毕业设计（论文）负脉冲发生器及地面装置台设计

西安石油大学本科毕业设计（论文）负脉冲发生器及地面装置台设计摘要 : 随着钻井技术的不断发展，需随钻测量的井下参数越来越多，对测量的实时性要求也越来越高,本次设计依据负脉冲发生器的工作原理和特点，借鉴MWD液压脉冲信号发生器的工作原理，对负脉冲发生器进行了新的结构设计。重点对信号发生器进行了设计，选择了合适的直流电动机、电机驱动器、联轴器及机械密封装置。最后简单介绍了发生器地面实验系统原理及地面实验系统整体组成，并对信号的干扰与衰减进行了简单的分析，提出避免干扰与衰减的处理方法。关键词：随钻测量，负脉冲发生器原理结构设计，地面装置设计，信号分析与处理Negative pulse generator design ground station equipment Abstract : With the continuous development of drilling technology required to measure downhole drilling parameters, more and more real-time requirements on the measurement have become more sophisticated, this negative pulse generator design based on principles and characteristics of the work, drawing on the hydraulic pulse MWD Signal generator works on the negative pulse generator a new structural design. Focus on the signal generator has been designed to select the appropriate DC motor, motor drive, coupling and mechanical seal. Finally, a brief ground test of the generator system of principles and the overall composition of the ground experiment system, and signal interference and attenuation of a simple analysis, to avoid interference and attenuation approach.Keywords: MWD, and negative pulse generator design principle, the ground device design, signal analysis and processing 目 录1. 绪论11.1 无线随钻测量系统研究发展状11.2无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状41.3课题的研究目的及意义52. 负脉冲发生器的工作原理62.1 负脉冲发生器的基本工作原理62.2井下旋转控制系统的理论依据63. 负脉冲发生器控制系统结构设计83.1 井下旋转控制系统结构83.2 电动机的选择93.3 电动机的选择143.4 联轴器的选择143.5 机械密封的选择153.6、 其他部分设计与计算174. 控制系统模拟调试264.1 负脉冲信号发生器地面实验系统原理264.2 地面实验系统整体组成264.3 控制系统的组成274.4 信号采集284.5、 钻井液脉冲信号的影响因素294.6、 信号的衰减因素分析304.7、 其他影响因素304.8、 信号处理315. 结论与研究展望335.1 结论335.2 研究展望336. 参考文献347. 致谢35351. 绪论1.1 无线随钻测量系统研究发展状况在地质勘探和油气田的开发中,钻井的工作量逐年增加,深井和海上钻井益增多,钻井成本不断上升,这就促使人们把注意力集中到安全钻井和降低成本两个方面。快速取得井下钻井数据的方法为这两个方面提供了最大的可能性。在钻井工程中,最早是处于“盲目钻井”。操作人员凭感觉和经验来推断井下情况。而钻井效率,质量和安全等重要技术经济指标,主要是取决于操作者的技术水平和丰富经验程度。至今这种状况有了很大的改变,但是钻井工人和地质人员还是依靠间接的地面参数,（如大钓负荷、转盘转速、扭矩、泥浆排量和泵压等）或事后的（中断钻井并起出钻柱或在完井阶段,再用钻柱、电缆或钢丝绳将测量仪器下入井内进行测量）测量,测得的井下参数和观察钻头磨损情况,机械钻速,钻屑和泥浆中的油气显示等来判断井下情况。然而,随着钻井技术的不断发展,钻井工程正进入一个新的发展阶段一在钻进当中测量（随钻随测）的新时期。所谓随钻随测（Measureing While Drilling简称为MWD）,即在钻井当中测井、测量或井眼遥测,更确切地讲是在钻进当中的井下检测。 目前,随钻随测的内容包括两类测量数据:第一类是关于安全钻井和经济效果的数据(井眼的斜度和方位、钻压、钻头扭矩、钻头工作情况、井底压力和流度、泥浆性质和动力钻具工况等)；第二类是实时测井和对地层评价的数据（岩层电阻率、伽傌射线、自然电位、中子密度、声速、导热性及其它）。