[发明专利]用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法

说明书

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”(“System and Method for Damping Vibration in a Drill String Using a Magnetorheological Damper”)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发明有一定的权利，本发明部分经费来自美国能源部国家能源技术实验室的Deep Trek计划，拨款号为DE-FC26-02NT41664。

背景技术

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“System And Method For Damping Vibration In A Drill String”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，发明人已经发现，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。