用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法技术方案

一种用于衰减钻柱中的振动的系统，其能够包括具有磁流变流体供应的磁流变流体阀组件。在运行期间，在阀中感应剩余磁场，所述阀能够用于提供用于运行阀的磁场，以便消除对线圈阀加电的需要，除非当需要改变衰减量时临时加电。基于阀的极限磁滞曲线和阀的磁化的历史，使用二分搜索方法确定将被供应给线圈的、用于在阀中感应期望磁场的电流。阀的磁化的历史被表达为一系列电流集及其所导致的磁化强度，在所述磁化强度下，与先前的电流值相比，电流经历反转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法相关申请的交叉引用本申请是其公开内容在此通过引用以其整体并入的、于2009年提交的、已授权的、名称为“用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法”(“SystemandMethodforDampingVibrationinaDrillStringUsingaMagnetorheologicalDamper”)的美国专利申请序列号No.12/398,983的部分连续申请。关于政府利益的声明依据U.S.C.第35条§202(c)，在此声明美国政府对在此所述的专利技术有一定的权利，本专利技术部分经费来自美国能源部国家能源技术实验室的DeepTrek计划，拨款号为DE-FC26-02NT41664。
技术介绍
地下钻井，诸如天然气、石油或地热钻井，通常涉及钻出深入地表的地层的井孔。通过将钻头连接至被称为“钻杆”的长管段，形成这种井孔，以便形成通常称为“钻柱”的组件。钻柱从井孔的表面延伸至底部。钻头旋转，以便钻头前进到地表中，由此形成井孔。在旋转钻井中，钻头通过在地面上旋转的钻柱旋转。地面上的活塞操作泵将称为“钻井泥浆”的高压流体，泵送通过钻柱的内部通道，并且通过钻头泵出。钻井泥浆润滑钻头，并且从钻头路径冲刷切屑。在电机钻井的情况下，流动的泥浆也驱动钻井电机，无论钻柱是否旋转，钻井电机都使钻头旋转。然后，钻井泥浆通过在钻柱和井孔表面之间形成的环状通道，流动至地面。钻井环境，特别是硬岩石钻井，能够导致对钻柱的大的振动和冲击。振动也能够由多种因素导致，诸如钻头的旋转、用于旋转钻柱的电机、泵送钻井泥浆、钻柱中的不平衡，等等。这种振动能够导致钻柱的各种部件的早期故障。大的振动也能够降低钻头钻入钻井表面的穿透速度，并且在极端情况下，能够导致钻头和钻井表面之间失去接触。操作者通常尝试通过改变下列一个或多个条件控制钻柱振动：钻头的旋转速度；和被施加给钻头的井下力(通常称为“钻压”)。这些动作频繁地用于降低振动。降低钻压或钻头旋转速度也通常降低钻井效率。特别地，钻头通常被设计成用于预定范围的旋转速度和钻压。钻头偏离其设计点运行能够降低钻头的性能和使用寿命。有时，使用所谓的“减震接头”抑制钻柱振动。然而，减震接头通常对一种特殊的钻井条件集最优化。减震接头在这些条件之外运行可使得减震接头无效，并且在一些情况下，实际上能够加大钻柱振动。此外，减震接头和隔震器通常使减震接头或隔震器的钻柱井上部分与振动隔离，但是可能增加包括钻头的钻柱井下部分的振动。已经提出的一种方法是使用阻尼器，其包括磁流变(下文为“MR”)流体阀。能够通过对阀中的线圈加电，改变井下环境中的MR流体粘性，该线圈产生MR流体经受的磁场。改变MR流体的粘性允许衰减特性针对钻头遭遇的条件被最优化。在其公开内容在此通过引用以其整体并入的、于2007年5月22日提交的、名称为“SystemAndMethodForDampingVibrationInADrillString”的美国专利No.7,219,752中公开了这种方法。上述美国专利No.7,219,752公开了一种MR阀，其使用心轴，以固定由410马氏体不锈钢制成的线圈。类似MR阀的现有技术实施例已经使用由12L14低碳钢(其饱和磁化强度约为14,000高斯，剩余磁化强度为9,000至10,000高斯，并且矫顽性约为2-8奥斯特)和410/420马氏体不锈钢制成的线圈座。