专利名称：电磁线圈装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁线圈装置。
电磁线圈用于许多需要遥控阀门和其他可动元件的场合，一种这样的场合是石油工业中的井下监测系统，即检测油井中的温度、压力等的情况且将结果传送到地面上;传送可以是通过在钻探流体输送系统中输入一个或一系列压力脉冲信号来开启和关闭阀门，以从其正常的通路上导引钻探流体，该阀门由电磁线圈操纵。
由于阀门必须处于开启和关闭两种状态，所以现有的一些系统包括双向作用电磁线圈装置，其中第一电磁线圈控制衔铁在一个方向上运动，第二电磁线圈使其在相反方向上运动，这意味着该装置的尺寸一定很大，难以很好地适合井下部件。阀门的开启速度很重要，因此电磁线圈必须产生大的作用力。
另外，在开启和关闭阀门时，电磁线圈装置的可靠操纵使对井下电池电源有很高的要求。
根据本发明，提供一种电磁线圈装置，它包括一具有与第一磁轭的相应平端面相配合的平端面的第一衔铁和一具有与第二磁轭的大致互补的、非平面端面相配合的非平面端面的第二衔铁，第一和第二衔铁安装在共同的轴上且可分别移向和移离第一和第二磁轭，所述第一和第二磁轭各具有一与其相连的通电线圈，轴可在第一位置和第二位置之间运动，第一位置是所述第一衔铁通过第一距离与所述第一磁轭隔开且所述第二衔铁通过小于所述第一距离的第二距离与所述第二磁轭隔开时的位置，第二位置是所述第一衔铁与所述第一磁轭相配合时的位置。
第二衔铁和第二磁轭的非平面端面最好紧密相配合，例如可以是阶梯或圆锥形形状。
该装置可以设置在充满油的腔室中，例如当用于井下监测系统中时，在此情况下衔铁与其各自的磁轭吸合和脱开的运动可以受到油相当大的阻力，这样防止衔铁快速运动，这可以通过提供贯穿于衔铁的通道而缓和，通道最好开通到端面，以使油在相对面之间快速移动。
该装置可以与阀门部件连接，以便该装置操纵阀门，这尤其适用于阀门必须快速操纵的井下监测系统，在这样的情况下，该装置最好设置成仅在一个方向上操纵阀门，例如开启阀门，而在相反方向上的运动由弹簧或其他弹性装置实现。
衔铁最好由低阻率材料制成，这样磁轭的断电后使磁轭和衔铁之间的磁吸力减低，代替较快速的作用。
现在结合附图通过举例的方式来描述本发明的实施例，其中
图1(a)、(b)和(c)分别是本发明的装置的第一磁轭的端视图、剖视图和正视图;
图2(a)(b)和(c)分别是该装置的第二磁轭的端视图、剖视图和正视图;
图3(a)和(b)分别是该装置的第一衔铁的端视图和剖视图;
图4(a)和(b)分别是该装置的第二衔铁的端视图和剖视图;
图5是用于安装图1至4中的磁轭和衔铁的轴的正视6是该装置一部分的示意剖视图，显示衔铁在中心轴上的布置;
图7是包括该实施例的电磁线圈装置的井下装置的部件分解图;和图8是在阀处于开启阶段时流过第二衔铁的电流与时间的曲线图;
参见附图，设计本发明该实施例的装置是用于在油井的井下操纵一个阀门，以将信号从监测系统通过钻探流体循环系统传送到地面。
装置包括一般为具有中心轴孔4的圆柱形第一磁轭2(图1)，该磁轭具有向一端向内成阶梯的外壁，它有轴肩5，用于放置止于小直径部分6的第一线圈(图6中的52)。在磁轭2中设置有油通道8，端面10是平面且垂直于磁轭的主轴。
第二磁轭12(图2)也是为具有通孔14的圆柱形状，且具有垂直于磁轭12的主轴的平端面16，轴肩17用于放置第二线圈(图6中的53)。
第一衔铁18(图3)一般为具有通孔的圆柱形状，通孔20的直径从中部26到端部成阶梯形式增加，在端部形成端面24是平面的凹凸部22，油通道28从端面24延伸贯穿衔铁18，且在外圆柱形壁上形成油槽30。第一磁轭2和第一衔铁18的阶梯端部提供互补的、非平面的端面。
第二衔铁32(图4)是圆柱形的且具有在36处制有内螺纹的不完全孔34，油通道38从平端面38延伸贯穿衔铁32。
