、扭杆的弹性转矩和负水力转矩的代数和。2水循环实验和动态水力转矩的计算利用泥浆泵循环系统建立摆动阀脉冲器水循环的第 9 期曲汉武等:摆动阀式泥浆脉冲器电机输出特性及影响因素分析 181 实验装置如图 2 所示,摆动阀脉冲器上游通过泥浆管线连接泥浆泵,下游通过循环管线连接水池,数据读写口引出数据线至地面控制系统。数据读写口上游管线下游管线摆动阀脉冲器传感器和采集电路泥浆泵循环系统地面采集系统图 2 摆动阀脉冲器水循环实验装置Fig.2 Water cycle experimental
19、 device of oscillating valve pulser 实验选用的摆动阀脉冲器定转子模型如图 3 所示,规定摆动阀全开时转子的位置 为 0(图 3a),全关时转子的位置 为 24(图 3b)。脉冲器工作时,摆动阀转子在 0位置到 24位置之间做反复摆动,转子从 0位置向 24位置运动时为关阀方向,从 24位置向 0位置运动时为开阀方向。摆动阀定子(a)关阀(b)开阀 摆动阀转子关阀方向 开阀方向 泥浆流动方向 泥浆流动方向 图 3 摆动阀定转子模型Fig.3 Model of stator and rotor of oscillating valve 当泥浆泵开至稳定流量后,通
20、过地面控制系统控制摆动阀转子的位置角度以正弦函数方式随时间进行摆动,摆动阀转子位置运动轨迹如下式:=msin(2ft)+0(6)式中:m为摆动阀转子的摆动幅度;f 为摆动阀脉冲器摆动的载波频率。实时采集脉冲器内部传感器记录的位置角度 和 Q 轴电流 Iq,根据式(1)式(5)可以推导出摆动阀脉冲器的动态水力转矩为:Thd=kmIqJd2dt2ks(0)kfddt(7)kmkskf其中,、J、等脉冲器自身结构参数可以通过实验的方法测量得到18-20,因此,可以通过式(7)计算得到相应工况下的水力转矩。水循环实验中脉冲器的结构参数值见表 1。表1水循环实验中摆动阀脉冲器的结构参数Table1Str
21、uctureparametersofoscillatingvalvepulserinwatercycleexperiment参数数值km/(NmA1)1.17J/(kgm2)0.000 7ks/(Nm()1)0.4kf/(Nms)0.01 3电机输出特性及载波影响因素分析3.1电机输出转矩利用式(5)可以计算得到电机的输出转矩,不同摆载波率下电机的输出转矩随位置角度的变化关系如图 4 所示,摆动阀脉冲器井下工作时电机输出转矩具备如下特征。0510152025摆动阀转子位置/()108642024电机输出转矩/(Nm)1 Hz 关阀方向1 Hz 开阀方向6 Hz 关阀方向6 Hz 开阀方向24
22、Hz 关阀方向24 Hz 开阀方向36 Hz 关阀方向36 Hz 开阀方向图 4 不同频率下电机输出转矩随位置的变化曲线Fig.4 Curve of motor output torque varying with position atdifferent frequencies 摆动阀转子以载波频率为 1 和 6 Hz 的低频进行摆动时,摆动阀电机转矩随转子位置的曲线特征基本一致,如图 4 中的黑线和蓝线所示。转子位置 位于08时,电机输出转矩方向为负,当位置角度=0(摆动阀全开时),输出转矩最大,输出转矩随位置角度的增大而减小;摆动转子位置 位于 821时,变化较小,输出稳定;21时,电机
23、输出转矩随转子位置角度的 182 煤田地质与勘探第 51 卷增大而减小至 0,而后反向增大至正值。摆动阀转子以载波频率为 24 Hz 的中频进行摆动时,曲线如图 4 中绿线所示。电机输出转矩在一个载波周期内比较平稳,变化不大,且均为负值,其中位置 位于 015时,开阀时电机输出转矩和关阀时的输出转矩较相近,1624时关阀电机输出转矩明显大于开阀的输出转矩。摆动阀转子以载波频率为 36 Hz 的高频进行摆动时,曲线如图 4 中红线所示。位置=0(摆动阀全开时),输出转矩方向为正,随着转子位置角度的增大,输出转矩逐渐减小至 0,随后方向变为负方向反向增大至最大值。开、关阀转矩曲线出现分离现象,为0
24、16时,关阀电机输出负向转矩更大,为 1724时,开阀电机输出的负向转矩更大。3.2电机输出转矩影响因素在流量 1 800 L/min 下控制摆动阀脉冲器分别以6、24、36 Hz 的载波频率摆动,利用式(2)式(5)、式(7)分别计算出摆动阀脉冲器的惯性转矩、弹性转矩、黏滞摩擦转矩、电机输出转矩和动态负水力转矩,具体转矩曲线如图 5图 7 所示。根据式(1)可知脉冲器在井下工作时电机的输出转矩等于摆动阀摆动过程中的惯性转矩、黏滞摩擦转矩、扭轴的弹性转矩和负水力转矩的代数和,因此可以对电机输出转矩的影响因素做具体分析。从图 5 中可以得到,6 Hz 时惯性力矩和黏滞摩擦力矩较小,电机输出转矩主
25、要取决于弹性转矩和水力转矩的影响。当 8时,由于水力转矩较小,此时弹性转矩是电机输出转矩的主要影响;位于高角度时,水力转矩和弹性转矩方向相反,削弱弹性转矩对电机输出的影响,使电机输出转矩有所降低。开阀和关阀时水力转矩略有不同,由于关阀时负向水力转矩略大,造成关阀时电机输出正向转矩略大于开阀时电机输出转矩值。从图 6 中可以得到,载波频率为 24 Hz 时,惯性转矩增大,但黏滞摩擦转矩依然较小,此时电机输出转矩主要受弹性转矩、惯性转矩、水力转矩三者综合影响。弹性转矩与惯性转矩、负水力转矩相反,可以抵消大部分惯性转矩和负水力转矩对电机输出的影响;开阀时,由于弹性转矩、惯性转矩、水力转矩三者在 24
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