CN103874825A - 用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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”（“System and Method for Damping Vibration in a DrillString 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 MethodFor 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。
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Jian Guo Zhu的，名称为“Numerical Modeling Of Magnetic MaterialsFor Computer Aided Design Of Electromagnetic Devices”，Chapter2,“Modeling of Magnetic Hysteresis”(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。
发明内容
在一个实施例中，本发明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，本发明包括一种操作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，本发明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据点的第二栈，被添加至第二栈的每个第二数据点集包括选择的测试电流以及如果将测试电流供应给线圈预期将导致的磁化强度；和（h）在已经将一个或多个第二数据点集添加至第二栈之后，对在第二栈中的数据点执行二分搜索，以便确定将被供应给线圈的将导致期望磁场的电流。在本实施例的优选版本中，每个第一数据点代表的、将被供应给线圈的电流是被供应给线圈的电流变化方向反转的电流。
在另一实施例中，本发明涉及一种用于衰减钻入地层的钻头的振动的MR阀组件，其包括（a）至少一个线圈和MR流体，该MR流体流经与线圈邻近的MR阀中形成的通道；（b）存储器装置，其中存储代表极限磁滞回环的信息，该极限磁滞回环将MR阀中的磁场强度与供应给线圈的电流关联；（c）电流控制装置，用于控制被供应给线圈的电流，以便改变电流，并且使MR阀中的MR流体经受线圈产生的变化磁场；和（d）历史确定装置，用于随着被供应给线圈的电流变化，通过测量变化电流和计算由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被存储在存储器装置中的极限磁滞回环的信息确定；（e）电流确定装置，用于使用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。
附图说明
结合附带的视图进行阅读，可以很好地理解上文的发明内容以及下文的优选实施例的详细说明。为显示本发明，附图显示了目前优选的实施例。但是，本发明不局限于在附图中所披露的具体的手段。在附图中，箭头Z指示井下方向或钻孔，其可能垂直或不垂直，即垂直于地表。
图1是作为钻柱的一部分安装的振动衰减系统的实施例的纵向图。
图2是图1中所示的振动衰减系统的阀组件的纵向横截面图。
图3A、3B和3C是图2中所示的阀组件部分的详细视图。
图4A和4B是处于两个不同圆周位置的，在图3C中以E指示的阀组件部分的详细视图。
图5是沿图4A中的线V-V截取的阀组件的横向横截面图。
图6A和6B是用于控制对阀供电的电路的优选实施例的示意图。
图6C是用于控制对阀供电的电路的简化示意图。
图7是根据本发明的，退磁循环中被供应给线圈的电流I（安培）与时间T（秒）的关系图。
图8（a）是在包括退磁循环和使用剩余磁化产生衰减的操作模式中，被供应给线圈的电流I与时间T的关系图。
图8（b）是根据图8（a）的对线圈加电导致的，MR流体所经历的磁场强度B和时间T的关系图。
图9（a）和（b）示出类似于图8（a）和（b）的，但是具有局部退磁循环的操作。
图10是用于控制对线圈供电的反馈回路的示意图。
图11是与图4C中所示类似的纵向横截面图，其示出包括图10中所示的反馈回路的本发明的替换实施例。
图12是图11的传感器环部分的详细视图。
图13是图12中所示的传感器环的等距视图。
图14示出根据本发明的根据一种MR阀操作方法的历史栈的进展示例。
图15A-D是磁化强度（高斯）与电流（安培）的关系图，其示出用于根据本发明的MR阀的假定极限磁滞曲线和阀在各种电流水平的运行。
图16A和B以及17-20是描述用于操作根据本发明的一个实施例的MR阀的方法的流程图。
图21示出MR阀的假定极限磁滞曲线和根据本发明一个实施例的阀的运行。
具体实施方式
附图示出了振动衰减系统10的优选实施例。如图1中所示，振动衰减系统10能够被包含在钻柱8的井下部分中，以便抑制位于钻柱的井下端处的钻头13的振动。
钻柱8的井下部分包括电源模块14。振动衰减系统10包括扭转轴承组件22和弹簧组件16，其每个都在上述美国专利No.7,219,752中更完整地讨论。另外，位于弹簧组件16和电源模块14之间的是磁流变（“MR”）阀组件18。MR阀组件18和弹簧组件16能够产生轴向力，其抑制钻头13的振动。在钻头已经临时中断操作后，例如在添加另外钻柱段期间，衰减力的大小能够由MR阀组件18响应于钻头振动的大小和频率而改变。在另一实施例中，能够在钻头运行期间，在自动和基本瞬时的基础上，由MR阀组件18响应于钻头振动的大小和频率，改变衰减力的大小。
振动衰减组件10通过心轴15机械联接至钻头13，心轴15穿过扭转轴承组件22和弹簧组件16延伸。电源模块14向MR阀组件18供电，并且也可向钻柱的其它部件，诸如MWD系统供电。在一个实施例中，电源模块14为在上述美国专利No.7,219,752中更完整地讨论的涡轮发电机。在另一实施例中，电源模块14包括电池组。用于MR阀组件的控制器134也可被容纳在电源模块14中。
优选地，如图1中所示，MR阀组件18紧接电源模块14的井下和弹簧组件16的井上布置。作为替换方式，扭转轴承组件22和弹簧组件16能够位于MR阀组件18和电源模块14之间的井上处。
在图2和3A、3B与3C中示出MR阀组件18。MR阀组件18具有井下端123和井上端125，并且包括位于MR阀壳122内的线圈心轴100。虽然在这些图中示出一件线圈心轴，但是线圈心轴能够由几件构成，从而简化制造，并且在不需要时，最小化具有特定磁性质的材料的使用。穿过线圈心轴100形成的中心通道101允许钻井泥浆流经MR阀组件18。泥浆流转向器106附接至线圈心轴100的末端。作为替换方式，能够省去转向器106，并且线圈心轴100延伸至联接104，并且在该联接处密封。在该实施例中，能够在井上壳体102中形成孔，以便允许补偿系统补偿围绕钻柱的环形中的压力，而非补偿穿过钻柱的中心通道101中的压力。
在MR阀组件18的井下端123处，线圈心轴100被联接119固定至心轴15，心轴15延伸穿过扭转轴承组件22和弹簧组件16，以便线圈心轴100随着钻头13旋转，并且轴向平移。
井上壳体102封闭线圈心轴100的井上端。井上壳体102的井上端上的联接104被连接至电源模块14的外壳，以便来自表面的钻井扭矩通过电源模块14传递给井上壳体102。井上壳体102将钻井扭矩通过MR阀壳122，传递给弹簧组件16和扭转轴承22的外壳，MR阀壳122在其井上端连接至井上壳体102的井下端，并且在其井下端130连接至弹簧组件16的其它壳。因此，井上壳体102随着扭转轴承22和弹簧组件16的其它外壳旋转，并且轴向平移。
