ZTS電磁随钻测量系统小直径涡轮发电机设计.doc

ZTS电磁随钻测量系统小直径涡轮发电机设计 吴翔1，宋继伟2 （1，中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074；2，贵州省地矿局，贵州贵阳 100011） 摘要 采用欠平衡井开采中、低压油藏是现代石油工程的必威体育精装版热点，电磁式随钻测量仪是为欠平衡井提供井下信息的最有效工具，俄罗斯ZTS系列电磁随钻测量系统（以下简称ZTS系统）就是在此前提下引进的，ZTS系统吸收、研发工作的一项重点内容就是其附属井下电源——涡轮发电机的小直径化设计问题。文章在介绍ZTS系统涡轮发电机的工作原理的基础上，以ZTS-108系统使用的SG074型发电机作为参考原型进行发电机的小直径化设计，通过计算比较，总结出涡轮发电机系统的设计方法，确定出小直径发电机合理的结构和水力参数。 关键词 电磁随钻测量 涡轮发电机 涡轮 小直径 水力性能 中图分类号: TE271　　文献标识码:A 1 引言 自20世纪90年代得以充分发展的欠平衡钻井技术是旋转钻井的发展和继续，是钻井工作者经过长期实践针对中、低压油藏所采用的科学对策[1]。国内外实践证明，开发低压低渗和裂缝孔洞性碳酸岩储层,欠平衡钻井是减小污染、提高采收率的有效途径。常规泥浆脉冲式MWD在欠平衡井钻进测量工作中存在很大的缺陷，相比较而言，电磁波式随钻测量系统在这个领域中应用具有显著的优越性，ZTS系统就是在此前提下引进的。 ZTS系统的吸收研发工作，不仅可以解决欠平衡井钻进测量问题，同时可以为其在小井眼钻井和固体矿床钻探领域寻找到巨大的推广应用空间。目前ZTS系统的研究工作主要集中在两个方面：电磁信号传输特性的研究和井下仪器供电技术的研究。井下仪器系统的供电技术是电磁随钻测量技术的一个关键问题，在传统的石油钻井中，由于井眼直径较大，井下仪器采用大直径涡轮发电机在技术上是可行的，并在实际应用上已经实现大直径涡轮发电机长时间连续供电，但在小井眼钻井和固体矿床勘探中，由于涡轮发电机的输出性能与涡轮直径的减小成五次方关系衰减，因此，对系统的供电则很少采用涡轮发电机，一般是采用锂电池供电，但由于供电时间相对较短，对钻井工程产生一定制约，同时，频繁的更换电池与充电等，也造成应用繁琐等问题，因此，小直径涡轮发电机的研究开发已成为ZTS系统的重要课题。ZTS系统现在配备的发电机最小直径（SG074型）为89mm，本次设计目的在于完成75mm级涡轮发电机结构和工作数据的确定。 2 发电机的设计理论 2.1 涡轮发电机工作原理 井底涡轮发电机右端涡轮侧悬挂，左侧通过航空插头向井内仪器送电。发电机的轴和缠绕在它上面的线圈在工作时处于轴向静止状态组成发电机的定子。 外壳中固定了圆环柱状高强磁的磁钢，以建立磁场，组成了发电机的转子。涡轮在钻井液的冲击下快速旋转，通过连接带动装有磁钢的外壳（即转子）旋转，从而形成一个旋转的磁场，发电机线圈相对于这个磁场旋转，类似运动的导体往复的切割磁力线，从而产生交流电[2]。ZTS系统配备的三种型号涡轮发电机如图1。 2.2 SG074涡轮发电机结构和工作数据 流量范围：7～20l/s； 额定流量：12 l/s； 转速范围：550～3000r/min； 额定转速：=1400r/min； 额定功率：=225W； 涡轮外径：=89mm； 轮毅直径：=44mm； 轮毅比：=0.494； 叶片厚度：mm； 重叠系数：=5.5； 叶片安装角： 2.3 涡轮发电机设计路线 电磁学原理知道，涡轮发电机的输出电压公式为： 由公式可以看出，决定发电机输出电压和功率的参数有三个，磁场强度B、转速ω和发电机工作线圈等效面积ф。 发电机磁场强度B是固定不变的值，设计结果只需保证小直径化后仍有足够的转速，并且线圈有足够的切割面积，那么就能保证小直径化后仍能提供足够的功率。 本文采用SG074型发电机额定功率和额定转速作为小直径化后额定功率和额定转速的设计基准。这样在转速作为已知条件的情况下，只需进行以下两部分工作： 1.进行涡轮叶片的设计调整，使其仍能提供足够的转速和扭矩； 2.进行线圈的设计调整，使其仍能保证有效的磁场切割面积。 因此发电机的设计主要分为两部分：涡轮叶片和线圈。线圈的设计计算比较简单，以下内容将涡轮的设计计算作为发电机设计的重点内容 。 2.4 涡轮设计模型 关于涡轮发电机涡轮叶片的具体设计方法，国内尚无成型可用的计算模型，尝试寻找近似的机械理论进行设计方法的研究改进以期完成发电机涡轮的设计。 最容易想到的类似机械就是涡轮钻具用涡轮马达和工业用轴流泵涡轮。虽然这是两种与涡轮发电机不同的水力机械，但是如果不关注这三种机械水力部件的工况，而把研究的重点放在这三种机械内流体上，可以知道，三种情况下流体的流态是近似相同的，这一点，就为把它们的设计方法应用到发电机涡轮设计上搭起了桥梁。