当前主要测量第一类数据,以满足钻井的需要。该数据又分为三方面：安全、方向测量和控制（即定向钻井）、钻井效率。其中前两方面最重要。按照从井底到地面的不同传输方法,随钻随测技术主要有四种类型：1.泥浆脉冲传输系统；2.有线传输系统；3.声波传输系统；4.电磁传输系统。其比较见表1。目前,西方国家有四十多家公司在研究随钻随测系统,家公司有了试验方案,测量参数有限的随钻测量装置已用于生产（如井斜、方位等）,测量参数较多、传输能力较大的正处于野外试验的最后阶段,多功能的完善装置可能在今后几个月或几年的时间才能完成。在今后五年,随钻测量装置获得成功与应用将使钻井工艺发生变化,到那时钻井工人和地质人员随时都可以了解到井下的情况,按照井下数据,控制钻井过程,达到钻井的最佳化。随钻随测系统对钻井工程师和地质师的重要性完全相同。在钻井现场,这种系统早已使用于测量有关井眼方位和倾斜角的数据,特别是在定向钻井中。其它的钻井参数,例如钻压,钻挺扭矩和井下压力及温度测量,可帮助钻井工程师提高钻速和改进钻井效率,实现最佳化钻井。随钻随测还有助于改善泥浆配制,并可更准确地选择套管鞋设置的层位,尽可能避免（减少）下技术套管或尾套管。大大减少钻井中非有效时间并节省钻井费用。随钻随测可以改善定向钻井的控制,使钻井效率得到提高,减少停歇时间。估计随钻随测将提高钻井效率（降低成本）。现在一个海上平台,通常要钻口定向井,而每一口井将近测60次井斜方位,如果采用随钻测量可节省大量时间,约几十万美元。根据资料计算,随钻随测如果提高钻井效率,西方国家每年就可以节省几亿至几十亿美元。地质随钻测量仪器给地质师提供非常好的对比和识别断裂层、取芯点和下套管深度的数据。做到一进入含油、气层地带就能及时识别出来,以便及时测试和取芯。此外,电阻率测量对含油气地层提供定量分析的数据。毫无疑问,随钻随测技术的首要价值就是获得数据及时。现在可由当班司钻随时根据从井下得到的数据来控制钻进操作。这样不仅效率高,而且安全和节约时间。同样有重大意义的是：如果油井出事故,地层测井已获得的数据,可以作进一步分析更深地层的地质情况,以便合理地决定对油井的报废或重钻。今后,随钻随测还将提供反馈电路,可以用作实现钻井全部自动化。井下探测仪器还可以提供双向传输信号的能力,可以随时根据地面指令进行井下测量和操作。随钻测量系统（MWD）能在钻进过程中自动连续测量井底附近的有关参数并传输到地面，进行计算机实时显示、存储、处理和打印，为下一步施工设计提供依据MWD最大的优点是可实时地“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只延误几分钟，所以可以改善决策过程。在地质钻探、石油钻井中，特别是受控定向斜井和大位移水平井中，随钻测量系统是连续监测钻井轨迹、及时纠偏必不可少的工具。MWD的信号传输方式分为有线（电缆）和无线两种。电缆方式的优点是可直接向井内传感器供电，实现井内和地表设备之间的双向通讯，实时性好，数据传率高。但电缆往往影响正常钻进过程。无线方式不使用电缆，是定向钻井技术发展历程中的一个里程碑。导向钻进和自动定向钻进等现代钻探技术都以无线方式为基础。无线随钻测量仪一般有两大部分组成：一是地面系统，一般由地面接口箱、钻台显示器、上位机软件组成，其主要功能是把井下脉冲发生器传来的信号从立管压力中解读，计算测量参数，并显示给操作人员，指导定向钻井；二是井下部分，主要由测量控制短节、动力短节和信号传输短节组成，而液压脉冲信号发生器是信号传输短节的核心部分。钻井液脉冲无线随钻测量仪器的信号传输方式是：首先将井下测量的电信号数据转换为机械信号，然后转换为压力脉冲信号，再以钻柱内的钻井液为介质带到地面，最后在地面接收脉冲信号并解码获取随钻参数。随着受控定向斜井、分支井和大位移水平井等钻井技术的迅猛发展，美、俄、法、英的无线随钻测量技术日趋完善，其井内仪器已经系列化并大面积推广使用，如：（1）斯伦贝谢公司用新的SlimPulse回收式MWD系统解决了深水平井作业面临的高温、高压两大难题。在意大利Villafortuua-Trecate油田，用SlimPulse MWD技术钻成了世界上最深的水平采油井。最终井深达6421m，井斜角，创造了在垂深6062m、斜角8590的条件下水平钻进184m的世界纪录。（2）Precision Drilling Computalog公司其恶劣环境MWD（HEL MWD）系统能在180，172Mpa的井下环境中稳定工作。HEL包括定向探测器、高温方位伽马仪、环境恶劣度测量和井眼/环空压力探测器。HEL系统已在墨西哥和美国进行了广泛的现场试验，在泥浆密度高达1.87g/cm，井下温度超过170的井中成功作业。（3）俄罗斯电磁波式MWD系统1987年研制成功后，曾在西伯利亚几个油田的20口井内502000m深度的井段进行了93个回次的生产试验。与传统测斜仪的比较试验表明，其中75%的回次吻合的很好或较好，表明俄罗斯的该遥测系统已经满足工业要求。1999年11月该系统曾用于“亚马尔地质科技生产公司的No2030井。在井深25032818m的井段，用了两个回次进行造斜，使顶角增至34.5。经过一段稳斜段后，在井深3422m处再次造斜，使顶角达到85.6，终于钻到了设计的层位，并顺利准确地从油层中穿过。结果表明，这种电磁波式系统不仅在钻井过程中，而且在接钻杆停止钻井液循环的情况下，都可保证井眼弯曲参数的正确测量，同时还可记录钻进过程中的岩层电阻率曲线。