如图3B中所示，线性可变位移换能器（LVDT）110位于壳体102内的活塞108和126与间隔件120之间。LVDT110检测井上壳体102和线圈心轴100在轴向方向中的相对位移。优选地，LVDT110包括联接至壳体102的轴向间隔磁元件阵列，以及传感器，诸如霍尔效应传感器，其被安装在心轴100上，以便传感器磁联接至磁元件。在上述美国专利No.7,219,752中更完整解释的LVDT110能够提供壳体102和心轴100的相对轴向位移、速度和加速度的指示。
如图3B和C中所示，井上阀筒124和井下阀筒132通过MR阀壳体122固定地安装。如图3C中所示，线圈组件位于阀筒124和阀筒132之间。井上MR流体室128在井上阀筒124和心轴100之间形成。井下MR流体室129在井下阀筒132和心轴100之间形成。
如图4A、4B和5所示，线圈组件由通过销144以及153与阀筒124、132对齐的线圈座146和端盖142的堆叠组成。因而，线圈座145和端盖142保持与MR阀壳体122的固定关系，以便MR阀壳体122、阀筒124和132以及线圈座145和端盖142形成功能性单元，心轴100响应于来自钻头13的振动，相对该功能性单元往复运动。线圈座145和端盖142被螺纹杆170保持在一起，螺母164和167被拧在该螺纹杆170上。在每个线圈座146中形成的狭槽148固定卷线轴141，线圈150围绕该卷线轴141缠绕。在每个线圈座146中形成的导线通道172提供用于线圈导线的通道。图4A中夸大示出的，处于线圈座146和心轴100之间的圆周间隙152允许MR流体在两个室128和129之间流动。
第一和第二室128、129充有MR流体。MR流体通常包括铁磁或顺磁颗粒的非胶状悬浮液。该颗粒通常具有大于约0.1微米的直径。颗粒悬浮在载流流体中，诸如矿物油、水或硅。在正常条件下，MR流体具有传统油的流动特性。然而，在存在磁场时，载流流体内悬浮的颗粒变得有极性。这种极性导致颗粒在载流流体内组成链。颗粒链增大了MR流体抗剪强度（因此，流动阻力或粘性）。一旦移除磁场，颗粒就恢复成无组织状态，并且流体抗剪强度和流动阻力恢复至其先前值。因而，受控施加磁场允许MR流体的流体抗剪强度和流动阻力非常快速地变化。在美国专利No.5,382,373（Carlson等人）中描述了MR流体，其公开内容在此通过引用以其整体并入。可从美国印第安纳州印第安纳波利斯市的洛德公司获得适用于阀组件16的MR流体。
线圈心轴100响应于钻头13的振动，在MR阀壳体122和阀筒124、132中往复运动。该运动交替减小和增大第一和第二室128、129的各自体积。具体地，心轴100在井上方向（向图4A中的右侧）中的运动增大第一室128的体积，并且减小第二室129的体积。相反，心轴100在井下方向（向图4A中的左侧）中的运动减小第一室128的体积，并且增大第二室129的体积。因而，线圈心轴100在阀壳体122中的往复运动趋向于经由环状间隙152，在第一和第二室128、129之间泵送MR流体。
MR流体的流动阻力导致MR阀组件18起粘性阻尼器的作用。具体地，MR流体的流动阻力导致MR流体产生力（与线圈心轴100关于阀壳体122的位移方向相反），该力反抗MR流体在第一和第二室128、129之间的流动。由此，MR流体抵抗线圈心轴100关于壳体122的往复运动。这种阻力能够抑制来自钻头13的轴向振动。同样地，如上述美国专利No.7,219,752中更完整讨论的，扭转轴承组件22将钻头13的至少一部分扭转振动转化为心轴100的轴向振动。因而，MR阀组件18也能够衰减钻头13的扭转振动。
MR流体产生的衰减力大小与MR流体的流动阻力和轴向振动的频率成比例。如上所述，MR流体的流动阻力能够通过使MR流体经受磁场而增大。此外，能够通过改变磁场的大小，改变流动阻力。
这样设置线圈150，即线圈产生的磁通量线穿过位于第一和第二室128、129以及间隙152中的MR流体。被提供给线圈150的电流，因而磁通量的大小，优选在钻井期间变化，并且由控制器134控制，如图1所示，控制器134可位于电源模块14中。控制器134控制供应给线圈150的电流（功率）。
LVDT110提供电信号形式的信号，其指示位于井上壳体102，因此MR阀壳体122和线圈心轴100之间的相对轴向位置、速度和加速度，线圈心轴100连接至钻头13。因此，LVDT110的输出响应于钻头13的轴向振动的大小和频率。在一个实施例中，LVDT110将关于钻头13振动的信息发送至表面，用于分析。基于该信息，钻机操作者能够确定在钻头13的下一次停车期间，是否授权改变MR阀18的衰减特性。如果是，操作员就在停车期间将信号发送至控制器134，指令其改变提供给线圈150的功率，因此改变MR流体经受的磁场和MR阀10提供的抑制。
在另一实施例中，优选地，控制器134包括计算设备，诸如具有印刷电路板的可编程微处理器。控制器134也可包括存储器存储设备，以及固态集电器，和一组计算机可执行指令。存储器存储设备和固态集电器电耦合至计算设备，并且在存储器存储设备上存储计算机可执行指令，包括用于执行下文所述的，在图16-20中的流程图中描述的方法的那些指令。
LVDT110电连接至控制器134。计算机可执行指令包括算法，其能够基于LVDT100的输出，自动确定特定运行条件下的最佳衰减量。计算机可执行指令也确定，例如通过采用下文讨论的，图16-20中的流程图中描述的方法，确定由线圈和/或电流产生的期望磁场，该电流被引导至线圈150，从而提供期望的磁场。控制器134能够处理来自LVDT110的输入，并且在基本瞬时的基础上，产生被引导至线圈150的，电流形式的响应输出。因此，MR阀组件18能够在钻头13运行的同时，在基本瞬时的基础上，响应于钻头13的振动，自动改变衰减力。
优选地，衰减力防止钻头13由于轴向振动，失去与钻井表面的接触。优选地，控制器134导致随着钻头13向上移动，衰减力增大，从而帮助维持钻头13和钻井表面之间的接触。（理想地，应控制衰减力，以便钻压保持基本恒定。）此外，当振动衰减系统10的动态弹簧刚度近似等于静态弹簧刚度时，相信衰减最优化。（当动态弹簧刚度大于静态弹簧刚度时，需要更大的衰减，反之亦然。）
在任何情况下，无论是在钻头13周期性停车或者在基本同时的基础上自动地完成，相信控制钻头13的振动的能力都能够提高钻头的穿透率，降低钻头13与钻井表面的分离，降低或基本消除钻头上的冲击，并且提高钻头13和钻柱的其它部件的使用寿命。此外，阀组件和控制器能够在多种运行条件下提供最佳衰减，不然会冲击接头。同样地，使用MR流体提供衰减力使得与其它可能的情况相比，阀组件14更紧凑。
无论衰减的增加是否有必要超过未经受磁场的MR流体提供的衰减的增加，通过对线圈150加电使MR阀10运行都需要相当大量的电力，这是因为被提供给线圈的dc电流可能超过2安培。在这种功率水平下，通常在井下系统，诸如MWD系统中使用的电池组将仅能维持约12小时。因此，通常使用涡轮发电机作为电源模块实现这种方式的操作，诸如上述美国专利No.7,219,752中讨论的。
根据本发明，通过由下列材料制作MR阀的部分，在一个实施例中为线圈座146、轴100和端帽142，消除对连续电力的需求，该材料将随着时间的过去，变得稍微本质上被“永久”磁化为充分程度，也就是说，作为经受线圈150的磁场的结果，它们在已经移除磁场后，保持它们的磁性。因而，当线圈150被去电至非常低的状态，或者完全关闭时，线圈座146、轴100和端帽142可保持剩余磁化程度，以便它们将产生保持MR流体的相对高粘性的磁场。无论它们是否被磁化，不邻近MR流体流经的间隙152的阀部分都将对阻尼器的性能产生很小影响。基于它们的结构而非磁性质，选择这些部分的材料。
根据本发明，这样构造MR阀10，即阀的一些或全部部件都由具有足够剩余磁化的材料制成，以便在由于流经线圈150的dc电流导致的引起磁场的电场消除时，部件产生的剩余磁场的强度仍相对高。换句话说，根据本发明的一方面，有意地增强了剩余磁化现象，在现有技术MR阀中，该现象产生需要避免退磁循环的问题。在MR阀10的初始操作期间，当期望提高衰减，超过经受零磁场的MR流体提供的衰减时，电池将提供例如为2.5安培的电流一定时间段，优选地，该段时间仅足够长到在阀部件中产生期望的剩余磁化，通常小于约100毫秒。在该时间段之后，线圈150被加电至较低值，并且主要使用MR阀部件的剩余磁场，以产生此后的必要的衰减。优选地，线圈150被完全去电，并且MR阀部件的剩余磁场仅用于产生此后的必要的衰减。根据本发明的一方面，如下文进一步讨论地，选择阀部件由其制成的材料，以便剩余磁场至少约为12,000高斯。