图5显示用于放置如图6中所示的磁轭2、12和衔铁18、32的阶梯轴40。第二衔铁32通过其螺纹36与轴40上的相应的外螺纹42配合，这样第二衔铁32在轴40的一端定位。第一衔铁18套在轴40的较小直径部分44上，且可在其上轴向滑动，通过轴肩46在一个方向上限制衔铁18的运动。轴40的相对于具有螺纹42的一端的端部48也具有螺纹50，用于连接阀门部件(70，在图6中用虚线示意表示的)，该阀门部件用于开启和关闭钻探流体的通道。
如图6所示，一端具有第二衔铁32的轴40延伸穿过第一磁轭2的中心孔。第二磁轭12嵌入第一磁轭2的圆柱形开口端，封住安装在第二磁轭12和第二衔铁32上的第二线圈53。衬套54设置在第一磁轭2的中心孔内，它包括限制第二衔铁32向右(从图中看)运动的垫圈部分55，这样确定了第二磁轭12和衔铁32的相对端面之间的间隙。
类似于第一磁轭2的套筒部件56与第一磁轭2远离第二磁轭12的一端相嵌合，以封住第一线圈52和第一衔铁18。另一衬套58设置在形成于套筒部分56外端的孔60中，衬套58也包括限制第一衔铁18向右运动的垫圈部分59。
还有一些衬套62、64设置在第一衔铁18的中心孔的两端，圆柱形黄铜套筒66、68设置在线圈52和53的内表面上。
现在主要结合图6来描述该装置的工作情况。
线圈52、53用电线连接到34伏的井下电源单元上(图中未画出)，在轴40的螺纹50上的阀门部件70通常由相当大的弹簧72或作用在轴/衔铁装置40、18、32的其他偏移装置所关闭。电磁线圈装置与井下的“钻探时测量”监测系统的输出端相连且由其产生的信号操纵。
磁轭2、12和套筒部分56限定围住轴40和衔铁18、32的一个壳体，轴自由地穿过第一磁轭2的孔20。第二磁轭12设置在轴40的邻近第二衔铁32的一端外，其平面16与衔铁32的平面38相对。第一磁轭2的端面6与第一衔铁18的相应端面24之间的间距稍小于第二磁轭12和第二衔铁32的相应端面16、38之间的间距。
在操纵时，电源使线圈52、53通电，导致衔铁18、32运动，第一磁轭2和第一衔铁18的相邻端面的非平面的形式导致在它们之间产生比第二磁轭12和第二衔铁32之间更大的力，这尤其是当它们互相间隔如操纵前一样时更是如此。因此，第一衔铁18以方向A向第一磁轭2运动，借助相对轴肩46的作用，使轴40和第二衔铁以相同方向运动，直到第一衔铁18的端面24靠在第一磁轭2的端面6上。在这时，第二衔铁32与第二磁轭12之间仍略有间隙(约0.030英寸)，由于该小间隙，可以维持完全的开启力，来自电源的连续电流使第二磁轭12持续吸引第二衔铁32，由此第二衔铁32和轴40在方向A上进一步运动，直至其端面16、38接合为止，在方向A上的这种运动与弹簧72的作用相反，阀门完全开启。第二衔铁32和轴40的最后运动使轴肩46与第一衔铁18脱离配合。
主要是由于相配的平端面16、18，使维持阀门处于该完全开启的位置所需要的动力大大小于轴40和衔铁18、32运动时所需的动力;第一磁轭2和第一衔铁18的阶梯状结构在驱动该装置开启阀门时具有较高的功能效率，而在维持阀门开启时较低。由于与轴肩脱离配合，阶梯形衔铁在维持阀门开启中不起作用，第一线圈52中的电流被切断。
相应于来自监测系统的连续信号，阀门保持开启状态，当第二磁轭12和第二衔铁32配合时所需的功率仅为80mA的数量级。为了精确反映来自监测系统的信号，该装置的开动和运动非常迅速(从电流开始供给起算为20毫秒的数量级)，可以看到衔铁18、32和第一磁轭2的油通道8、28、38和第二磁轭12的通孔14的设置对于允许油从各个磁轭和衔铁的配合面之间的快速流动是非常重要的。
构成磁轭和衔铁的材料是相当低阻率的铁，这种铁具有能在其中产生涡流电流的好处，而且该涡流电流维持磁通量在电源断开后仅慢缓减少，当阀门维持开启状态时对于节省能量是有用的，因为电源可以设计成将有规律的电流脉冲提供给磁轭，以代替恒定的电流;在脉冲之间，由于涡流电流足够高，所以能维持第二磁轭12和第二衔铁32的磁吸引，以克服弹簧的作用使阀门处于开启状态，如图7所描述。
