CN103109033A - 径向振动设备 - Google Patents

Abstract

一种用于井下组件的振动设备，包括第一组件和第二组件，所述第一组件和所述第二组件中的每个组件具有围绕一共同轴线的磁性阵列，其中流体供给或者其它合适驱动使得在所述第一组件和所述第二组件之间的相对转动，该相对转动产生振动导致磁性阵列之间的相互作用，从而引起所述组件沿着所述共同轴线或者平行于所述共同轴线的往复式直线性运动。

Description

径向振动设备

技术领域

本发明涉及适于在钻柱中井下使用的振动和/或锤击设备。

这种设备的使用示例包括但不限于例如作为钻锤、作为摆荡器、连续管式钻探、被卡的自由式钻柱等的用于井下使用的设备。可以在钻柱中的任何地方实现井下使用。

对于钻探，本发明发现要获得的优点是在将振动或锤击动作定位为钻柱的一部分（在钻柱中的任何地方——顶端、中部、底端等——包括组合），并将其一部分与钻柱同步。

本发明想到利用各式各样的磁体形状将两个磁性阵列置于任何数目的配置中，从而提供期望的效果，其中在第一阵列的转动输入下，第二阵列被驱使以在（大体上管状的）钻具壳体内轴向地往复运动。

背景技术

在浅钻孔中，钻孔压力非常低，可以有利地将轴向运动阵列容装在大气腔室内。在非常深的钻孔中，钻孔压力非常大（事实上可以是数千PSI），使用传统的动态密封来防止钻探流体（包含砂粒、岩石颗粒等）侵入钻具中以及防止由此造成的轴向运动阵列的停转是非常艰巨的任务。

在我们的PCT/NZ2005/000329（以WO2006/065155公开）中，我们披露了对各端部携载有磁性阵列的梭行件的使用，当梭行件转动时，每个磁性阵列与专门的互补磁性阵列异相地相互作用，从而使得相对于梭行件关于互补阵列的梭行沿轴向产生振动。

在我们的PCT/NZ2008/000217（以WO2009/028964公开）中，我们披露了在各种类型的锤击设备中使用这种磁性阵列的端向相互作用。

上述文献的全部内容通过引用并入此文中。

发明内容

作为数个目标和数个备选目标之一，本发明提供了一种组件，该组件能够提供响应于相对转动驱动依靠在作为带轴组件的一部分在周围或者基本上在周边以阵列布置的磁体（如同转子）与作为围绕结构的一部分以阵列布置的围绕磁体（如同定子）之间的相互作用而产生的梭行结果。

本发明预想到混合磁极磁性阵列，这些阵列作为分别能够相互转动（如同定子和转子）的至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列来一个与另一个相互作用，从而可以实现基本上如之后描述的运动。

另一个或者备选的目标是提供一种设备，在这种设备中，液体内容物或者液体能够渗入到在至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列的磁性阵列之间的空间中的某些或者至少某些内，所述更向外组件和更向内组件分别能够相互转动（例如一个可以被认作定子而另一个可以被认作转子，反之亦然）。

另一个或者备选的目标在于提供一种组件，该组件具有磁场可穿透材料（例如铬镍铁合金、钛）的管，该管绕着磁体的轴向延伸阵列绕着要与该管外部的环绕磁体磁场共同作用的转子，并不与转子一起转动（即，为定子）。

另一个或备选的目标在于依靠由分别能够相互转动的至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列的相对转动所导致的轴向错位来产生振动输出。

另一个或备选的目标在于依靠由分别能够相互转动的至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列的相对转动所导致的轴向错位来产生振动输出，而不管在阵列之间是否置有液体。

另一个或备选的目标在于依靠由分别能够相互转动的至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列的相对转动所导致的轴向错位来产生振动输出，而不管是否插置了高电阻率材料或者插置了作为一个阵列或另一个阵列或两个阵列的罩或支撑件的高电阻率材料（例如铬镍铁合金、钛、塑料、碳纤维复合物或类似物）。

本发明还具有的另一个或备选目标是提供一种能够提供振动输出的设备，该设备可以以比前文提及的专利文献中所披露的那些部分相比更少的部分来实现输出。

另一个或者备选目标在于提供一种驱动接收和振动输出装置的两个相互作用磁性阵列，其中，至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列分别能够相互转动。

另一个或备选目标在于提供一种驱动接收和振动输出装置的两个相互作用磁性阵列，其中，至少基本上同心的更向外组件和更向内组件的向内导向阵列和向外导向阵列分别能够相互转动，一个或者两个阵列的极性沿周向方向并与其相对转动轴线平行地交替（或者交叠或者变化）。

本发明的另一个或者备选目标在于提供一种至少部分地填充液体的振动设备，该设备能够在井下或其它地方操作，并且在周围使用环境和设备内部至少某些区域之间的压力差减少。

本发明的另一个或备选目标在于提供一种振动设备，该设备能够在井下或其它地方操作，并具有使得频率能够以各种不同方式容易地调整的设施。

本发明的另一个或备选目标在于提供一种振动设备或者锤击设备或者摆荡器设备（shaker apparatus），其能够以减小的制造公差来有效地操作。

本发明的另一个或备选目标在于提供一种具有定子和转子的振动设备或者锤击设备或者摆荡器设备，所述定子和转子能够被驱动以一个相对于另一个进行往复式运动，在至少一个方向上的驱动通过在共同纵向轴线之外由各个携载的至少基本同心的相互作用磁性阵列产生（所述轴线是转子相对于定子转动（反之亦然）的轴线）。优选地，这种目标还允许通过一个或多个器件对振动输出进行调整，所述器件的一种选择例如（仅以示例形式给出）是被提供用于一次冲程结束时的撞击或者被提供用于一次冲程结束时的液体挤压的边界的构件。

