專利名稱：用于衰減鉆柱中的振動的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下鉆探，更具體地說，涉及一種用于衰減鉆探作業(yè)期間發(fā)生在鉆柱中的振動的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
地下鉆探、比如氣、油或地?zé)徙@探，通常包括鉆到地球的地層深度的鉆孔。這種鉆孔由連接到稱為“鉆桿”的長管上的鉆頭形成，形成的這種組件通常稱為“鉆柱”。鉆柱從鉆孔的表面延伸到底部。
鉆頭旋轉(zhuǎn)，以便向地下鉆進，從而形成鉆孔。在旋轉(zhuǎn)鉆探中，鉆頭的旋轉(zhuǎn)是由地面鉆柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的。地面上的活塞操作的泵產(chǎn)生稱為“鉆探泥漿”的高壓流體，穿過鉆柱中的內(nèi)部通道，并從鉆頭排出。鉆探泥漿潤滑鉆頭，并且沖洗鉆頭路徑中的切屑。然后，鉆探泥漿通過鉆柱和鉆孔表面之間形成的環(huán)形通道流到地面。
鉆探環(huán)境，尤其是硬巖鉆探，可以誘發(fā)鉆柱的明顯的振動和沖擊。振動也可以由其他因素誘發(fā)，例如鉆頭的旋轉(zhuǎn)、用于旋轉(zhuǎn)鉆柱的馬達、鉆探泥漿的泵送、鉆柱的不平衡等等。這種振動可以導(dǎo)致鉆柱的多種部件的過早失效。明顯的振動也會減少鉆頭到鉆探地面的鉆進速度，在極端情況下，會導(dǎo)致鉆頭和鉆探地面之間的接觸中斷。
操作者通常企圖通過改變下列的一個或兩個來控制鉆柱的振動鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度和作用于鉆頭的下孔力(通常稱為“鉆壓(weight-on-bit)”)。這些措施經(jīng)常不能有效地減少振動。鉆壓或鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度的降低通常會降低鉆探效率。尤其是，鉆頭一般地設(shè)計成具有預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速度范圍和鉆壓。偏離它的設(shè)計點來操作鉆頭會降低鉆頭的性能和使用壽命。
所謂的“減震附件(shock subs)”有時被用來衰減鉆柱振動。但是，減震附件一般只是對一個具體設(shè)定的鉆探情況才達到最佳。減震附件在這些情況之外的操作會使減震附件無效，在某些情況下居然會增加鉆柱的振動。此外，減震附件和隔離器通常隔離了減震附件或隔離器的鉆柱上孔(up-hole)部分的振動，而增加了包括鉆頭的鉆柱下孔(down-hole)部分的振動。
因此，當(dāng)前存在衰減鉆柱振動、尤其是在工作狀態(tài)的整個區(qū)域內(nèi)都能衰減鉆頭的振動的系統(tǒng)和方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
用于衰減鉆頭的振動的閥門組件的一個優(yōu)選實施例包括第一元件和磁流變流體供給，所述第一元件能夠機械地與鉆頭相接合，這樣，第一元件承受鉆頭的振動。
閥門組件還包括第二元件，所述第二元件機械地與第一元件相接合，以便第二元件能夠相對于第一元件沿閥門組件的縱向中心線平移，第一元件和第二元件限定了用于保持磁流變流體的第一腔室和第二腔室。第一腔室和第二腔室流體連通。
閥門組件還包括靠近第一元件和第二元件之一的線圈，這樣，磁流變流體可以受到由線圈產(chǎn)生的磁場的影響。
用于衰減鉆柱中的鉆頭的振動的閥門組件的一個優(yōu)選實施例包括流體供給、第一元件和第二元件，所述第一元件能夠與鉆柱相接合，以便第一元件承受來自鉆頭的振動，所述第二元件能夠響應(yīng)于鉆頭的振動相對于第一元件移動。
第一元件和第二元件限定了用于保持流體的第一腔室和第二腔室。第一腔室和第二腔室流體連通，以便流體可以響應(yīng)于第二元件相對于第一元件的運動，在第一腔室和第二腔室之間流動。閥門組件還可以包括用于改變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力的裝置。
用于將轉(zhuǎn)矩傳遞給鉆頭的扭轉(zhuǎn)軸承組件的一個優(yōu)選實施例包括第一元件，所述第一元件能夠與轉(zhuǎn)矩源機械地相接合，以便第一元件響應(yīng)于該轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。第一元件具有在其中形成的第一凹槽。
扭轉(zhuǎn)軸承組件還包括第二元件，所述第二元件能夠機械地與鉆頭相接合，這樣，鉆頭響應(yīng)于第二元件的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。第二元件機械地與第一元件相接合，這樣，第二元件可以相對于第一元件在大體上與扭轉(zhuǎn)軸承組件的縱向中心線一致的第一方向上平移。第二元件具有在其中形成的面向第一凹槽的第二凹槽，這樣，第一凹槽與第二凹槽形成大體上在第二方向上延伸的通道。
扭轉(zhuǎn)軸承組件還包括設(shè)置在通道中用于傳遞第一元件和第二元件之間的轉(zhuǎn)矩的滾珠軸承。
在鉆柱中使用的彈簧組件的一個優(yōu)選實施例包括第一元件，所述第一元件能夠與鉆頭機械地相接合，以便第一元件可以響應(yīng)于鉆頭的運動在第一方向和相對的第二方向上平移。
彈簧組件還包括第二元件和設(shè)置在第一元件和第二元件其中之一的彈簧組，所述第二元件與第一元件機械地相接合，以便第一元件能夠在第一方向和第二方向上相對于第二元件平移。
當(dāng)?shù)谝辉诘谝环较蛏舷鄬τ诘诙揭茝亩鴫嚎s彈簧組時，彈簧組的第一端基本上受到約束，且彈簧的第二端在第一方向上平移。當(dāng)?shù)谝辉诘诙较蛏舷鄬τ诘诙揭茝亩鴫嚎s彈簧組時，彈簧組的第二端基本上受到約束，彈簧的第一端在第二方向上平移。
在用于鉆探鉆井的鉆柱中使用的振動衰減系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例包括一軸承，所述軸承包括第一元件和與第一元件相接合的第二元件，這樣，第一元件可以相對于第二元件在上孔和下孔方向上平移，并且可以在第一元件和第二元件之間傳遞轉(zhuǎn)矩。
振動衰減系統(tǒng)還包括閥門組件，所述閥門組件包括固定地連接到扭轉(zhuǎn)軸承組件的第一元件上的第一元件，以便閥門組件的第一元件與扭轉(zhuǎn)軸承組件的第一元件一起，在上孔和下孔方向上平移。
閥門組件還包括固定地連接到扭轉(zhuǎn)軸承組件的第二元件上的第二元件，以便閥門組件的第二元件與扭轉(zhuǎn)軸承組件的第二元件一起，在上孔和下孔方向上平移，閥門組件的第一元件和第二元件限定了用于保持流體供給的第一腔室和第二腔室，以便流體響應(yīng)于閥門組件的第一元件和第二元件之間的相對運動，在第一腔室和第二腔室之間流動。閥門組件還包括用于改變流體的流動阻力的裝置。
振動衰減系統(tǒng)還包括彈簧組件，所述彈簧組件包括固定地連接到閥門組件的第一元件上的第一元件，以便彈簧組件的第一元件與閥門組件的第一元件一起，在上孔和下孔方向上平移。
彈簧組件還包括固定地連接到閥門組件的第二元件上的第二元件，以便彈簧組件的第二元件與閥門組件的第二元件一起，在上孔和下孔方向上平移。彈簧組件還包括彈簧，用于克服彈簧組件的第一元件和第二元件之間的相對運動。
用于衰減鉆頭的振動的優(yōu)選方法包括提供能夠在鉆頭上施加粘性阻尼力的的閥門組件，和響應(yīng)于鉆頭的至少一個工作參數(shù)，控制粘性阻尼力。


