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隨著旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，利用電液方式驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向工具的模式已經(jīng)完善，由于國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期從事井下隨鉆測(cè)量技術(shù)的研究，井下的電源采用電池組或小功率渦輪發(fā)電機(jī)，無(wú)法滿足導(dǎo)向工具的需求。為此，根據(jù)鉆井液的性能特點(diǎn)和井下鉆具尺寸限制，通過(guò)對(duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和發(fā)電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)的優(yōu)化，研制的井下大功率渦輪發(fā)電機(jī)基本可以滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的功率需求。

地面測(cè)試裝置 確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

井下渦輪發(fā)電機(jī)利用泥漿流動(dòng)沖擊發(fā)電機(jī)外部渦輪實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將泥漿的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能輸出。由于鉆井液的循環(huán)壓力和流量依據(jù)鉆井工況的需要變化，而導(dǎo)向工具的驅(qū)動(dòng)需要提供穩(wěn)定的電源，為此必須依據(jù)發(fā)電機(jī)的性能特點(diǎn)，配備相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)電路，以滿足工具的需求。同時(shí)，控制電路需要滿足井下高溫高壓環(huán)境中的穩(wěn)定可靠，為確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，研制了井下大功率的渦輪發(fā)電機(jī)地面性能測(cè)試裝置。

井下大功率渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 井下大功率渦輪發(fā)電機(jī)的磁鋼通過(guò)卡瓦籠固定于發(fā)電機(jī)外筒上，處于頂部的驅(qū)動(dòng)渦輪和底部的導(dǎo)向渦輪與外筒連接為一體。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)渦輪在鉆井液的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，屬于外轉(zhuǎn)子式的永磁發(fā)電機(jī)。電樞繞組固定在心軸上，心軸與發(fā)電機(jī)固定裝置一體，因此電樞繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子固定，這種結(jié)構(gòu)可以使旋轉(zhuǎn)的渦輪外筒和心軸之間不需要任何電氣連線，繞組與心軸之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免了轉(zhuǎn)動(dòng)部分和不轉(zhuǎn)動(dòng)部分間的電氣連接，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性（見(jiàn)圖1） 。

發(fā)電機(jī)試驗(yàn)裝置 井下渦輪發(fā)電機(jī)通過(guò)前后兩端的心軸固定在鉆鋌內(nèi)部，并將發(fā)電機(jī)端部接頭密封同時(shí)將測(cè)量引線引出到鉆鋌外部方便測(cè)量。實(shí)驗(yàn)鉆鋌兩端利用焊接的法蘭接頭與兩端的實(shí)驗(yàn)管道連接后，接好發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試箱，泵開(kāi)啟，實(shí)驗(yàn)管道能夠調(diào)節(jié)液體流量，同時(shí)配有流量計(jì)可以讀出流量值。

在發(fā)電機(jī)入口端壓力傳感器輸出進(jìn)口壓力值，出口端壓力傳感器顯示出口壓力值，通過(guò)發(fā)電機(jī)兩端的水的壓力差值，可以計(jì)算葉輪的壓力損失，發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試箱測(cè)試輸出的交流電的頻率和電壓最大值，從而得出其轉(zhuǎn)速，通過(guò)連接負(fù)載電阻的形式，記錄發(fā)電機(jī)的電壓值，可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)的功率大小。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要特別注意發(fā)電機(jī)接頭位置的密封情況，以及發(fā)電機(jī)測(cè)試引線引出鉆鋌處的密封情況（見(jiàn)圖2）。

端子測(cè)試 用RLC測(cè)試儀測(cè)量從已經(jīng)連接好的試驗(yàn)裝置引出的5個(gè)被測(cè)端子，其中：動(dòng)力繞組是3、4抽頭，工作繞組是1、2抽頭，引出電纜的蘭、黃、紅、黑、白芯線對(duì)應(yīng)5、2、4、3、1端子。記錄電阻、電容，電感，記錄于表1并確定出繞組間的關(guān)系（見(jiàn)表1）。

空載電壓測(cè)量 在進(jìn)入管道流體測(cè)試前，將發(fā)電機(jī)固定在機(jī)床上拖動(dòng)，采用固定外筒拖動(dòng)心軸的方式，以便弄清楚發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率、電壓之間的關(guān)系。用測(cè)速儀直接測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)用雙通道示波器測(cè)量輸出電壓V34，V12，同時(shí)測(cè)量頻率。根據(jù)逐步提高機(jī)床轉(zhuǎn)數(shù)，用示波器測(cè)試兩個(gè)繞組的輸出電壓、頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?2r/min增加到560r/min時(shí)，V12從0.968V升到68V，V34從0.92V升到25.4V，頻率從2.9 Hz升到29 Hz。

