专利名称：一种磁流变智能钻井减振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于石油、天然气和地质钻井的特殊井下工具，一种磁流变智能钻井 减振器。
背景技术：
石油、天然气、地质钻井过程中经常会钻遇一些硬岩层，由于井底不平、钻头牙齿 间歇压入岩石及岩石间歇破碎、钻柱绕井眼中心的涡动，钻柱会发生纵向振动、横向振动和 扭转振动。当钻头的纵向振动频率与钻具固有频率重合时，就产生跳钻现象。跳钻时钻头 离开井底岩石并带动钻具一起向上运动，然后再一起从最高点坠落井底，产生破坏较大的 运动惯性。另外，钻井马达，泵送钻井液，钻柱的不平衡等因素也会产生振动，这些振动将导 致钻柱过早失效，如钻头损坏(牙齿、轴承损坏)、钻具损坏(断裂、丝扣松脱)，并引发工程事 故，甚至使油井报废；剧烈振动和冲击也会降低钻速，甚至极大地减少钻头和井底岩石之间 的接触。钻井工人通过改变转速、钻压来控制钻柱振动，但这些措施并不能有效地减小振 动，反而会降低钻井效率。特别地，钻头是针对一个预定的转速范围和钻压而设计的，偏离 钻头的设计点钻井将降低钻头使用性能，缩短钻头寿命。减小钻井振动、防止跳钻的有效措施是在钻头和钻具之间安装减振器。现在钻井 工程中广泛使用的液压减振器，其主要结构是一个环形油缸和一个环形活塞，油缸中充满 液压油，当钻头纵向振动时，液压减振器轴向载荷发生变化，环形液缸中的液压油被压缩或 体积膨胀，从而吸收或释放钻头振动的能量，减轻或消除钻井振动及跳钻。通常，减振器也是针对某一种特定的钻井工况而设计。在这些工况之外使用，减振 器的效率将降低，在某些情况下甚至会增加钻柱的振动。磁流变智能钻井减振器可以根据 具体工况实时地调节阻尼特性，这对于保障深井硬地层的高效、快速、安全钻进具有重要意 义。磁流变液由悬浮于非磁性载液中的软磁性微粒和表面活性分散剂构成，在外加磁场作 用下，其粘度可以连续、快速、可逆地变化。由于这种可控的流动特性，磁流变液能够以不同 形式构成控制器和执行器之间良好的耦合介质。利用可控的磁流变减振器，先进的传感系 统和智能控制器，并结合井下钻具组合的机械结构，可对钻井振动进行智能控制，延长钻头 寿命，提高钻速，降低钻井成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有液压减振器技术的不足，以及为了减小钻头振动、防止 跳钻，延长钻头使用寿命，保护钻具组合，提高钻进速度，特提供一种磁流变智能钻井减振器。为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是一种磁流变智 能钻井减振器，由涡轮发电机模块、传感控制器模块、磁流变阀门、弹簧组、扭转轴承组成， 其结构特征是所述涡轮发电机模块、传感控制器模块、磁流变阀门、弹簧组和扭转轴承依次相连接；涡轮发电机模块由涡轮发电机、涡轮发电机保护外壳和扶正接头构成；传感控 制器模块由传感控制器模块外壳、末端支承、上滑动轴承和传感控制器构成；传感控制器安 置在传感控制器模块内部；传感控制器模块外壳上端和下端分别攻有母扣，上端母扣连接 涡轮发电机保护外壳，下端母扣连接阀门外壳；末端支承和上滑动轴承加工成圆筒形；磁 流变阀门由阀门外壳、线圈心轴、补偿活塞、活塞密封圈、线圈心轴衬套、励磁线圈、阀门套 筒、套筒密封圈、阀门径向轴承和上心轴接头构成；阀门外壳上端连接传感控制器模块外 壳，下端连接弹簧组外壳，内部安装有线圈心轴；线圈心轴内部加工有贯通孔，线圈心轴外 表面中部安装有补偿活塞，线圈心轴外表面下部布有励磁线圈；相邻的励磁线圈从相反的 方向缠绕，其引出线从线圈心轴引出，并用环氧树脂密封，与线圈心轴和线圈心轴衬套构成 磁路；补偿活塞为圆筒结构，外表面加工有3道环形凹槽，用于安装活塞密封圈；弹簧组由 