結(jié)合附帶的視圖進行閱讀，可以很好地理解上文的發(fā)明內(nèi)容以及下文的優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明。為顯示本發(fā)明，附圖顯示了目前優(yōu)選的實施例。但是，本發(fā)明不局限于在附圖中所披露的具體的手段。附圖中圖1是作為鉆柱的一部分安裝的振動衰減系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的縱向剖面圖；圖2是圖1所示的鉆柱的渦輪交流發(fā)電機組件的縱向剖面圖；圖3是圖1所示的振動衰減系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)軸承組件的縱向剖面圖；圖4是圖1中標(biāo)記為“A”的區(qū)域的放大圖；圖5是圖3所示的扭轉(zhuǎn)軸承組件的心軸的側(cè)視圖；圖6是沿圖3“B-B”線的剖面圖；圖7是圖3中標(biāo)記為“C”的區(qū)域的放大圖；圖8是圖3中標(biāo)記為“D”的區(qū)域的放大圖；圖9是圖3所示的扭轉(zhuǎn)軸承組件的往復(fù)式密封件的側(cè)視圖；圖10是圖1所示的振動衰減系統(tǒng)的閥門組件的縱向剖面圖；圖11是圖10所示的閥門組件的心軸的透視圖；圖12是用于圖10所示的閥門組件的控制器的方框圖；圖13是流程圖，描繪了用于控制由圖10所示的閥門組件產(chǎn)生的阻尼量的流程；圖14是圖1所示的振動衰減系統(tǒng)的彈簧組件的縱向剖面圖；圖15A和15B列出了用于計算圖14所示的彈簧組件的第一彈簧和第二彈簧的組合的彈簧常數(shù)的等式；圖16A是圖10所示的閥門組件的變形實施例的縱向剖面圖，描繪了在中間位置的閥門組件的心軸；圖16B是圖16A所示的閥門組件的變形實施例的縱向剖面圖，描繪了在偏離中間位置的一個位置上的閥門組件的心軸；圖17A是圖10所示的閥門組件的另一個變形實施例的縱向剖面圖，描繪了在中間位置的閥門組件的心軸；圖17B是圖17A所示的閥門組件的變形實施例的縱向剖面圖，描繪了在偏離中間位置的一個位置上的閥門組件的心軸；圖18是圖10所示的閥門組件的另一個變形實施例的縱向剖面圖；圖19是圖10所示的閥門組件的縱向剖面圖，顯示了由閥門組件的線圈產(chǎn)生的磁通線；和圖20描繪了作為圖10和圖19所示的閥門組件的位移的函數(shù)的所需要的阻尼的曲線。
具體實施例方式
附圖描繪了振動衰減系統(tǒng)10的優(yōu)選實施例。各附圖都參考在此描繪的公共的坐標(biāo)系11。振動衰減系統(tǒng)10可用作鉆柱12的一部分，用于衰減位于鉆柱12的下孔端的鉆頭13的振動(參見圖1)。
振動衰減系統(tǒng)10包括扭轉(zhuǎn)軸承組件14、閥門組件16和彈簧組件18。閥門組件16和彈簧組件18可產(chǎn)生阻尼鉆頭13的振動的軸向力。阻尼力的大小可以通過閥門組件14響應(yīng)于振動的幅度和頻率大體上即時地變化。振動衰減組件10可通過形成鉆柱12的一部分的鉆桿22機械地與鉆頭相接合。
扭轉(zhuǎn)軸承組件14便于鉆探轉(zhuǎn)矩的傳遞，并允許鉆柱12位于振動衰減系統(tǒng)10的上孔和下孔部分之間的相對軸向運動。此外，扭轉(zhuǎn)軸承組件14可把鉆頭13的扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)換為軸向振動。隨后，閥門組件16和彈簧組件18衰減軸向振動。
振動衰減系統(tǒng)10可機械地和電氣地連接到位于振動衰減系統(tǒng)10的上孔的渦輪交流發(fā)電機模塊20(參見圖1和2)。(上孔和下孔方向分別對應(yīng)于附圖中所表示的“+x”和“-x”方向。)渦輪交流發(fā)電機模塊20為振動衰減系統(tǒng)10提供電力。結(jié)合渦輪交流發(fā)電機模塊20的振動衰減系統(tǒng)10的使用只是作為示例的目的描述的。振動衰減系統(tǒng)10可由替代裝置、比如位于振動衰減系統(tǒng)10(或在鉆柱12的其他位置)的電池或位于地面的動力源提供動力。
扭轉(zhuǎn)軸承組件14包括殼體50和軸承心軸52(參見圖3、5和6)。軸承殼體50和軸承心軸52設(shè)置成大體上共軸的配置，軸承心軸52位于軸承殼體50的內(nèi)部。軸承心軸52由徑向軸承54支撐在軸承殼體50內(nèi)部。軸承殼體50可相對于軸承心軸52平移。扭轉(zhuǎn)軸承組件12還包括多個滾珠軸承55，用于傳遞軸承心軸52和軸承殼體50之間的轉(zhuǎn)矩。滾珠軸承55可以是，例如，鉆巖鉆頭滾珠(在變形中，可采用其他類型的滾珠軸承)。
鉆探轉(zhuǎn)矩通過位于渦輪交流發(fā)電機模塊20的上孔的鉆桿22(參見圖1)傳遞給渦輪交流發(fā)電機模塊20的外殼21。軸承心軸52固定到外殼21上，這樣，鉆探轉(zhuǎn)矩被傳遞給軸承心軸52。從而軸承心軸52旋轉(zhuǎn)，并與外殼21一起軸向平移。
定心器導(dǎo)孔(centralizer feed-thru)56鄰近其上孔端設(shè)置在軸承心軸52的內(nèi)部，并通過鎖定銷57(參見圖1和4)固定到軸承心軸52。定心器導(dǎo)孔56可由一個或多個肋(未顯示)支撐。
定心器導(dǎo)孔56有利于渦輪交流發(fā)電機組件20和扭轉(zhuǎn)軸承組件12之間的電信號和動力的布線。具體地說，定心器導(dǎo)孔56包括多芯連接件58，用于將定心器導(dǎo)孔56電氣地連接到渦輪交流發(fā)電機組件20上。定心器導(dǎo)孔56還包括第二電連接件59。電線(未顯示)從連接件58經(jīng)由在定心器導(dǎo)孔56內(nèi)部形成的通道60布線到連接件59。(輔助電線(也未顯示)從電連接件59，穿過在軸承心軸52中形成的布線槽布線。)定心器導(dǎo)孔56還包括可卸面板60，用于提供至鎖定銷57和連接件59的通道。
定心器導(dǎo)孔56具有在其中形成的通道61。通道61鄰接在軸承心軸52中由內(nèi)表面64限定的通道63。通道63接收通道61的鉆探泥漿。
軸承心軸52具有多個在其外表面72(參見圖5)中形成的凹槽70。凹槽70大體上平行，并沿外表面72以大體上相等的角增量間隔開。(在變形實施例中，凹槽70可以以不相等的角增量間隔開。)每個限定凹槽70的軸承心軸52的表面都具有大體上半圓形的形狀，以接收大體上球形的滾珠軸承55。
各凹槽70沿它的長度的深度大體上為常數(shù)。凹槽70最好大體上是直的。換句話說，各凹槽70的縱向中心線80的形狀大體上為螺旋形。
軸承殼體50具有多個在其內(nèi)表面76(參見圖3、5和6)上形成的凹槽74。凹槽74的尺寸、形狀和方向近似于凹槽70。
當(dāng)軸承殼體50和軸承心軸52組裝時，每個凹槽74面向相應(yīng)的一個凹槽70。各凹槽70和凹槽74限定了一個用于十個滾珠軸承55(參見圖3)的通道78。各通道78的長度最好大于其中設(shè)置的十個滾珠軸承55的組合長度，以便使?jié)L珠軸承50沿通道78平移。(各凹槽70內(nèi)的滾珠軸承55的數(shù)量取決于應(yīng)用，可隨各種因素、比如在軸承殼體50和軸承心軸52之間傳遞的轉(zhuǎn)矩的大小而改變；在變形實施例中，可以在各凹槽70中設(shè)置多于或少于十個的滾珠軸承55。)
凹槽70和凹槽74的大小設(shè)置成在凹槽70、74的壁和協(xié)同的滾珠軸承55之間存在足夠的間隙，以便允許滾珠軸承55在通道78內(nèi)的縱向方向上平移。
各凹槽70最好相對于軸承心軸52的縱向中心線82成一定角度(參見圖5)。(為了下文所述的原因，在變形例中，可采用軸向?qū)R的凹槽。)(軸承心軸52的縱向中心線82大體上在軸向(“x”)方向上定向。)具體地說，各凹槽70的中心線80相對于中心線82定向成由圖5中的參考標(biāo)記“β”表示的螺旋角。優(yōu)選地，螺旋角β在大約4度到大約15度的范圍內(nèi)。
螺旋角β的最佳值隨應(yīng)用而定；特定值只作為示例性目的而描述。特別地，β的最佳值可以根據(jù)下列參數(shù)計算通過鉆柱12傳遞的最大轉(zhuǎn)矩(T)和最大容許軸向力(FA)；在軸承心軸52的中心線82和滾珠軸承55的中心之間的徑向距離(R)；和滾珠軸承55上的最大切向力(FC)(等于T/R)。螺旋角β＝arcsine(FA/FC)。