本发明的另一个或备选目标在于提供一种振动设备，该设备能够在井下操作，其中，在井下中有通过磁性阵列携载转子的流体流动路径，流体可以通到更井下的区域（例如从井下钻具出来或者到该井下钻具）。另一个目标可选地使得在为使转子相对于定子（其携载相互作用磁体的阵列）转动的PDM提供动力之后的这种液体进一步地供给井下。

另一个或者备选的目标在于提供分离的流通液体或流体（例如钻探泥浆），并具有在振动设备中的系留液体（例如油）以对抗（例如在井下的）外部压力。

本发明的另一个或者备选目标在于提供一种振动设备，其中：

定子（带有磁性阵列）是关于（1）壳体、钻头壳体、钻具、钻具壳体等和（2）转子（带有磁性阵列）的“梭行件（shuttle）”，并且

定子直接或间接在壳体、钻头壳体、钻具、钻具壳体等的至少一个冲击区域上的动作产生出振动。例如，所述设备可以是井下摆荡器或者连续管式钻探系统的一部分。

另一个或者备选目标在于依靠转子携载的磁性阵列到定子携载的磁性阵列在接近的相互作用阵列的重叠的轴向范围的环形相互作用区域上的相互作用使定子沿轴向方向相对于转子运动。

还有另一个或者备选目标在于使用如本文所描述的这种相互作用并且/或者在于提供如本文所描述的外部和/或内部阵列、转子、定子和/或辅助设备。

在高钻孔压力环境中使用的许多井下钻具中，可以在任何大气腔室的地方避免如上文描述的压力差密封问题。然而，其它这种带有动态（移动部件）的钻具要么：

1.在钻探流体（泥浆）作用下经受全钻孔压力，并且被设计成在这种粘性摩擦环境（例如泥浆润滑轴承或者泥浆驱动流体钻锤）中使用，

2.要么使用受限在一腔体中的例如水（或类似物）的清洁流体。

另一个或者备选的目标在于使得流体填充的腔体和动态运动部件都处于清洁并密封的环境中。

另一个或者备选的目标在于使得横跨运动部件（轴向振荡磁性阵列）的本体的流体阻力最小化。为了实现这一目标，期望的是：

1）将磁性阵列以流水线的方式（例如径向对齐）设计并组装，

2）提供端口让轴向振荡磁性阵列以最小的阻力运动经过流体柱。

我们相信，没有这种特征，有可能阻力会显著地降低钻具的操作性能，或者最坏地以液压方式停转轴向振动磁性阵列。

另一个或者备选目标在于提供（一个或数个）压力补偿活塞。

实践中，每当试图用清洁流体100%填充磁性阵列腔体（在钻具中没有留困住空气）时，这在一定程度上是不可能的事情，而在钻具壳体内的压力补偿活塞能够解决填充中的任何不充分。

在实践中，留困在钻具内的任何空气将经受钻孔压力。当空气泡在钻孔压力下（基本上）坍缩时，压力活塞将驱使清洁流体进入腔体中用清洁流体把萎缩的空气体积取代。

因此，我们提出使用低粘性（基本上）不可压缩的流体来填充钻具的内腔体，结果是虽然所述流体将一定程度上降低钻具的操作性能，但是它完全消除了高压力差密封问题，并且仅要求传统的“刮擦器”式密封件来防止钻探流体进入钻具中。

在其它的较少期望的处理该问题的方法中：

-在地面用加压气体对大气腔室预先填料以部分地（或者完全地）匹配预想钻孔压力。

-或者利用如我们的PCT/NZ2011/000057中描述的随动式磁体驱动。

另一个或者备选目标在于解决在下文描述到的停止/启动反应。

为此目标开发出的钻具关注在PDM与磁性钻锤之间的输入驱动（或者例如来自地面的机械连接处的其它转动输入）。磁性钻锤的独特特征之一是它产生了在驱动机构内的齿槽反应（cogging reaction），即，当转动致动的磁性阵列从转动受限的磁性阵列转向“离开”时有磁诱发的扭矩反应。在这点上，扭矩要求会是显著的。然而，在转动运动了一定角度后，转动驱动阵列朝着转动受限阵列上的下一个（相对磁极）加速运动。

该反应产生了在输入驱动（PDM、机械连接处等）中的停止/启动类型反应，该反应出于以下原因是没有帮助的：

1.它使转动输入暂时性停止，由此消极地影响冲击动作，使得不允许钻锤前进通过地层发挥其最大潜能。

2.它会导致对输入驱动的疲劳损坏。

3.它会导致驱动机构内的不期望的扭振共振（在从地面机械驱动的情况下更有可能发生）。

因此，我们提议，要么：

1.在输入驱动（PDM等）和磁性钻锤之间容装纵向机械飞轮，要么

2.在输入驱动（PDM等）和磁性钻锤之间容装磁性飞轮。

各装置将优选地（但不是必须地）与磁性钻锤一起使用。各装置将优选地容装在一柱形壳体内。

机械飞轮将优选地合并有在所述本体内的转动质量，优选地带有（优选地）通过飞轮的（用于钻探泥浆等的）不间断流体路径，以便允许通向钻锤和钻头的不间断流动。

磁性飞轮可以具有转动纵向构件，该构件带有附接（镶嵌）有交替磁极的磁体，这些磁体在转动时彼此相互作用；

·固定磁性阵列（其不能轴向或者转动运动，除了当与外壳体一起时），这些阵列与磁性钻锤内的磁性阵列呈180度异相，或者，

·对着在围绕本体内的金属肋作用，这些肋将将提供一些磁性吸引，而之间的切除部分则不能。

各类机构将用于消除磁性钻锤产生的齿槽效应并减少任何消极效果。

此钻具的另一个优点在于，钻探流体输送机构具有均匀且非约束的性质，这限制了通过钻具的压降。这对使可用于钻探头或其它井下钻具的清洁钻孔用液压流体功率最大化是重要的。

在本发明的一个方面中的是一种井下组件的或者适用于井下组件的振动设备，该振动设备在使用时能够在井下提供振动输出，所述振动设备包括或者包含第一组件和第二组件，该第一组件和该第二组件能够被驱使以绕着一转动轴线（“共同轴线”）相对转动，由此使得沿着或者平行于所述共同轴线的、振动引起的往复式直线性运动能够被输出；

