随钻测量中井下大功率发电技术的研究与试验

随着随钻测量和井下导向控制技术的发展,随钻测量仪器和控制工具的功能越来越强,作为井下主流电源的电池已难于满足随钻测量仪器和控制工具对电力的需求。研究分析发现,用大功率发电机作井下电源是解决电力供给的较好方法。介绍了一种可匹配EM-MWD或其它随钻测量仪器和控制工具的井下大功率涡轮发电机。该发电机由发电机本体、涡轮驱动器和无接触传动机构3部分组成,在钻井液排量大于22 L/s、额定输出电流为5 A时,设计输出功率大于600 W。在全排量的试验中,当排量在28 L/s时输出功率达到了1 100 W。试验结果表明,该发电机达到了设计的要求。根据试验中采集的数据,分析了该发电机实际的工作特性。     

大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验

为使在宽钻井液排量变化范围内随钻涡轮发电机输出电压得到补偿和稳定,通过建立随钻涡轮发电机及励磁控制Simulink模型,研究涡轮转速、负载变化及工具行为对发电机输出电压、输出功率和励磁控制的影响。仿真和试验结果表明：当励磁电流为0时,输出电压的范围满足旋转导向工具正常运行的需求,在额定转速范围内,发电机的输出功率达到4 kW;励磁控制系统模型和控制电路的调节性能基本一致,升降压励磁电流达到预期设计指标要求;当随钻涡轮发电机励磁控制系统在升压增磁状态和降压弱磁状态工作时,电压调整率为-19%～20%。所得结论可为旋转导向工具的水力循环测试、实际钻井作业和车间维保等提供数据支持。     

井下外磁转子式涡轮发电机设计与试验研究

为了满足自动垂直钻井系统涡轮发电机寿命及功率需求,采用理论计算方法和仿真分析方法确定井下外磁转子式涡轮发电机电气参数,建立仿真分析模型,进行电磁场、场路耦合以及温度场分析,对发电机电磁特性、损耗以及温度变化进行数值模拟。理论计算和数值模拟结果表明,发电机输出功率达到设计额定功率800 W,在额定转速下的最大功率输出时定子稳态温升23 ℃。利用现场试验对理论计算与仿真数据以及发电机寿命进行验证,试验结果为额定转速下最大输出功率1 000 W,稳态定子温升20.5 ℃,仿真与试验数据基本吻合,发电机运行320 h后仍能正常工作。研究表明,井下外磁转子式涡轮发电机功率输出性能达到设计目标,可以为井下各类仪器设备用电源提供技术保障。      

气体钻井发电机涡轮设计与性能试验

近年,电磁波和微波随钻测量传输技术被应用于气体钻井井眼轨迹的测量与控制,但由于电池供电功率较低,无法满足大于3 000 m井深的随钻测控需求,井下发电机技术可有效提高传输功率,只是气体密度低且可压缩,涡轮和导轮构成的常规组件无法驱动井下发电机正常运转。文章在研究了二维流场中涡轮叶片的速度矢量三角形基础上,结合气体钻井工况分析了涡轮的输出转速、扭矩关系,提出借助行星轮机构提高涡轮输出抗扭特性的设计思路,设计出适用于气体钻井的井下发电机驱动涡轮,使发电机在负载改变时依然可维持稳定输出,并运用计算流体动力学软件(CFD)对涡轮进行全三维流场仿真模拟,通过测试装置验证了发电机的输出效果。结果表明：发电机稳态输出功率可达500 W,满足气体钻井随钻测量传输电磁波和微波传输的大功率需求。     

混合励磁井下涡轮发电机设计及试验研究

针对现有井下发电机功率小、耐高温性能差的问题,设计了一种混合励磁井下涡轮发电机。给出了该发电机的设计方案和计算步骤,分析了高温环境对涡轮发电机的影响及采取的措施,并对其导轮及涡轮型式对发电量的影响做了分析。通过试验研究了高温、高压、钻井泵排量与涡轮发电机性能的关系。结果表明,高压对发电机输出功率无影响,效率随温度的升高而明显下降,在实验室条件下,发电机功率能够满足系统供电要求。     

井下涡轮式发电机叶片间距对性能的影响

为了研究不同导叶涡轮间距对井下涡轮式发电机的质量流量、效率、转矩和输出功率等的影响,并找出导叶涡轮间距与井下涡轮式发电机性能的关系,采用数值模拟技术,应用流体动力学分析方法,对井下涡轮式发电机涡轮的叶轮部分,以及3种不同叶片间距分别进行建模、网格划分、计算求解和分析,指出现有设计的缺陷,提出改型设计的指导意见。数值模拟计算结果表明,为了改善该工况时井下涡轮发电机的性能,可以适当缩小涡轮导叶间距,并对模型的叶型做一定的修改。     