帶載電壓測(cè)量 為確認(rèn)帶載情況下發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率、電壓之間的關(guān)系。空載試驗(yàn)結(jié)束后，做發(fā)電機(jī)帶載試驗(yàn)，用一個(gè)大功率定值電阻作為模擬負(fù)載。分別將動(dòng)力繞組34連接1Ω和工作繞組12連接6Ω，逐步提高機(jī)床轉(zhuǎn)數(shù)，用示波器測(cè)出負(fù)載兩端的電壓和頻率（見(jiàn)表2）。

流量、轉(zhuǎn)速測(cè)量試驗(yàn) 首先，將井下渦輪發(fā)電機(jī)從機(jī)床上取下，安裝在固定裝置鉆鋌短節(jié)內(nèi)部，并且試壓堵頭安裝在固定裝置兩端。然后將鉆鋌內(nèi)部注滿水，利用打壓泵打靜壓力，測(cè)試固定裝置鉆鋌短節(jié)與發(fā)電機(jī)及引線之間的密封性能。

對(duì)固定裝置分別打壓兩次到25MPa穩(wěn)壓十分鐘，然后拆掉固定裝置鉆鋌短節(jié)兩端的試壓堵頭，將發(fā)電機(jī)從固定裝置鉆鋌短節(jié)中取出，用萬(wàn)用表次測(cè)量下各個(gè)端子之間的絕緣情況，如果出現(xiàn)不絕緣情況，認(rèn)為固定裝置與發(fā)電機(jī)之間不密封，找出不密封的位置，進(jìn)行改進(jìn)。

待發(fā)電機(jī)干燥后，用萬(wàn)用表再次測(cè)量各個(gè)端子之間的絕緣情況，絕緣值滿足要求的情況下，將發(fā)電機(jī)裝入固定裝置，連接試壓堵頭繼續(xù)打壓試驗(yàn)，重復(fù)以上步驟。直到打壓試驗(yàn)后，發(fā)電機(jī)取出后，絕緣情況在正常范圍，確認(rèn)可以進(jìn)行流體試驗(yàn)。

將發(fā)電機(jī)固定裝置鉆鋌短節(jié)安裝于流量泵管線之間，通過(guò)法蘭盤(pán)連接好，將發(fā)電機(jī)的測(cè)量引線引出到遠(yuǎn)離管線壓力高的位置，方便連接示波器測(cè)量發(fā)電機(jī)頻率電壓等參數(shù)。然后將12繞組、34繞組與負(fù)載6歐、1歐電阻連接。流量泵開(kāi)啟，流量大小分別從0L增加到35L，每5L增加一次。

自主生產(chǎn)大功率 發(fā)電機(jī)具有可行性

由表3可知，現(xiàn)有泥漿發(fā)電機(jī)的流量由15L/S增加到35L/S時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化范圍是690～2560rpm，頻率范圍是22.9Hz～160.3Hz，繞組1、2的峰值電壓范圍是13.9V～50.4V，功率范圍是16.1W～243W；繞組3、4的峰值電壓范圍是6.6V～34.4V，功率范圍是21.8W～591.8W，繞組1、2與繞組3、4相位不同。

說(shuō)明：示波器的通道1即CH1接的是 1-2繞組，負(fù)載是6歐姆。示波器的通道1即CH2接的是3- 4繞組，負(fù)載是1歐姆。

由圖3可知，當(dāng)流量越大的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快；發(fā)電機(jī)的峰峰值電壓隨流量的增加而增大；當(dāng)負(fù)載一定的情況下，流量越大電流也越大；當(dāng)負(fù)載一定的情況下，流量越大發(fā)電機(jī)輸出功率越大呈非線性。

在做流體試驗(yàn)前一定要測(cè)量各個(gè)引線接頭絕緣并且要對(duì)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)固定裝置進(jìn)行密封測(cè)試，防止接頭短接，燒毀發(fā)電機(jī)。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，國(guó)產(chǎn)大功率發(fā)電機(jī)在額定電阻的條件下，能夠達(dá)到500W功率；試驗(yàn)數(shù)據(jù)為整理穩(wěn)壓電路板設(shè)計(jì)研究奠定基礎(chǔ)，理論上整理穩(wěn)壓的研制能夠?qū)崿F(xiàn)。