CN104613125A - 一种钻井磁流变减震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种钻井磁流变减震装置，包括工作缸以及活塞杆，在活塞杆末端固定有活塞，在活塞的本体上开有多个的泄流孔，泄流孔的孔径由中部向两端递增，在活塞的中部设置有线圈组，在线圈组的连接导线穿过活塞杆的内部与外界电源连接；浮动活塞将工作缸内部分隔成液体腔与气腔。本发明工作时，泄流孔的孔径由中部向两端递增，实现泄流孔的中间缩口，使得磁流变液在缩口上下两端处对活塞的抓紧力增大，保证活塞在液体腔内快速停止运动，同时通过外界电压的快速转化，实现活塞在工作缸内的启停运动，由于在本发明中不安装节流面积可变的节流阀，进而大大提高了装置的抗机械磨损性能，延长了本发明的使用寿命。

Description

一种钻井磁流变减震装置

技术领域

本发明涉及一种减震装置，具体是指一种钻井磁流变减震装置。

背景技术

在石油钻井中，带动钻具破碎岩石，向地下钻进，钻出规定深度的井眼，供采油机或采气机获取石油或天然气。一部常用石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及辅助设备组成。为了起升和下放钻具、下套管以及控制钻压、送进钻具，钻具配备有起升系统；起升系统包括绞车、辅助刹车、天车、游车、大钩、钢丝绳以及吊环、吊卡、吊钳、卡瓦等各种工具。起升时，绞车滚筒缠绕钢丝绳，天车和游车构成副滑轮组，大钩上升通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升；下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度。在正常钻进时，通过吊环、吊卡等工具实现钻具的提升，下放时，钻具或套管柱靠自重下降，借助绞车的刹车机构和辅助刹车控制大钩的下放速度；正常钻进时，通过刹车机构控制钻具的送进速度，将钻具重量的一部分作为钻压施加到钻头上实现破碎岩层。

为进一步减轻钻具的工作负荷，在钻具本体与动力输出设备之间安装有减震装置，以方便在钻具与硬度较大的岩石层相互作用时降低作用应力，达到保护钻具的目的，但是在一般的减震装置使用过程中，多为被动控制，即采用油气或油液弹簧式结构的减震器，通常为可调式。这些可调式减震器通过调节节流孔的开口大小来改变通流面积，以此来调节阻尼系数，输出的阻尼力随减震器上活塞的行程而改变；但在应对较大的冲击时须通过减小节流口和增大活塞的行程来实现，结果使得钻具在钻进时的质量增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井磁流变减震装置，使其具有良好的阻尼特性以适应其在复杂的地质层中油井的快速钻进，达到保护钻具的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种钻井磁流变减震装置，包括两端密闭的工作缸以及贯穿于工作缸的端盖且其端部置于工作缸内的活塞杆，在所述活塞杆末端固定有纵截面为“工”型的活塞，在活塞的本体上开有多个用于连通活塞上下两端的泄流孔，所述泄流孔的孔径由中部向两端递增，在活塞的中部设置有线圈组，在线圈组外壁上设置有隔离圈，活塞杆的内部中空，线圈组的连接导线穿过活塞杆的内部与外界电源连接；还包括浮动活塞，所述浮动活塞将工作缸内部分隔成液体腔与气腔，液体腔中填充有磁流变液，气腔中填充有压缩的氮气。本发明工作时，活塞杆的上端与动力输出设备固定连接，而工作缸的下端与钻具固定连接，在钻具工作时，线圈组通过导线与外部电源连接，通过电流的调节，线圈组在液体腔体产生磁场变化，变化的磁场与液体腔内的磁流变液发生作用，进而改变由活塞上下两端进入泄流孔中的磁流变液的粘度，进而改变阻尼力的大小，达到钻具减震的目的，并且由于活塞杆的行程较小，在工作缸的底部安装有浮动活塞并将工作缸内部分隔成两个部分，即液体腔与气腔，气腔内填充有具有一定初始压力的压缩氮气，可有效补充液体腔的体积变化，使其具有良好的阻尼特性以适应其在复杂的地质层中油井的快速钻进，达到保护钻具的目的；