正是由于在No2030号井中使用了电磁波式系统，才使这口井深3756m，水平偏距950m(其中水平井段450m)的油井在94天的时间内完成了全部钻井、固井和测井工作，并达到了沿含油层钻进的目的。与国外技术相比，我国还处在引进和消化国外无线MWD技术的阶段，但正在加快研究步伐。如中国石油天然气总公司、大港油田、胜利油田和北京海蓝公司等单位和相关研究机构正在进行国产随钻测量仪器的研制工作，以尽快消除MWD技术长期被国外垄断的局面。1.2 无线随钻测量系统中信号传输方式的应用与研究现状无线MWD按传输通道分为泥浆脉冲、电磁波和声波三种方式，最新的组合式目前还处在研究阶段。其中泥浆脉冲和电磁波方式已经应用到生产实践中，以泥浆脉冲式使用最为广泛。（1）声波传输系统该系统利用声波传播机理来工作。当钻柱、钻头与井底相互作用时，钻柱中会出现纵向弹性波，能监测的主要参数是岩石破碎工具的回转频率，其中主要是牙轮的振动谐波。由于振动的幅值和频率与牙轮的磨损程度具有相关性，所以可据此来判断工具的状态。当钻进规程保持不变时，信号的幅值变化情况还可以反映岩石的力学性质。由于信号在钻杆柱中传播衰减很快，所以在钻杆柱内每隔400500m要装一个中继站。声学信息通道的缺点是传送的信息量少，类似于噪声的声学信号不可能给出准确的工艺解释，信号随深度衰减很快。（2）电磁波通道系统该系统把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器中，通过远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号。其优点是信息传输速度比水力通道快；对钻井液的质量要求和钻探泵的不均匀性要求更低；对正常钻进没有干扰；与其它方法相比，准备工作简单，起下钻时也能传输井下资料。缺点是信号衰减大，只能传播低频电磁波，易受井场电气设备的干扰和岩石电阻率的影响。由于钻井空间狭小，电磁波发射实际只有垂直天线(沿钻杆的轴向电流)和垂直磁天线(绕钻杆的水平电流环激励沿钻杆方向的磁场)两种激励方式。激励轴向电流最简单而有效的方法就是使特制的钻杆成为用绝缘接头连接的两段结构，由激励器输出的电压通过密封接头馈于两端，形成一种类似双极天线的地下非对称双极激励装置。最合适的井下激励方式为激励沿钻杆引导的轴向电流。（3）泥浆脉冲系统泥浆脉冲系统在石油钻井工程中应用最普遍，脉冲信号的产生可以通过将部分钻井液排到环空来实现，也可以通过限制钻井液在钻柱中的流动来实现。对钻井液有严格的要求：含砂量1%4%，含气量7%。钻井过程中,钻井液形成了井底至地面的连续介质,这种连续介质为随钻测量提供了良好的信号传输通道。钻井液脉冲传输信息借助钻井液的压力波来传输信号,其原理是钻井液在液压泵的驱动下在钻柱水眼内高速流动,在钻井液脉冲器的叶轮上产生扭矩;驱动电路按指令产生的驱动电流驱动特定阀门带动锁齿销轴运动。控制机构的旋转锁齿释放一个齿位,反映到钻井液脉冲器的转子上就是转过一个特定角度,引发钻井液脉冲发生器流道的开启或关闭,改变钻井液流动阻力,产生钻井液压力脉冲,将电子数据信号转换为钻井液脉冲信号,并将其送至地面。钻井液的压力有正脉冲、负脉冲、连续压力波之分。钻井液脉冲式随钻测量信息传输工作原理见图1.2。 图1.2 钻井液脉冲式测量信息传输工作原理1.3 课题的研究目的及意义随着随钻测井和地质导向等钻井技术的发展，随钻测量的井下参数越来越多，对测量的实时性要求也越来越高，泥浆脉冲信号发生器的信号传输速率已无法满足较大数据通讯量的要求。为提高井下信号的传输速率，必须通过改进信号发生器的结构，达到传输速率的要求。通过该课题的研究可以缩短与先进国家在信号发生器理论模型分析的差距，提高我们的技术水平。同时该项目研究也为地质导向和闭环钻井技术研究打下一定基础，对控制钻井成本、提高钻进技术水平，特别是对大位移井、分支井、水平井等高难度工艺井的应用具有重要的现实意义，把我国钻井技术推向新的发展阶段。2. 负脉冲发生器的工作原理2.1 负脉冲发生器的基本工作原理负脉冲信号发生器的基本工作原理（如图2.1所示）：泥浆负脉冲发生器中，泥浆液流入短节，一部分沿着外罩壁流出，另一部分从外罩流入，电机通过传动装置来控制转阀中的转子旋转，从而控制进入脉冲发生器的泥浆的流量。开启泥浆负脉冲发生器的泄流阀时，泥浆液经泄流阀门的打开通过泄流口流向泄流管外管外空间，且泄流阀门打开的时间很短，会引起钻柱内部泥浆压力降低，从而便产生脉冲。由于管内压力波动信号为低于钻柱内正常压力的脉动信号，因此产生的一系列脉冲为负脉冲。泄流阀的动作是由探管编码的测量数据通过驱动控制电路实现。在地面通过连续地检测立管压力的变化，并通过译码转换成不同的测量数据。 图2.1 负脉冲信号发生器的基本工作原理2.2 井下旋转控制系统的理论依据2.2.1、 井下旋转系统的工作原理井下旋转系统的工作原理如图2.2所示，电机通过传动装置来控制转阀中的转子旋转，其中电机由控制器和驱动器来控制。转子和定子上都开有通孔，在转子旋转的过程中，当转阀通流面积增大时，泥浆流动畅通；当通流面积减小时，泥浆流动受阻图2.2 井下旋转控制系统工作原理图在液压系统中常见的节流方式大致有薄壁小孔节流、缝隙节流、短管节流和细长孔节流等类型，在阀类元件中以薄壁小孔节流型式应用较多。