從渦輪交流發(fā)電機組件20傳遞給軸承心軸52的鉆探轉(zhuǎn)矩在滾珠軸承55上施加一切向力，即，與“y-z”平面一致的力。切向力通過凹槽70的壁傳遞給滾珠軸承55。滾珠軸承55通過凹槽74的壁將轉(zhuǎn)矩傳遞給軸承殼體50，從而使軸承殼體50繞軸承心軸52旋轉(zhuǎn)。
滾珠軸承55沿它們各自通道80的長度的運動有助于軸承心軸52和軸承殼體50之間的軸向方向上的相對運動。因此，扭轉(zhuǎn)軸承組件14大體上消除了振動衰減系統(tǒng)10的鉆柱12上孔部分的軸向運動對振動衰減系統(tǒng)10的鉆柱12下孔的部分的影響，反之亦然。
當(dāng)軸承心軸52相對于軸承殼體50軸向平移時，利用滾珠軸承55被認(rèn)為可使摩擦和與此有關(guān)的粘結(jié)減到最小。變形實施例可以配置其他有利于軸承心軸52和軸承殼體50之間的相對軸向運動的裝置。
由于通道78的大體上直的幾何形狀，以及因為當(dāng)滾珠軸承57沿它們的協(xié)同的通道78平移時，滾珠軸承55與軸承心軸52的中心線82保持在大體上為常數(shù)的距離，軸承心軸52和軸承殼體50被限制相對切向運動，即在“y-z”平面內(nèi)的運動。
軸承殼體50通過閥門組件16、彈簧組件18和位于其下孔的鉆柱12部分連接到鉆頭13上。于是，軸承殼體50與鉆頭13一起旋轉(zhuǎn)，并與鉆頭13一起在軸向方向上平移。因此，鉆頭的軸向和扭轉(zhuǎn)振動通過鉆柱12傳遞給軸承殼體50。
人們認(rèn)為，以螺旋角β定向通道78，至少可以把作用于軸承殼體50的一部分扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向振動。具體地說，通道78的角度方向容許軸承殼體50響應(yīng)于扭轉(zhuǎn)振動而相對于軸承心軸52旋轉(zhuǎn)(最小量)。由于通道78成角度定向，軸承殼體50的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為軸向力。因此，作用于軸承殼體50的扭轉(zhuǎn)振動可以至少部分地轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜谳S承心軸52的軸向振動。如下面所述的，該軸向振動傳遞給閥門組件16和彈簧組件18，并由閥門組件16和彈簧組件18衰減。(另外，人們認(rèn)為，通道78成角度定向產(chǎn)生了進一步降低扭轉(zhuǎn)振動的摩擦阻尼)應(yīng)該注意到，在變形實施例中，凹槽70、74可以形成為使通道70在大體上平行于軸承心軸52的縱向中心線82的方向上延伸。(在這些類型的實施例中，鉆頭13的扭轉(zhuǎn)振動不會以上述方式轉(zhuǎn)化為軸向振動。)扭轉(zhuǎn)軸承組件14還包括線性可變位移傳感器(LVDT)84，用于測量軸承殼體50和軸承心軸52在軸向方向上的相對位移(參見圖3和7)。LVDT 84包括一列軸向間隔開的磁性元件86，所述磁性元件86靠近內(nèi)表面76嵌入軸承殼體50中。LVDT 84還包括傳感器88，比如霍爾效應(yīng)傳感器，其安裝在軸承心軸52上，以便傳感器88磁性地與磁性元件86耦合在一起。
傳感器88產(chǎn)生與傳感器88相對于磁性元件86列的位置有關(guān)的電輸出。LVDT 84從而可以提供軸承殼體50和軸承心軸52之間的相對軸向位置的指示。而且，輸出的變化率是傳感器88與磁性元件86列的相對位置的變化率的函數(shù)。因此，LVDT 84可以提供軸承殼體50和軸承心軸52之間的相對軸向位移、速度和加速度的指示。
扭轉(zhuǎn)軸承組件14還包括補償活塞90(參見圖3和8)。正如圖8所清楚顯示的，補償活塞90靠近軸承殼體50的上孔端，設(shè)置在軸承心軸52和軸承殼體50之間。補償活塞90的上孔側(cè)90′暴露于鉆探泥漿。補償活塞90的下孔側(cè)90″暴露于用來平衡振動衰減系統(tǒng)10的內(nèi)部內(nèi)的高壓的補償油。
補償活塞90響應(yīng)于鉆探泥漿和補償油之間的壓差，可以相對于軸承殼體50和軸承心軸52在軸向方向上滑動。這個特征能幫助平衡補償油和鉆探泥漿之間的壓力，并且補償補償油的熱膨脹。具體地說，隨著鉆頭13離地面的距離的增加(從而引起鉆探泥漿的壓力的增大)，補償活塞90的運動可以促進補償油的增壓。
三個往復(fù)式密封件91位于繞補償活塞90的外圓周形成的凹槽92中(參見圖3、8和9)。密封件91基本上隔離補償油和鉆探泥漿。兩個密封件91最好面向鉆探泥漿，以阻止鉆探泥漿滲入補償油。
每個密封件91包括跟部93、唇部(刮片)94和延長部95。唇部94鄰接跟部93，并且形成密封件91的內(nèi)徑的一部分。延長部95鄰接跟部93，并且形成密封件91的外徑的一部分。跟部93、唇部94和延長部95最好由耐磨和耐擠壓的材料形成，比如聚四氟乙烯(PTFE)和碳-石墨的混合物。
跟部93、唇部94和延長部95限定了一個凹槽96。彈簧97設(shè)置在凹槽96中。彈簧97最好是一種帶狀彈簧。優(yōu)選地，彈簧97由彈性的耐腐蝕材料、比如耐蝕游絲合金(Elgiloy)形成。彈簧97在徑向向外的方向上施加力作用于唇部94。所述力促使唇部94接觸軸承心軸52的鄰接面，并當(dāng)唇部94磨損時也能維持該接觸。
凹槽96的大小最好設(shè)置為，使限定凹槽96的密封件91的表面面積最小。這個特征可以促使由鉆探泥漿或補償油施加于唇部94的壓力最小。
當(dāng)補償活塞90相對于唇部94平移時，唇部94的幾何形狀被認(rèn)為，使得它能夠刮除(而不是滑過)軸承心軸52的鄰接面上的鉆探泥漿或補償油(所以，密封件91被認(rèn)為尤其適合用于研磨原料、比如鉆探泥漿或磁流變流體)。
延長部95有助于維持唇部94和軸承心軸52與補償活塞90之間的空隙之間的間距。這個特征能夠減少補償活塞90運動期間唇部94困在空隙及損壞的可能。
跟部93的大小最好設(shè)置為，使密封件91的高度超過相應(yīng)的凹槽92的高度。所以，密封件91可以充當(dāng)將補償活塞90支撐在軸承心軸52上的滑移環(huán)。
較大尺寸的跟部93被認(rèn)為有助于跟部93抵抗密封件91兩側(cè)形成的可能大的壓差。
閥門組件16緊挨著位于扭轉(zhuǎn)軸承組件12的下孔(參見圖1和10)。閥門組件16包括閥殼102。閥殼102包括外殼103和位于外殼103內(nèi)部的外套104。
閥門組件16還包括位于閥殼102內(nèi)的線圈心軸106(參見圖10和11)。外殼103、外套104和線圈心軸106以大體上共軸的布置設(shè)置。線圈心軸106最好由具有高磁導(dǎo)率和低磁化率的材料形成，比如410不銹鋼。
線圈心軸106固定到軸承心軸52上，這樣，線圈心軸106旋轉(zhuǎn)，并和軸承心軸52一起軸向平移。
如圖3所示，閥殼102的外面部分103固定到軸承殼體50上，以便鉆探扭轉(zhuǎn)由軸承殼體50傳遞給閥殼102。閥殼102由此旋轉(zhuǎn)，并與軸承殼體50一起軸向平移。
外套104優(yōu)選包括第一部分108和位于第一部分108的下孔的第二部分110(參見圖10)。外套104還包括位于第二部分110下孔的第三部分112。(應(yīng)當(dāng)注意到，在變形實施例中，外套104可以單件形成。此外，在變形實施例中，外套104和外殼103也可以單件形成。)第一部分108的上孔端鄰接閥殼102的外殼103上的唇部(未顯示)。第三部分112的下孔端鄰接閥門組件16的徑向軸承120(參見圖10)。該配置限制外套104相對于外殼130軸向(“x”方向)運動。(所以，外套104與外殼103一起軸向平移。)閥門組件16還包括套筒122(參見圖10)。套筒122同心地設(shè)置在線圈心軸106的部分周圍，并靠近它的下孔端。套筒122固定到線圈心軸106上，這樣，套筒122旋轉(zhuǎn)，并和線圈心軸106一起軸向平移。