其中，所述泄流孔的孔径由中部向两端递增，而现有的减震装置则通过调节节流孔的开口大小来改变通流面积，以此来调节阻尼系数，输出的阻尼力随减震器上活塞的行程而改变，但在应对较大的冲击时须通过减小节流口和增大活塞的行程来实现，结果使得钻具在钻进时的质量增加；本发明工作时，磁流变液通过泄流孔流经活塞的上下两端，即实现磁流变液在液体腔内的流通，在外界电源调控下，使得线圈组在液体腔内产生磁场变化，而磁场变化引起磁流变液的粘度，而泄流孔的孔径由中部向两端递增，即实现泄流孔的中间缩口，使得磁流变液在缩口上下两端处对活塞的抓紧力增大，保证活塞在液体腔内快速停止运动，同时通过外界电压的快速转化，实现活塞在工作缸内的启停运动，进而实现钻具的减震功能，由于在本发明中不安装节流面积可变的节流阀，进而大大提高了装置的抗机械磨损性能，延长了本发明的使用寿命。

所述线圈组包括相互电连接的第一线圈与第二线圈，且在第一线圈与第二线圈之间安装有隔离块。线圈组在工作时，线圈产生的磁力线从活塞的一端出发穿过磁流变液，通过工作缸，从活塞的另一端回到活塞，形成一个闭合的磁力线回路，在整个回路中，磁力线垂直于磁流变液平行于工作缸，此时工作的磁通密度较高，由于工作的磁导率较低容易产生磁通量过饱和，影响整个磁路的磁场强度增加，无法满足磁流变液工作要求的磁感应强度范围，本发明设置有两个相同且相互电连接的线圈，即第一线圈与第二线圈，且在第一线圈与第二线圈之间加设有隔离块以减小两个线圈之间的磁通线叠加，使得活塞周围的磁场分布均匀，防止活塞在阻尼环境中受到的阻尼力局部应力集中而导致活塞受损，进而提高活塞的使用寿命。

所述第一线圈与所述第二线圈的绕线方向相反。作为优选，将第一线圈与第二线圈的绕线方向设置为相反，使得在液体腔内活塞的上下两端处于两个不同的磁场环境中，保证在活塞的启停运动过程中快速达到稳定的工作状态，提高钻具的减震性能。

还包括上吊环和下吊环，且上吊环固定在活塞杆上端部，下吊环固定在工作缸的下端部。通过上吊环与下吊环，使得减震结构快速固定在钻具与动力输出设备上，并且方便减震结构的拆卸检修，降低工人的工作强度，减小非工作时间的耗用。

还包括密封圈和O型密封垫，所述密封圈安装在端盖的内壁上用于活塞杆的轴向密封，所述O型密封垫安装在浮动活塞上用于气腔与液体腔的隔离。为防止磁流变液的泄漏，在活塞轴向运动时与工作缸接触的部分安装有密封垫，避免因磁流变液流失而导致液体腔内的粘度不足以支撑活塞，在浮动活塞上安装的O型密封垫可预防磁流变液由液体腔下滑至气腔，提高气腔中压缩氮气对浮动活塞的支撑力度。

所述活塞杆与活塞螺纹配合，且在活塞上端安装有垫圈，在活塞下端安装有螺母。当工作缸进行检修或是液体腔内的磁流变液需要进行更换时，打开端盖，可先后将活塞与活塞杆拆卸，且活塞与活塞杆螺纹配合，且在活塞的上端安装有垫圈，能够有效避免活塞与活塞杆之间的相互磨损。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的泄流孔的孔径由中部向两端递增，即实现泄流孔的中间缩口，使得磁流变液在缩口上下两端处对活塞的抓紧力增大，保证活塞在液体腔内快速停止运动，同时通过外界电压的快速转化，实现活塞在工作缸内的启停运动，进而实现钻具的减震功能，由于在本发明中不安装节流面积可变的节流阀，进而大大提高了装置的抗机械磨损性能，延长了本发明的使用寿命；