该实施例中的轴已经由410不锈钢制成，其能够具有750高斯的相对导磁率，和6-36奥斯特的矫顽性。不幸的是，专利技术人已经发现，使用这种MR阀能够实现的最小衰减水平受下列事实影响，即对线圈加电能够导致阀部件的永久磁化的低水平。虽然这种残余或剩余磁化相当程度地低于正常用于提供有效衰减的水平，但是其降低了下端的MR流体粘性的范围，因此，能够获得最小衰减。在现有技术MR阀中，已经通过对下列阀部件退磁，解决了剩余磁化的问题，该阀部件已经通过下列方式永磁化，即向线圈提供交替极性的电流，并且以步进方式降低振幅。现有技术MR阀经历的问题在于，使用线圈保持磁场需要相当大的电能。因此，通常需要昂贵并且维护成本高的涡轮发电机向线圈供电。因此，现在存在一种对下列MR流体衰减系统的需求，其能够在运行条件的范围内，抑制钻柱振动，特别是钻头的振动，包括高和低水平衰减，该系统不需要大量电能。此外，在给定MR阀的磁化历史的情况下，为了最高效地操作MR阀，将期望确定被施加给MR阀的，实现期望磁场所需的电流。虽然在JianGuoZhu的，名称为“NumericalModelingOfMagneticMaterialsForComputerAidedDesignOfElectromagneticDevices”，Chapter2,“ModelingofMagneticHysteresis”(1994)的博士论文中，已经提出基于磁化的历史对磁场建模的技术，但是这种技术还未应用于MR阀的操作。此外，将期望提高下列速度，能够在该速度下，基于磁化历史计算磁场。
技术实现思路
在一个实施例中，本专利技术应用于一种用于在钻柱的井下部分中衰减振动的衰减系统，其中该衰减系统包括MR阀，该MR阀含有经受至少一个线圈产生的磁场的MR流体。在该实施例中，本专利技术包括一种操作MR阀的方法，其包括下列步骤：(a)对MR阀的线圈加电第一时间段，以便产生改变MR流体粘性的第一磁场，该第一磁场足以在MR阀的至少一个部件中引起第一剩余磁化强度，该第一剩余磁化强度至少约为12,000高斯；(b)对线圈充分断电第二时间段，以便使用MR阀的至少一个部件中的第一剩余磁化强度操作MR阀，以产生改变MR流体粘性的第二磁场；(c)使MR阀的至少一个部件经受退磁循环第三时间段，以便将MR阀的至少一个部件的第一剩余磁化强度降低至第二剩余磁化强度；和(d)在步骤(c)中的退磁循环后，运行MR阀第三时间段。优选地，与第一剩余磁化强度关联的磁场足以使MR流体磁饱和。能够使用传感器测量剩余磁化强度的值，并且当该值低于特定最小值时，就对线圈重新加电。在另一实施例中，本专利技术为一种衰减钻入地层的钻柱的井下部分中的振动的方法，其包括下列步骤：(a)提供磁流变(MR)阀，其具有至少一个线圈，并且包括流经在MR阀中形成的通道的MR流体，该MR阀具有与其关联的极限磁滞回环，其使阀中的磁场强度与被提供给线圈的电流关联；(b)向线圈提供变化电流，以便使MR阀中的MR流体经受由线圈产生的变化磁场；(c)随着被供应给线圈的电流变化，通过测量变化电流和计算变化电流产生的磁场的强度，确定MR阀的磁化历史，该磁场的强度使用代表关联MR阀的极限磁滞回环的信息确定；和(d)使用在步骤(c)中确定的MR阀的磁化历史，确定将被供应给线圈的，将导致期望磁场的电流；和(e)将在步骤(d)中确定的电流供应给线圈，以便获得期望磁场。根据该实施例的一方面，MR阀的磁化历史包括第一数据点集的第一栈，每个第一数据点集包括：第一数据点，其代表被供应给线圈的电流；和第二数据点，其代表电流供应导致的磁场。结合这一方面，在步骤(d)中确定将被供应给线圈的电流包括下列进一步步骤：(f)复制第一数据点集的第一栈，以便产生数据点的第二栈；(g)将一个或多个第二数据点集添加至数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衰减钻入地层的钻柱的井下部分中的振动的方法，包括下列步骤：(a)提供具有至少一个线圈并且包括磁流变流体的磁流变阀，所述磁流变流体流经所述磁流变阀中形成的通道，所述磁流变阀具有与其关联的极限磁滞回环，所述极限磁滞回环把所述磁流变阀中的磁场的强度与被供应给所述线圈的电流关联，其中，所述磁流变