[发明专利]一种产生连续波信号发生器阀口特性模拟试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及油气随钻测量或随钻测井中钻井液压力脉冲信号产生装置，特别是产生钻井液连续波信号装置，目的是对产生连续波信号的阀口特性进行研究，最终实现井下信息快速、高效传播。

背景技术

20世纪80年代末，大斜度井、定向井和水平井钻井活动十分活跃，随之随钻测量技术也开始了迅猛的发展。从目前应用情况来看，钻井液压力脉冲信号传输应用广泛，按照信号发生机理，MWD液压信号发生器可分为泄流型(负脉冲信号发生器)和节流型(包括正脉冲和连续信号发生器)两种基本类型。但是正脉冲和负脉冲传输方式的传输速率较低，并且没有很好的抗干扰能力，容易受到外界环境的影响造成数据传输出现偏差从而造成误码。相对而言，连续波方式传输速率高，并且抗干扰能力强。目前从国外研究情况来看，只有斯伦贝谢公司拥有连续波信号发生器的商业产品，该仪器采用连续波泥浆脉冲传输方式传送脉冲信号，发射频率24Hz，最高传输速率12bit/s，数据传输速度比较快，比正脉冲传输方式的传输速度提高了近10倍，而且操作简单，方便维修，无故障时间平均可达1000h。在国内，连续波信号发生器研究类型主要包括旋转阀信号发生器和摆动转阀式信号发生器，但是两种类型的信号发生器都存在着电能消耗大、转阀冲蚀严重、阀口过流面积受空间限制的缺点。所以研发一种耗电少、结构简单、能产生连续波信号的发生器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提供一种由阀芯往复运动打开或关闭特定形状的阀口来产生连续压力波信号的试验装置，主要测量阀口流量系数Cd及验证阀口理论推导形状是否能够产生连续波。

为实现上述发明目的，对产生连续压力波阀口形状特性进行模拟试验装置设计。该试验装置主要由泥浆泵、法兰连接管总成1、法兰连接管总成2、阀口试验总成、数据测量设备及数据采集装置组成。实验装置核心主体为试验总成，它是研究连续压力波产生特性及不同阀口形状对连续压力波产生因素进行分析的重要装置。试验总成包括阀结构和驱动机构。阀结构由阀外套、阀芯、阀座、卡环、中心轴、后盖、管接头、密封圈、螺母、螺栓组成；驱动机构主要由支撑杆、推动轴、固定圆盘、圆盘卡座、压紧螺母组成。驱动原理是推动轴和圆盘卡座通过螺纹连接，通过旋转推动轴，将推动轴的旋转运动转化为往复运动，进而推动中心轴带动阀芯运动。数据测量设备有电磁流量计、压力变送器、压力表，电子数显百分表。数据采集卡对数据进行数据采集，后期用计算机对数据进行处理。

本发明中阀芯和阀座是产生连续压力波信号的直接部件，其产生机理是阀芯和阀座的圆柱侧壁加工有一定形状的阀口，阀芯安装在阀座内部，阀芯外壁和阀座内壁通过间隙配合产生往复运动来实现阀口面积大小的控制(如图4)，从而对流过阀口的流体实现节流的作用，进而产生压力波。利用流量压力特性方程关系(式1)便可求出压力和阀口面积的关系式，此式作为推导阀口形状的依据。

本发明的阀口形状推导过程首先是确定阀芯往复运动，阀芯运动满足速度先加速后减速为零，反向加速后再减速为零，以此循环往复的运动特点。然后将预期得到的信号压力波用方程表示出来，将运动位移和阀口面积关系运用积分求解后再与流量压力特性方程式(1)联立，最后再求导去掉积分符号便求得方程阀口形状方程。但是理论推导出的阀口形状是一个较为复杂的曲线，为了能够满足工艺上阀口的加工要求，先要对所求曲线进行拟合处理，尽量使得阀口形状由简单的直线构成，最后按照处理后的阀口形状加工在阀座管壁上进行后期试验。

基于产生连续波压力信号的阀口形状推导过程如下：

(1)阀芯往复运动方程：h＝g(t)，反函数为t＝g^-1(h)；

式中，h为阀芯往复运动位移，m；t为往复运动时间，s。

阀芯运动满足速度先加速后减速为零，反向加速后再减速为零，以此循环往复运动。

(2)预期得到的理想正弦连续波方程：其中

式中，P_max、P_min为预期压力信号最大、最小值，Mpa；为压力信号的初始相位，rad；ω压力信号频率，Hz。

(3)假设阀口曲线为f(x)，当阀芯运动到x＝h时，按照图2坐标系积分求得单一阀口的通流面积A。

(4)依据式(1)建立如下方程关系式：

式中，A₀为单一阀口总面积，m²；n为单层阀口数量，个；L为阀口层数，层；C_d为阀口流量系数，无量纲。