在以该衰减水平运行一定时间段后，如果操作者或控制器134确定了需要另外的衰减，就将线圈150加电至高于先前使用的较高电流，持续足以使该部分磁饱和的时间段。该较高电流将导致MR阀部件中的较高剩余磁性，然后在线圈150被再次去电后，该剩余磁性用于提供另外的衰减。
之后，如果操作者或控制器134确定需要较小衰减，如下文讨论的，MR阀部件将经受退磁循环，从而将剩余磁场降低至约为零。如果新期望的衰减量低于MR阀的剩余磁性导致的衰减量，但是大于处于零磁场的MR流体提供的衰减量，则就临时对线圈150加电，与它们在初始操作期间的情况相同，从而在阀部件中产生期望程度的剩余磁化。然后，线圈150将被部分或完全去电，并且MR阀主要或仅使用阀部件的剩余磁性运行。
根据本发明的一个实施例，视需要，通过周期性地使用线圈150，使线圈座146、轴100和端帽142，以及经受永磁化的其它MR阀部件经受退磁循环，移除该永磁化。根据一个实施例，控制器134包括图6中所示的电路，在现有技术的MR阀中使用该电路，以消除不期望的永磁化。来自电源模块14的dc电流穿过的电路，将dc电流变为极性交替，并且以步进方式降低振幅的电流。在磁化期间，或者在使剩余磁场不受干扰时，电流仅在一个方向中流动，而在期望退磁时，获得反转的极性。
如图6C所示，其为图6A和B中所示电路的简化图，开关202和204成对工作，并且开关206和208成对工作。当202和204切换时，图6C中的上部线圈150接收正电压，并且下部线圈150接收负电压。当开关206和208加电时，线圈的极性反转，以便上部线圈150接收负电压，并且下部线圈150接收正电压。通过这种方式，获得反转的极性。软件使开关对以先断后通的顺序切换，以便开关不凭空地短路，因为两对开关同时接通将通过开关连接正和负电源，电流消耗可能足以导致损害。
为了以步进方式控制电压，使用被称为脉宽调制（PWM）的过程。为了实现该目标，开关对被非常快速地接通和断开，通常以几百至几千赫兹运行。接通时间与断开时间的百分比本质上与根据该百分位的电压成比例。例如，如果供电电压为40VDC，并且占空比为50%，则线圈上的有效电压为20VDC。电子装置和线圈电感对调制信号滤波，并且使脉冲平滑为低于电源的较低值的稳定DC。这允许将供电电压从完全接通（即，100%占空比，开关始终接通）逐渐按比例降低至接近零（即，5%占空比，开关接通非常短的时间，但是大部分时间断开）。
在图7中示出典型的现有技术退磁循环。在线圈被加电一定时间段后，可能在线圈座146和端帽142中继续存在不期望程度的剩余磁化。因此，根据图7中所示的循环，对线圈150加电，其中dc电流极性反转，并且以步进方式降低，直到其在变小为零之前达到低电流。优选地，退磁循环能够将剩余磁场降低至近似为零。
在一个典型实施例中，退磁循环中每个步骤的持续时间都约为0.06秒，并且每个步骤开始之间的时间约为0.1秒，以便在每次极性反转之间，存在稍微“休息”的时间段。步骤的总数通常约为16，以便退磁循环所需的总时间小于约2秒。然而，本领域技术人员应明白，也能够利用其它退磁循环，只要步骤的数目和长度足以将剩余磁场降为低值，优选地，本质上等于零。在退磁后，完全去电的线圈将导致获得关联未磁化MR流体的最小衰减。
虽然使用以步进方式改变极性和降低振幅的电流，以便如上文所述地对阀部件退磁，但是如下文进一步讨论地，也能够利用其它退磁方法。
在图8（a）和（b）中例示了根据本发明的MR阀18的操作。首先确定，为了获得期望的衰减度，MR流体经受的磁场强度应为B2。然而，线圈最初被加电为电流I1，以便产生具有强度为B1的更高磁场一定时间段T1，该时间段足以在MR阀的一个或多个部件中感应强度为B2的剩余磁场。作为示例，具有强度为B1的磁场足以在MR阀的部件中感应饱和磁场强度，以便获得最大的后续剩余磁场。在时间T1后，线圈被去电，并且MR阀在MR阀部件提供的剩余磁场B2上运行。本发明允许剩余磁场B2充分大于使用由12L14低碳钢和410/420马氏体不锈钢的部件制成的现有技术MR阀时可获得的剩余磁场，现有技术MR阀仅能够获得相对低的剩余磁场。
如果在时间T2处确定需要较小衰减，就开始退磁循环。当在时间T3完成退磁时，线圈被加电至电流I2，以便产生具有强度为B3的磁场一定时间段，该时间段足以在MR阀的一个或多个部件中感应强度为B4的剩余磁场。之后，在时间T4处，线圈被去电，并且MR阀使用来自MR阀部件的强度B4的剩余磁场运行。明显地，在时间T1和T2之间，以及继T4之后，不将电力供应给线圈150。
作为替换方式，能够调整图8中所示的退磁循环，例如，调整步骤数目和最终步骤中使用的电流，以便将剩余磁场直接降低至期望值，而不是降至零剩余磁化然后再返回至期望状态。在部分退磁循环之后，线圈将被去电并且MR阀将被使用其剩余磁化运行。在图9（a）和（b）中例示了这种运行方式。
在按图8和9中例示运行的实施例中，MR阀主要以剩余磁场强度运行，优选地，仅向线圈150供应下列功率，即升高或降低MR阀部件剩余磁化导致的衰减量必需的功率。结果，电源模块14能够由传统的井下电池组组成，不需要包含涡轮发电机。优选地，电池组包括本领域众所周知的类型的多个高温锂电池。因而，使用根据本发明的退磁循环的使用允许使用MR阀，其经受的剩余磁化大于现有技术MR阀中产生问题的剩余磁化，并且其是以这样的方式获得降低功率消耗的意外的利益。
根据本发明的一个实施例，包含反馈回路以监控磁场的强度，以便确定磁场强度何时降低至低于钻机操作者指定的值，或者通过控制器134确定MR阀是否处于自动控制下，由此指示对线圈150重新加电的需要。在图10中示出使用位于MR阀上的一个或多个霍尔效应传感器304，诸如Honeywell SS495A，测量阀中的磁场强度的电路。
如图10中所示，该电路具有五个输入和一个输出，其中两个输入是电源和地线，其它三个是数字地址信号，其允许多个电路在工具内分布，并且单独接通和远程测量。在该实施例中，能够在MR阀中分布高达7个这些电路，其每个都具有由跳线设置（图10中的示意图上的J1至7）限定的其自身地址。使用多路分用器电路302，诸如美国德州仪器公司的CD74AC238，以从三条输入线路（A、B和C）获得信号，并且接通特定跳线，其对应于A、B和C上的高和低值的组合（例如，A=高，B=低，C=低接通跳线J1；A、B、C全高将接通J7）。来自多路分用器302的信号（i）接通场效应晶体管303，诸如BSS138/SOT，其向霍尔效应传感器304供电；并且（ii）运行运算放大器305，诸如OPA373AIDBV。
来自霍尔效应传感器304的信号被提供给运算放大器305，运算放大器305起经由单位增益的缓冲器的作用（R1=1K Ohm，R2=0Ohm，R3=无限电阻）。作为替换方式，R2和R3能够用于通过改变电阻值升高电压，但是由于霍尔效应传感器304的输出稳定，所以通常这将不需要。运算放大器305允许来自所有七条电路的输出都被捆定在一起，以便仅单个信号返回控制器134，因而节省工具的连接器结构中的宝贵的引脚，并且仅利用至微处理器的很少的可用A/D输入中的一个。
多路分用器302的目的首先在于最小化引脚以及需要反馈回至微处理器的模拟-数字（A/D）输入的数目（三个数字输出和一个模拟输入，与考虑个别霍尔效应传感器的五个A/D输入相反），并且也最小化功率消耗。霍尔效应传感器304的功率消耗可能相对非常高，在一个实施例中每个为7-8毫安。在该实施例中，多路分用器302的最大功率消耗为160微安。结果，存在4,400%的功率节省，这允许电池为电路供电的时间长44倍。五个分布电路的总消耗为单个霍尔效应传感器中功率的1/10。因而，仅短暂地，并且仅当微处理器读取时，才对霍尔效应传感器供电，同样地，一次仅接通一个霍尔效应传感器，所以最小化了功率消耗。