阀包含在所述钻柱的井下部分中，并且所述磁流变阀通过响应于所述钻柱的钻头振动的大小和频率改变衰减力的大小以抑制所述钻头的振动；(b)向所述线圈供应变化的电流，以使所述磁流变阀中的所述磁流变流体经受由所述线圈产生的变化的磁场；(c)随着供应给所述线圈的电流变化，通过测量所述变化的电流和计算由该变化的电流产生的磁场的强度，确定所述磁流变阀的磁化历史，所述磁场的强度使用代表关联所述磁流变阀的所述极限磁滞回环的信息确定，其中所述磁流变阀的所述磁化历史包括第一数据点集的第一栈，每个所述第一数据点集包括第一数据点和第二数据点，所述第一数据点代表供应给所述线圈的电流并且所述第二数据点代表供应该电流所导致的磁场；(d)使用在步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史，确定将导致期望磁场的待供应给所述线圈的电流；其中确定待供应给所述线圈的电流包括：(d1)复制所述第一数据点的第一栈，以产生数据点的第二栈；(d2)把一个或多个第二数据点集添加至所述数据点的第二栈，被添加至所述第二栈的每个所述第二数据点集包括选择的测试电流以及如果把所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度；和(d3)在已经把所述一个或多个第二数据点集添加至所述第二栈之后，对所述第二栈中的所述数据点执行二分搜索，以确定将被供应给所述线圈的将导致所述期望磁场的电流；(e)向所述线圈供应在步骤(d)中确定的电流，以基本获得所述期望磁场。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.08 US 13/228,3761.一种衰减钻入地层的钻柱的井下部分中的振动的方法，包括下列步骤：(a)提供具有至少一个线圈并且包括磁流变流体的磁流变阀，所述磁流变流体流经所述磁流变阀中形成的通道，所述磁流变阀具有与其关联的极限磁滞回环，所述极限磁滞回环把所述磁流变阀中的磁场的强度与被供应给所述线圈的电流关联，其中，所述磁流变阀包含在所述钻柱的井下部分中，并且所述磁流变阀通过响应于所述钻柱的钻头振动的大小和频率改变衰减力的大小以抑制所述钻头的振动；(b)向所述线圈供应变化的电流，以使所述磁流变阀中的所述磁流变流体经受由所述线圈产生的变化的磁场；(c)随着供应给所述线圈的电流变化，通过测量所述变化的电流和计算由该变化的电流产生的磁场的强度，确定所述磁流变阀的磁化历史，所述磁场的强度使用代表关联所述磁流变阀的所述极限磁滞回环的信息确定，其中所述磁流变阀的所述磁化历史包括第一数据点集的第一栈，每个所述第一数据点集包括第一数据点和第二数据点，所述第一数据点代表供应给所述线圈的电流并且所述第二数据点代表供应该电流所导致的磁场；(d)使用在步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史，确定将导致期望磁场的待供应给所述线圈的电流；其中确定待供应给所述线圈的电流包括：(d1)复制所述第一数据点的第一栈，以产生数据点的第二栈；(d2)把一个或多个第二数据点集添加至所述数据点的第二栈，被添加至所述第二栈的每个所述第二数据点集包括选择的测试电流以及如果把所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度；和(d3)在已经把所述一个或多个第二数据点集添加至所述第二栈之后，对所述第二栈中的所述数据点执行二分搜索，以确定将被供应给所述线圈的将导致所述期望磁场的电流；(e)向所述线圈供应在步骤(d)中确定的电流，以基本获得所述期望磁场。2.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，其中每个所述第一数据点代表的、被供应给所述线圈的电流是被供应给所述线圈的电流的变化方向反转的电流。3.