第一線性軸承125位于繞線圈心軸106并靠近它的上孔端形成的凹槽內(nèi)。第二線性軸承126位于繞套筒122形成的凹槽內(nèi)。第一線性軸承和第二線性軸承125、126有助于支撐線圈心軸106和套筒122，并有利于線圈心軸106和套筒122相對于外套104(和閥殼102)的軸向運動。
線圈心軸106的內(nèi)表面124限定了一通道127，用于容許鉆探泥漿流過閥門組件16。通道127鄰接在軸承心軸52中形成的通道63。
線圈心軸106具有多個繞其圓周形成的面向外部的凹進部128(參見圖10和11)。相鄰的凹槽128由線圈心軸106的外表面部分130隔開。
線圈心軸106和外套104的第二部分110的大小設(shè)置成，在第二部分110的內(nèi)表面132與相鄰的線圈心軸106的外表面部分130之間存在間隙或空隙135(參見圖10)?？障?35最好在大約0.030英寸到大約0.125英寸的范圍內(nèi)。(空隙135的最佳值或數(shù)值范圍隨應(yīng)用而定；特定值只作為示例性目的而描述。)閥門組件16還包括多個線圈136。每個線圈136卷繞在各自的凹進部128內(nèi)。相鄰的線圈136最好在相反的方向上卷繞(該特征的目的在下文論述)。
凹槽140形成在每個外表面部分130中，便于為線圈136在相鄰的凹進部128之間布線(參見圖11)。各凹槽140大體上在軸向(“x”)方向上延伸。布線槽142和饋電導(dǎo)孔(feed thru)144形成在線圈心軸106中，便于電線138從線圈心軸106的上孔端布線到凹進部128(參見圖10)。(在變形實施例中，線圈136可以位于閥殼102上，而不是(或除)位于線圈心軸106上。)響應(yīng)于電流的通過，各線圈136產(chǎn)生磁場149(在圖19中利用圖表描繪了磁場149)。線圈136可電氣地連接到位于渦輪交流發(fā)電機組件20的控制器146上(參見圖2)?？刂破?46可由渦輪交流發(fā)電機組件20的交流發(fā)電機147提供動力。控制器146可以向線圈136供給電流?？刂破?46可以控制電流的大小，來改變由線圈136產(chǎn)生的總磁場強度。有關(guān)這個特征的更多細(xì)節(jié)將在下文介紹。
只作示例性目的所描繪的控制器146安裝在渦輪交流發(fā)電機組件20的內(nèi)部。在變形例中，控制器146可以安裝在其他場所，包括地面場所。
外套104的第一部分108和線圈心軸106限定了圓周延伸的第一或上孔腔室150(參見圖10)。外套104的第三部分112和線圈心軸106限定了圓周延伸的第二或上孔腔室152。
第一腔室和第二腔室150、152充有磁流變流體(以下簡稱“MRF”)。MRF一般包括鐵磁或順磁顆粒的非膠狀的懸浮液。顆粒一般具有大于約0.1微米的直徑。顆粒懸浮在流體載體中，比如礦物油、水或硅。
在正常情況下，MRF具有與常規(guī)油類似的流動特性。然而，在存在磁場(比如磁場149)的情況下，懸浮在流體載體中的顆粒被極化。這個極化使顆粒在流體載體內(nèi)部組成鏈狀。
顆粒鏈增加MRF的流體抗剪強度(從而，增加流動阻力或粘性)。在除去磁場的同時，粒子回到未組織的狀態(tài)，并且流體抗剪強度和流動阻力回到它的前值。因而，控制施加的磁場使得MRF的流體抗剪強度和流動阻力快速地改變。在美國專利No.5,382,688(Carlson等人)中披露了MRFs，該專利的全部內(nèi)容在此一并作為參考。適用于閥門組件16的MRF可以從康涅狄格州克倫威爾(Cromwell，CT)的APS技術(shù)公司買到。
第一腔室150和第二腔室152通過在第二部分110的內(nèi)表面132與相鄰的線圈心軸106的外表面部分130之間形成的間隙或空隙135流體連通。因此，MRF可以通過空隙135在第一腔室150和第二腔室152之間移動。
第一腔室150中的MRF通過三個設(shè)置在線圈心軸106中形成的凹槽內(nèi)的往復(fù)式密封件91(如上有關(guān)補償活塞90所述)基本上與位于其上孔的補償油隔離。第二腔室152中的MRF通過另外三個設(shè)置在套筒122中形成的另外的凹槽內(nèi)的密封件91基本上與位于其下孔的補償油隔離。三個為一組的兩組密封件91面向協(xié)同的腔室150、152內(nèi)的MRF，以阻止MRF滲入到腔室150、152內(nèi)。
閥殼102的外面部分103通過彈簧組件18和位于振動衰減系統(tǒng)10下孔的鉆桿22部分連接到鉆頭13上。外面部分103由此旋轉(zhuǎn)，并與鉆頭13一起軸向平移。此外，線圈心軸106和套筒122大體上由扭轉(zhuǎn)軸承組件14消除了與閥殼102的軸向移動之間的影響。
上述的配置使得線圈心軸106和套筒122響應(yīng)于鉆頭13的振動在外套104內(nèi)部往復(fù)運動。該運動交替地減小和增大第一腔室和第二腔室150、152各自的容積。具體地說，線圈心軸106和套筒122相對于外套104在上孔方向上的運動使第二腔室152的容積增大，同時使第一腔室150的容積減小。反之，線圈心軸106和套筒122相對于外套104在下孔方向上的運動使第二腔室152的容積減小，同時使第一腔室150的容積增大。線圈心軸106和套筒122在外套104內(nèi)的往復(fù)運動因而趨向在第一腔室和第二腔室150、152之間經(jīng)由空隙135泵送MRF。
MRF的流動阻力使得閥門組件16起到粘性阻尼器的作用。具體地說，MRF的流動阻力使MRF產(chǎn)生一力(與線圈心軸106和套筒122相對于外套104移動的方向相反)，所述力克服第一腔室和第二腔室150、152之間的MRF的流動。MRF從而抵抗線圈心軸106和套筒122相對于外套104的往復(fù)運動。該阻力可以衰減鉆頭13的軸向振動。
由MRF產(chǎn)生的阻尼力的大小是MRF的流動阻力與軸向振動的頻率的比例函數(shù)。如上所述，可以通過在MRF上施加磁場來增大MRF的流動阻力。而且，可以通過改變磁場的大小大體上即時地改變流動阻力。
線圈136設(shè)置成，使線圈136產(chǎn)生的磁通線貫穿位于第一腔室和第二腔室150、152以及空隙135中的MRF(參見圖19)。通過線圈136的電流和由此產(chǎn)生的磁通量的大小由控制器146控制。利用多個軸向間隔開的線圈136被認(rèn)為是可以在MRF內(nèi)部軸向地分配磁場149，這有助于確保MRF暴露于磁通量中，不管線圈心軸106相對于外套104和閥殼102在什么位置。以這種方式分配磁場149可以有助于通過激發(fā)MRF的較大的百分比使阻尼力最大化。
控制器146響應(yīng)于鉆頭13的振動，可以控制通入線圈136的電流(電力)，以衰減鉆頭13的振動(在圖13中以流程圖的形式描繪了控制器執(zhí)行這些功能的流程)。
控制器146優(yōu)選包括計算裝置160(參見圖12)。計算裝置160可以是，例如，一種可編程序微處理器、比如數(shù)字信號處理(DSP)芯片。控制器146還包括記憶存儲裝置162、固態(tài)繼電器162和一組計算機可執(zhí)行指令164。記憶存儲裝置162和固態(tài)繼電器162與計算裝置160電氣地耦合在一起，計算機可執(zhí)行指令164存貯在記憶存儲裝置162上。
控制器146配置成安裝在渦輪交流發(fā)電機模塊20中的印刷電路板。在變形實施例中，控制器146可以以其他方式配置。
LVDT 84電氣地連接到計算裝置160上。LVDT 84可以以電信號的形式提供至計算裝置160的輸入，所述電信號表示如上所述的軸承殼體50和軸承心軸52的相對軸向位置、速度和加速度。軸承殼體50連接于鉆頭12，基本上消除了與軸承心軸52的軸向運動之間的相互影響。因此，LVDT 84的輸出反應(yīng)了鉆頭13的軸向振動的幅度和頻率。
計算機可執(zhí)行指令164包括算法，所述算法基于LVDT 84的輸出，即，基于軸承心軸52相對于軸承殼體50的位移，確定在特定工作條件下的最佳的阻尼量。