其中，所述第一组件和所述第二组件各具有磁性阵列，所述磁性阵列被布置成从所述共同轴线起围绕所述共同轴线在所述共同轴线的纵向上；

并且其中，因所述相对转动而生的在所述磁性阵列之间的横跨所述磁性阵列之间的纵向延伸环形空间的相互作用提供了在所述共同轴线的纵向上的相对驱动。

优选地，供给所述振动设备的流体供给能够导致所述相对转动。

优选地，所述流体供给能够通过所述振动设备。

优选地，有或者可以有给PDM、涡轮机或者等同物的流体供给，从而使得所述第一组件和所述第二组件中最靠内的那个组件转动，并能够通过所述第一组件和所述第二组件中最靠内的那个组件，所述第一组件和所述第二组件中最靠外的那个组件被花键式连接到所述振动设备作为其一部分的钻柱的外壳或者不能关于钻柱的外壳转动从而导致绕着所述共同轴线的所述相对转动。

可选地，所述第一组件和所述第二组件被封装在一共同腔室内。

优选地，所述共同腔室包括液体。

可选地，给所述第一组件和所述第二组件中的一个组件或者另一个组件设置有磁性阻力驱动，该特定的一个组件在一封装件中，所述封装件也包含另一个组件。

可选地，所述第一组件和所述第二组件各自在分离的关闭腔室中，并且所述关闭腔室中的至少一个腔室包含液体，并且优选地所述关闭腔室都包含液体。

优选地，有包含给所述第一组件和所述第二组件中的一个组件的转动驱动输入的飞轮。

可选地，所述飞轮是机械式飞轮或者磁性飞轮，磁性飞轮的意义在于它消除了可能发生的齿槽效应。

可选地，所述飞轮在PDM与所述第一组件和所述第二组件中的一个组件之间。

可选地，所述驱动是PDM/涡轮机/机械驱动或者电驱动。

优选地，在所述振动设备中，在所述第一组件和所述第二组件之间的液体帮助或者将帮助抵抗外部井下压力。

可选地，所述振动设备是锤击设备。

在本发明的另一个方面中的是一种井下的或者适用于井下（例如如前文所描述地作为钻柱的一部分等）的振动和/或锤击设备，所述设备包括或者包含：

与井下轴线对齐的伸长的外壳组件，

可选地在所述外壳组件的端部处的钻具，

被携载以当所述外壳组件转动时转动的第一磁性阵列，

被携载以相对于所述第一磁性阵列转动的第二磁性阵列，以便提供作为磁性阵列相互作用结果的相对轴向往复式运动，

可选地，所述相对运动提供了在所述外壳组件内部的冲击区域处的冲击，

可选地，能量恢复弹簧帮助运动逆转，

来自PDM或其它输入的驱动，该驱动可选地具有以下的一个或者两个：（1）飞轮特征件和/或（2）磁体，所述磁体作用在另外的磁体或者至少铁磁材料上，以便消除任何实质齿槽效应。

在本发明的一个或另一个方面中的是一种振动设备，该振动设备依靠于支撑件之间的相对转动，所述支撑件用于使至少基本上同心的磁性阵列相互作用以驱使相对线性运动能够作为振动输出（例如锤击或者摆荡输出）而被输出；有驱动来驱使这种相对转动和设备（例如该驱动可以是设备本身），以便接收至少某些直线性运动的动能和因此的振动输出。

可选地应用以下的一个或多个：

－磁性阵列的环境是流体环境

－流体环境设有端口以减少阻力

-“刮擦器”类型密封件在所述流体环境和外界钻探环境流体之间进行密封

－所述驱动被增强以包含飞轮特征

－所述驱动可以是随动磁性驱动，其允许从一个磁性系统到其随动部分的输入，但在不同的密封环境中是随动磁性系统的输入，以便提供磁性阵列中的一个相对于另一个的机械转动。

－与那些所述磁性阵列的异相磁性相互作用（以磁体对磁体或者磁体对铁磁材料的方式）使齿槽效应消除。

在本发明的一个或者另一个方面中的是一种振动设备，其依靠支撑件之间的相对转动，所述支撑件用于使至少基本上同心的磁性阵列（每个支撑件有一个阵列）相互作用，以便使得相对线性运动能够被输出作为振动输出（例如锤击或者摆荡输出）；有驱动来驱使这种相对转动和设备（例如该驱动可以是设备本身），以便接收至少某些直线性运动的动能和因此的振动输出。

在本发明的一个或者另一个方面中的是一种振动设备，该振动设备包括或者包含用于接收振动的设备（在下文是“壳体组件”，而无论其形式或功能，它可以是钻具、钻头、砧、围绕件、基于钻柱外壳的组件、钻头壳体、钻具壳体等），

更向外的组件能够相对于壳体组件的至少一部分作往复式运动，以便提供振动（通过在一冲程或者各个冲程结束时的冲击、或者通过中止其动能的至少一部分）到壳体组件中，

更向内的组件在壳体组件内并在更向外的组件内部，所述更向内的组件能够被驱动以相对于更向外的组件和壳体组件转动；

其中，更向外的组件和更向内的组件中的每一个都具有绕着相对转动轴线并至少沿着该轴线在该轴线之外的磁体的相互作用阵列，其适于在相对转动时一个阵列与另一个阵列相互作用以产生往复式运动。