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，还包括下列步骤：(i)在步骤(e)之后，进一步向所述线圈供应电流，该电流与在步骤(e)中供应给所述线圈的电流不同；(j)与导致了在步骤(e)中电流被供应给所述线圈的电流的变化方向相比，仅当在步骤(i)中供应给所述线圈的电流代表了供应给所述线圈的电流的变化方向的反转，才更新在步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史，以包括在步骤(e)中供应给所述线圈的电流。4.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，其中在步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史包括第一数据点集，每个所述第一数据点集包括第一数据点和第二数据点，所述第一数据点代表被供应给所述线圈的电流并且所述第二数据点代表供应该电流所导致的磁场，并且其中在步骤(d)中确定待供应给所述线圈的电流包括对所述第一数据点集执行二分搜索。5.根据权利要求4所述的衰减振动的方法，其中执行所述二分搜索的步骤包括将一个或多个第二数据点集添加至所述第一数据点集的步骤，每个所述第二数据点集包括选择的测试电流以及如果把所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度，在所述第一数据点集和所述第二数据点集的组合上执行所述二分搜索。6.根据权利要求4所述的衰减振动的方法，其中每个所述第一数据点代表的、被供应给所述线圈的电流是被供应给所述线圈的电流的变化方向反转的电流。7.根据权利要求4所述的衰减振动的方法，还包括下列步骤：(f)在步骤(e)之后，进一步向所述线圈供应电流，该电流与在步骤(e)中供应给所述线圈的电流不同；(g)与导致了在步骤(e)中电流被供应给所述线圈的电流的变化方向相比，仅当在步骤(f)中供应给所述线圈的电流代表了供应给所述线圈的电流的变化方向的反转，才更新在步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史，以包括在步骤(e)中供应给所述线圈的电流。8.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，还包括下列步骤：(h)基于在步骤(e)中供应给所述线圈的电流，更新在所述步骤(c)中确定的所述磁流变阀的所述磁化历史。9.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，其中在步骤(c)中使用的代表所述极限磁滞回环的信息包括如下信息，所述信息代表随着所述电流增大至饱和并且然后降低至零，所述磁流变阀中产生的磁场与被供应给所述线圈的电流之间的关系。10.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，其中在步骤(b)中向所述线圈供应变化的电流的步骤在所述磁流变阀的至少一个部件中产生剩余磁化，并且其中，在步骤(e)中被供应给所述线圈的电流导致降低所述剩余磁化。11.根据权利要求10所述的衰减振动的方法，其中在步骤(e)中被供应给所述线圈的、导致降低所述剩余磁化的电流不是交流电流。12.根据权利要求7所述的衰减振动的方法，其中在步骤(f)中被供应给所述线圈的电流导致基本消除剩余磁化。13.根据权利要求10所述的衰减振动的方法，其中在步骤(e)中被供应给所述线圈的电流导致所述剩余磁化降低，但不基本消除所述剩余磁化。14.一种衰减钻柱的井下部分中的振动的方法，所述钻柱包括磁流变阀，所述磁流变阀含有经受由至少一个线圈产生的磁场的磁流变流体，所述磁流变流体流经在所述磁流变阀中形成的通道，其中，所述磁流变阀包含在所述钻柱的井下部分中，并且所述磁流变阀通过响应于所述钻柱的钻头振动的大小和频率改变衰减力的大小以抑制所述钻头的振动，操作所述磁流变阀的方法包括下列步...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·埃尔斯沃思·瓦塞尔，丹尼尔·E·伯吉斯，贾森·R·鲍尔贝伊，弗雷德·拉马尔·汤普森，
申请(专利权)人：APS技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US