在设计阀口时，以薄壁小孔的流量特性理论为依据，其流量特性可由下式表示 (2-1)式中，Q为流过阀口的流量 ， ；为阀的流量系数，一般=0.60.8；为液体密度，；P为阀口压，MPa；A为阀口的面积，由公式（2-1）变换的：= (2-2)由（2-2）可以看出，当，,Q确定后，阀口前后的压力增量只与流通面积有关，并与流通面积成反比。2.2.2、通流面积的设计原则由式（2-1）变换得： (2-3)由式（2-3）可以看出，在液体的性质、流量、转阀的结构一定的情况下，压力增量p的变化唯一地取决于通流面积A的变化，因此，只要控制阀的通流面积按照一定的规律变化，就可以产生一定规律的压力波动。在转阀结构中，只要设计合理，控制得当，就可以提高整个系统的构成和控制系统的能力和特性，是决定信号产生和变化的关键，所以，研究、设计优良的结构及相应的控制方法是提高信号发生器工作性能的主要途径。3. 负脉冲发生器控制系统结构设计随着钻井技术的不断发展，随钻测量的井下参数越来越多，对测量的实时性要求也越来越高，现有的脉冲信号发生器的信号传输速率已无法满足较大的数据通讯量的要求。为提高井下信号的传输速率，必须通过改进信号发生器的结构，达到传输速率的要求。3.1 井下旋转控制系统结构井下旋转控制系统主要是由外壳体、转阀、传动机构、电动机等组成，其中转阀是由定子和转子组成。由地面泵提供的钻井液，并经外壳体的流道流入钻头喷嘴或供给井下动力钻具等其他负载。由于转阀口的节流限流）作用，在电机带动转子旋转的过程中，转阀口从最大通流面积变化到最小通流面积，然后再从最小通流面积变化到最大通流面积这样依次变化。提高信号发生器工作性能。转阀结构简图如图3.1所示，在此转阀中，转子和定子形状类似并都开有2个对称的扇形孔，如图四所示,图中为转子上所开扇形孔的角度，为定子上所开扇形孔的角度，所不同的是转子所开扇形孔的角度等于定子上所开扇形孔的角度，即，其目的是保证阀口通流面积最小时产生所需的压力信号幅度，同时防止出现憋压的情况。图3.1 转子和定子结构示意图 转阀通流面积A的计算在转阀的设计中，已知参数为：泥浆流量为Q =0.03;泥浆密度=1.1；进阀压为;流量系数取；压差变化频率f=10Hz30Hz。在前面章节中已说明在设计井下旋转控制压力信号发生器的转阀阀口时以薄壁小孔节流类型为理论依据，将已知数据Q =0.03=1.1代入表达式（2-3）得到阀口通流面积为： 转子和定子扇形孔角度的确定在转子旋转的过程中，转阀的通流面积，其表达式为： （3-2）式中， m为扇形孔的个数，为转子上所开扇形孔的角度，为定子上所开扇形孔的角度（如图4所示），为转阀口的内径（即转子和定子扇形孔的内径），为转阀口的外径（即转子和定子扇形孔的外径）设计扇形孔个数m=2，并根据钻铤的尺寸限制，选定转阀口的内径=24.5 mm，转阀口的外径=27.5mm。将以上已知数据分别代入表达式（3-1）和式（3-2）得到转子和定子开口角度分别为：=3.2 电动机的选择在此模型结构中电动机选用的是应用越来越广泛的无刷直流电动机，之所以选用无刷直流电动机，是因为它有一些独特的优点。3.2.1 无刷直流电动机的结构无刷直流电动机在结构上与一般的有刷直流电动机相反，其转子是磁极，定子是电枢绕组。无刷直流电动机的定子由绕组和铁心组成，定子铁心由导磁硅铁片叠压而成，其圆周上均匀分布的槽中嵌放有多相电枢绕组。转子用永磁材料制成，构成永磁磁极。永磁材料采用铁氧体、镍钴或稀土钴等。在定子和转子间的气隙中产生一定极对数的磁场。无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制电路和驱动电路组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制电路根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动电动机无刷直流电动机的工作原理。图3.2 中A、B、C为电动机的绕组，VT为晶体管，H为霍尔元件，用作位置传感器，N和S为转子磁极。无刷直流电动机的基本工作原理如下：首先，如霍尔元件 H1 检测到转子的 N 极，则晶体管 VT1 就导通，电流经 VT1、A 流通，A 绕组就形成磁极 S，S 吸引转子的 N 极，则转子就按图示箭头方向转动。接着霍尔元件 H2 检测转子的 S 极，晶体管 VT2导通，则电流经 VT2、B 流通，B 绕组就形成磁极 S，S 吸引转子的 N 极，转子就按图示箭头方向转动，重复以上过程，转子就继续转动 图3.2 无刷直流电动机工作原理3.2.2 无刷直流电动机的优点顾名思义在无刷直流电动机中就是无电刷。在常规的直流电动机中必须有换向器和电刷，以实现电枢绕组各元件的换向，而换向器和电刷间的磨损和火花是这种电机容易发生故障的主要原因。在无刷直流电动机中采用的是半导体开关器件实现电子换向，取消了机械换向器和电刷，克服了上述的缺点。无刷直流电动机及其控制不仅具有常规直流电动机的线性机械特性、宽调速范围、大起动转矩、较高效率、容易控制等优点，而且兼有交流电动机的结构牢固、耐受严酷环境条件能力较强等优点，近年来获得越来越广泛的应用。与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机有如下特点：（1）可靠性高、寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机的寿命一般为数百小时到上千小时，在高空环境下甚至只有几分钟。