人們認(rèn)為，最佳阻尼程度隨軸承心軸52相對于軸承殼體50的位移而增加。此外，輕的鉆壓情況被認(rèn)為是需要比重的鉆壓情況下小的阻尼。此外，最佳阻尼量被認(rèn)為是隨軸承心軸52相對于軸承殼體50的行程而增加。
在特定條件下所需要的阻尼可以如下進行計算c＝A×dn+B在這里c＝所需要的阻尼(磅-秒/英寸)d＝相對位移(由LVDT 84測量)n＝定義阻尼曲線的形狀A(yù)＝(阻尼max-阻尼min)/位移n阻尼max＝在最大位移產(chǎn)生的最大阻尼阻尼min＝在最小位移或工具的中點產(chǎn)生的最小阻尼位移＝最大相對位移(例如，對閥門組件14來說，為4英寸)B＝最小阻尼閥門組件14所需要的阻尼與圖20中的位移(由LVDT 84測量)有關(guān)。
所需要的阻尼還可以定義為二次方程或控制器146中的查找表格。
計算機可執(zhí)行指令164還確定需要被導(dǎo)入線圈136以提供所需要的阻尼的電流的量?？刂破?46處理來自LVDT 84的輸入，大體上即時地產(chǎn)生導(dǎo)入線圈136的電流的響應(yīng)輸出。因此，閥門組件16可以大體上即時地產(chǎn)生響應(yīng)于鉆頭13的振動的阻尼力。
優(yōu)選地，阻尼力防止鉆頭13由于軸向振動而失去與鉆探表面的接觸?？刂破?46最好是當(dāng)鉆頭13向上移動時增加阻尼力，以利于維持鉆頭13和鉆探表面之間的接觸。(理想的是，應(yīng)當(dāng)控制阻尼力，以使鉆壓保持大體上的常數(shù)。)而且，人們認(rèn)為，當(dāng)振動衰減系統(tǒng)10的彈簧動載剛度近似等于彈簧靜載剛度時，阻尼達到最佳。(當(dāng)彈簧動載剛度大于彈簧靜載剛度時，需要更大的阻尼。)應(yīng)當(dāng)注意到，振動衰減系統(tǒng)10的變形實施例可以包括除LVDT 84之外的傳感器，或者替代LVDT 84的傳感器。例如，控制器146可以編程，以基于來自一個或多個加速計、鉆壓傳感器、速度傳感器、鉆頭轉(zhuǎn)矩傳感器等等的輸入，確定所必須的阻尼。
閥門組件16和控制器146能夠自動增減施加于鉆頭13的阻尼量，以減小鉆頭13的振動。閥門組件16和控制器146可以響應(yīng)于一個或多個所測量的工作參數(shù)，大體上即時地執(zhí)行這些功能。以這種方式積極地控制鉆頭13的振動的能力被認(rèn)為可以增加鉆頭的鉆進速度，減少鉆頭13與鉆探表面的分離，降低或基本上消除對鉆頭的沖擊，并增加鉆頭13以及鉆柱12的其他部件的使用壽命。而且，與減震附件相比，閥門組件16和控制器146可以提供各種工作條件下的最佳阻尼。此外，利用MRF提供阻尼力使得閥門組件14比其他可能的組件更緊湊。
彈簧組件18緊挨著位于閥門組件16的下孔(參見圖1和14)。彈簧組件18可以響應(yīng)于鉆頭13的軸向運動在鉆頭13上施加一回復(fù)力(因而振動衰減組件10起彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的作用)。
彈簧組件18包括彈簧殼體200。彈簧殼體200的上孔端固定到閥殼102的外殼103上，以便將鉆探轉(zhuǎn)矩傳遞給彈簧殼體200。彈簧殼體200的下孔端固定到補償模塊300的殼體302上，以便將鉆探轉(zhuǎn)矩從彈簧殼體200傳遞給補償模塊300的殼體302。彈簧殼體200和殼體302由此旋轉(zhuǎn)，并與閥殼102一起軸向平移。
彈簧組件18還包括彈簧心軸202和彈簧組205。彈簧組205優(yōu)選包括第一彈簧206和第二彈簧208。(在變形實施例中，彈簧組205可包括多于或少于兩個的彈簧。)彈簧殼體200、彈簧心軸202和彈簧組205以大體上共軸的關(guān)系設(shè)置。第一彈簧和第二彈簧206、208串聯(lián)、即首尾相連地設(shè)置在彈簧殼體202內(nèi)。彈簧心軸202位于第一彈簧和第二彈簧206、208內(nèi)。(在變形實施例中，第一彈簧和第二彈簧206、208的相對軸向位置可以與圖14所描繪的相對軸向位置相反。)彈簧心軸202可相對于彈簧殼體200軸向平移。彈簧心軸202的內(nèi)表面209限定了一通道210，用于容許鉆探泥漿流過彈簧組件18。
第一彈簧和第二彈簧206、208最好為貝氏(Belleville)彈簧(在變形中，可以使用其他類型的彈簧)。優(yōu)選地，第二彈簧208是剛性的，即，其具有比第一彈簧206高的彈簧剛度。如下所述，該特征被認(rèn)為便于在相對較寬的鉆壓條件的范圍下將軸向振動從鉆頭13傳遞給閥門組件14。(在變形實施例中可以是其他的彈簧結(jié)構(gòu)。例如，在可能的變形實施例中，可以在兩個較硬的貝氏彈簧之間設(shè)置一個較軟的貝氏彈簧。)補償模塊300還包括心軸304和滑動補償活塞306。補償活塞306繞心軸304的下孔部分設(shè)置。
補償模塊300的心軸304延伸至彈簧殼體200的下孔部分。心軸304部分地由位于心軸304與彈簧殼體200之間的徑向軸承305支撐。軸承305的下孔端鄰接殼體302的前邊緣，從而在后面方向上限制軸承305。
心軸304的內(nèi)表面310限定了一通道312，用于容許鉆探泥漿通過心軸304流入補償模塊300。在排出通道312的同時，鉆探泥漿進入由心軸304的內(nèi)表面315限定的通道314。(通道314中的鉆探泥漿作用在補償活塞306的下孔側(cè)上。)補償活塞306的上孔側(cè)、殼體302的內(nèi)表面310和心軸304限定了一個在補償模塊300內(nèi)圓周延伸的腔室316。腔室316充有補償油。三個密封件91位于在補償活塞306中形成的凹槽內(nèi)，以密封腔室316，基本上隔離腔室316內(nèi)的補償油和通道314內(nèi)的鉆探泥漿。兩個密封件91最好面向鉆探泥漿，以阻止鉆探泥漿滲入補償油。
補償活塞306響應(yīng)于腔室316內(nèi)的補償油與通道314內(nèi)的鉆探泥漿之間的壓差，可以相對于殼體302和心軸304在軸向方向上滑動。這個特征能幫助補償在補償油和鉆探泥漿之間的壓力。具體地說，隨著鉆頭13離地面的距離的增加(從而引起鉆探泥漿的壓力的增大)，補償活塞306的運動可以促進補償油的增壓。
應(yīng)當(dāng)注意到，補償模塊300的細(xì)節(jié)只是作為示例性的目的介紹的；振動衰減系統(tǒng)10可以結(jié)合緊挨著位于它的下孔的其他各種鉆柱部件進行使用。
耦接頭211位于繞彈簧殼體200內(nèi)并緊挨著它的上孔端。耦接頭211最好具有如圖14所描繪的大體上H形的橫截面。耦接頭211接收線圈心軸106的下孔端和彈簧心軸202的上孔端。線圈心軸106和彈簧心軸202固定到耦接頭211上，這樣，彈簧心軸202旋轉(zhuǎn)，并且與線圈心軸106一起軸向平移。
第一墊片212緊挨著位于耦接頭211的上孔，并且將耦接頭211與閥門組件16的套筒122隔離。
第二墊片214位于耦接頭211和第一彈簧206之間。第一彈簧和第二彈簧206、208將第二墊片214推到彈簧殼體200的唇部216上。第二墊片214和唇部216之間的接觸防止第二墊片214通過唇部216，從而在前面方向上限制第一彈簧和第二彈簧206、208。
彈簧心軸202的后端位于補償模塊300的心軸304內(nèi)。彈簧心軸202和心軸304可以通過合適的方法比如干涉配合固定在一起。心軸304由此旋轉(zhuǎn)，并與彈簧心軸202一起軸向平移。
第三墊片218位于第二彈簧208、心軸304與軸承305之間。第一彈簧和第二彈簧206、208將第三墊片218推到軸承305的前邊緣上。第三墊片218和軸承305之間的接觸防止第三墊片218在下孔方向上的運動，從而在下孔方向上限制第一彈簧和第二彈簧206、208。