可选地，应用以下的一个或者多个：

－磁性阵列的环境是流体环境

－流体环境设有端口以减少阻力

-“刮擦器”类型密封件在所述流体环境和外界钻探环境流体之间进行密封

－所述驱动被增强以包含飞轮特征

－所述驱动可以是随动磁性驱动，其允许从一个磁性系统到其随动磁性系统的输入，但在不同的密封环境中是随动磁性系统的输入，以便提供磁性阵列中的一个相对于另一个的机械转动。

－与那些所述磁性阵列的异相磁性相互作用（以磁体对磁体或者磁体对铁磁材料的方式）使齿槽效应消除。

在本发明的一个或者另一个方面中的是一种振动设备，该振动设备包括或者包含用于接收振动的设备（在下文是“壳体组件”，而无论其形式或功能，它可以是基于钻柱外壳的组件、钻头壳体、钻具壳体等），

定子组件，该定子组件能够相对于壳体组件的至少一部分做往复式运动，以便提供振动（通过在一冲程或者各个冲程结束时的冲击、或者通过中止其动能的至少一部分）到壳体组件中，

转子组件，该转子组件在壳体组件内并在定子组件内部，所述转子组件能够被驱动以关于更向外的组件和壳体组件转动；

其中，定子组件和转子组件中的每一个都具有在一环形区域上绕着转子轴线并至少沿着该轴线在该轴线之外的磁体的相互作用阵列，其适于在转子组件和定子组件相对转动时一个阵列与另一个阵列相互作用以产生往复式运动。

在本发明的一个或另一个方面中的是一种振动设备，该振动设备能够提供振动输出，所述设备包括或包含第一组件和第二组件，该第一组件和该第二组件能够被围绕一转动轴线的相对转动驱使，以引发振动使得往复式相对轴向运动能够被输出（例如进入设备的一部分中等）；

其中，所述第一组件和所述第二组件各具有磁性阵列，所述磁性阵列被布置成从一共同轴线起围绕所述共同轴线在所述共同轴线的纵向上；

并且其中，在所述磁性阵列之间因所述相对转动而生的相互作用提供了在所述共同轴线的纵向上的相对驱动。

在又一个方面中，本发明涉及一种振动设备，该振动设备能够提供振动输出，所述设备包括或包含第一组件和第二组件，该第一组件和该第二组件能够被驱使（例如优选地通过流体供给（例如给PDM的流体供给）），以便绕着一转动轴线（“共同轴线”）相对转动，并由此呈现出振动使得能够沿着所述共同轴线或者平行于所述共同轴线被输出的往复式相对轴向运动；

其中，所述第一组件和所述第二组件各具有磁性阵列，所述磁性阵列被布置成从一共同轴线起围绕所述共同轴线在所述共同轴线的纵向上；

并且其中，在所述磁性阵列之间因所述相对转动而生的相互作用提供了在所述共同轴线的纵向上的相对驱动。

在另一个方面中，本发明涉及一种锤击设备或井下锤击设备，其具有定子、转子和用于定子和转子二者的至少一部分壳体（例如如之前限定的壳体组件）；

其中，所述定子依靠于或者能够：

（1）在所述壳体中往复式运动，并且

（2）被驱使以在往复式运动轴线的轴向上至少沿着一个轴向方向运动，以便给所述壳体（或者从属于该壳体的结构）或者在其上提供锤击或者摆荡效果；

并且其中，所述定子关于所述壳体的往复式运动因转子和定子关于转动轴线的相对转动而产生，定子和转子各自的阵列在相对转动轴线的纵向上并包围转动轴线，并能够与另一个阵列相互作用以在相对转动时提供往复式运动。

在另一个方面中，本发明涉及一种振动设备，该振动设备依靠具有转子的套管、围绕件或者等同物的形式的定子；

其中，定子能够往复式运动，并能够被驱使以在往复式轴线的轴向上沿至少一个轴向方向运动，以便提供因至少基本同轴的向内导向磁体阵列和向外导向磁体阵列分别绕着定子和转子的轴线的相对运动而产生的锤击效果、摆荡效果或者其它振动输出效果。

在又一个方面中，本发明涉及一种井下钻锤或摆荡器组件，该井下钻锤或摆荡器组件依靠其在至少基本上同轴的磁性阵列之间相对转动时产生的锤击或摆荡效果，所述磁性阵列各个延伸为被设置成从相对转动轴线起在该转动轴线的纵向上的相互同心的阵列，存在有：

（i）钻锤的磁性阵列，所述钻锤是能够在钻柱内往复式运动的定子，和

（ii）在定子内的转子的磁性阵列，用于提供所述钻锤的纵向驱动。

在另一个方面中，本发明涉及一种振动设备，这种振动设备能够将因定子和转子之间的相对轴向往复式运动而生的振动输出，所述设备包括或包含定子，该定子被花键式连接，从而在所述定子和转子之间在一转动轴线上相对转动时作为结果地在至少一部分外壳或壳体内往复式运动，所述转动轴线至少基本上平行于往复式轨迹；其中

（I）作为定子，至少有

（a）转子的围绕件；

（b）定子磁铁，其作为所述围绕件的一部分被直接地或者间接地携载，并且围绕所述转子沿纵向和沿周向成阵列；

（II）作为转子，至少有：

（i）驱动可转动的带轴组件，其延伸通过定子磁体的区域，所述驱动能够导致在所述定子和所述转子之间的相对转动，和

（ii）转子磁体，其作为带轴组件的一部分被携载，并纵向地以及至少基本上周向地成阵列。

本发明在另一个方面中涉及使用可转动地安装的转子的被遮蔽或未被遮蔽的基本上周边的磁性阵列以在转动轴线的轴向上驱动定子，该定子具有互补的围绕磁体阵列，由此为转子要相对于其转动的设备提供振动、锤击和/或摆荡输出（有或者没有由定子或者其延伸部的撞击）。

