MWD旋转阀连续压力波发生器设计可行性研究报告

一、技术领域及背景 31.1技术相关 31.2技术背景 31.3意义及必要性 5二、技术可行性分析 62.1技术简介 62.2技术原理 82.3技术具体实施方式 2.4关键技术及创新点 2.4.1转子沿轴向受力的数学建模 三、市场分析及风险应对 3.1市场需求分析 3.2风险分析及应对 四、经济效益与社会效益分析 4.1经济效益分析 424.2社会效益分析 43五、报告结论 钻井工程在内的油气井工程是石油工业上不可缺少的部分，与油气勘探和油气开发合称为三大支柱。目前，钻井技术不仅仅是打开和建立油气通道，已经成为提高油气井产量、提高采收率等增储上产的新途径和主要手段。由于在实际钻进过程中经常发生钻头偏离设计钻井轨迹的现象，有时是井眼轨迹设计有误差，导致钻井偏靶事件的发生；有时是没有钻遇地质目标层以及钻井取心时由于深及时修改钻井设计轨迹或钻井设计方案是很必要的。由于电缆测井无法解决这类问题，随钻测量(MWD)技术就逐步发展起来，成为获取MWD是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术的简称，是指在钻头附近测得某些信息，不需中断正常钻进操作而将信钻具组合一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中有一个发射器，通过某种遥测信道将信号发送到地面。MWD按传输通道可分为(钻井液)泥浆压力脉冲、电磁波、声波和光纤传播四种方式，目前使用的最经译码和处理，提供所需的信息。MWD“看”到井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据对连续压力波传输技术已掌握的非常成熟，而国内对于该项技术的研究则处于刚开始阶段。总体上，连续波压力发生器可以分为两大类：振荡剪切阀和旋转阀。剪切阀有定子和转子两部分。定子和转子均有相同数量的孔口，在结构上也十分相似。定子固定不动，转子相对于定子以一定的角度偏差来回剪切振荡，当转子沿一个方向旋转时，钻井液流通面积减少，压力增加；当压力增加至最大处时，转子反向旋转，流通面积增加，压力减小，当转子和定重合时，压力恢复正常；转子相对于定子来回的剪切过程产生连续压力变化。此外，剪切阀转子的双向旋转特性可以有效降低转阀被钻井液固相颗粒堵塞的风险。剪切阀的不足之处在于，两侧末位置速度为零，需要电机不断正反转驱动，这种控制方式通常采用步进电机，当遇到较大阻力时，电机难以转到设定位置，影响转子的剪旋转阀在结构上与剪切阀完全相同，不同之处在于，旋转阀沿着一个方向转动，其防堵塞能力不如剪切阀，但是它的电机控制方式相对简单，可以选用线性电机，建立一个闭环反馈电路，通过电量井下参数的实时测量与传输对信息传输速率(比特／秒或bit／s)提出更高要求，如果传输速率过低，将成为系统测量参数扩容的瓶颈，并影响钻速的提高。MWD旋转阀连续压力波发生器设计是目前随钻测量系统中应用最广泛的井下数据传输技术，采用MWD旋转阀连续压力波发生器设计进行数据的传输，使数据传输速率得到较大地提高，采用MWD旋转阀连续压力波发生器设计是解决井下数据传通过MWD旋转阀连续压力波发生器设计可以为相关研究提供指导，因此MWD旋转阀连续压力波发生器设计具有较大地实际应用意MWD旋转阀连续压力波发生器设计借助钻井液的压力波来传送信号。MWD旋转阀连续压力波发生器设计Т的基本原理是将井下测量的信息转换成控制信息，用控制信息控制井下仪器的钻井液压力波发生器，使钻柱中的钻井液压力发生变化，压力信号通过钻柱中的钻井液传递到地面，地面的压力传感器检测到压力信号，并经地面仪器转换，从而得到井下测量信息。压力信号分为三种：正压力泥浆流通来产生压力脉冲。当阀门阻碍泥浆流通时，钻柱内泥浆压力增加；当阀门复位，不阻碍泥浆流通时，钻柱内泥浆压力也恢复到初始状态，从而产生正压力脉冲。MWD系统的信号接收部分安装在地面，其压力传感器可测出的压力脉冲幅值为O.35～0.7分泥浆被旁路到钻柱外的环空里，钻柱内泥浆压力减小；当释放阀闭合时，泥浆压力回升，恢复原值，这样便形成了压力负脉冲。