所以，第一彈簧和第二彈簧206、208被限制在第二墊片和第三墊片214、218之間。該配置使第一彈簧和第二彈簧206、208起到兩倍(雙重)作用的彈簧的作用。具體地說，彈簧殼體200相對于彈簧心軸202在下孔方向上的運動使得彈簧殼體200的唇部216在下孔方向上推動第二墊片214。(這種相對運動可能發(fā)生在鉆頭13在下孔方向上的誘發(fā)振動的運動期間。)第二墊片214在下孔方向上又推動第一彈簧和第二彈簧206、208倚靠在第三墊片218上。作為響應(yīng)，第三墊片218在下孔方向上作用于補償組件300的心軸304。通過彈簧心軸202、線圈心軸106和軸承心軸52連接于鉆柱12的上孔部分的心軸304，克服由第三墊片218在其上施加的力。
所以，響應(yīng)于彈簧殼體200在下孔方向上的運動，第一彈簧和第二彈簧206、208被壓縮。結(jié)果產(chǎn)生的彈簧力通過唇部216在上孔方向上作用于彈簧殼體200(和鉆頭13)。彈簧力的大小是彈簧殼體200和鉆頭13的偏移量的函數(shù)。
彈簧殼體200相對于彈簧心軸202在上孔方向上的運動使得殼體302的前邊緣(其被固定到彈簧殼體200上)作用于軸承305。(這種相對運動可能發(fā)生在鉆頭13在上孔方向上的誘發(fā)振動的運動期間。)接著，軸承305在上孔方向上朝第二墊片214和耦接頭211推動第三墊片218和第一彈簧與第二彈簧206、208。通過彈簧心軸202、線圈心軸106和軸承心軸52連接于鉆柱12的上孔部分的耦接頭211，克服由第二墊片214在其上施加的力。
所以，響應(yīng)于彈簧殼體200在上孔方向上的運動，第一彈簧和第二彈簧206、208被壓縮。結(jié)果產(chǎn)生的彈簧力通過軸承305和殼體302在下孔方向上作用于彈簧殼體200(和鉆頭13)。彈簧力的大小是彈簧殼體200和鉆頭13的偏移量的函數(shù)。
所以，彈簧組件218可以在上孔和下孔兩個方向上對鉆頭13施加回復(fù)力。第一彈簧和第二彈簧206、208的雙作用特征被認(rèn)為是，使彈簧組件218比采用多個單作用彈簧的類似彈簧組件更緊湊。
而且，由于組合使用了較軟和較硬的彈簧，所以彈簧組件適宜使用在較低和較高兩種鉆壓情況下。具體地說，人們認(rèn)為，當(dāng)鉆壓、即鉆頭13的下孔力較低時，第一(較軟)彈簧206的貝氏墊圈偏移(壓縮)。在低的鉆壓情況下，第二彈簧的貝氏墊圈208基本上不會偏移。因此，在較低的鉆壓情況下，彈簧組件18在鉆頭13上施加較低的回復(fù)力。這個特征允許鉆頭13的軸向振動傳遞給閥門組件14，并由閥門組件14衰減。
鉆壓的進一步增加使第一彈簧206的貝氏墊圈進一步壓縮，直到第一彈簧206的貝氏墊圈完全被壓縮。鉆壓的額外的增加導(dǎo)致第二彈簧208的貝氏墊圈偏移(壓縮)。當(dāng)?shù)诙椈?08的貝氏墊圈開始偏移時，第二彈簧208的較高的彈簧常數(shù)增大了由彈簧組件18施加在鉆頭13上的回復(fù)力。因而，在較低和較高兩種鉆壓情況下，彈簧組件18有利于軸向振動傳遞給閥門組件16，而當(dāng)鉆壓較低時，允許軸向振動傳遞給閥門組件14，并由閥門組件14衰減。
圖15A和15B列出了用于計算第一彈簧和第二彈簧206、208的組合彈簧常數(shù)的等式。還介紹了對應(yīng)于具有每英寸210K磅的彈簧常數(shù)的“軟”彈簧和具有每英寸1,160K磅的彈簧常數(shù)的“硬”彈簧的算例。應(yīng)當(dāng)注意到，彈簧常數(shù)的這些特定數(shù)值只作為示例性目的而提供，第一彈簧和第二彈簧206、208的最佳彈簧常數(shù)取決于應(yīng)用。
在圖15A和15B中列出的符號表示下列參數(shù)k-彈簧常數(shù)；n-彈簧數(shù)量；h-彈簧的自由狀態(tài)下的總高度；hw-彈簧的工作高度；kc-總的彈簧常數(shù)；L-總的彈簧高度；ΔL-最大行程；Lc-總的彈簧組；δ-彈簧偏移量，其中的下標(biāo)“1”和“2”分別表示軟彈簧和硬彈簧。
上文的描述只作為說明性的目的而提供，不能當(dāng)作是對本發(fā)明的限制。雖然參考優(yōu)選實施例或優(yōu)選方法已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)明白，在此使用的詞句是描述性和顯示性的詞句，不是限制性的詞句。而且，雖然在此參考具體的結(jié)構(gòu)、方法和實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是，并不意味著本發(fā)明被局限于在此所披露的細(xì)節(jié)，因為本發(fā)明延伸到落入附帶的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)、方法和使用。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員，受益于該說明書的教導(dǎo)，可以對在此描述的本發(fā)明進行許多的修改，以及在不背離由附帶的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以進行各種變化。
例如，圖16A和16B描繪了閥門組件400。除了下述的以外，閥門組件400大體上與閥門組件16相同。(閥門組件400與閥門組件16大體上相同的部件在此用相同的標(biāo)記表示。)
閥門組件400包括閥殼402。閥殼402具有內(nèi)表面406。在附圖中所示的內(nèi)表面406為錐形。內(nèi)表面406的錐形使閥殼402的內(nèi)徑在軸向方向上落到閥殼402的各端與它的大致中心之間。換句話說，閥殼402的直徑在其端部是最大的，在其大致中心(相對于軸向方向)是最小的。
閥門組件400還包括線圈心軸408，線圈心軸408位于外套內(nèi)部，且相對于外套在軸向(“x”)方向上可動。線圈心軸408的外表面410是錐形的，在某種意義上類似于殼體402的內(nèi)表面406。線圈心軸408的外表面410和殼體402的內(nèi)表面406限定了一個空隙412。
內(nèi)表面406和外表面410的錐形使得空隙412響應(yīng)于線圈心軸408的相對運動，從圖16A所描繪的中間位置落入圖16B所描繪的位置?？障?12的減小增加了MRF在上孔和下孔腔室150、152之間運動的阻力。因而，由閥門組件400施加的阻尼力隨著鉆頭13的振動幅度而增加?？障兜臏p小也在MRF內(nèi)部形成一個較高的電磁場，從而增加MRF的粘性。
圖17A和17B以閥門組件440的形式描繪了閥門組件16的另一個變形實施例。閥門組件440包括閥殼442和位于閥殼442內(nèi)的心軸444。
心軸444具有內(nèi)表面446。多個永久磁鐵449靠近內(nèi)表面446被嵌入心軸444內(nèi)。(閥門組件440不包括線圈，比如閥門組件14的線圈136。)閥殼442包括多個面向內(nèi)的突起部450。各突起部通過充有MRF的空隙454與心軸444的內(nèi)表面446隔離。如圖17A所示，當(dāng)心軸444相對于閥殼442位于中間(中心)位置時，內(nèi)表面446的形狀使得空隙454最大。在這種情況下，MRF在閥殼442和線圈心軸444之間的相對運動產(chǎn)生的阻力最小。
如圖17B所示，心軸444的內(nèi)表面446形狀使得心軸444軸向移動，從它的中間位置落入空隙454。此外，由永久磁鐵449產(chǎn)生的磁場集中在空隙454中，從而增加在空隙454中的MRF的流動阻力。因此，當(dāng)線圈心軸444離開它的中間位置移動時，MRF在閥殼442和線圈心軸444之間相對運動的阻力增大。
圖18以閥門組件460的形式描繪了閥門組件16的另一個變形實施例。閥門組件460包括閥殼462和位于閥殼462內(nèi)的心軸464。
閥殼462和心軸464限定了第一或上孔腔室466和第二或下孔腔室468。第一腔室和第二腔室464、466充滿液壓流體。第一腔室和第二腔室466、468通過在閥殼462中形成的通道470流體連通。
閥門組件460還包括閥472，用于通過限制通道470的流通面積來限制液壓流體在第一腔室和第二腔室464、466之間的流動。閥472可以由裝置、比如控制器146來控制，以增大或減小節(jié)流量，并因而增大或減小由閥門組件460產(chǎn)生的阻尼力的大小。