近钻头自发电脉冲发生器涡轮动力仿真及优化设计

激进参数钻井施工中,近钻头仪器应用越来越广,为了延长近钻头仪器井下作业时间,提高其自发电脉冲发生器涡轮发电机的性能,在有限元分析的基础上提出了结构参数优化方案。通过对不同结构参数和定子叶形的流场分析,结合实际应用效果确定设计方案,并对设计方案进行二次参数结构优化。优化结果表明,涡轮发电机效率54.89%增加到68.77%,扭矩11.96增加到18.86 N·m。现场应用结果表明：在深井中涡轮发电机能够正常工作,并且转速下降到最优转速的范围内,涡轮发电机Δ_排量/Δ_转速平均上升27.6%,平均单趟MWD井下作业时间相比同区块延长80～100 h,效率提高28%。     

旋转导向钻井稳定平台控制系统仿真研究

深入分析了调制式旋转导向钻井系统稳定平台的控制原理,在MATLAB/SUMULINK中建立了其控制系统模拟模型。该模型充分考虑了井下复杂状况,引入了一系列影响控制系统的因素,如上下涡轮电机的相互影响、轴承对平台的摩擦扭矩、旋转的钻井液传递给平台的黏滞摩擦扭矩、盘阀系统传递给平台的摩擦扭矩等。采用传统的PID控制算法,即使在采用最优PID参数的情况下,仍然无法得到令人满意的效果。鉴于此,提出了一种采用偏差模糊控制和微调增量的新型模糊控制算法。模拟结果表明,所采用的模糊控制方法能够更快地跟随控制信号,并且超调量较小,提高了系统的抗干扰能力。      

吸振式井下液压脉冲发生装置

为了提高钻井过程中井底钻井液能量及其利用效率,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置,建立了装置的仿真模型并进行了仿真分析,对装置的性能进行了现场测试。基于将钻柱振动能量转化为井底钻井液液压的思路,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置的结构并分析了其工作原理,在此基础上建立了装置的仿真模型。仿真分析结果表明:该装置可调制出较高幅值的井底脉冲压力,产生高出常规钻进喷嘴压降2~6 MPa的射流压力,且通过优选钻井液排量和钻头喷嘴当量直径可提高脉冲压力幅值。现场试验结果表明:与常规钻进相比,该装置可大幅提高钻进速度,有效延长钻头使用寿命;装置性能稳定、使用寿命长,可满足现场钻井施工要求。图5表3参13     

石油钻井用泥浆发电机综述

石油钻井过程中,一般都需要给井下电子测量总成及旋转导向系统中的导向控制模块供电,与传统的锂电池相比,泥浆发电机具有耐高温性好、输出功率大等优势。根据涡轮与发电机本体连接方式的不同以及发电机本体结构形式的不同,论述了泥浆发电机的主要结构形式及其优缺点。结合泥浆发电机的结构示意图,阐明了其工作原理。指明由于发电机本体的直径受限,并且工作在井下高温高压及泥浆排量变化的严酷环境下,导致其输出功率难以大幅度提高,并且给发电机本体制造工艺及涡轮选型等方面带来一系列特殊要求。文章主要以国外产品为例,详细介绍了泥浆发电机在无线随钻测量(MWD)和旋转导向系统(RSS)中的应用情况。最后从耐高温高压、输出电压的稳定性、功率/体积比三方面指明了泥浆发电机的发展趋势。     

井下MWD永磁同步发电机的运行特性分析

井下MWD永磁同步发电机的运行特性包括转速特性、输出电压外特性和输出功率特性。应用发电机转矩平衡方程研究了机械转矩和负载对发电机稳定转速的影响;根据发电机电枢反应分析的双反应原理,采用向量法,结合发电机电势方程和内阻数学模型,通过数值分析手段研究了发电机外特性与电枢反应电抗之间的关系;还研究了负载功率因数和电流谐波对发电机输出功率的影响。最后,对中石油钻井工程技术研究院研制的1台井下MWD系统涡轮驱动三相同步交流发电机的运行特性做了实验测量,得到了转速特性和输出功率特性实验曲线。     

自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计

自动垂直钻井工具测试与控制功能的耗能由井下涡轮发电机提供。为了解决井下涡轮发电机适应泥浆工作环境的问题,将动密封补偿式保护技术和磁力驱动技术结合,取得了增加动密封可靠性、提高高速轴承使用寿命、改善发电机效率、避免发电机线圈和磁钢体直接被泥浆冲蚀的良好效果。该涡轮发电机的设计不仅包括发电机本身性能参数、结构参数设计,还包括磁力驱动器和动密封补偿式保护组件中的补偿弹簧等相关参数设计。给出了井下涡轮发电机磁力驱动器的设计方法,同时也对动密封补偿式保护器的弹簧设计进行了讨论。     

泥浆发电机用磁力传动机构的性能实验研究

磁力传动技术应用在泥浆发电机上能避免高速轴承等关键零部件被钻井液磨损冲蚀,提高使用寿命。为了研究泥浆发电机用磁力传动机构的性能,利用磁力传动性能测试实验台,对磁力传动机构进行了静态和动态性能实验,获得了不同的性能参数,并结合理论计算和有限元仿真进行了对比分析。分析表明,磁转矩随静态转角的变化为正弦曲线,最大磁转矩随耦合长度的增加呈线性增长,理论值、仿真值和实验值基本一致。磁力传动机构的启动转矩大于工作转矩,转速从100 r/ min 增大到 1 500 r/ min 时,驱动端的转矩增加了2~ 3 N·m,隔离套的涡流损耗增大,传动效率下降。该实验结果可为磁力传动机构在泥浆发电机上的工程化应用提供指导。     