释使钻柱内钻井液产生压力脉动，形成连续的正弦压力波。井下传感器的测量数据经编码后，通过调制系统产生压力变化，在地面通过检测压力信号，经过译码，处理得到测量数据。连续压力波技术的优点是数据传输速度快；缺点是信号相对较弱，对信号处理系统要旋转阀的定子是固定不动的，而转子相对于定子转动。图中以箭头表示钻井液通过定子的多个外围孔口，当转子旋转时部分堵住定子开”位置开始旋转，旋转阀的流通面积逐渐变小，钻井液产生的压力不断增强，当转子旋转至“关闭”位置时，流通面积最小，钻井液产生的压力达到峰值；随后，转子从“关闭”位置继续开始旋转，流通面积逐渐变大，钻井液产生的压力逐渐变小，当转子再次表转子结构，转子处于定子下部。该旋转阀定子、转子阀孔在极坐标下近似呈三角形结构，定子孔口和转子瓣均有一条边与径向重rr11成的面积来表示阀的关闭面积，θ=∏/q～900，则阀孔流通面积θ,则孔的开口面积为,由式(3．1)得根据式(3-5)利用MATLAB进行仿真，得出极坐标下定子阀孔结oc=1280m／s，Q=O.Olm3／s，Pm=4x106pa,由图可以看出，定子孔口实0如果转子阀孔采用图3-1虚线结构，需要根据定子阀孔结构及参数确定转子阀孔的几何参数。通过图3-1可以看出，转子阀孔的边在极坐标下呈直线且部分与定子结构重合，因此可以利用定子结转子结构，在直角坐标和极坐标下进行仿真，结果见图3-6和图在直角坐标系下呈直线结构；而在极坐标下，呈不规则形状。转子此种方法构建的转子结构与图3-1不相符。原因在于极坐标下定子可以利用定子阀孔各点的斜率构建转子后半部分(圆心角22.50～450)的阀孔结构。其中，转子前半部分结构(圆心角00~时斜率构建的转子结构示意图。两图中均将构建的转子阀孔阀孔进行对比，由图可以看出，构建的转子结构(圆心角22.50～450)部分，在直角坐标下呈直线结构；而在极坐标下会向极点产生较大200时斜率构建的转子结构示意图。两图中均子阀孔进行对比，由图可以看出，构建的转子结构(圆心角22.50~450)部分在直角坐标下呈直线结构；而在极坐标下向极点产生轻微阀孔向极点产生的弯曲较小。即在保证转子阀孔沿径向高度大于定子阀孔的前提下，选取的斜率越小，构建的转子阀孔向极点产生的Ⅲ利用分段数值拟合构建转子阀孔将转子阀孔沿圆心角分三段构建，其中第一段结构(圆心角00~0部分)沿用定子结构；第二段(180～22.50部分)利用定子θ=180时的斜率0.0316构建；第三段转子结构(圆心角22.50～450呈弧形。为求得转子阀孔的函数表达式，在直角坐标系下对转子结构曲线进行数值拟合，得到径向高度与圆心角θ之间的函数关系根据前面得出的转子和定子阀孔结构，分别对旋转阀转子保持θ变化规律进行分析。如图3-14所示为转子旋转00～450，单一阀0其中A0为旋转阀全开时截面积；A1为遮挡积；AV1为单一阀孔遮挡面积；A01为旋转阀全开s；A0=0．0016m3。击压力波动卸由“关闭"位置(压力最大值)变化至“开"位置(压力最V1=0．0001m2)，而此处的流通面积本应该为最大值的一根据式(3．8)，得出转子旋转450～900过程中，水击压力波动击压力波动△p随角度θ呈正弦变化；而在转子旋转450～900过程成的面积构成；而在转子旋转450～900过程中，流通面积是由定子转00～900过程中，产生连续压力波信号。修改后转子阀孔为对称结构且转子瓣的两条边均沿径向方向。因转子孔口为对称图形，孔口两边均沿径向方向且径向高度为恒值r-00中，产生的水击压力波动△p随角度移呈现出正弦变化，说明图3-旋转阀产生正弦压力波需要具备两个条件：合理的阀口结构和转子以恒定速率进行旋转。为保证转子的恒速旋转，需要对转子进行受力分析。旋转阀转子的受力只是转子系统受力的一部分，旋转方向主要受两个力：水击作用产生的作用力Fi及阀孔节流产生的作挡的钻井液瞬时速度变为零，转子叶瓣会受到被阻挡钻井液产生的因此转子叶瓣在轴向受到的流体压力为△p=△pi+△pj。；，生的局部阻力，流体流过旋转阀阀口时，局部阻力系数为子，转子位于定子下方。由于定、转子阀板之间总是存在一定的间一阀孔间隙部分。