零件目錄振動衰減系統(tǒng)10扭轉(zhuǎn)軸承組件14閥門組件16彈簧組件18渦輪交流發(fā)電機模塊20外殼21(渦輪交流發(fā)電機模塊20)鉆桿22軸承殼體50軸承心軸52徑向軸承54滾珠軸承55定心器導(dǎo)孔56鎖定銷57連接件58連接件59面板60通道61通道63內(nèi)表面64(軸承心軸52的)凹槽70(在軸承心軸52中的)外表面72(軸承心軸64的)凹槽74(在軸承殼體50中的)內(nèi)表面76(軸承殼體50的)通道78縱向中心線80(凹槽70的)縱向中心線82(軸承心軸52的)LVDT 84磁性元件86
傳感器88補償活塞90上孔側(cè)面90′(補償活塞90的)下孔側(cè)面90″(補償活塞90的)往復(fù)式密封件91凹槽92(形成在補償活塞90上)跟部93(密封件91的)唇部94延長部95凹槽96(在密封件91中的)彈簧97閥殼102(閥門組件16的)外殼103(閥門組件16的)外套104線圈心軸106第一部分108(外套104的)第二部分110第三部分112徑向軸承120套筒122內(nèi)表面124(線圈心軸106的)第一線性軸承125第二線性軸承126通道127凹槽128外表面部分130內(nèi)表面132(外套104第二部分110的)空隙135線圈136(在第二部分110的內(nèi)表面132和線圈心軸106的外表面部分130之間)
凹槽140(在外表面部分130中的)布線槽142饋電導(dǎo)孔144控制器146交流發(fā)電機147(渦輪-交流發(fā)電機組件的)磁場(由線圈136產(chǎn)生的)第一(上孔)腔室150第二(下孔)腔室152計算裝置160(控制器146的)記憶存儲裝置162固態(tài)繼電器162計算機可執(zhí)行指令164彈簧殼體200(彈簧組件18的)彈簧心軸202彈簧組205第一彈簧206第二彈簧208內(nèi)表面209(彈簧心軸202的)通道210耦接頭211第一墊片212第二墊片214唇部216(彈簧殼體200的)第三墊片218補償模塊300殼體302(補償模塊300的)心軸304徑向軸承305滑動補償活塞306通道314(在心軸304中的)
內(nèi)表面315腔室316閥門組件400閥殼402內(nèi)表面406(閥殼402的)線圈心軸408外表面410(線圈心軸408的)空隙412閥門組件440閥殼442線圈心軸444內(nèi)表面446(線圈心軸444的)磁鐵449突起部450(在閥殼442上的)空隙454(在內(nèi)表面446和突起部450之間的)閥門組件460閥殼462心軸464閥殼462第一腔室466第二腔室468通道470(在第一腔室466和第二腔室468之間的)閥47權(quán)利要求
1.一種用于衰減鉆頭的振動的閥門組件，其包括第一元件，所述第一元件能夠與鉆頭機械地相接合，以便第一元件承受來自鉆頭的振動；磁流變流體供給；第二元件，所述第二元件機械地與第一元件相接合，以便第二元件能夠相對于第一元件沿閥門組件的縱向中心線平移，第一元件和第二元件限定了用于保持磁流變流體的第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室流體連通；和線圈，其靠近第一元件和第二元件之一，使得磁流變流體能夠受到由線圈產(chǎn)生的磁場的影響。
2.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，所述第一元件包括一殼體，所述第二元件包括一心軸。
3.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，響應(yīng)于第二元件相對于第一元件的平移，磁流變流體在第一腔室和第二腔室之間傳遞。
4.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，磁流變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力引起第二元件相對于第一元件平移的阻力。
5.如權(quán)利要求4所述的閥門組件，其特征在于，所述力與磁場強度成比例。
6.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，還包括多個線圈，其中，相鄰的線圈以相反的方向卷繞在第一元件和第二元件上。
7.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，還包括控制器，控制器電氣地與線圈相接合，用于控制磁場強度。
8.如權(quán)利要求7所述的閥門組件，其特征在于，控制器響應(yīng)于鉆頭的至少一個工作參數(shù)來控制磁場強度。
9.如權(quán)利要求8所述的閥門組件，其特征在于，閥門組件能夠在鉆頭上施加作為磁流變流體的流動阻力的函數(shù)的粘性阻尼力，控制器計算所需要的阻尼力，并將電流導(dǎo)入線圈，以獲得所需要的阻尼力。
10.如權(quán)利要求9所述的閥門組件，其特征在于，所述至少一個工作參數(shù)是通過測量第二元件相對于第一元件的位移所確定的鉆頭的位移。
11.如權(quán)利要求10所述的閥門組件，其特征在于，響應(yīng)于鉆頭在上孔方向的位移的所需要的阻尼力大于響應(yīng)于鉆頭在下孔方向的位移的所需要的阻尼力。
12.如權(quán)利要求10所述的閥門組件，其特征在于，還包括線性可變位移傳感器，其電氣地連接到控制器，用于測量第二元件相對于第一元件的位移。
13.如權(quán)利要求2所述的閥門組件，其特征在于，所述心軸具有在其中形成的圓周延伸的凹槽，所述線圈卷繞在凹槽中。
14.如權(quán)利要求2所述的閥門組件，其特征在于，所述殼體包括外部元件和位于所述外部元件內(nèi)部的外套。
15.如權(quán)利要求2所述的閥門組件，其特征在于，第一腔室和第二腔室通過在第一元件和第二元件之間形成的空隙流體連通。
16.如權(quán)利要求15所述的閥門組件，其特征在于，限定空隙的第一元件和第二元件的表面形狀設(shè)計成當(dāng)?shù)诙鄬τ诘谝辉苿与x開中間位置時，空隙減少。
17.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，還包括用于密封第一腔室和第二腔室的密封件，每個密封件包括跟部；與靠近密封件的內(nèi)徑的跟部相鄰接的延長部；與靠近密封件的外徑的跟部鄰接的唇部，用于刮除閥門組件的鄰接面上的MRF；以及位于由跟部、唇部和延長部限定的凹槽內(nèi)的彈簧，用于在徑向向外的方向上對密封件施加力。
18.如權(quán)利要求17所述的閥門組件，其特征在于，還包括位于在靠近第一腔室的第二元件中形成的圓周延伸的凹槽中的三個密封件，其中，第一密封件和第二密封件定向成使第一密封件和第二密封件的唇部面向第一腔室，第三密封件定向成使其唇部背向第一腔室。
19.如權(quán)利要求18所述的閥門組件，其特征在于，密封件的高度大于凹槽的深度。
20.如權(quán)利要求17所述的閥門組件，其特征在于，各密封件的跟部、延長部和唇部由PTFE和碳-石墨的混合物形成。
21.如權(quán)利要求17所述的閥門組件，其特征在于，彈簧是帶狀彈簧。
22.如權(quán)利要求17所述的閥門組件，其特征在于，當(dāng)?shù)谝辉鄬τ诘诙揭茣r，延長部使得唇部與第一元件和第二元件之間的間隙保持間隔。
23.如權(quán)利要求1所述的閥門組件，其特征在于，還包括用于根據(jù)鉆頭的至少一個工作參數(shù)來控制通入線圈的電流以改變磁場強度的裝置。