（2）不必经常维护和修理。（3）无电气接触火花。（4）无线电干扰少。（5）机械噪声低。（6）可工作于高真空、不良介质环境。（7）可在高转速下工作，专门设计的高速无刷电动机的工作转速可达每分钟10万转以上。（8）发热的绕组安放在定子上，有利于散热，便于温度监控，已得到较高的功率/体积比。（9）必须与一定的电子换向电路配套使用，从而总体成本增加，但从控制角度看有更大的使用灵活性。利于低电平信号，可方便地控制电机的起停、正反转、调节速度与转矩，适于数字控制，容易与微机接口。3.2.3 计算电动机负载（1）计算转子转速在此模型结构中转子的周期表达式为：= （3-3）式中，m为转子扇形孔的个数；n为转子转速，r/min。频率表达式为：f=1/T （3-4）由式（3-3）、（3-4）变化得：n=60f/m （3-5）将f=1030Hz，m=2代入式（3-5）得n=300900r/min （2）计算转动惯量计算转子的转动惯量转子的结构如图 3.3所示， ，其 转 子 的 长 度 取 l =15mm， 材 料 密 度图3.3转子示意图转子的转动惯量表达式为： （3-6）其中： （3-7） （3-8）将数据分别代入式（3-7）、（3-8）得：=0.65kg=0.39kg将以上求得的数据代入式（3-6）得=转子折算到电机轴上的转动惯量：计算旋转轴的转动惯量旋转轴的结构如图3. 4所 示 材 料 密 度.轴的尺寸，,，=20mm，mm，。 图3.4旋转轴结构示意图旋转轴的转动惯量表达式为：= （3-9）即： (3-10)其中, (3-11)将数据代入式（3-11）得=0.01kg同理可得=0.21kg、=0.12kg、=0.06kg、 =0.01kg将求得的， ， 代入式（3-10）得：=0.11旋转轴折算到电机轴上的转动惯量：0.11（3）计算电动机负载在电机加速和减速时，等加速和等减速的时间取为t=0.3s，（t为传动系统启动所允许的最快加速时间,t=(34) ,为电动机机械时间常数s）。电机轴上的等效惯性负载力矩: (3-12)其中 （3-13）式中，为电机加速或减速时的角加速度，n为转子最高转速换算为电机输出轴转速，r/min， n = 900r/min。将 n =900r/min代入式（3-13）得： =100 rad/s将 、代入式（3-12）得 =0.13N m在此系统中等效负载力矩（包括泥浆摩擦负载和工作负载）为，大体估算后取=1.5。电机轴上的总负载力矩为：=+将数据代入（3-14）得：=0.325N.m3.3 电动机的选择3.3.1 估算功率预选电机的估算功率P为： （3-15）式中， 为电机的最高转速，r/min；为电机等的功率系数，一般取 1.22，此处取 2。将=0.325N. m, =900r/min, =2代入式（3-15）得：P =61.3W3.3.2 选择电动机在选择电机时额定电压最好选择直流供电，因为在井下直流供电比较容易实现，可以在井下安装电池实现，但交流电不容易实现。根据以上计算的数据，本文选择北京和利时电机技术有限公司的无刷直流电动机，其额定功率为 70W，额定电压为 24（DC）V，额定转速为 3000r/min。3.3.3 电机驱动器的选择在第 3.3.1 节中讲到无刷直流电动机必须与一定的电子换向电路配套使用，所以选择完电机后要选择和电机配套的驱动器或者根据需要自己设计。本文先根据需要选择配套的电机驱动器，以电动机的额定电压和额定功率值为标准进行选择。由上可知电机的额定电压为 24V（DC），额定功率为 70W，所以驱动器的供电电源必须是直流电，同样选择北京和利时电机技术有限公司的电机驱动器，其供电电源直流 24V48V，额定功率最大不超过 100W。3.4 联轴器的选择3.4.1 类型选择由工作条件可知所选用的联轴器必须具备体积小、有弹性等特点，所以选择上海进隆机电设备有限公司的微型狭缝弹性联轴器MST 紧固螺栓型，其具有以下特点：（1）此种联轴器是一体成型的金属弹性联轴器，零回转间隙，弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差；（2）高扭转刚性和灵敏度、顺时针和逆时针回转特性完全相同；（3）免维护、抗油和耐腐蚀性，铝合金和不锈钢材料；（4）结构简单、重量轻、体积小。3.4.2 型号选择因为联轴器的一端直接与电机连接，所以在选择联轴器时，其额定转矩以电机的额定转矩为依据来进行选择。由所选择的无刷直流电动机的型号可以查得电机的额定转矩为 0.23 N m，最大转矩为 0.46 N m ，根据以上数据选择联轴器的型号为 MST-40，固定方式为紧固螺栓型，根据电机的输出轴的轴径与设计的旋转轴的轴径，选择联轴器的两端孔径尺寸分别为11.0mm和 19.0mm，额定扭矩为 0.5 N m，最大扭矩为1.0 Nm。3.5 机械密封的选择为了负脉冲发生器能可靠工作，所以在结构中须使用机械密封。其目的是在工作的过程中阻止泥浆流入无刷直流电动机所安装的区域，即保证无刷直流电动机在相应的环境下良好地工作。根据所需密封对两组密封分别选择内装式非平衡型和内装式平衡性 图3.5 机械密封结构形式示意图 表3.1、机械密封参数性能 表3.2 安装尺寸（mm）机械密封中弹簧的选择，如图3.5.3所示 图 3.6不等节距圆柱螺旋弹簧3.6、 其他部分设计与计算3.6.1 外壳壳体结构如图3.7所示，其作用是将泥浆从井下旋转控制系统中排出，保持井下液体的畅通，向井下钻具提供动力。