在操作中，控制器134被编程为一次轮询一个霍尔效应传感器304，获得代表MR阀中的磁场强度的平均值，并且将其与操作者或控制器134指定的值比较。控制器134被编程为对线圈150重新加电，从而如果该比较指示测量磁场强度偏离指定值超过预定量，则对阀再次磁化。控制器134被编程为约每分钟执行该轮询，或者除非从LVDT接收的信息指示磁场强度改变时才轮询，在该情况下，将在已经重新调整磁场后，对霍尔效应传感器轮询，以确定磁化是否处于适当的强度。
图11-13示出包括图10中所示的反馈回路控制的实施例。如图11中所示，在该实施例中，传感器环400被布置在每对线圈座146之间。优选地，传感器环400由非磁性材料制成，诸如旋节铜镍锡合金，诸如可从美国Brush Wellman公司获得的Toughmet3。如图12和13中所示，包括图10中所示的用于反馈回路控制的电子装置的印刷电路板414被安装在每个传感器环400中的狭槽402内。狭槽402被凹槽407中的赛道形O形环408，和凹槽409中的圆形O形环408密封。盖板412被安装在传感器环400的圆周中的凹进410中，其允许接近印刷电路板414。
本文使用的（i）“饱和磁化强度”指材料的最大磁通量密度，以便磁化力的任何进一步增加都不对磁通量密度产生明显改变，其以高斯测量；（ii）“剩余”或“残余”磁化强度或磁场指在磁化力已经降低至零之后，残留在材料中的磁通量密度，其以高斯测量；（iii）“最大剩余”磁化强度指，在已经经历饱和磁化后，材料的剩余磁化强度；（iv）“矫顽性”指材料对退磁的抵抗性，其以奥斯特（Oe）测量，并且指矫顽力，其为将剩余磁化降低为零所必须施加的磁力值；和（v）导磁率指材料中的磁通量的“传导性”，其被表达为相对导磁率，相对导磁率为材料导磁率与真空导磁率之比。
为了促进上述操作，有意用于产生剩余磁场的MR阀18的部件，在一个实施例中为线圈座146和端帽142，由具有最大剩余磁性的材料制成，其充分大于现有技术MR阀中使用的12L14低碳钢和410/420马氏体不锈钢的剩余磁性，以便在零功率时实现的，对线圈150的最大衰减相对高。优选地，该材料应具有至少为12,000高斯的最大剩余磁化强度。最优地，该材料具有足以使MR流体饱和的最大剩余磁化强度，也就是说，通过材料的剩余磁化对MR流体施加的磁场是这样的，即磁场的任何进一步增大都将不导致MR流体粘性的进一步增大，以便使用剩余磁化实现可能的最大运行范围。理想地，该材料关于饱和磁化强度应具有高的剩余磁化强度。优选地，最大剩余磁化强度应为饱和磁化强度的至少约50%，并且优选至少约70%。优选地，该材料也具有相对低的矫顽性，以便对部件退磁必需的功率相对低，但是也不是低到在操作期间，材料将变得易于被意外地退磁。优选地，该材料应具有下列范围的矫顽性，即至少约10Oe，但是不超过20Oe，并且最优选约15Oe。该材料也应具有良好的耐腐蚀性。
优选具有最少杂质的Grade1033低碳钢，是适合在有意如上所述主要使用剩余磁化运行的MR阀的部件中使用的材料的一个示例，该材料具有约20,000高斯的饱和磁化强度，约13,000至15,000高斯的最大剩余磁化强度，和约10至20Oe的矫顽性。铁氧体铬-铁合金是另一种适合材料的示例。在美国专利No.4,994,122（(DeBold等人）中描述了这种铁氧体铬合金的示例，其公开内容在此通过引用以其整体并入。可从美国卡彭特技术公司获得的Carpenter Chrome Core8合金也是用于许多MR阀的适当材料，其具有18,600高斯的饱和磁化强度，13,800高斯的最大剩余磁化强度（饱和磁化强度的74%），和2.5Oe的矫顽性。也可从美国卡彭特技术公司获得可使用的其它材料为Hiperco50A，其具有4000的相对导磁率，23,400高斯的饱和磁化强度，15,000高斯的最大剩余磁化强度（饱和磁化强度的64%），和2.3Oe的矫顽性，以及Hiperco27，其具有2000的相对导磁率，23,400高斯的饱和磁化强度，18,000高斯的最大剩余磁化强度（饱和磁化强度的77%），和1.9Oe的矫顽性。在一些应用中，也能够使用硅铁C，其具有约4000的相对导磁率，约20,000高斯的饱和磁化强度，4,000高斯的最大剩余磁化强度（饱和磁化强度的20%），和约0.6Oe的矫顽性。
优选地，由上述材料制成的MR阀的部件能够向MR流体施加磁场，其仅为剩余磁化的结果，该剩余磁化足以使特殊流体的MR特性磁性饱和。
优选地，轴100至少部分由具有高导磁率的材料制成，从而促进穿过MR阀的磁通量。优选地，该材料具有至少约7000的相对磁通量。也期望该材料具有低矫顽性，优选小于1.0，以便随着其在磁场中移动，易于退磁和再磁化，而不产生对阀的其他部分退磁的充分强的磁场。如图4B中所示，轴100能够由内壳100A和外壳100B形成，内壳100A由耐腐蚀材料制成，诸如410/420不锈钢，以便抵抗与钻井泥浆的接触，外壳100B由具有高磁导的材料制成。可用于外壳100B的一种材料为透磁合金，其具有超过100,000的相对导磁率，约12,000高斯的饱和磁化强度，和约0.05Oe的矫顽性。在许多应用中，也能够使用硅铁，其相对导磁率约7,000，饱和磁化强度约20,000高斯，并且矫顽性约0.05Oe。
虽然如图所示，线圈150被安装在传递钻井扭矩的壳122中，但是本发明也能够通过将线圈安装在轴100中实现。在该布置中，至少一部分轴100将由下列材料制成，其具有至少12,000高斯的剩余磁化强度，并且至少一部分壳122将由下列材料制成，其具有高磁导，诸如下文进一步讨论的透磁合金。
在许多情况下，将期望在确定将被施加给线圈的电流振幅时，考虑MR阀的磁化历史，以便实现线圈产生的期望强度的磁场，以及因此，由MR阀实现的衰减量。根据本发明的一个实施例，通过使用MR阀的极限磁滞数据和MR阀的磁化状态的历史的方法，确定将被施加给线圈的电流。通过传统的电流测量装置，诸如模拟-数字转换器，在井下测量被提供给线圈的电流。虽然能够在井下直接测量MR阀的磁化，但是优选地，通过井下固件跟踪被施加给线圈的每个电流值的磁化状态值，以预测新磁化水平所需的新电流。
优选地，在使用阀之前，直接测量MR阀的极限磁滞数据。优选地，将电流施加给线圈150，并且在圆周间隙152处，即在使用磁场控制MR流体的位置处，测量作为结果的磁场的强度。优选地，随着电流缓慢升高至其最大值，测量磁场的强度，也就是说，电流升高，直到电流的升高不导致进一步磁化，换句话说，电流升高，直到达到饱和。发生这种情况的电流为饱和电流。然后，电流被降低至零，并且电流的极性反转，并且然后再次升高，直到达到磁饱和，之后，电流再次返回至零，在所有这些步骤的同时，测量作为结果的磁场的强度。这些测量代表MR阀的整个极限磁滞回环。
由于磁性材料的未知初始条件，所以不应相信首次穿过该极限磁滞回环收集的数据。然而，如果再次以相同方式向线圈施加电流，从而第二次穿过该回环，作为结果的磁场将遵循极限磁滞回环，所以能够获得可靠的数据。优选地，重复几次升高和降低电流，同时测量磁场的过程，从而产生极限磁滞回环的统计学平均值，该统计学平均值由一系列电流与磁化数据点的关系组成。优选地，代表平均极限磁滞回环的数据被存储在闪存中，例如在控制器134的存储器设备中，作为MR阀的永久特性。
用于确定将施加的电压，以在MR阀中获得期望磁化的第二因素基于MR阀的磁化状态的历史。这是在MR阀的运行中所跟踪的特性，并且能够被简化为“反转点”的“栈”。当磁场的变化方向已经反转，也就是说，磁场的强度方向从增大反转为减小，或者从减小反转为增大时，出现反转点。这种反转点不需要涉及改变所施加的磁场的极性，仅改变其中磁场变化的方向。优选地，MR阀运行期间的反转点的电流和磁化被存储在控制器134中的存储器设备中。
图14示出根据本发明一个实施例的，来自MR阀运行的假定数据集。左侧的每组数字都代表数据集，通过始于顶部的第一集，实现下面所列的，作为新运行点的后续集。每一组中最旧的点都处于该组的底部。在每个数据集中，处于数据集顶部的值代表了电流运行条件。右侧上的数字示出这种运行导致的历史栈的进展。