在另一个方面中，本发明涉及转子和/或定子和/或用于容纳转子和定子的设备，该设备是所有如本文所描述的振动设备。

在另一个方面中，本发明涉及一种振动设备，该振动设备包括或包含：

外构件或组件，

中间构件或组件，其能够在所述外构件或组件内部相对于所述外构件或组件做往复式运动，并能够将来自其梭行运动的动能沿其冲程的纵向传递到所述外构件或组件中，和

内构件或组件，其能够在起于其与所述外构件或组件相交合的地方并在一驱动下方的转动轴线上转动，该转动轴线通过所述中间构件或组件；

其中，所述中间构件或组件以及所述内构件或组件（例如分别作为定子和转子）中的每一个具有相对于转动轴线纵向延伸的基本上同心的磁性阵列；

并且其中，阵列的相对转动导致所述中间构件或组件相对于所述内构件或组件以及所述外构件或组件做往复式运动。

在上述方面中，优选的布置是带有磁性阵列的所述中间构件或定子能够在基本上管状的相互作用区域的纵向方向上进行往复式运动。

优选地，所述中间构件是定子并且通过在一冲击区域上撞击而用作钻锤，所述冲击区域优选地由所述外构件或组件或者壳体携载，可以反之亦然（可以驱动定子转动并驱动转子梭行）。

优选地，所述冲击区域由一结构限定，该结构能够变化以限定至少在引起冲击的方向上的可能冲程。

优选地，有在冲程的另一端处有止动板。可选地，被设置给向上冲程的一端止动板可以具有基本上如本文描述的插入式回冲机构（即，在所述定子和所述端止动板之间）。

优选地，作为转子的所述内构件或组件，或者是转子的组件沿着转子转动轴线的纵向在一环形区域上携载永久磁体的阵列。

两个阵列中的每个阵列可以具有相同的极性但交叠以提供基本上如以下参照附图进行描述的运动。

在一些方面中可以使用混合磁极。可以有在各磁极阵列内和/或在磁性阵列之间的各种形式或磁性布置，优选的布置是，有本文所涉及的（例如参考附图）简单地起于相对转动的轴向驱动。

简单的布置可以是，对于各阵列有在相对转动轴线的周向上和平行于该转动轴线的方向上的磁极交替。这可以提供被各个S极磁体的相交螺旋轨迹介入的各个N极磁体的类似的相交螺旋轨迹。当然，混合型布置可以用作可以完全不同的阵列。

如所提及地，利用的永久磁体可以具有在前述专利文献中披露的各种类型。

优选地，转子或者内构件磁性阵列至少由管状或其它形状的包装件围绕，所述包装件的材料不阻止两个磁性阵列之间的相互作用。一个示例是例如镉镍铁合金或钛的金属的管。其它存在的示例包含大范围的非金属材料和其它合金。

优选地，振动设备具有以下适用的两个流体系统中的至少一个：

（i）用于保持系留液体（即使它可能被要求运动）进行例如四处溅泼的系统，和

（ii）用于允许流通液体（例如PDM驱动液体和/或钻探泥浆）的系统。

优选地，所述转子或者所述内构件或组件有轴，并且有通道经过轴的轴线，由此流体可以（例如在井下工具的情况下从可以直接或间接地转动所述轴的PDM）通过转子组件，并且从此处下行并从由管状外壳携载的钻头或钻具出来，所述管状外壳是壳体组件的外构件或一部分。

可以有两个独立的本发明流体系统。

有被设置成通过转子中心的一个流体系统的流体路径用于例如外部所提供流体（例如可以被用来给PDM提供动力的钻探泥浆等，其向下流动到钻探头或者钻具以在操作中让切削件移位）。

第二个流体系统提供流体位移路径，用于系留液体或者所含液体（例如轻质油或者水性组成）。所含液体通过磁性阵列的活动（例如相对梭行和转动运动）围绕磁性阵列在磁性阵列之间移动。

系留液体可以在相对转动的磁性阵列之间或者在一个阵列和另一个阵列的罩之间或者在每个阵列的罩之间简单地润滑。

可以提供位移路径以保持系留液体不会锁住相对轴向运动。

本领域技术人员将理解加载有液体而不是气体成分的环境能够给任何密封带来的问题更少，这对该机构而言是期望的。磁性相互作用向外和向内通过由非磁性遮蔽件保护的纵向延伸的环形区域。在所述区域中存在的这种液体对梭行动作不是显著有害的。如果有足够的端口允许充分的冲程和动能的有效传递，任何合适的路径等都可以被利用。例外，可以确保在外侧磁性阵列和转子的被遮蔽的磁性阵列之间提供一些润滑，以便减小压差或者提供如下文所描述的任何优点。

可选地，应用以下的一个或者多个：

－磁性阵列的环境是流体环境

－流体环境设有端口以减少阻力

-“刮擦器”类型密封件在所述流体环境和外界钻探环境流体之间进行密封

－所述驱动被增强以包含飞轮特征

－所述驱动可以是随动磁性驱动，其允许从一个磁性系统到其随动磁性系统的输入，但在不同的密封环境中为随动磁性系统的输入，以便提供磁性阵列中的一个相对于另一个的机械转动。