其中，线段AB和线段AC为垂直于纸面部分间板平行于纸面间隙为O.001m，当阀板轴向间隙为0.0δA=523.5mm2。δ系击作用和阀孔节流引起的轴向压力随旋转角度变化曲线。由图中可以看出，轴向压力随旋转角度呈大幅度非线性变化，阀孔节流引起的轴向压力变化较水击作用更为迅速。其中，阀孔节流引起的轴向压力仅在阀孔接近关闭时(旋转角度<200)才关闭过程迅速增加。相对于阀孔节流引起的轴向压力，水击作用引％，击作用引起的轴向压力占整个轴向压力的比重很小，转子旋转过程中的轴向压力主要是由阀孔节流引起。图4-4为转子轴向压力随旋击作用和阀孔节流引起的轴向压力随旋转角度变化曲线。与阀板轴力占整个轴向压力的4.8％。由此可见，随着流引起的轴向压力迅速减少，占轴向压力的比重逐渐变小；水击作用引起的轴向压力相对较缓减少，占轴向压力的比重逐渐变大。图4-7为转子轴向压力随旋转角度变化曲线，相对图4-4的曲线形状小转子所受轴向力，但会使产生的压力波幅度降低。所以进行旋转阀系统设计时，在保证正常压力幅度条件下可适当增加阀板之间的轴向压力作用于转子止推轴承上会产生转子旋转阻力矩，设止转阻力矩与转子旋转角度或阀孔开度有关，当转子旋转时该阻力矩随时间呈非线性变化，尤其在阀孔接近全关闭时，轴向力作用于转子止推轴承上会产生相当大的负荷及旋转阻力矩。计算过程中摩擦系数取为定值，实际上止推轴的摩擦系数非常复杂，通常与轴的旋近年来，全球经济复苏，其是包括中国在内的亚太地区经济迅速发展，对石油的需求大幅增加，使原本就供应紧张的石油缺口进一步加大，源油的供需矛盾日趋突出。为保障经济快速发展的能源供应，油勘探开发力度迅速提高，加之国际油价持续走高，刺激油9%,集团公司钻井队年度总体上呈现增长趋势。随着钻井工作量MWD旋转阀连续压力波发生器设计是伴随着全国各大油田的勘探开发而发展起来的，与石油工业一起成长，在石油勘探过程中占据龙头地位。从油田开发初期，到油田开发的大发展，再到目前油），和成熟的阶段。虽然是成熟期，但由于国际石油价格较高，国内外油气资源与需求一方面油气需求不断增长给随钻的发展带来了发展的机遇。MWD旋转阀连续压力波发生器设计在世界范围内，石油工业科技进步极大地推动了近代石油工业的发展，不但使油气储量不断增加，而且使油气开采成本大幅度下降。随着各油田勘探开发的不断深入，勘探、开采难度加大，为降低综合生产成本，尤其是降低钻井成本(钻井费用占石油勘探开发费用的50%-80%)，提高竟争能力，各石油公司都争相继续研究和发展先进适用的钻井技从国内外待发现资源量及剩余探明可采储量分布来看，MWD旋转阀连续压力波发生器设计的图存和发展壮大，决定了我国随钻技术必须树立“巩固内部市场，发展外部市场，开拓国际市场”的发所以，MWD旋转阀连续压力波发生器设计节约了石油开采成技术的投资风险是指投资者在投资活动中发生失误，以致投资活动失败的可能性，包括投资项目的流产、中止、撤消、延期、效益不足、亏本、因事故而放弃等。企业技术创新中的投资风险主要来自金融环境的变动，投资过程不规范，投资项目管理水平低，企技术风险主要来自技术创新的构思和实施阶段。企业的技术包水平、结构、发展过程的预测技术风险的种类很多，其主要类型是技术不足风险、技术开发风险、技术保护风险、技术使用风险、技术取得和转让风险。其成因一方面源于技术开发自身这些规律包括技术创新外部环境的不确定性，如国家产业政策、能源政策、生产力布局政策等的变化，社会经济环境的变化，替代技术的出现，消费者需求的变化，竞争对手的出现，企业生产条件的商务风险主要来自于创新的技术成果转让或转化阶段。即使是一项成熟的技术，要转化为实际的生产活动，也还有大量的组织工作要做。一是要检验技术的生产现实性，需要不断搜索和确定生产的环境参数、连续生产的设备参数，为调整工艺设计购置设备提供准确依据；二是要确定合理的原料、动力等消耗参数；三是要组织连续的、规模化生产。只有创新技术本身具有可行性、适用性、先进性、完备性、可靠性，再加上相应的配套技术，技术转化或者转市场风险包括两个方面：技术性风险市场化，即由于产品技术本身的不成熟，使得新产品在市场推广过程中有被消费者拒绝或被竞争产品攻击的风险。