24.一種用于衰減鉆柱中的鉆頭的振動的閥門組件，其包括流體供給；第一元件，所述第一元件能夠與鉆柱相接合，以便第一元件承受來自鉆柱的振動；第二元件，所述第二元件能夠響應(yīng)于鉆頭的振動相對于第一元件移動，第一元件和第二元件限定了用于保持流體的第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室流體連通，以便流體響應(yīng)于第二元件相對于第一元件的運動，在第一腔室和第二腔室之間流動；和用于改變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力的裝置。
25.如權(quán)利要求24所述的閥門組件，其特征在于，第一腔室和第二腔室通過在第一元件和第二元件之間形成的空隙流體連通。
26.如權(quán)利要求24所述的閥門組件，其特征在于，所述用于改變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力的裝置包括用于限制第一腔室和第二腔室之間的通道的流通面積的裝置，且所述流體是液壓流體。
27.如權(quán)利要求24所述的閥門組件，其特征在于，所述用于改變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力的裝置包括用于產(chǎn)生磁場的裝置，且所述流體是磁流變流體。
28.一種用于向鉆頭傳遞轉(zhuǎn)矩的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其包括第一元件，所述第一元件能夠與轉(zhuǎn)矩源機械地相接合，以便第一元件響應(yīng)于該轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)，第一元件具有在其中形成的第一凹槽；第二元件，所述第二元件能夠機械地與鉆頭相接合，從而鉆頭響應(yīng)于第二元件的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，其中，第二元件機械地與第一元件相接合，從而第二元件能夠相對于第一元件在大體上與扭轉(zhuǎn)軸承組件的縱向中心線一致的第一方向上平移，以及第二元件具有在其中形成的面向第一凹槽的第二凹槽，從而第一凹槽與第二凹槽形成大體上在第二方向上延伸的通道；和設(shè)置在通道中的滾珠軸承，用于傳遞第一元件和第二元件之間的轉(zhuǎn)矩。
29.如權(quán)利要求28所述的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其特征在于，所述第一元件包括心軸，所述第二元件包括殼體。
30.如權(quán)利要求28所述的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其特征在于，第二方向相對于第一方向成大約4度到大約8度的角度。
31.如權(quán)利要求27所述的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其特征在于，通道的縱向中心線相對于扭轉(zhuǎn)軸承組件的縱向中心線成一角度，從而當(dāng)大體上與扭轉(zhuǎn)軸承組件的縱向中心線一致地軸向振動時，從鉆頭傳遞到第二元件的至少一部分扭轉(zhuǎn)振動被傳遞給第一元件。
32.如權(quán)利要求28所述的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其特征在于，還包括多個滾珠軸承。
33.如權(quán)利要求28所述的扭轉(zhuǎn)軸承組件，其特征在于，通道大體上形成螺旋狀。
34.一種在鉆柱中使用的彈簧組件，其包括第一元件，所述第一元件能夠與鉆頭機械地相接合，從而第一元件能夠響應(yīng)于鉆頭的運動在第一方向及相反的第二方向上平移；第二元件，所述第二元件機械地與第一元件相接合，從而第一元件能夠相對于第二元件在第一方向和第二方向上平移；和設(shè)置在第一元件和第二元件中的其中之一上的彈簧組，其中，當(dāng)?shù)谝辉诘谝环较蛏舷鄬τ诘诙揭茝亩鴫嚎s彈簧組時，彈簧組的第一端基本上受到約束，且彈簧的第二端在第一方向上平移，以及當(dāng)?shù)谝辉诘诙较蛏舷鄬τ诘诙揭茝亩鴫嚎s彈簧組時，彈簧組的第二端基本上受到約束，彈簧的第一端在第二方向上平移。
35.如權(quán)利要求34所述的彈簧組件，其特征在于，彈簧組包括第一彈簧和第二彈簧。
36.如權(quán)利要求35所述的彈簧組件，其特征在于，第一彈簧的彈簧常數(shù)小于第二彈簧的彈簧常數(shù)。
37.如權(quán)利要求35所述的彈簧組件，其特征在于，其中第一彈簧和第二彈簧是貝氏彈簧。
38.如權(quán)利要求35所述的彈簧組件，其特征在于，還包括第一墊片和第二墊片，其中，當(dāng)?shù)谝辉鄬τ诘诙诘谝环较蛏掀揭茣r，彈簧組的第一端朝扭轉(zhuǎn)軸承組件的耦接頭推動第一墊片，從而使耦接頭限制第一墊片和彈簧組的第一端；當(dāng)?shù)谝辉鄬τ诘诙诘诙较蛏掀揭茣r，彈簧組的第二端朝連接到彈簧組件的補償模塊的殼體推動第二墊片，從而使補償模塊的殼體限制第二墊片和彈簧組的第二端。
39.一種在用于鉆探鉆井的鉆柱中使用的振動衰減系統(tǒng)，其包括軸承，所述軸承包括第一元件和與第一元件相接合的第二元件，第一元件能夠相對于第二元件在上孔方向和下孔方向上平移，并且轉(zhuǎn)矩能夠在第一元件和第二元件之間傳遞；閥門組件，所述閥門組件包括第一元件，所述第一元件固定地連接到扭轉(zhuǎn)軸承組件的第一元件，以便閥門組件的第一元件與扭轉(zhuǎn)軸承組件的第一元件一起在上孔方向和下孔方向上平移；第二元件，所述第二元件固定地連接到扭轉(zhuǎn)軸承組件的第二元件，以便閥門組件的第二元件與扭轉(zhuǎn)軸承組件的第二元件一起在上孔方向和下孔方向上平移，閥門組件的第一元件和第二元件限定了用于保持流體供給的第一腔室和第二腔室，以便流體響應(yīng)于閥門組件的第一元件和第二元件之間的相對運動，在第一腔室和第二腔室之間流動；用于改變流體的流動阻力的裝置；以及彈簧組件，所述彈簧組件包括第一元件，所述第一元件固定地連接到閥門組件的第一元件，以便彈簧組件的第一元件與閥門組件的第一元件一起在上孔和下孔方向上平移；第二元件，所述第二元件固定地連接到閥門組件的第二元件上，以便彈簧組件的第二元件與閥門組件的第二元件一起在上孔方向和下孔方向上平移；以及彈簧，用于克服彈簧組件的第一元件和第二元件之間的相對運動。
40.一種用于衰減鉆頭的振動的方法，其包括提供能夠在鉆頭上施加阻尼力的閥門組件；和響應(yīng)于鉆頭的至少一個工作參數(shù)，自動地改變阻尼力。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述工作參數(shù)是通過測量閥門組件的第二元件相對于閥門組件的第一元件的位移所確定的鉆頭的位移。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，響應(yīng)于鉆頭的至少一個工作參數(shù)自動改變阻尼力包括改變閥門組件的磁流變流體的流動阻力。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，改變閥門組件的流體的流動阻力包括將大小變化的電流通至閥門組件的線圈。
全文摘要
一種用于衰減鉆柱中的振動的系統(tǒng)，其可包括閥門組件，所述閥門組件具有一定量的流體、第一元件和能夠響應(yīng)于鉆頭的振動相對于第一元件移動的第二元件。第一元件和第二元件限定了用于保持流體的第一腔室和第二腔室。響應(yīng)于第二元件相對于第一元件的運動，流體可以在第一腔室和第二腔室之間流動。閥門組件還可以包括線圈或閥，用于改變流體在第一腔室和第二腔室之間流動的阻力。
文檔編號E21B17/07GK1890451SQ200480036424
公開日2007年1月3日 申請日期2004年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者馬克·埃爾斯沃思·瓦塞爾, 威廉·埃文斯·特納, 丹尼爾·E·伯吉斯, 卡爾·阿莉森·佩里 申請人:Aps技術(shù)公司