－与那些所述磁性阵列的异相磁性相互作用提供了（以磁体对磁体或者磁体对铁磁材料的方式）对齿槽效应的消除。

本发明的装置可以被放置在转动动力源的上方或者下方。

本发明的装置可以与以下的井下应用一起使用：

·换档阀

·投塞

·坐封筛

·筛中防砂

·铣削

·除锈

·固井

·芯层取样

·钻探

·被卡钻具的捞取

·钢索应用

·对其附接的钻柱和/或钻柱的振动/振荡。

本发明的装置可以是使得动力源具有双转动输出，由此使得振动装置能够被定位在转动动力源或者其它工具（例如钻探头/铣削工具等）的上方，或者被定位在动力源的下方。

本文所使用的术语“磁性阵列”或者“磁体的阵列”（或者这些术语的变化）包括任何永久磁性材料，其被布置作为至少基本上离散的磁体或者作为倾斜于转子/定子共同轴线的一行（合并的或者以其它方式的）磁体。

所述材料可以选自从永久磁体（特别是具有高磁密度的稀土类型磁体，例如钕磁体，诸如那些能够稳定到190℃的NdFeB和可以使用到400℃的钐钴磁体（FmCo）之类）。

可以被采用的其它形式的磁体包括将会在未来开发出的那些磁体。

同一磁极、不同磁极或者混合磁极的许多其它阵列部署可以用于定子和转子中的一个或者另一个或者两者。

本文所使用的跟在名词后的术语“(s)”表示单数或者复数形式中的一个或者两者。

本文所使用的术语“和/或”表示“和”或者“或”。在一些情况下可以表示两者。

本发明还可以宽泛地表示成由本申请的说明书中所涉及或指示的部分、元件或特征件以单独地或者组合的方式和所述部分、元件或者特征件的任何两个或者更多个的任何的或者全部的组合组成，并且在本文提及的特定的整数具有本发明相关的本领域的已知等同，这种已知的等同被认为如同被单独地提及地合并入本文之中。

附图说明

现在将参照附图对本发明的优选形式进行描述。在附图中：

图1示出了一个仅作使用示例的、在通过（a）转子和（b）壳体组件/钻具壳体花键连接式定子的相对转动的纵向共同轴线的剖面中的井下锤击设备，转子的轴能被驱使以相对于定子和壳体转动，从而提供在能够相互作用的磁体的阵列之间的转动相对性，并因此导致相对轴向运动。

图1A示出了在图1的区域“B”的更具体细节上的流动路径。

图2A和图2B分别示出了：

当离散的磁体被放置在柱形体中并围绕柱形体布置时（此时磁体上没有遮盖），这些离散磁体的可选地倾斜的行是如何能够被布置在期望的转子上的可选组中的，和

以被剖开的梭行件内部视图做为背景的、图2A中所示出内容的仅一半被剖开部分，示出了梭行件的离散磁体的最佳部署（可选第在任何补充性或有效性布置中）。

图3A至图3E（以在与三维空间相对的二维空间中的解释说明）示出了在转动期间一被携载的磁性阵列是如何与另一被携载的磁性阵列相互作用的，由此，当概念性地变平到所示二维空间时，其采用了一个阵列相对于另一个阵列的基本上蜿蜒的运动。

图4A至图4E以类似于图3A至图3E的方式示出了阵列是如何被修改以影响如在本文之后描述的性能的。以及，

图5（以两个部分）示出了实现本发明的特征的优选组件。

具体实施方式

在图2A至图2E中，用简单的描绘示出了不同的磁极。例如，仅带单向斜划线的磁体可以被认作S极，而带双向斜划线的磁体可以被认作N极，反之亦然。

本发明的优选形式如图1和图5所示，其中有管状类型（例如钻柱类型）的壳体部件或外壳，其适于携载对齐的钻具壳体构件2，该构件又可选地携载钻具3。用附图标记3示出的钻具是可以以任何已知方式安装的钻头。

定子体4由外体或壳体1携载并相对地花键式连接（splined）到其上。定子体4携载外侧阵列的定子磁体5。

作为定子（即，不会相对于外构件1转动）的梭行件可以关于图1做左右往复式运动，从而用定子梭行件4的冲击面7冲击末端止动构件6。在另一个方向上，优选地没有例如在上末端止动件8上的冲击。在这点上，优选地有例如如PCT/NZ2011/000084中披露的回冲制动器（recoil arrestor）。

应当理解的是，本发明无需利用该后冲制动器来操作，如此梭行件的冲击将直接到可以被提供来取代后冲制动器的端止动件上。在其它实施例中，应该理解的是，由梭行件提供的冲击摆荡可以仅仅在井口（uphole）或在井下（downhole）。

如可以看到地，PDM（未示出）可以为带轴的转子10的上端区域（直接地或者间接地）提供动力，从而允许流体在11处进入，并经由部分12下行通过钻头，并在13处从钻头出来。

转子可以大部分由单个材料形成。转子包括如附图标记14所示的内侧磁性阵列。

优选地，例如由磁场可穿透材料（例如铬镍铁合金）制成的管状构件16被提供以确保转子的旋动磁性阵列的整体性。

然而，如可以看到地，有多个端口让流体在定子和外体之间流动通过。在这点上，请参见图1A中用附图标记17示出的流动路径。

在附图中，根据在每个阵列中的磁体的斜划线来考虑磁极是不同的。考虑每个的磁通透明罩，一个与内组件一起转动而另一个与外组件一起转动。考虑在罩之间有液体的膜（例如圆形膜）或者腔室（例如圆形腔室），并在各端区域处的聚集的液体能够例如通过通道运动（溅泼），从而不会在振动输出之前锁定往复运动。