初始数据集示出阀从被消磁状态开始运行，并且然后电流增大至3安培，这导致50k高斯。第二数据集示出，电流随后增大至4安培，导致60k高斯。由于电流持续增大，不产生“反转点”。第三数据集示出，电流随后降低至3安培，导致50k高斯。这意味着，4安培/60k高斯点现在构成反转点，所以被添加到右侧上示出的“历史栈”。剩余集示出继续运行的效果和下列事实，即在超过关联前一反转点的电流后，从历史栈消除前一反转点，由删除线指示。因而，在第六数据集中，电流增大至5安培导致从历史栈消除4安培的反转点。如上所述，组成历史栈，即“真实（real）”和“假设（what if）”历史栈两者的电流和磁化的数据点集被存储在存储器中，以用于确定下文所述的，实现期望的磁化必需的电流。
图15A是MR阀的假定极限磁滞回环，y轴代表磁通量或磁化强度（高斯），x轴为电流（安培）。回环的极端代表在磁饱和下运行。图15B示出线圈的电流增大对MR阀的影响，电流增大导致磁化强度增大至图中的第一点，其靠近磁滞回环的下部曲线。下文中将该曲线称为“Mup”，因为其为电流增大或上升时的极限磁滞曲线。图15C示出电流降低至图上的第二点的影响。由于磁滞，该路径不遵循从原点至第一点的初始路径向下返回。作为代替，由于剩余磁化的结果，所以磁化强度高于给定电流水平。图15D示出如果电流再次增大，值近似沿着从第二点返回第一点的路径，但是处于上两个曲线之间。如果电流继续增大，该路径将恢复其路径为靠近极限磁滞回环的下部曲线，向上至饱和点。如果然后电流降低，该路径将沿着上部曲线向下。下文将该曲线称为“Mdown”，因为其为电流下降或降低时的极限磁滞曲线。电流为零的点，换句话说，当上部曲线与y轴交叉时的点将代表可从阀获得的最大剩余磁化强度。如果在该点处，电流的极性反转，并且在负方向中逐渐增大，路径将沿回环的上曲线向下，至处于负极性的磁饱和。
根据本发明，优选地，与极限磁滞回环数据一起，使用两个磁化历史栈和变量。如上所述地，第一栈，称为“real”历史栈，记录反转点形式的实际MR阀的状态。
在图16A中的流程图中示出用于随着在MR阀运行期间，被供应给线圈的电流变化，更新“real”历史栈的方法，并且优选地，在控制器134中的处理器中存储的软件中实施该方法。在步骤480，测量被提供给线圈的现有电流IE，并且将其与在先前测量中获得的电流值IL相比，从而确定电流是否已经变化。优选地，以非常短的时间间隔，周期性地执行该检查。如果电流未变化，方法就返回步骤486，以等待下一次电流测量。如果电流已经变化，则在步骤481中，使用与用于确定从下文解释的测试电流导致的磁化强度的相同的方法，基于新电流IE和“real”历史栈，确定MR阀的磁化强度。特别地，并且如下文详细解释的，如果在real历史栈中存在反转点，就在步骤612、614（图17中所示）和步骤700-706（图18中所示）中，开始在步骤481中使用的计算磁化强度的方法，而如果在real历史栈中不存在反转点，就在步骤612、614、620-624（图17）和步骤800-804（图19）中开始所使用的方法，除非为了基于被提供给MR阀的电流更新real历史栈的目的，使用现有“real”历史栈，代替下文所述的，用于确定实现给定磁化水平必需的电流的目的的“what if”历史栈。
在步骤482，将从现有电流IE至最后电流IL的改变方向PC1与最后用于计算MR阀的磁化的、电流PC1中的改变方向PC2比较。例如，如果被施加给线圈的最后两个先前的电流为0安培和2安培，则旧方向增大；然后，如果新电流为1安培，则从2安培至1安培的改变为降低，使电流中的变化方向反转或改变。
如果已经发生了电流变化方向的反转，就在步骤483中，将旧电流和磁化强度ML和IL推到real历史栈的顶部。步骤484确定如上所述计算的新磁化强度ME是否已经超过值MREV，即“real历史”栈顶部上的磁化强度，并且是否已经通过如果电流增大，就为大于MREV，和如果电流降低，就为小于MREV而闭合回环。如果确实如此，在步骤485中，就从“real”历史栈移除最后两个反转点。通过连续地执行上述方法，real历史栈反映随着电流在运行期间变化的MR阀的磁化历史。
第二栈被用作“what if”栈，以测试新电流将导致的磁化的预测。如下文将更完整讨论的，在导致期望磁化强度必需的电流的计算中，使用“测试电流”的增量值。对于测试电流的每个后续值，“what if”栈最初都被设置为“real”历史栈。然后，如果测试电流产生反转点，则“what if”栈就被更新，从而包括测试电流及其作为结果的计算磁化强度。也存在“real”和“what if”变量两者，从而记录支持参数，如用于计算磁化强度的最后电流和最后磁化强度计算结果。在开始该系统之前，所有变量最初都被设为0。当期望新磁化状态时，进行对可能电流的“二分搜索”，以实现新磁化，这包括将“真实（true）”历史栈复制至“what if”历史栈。当系统第一次开始时，已经在存储器设备，优选在永久存储器中存储了用于所测量的极限磁滞的数据，并且所有栈和变量都被清零。如上所述，连续地测量和监控施加给MR阀线圈的电流。电流中的任何变化都会触发使用“real”栈和变量计算新磁化强度。该计算比较新电流和现有电流，以确定电流的变化方向。然后，将该变化方向与电流的最后变化方向比较，以确定如何计算新磁化强度。如果当前电流变化与前一电流变化相同，就不产生新反转点。如果未发生方向反转，所计算的磁化强度就仍将为初始磁化强度。然后，根据电流变化方向和如果存在的最后反转点，计算新电流的新磁化强度。使用“real”栈和变量完成这些计算，以便那些值将始终代表磁化强度中的任何期望变化的“开始点”。
当钻机操作者或控制器134，或者其它控制系统确定需要改变磁化时，本发明的方法就使用二分搜索确定用于实现期望磁化强度的最佳电流。首先，确定期望变化的方向。选择这样的电流，其处于当前电流和期望方向中的最大可能电流之间的中间。将实现这种“中间”点所需的电流变化称为“增量电流”，并且能够为正或负。这种“中间”点所需的电流被称为“测试电流”。然后，“real”栈和变量被复制至“what if”栈和变量。然后，使用这些“what if”变量，执行磁化强度计算。这涉及预测“如果我们将磁化强度从其当前运行电流变为处于中间点的电流或测试电流，将发生哪种情况”。然后，将作为结果的磁化强度与期望磁化强度比较，然后平分“增量电流”。如果作为结果的磁化强度未实现期望磁化强度，该新“增量电流”就被添加至测试电流。如果作为结果的磁化强度超过期望磁化强度，就从测试电流减去该新“增量电流”。将“real”栈和变量再次复制至“what if”栈和变量，从而“重置”用于做出预测的开始条件。使用修改的测试电流和重置的“what if”栈和变量，再次执行磁化计算。将作为结果的磁化强度再次与期望磁化强度比较，并且平分“增量电流”。优选地，该搜索过程重复，直到增量电流被分为低于用于测量电流的系统的解，或者“增量电流”或结果和期望磁化强度之间的差降低至低于预定误差限制。
用于确定新磁化的方法取决于“旧”和“新”电流两者的极性，以及现在和过去两者的电流变化的方向。这些因素被存储在所谓的“real”或“what if”变量中，但是用于计算磁化强度的方法对于两种类型的变量相同。在优选实施例中，使用下列文献中描述的方法计算新磁化强度，即使用Jian Guo Zhu,M.Eng.Sc.,B.E.(Elec.)University ofTechnology,Sydney,1994年7月，在他的论文“Numerical Modelling OfMagnetic Materials For Computer Aided Design Of ElectromagneticDevices,”中描述的方法，其公开内容在此通过引用以其整体并入。然而，也可能通过其它方法计算该磁化，虽然那些其它方法可能需要将不同的变量分为“real”和“what if”，从而执行上述二分搜索方法。
