泥浆脉冲发生器结构设计与优化

发布时间：2017-12-14 17:38

  本文关键词：泥浆脉冲发生器结构设计与优化

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【摘要】：石油钻井过程中,随着钻进深度的不断增加,钻井难度增加,随钻测井参数越来越多,数据传输的实时性要求更加迫切,研制传输速率更高的信号传输方式迫在眉睫。本文分析了参数传输方式类别及优缺点,指出连续波泥浆脉冲发生器数据传输速率最快,即为本文的研究方向。本文首先,利用薄壁小孔节流原理阐释了泥浆脉冲发生器工作机理,介绍了泥浆脉冲衰减的影响因素,为后续泥浆脉冲发生器的结构设计及优化做铺垫。着重点利用薄壁小孔节流原理数值分析了泥浆脉冲发生器的工作原理,由此得到当钻井液的流量和密度不变时,压差ΔP仅与转阀的流通面积有关。因此,当转阀定、转子结构设计合理时,控制转阀流通面积的变化,就可以得到连续的压力波信号。其次,根据现场实际使用需求及其相关理论,设计了一款泥浆脉冲发生器,该泥浆脉冲发生器为连续波泥浆脉冲发生器,其结构简单、布局紧凑、性能可靠、且传输信号速率高。该泥浆脉冲发生器主要包括四个部分分别为:转阀机构、驱动机构、发电机总成、壳体,还有一些保护密封零件。其中转阀机构为泥浆脉冲发生器最关键部件,本文将详细设计与优化。驱动机构主要包括:传动轴、行星齿轮减速器、无刷直流电机、压力补偿结构、导线保护结构和密封支撑结构。发电机总成作为泥浆脉冲发生器的动力源泉,其设计至关重要,设计为涡轮发电机,电磁耦合方式输入机械能。还设计了相应的密封件和支撑结构,保障泥浆脉冲发生器正常工做。并利用Slidworks绘制出泥浆脉冲发生器三维图。接着,提出一种新颖的方法,根据薄壁小孔节流原理,通过转阀产生的压差与转阀过流面积之间的关系建立阀口形状与泥浆脉冲压力间的数学模型,利用理论压力差与标准正弦信号压差的相关系数之间的关系,一步步优化三角形阀口形状,以得到与标准正弦信号高度相似的理论压差,优化后得到一个弧形圆角线三角形阀孔。最后,利用正交实验法对泥浆脉冲发生器转阀机构参数做进一步分析研究,设计出正交试验方案,方案包括定转子间距d、转子厚度h和转子转速r三因素,四水平以及压差峰峰值H和水力力矩N两个指标,共16组实验。再应用CFD软件对泥浆脉冲发生器转阀结构进行流场仿真,设置16组结构参数,仿真出泥浆脉冲发生器转阀结构的转子上下端瞬时压力及转子上的水力力矩N,利用正交实验法分析仿真结果,得出各种因素对脉冲信号的影响规律。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE927

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