2、本发明设置有两个相同且相互电连接的线圈，即第一线圈与第二线圈，且在第一线圈与第二线圈之间加设有隔离块以减小两个线圈之间的磁通线叠加，使得活塞周围的磁场分布均匀，防止活塞在阻尼环境中受到的阻尼力局部应力集中而导致活塞受损，进而提高活塞的使用寿命；

3、本发明将第一线圈与第二线圈的绕线方向设置为相反，使得在液体腔内活塞的上下两端处于两个不同的磁场环境中，保证在活塞的启停运动过程中快速达到稳定的工作状态，提高钻具的减震性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

附图中标记及相应的零部件名称：

1-上吊环、2-端盖、3-密封圈、4-工作缸、5-活塞杆、6-垫圈、7-泄流孔、8-隔离圈、9-第二线圈、10-活塞、11-螺母、12-磁流变液、13-O型密封垫、14-浮动活塞、15-气腔、16-下吊环、17-第一线圈、18-隔离块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本实施例包括两端密闭的工作缸4以及贯穿于工作缸4的端盖2且其端部置于工作缸4内的活塞杆5，在所述活塞杆5末端固定有纵截面为“工”型的活塞10，在活塞10的本体上开有多个用于连通活塞10上下两端的泄流孔7，所述泄流孔7的孔径由中部向两端递增，在活塞10的中部设置有线圈组，在线圈组外壁上设置有隔离圈8，活塞杆5的内部中空，线圈组的连接导线穿过活塞杆5的内部与外界电源连接；还包括浮动活塞14，所述浮动活塞14将工作缸4内部分隔成液体腔与气腔15，液体腔中填充有磁流变液12，气腔15中填充有压缩的氮气；所述线圈组包括相互电连接的第一线圈17与第二线圈9，且在第一线圈17与第二线圈9之间安装有隔离块18；还包括上吊环1和下吊环16，且上吊环1固定在活塞杆5上端部，下吊环16固定在工作缸4的下端部；还包括密封圈3和O型密封垫13，所述密封圈3安装在端盖2的内壁上用于活塞杆5的轴向密封，所述O型密封垫13安装在浮动活塞14上用于气腔15与液体腔的隔离；所述活塞杆5与活塞10螺纹配合，且在活塞10上端安装有垫圈6，在活塞10下端安装有螺母11。

本发明工作时，通过上吊环1与下吊环16，使得减震结构快速固定在钻具与动力输出设备上，并且方便减震结构的拆卸检修，降低工人的工作强度，减小非工作时间的耗用，在钻具工作时，线圈组通过导线与外部电源连接，通过电流的调节，线圈组在液体腔体产生磁场变化，变化的磁场与液体腔内的磁流变液12发生作用，进而改变由活塞10上下两端进入泄流孔7中的磁流变液12的粘度，进而改变阻尼力的大小，达到钻具减震的目的，并且由于活塞杆5的行程较小，在工作缸4的底部安装有浮动活塞14并将工作缸4内部分隔成两个部分，即液体腔与气腔15，气腔15内填充有具有一定初始压力的压缩氮气，可有效补充液体腔的体积变化，使其具有良好的阻尼特性以适应其在复杂的地质层中油井的快速钻进，达到保护钻具的目的；

其中，所述泄流孔7的孔径由中部向两端递增，而现有的减震装置则通过调节节流孔的开口大小来改变通流面积，以此来调节阻尼系数，输出的阻尼力随减震器上活塞10的行程而改变，但在应对较大的冲击时须通过减小节流口和增大活塞10的行程来实现，结果使得钻具在钻进时的质量增加；本发明工作时，磁流变液12通过泄流孔7流经活塞10的上下两端，即实现磁流变液12在液体腔内的流通，在外界电源调控下，使得线圈组在液体腔内产生磁场变化，而磁场变化引起磁流变液12的粘度，而泄流孔7的孔径由中部向两端递增，即实现泄流孔7的中间缩口，使得磁流变液12在缩口上下两端处对活塞10的抓紧力增大，保证活塞10在液体腔内快速停止运动，同时通过外界电压的快速转化，实现活塞10在工作缸4内的启停运动，进而实现钻具的减震功能，由于在本发明中不安装节流面积可变的节流阀，进而大大提高了装置的抗机械磨损性能，延长了本发明的使用寿命。