在加工外壳的过程中需要注意内孔的加工精度。在外壳壁上开有四个螺孔，从左往右前一个的作用是固定定子，后三个分别是固定油杯套筒、联轴器套筒和电机套筒，其中还有两个孔，前一个的是泄流孔，后两个是注油孔外壳必须具有高抗腐蚀性和高硬度，综合考虑其材料选用硬质合金。 图3.7、壳体外型结构示意图3.6.2 保护筒保护筒的结构如图 3.8 、3.9、3.10所示，其主要作用：一是阻止泥浆流入，保护后边的零件（如电机、联轴器等）不受高压泥浆的冲刷。二是对泥浆起到一定的导流作用，使泥浆通过外壳排出信号发生器，保持井下液体的畅通，向井下钻具提供动力支持。在结构图中可以看出，在保护筒的外表面和内表面都有密封槽，加密封圈的作用是更进一步的阻止泥浆流入，以免对后面零件的工作性能产生影响。由保护筒的作用可以看出，在工作过程中需要承受高强度，还得具有高硬度和强抗腐蚀性能，所选材料为硬质合金。图3.8 油杯套筒示意图图3.9 联轴器套筒示意图图3.10 电机套筒示意图3.6.3 控制组件定子和转子的通孔形状尺寸设计参照 3.2 节中的参数，定子的最大外径尺寸受钻铤的空间限制，取值为 50mm。转子的最大外径参考定子的结构尺寸，取值为50mm，考虑到便于加工，在转子和定子的扇形孔边角处都导有半径为 0.5mm 的圆角。转子与其它零件配合表面、螺纹处和中心孔的粗糙度值选为 3.2 m ，定子表面粗糙度值选为 3.2m ，转子要通过键与旋转轴联接，所以中心孔的粗糙度值选为 1.6 m ，其中定子还起到轴承座的作用。转子和定子必须具有高抗腐蚀性和高硬度，材料选用硬质合金。3.6.4 机械密封组件 密封系统的作用对石油钻井来说，井下环境恶劣，压力和温度随井深发生变化，钻井液中含有岩屑、砂子等固相和其它化学药品，对仪器的工作不利。井下仪器密封系统的作用则是为井下仪器各部件提供一个清洁的环境，保证仪器的正常工作，而且通过密封系统为井下仪器提供一个恒压环境，使得仪器工作不受环境压力变化的影响。井下仪器对密封系统的要求由于井下仪器的工作环境异常恶劣，对密封系统提出了更高的要求。总体来说，对井下仪器密封系统的要求有以下几点：第一，密封性能好，且具有自动补偿功能。密封系统必须具有良好的密封能，且对微小的泄漏，系统可以自动补偿，且要求只允许润滑油向外泄漏，不允许外界的污物进入仪器内部。所以，密封系统要设计成内部压力高外部压力低的系统。第二，密封系统抗高温性能好。因为井下仪器随钻在井下工作，井下的温随井深的增加而升高，对一些深井，温度可达260，所以要求仪器的密封系统具有耐高温性能，在高温环境下密封不会失效。第三，密封系统内外压力不随井下压力的变化而变化。随着井深的增加，井下压力升高，如果密封系统内外压力随环境压力变化，不仅增大密封的难度，更重要的是影响仪器的正常工作。所以要求密封系统内外压力不随井下压力变化而变化。第四，密封系统能适应井下恶劣的环境。井下环境不仅温度高、压力高，而且仪器一直在高速流动的钻井液中工作，钻井液含有多种固相和化学药品，在选择密封件材料时应考虑环境介质可能对密封系统造成冲刷和腐蚀等影响。第五，密封系统可靠性高、寿命长，满足长期连续工作的需要。井下仪器在井下长期连续工作，密封系统是否正常，在地面无法知道，不易判断，因此要求密封系统具有较高的可靠性和较长的寿命。机械密封组件，机械密封总成（静环、动环、弹性元件、弹簧座、紧定螺钉和辅助密封圈），在工作时紧定螺钉、弹簧座和动环随着旋转轴一起旋转，它是靠垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。在井下旋转控制压力信号发生器中的作用是阻止泥浆流入后面的装置。螺栓将静环座和机械密封的静环连接，密封圈的作用是阻止泥浆在静环座和外壳的配合面处流入。密封腔内的压力始终大于外界压力，这样即使密封系统发生微小泄漏，只能是内部的润滑油向外泄漏，外界的污物不会进入仪器内部；而且由于恢复弹簧有一定的预压缩量，即使密封系统发生微小泄漏，恢复弹簧会将泄漏的体积自动补偿，不会影响仪器的工作。更重要的是，可以看出，密封腔内的压力随外界压力变化而变化，但内外压力之差基本不变，也就是说，当井下仪器在不同的压力环境中工作时，其内外压力之差基本不变，使得仪器可以在高压环境下工作，适用于深井、高压井，同时对密封件的要求也降低了。另外，当仪器的脉冲杆从上向下运动过程中，由于浮动活塞的移动导致恢复弹簧被进一步压缩，在脉冲杆上下运动过程中，内外压差有些变化，变化大小与恢复弹簧的刚度和活塞的行程有关。根据以上分析可知，此密封系统是一个自动补偿恒压差密封系统。3.6.5 传动组件传动组件如图 3.11 所示，无刷直流电动机 09 由联轴器 04 和旋转轴01 连接，紧固螺栓 03 用来紧固电机、联轴器和旋转轴的连接，旋转轴01 通过键槽 02 来带动转子旋转，无刷直流电动机 09 通过螺钉 06 和螺母05 固定在电机座 08 上，O 型密封圈 07 的作用是阻止泥浆在外壳和电机座的配合面处流入。图3.11 传动组件示意图3.6.6 供电系统电池总成内含高容量的锂电池,它为整个井下仪器总成提供电源。单D电池可连续工作100 h(工具面方式);双D电池可连续工作150h以上(工具面方式)。3.6.7 负脉冲发生器组成将以上组件和零件按一定顺序组装起来组成负脉冲发生器的结构，如图3.6.7.1所示。