还考虑在外侧阵列的外部上和任何类似地方有遮蔽（例如，用诸如铁的磁场包含材料），以阻止磁通通道。

期望有被要求用于将本发明组装在我们先前专利文献中描述的那些钻锤上的大量部件减少（例如诸如在所描述实施例中达到80%）。部分更少将让本申请制造和组装更加便宜，而可靠性却因减少的部分数量和子组件而增加。

由于本发明的钻锤区段具有被系留液体淹盖以使得在井下环境实现均等压力（本发明的一优选实施例中将在此井下环境操作）的能力，期望的是没有对钻锤可以操作的压力的潜在限制。事实上，预想到钻锤可以操作的限制因素将由构造钻锤的材料确定。

对于相互作用磁性阵列的选择包括：

－相互作用磁性阵列被同心地部署（诸如例如以基本上柱形的内侧阵列和外侧阵列的形式），以在径向间隔上相互作用；

－相互作用磁性阵列被部署在同一圆上（但轴向间隔开），以在轴向间隔上相互作用；

－相互作用磁性阵列无需转动通过360度以实现梭行效果，还可以预想到部分转动来实现要求的梭行；

－同一梭行可以通过将相互作用磁性阵列布置在各种组合或型式中来实现。

对于内侧阵列和外侧阵列相互作用，梭行的频率和幅度可以由以下【不论是否以组合的型式（例如钻锤的一磁性阵列相对于另一磁性阵列）】中的任何一个或者多个而变化：

－如果磁性阵列没有改变，更多的输入功率以增加相对转动的差异减小了轴向相对运动的幅度而有利于增加运动的频率，和/或

－如果磁性阵列功率增加，可以在相同运动频率下增加轴向相对运动的幅度，和/或

－如果想要（例如通过一些磁极磁体在轴向延伸的区域上的一些组）来延长每个磁性相互作用的轴向存续时间，可以通过增加相对轴向运动的幅度来实现。

通过示例方式，图3A至图3E示出了具有成套磁极的内外侧阵列规律性，两条斜划线表示N极，而单条斜划线表示S极。

通过示例方式，图4A至图4E使用了相同的更暗的N极/更亮的S极描绘方式，示出了沿轴向方向的两个阵列上的NN对和SS对。

在本发明中，由于磁体阵列径向地布置在钻锤区段中，钻锤在机械上更加坚固并且钻锤的有效直径显著减小。这导致了针对我们之前的钻锤而言的多个优势，包括：

－更小的钻锤，其通过对于任何固定的横截面的每线性米功率密度的增加而具有等同功率输出，和

－制造公差已显著减小。

设备可以被用作振动装置（例如不必要地作为钻具上的钻锤）。

设备可以为连续旋管（continous coil）型井下或其他应用场合提供振动。

本发明的其它用途包括：

－使得在井下无装备被卡，

－钻探，

－对钻柱或者连接至钻柱的钻具的振动/振荡，

－使井下“延伸到达”应用场合中的摩擦最小化；

－振动井下固井应用场合，

－由于独特的流通设计而实现的砾石充填井管滤网。

当与钻柱或连续旋管一起或在其中使用时，振动装置可以被放置在钻柱旋管中的任何地方，还设有可选的多个单元。

应理解的是，在本发明的制造过程中，磁体可以在梭行件和外壳体中钻出的洞内安置在诸如凝胶之类的缓冲材料中，从而防止冲撞磁体并允许对遭损磁体的后续更换。

本发明可以通过端空间中的任何一个或者组合或者通过来自地面泵的泥浆输送来调整频率。

图5示出了带有外壳组件17的设备的变化（区域18从图5的顶部到图5的底部是共同的）。

在该布置中，有在相互作用磁性阵列20和21之上的能量恢复弹簧19，每个以之前针对其它实施例描述的方式相互作用。

优选地，外侧磁性阵列是组件22，该组件被锁固到外壳组件，但能够振荡（例如大约16mm）以提供在冲击区域23处的影响。

钻具24可以为任何钻具，其优选地经由中央导管25供有钻探泥浆。这种从钻柱升出的钻探泥浆已经可以被用来为PDM提供动力。

磁性阵列相互作用处于低阻力液体中以更好地实现密封。流体端口26可以让液体充分地溅泼以防止锁死。

可以使用其它液体（例如低粘性压力补偿液体或者流体27）。如在附图标记28和29处示出的轴承和/或弹簧（用来让轴承与冲击或者摆荡隔离）分别能够处于由压力补偿活塞31界定的填充有润滑油的环境30中。

以上简要描述的设备可以被用在多个不同的应用场合——尤其是以下的井下钻具——但是本领域技术人员将理解以下的示例并不是详细清单。

在第一个应用场合，轴向往复式磁性阵列可以冲击钻具体，从而将高能量摆荡传递给钻探头。这种冲击已显示出在岩层钻探中是有益的，其中冲击具有足够的作用力让岩石掉落。

在这种应用场合中使用的钻探头可以为固定本体“钻锤”型钻头或者优选地为混合型钻探头，见新西兰专利申请588092/589004（美国61/344883）。

该钻具将优选地放置于钻柱的下端处，但是还有它可以在钻柱（其作为经由钻柱的长度向钻头施加冲击的顶钻锤）的开始部分处使用的情形。或者，钻具可以在没有钻头的情况下在钻柱中使用，并用作摆荡钻具（钻探震击器），以便协助移除卡塞的管或外壳。所述钻具还可以与之前提及的飞轮一起使用。

关于磁性设备可以如何使用的另一个示例是根据我们的钢索可收回芯体采样钻锤系统（参见PCT/NZ2011/000056），其中钻锥可以具有磁性本质。在这种应用场合中使用的钻头可以是固定体金刚石芯钻头或者优选地混合型钻探头（参见之前提及的NZ588092/589004）。

