zts電磁隨鉆測量系統(tǒng)小直徑渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計

1、ZTS電磁隨鉆測量系統(tǒng)小直徑渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計吳翔1，宋繼偉2（1，中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074；2，貴州省地礦局，貴州貴陽100011）摘要采用欠平衡井開采中、低壓油藏是現(xiàn)代石油工程的最新熱點(diǎn)，電磁式隨鉆測量儀是為欠平衡井提供井下信息的最有效工具，俄羅斯ZTS系列電磁隨鉆測量系統(tǒng)（以下簡稱ZTS系統(tǒng)）就是在此前提下引進(jìn)的，ZTS系統(tǒng)吸收、研發(fā)工作的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容就是其附屬井下電源——渦輪發(fā)電機(jī)的小直徑化設(shè)計問題。文章在介紹ZT

2、S系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上，以ZTS108系統(tǒng)使用的SG074型發(fā)電機(jī)作為參考原型進(jìn)行發(fā)電機(jī)的小直徑化設(shè)計，通過計算比較，總結(jié)出渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法，確定出小直徑發(fā)電機(jī)合理的結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)。關(guān)鍵詞電磁隨鉆測量渦輪發(fā)電機(jī)渦輪小直徑水力性能中圖分類號:TE271文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言引言自20世紀(jì)90年代得以充分發(fā)展的欠平衡鉆井技術(shù)是旋轉(zhuǎn)鉆井的發(fā)展和繼續(xù)，是鉆井工作者經(jīng)過長期實(shí)踐針對中、低壓油藏所采用的科學(xué)對策[1]。國內(nèi)外實(shí)踐證

3、明，開發(fā)低壓低滲和裂縫孔洞性碳酸巖儲層欠平衡鉆井是減小污染、提高采收率的有效途徑。常規(guī)泥漿脈沖式MWD在欠平衡井鉆進(jìn)測量工作中存在很大的缺陷，相比較而言，電磁波式隨鉆測量系統(tǒng)在這個領(lǐng)域中應(yīng)用具有顯著的優(yōu)越性，ZTS系統(tǒng)就是在此前提下引進(jìn)的。ZTS系統(tǒng)的吸收研發(fā)工作，不僅可以解決欠平衡井鉆進(jìn)測量問題，同時可以為其在小井眼鉆井和固體礦床鉆探領(lǐng)域?qū)ふ业骄薮蟮耐茝V應(yīng)用空間。目前ZTS系統(tǒng)的研究工作主要集中在兩個方面：電磁信號傳輸特性的研究和井下

4、儀器供電技術(shù)的研究。井下儀器系統(tǒng)的供電技術(shù)是電磁隨鉆測量技術(shù)的一個關(guān)鍵問題，在傳統(tǒng)的石油鉆井中，由于井眼直徑較大，井下儀器采用大直徑渦輪發(fā)電機(jī)在技術(shù)上是可行的，并在實(shí)際應(yīng)用上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大直徑渦輪發(fā)電機(jī)長時間連續(xù)供電，但在小井眼鉆井和固體礦床勘探中，由于渦輪發(fā)電機(jī)的輸出性能與渦輪直徑的減小成五次方關(guān)系衰減，因此，對系統(tǒng)的供電則很少采用渦輪發(fā)電機(jī)，一般是采用鋰電池供電，但由于供電時間相對較短，對鉆井工程產(chǎn)生一定制約，同時，頻繁的更換電池與充電

5、等，也造成應(yīng)用繁瑣等問題，因此，小直徑渦輪發(fā)電機(jī)的研究開發(fā)已成為ZTS系統(tǒng)的重要課題。ZTS系統(tǒng)現(xiàn)在配備的發(fā)電機(jī)最小直徑（SG074型）為89mm，本次設(shè)計目的在于完成75mm級渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作數(shù)據(jù)的確定。2發(fā)電機(jī)的設(shè)計理論發(fā)電機(jī)的設(shè)計理論2.1渦輪發(fā)電機(jī)工作原理渦輪發(fā)電機(jī)工作原理井底渦輪發(fā)電機(jī)右端渦輪側(cè)懸掛，左側(cè)通過航空插頭向井內(nèi)儀器送電。發(fā)電機(jī)的軸和纏繞在它上面的線圈在工作時處于軸向靜止?fàn)顟B(tài)組成發(fā)電機(jī)的定子。外殼中固定了圓環(huán)柱狀

6、高強(qiáng)磁的磁鋼，以建立磁場，組成了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。渦輪在鉆井液的沖擊下快速旋轉(zhuǎn)，通過連接帶動裝有磁鋼的外殼（即轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)，從而形成一個旋轉(zhuǎn)的磁場，發(fā)電機(jī)線圈相對于這個磁場旋轉(zhuǎn)，類似運(yùn)動的導(dǎo)體往復(fù)的切割磁力線，從而產(chǎn)生交流電[2]。ZTS系統(tǒng)配備的三種型號渦輪發(fā)電機(jī)如圖1。2.2SG074渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作數(shù)據(jù)渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作數(shù)據(jù)流量范圍：7～20ls；額定流量：12ls；轉(zhuǎn)速范圍：550～3000rmin；額定轉(zhuǎn)速：=1400rmin