并且，线圈组在工作时，线圈产生的磁力线从活塞10的一端出发穿过磁流变液12，通过工作缸4，从活塞10的另一端回到活塞10，形成一个闭合的磁力线回路，在整个回路中，磁力线垂直于磁流变液12平行于工作缸4，此时工作的磁通密度较高，由于工作的磁导率较低容易产生磁通量过饱和，影响整个磁路的磁场强度增加，无法满足磁流变液12工作要求的磁感应强度范围，本发明设置有两个相同且相互电连接的线圈，即第一线圈17与第二线圈9，且在第一线圈17与第二线圈9之间加设有隔离块18以减小两个线圈之间的磁通线叠加，使得活塞10周围的磁场分布均匀，防止活塞10在阻尼环境中受到的阻尼力局部应力集中而导致活塞10受损，进而提高活塞10的使用寿命。

作为优选，将第一线圈17与第二线圈9的绕线方向设置为相反，使得在液体腔内活塞10的上下两端处于两个不同的磁场环境中，保证在活塞10的启停运动过程中快速达到稳定的工作状态，提高钻具的减震性能。

进一步地，为防止磁流变液12的泄漏，在活塞10轴向运动时与工作缸4接触的部分安装有密封垫，避免因磁流变液12流失而导致液体腔内的粘度不足以支撑活塞10，在浮动活塞14上安装的O型密封垫13可预防磁流变液12由液体腔下滑至气腔15，提高气腔15中压缩氮气对浮动活塞14的支撑力度；当工作缸4进行检修或是液体腔内的磁流变液12需要进行更换时，打开端盖2，可先后将活塞10与活塞杆5拆卸，且活塞10与活塞杆5螺纹配合，且在活塞10的上端安装有垫圈6，能够有效避免活塞10与活塞杆5之间的相互磨损。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钻井磁流变减震装置，包括两端密闭的工作缸（4）以及贯穿于工作缸（4）的端盖（2）且其端部置于工作缸（4）内的活塞杆（5），其特征在于：在所述活塞杆（5）末端固定有纵截面为“工”型的活塞（10），在活塞（10）的本体上开有多个用于连通活塞（10）上下两端的泄流孔（7），所述泄流孔（7）的孔径由中部向两端递增，在活塞（10）的中部设置有线圈组，在线圈组外壁上设置有隔离圈（8），活塞杆（5）的内部中空，线圈组的连接导线穿过活塞杆（5）的内部与外界电源连接；还包括浮动活塞（14），所述浮动活塞（14）将工作缸（10）内部分隔成液体腔与气腔（15），液体腔中填充有磁流变液（12），气腔（15）中填充有压缩的氮气。

2.根据权利要求1所述的一种钻井磁流变减震装置，其特征在于：所述线圈组包括相互电连接的第一线圈（17）与第二线圈（9），且在第一线圈（17）与第二线圈（9）之间安装有隔离块（18）。

3.根据权利要求2所述的一种钻井磁流变减震装置，其特征在于：所述第一线圈（17）与所述第二线圈（9）的绕线方向相反。

4.根据权利要求1~3任意一项所述的一种钻井磁流变减震装置，其特征在于：还包括上吊环（1）和下吊环（16），且上吊环（1）固定在活塞杆（5）上端部，下吊环（16）固定在工作缸（10）的下端部。

5.根据权利要求1~3任意一项所述的一种钻井磁流变减震装置，其特征在于：还包括密封圈（3）和O型密封垫（13），所述密封圈（3）安装在端盖（2）的内壁上用于活塞杆（5）的轴向密封，所述O型密封垫（13）安装在浮动活塞（14）上用于气腔（15）与液体腔的隔离。

6.根据权利要求1~3任意一项所述的一种钻井磁流变减震装置，其特征在于：所述活塞杆（5）与活塞（10）螺纹配合，且在活塞（10）上端安装有垫圈（6），在活塞（10）下端安装有螺母（11）。