这主要是由于在技术创新的构思和实施阶段未对技术的市场适应性、先进性和收益性做出科学的预测，从而把创新技术的技术风险带到了市场的商品化阶段。商业化风险，即技技术创新决策风险实质是一种选择风险。决策风险是在不完全信息下，对可能出现某种风险障碍的经济和技术方向与目标的选择。技术创新中的非完全信息主要包括：对投资估算的不准。实际投资大大超过预期投资是常见的一种现象；对国家宏观经济形势与产业经济政策的不准确预期；对技术产品生命周期的估算不准；对市场需求量预测不准，对竞争对手情况不完全了解，掌握信息较少公司的快速发展需要有完善的财务制度和财务体系的保证，对主要的销售人员掌握公司重要的客户渠道资源，一旦丧失也将带来不可估计的损失和确定能力。由于技术创新的主体受技术水平和其他多方面因素的影响，不可能对创新技术的成果转化和投放市针对投资风险，企业可选择把风险进行转移。风险转移有两种形式，即技术创新风险的财务转移和技术创新的客体转移。实施风险的财务转移有两种常用的方法：一种是参与保险，此时技术创新项目的承担主体不变，但风险损失的承担主体发生了变化，当技术创新项目失败时，保险公司将承担部分损失。另一种是吸收风险投资，此时项目的承担主体仍是企业，风险投资公司主要是参与风险损失和风险收益的分摊。技术创新的客体转移是指创新活动的一部分或全部由一个承担主体向另一个承担主体转移，有利于充分有效地利用有限的资金和技术力量。其方式包括：技术转让、委托开针对技术风险，可采用如下策略：首先是重视技术方案的咨询论证，就技术方案的可行性进行研究，对项目方案的风险水平与收益水平进行比较，对方案实施后的可能结果进行预测。其次，应改善内部组织，建立有利于技术创新的生产过程组织。第三，通过选第四，建立健全技术开发的风险预警装置，及时发现技术开发和生产过程中的风险隐患。第五，建立健全有关技术管理的内部控制制针对商务风险，企业可以将承担的风险部分或全部转移给他人承担。其途径主要有：进行风险担保。企业向保险公司担保，交纳一定的保险金，若新产品失败，则在责任范围内由保险公司负责部分损失补偿。通过技术转让、技术交易等方式，向其他主体转让风险。在技术创新过程的不同阶段进行风险转移。当新产品在生产阶技术性风险市场化，针对此类风险，可以在技术创新的构思和实施阶段对技术的市场适应性、先进性和收益性做出科学的预测，从而把创新技术的技术风险带到了市场的商品化阶段。而针对商业化风险，要拓展市场开拓团队建设，使成功的技术产品在短周期内针对企业技术创新过程中的决策风险，企业应在充分分析外部环境和内部条件的基础上，通过提高信息获取能力、改善组织结构用经济合理可行的方法进行处理，以降低企业技术创新风险，提高制定完善的财务制度和财务体系，定期考核财务指标可有效避通过交叉管理尽可能避免某一个人员独自掌握公司的渠道资源，建①建立有效的风险控制的组织机构。其主要职责是在制订与评估规划时，从风险管理的角度对项目规划或计划进行审核并发表意见，不断寻找可能出现的任何意外情况，试着指出各个风险的管理策略及常用的管理方法，以随时处理出现的风险，风险管理者最好是由项目主管以外的人担任。风险管理岗位的人数依据项目大小来②建立有效的风险控制管理过程。风险管理过程包括培训，风险识别、风险分析、风险计划、执行计划、跟踪计划根据企业和项目的实际情况，进行科学的项目风险和控制，对项目的成功研发有着举足轻重的意义。在项目开发的过程中，进行必要的项目风险分析，制定符合项目特点的风险评估和监督机特别是要定期对项目的风险状况进行评估和监管，发现意外风险或者是风险超出预期的一定要重点关照。发现问题要立即上报，尽快解决。并建立风险监管日志，实行“岗位负责制”，将风险降到最③建立畅通的沟通渠道和沟通策略。需求的不确定性风险很大程度上是由沟通不畅引起的。因此,要加强客户与开发团队的凝聚力,适应变化。另外,可以在客户现场办公,在调研的同时做需求,根据装置架构和功能划分边做设计边做开发。在用户、管理者和开发人员三者之间使用统一的术语,使交流更加清晰。加强各项目组织间的以④配备高素质的项目管理人员最好由具有丰富的项目管理经验,或是经过装置的项目管理知识入入