当阀门关闭时，监测系统将一个相当的信号传送给电源，然后电源断开，在受控制的且一致的延迟(由涡流电流的作用所产生的)后，第二磁轭12和第二衔铁32之间的吸引力降低到一定的程度，这时弹簧72使该装置退回到其初始位置，关闭阀门。
一个不需要来自电磁线圈的附加力而关闭阀门的足够强度的强力弹簧和结构的、尤其是第二磁轭12和第二衔铁32的低阻率材料的组合使电源关断和阀门关闭之间的延迟接近一致，这样，该延迟能够精确地包括在地面上的钻探流体压力的检测系统中。
因此，本发明的该实施力提供一种在井下监测装置中开启、维持开启状态和关闭阀门的高效能装置，它允许仅在一个方向上用电磁线圈操纵阀门，而在相反方向上用没有能量损耗的弹簧操纵阀门。
电磁线圈被包括在图7所示的井下装置中，其中脉冲发生器(pulser sub)50具有泥浆脉冲发生部件(mud pulser unit)52，与脉冲发生器50螺纹连接的套管54装有电磁线圈驱动电容器56、电源58和包括井孔方向和温度传感器和其相连的电子线路的监测系统66。下部64和钻头62连接在套管54的下端。
再参见图6，可以看到该装置通过将另外的磁轭和衔铁附加到第一衔铁18的右侧可以得到改变。轴40将伸长，类似于第一磁轭2的另外磁轭和类似于第一衔铁18的另外衔铁(连同另外的线圈、衬套和套筒)插在第一磁轭2和套筒部分56之间，每个附加的衔铁具有一形成在轴40上的相应的轴肩。每个磁轭和衔铁之间的间隙可以变化(例如，通过使每个后继的磁轭和衔铁之间的距离略小于前一组的距离)，使该装置的特性有律可循。每个磁轭/衔铁组的相对的非平面的表面的结构形状也可以变化。
在不脱离本发明的范围内可以作出多种变化和改进。
权利要求
1.一种电磁线圈装置，它包括具有与一第一磁轭的相应平端面相配合的平端面的一第一衔铁和具有与一第二磁轭的大致互补的、非平面的端面相配合的非平面的端面的一第二衔铁，第一和第二衔铁安装在一共同的轴上且可分别移向和移离第一和第二磁轭，所述第一和第二磁轭各具有一与其连的一电气线圈，轴可在第一位置和第二位置之间运动，第一位置所述第一衔铁通过第一距离与所述第一磁轭隔开且的所述第二衔铁通过小于所述第一距离的第二距离与所述第二磁轭隔开时的位置，第二位置是所述第一衔铁与所述第一磁轭相配合时的位置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二衔铁和第二磁轭的所述非平面端面是紧密配合的。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非平面端面具有一互补的阶梯形结构。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述非平面端面具有一互补的部分圆锥形结构。
5.如权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁轭和衔铁由低阻率的材料制成。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一和第二磁轭、第一和第二衔铁和所述轴全部沿共同的轴线设置，所述第一和第二磁轭沿所述轴线隔开且所述轴延伸穿过形成在所述第二磁轭上的轴向通孔，所述第一衔铁安装到所述第一和第二磁轭中间的所述轴上，所述第二衔铁设置在靠近所述第二磁轭、在所述第一衔铁相对侧的所述轴上。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述第一和第二磁轭通过一套筒互相连接，所述套筒确定围住所述轴线和封住所述第一衔铁和所述第一线圈的一腔室，且一另外的套筒部分封住所述第二衔铁和所述第二线圈。