7、；n額定功率：=225W；發(fā)電N渦輪外徑：=89mm；D輪毅直徑：=44mm；hd輪毅比：=0.494；Dddh?葉片厚度：mm；2??重疊系數(shù)：=5.5；m葉片安裝角：?5.26??2.32.3渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計路線渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計路線電磁學(xué)原理知道，渦輪發(fā)電機(jī)的輸出電壓公式為：tBU??sin22??由公式可以看出，決定發(fā)電機(jī)輸出電壓和功率的參數(shù)有三個，磁場強(qiáng)度B、轉(zhuǎn)速ω和發(fā)電機(jī)工作線圈等效面積ф。發(fā)電機(jī)磁場強(qiáng)度B是固定不變的值，設(shè)計結(jié)果

8、只需保證小直徑化后仍有足夠的轉(zhuǎn)速，并且線圈有足夠?qū)?.2節(jié)數(shù)據(jù)代入計算過程，得出SG074型發(fā)電機(jī)的額定流量為12Ls，這與SG074實(shí)際工作情況非常符合，因此可以確定使用該計算方法進(jìn)行發(fā)電機(jī)的設(shè)計計算是可行的。3.2渦輪輸出特性的影響因素研究渦輪輸出特性的影響因素研究渦輪發(fā)電機(jī)渦輪的參數(shù)主要有流量、輪轂比Q、葉片安裝角、轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、壓d?nNM降，其中轉(zhuǎn)速、功率、扭矩稱為渦輪ffH?nNM的輸出特性，輪轂比、葉片安裝角、流量稱d

9、?Q為渦輪輸出特性的影響參數(shù)，輪轂比、葉片安裝d角屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)（內(nèi)特性參數(shù)），流量屬于輸入?Q參數(shù)（外特性參數(shù)），這三個影響參數(shù)單獨(dú)以及不同的組合都能對渦輪的輸出特性造成影響，但是影響程度是不一樣的，這樣就決定了渦輪設(shè)計結(jié)果的優(yōu)劣和可用性。在上面已經(jīng)形成系統(tǒng)計算過程的情況下，對以上三個參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的取值配比，然后計算討論，分析渦輪在不同結(jié)構(gòu)和輸入?yún)?shù)組合時的輸出特性，最終確定小直徑渦輪的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入?yún)?shù)。通過不同流量、不同輪轂比、

10、不同葉片安裝角的詳細(xì)配比計算，確定、、對渦輪輸出特性Qd?的影響規(guī)律如下：1、流量越大，相應(yīng)渦輪的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩越高；2、安裝角越小，相應(yīng)渦輪的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩越高；3、輪轂比越大，相應(yīng)渦輪的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩越高；4、極小的安裝角極大的輪轂比相配合（稱為渦輪參數(shù)的極大值配合）可以產(chǎn)生極高的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩，極大的安裝角極小的輪轂比（稱為渦輪參數(shù)的極小值配合）相配合會產(chǎn)生極小的轉(zhuǎn)速、功率、扭矩；5、渦輪參數(shù)的極大值配合雖然可以產(chǎn)生更高的

11、輸出特性，但是這種配合帶來的缺點(diǎn)就是：產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速過高，影響發(fā)電機(jī)的平穩(wěn)工作和機(jī)械安全性能；渦輪產(chǎn)生壓力降過大，大幅度的增加泵壓，影響整個鉆進(jìn)系統(tǒng)沖洗液的循環(huán)性能。渦輪參數(shù)的極小值配合會使渦輪達(dá)不到設(shè)計性能的要求。因此渦輪的安裝角和輪轂比的選取應(yīng)該使是一個合理折中的數(shù)值，一般有要求安裝角在25～45之間，輪轂比在0.4～0.6之間。推理得出9個影響系數(shù)：1、流量對渦輪轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的影響系數(shù)：)75(120222hgdtgrK????2

12、2221)75(16hdtgK?????)75(4222hgdtgrK?????2、安裝角對渦輪轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的影響系數(shù)：)75(120222hgdrQK????222231)75(16hdQK?????)75(42222hgdQrK?????3、輪轂比對渦輪轉(zhuǎn)速、功率、扭矩的影響系數(shù)：327546.339??????tgQK42317516??QK?????tgQK220754.0??3.3小直徑渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的最終確定小

13、直徑渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的最終確定在上面分析的基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)的計算，最終確定了適用于小直徑（鉆頭外徑91mm，發(fā)電機(jī)外徑75mm）鉆進(jìn)用的渦輪發(fā)電機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)尺寸以及相應(yīng)的流量配比、輸出特性如下：外徑=75mm，輪轂比=0.6，輪轂直徑Dd=45mm，比轉(zhuǎn)速=500，葉片數(shù)=8，葉片弦長hdsnz=157.41mm，葉片高度=83mm，安裝角=32，lh?額定流量=10，額定轉(zhuǎn)速=1741rmin，額定Qls額定n功率=318W扭矩