自动垂直钻具井下流场特性研究

自动垂直钻井系统在工作中,导向活套与钻杆要有一个相对转速。导向活套在与钻杆连接轴承的摩擦转矩的作用下而随钻杆转动,而井下返程泥浆在通过活套时也会产生阻碍活套转动的反向扭矩,该反向扭矩是保证活套与钻杆存在相对转速的一个关键因素。利用FLUENT软件包对活套井下泥浆流场进行建模仿真,揭示了泥浆通过活套时的流动特性。计算结果表明泥浆对活套的反向扭矩取决于泥浆的流量、活套转速等多种因素,且只要钻杆转速超过平衡钻杆与活套的摩擦转矩的临界转速,该反向扭矩就可以使活套与钻杆间产生相应的转速差。     

ø73 mm小尺寸涡轮钻具叶型设计及优化

小尺寸涡轮钻具主要用于深部高温硬岩地层钻进,对我国油气、干热岩等深部能源矿藏的地质调查具有重要意义,在石油行业中小井眼钻井、老井加深及连续油管钻修井等方面具有较好的应用前景。目前,国内尚无ø73 mm小尺寸涡轮钻具,为推进涡轮钻具系列化,对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的涡轮节中常规级定转子叶片及制动级定转子叶片进行设计优化,旨在研制长度短、转矩适中、转速适中、压降小、功率高及效率高的ø73 mm小尺寸涡轮钻具,使ø73 mm小尺寸涡轮钻具尽快在我国实现现场应用。设计出符合性能要求的3种常规定转子叶型方案和5种制动级叶型方案,通过理论分析及数值模拟,选出最优的常规定转子叶型及制动级叶型方案,并提出常规涡轮级与制动涡轮级复配的5种涡轮节结构方案,同时对涡轮节结构进行了性能分析及方案优选,优选的涡轮节方案在流量5.5 L/s,工作转速1 500～2 500 r/min时,输出转矩为109～140 N·m,平均压降为11.5 MPa,制动转矩为185.5 N·m,可满足小井眼钻井对ø73 mm小尺寸涡轮钻具的输出性能要求。     

井下随钻测量涡轮发电机的设计与工作特性分析

依据经典的二维涡轮设计理论,研究了井下随钻测量涡轮发电机涡轮设计过程中应遵循的原则及约束条件。根据发电机电枢的双反应原理,采用相量法建立了发电机研究模型和内阻数学模型,通过数值分析手段研究了发电机外特性和电压调整率与电枢反应电抗之间的关系。研究结果表明,发电机内阻具有的电流负反馈和功率因数角负反馈特性,在一定程度上改善了电压调整率,并确定出了获得最佳电压调整率时电枢反应电抗的变化区域。根据涡轮发电机实验测量数据,结合发电机电磁特性的理论分析以及涡轮设计理论,计算分析了涡轮的实际工作特性参数。     

旋转导向钻井工具涡轮电机电磁转矩前馈控制

钻井液流量的大范围变动容易导致旋转导向钻井工具空间角度位置控制的适应性差,具体表现为系统在某钻井液流量条件下整定的控制参数,在其他流量条件下常常是不稳定的,出现角度的振荡摆动、控制失稳。通过对涡轮电机电磁转矩与钻井液流量和控制信号动态关系的分析,建立了涡轮电机的动力学模型,模型表明电磁转矩的大小与流量和控制作用的乘积有一定比例关系,电磁转矩随钻井液流量呈动态变化,从而导致了控制的失稳。基于此提出了一种乘积型电磁转矩电压前馈补偿方法,经过前馈补偿后的电机电磁转矩的大小只与控制作用相关,而与钻井液流量无关,从而将一个非线性时变环节变换成了一个线性时不变环节;通过仿真分析与台架试验均验证了该方法的有效性,为实现平台系统在钻井液流量宽范围变化条件下的稳定控制提供了一种简便有效方法。     

旋转导向钻井工具发电机电磁转矩控制及其优化

全旋转导向钻井工具的导向功能是通过调节其下涡轮发电机输出电磁转矩实现的。根据PWM斩波型控制电路模型,推导出旋转导向钻井工具涡轮发电机电磁转矩的数学表达式,通过数值计算确定了电磁转矩与控制量之间的关系,并进行了台架试验验证。从电机磁场储能角度讨论了发电机输出脉动转矩产生的内在原因及其计算方法,并在斩波型控制电路中引入有源功率因数校正技术,设计了一种可提高功率因数和电路稳定性的优化控制电路。试验测试结果表明,斩波优化控制电路消除了谐波脉动转矩,在增强电路稳定性的同时也增加了电磁转矩的调节范围。