该钻具优选地用在钻柱的下端处。

该钻具可以与之前提及的飞轮一起使用。

关于磁性设备可以如何使用的另一个示例与之前提及的用于穿透岩石的锤击装置类似，然而，在该示例中有两个机械输入。

两个钻杆（一个在另一个内）从地面安装式驱动设备彼此独立地转动（优选地）。内杆用于转动被转动驱动的磁性阵列，使得第二轴向运动磁性阵列对着钻具体和钻探头锤击，第二轴向振荡磁性阵列与外钻杆同步转动。外钻杆转动还控制施加给钻探头的作用力，并用来控制钻头的转动速度，其按要求允许钻探头转动并锤击新的岩石。

在这种应用场合中使用的钻探头可以为固定体“钻锤”类型钻头或者优选地混合型钻探头（参见之前提及的NZ588092/589004），或者任何类型的相容性钻头（例如牙轮钻头等）。

该钻具优选地又在钻柱的下端。

该钻具可以与之前提及的飞轮一起使用。

该装置的所有之前提及的示例具有以下属性中的一些或者全部：

1.优选地与低粘性流体一起使用以使得高压差密封问题最小化。

2.可以使用当被转动的磁性阵列“激活”时将引起轴向往复式运动的任何磁性阵列——真正地可以使用任何形状的磁体。

3.术语磁体——优选地涉及使用稀土组分的任何磁体，但是可以还是超导体。

4.它们可以使用顺应性机构（例如弹簧）使得不期望的摆荡最小化并再利用可能会损失的动能。

5.所有可以/不可以具有以上描述的“流体路径”，该流体路径允许轴向运动磁性阵列以最少损失振荡通过流体膜。

6.所有可以/不可以使用压力补偿活塞。

7.在转动磁体组和轴向往复式磁性阵列中保持的所有磁体优选地“被容装”在具有高电阻率的材料内，所述材料例如铬镍铁合金、镍铜合金、钛、奥氏体不锈钢、碳纤维等）。

8.合适的转动输入（例如PDM、钻探涡轮机——电动式、气动式、液压式或其它）被提供以转动被转动致动的磁性阵列。

9.所有优选地具有与钻柱一起同步转动的磁性阵列中的至少一个。

10.所有优选地要求花键式连接（或类似方式），该花键式连接将轴向往复式磁性阵列同步地连接至外体（并延伸至钻柱）并允许在来自转动磁性阵列的影响下发生的往复式运动。

11.所有以上装置可以与机械式或者磁性飞轮一起使用。

Claims (15)

1.一种井下组件的或者适用于井下组件的振动设备，该振动设备在使用时能够提供井下振动输出，所述振动设备包括或者包含第一组件和第二组件，该第一组件和该第二组件能够被驱使以绕着一转动轴线（“共同轴线”）相对转动，并由此使得沿着或者平行于所述共同轴线的、振动引起的往复式直线性运动能够被输出；

其中，所述第一组件和所述第二组件各具有磁性阵列，所述磁性阵列被布置成从所述共同轴线起围绕所述共同轴线并在所述共同轴线的纵向上；

并且其中，因所述相对转动而生的在所述磁性阵列之间横跨所述磁性阵列之间的纵向延伸环形空间的相互作用提供了在所述共同轴线的纵向上的相对驱动。

2.根据权利要求1所述的振动设备，其中，给所述振动设备的流体供给（或者其它合适驱动）能够导致所述相对转动。

3.根据权利要求1所述的振动设备，其中，所述流体供给能够通过所述振动设备。

4.根据权利要求1、2或3所述的振动设备，其中给PDM、涡轮机或者其它合适驱动的流体供给使所述第一组件和所述第二组件中最靠内的那个组件转动并能够通过所述第一组件和所述第二组件中最靠内的那个组件，所述第一组件和所述第二组件中最靠外的那个组件被花键式连接到所述振动设备作为其一部分的钻柱的外壳或者不能关于钻柱的外壳转动，从而导致绕着所述共同轴线的所述相对转动。

5.根据权利要求1－5中任一项所述的振动设备，其中，所述第一组件和所述第二组件被封装在一共同腔室内。

6.根据权利要求5所述的振动设备，其中所述共同腔室包括液体。

7.根据权利要求5或6所述的振动设备，其中，给所述第一组件和所述第二组件中的一个组件或者另一个组件设置有磁性阻力驱动，该特定的一个组件在一封装件中，所述封装件也包含另一个组件。

8.如权利要求1－4中任一项所述的振动设备，其中，所述第一组件和所述第二组件各自处于分离的关闭腔室中，并且所述关闭腔室中的至少一个包含液体，并且优选地所述关闭腔室都包含液体。

9.如权利要求1所述的振动设备，包括飞轮，该飞轮包含给所述第一组件和所述第二组件中的一个组件的转动驱动输入。

10.根据权利要求9所述的振动设备，其中所述飞轮是机械式飞轮或者磁性飞轮，磁性飞轮的意义在于它消除了可能发生的齿槽效应。

11.根据权利要求10所述的振动设备，其中所述飞轮在一驱动与所述第一组件和所述第二组件中的一个组件之间。

12.根据权利要求11所述的振动设备，其中，所述驱动是PDM/涡轮机/机械或电驱动。

13.根据权利要求1所述的振动设备，其中，在所述第一组件和所述第二组件之间的液体帮助或者将会帮助抵抗周围井下压力。

14.根据权利要求1所述的振动设备，其中，所述振动设备是锤击设备。

15.根据权利要求1所述的振动设备，其中，所述振动设备与以下的井下应用中的一个或者多个一起使用：

·换档阀

·投塞

·坐封筛

·筛中防砂

·铣削

·除锈

·固井

·芯层取样

·钻探

·被卡钻具的捞取

·钢索应用

·对其附接的钻柱和/或钻柱的振动/振荡。

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