现在将参考图16B-20中例示的流程图，描述优选在控制器134中的处理器中存储的软件中具体实施的，用于确定实现期望磁化所需的电流的方法。如图16B中所示，在步骤500中，做出下列确定，即新期望磁场MD是否大于、小于或等于被施加至线圈的现有电流IE导致的现有磁场ME。如果MR阀仅使用剩余磁化运行，现有电流就将为零。如果在步骤500中确定，期望磁场即不大于也不小于，换句话说，等于现有磁场，该方法就返回至步骤506，因为不需要电流变化。否则，在步骤502或504中，就给定现有磁化强度ME和期望磁化强度MD之间的变化方向，选择电流增量Ii。特别地，将Ii设置在处于现有电流IE和最大电流之间的中间（即，其平均值），现有电流IE和最大电流处于MR阀的电源能够产生的正或负极性（在步骤500中确定的）。
在步骤508中，通过将电流增量Ii添加至现有电流IE，确定测试电流IT。在步骤510中，如上文所述产生的“real”磁滞栈被复制至执行该测试时使用的“what if”磁滞栈。在步骤512中，方法在点A处移动至图17中所示的流程图。如图17中所示，在步骤600中，测试电流IT被转换为用于访问极限磁滞曲线数据中的数据的表索引。例如，在一个实施例中，电流由从0至1023的整数值表示，并且磁化强度由0-20,000表示。步骤602检查测试电流IT是否等于最后用于计算磁化强度的电流。如果是，就不需要电流变化，并且方法在步骤604返回。如果否，就在步骤606中，将从现有电流IE至测试电流IT的变化方向PC2与最后用于计算磁化强度的电流中的变化方向PC1比较。例如，如果最后的先前两个电流为0安培和2安培，旧方向就增大；然后，如果新电流为1安培，从2安培至1安培的变化就降低，使电流中的变化方向反转或改变。
如果发生了电流变化方向的反转，在步骤608中，旧电流和磁化就被推到“what if”历史栈顶部。
步骤610确定测试电流IT是否为正。如果是，则使用步骤612中指示的等式，根据来自极限磁滞回环的数据，确定能够被称为场中的第一局部变化的F(c)，和能够被称为场中的第二局部变化的Fm(c)。如果测试电流为负，则使用步骤614中指示的等式，通过转化代表磁滞回环的数据，确定F(c)和Fm(c)。结合步骤612和614中的等式，Mdown(c)为在测试电流IT处，极限磁滞回环的上部曲线（当电流向下时，其横移）的磁化值，并且Mup(c)为在测试电流IT处，极限磁滞回环的下部曲线（当电流向上时，其横移）的磁化。
步骤616确定在“what if”历史栈上是否存在任何反转点。如果步骤616确定“what if”历史栈中不存在反转点，本方法就在点C处，基于下文所述的的图18中所示的流程图继续。如果在“what if”历史栈中存在至少一个反转点，就在步骤620中确定电流是否为正或负之后，在步骤622和624中重复使用等式计算F(c)和Fm(c)，从而确定F(REV)和Fm(FEV)，其基于处于电流IREV处，来自极限磁滞回环的Mdown(REV)和Mup(REV)值，电流IREV关联“what if”历史栈上的最近反转点。在执行步骤622或624之后，本方法在点B处基于图19中所示的流程图继续。
如图19中所示，在步骤622和624之后，在步骤800中做出从现有电流IE至测试电流IT的变化极性是否为正的确定，也就是说，在步骤508中计算的测试电流值是否代表现有电流IE上的增大，在该情况下，变化极性为正，或者代表现有电流IE上的降低，在该情况下，变化极性为负。如果变化极性为正，就如步骤802中指示地计算新磁化强度MN，而如果变化极性为负，就如步骤804中指示地计算新磁化强度MN，其中：
c=测试电流。
MREV=栈顶部上发现的最后反转点的磁化强度。
Mup(c)和Mdown(c)=在被存储在用于电流c的永久存储器中的电流分别增大和降低时，磁化强度的值。
Mup(REV)=在被存储在用于电流IREV的永久存储器中的电流增大时，磁化强度的值。
Mdown(REV)=在被存储在用于电流IREV的永久存储器中的电流降低时，磁化强度的值。
F(c)、Fm(c)=在步骤612或614中计算的值。
F(REV)、Fm(REV)=在步骤622或624中计算的值。
注意，Mup和Mdown是作为工具特征的，被存储在永久存储器中的数字列表。术语“c”或“REV”指示我们希望对该值取值的电流。在一个实施例中，这些列表每个都具有1024个元素。通过将0-4安培的电流乘以256，将其转化为数字0-1023。然后，这变为Mup和Mdown阵列的索引。
步骤806确定按上文解释计算的新磁化强度MN是否已经超过MREV的值，并且通过如果电流增大，就为大于MREV，和如果电流减小，就为小于MREV，而闭合回环。如果新磁化强度MN已经超过MREV的值，在步骤808中，就从“what if”历史栈移除最后两个反转点。然后，该方法在D处，利用在步骤802或804中计算的MN值，返回至图16B中所示的主流程图。
如果在图17中所示的流程图的步骤616中，确定在“what if”历史栈中不存在反转，就在C处进入图18中所示的流程图，并且在步骤700中，使用在测试电流IT的值处的极限磁滞回环的上和下曲线的磁化至——Mup(c)和Mdown(c)，根据指示的等式计算F(c)。然后，步骤702确定测试电流IT是否为正。如果其为算法的最初通过，就将在图16B中的步骤508中确定测试电流IT的值。然而，在随后通过中，已经在步骤518或520中重置了测试电流IT。在任何情况下，如果测试电流IT为正，就如步骤704中所示计算新磁化强度，如果测试电流IT不为正，就在如步骤706中所示计算新磁化强度，其中：
Mup(c)=关联电流IT处的上部极限磁滞曲线的磁化强度的值。
F(c)=在步骤700中计算的值。
在步骤704或706之后，方法在D处，利用在步骤704或706中计算的MN值，返回至图16B中所示的主流程图。
一旦在D处，从图18或19返回至图16B中所示的主流程图，就使用如上所述计算的新磁化MN的值，进入步骤513。在步骤515中，新增量电流Ii被设置为现有增量电流的一半。步骤516确定新磁化强度MN是否大于期望磁化强度MD。如果是，就在步骤518中，通过从先前测试电流减去新增量电流Ii，确定新测试电流IT。如果新磁化强度MN小于期望磁化强度MD，就在步骤520中，通过将新增量电流Ii添加至先前测试电流，确定新测试电流IT。
步骤522确定新增量电流Ii是否大于选择误差量。能够取决于期望精确度，以各种方式选择该误差量。作为一个示例，如果电流值由从0至1023的整数表示，该误差就可被设为1/1023。在任何情况下，如果增量电流大于误差值，则使用在步骤518和520中计算的测试电流IT的新值，重复步骤510和后续步骤。如果增量电流小于误差值，则被供应给线圈，以便获得期望磁化强度MD的新电流值IN就被设为在步骤518或520中计算的测试电流IT的新值。该电流值能够被报告给钻机操作者，从而由操作者手动调整，或者能够由控制器134自动调整线圈的电流。如果新电流值代表反转点，当该新电流被硬件实现时，就将该电流添加至“real”历史栈。
使用图16-19中的流程图中所述的方法，MR阀能够在钻孔的过程中，以高效方式运行。特别地，当识别用于MR阀的新磁化强度期望水平MD，以便获得期望衰减量时，采用该方法，以计算将被提供给线圈的新电流值，以便获得该磁化强度。根据本方法，如果新期望磁化水平低于MR阀的剩余磁化，就不需要使用诸如图7中所示的交替脉冲体制，对MR阀完全，或者甚至是部分退磁。相反地，上述方法将向线圈提供被施加的，可能是反转极性电流的电流值，其导致期望磁化水平，无论期望水平是否低于现有剩余磁化都是如此。本质上，MR阀能被直接地充分退磁，以实现期望磁化水平。与使用交替脉冲退磁相比，这具有节约功率，并且快速实现新磁化水平的优点。上述方法也能够应用于下列操作，其在可能程度上依赖于MR阀的剩余磁化，由此降低阀运行所需的功率，并且提高，例如，电池使用寿命。参考图20中例示的流程图，在步骤900中，将新期望磁化强度MD与能够通过MR阀获得的最大剩余磁化强度MRM比较。能够根据极限磁滞回环区段最大剩余磁化强度MRM的值，这是因为其代表零电流时的上部曲线的磁化值。换句话说，其为如果电流升高至磁饱和，然后降低至零将导致的剩余磁化。
