用于使用磁流变阻尼器衰减钻柱中的振动的系统和方法

摘要

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。

说明书

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 Drill  String 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 Method  For 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 Materials  For 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LVDT 110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I_E，并且将其与在先前测量中获得的电流值I_L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 I_E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I_E至最后电流I_L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M_L和I_L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M_E是否已经超过值M_REV，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M_REV，和如 果电流降低，就为小于M_REV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 of  Technology,Sydney,1994年7月，在他的论文“Numerical Modelling Of  Magnetic Materials For Computer Aided Design Of Electromagnetic  Devices,”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M_D是否大于、小于或等于被施加至线圈的现有电流I_E导致的 现有磁场M_E。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M_E和期望磁化强度M_D之 间的变化方向，选择电流增量I_i。特别地，将I_i设置在处于现有电流I_E和最大电流之间的中间（即，其平均值），现有电流I_E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I_i添加至现有电流I_E，确定测试 电流I_T。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I_T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I_T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I_E至测试电流I_T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I_T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I_T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I_T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I_REV处，来自极限磁滞回环的 Mdown(REV)和Mup(REV)值，电流I_REV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I_E至测试电流I_T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I_E上的增大，在该情况 下，变化极性为正，或者代表现有电流I_E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M_N，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M_N，其中：

c=测试电流。

M_REV=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I_REV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I_REV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M_N是否已经超过 M_REV的值，并且通过如果电流增大，就为大于M_REV，和如果电流减小， 就为小于M_REV，而闭合回环。如果新磁化强度M_N已经超过M_REV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M_N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I_T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I_T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I_T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I_T。在任何情况下，如果测试电流 I_T为正，就如步骤704中所示计算新磁化强度，如果测试电流I_T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I_T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M_N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M_N的值，进入步骤513。在步骤515中， 新增量电流I_i被设置为现有增量电流的一半。步骤516确定新磁化强度 M_N是否大于期望磁化强度M_D。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I_i，确定新测试电流I_T。如果新磁化强度 M_N小于期望磁化强度M_D，就在步骤520中，通过将新增量电流I_i添 加至先前测试电流，确定新测试电流I_T。

步骤522确定新增量电流I_i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I_T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M_D的新电流值I_N就被设为 在步骤518或520中计算的测试电流I_T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M_D，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M_D与能够 通过MR阀获得的最大剩余磁化强度M_RM比较。能够根据极限磁滞回 环区段最大剩余磁化强度M_RM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M_D不大于最大剩余磁化强度M_RM，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I_rem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M_D大于最大剩余磁化强度 M_RM，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M_D必需的“剩余”电流I_rem，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M_D是否大于、小于或等于现有 磁场M_E的确定，现有磁场M_E由被施加给线圈的现有电流I_E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M_E和期望磁化强度M_D之间的变化方向， 选择电流增量I_i。特别地，I_i被设置为处于MR阀的电源能够产生的， 现有电流I_E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I_i添加至现有电流I_E，确定测量 电流I_T。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I_T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I_T处的磁化强度M_N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I_rem， 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I_rem。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I_rem处的磁化强度M_rem的值，以及步骤928 中反映的，处于上述I_T处的磁化强度M_N。

在步骤930，增量电流的值I_i被平分。然后，步骤932确定剩余磁 化强度M_rem的计算值是否大于期望磁化强度M_D。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I_i，确定新测试电流I_T。 如果新磁化强度M_rem不大于期望磁化强度M_D，则在步骤936中，通过 将新增量电流I_i添加至先前测试电流，确定新测试电流I_T。

步骤938确定新增量电流I_i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I_T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I_T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I_rem，并且MR阀在电流I_rem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I_T应为0.88安培，并且随后的剩余电流 I_rem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I_T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I_rem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。