图中1为井下旋转控制系统、2、为机械密封组、3为轴、4为联轴器、5为电机（3、4、5为传动组件）、6为供电系统（电池）、7为电机套筒、8为联轴器套筒、9为油杯套筒、10为外壳。 图3.12 负脉冲发生器结构图3.6.8 仪器的润滑技术1.润滑的作用及要求井下仪器为纯机械机构，大部分是精密零件，且有很多运动部件，在运动过程中不可避免地产生摩擦。为了减少各零部件之间的摩擦，减少磨损，保证仪器的正常工作，延长仪器的寿命，需要对井下仪器密封系统内的部件进行润滑。仪器的润滑和密封系统不仅为仪器提供清洁的工作环境和必要的润滑，同时还是一个液压系统，辅助完成仪器的功能，如阻尼、减震等。井下仪器工作在高温高压的环境中，润滑油在一个密封的系统内，要求润滑油中不能含有空气，润滑油的热稳定性要好，压缩性能低，以防止润滑油因压力、温度变化而发生体积变化，从而影响整个密封系统。2.润滑方式及润滑油的选择井下仪器的工作空间狭小，工作环境恶劣，井下没有动力，而且仪器的润滑系统同时也是一个液压系统，这些特点决定了井下仪器的润滑方式只能采用油池润滑方式，但又与油池润滑有不同之处，比油池润滑要求要高。由于仪器在井下高温高压环境下工作，润滑油在仪器中起着非常重要的作用，选择合适的润滑油对仪器来说非常重要。对润滑油的性能有以下要求：(1) 具有很好的高温稳定性。仪器的工作温度最高可达260，要求润滑油在高温性能不变。(2) 具有很好的粘温特性，即粘度稳定，受温度变化影响小。井下仪器的润滑油同时还充当液压油，如果粘度随温度变化大，将影响仪器阻尼系统的阻尼性能，进而影响仪器的工作性能。(3) 闪点高。保证仪器在井下工作安全，不发生爆炸。(4) 低压缩性和低热膨胀性。为了避免高温、高压引起润滑油体积发生较大变化。基于以上要求，可选择硅油作为润滑油。硅油适用温度范围大，低温可达-60，高温可达300，闪点在300以上；粘度范围大，且粘度随温度的变化小，具有很好的阻尼和减震性能。因此，硅油的各项性能可以满足仪器润滑的要求。 3.6.9 堵头的选择根据所需尺寸由表3.3中选择堵头的为六角螺纹堵头，螺纹长度L=9.5mm，s=11mm，直径D=6mm。公称通径Nominal Diameter 螺纹长度Length of Thread方头螺纹堵头Square Head Plug圆头螺纹堵头Round Head Plug六角堵头Hex Head Plug and Bushing方头高度Height of Square平面宽度Width Of Flats圆头直径Diameter of Round Head全长Length平面宽度Width Of Flats 六角头高度Hex Head Height DNNPSL2minBminCminDLminSKminHmin61/89.567.0103511.0-681/411.069.5134116.036103/812.5811.0174117.54815 1/2 14.5 10 14.5 21 44 22.0 5 8 203/416.01116.0274427.061025119.01320.5335135.0610321.1/420.51424.5435144.571440 1.1/220.5 16 28.5 48 51 51.0 8 16 50222.01733.5606463.5917652.1/227.01938.0737076.0101980328.52143.0897089.01021100 4 32.0 25 63.5 114 76 117.5 13 25 备注： 堵头、螺纹堵头、补芯制造标准GB/T 14383 BS 3799 ASME B16.1。3.6.10、轴和管壁的校核（1）轴的校核设轴在转矩T的作用下，产生剪应力。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为：式中： -轴的扭转切应力（MPa） T轴传递的扭矩(N.mm)Wp抗扭载面模量(mm3) P轴传递的功率(kW)n轴的转速(r/min) d-轴的直径(mm)许用扭转切应力(MPa) A计算常数根据：当轴上开有键槽时，应增大轴径以补偿键槽对轴强度的削弱。一般，一个键槽增大3%；。零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中点上。具体的计算步骤如下：轴的强度计算式中： b-当量应力（N/mm2） Me当量弯矩(N.mm)M危险截面上的合成弯矩(N.mm)Nmm 其中，为水平面上的弯矩，为垂直面上的弯矩。T-轴传递的扭矩(Nmm)W危险载面弯曲截面系数折合系数)对称循环条件下材料的许用弯曲应力(MPa)式中-折合系数。是根据扭矩性质的不同而引入的修正系数。由于扭矩平稳不变时， =-1b/+1b0.3；危险截面有键槽时，应放大轴径47%；进一步校核其危险截面的安全系数。根据以上条件代入数据可以验证得 ：轴强度符合要求。（2）管壁的校核同理管壁材料初选硬质合金，根据公式（3-16）、（3-17） (3-16) （3-17）其中式中为径向应力；为轴向应力；为内压力；为外压力；根据以上条件代入数据可以验证得：管壁强度符合要求。4. 控制系统模拟调试4.1 负脉冲信号发生器地面实验系统原理负脉冲信号发生器的地面实验系统原理如图4.1 所示。