如果期望磁化强度MD不大于最大剩余磁化强度MRM，意思是可能仅在剩余磁化上运行，然后，在步骤902，将“剩余”电流Irem设为零，这是因为一旦已经感应了适当的剩余磁化的量，就不存在实现期望磁化强度必需的电流。如果期望磁化强度MD大于最大剩余磁化强度MRM，意思是不可能仅在剩余磁化上运行，就在步骤904中确定实现期望磁化强度MD必需的“剩余”电流Irem，因为该电流关联极限磁滞回环的上部曲线上的期望磁化强度，该回环是向下轨迹的极限磁滞（或者是当电流下降时的极限磁滞）。
在步骤906中，做出新期望磁场MD是否大于、小于或等于现有磁场ME的确定，现有磁场ME由被施加给线圈的现有电流IE导致，如果MR阀仅使用剩余磁化运行，该电流将为零。如果在步骤906中确定期望磁场既不大于，也不小于，换句话说，等于现有磁场，方法就在步骤912中返回，这是因为不需要电流变化。否则，在步骤908或910中，给定现有磁化强度ME和期望磁化强度MD之间的变化方向，选择电流增量Ii。特别地，Ii被设置为处于MR阀的电源能够产生的，现有电流IE和最大电流之间的中间（即，其平均值），为正或负极性（步骤906中确定的）。
在步骤914中，通过将电流增量Ii添加至现有电流IE，确定测量电流IT。在步骤916中，如上所述产生的“real”磁滞栈被复制至用于确定期望磁性强度的新电流的“what if”磁滞栈。然后，该方法在图17中的A处继续，然后是在图18和19中开始的方法，使用的电流值为在步骤914中确定的，步骤918反映的，测量电流IT的值，其类似于结合使用上述流程图完成的步骤，并且该方法从图18或19中的流程图返回至图20中的流程图，因为情况可能是，在点D1处已经确定了在测试电流IT处的磁化强度MN的值。
然后，如步骤920中反映的，将用于后续计算的电流值设为Irem，并且再次执行图17-19中例示的流程图中所述的方法，但是这次使用的电流值是在步骤900-904中确定的剩余电流值Irem。然后，该方法从图18或19中的流程图返回至图20中的流程图，因为情况可能是，在点D2处，现在已经确定了电流Irem处的磁化强度Mrem的值，以及步骤928中反映的，处于上述IT处的磁化强度MN。
在步骤930，增量电流的值Ii被平分。然后，步骤932确定剩余磁化强度Mrem的计算值是否大于期望磁化强度MD。如果是，就在步骤943中，通过从先前测试电流中减去新增量电流Ii，确定新测试电流IT。如果新磁化强度Mrem不大于期望磁化强度MD，则在步骤936中，通过将新增量电流Ii添加至先前测试电流，确定新测试电流IT。
步骤938确定新增量电流Ii是否大于选择的误差量。如果增量电流大于误差值，则使用在步骤934或936中计算的测试电流IT的新值，重复步骤938和后续步骤。如果增量电流小于误差值，则测试电流IT就代表初始将被供应给线圈的电流，以便在足够时间段之后，电流能够被降低至Irem，并且MR阀在电流Irem下运行，如果可能仅在剩余磁化强度上运行，该电流可能为零，但是在任何情况下，如果在调节电流以实现新期望磁化之前，MR阀已经被完全退磁，则该电流将小于。
在图21中示出使用上述方法的MR阀的运行，其示出MR阀的假定极限磁滞曲线的上部部分。假定，最初阀中不存在剩余磁化。作为示例，假定最初期望3000高斯的磁化强度，以从阀获得期望衰减。上述方法将包括，初始测试电流IT应为0.88安培，并且随后的剩余电流Irem能够为零。在此之后，指令将导致在点#1处运行，在该点处，电流为0.88安培，并且磁化强度为11,285高斯，然后，在足够长时间后，通过点#2处的操作，感应剩余磁化，其中电流降为零，并且剩余磁化单独就导致3000高斯的期望磁化强度。在该情况下，0.88安培/11,285高斯点代表了历史栈上的第一反转点。
如果在进一步操作之后，期望以1000高斯运行，将需要退磁。上述方法将确定电流最初应被设定的测试电流IT应为-0.11安培的“放电电流”，这导致356高斯的磁化强度（点#3指示），然后是将电流降低至0安培的剩余电流Irem值，这将允许MR阀在点#4处运行，在该点处，剩余磁化强度与期望的相同，为1000高斯。
使用上述方法运行确保了完全利用剩余磁化的优势，这是因为，优选地，MR阀仅被退磁至实现期望磁化必需的程度。如果允许期望磁化低于现有剩余磁化，则该方法避免对阀完全退磁，并且然后将电流增大至实现期望磁化必需的值，无剩余磁化的收益。相反，根据上述方法，通过直接降低剩余磁化的量，仍实现仅依赖于剩余磁化的运行。
虽然已经参考钻井的钻柱描述了本发明，但是本发明适用于其中期望控制衰减的其它情况。因此，本发明能够具体化为其它特定形式，而不偏离本发明的精神及其本质属性，因此，对于本发明范围的指示，应参考附加权利要求，而非上述说明书。

Claims (21)

1.一种衰减在钻入地层中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MR流体的磁流变（MR）阀，所述MR流体流经在所述MR阀中形成的通道，所述MR阀具有与其关联的极限磁滞回环，所述极限磁滞回环将所述阀中的磁场的强度与被供应给所述线圈的电流关联；
b）向所述线圈供应变化电流，以便使所述MR阀中的所述MR流体经受由所述线圈产生的变化磁场；
c）随着被供应给所述线圈的所述电流变化，通过测量所述变化电流和计算由所述变化电流产生的所述磁场的强度，确定所述MR阀的磁化历史，所述磁场的所述强度使用代表关联所述MR阀的所述极限磁滞回环的信息确定；
d）使用在步骤（c）中确定的所述MR阀的所述磁化历史，确定将导致期望磁场的将被供应给所述线圈的电流；
e）向所述线圈供应在步骤（d）中确定的所述电流，以便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，其中在步骤（c）中确定的所述MR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被供应给所述线圈的电流，所述第二数据点代表供应所述电流导致的磁场，并且其中在步骤（d）中确定将被供应给所述线圈的所述电流包括下列进一步步骤：
（f）复制所述第一数据点的第一栈，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将所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度；和
（h）在已经将所述一个或多个第二数据点集添加至所述第二栈之后，对在所述第二栈中的所述数据点执行二分搜索，以便确定将被供应给所述线圈的将导致所述期望磁场的电流。
3.根据权利要求2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变化方向反转的电流。
4.根据权利要求2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，所述电流与在步骤（e）中被供应给所述线圈的电流不同；
（j）只有在当与导致在步骤（e）中被供应给所述线圈的电流的、被供应给所述线圈的电流变化方向相比时，在步骤（i）中供应给所述线圈的电流代表被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MR阀的所述磁化历史，以便包括在步骤（e）中供应给所述线圈的电流。
5.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MR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，所述第二数据点代表供应所述电流导致的磁场，并且其中在步骤（d）中确定将被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。