弹簧组挡块、碟形弹簧、弹簧组外壳、弹簧心轴、弹簧组滑动轴承和下心轴接头构成；扭转轴 承由外壳接头、扭转轴承外壳、轴承球、下滑动轴承、扭转轴承尾段、尾段密封圈和扭转轴承 心轴构成；扭转轴承的内部有轴承球滚道，轴承球滚道由扭转轴承外壳内表面半圆形螺旋 滚道和扭转轴承心轴外表面半圆形螺旋滚道配合构成；扭转轴承外壳两端攻有母扣；扭转 轴承心轴两端攻有公扣，内部加工有贯通孔；轴承球安置在轴承球滚道中，并能在轴承球滚 道内灵活转动，传递扭转轴承外壳和扭转轴承心轴之间的扭矩，并将扭转振动转化为纵向 振动。本发明与现有技术相比，具有的有益效果是(1)机电结构简单、紧凑，减振器体 积小，既能保证较大的行程，又能有利于阀门线圈散热；(2)具有稳定性和耐久性；(3)可进 行实时精确的控制；(4)连续、可逆阻尼力变化范围大。
图1是本发明一种磁流变智能钻井减振器的结构示意图2是本发明一种磁流变智能钻井减振器的磁流变阀门轴向剖视图； 图3是本发明一种磁流变智能钻井减振器的扭转轴承截面图。图中1.涡轮发电机模块，2.传感控制器模块，3.磁流变阀门，4.弹簧组，5.扭 转轴承，6.涡轮发电机，7.涡轮发电机保护外壳，8.扶正接头，9.传感控制器模块外壳， 10.末端支承，11.上滑动轴承，12.传感控制器，13.阀门外壳，14.线圈心轴，15.补偿 活塞，16.活塞密封圈，17.线圈心轴衬套，18.励磁线圈，19.阀门套筒，20.套筒密封圈， 21.阀门径向轴承，22.上心轴接头，23.弹簧组挡块，24.碟形弹簧，25.弹簧组外壳，26.弹 簧心轴，27.弹簧组滑动轴承，28.下心轴接头，29.外壳接头，30.扭转轴承外壳，31.轴承 球，32.下滑动轴承，33.扭转轴承尾段，34.尾段密封圈，35.扭转轴承心轴，36.上腔室， 37.下腔室，38.阻尼通道，39.轴承球滚道。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式
。 按照图1所示，本发明一种磁流变智能钻井减振器，由涡轮发电机模块1、传感控 制器模块2、磁流变阀门3、弹簧组4和扭转轴承5构成；所述涡轮发电机模块1、传感控制 器模块2、磁流变阀门3、弹簧组4和扭转轴承5依次相连接；涡轮发电机模块1由涡轮发电机6、涡轮发电机保护外壳7和扶正接头8构成；传感控制器模块2由传感控制器模块外壳 9、末端支承10、上滑动轴承11和传感控制器12构成；传感控制器12安置在传感控制器模 块2内部；传感控制器模块外壳9上端和下端分别攻有母扣，上端母扣连接涡轮发电机保护 外壳7，下端母扣连接阀门外壳13;末端支承10和上滑动轴承11加工成圆筒形。弹簧组4 由弹簧组挡块23、碟形弹簧对、弹簧组外壳25、弹簧心轴沈、弹簧组滑动轴承27和下心轴 接头观构成。按照图1、图2所示，磁流变阀门3由阀门外壳13、线圈心轴14、补偿活塞15、活塞 密封圈16、线圈心轴衬套17、励磁线圈18、阀门套筒19、套筒密封圈20、阀门径向轴承21 和上心轴接头22构成；阀门外壳13上端连接传感控制器模块外壳9，下端连接弹簧组外壳 25，内部安装有线圈心轴14 ；线圈心轴14内部加工有贯通孔，线圈心轴14外表面中部安装 有补偿活塞15，线圈心轴14外表面下部布有励磁线圈18 ；相邻的励磁线圈18从相反的方 向缠绕，其引出线从线圈心轴14引出，并用环氧树脂密封，与线圈心轴14和线圈心轴衬套 17构成磁路；补偿活塞15为圆筒结构，外表面加工有3道环形凹槽，用于安装活塞密封圈 16。