动力源为水泵；转阀通过电机驱动，电机由控制器和驱动器来实现精确的控制；桥式电压放大器用于信号压力变化和转阀位置的测试，示波器便于直接观察实验状况，应用计算机采集系统记录实验数据。 图4.1 负脉冲信号发生器地面实验系统原理图4.2 地面实验系统整体组成在地面实验系统基本原理的基础上，为了进一步实验研究，建立了井下旋转控制压力信号发生器的地面模拟实验台，如图 4.2 所示。 图4.2 地面模拟试验台在实验系统中利用的工控机是三轴电液比例试验机控制系统中的工控机，此工控机的设计适用于多种伺服实验控制系统。实验时按提前设计好的调试程序控制无刷电机，无刷电机驱动转阀旋转来实现通流面积的控制。压力传感器用来测试压力变化，位置传感器用来测试转阀的位置，工控机用来采集压力信号和位置信号，同时还用来控制无刷直流电机。4.3 控制系统的组成由于井下信号发生器的实验模型还未加工，所以无法对整个系统进行室内实验。现利用实验室内的条件，对控制系统进行模拟实验。本控制实验系统是由工控机、无刷直流电动机驱动器和无刷直流电动机组成的双闭环控制系统，如图 4.3.1所示。 图4.3 试验系统控制图在本控制系统中工控机即控制器，用来输出给定信号，通过预存在工控机中的 PI 算法运算将得到的电机控制信号发送到驱动器中，经过驱动器的放大再驱动无刷直流电动机。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些摸拟信号转换成数字信号；而经分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应的模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要使用 D/A 转换器、A/D 转换器。4.4 信号采集信号的采集与处理框图MWD信号采集和处理的整个过程如图4.4.1所示 。 图4.4.1、MWD信号采集和处理框图MWD系统是实时测量控制系统 除了要求有较高精度的输出外 ,由于测量系统远离地面监控计算机 ,现场采集的信号必须进行远距离传输 ,因此还必须达到一定的实时性。由于该系统中泥浆脉冲传输数据的速度 比较慢 不超过 ,一般要求单片机计算出工具面角 、井斜角 、方位角再往地面传输而不是传输原始的采集数据 ,在特殊工作模式下也可以输出原始采集数据以便于误差研究 。因此现场单片机系统并不对信号进行复杂处理 ,但是由于现场工作环境恶劣 ,存在着诸多干扰 。4.5、 钻井液脉冲信号的影响因素脉冲信号在传输过程中会受到很多不利因素的影响,主要有衰减和干扰两类影响因素。当这些因素的影响不太严重时,一般可以通过调整地面解码系统的信号检测门限和放大值,以及开启滤码功能来减小影响,维持仪器正常工作;但是当这些因素的影响很严重时,往往会使调整后的地面解码系统还是很难识别有效信号,甚至监测不到有效信号,影响正常的井眼轨迹监测和控制,这时就需要找出原因从根本上解决问题。泥浆脉冲信号在传输过程中存在很多干扰信号，这些信号在同一时间内可能组合在一起，使得对有用的钻井液脉冲信号识别非常困难。产生干扰信号的主要原因包括钻探泵、井底动力机、泥浆中的气泡以及活动钻具的影响等。(1) 钻探泵 当钻探泵工作良好时，在立管上产生的干扰主要有两个:较弱的泵的冲程干扰可忽略不计;较强的活塞运动干扰。通常，无线随钻测量的脉冲信号传输频率的可选范围为0.5一1.0Hz，例如三缸泵每分钟100冲程，活塞产生的干扰频率f为:该频率高于信号传输的频率，MWD地面设备用低通滤波器即可将其过滤。但当钻探泵工作不平衡或密封性有问题时，也能对脉冲信号产生干扰，因此应及时排除钻探泵的故障。(2)井底动力机井底动力机的频率一般远高于信号传输的频率，且这种干扰信号在沿冲洗液通道向井口传播的过程中会逐渐衰减并很快消失，一般可以忽略，但某些异常情况下，如在钻头阻力大于螺杆产生的扭矩而导致螺杆压死停转时，地面立管压力将突然升高，可能淹没泥浆脉冲信号，导致地面解码失败。(3)泥桨中的气泡泥浆中的气泡在上升过程中，由于压力逐渐减小而导致体积膨胀并最终破裂。破裂的气泡形成众多微小的干扰信号源，这些干扰信号在冲洗液通道中反射、叠加，从而增加了信号分离的难度，此时可以通过控制泥浆中的气泡量来减少这种干扰的影响。 (4)活动钻具活动钻具的速度过快、过猛，将导致立管中的压力突变，从而造成泥浆脉冲信号丢失，所以在活动钻具时要尽量做到轻提、轻放，这样才能保证泥浆脉冲信号的有效传输。(5)使用空气室的影响空气室的作用是减小压力变化和机械震动，使泥浆流动平稳。但与此同时空气室也会衰减井下脉冲发生器传上来的有用的泥浆脉冲信号，通常情况下不会有显著的衰减，不至于造成信号接收问题。但当条件恶劣时，如钻井较深、地层复杂，则必须考虑它。4.6、 信号的衰减因素分析(1)钻井深度的影响泥浆脉冲信号传输的距离越远，能量损失的就越多，因此当钻井深度较大时，地面所接收到的泥浆脉冲信号的幅度就相对较小。因此可以通过调节井底脉冲器的阀门，使其开启和关闭的频率小，以降低信号传输频率，增大脉冲幅度，但这种方法的效果是有限的。(2)泥浆中气泡量的影响气泡的存在对泥浆压缩性有很大的影响。研究表明泥浆脉冲信号的传输对含气量比较敏感，随着含气量的增加，脉冲幅度将大大减小，从而严重影响泥浆脉冲信号的传输，甚至使地面接收信号失败。(3)泥浆中含砂量的影响与泥浆中气泡的影响相反，含砂量对泥浆密度影响较大，但对泥浆压缩J性的影