6.根据权利要求5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将所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度，在所述第一和所述第二数据点集的组合上执行所述二分搜索。
7.根据权利要求5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变化方向反转的电流。
8.根据权利要求5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，所述电流与在步骤（e）中被供应给所述线圈的电流不同；
（g）只有在当与导致在步骤（e）中被供应给所述线圈的电流的、被供应给所述线圈的电流变化方向相比时，在步骤（f）中供应给所述线圈的电流代表被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MR阀的所述磁化历史，以便包括在步骤（e）中供应给所述线圈的电流。
9.根据权利要求1所述的衰减振动的方法，还包括下列步骤：
（f）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MR阀的所述磁化历史。
10.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MR阀中产生的磁场与被供应给所述线圈的电流之间的关系。
11.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电流的步骤在所述MR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。
12.根据权利要求11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。
13.根据权利要求11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所述剩余磁化。
14.根据权利要求11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。
15.一种衰减钻柱井的下部分中的振动的方法，所述钻柱包括磁流变（MR）阀，所述MR阀含有经受由至少一个线圈产生的磁场的MR流体，所述MR流体流经在所述MR阀中形成的通道，操作所述MR阀的方法包括下列步骤：
（a）对所述MR阀的线圈供应电流第一时间段，以便产生改变所述MR流体粘性的第一磁场，所述第一磁场足以在邻近所述通道的所述MR阀的至少一个部件中引起第一剩余磁化强度；
（b）在所述第一时间段之后，对所述线圈充分断电第二时间段，以便使用所述MR阀的至少一个部件中的第一剩余磁化强度操作所述MR阀，以产生改变所述MR流体粘性的第二磁场；
（c）对所述MR阀的所述至少一个部件至少部分地退磁，以便将所述MR阀的所述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，所述退磁步骤包括下列步骤：
（1）随着被供应给所述线圈的所述电流变化，通过测量所述变化电流和计算由所述变化电流产生的所述磁场的强度，确定所述MR阀的磁化历史，所述磁场的所述强度使用代表关联所述MR阀的极限磁滞回环的信息确定；
（2）使用在步骤（c）（1）中确定的所述MR阀的所述磁化历史，确定将被供应给所述线圈的将导致对所述至少一个部件至少部分地退磁的电流；
（3）将在步骤（c）（2）中确定的所述电流供应给所述线圈，以便对所述至少一个部件至少部分地退磁；
（d）在步骤（c）中所述至少部分退磁之后，运行所述MR阀第三时间段。
16.一种用于衰减钻入地层的钻头的振动的磁流变（MR）阀组件，包括：
（a）至少一个线圈和MR流体，对所述线圈供应电流，所述MR流体流经在所述MR阀中形成的邻近所述线圈的通道，被供应给所述线圈的电流变化，以便使所述MR阀中的所述MR流体经受所述线圈产生的变化磁场；
（b）存储器装置，在其中存储代表极限磁滞回环的信息，所述极限磁滞回环将所述MR阀中的磁场的强度与供应给所述线圈的电流关联；
（c）历史确定装置，用于随着被供应给所述线圈的电流变化，通过测量所述变化电流和计算由所述变化电流产生的磁场的强度，确定所述MR阀的磁化历史，所述磁场的所述强度使用代表被存储在所述存储器装置中的所述极限磁滞回环的信息确定；
（d）电流确定装置，用于使用所述MR阀的所述磁化历史，确定将被供应给所述线圈的将导致期望磁场的电流。
17.根据权利要求16所述的MR阀组件，其中通过所述历史确定装置确定的所述MR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被供应给所述线圈的电流，所述第二数据点代表供应所述电流导致的磁场。
18.根据权利要求17所述的MR阀组件，其中所述电流确定装置包括：
（e）用于复制所述第一数据点的第一栈以便产生数据点的第二栈的装置；
（f）用于将一个或多个第二数据点集添加至所述数据点的第二栈的装置，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将所述测试电流供应给所述线圈预期导致的磁化强度；和
（g）用于在已经将所述一个或多个第二数据点集添加至所述第二栈之后，对在所述第二栈中的数据点执行二分搜索，以便确定将被供应给所述线圈的将导致所述期望磁场强度的电流的装置。
19.根据权利要求18所述的MR阀组件，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被供应给所述线圈的电流变化方向反转的电流。
20.根据权利要求17所述的MR阀组件，其中所述MR阀组件还包括：
e）第一构件，所述第一构件能够机械联接至钻头，以便所述第一构件经受来自所述钻头的振动；
f）第二构件，所述第一构件安装为使得相对于所述第二构件移动，所述第一和第二构件限定第一室和第二室，以便容纳所述磁流变流体，所述MR流体流经的所述通道被布置在所述第一和第二构件之间，并且将所述第一和第二室设置成流体连通；
g）所述第一和第二构件之一的至少一部分由具有至少约7000的相对导磁率的材料制成；
h）所述第一和第二构件的另一个的至少一部分能够具有在其中响应于所述至少一个线圈产生的所述磁场的感应剩余磁场，所述剩余磁场足以在所述线圈被去电时操作所述MR阀，其中感应所述剩余磁场的所述第一和第二构件的所述另一个的所述部分由具有至少约12,000高斯的最大剩余磁化强度的材料制成。
21.一种用于衰减钻入地层的钻头的振动的磁流变（MR）阀组件，包括：
a）第一构件，所述第一构件能够机械联接至所述钻头，以便所述第一构件经受来自所述钻头的振动；
b）磁流变流体供应；
c）第二构件，所述第一构件安装为使得相对于所述第二构件移动，所述第一和第二构件限定用于容纳所述磁流变流体的第一室和第二室，将所述第一和第二室设置成流体连通的通道；
d）至少一个线圈，所述线圈邻近所述通道，以便当将电流供应给所述线圈时，所述磁流变流体能够经受所述至少一个线圈产生的磁场；
e）所述第一和第二构件之一的至少一部分能够具有在其中响应于所述至少一个线圈产生的所述磁场的感应剩余磁场，所述剩余磁场足以在所述线圈被去电时操作所述MR阀；
f）退磁装置，用于对所述第一和第二构件之一的至少所述部分至少部分地退磁，其中能够感应所述剩余磁场，以便降低所述感应的剩余磁场，所述退磁装置包括：
（1）存储器装置，在其中存储代表极限磁滞回环的信息，所述极限磁滞回环将所述MR阀中的磁场的强度与被供应给所述线圈的电流关联；
（2）历史确定装置，用于随着被供应给所述线圈的电流变化，通过测量所述变化电流和计算由所述变化电流产生的磁场的强度，确定所述MR阀的磁化历史，所述磁场的所述强度使用代表被存储在所述存储器装置中的所述极限磁滞回环的信息确定；
（3）用于确定将被供应给所述线圈的电流的装置，所述电流将导致对所述第一和第二构件之一的所述部分至少部分地退磁，其中能够感应所述剩余磁场而不使用交流电流。
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