按照图1、图3所示，扭转轴承5由外壳接头四、扭转轴承外壳30、轴承球31、下滑 动轴承32、扭转轴承尾段33、尾段密封圈34和扭转轴承心轴35构成；扭转轴承5的内部有 轴承球滚道39，轴承球滚道39由扭转轴承外壳30内表面半圆形螺旋滚道和扭转轴承心轴 35外表面半圆形螺旋滚道配合构成；扭转轴承外壳30两端攻有母扣；扭转轴承心轴35两 端攻有公扣，内部加工有贯通孔；轴承球31安置在轴承球滚道39中，并能在轴承球滚道39 内灵活转动，传递扭转轴承外壳30和扭转轴承心轴35之间的扭矩，并将扭转振动转化为纵 向振动。在钻井过程中，涡轮发电机6被钻井液驱动产生交流电，经整流后传输到传感控 制器12和励磁线圈18 ；传感控制器12内部的位移传感器测量心轴和传感控制器模块外壳 9之间由于振动产生的相对轴向位移，持续采集一段时间数据后计算出平均位移、最小位移 和位移范围，根据平均位移计算所需阻尼，再根据所需阻尼计算励磁线圈18所需功率，从 而改变线圈中的电流大小，改变线圈产生的磁场大小，改变磁流变液的粘度，改变阻尼力； 钻井扭矩经过涡轮发电机保护外壳7、传感控制器模块外壳9、阀门外壳13、弹簧组外壳25、 外壳接头四、扭转轴承外壳30、轴承球31和扭转轴承心轴35从钻杆传递到井下钻头，驱动 钻头钻进；当产生轴向振动时，扭转轴承心轴35带动轴承球31沿着轴承球滚道39向上运 动，碟形弹簧M被压缩而减缓振动冲击，弹簧心轴26则随着扭转轴承心轴35 —起，并带动 线圈心轴14向上运动，从而使下腔室37体积变小，上腔室36体积变大，磁流变液则通过阻 尼通道38从下腔室37流到上腔室36，在线圈产生的磁场作用下产生阻尼力，将振动衰减； 同时扭转轴承5还能将扭转振动转化为轴向振动，使其进一步被传递、缓冲和衰减。
权利要求
1.一种磁流变智能钻井减振器，主要由涡轮发电机模块(1)、传感控制器模块O)、磁 流变阀门(3)、弹簧组⑷和扭转轴承(5)构成，其特征在于所述涡轮发电机模块(1)、传 感控制器模块O)、磁流变阀门(3)、弹簧组(4)和扭转轴承( 依次相连接；所述传感控制 器模块(6)的内部安装传感控制器(12)，传感控制器模块外壳(9)上端和下端分别攻有母 扣，上端母扣连接涡轮发电机保护外壳(8)，下端母扣连接阀门外壳(13)。
2.根据权利要求1所述的磁流变智能钻井减振器，其特征在于磁流变阀门(3)的阀 门外壳(13)上端连接传感控制器模块外壳(9)，下端连接弹簧组外壳(25)，内部安装有线 圈心轴(14)，线圈心轴(14)内部加工有贯通孔，线圈心轴(14)外表面中部安装有补偿活塞 (15)，线圈心轴(14)外表面下部绕有励磁线圈(18)。
3.根据权利要求1所述的磁流变智能钻井减振器，其特征在于扭转轴承(5)的内部 有轴承球滚道(39)，轴承球滚道(39)由扭转轴承外壳(30)内表面半圆形螺旋滚道和扭转 轴承心轴(3 外表面半圆形螺旋滚道配合形成，轴承球滚道(39)内安置轴承球(31)，扭转 轴承外壳(30)两端攻有母扣，扭转轴承心轴(3 两端攻有公扣，内部加工有贯通孔。
全文摘要
本发明涉及用于石油、天然气和地质钻井的特殊井下工具，一种磁流变智能钻井减振器。它由涡轮发电机模块、传感控制器模块、磁流变阀门、弹簧组和扭转轴承构成，所述涡轮发电机模块、传感控制器模块、磁流变阀门、弹簧组和扭转轴承依次相连接；传感控制器模块内部安置传感控制器；磁流变阀门内部安装有线圈心轴，线圈心轴上环形凹槽内缠绕励磁线圈，线圈心轴与补偿活塞、线圈心轴衬套、阀门套筒共同形成上下腔室；磁流变液密封在上下腔室里，通过阻尼通道在上下腔室之间流动；扭转轴承内部有轴承球滚道，轴承球安置在轴承球滚道中。本发明可进行实时控制，减振效果好，能延长钻头寿命，提高钻井速度。
文档编号F16F15/03GK102140893SQ20111008866
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者刘少胡, 祝效华, 童华, 赖春林 申请人:西南石油大学