8.如权利要求6和7所述的装置，其特征在于，所述轴包括由所述第二衔铁可相配的一轴肩，这样所述第二衔铁在第一轴向上向所述第二磁轭的运动使所述轴产生相应的轴向运动。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述轴可在第一位置和第二位置之间轴向运动，第一位置是所述第一衔铁与所述第一磁轭轴向间隔第一距离且所述第二衔铁与所述第二磁轭轴向间隔第二距离，所述第二距离小于所述第一距离，第二位置是第一衔铁的所述平端面与第二衔铁的所述平端面相配合，所述轴通过偏置装置向所述第一位置偏移。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，线圈的通电使所述第二衔铁在所述第一轴向上运动，直到其所述非平面的端面与所述第二磁轭的互补非平面的端面相配合，由此迫使所述轴在所述第一轴向上移至所述第一和第二位置中间的位置，接着轴由第一磁轭和第一衔铁的平端面之间的吸引力移至所述第二位置。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，通过将周期的电流脉冲供给第一线圈使所述轴保持在所述第二位置上。
12.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，该装置封在一腔室内且通道延伸贯穿所述衔铁，以相应于腔室内的衔铁的运动使流体从其一侧快速流至另一侧。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，第一磁轭也具有流体流动通道。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于，第二磁轭也具有流体流动通道。
15.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述轴远离所述磁轭和衔铁的一端，可操作地与阀门的一操纵部件相连。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，线圈通电使所述操纵部件从第一位置移到第二位置。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，在使该装置断电后，所述操纵部件由偏置装置回到其第一位置。
18.如前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，具有互补的、非平面的、相对端面的至少一第三磁轭和一第三衔铁沿轴的所述轴线设置，在其远离所述第二磁轭的一侧与所述第二磁轭隔开。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第三磁轭和所述第三衔铁的相对端面以及任何另外磁轭和衔铁的相对端面之间的距离小于每个前一磁轭和衔铁的相对端面之间的距离。
20.一种包括如前述任一权利要求所述的电磁线圈装置的井下设备。
21.一种基本上如结合附图所述的电磁线圈装置。
22.一种基本上如结合附图所述的井下设备。
全文摘要
一种井下设备中、用于操纵阀门或类似装置的电磁线圈装置包括第一磁轭、线圈和衔铁和第二磁轭、线圈和衔铁，第二衔铁装在轴上且具有与第二磁轭的平端面间隔第二距离的平端面，第一衔铁可在轴上滑动且具有与第一磁轭的互补的、非平面端面间隔小于第二距离的第一距离的非平面端面，线圈通电使第一衔铁向第一磁轭移动直到互相配合为止，由此与轴的轴肩相配合且使第二衔铁向第二磁轭移动，接着第二衔铁在其平端面之间的吸力作用下与第二磁轭配合。
文档编号H01F7/16GK1056765SQ9110086
公开日1991年12月4日 申请日期1991年2月7日 优先权日1990年2月9日
发明者奈特·约翰·亨利, 弗雷泽·西蒙·本尼迪克特, 普兰·肯尼思·亚历山大·罗伯逊 申请人:吉沃林克有限公司