直井隨鉆測斜磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器研究*

伊 明 張 磊 李富強(qiáng) 李 明 云 濤 劉宸希 湯歷平

(1.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司準(zhǔn)東鉆井公司 3.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司克拉瑪依鉆井公司 4.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引 言

油氣鉆井中常用隨鉆測量系統(tǒng)(MWD)和直井測斜儀等設(shè)備來獲取井下壓力、溫度及傾斜角等參數(shù)[1]，并將采集到的各種井下參數(shù)傳送至地面，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的鉆進(jìn)監(jiān)測和及時(shí)的參數(shù)優(yōu)化。信號傳輸是隨鉆測斜的關(guān)鍵技術(shù)之一，常見的隨鉆信號傳輸方式主要包括：有線傳輸、聲波傳輸、電磁波傳輸及鉆井液壓力脈沖傳輸[2]。上述傳輸方式中，鉆井液壓力脈沖傳輸因無需絕緣電纜和特殊鉆桿，并且具有信號傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。鉆井液壓力脈沖的核心是脈沖發(fā)生器，分為正脈沖發(fā)生器、負(fù)脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖發(fā)生器3種類型[3-5]。近年來，各類鉆井液壓力脈沖發(fā)生器在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。

鉆井液負(fù)壓力脈沖發(fā)生器相較于連續(xù)波脈沖發(fā)生器及正脈沖發(fā)生器具有低功耗、不易出現(xiàn)信號失真的優(yōu)點(diǎn)[6-8]，在保證信號穩(wěn)定傳輸?shù)幕A(chǔ)上能延長井下作業(yè)時(shí)間。但是，負(fù)壓力脈沖發(fā)生器也存在不足，表現(xiàn)在：其閥頭的運(yùn)動(dòng)控制難度高且控制響應(yīng)速度存在延遲。王鵬等[9]采用電機(jī)伺服系統(tǒng)對連續(xù)波脈沖發(fā)生器閥頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了井下連續(xù)波脈沖信號的產(chǎn)生和傳輸。王寶仁等[10]將電磁閥與液壓閥組合，實(shí)現(xiàn)了對正脈沖發(fā)生器閥頭的運(yùn)動(dòng)控制。然而，在負(fù)脈沖發(fā)生器閥頭控制方面，既要保證能產(chǎn)生負(fù)脈沖壓力信號，又要實(shí)現(xiàn)低功耗、低延遲、高精度的脈沖發(fā)生器及相關(guān)研究較少?；谶@一背景，筆者研發(fā)了一種用于隨鉆測斜的磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器，并基于ANSYS Electronics軟件對作用于磁流變液的電磁場發(fā)生器周圍磁場分布特性開展研究，以期為低功耗、低延遲、高精度的鉆井液負(fù)壓力脈沖發(fā)生器的開發(fā)提供理論支撐。

1 負(fù)脈沖發(fā)生器工作原理

1.1 磁流變液性質(zhì)及作用

磁流變液由高磁導(dǎo)率微米級的軟磁材料與非磁性基液和添加劑混合而成[11]。磁流變液在無磁場時(shí)呈現(xiàn)低黏度的牛頓流體特性，在外加磁場時(shí)則呈現(xiàn)為高黏度、低流動(dòng)性的賓漢流體特性，液體的黏度大小與外加磁場的磁通量大小相關(guān)，這種效應(yīng)也被稱為磁流變效應(yīng)[12]。磁流變液的形態(tài)轉(zhuǎn)換耗能低、響應(yīng)快(毫秒級)、易于控制。

采用電磁場發(fā)生器來產(chǎn)生外加磁場作用于磁流變液，可以通過對電磁場的控制實(shí)現(xiàn)對磁流變液狀態(tài)的控制，從而控制鉆井液負(fù)壓力脈沖發(fā)生器閥頭的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)對隨鉆測斜工具所測得的井下數(shù)據(jù)的傳輸。整套控制系統(tǒng)具有低延遲、易控制、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)及工作模式

磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器主要包括脈沖發(fā)生器閥頭組件、磁流變液腔室、鉆井液壓力平衡腔室、電磁場發(fā)生器、電路骨架和電池總成。磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。

脈沖發(fā)生器閥頭組件懸掛于鉆鋌內(nèi)部，鉆井液由脈沖發(fā)生器閥頭組件上部導(dǎo)流閥進(jìn)入，經(jīng)過閥頭后沿磁流變液腔室及其之下所有零件的外殼體與鉆鋌內(nèi)表面所組成的環(huán)空中流動(dòng)。磁流變液腔室中充滿了磁流變液，電磁場發(fā)生器完全浸泡在磁流變液中并通過絕緣電線與電路骨架上的電路控制裝置連接。電路控制裝置由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。電池總成作為供能裝置給電路骨架上的單片機(jī)處理器供電，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。鉆井液壓力平衡腔室中充滿了鉆鋌內(nèi)部的鉆井液，腔室中設(shè)有無磁彈簧，用于在閥頭回縮運(yùn)動(dòng)時(shí)使磁流變液腔室內(nèi)的壓力與鉆井液壓力平衡腔室內(nèi)的壓力平衡，確保閥頭在鉆井液壓力下能順利回縮。

磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器的工作模式有正常鉆井狀態(tài)、井下數(shù)據(jù)測量狀態(tài)和負(fù)脈沖壓力信號產(chǎn)生狀態(tài)。3種工作模式下負(fù)脈沖發(fā)生器內(nèi)部關(guān)鍵工作元件狀態(tài)示意圖如圖2所示。正常鉆井狀態(tài)時(shí)，磁場發(fā)生器不產(chǎn)生磁場，磁流變液呈現(xiàn)低黏度牛頓流體特性，受地面鉆井泵泵壓影響，閥頭受到鉆井液壓力較大并回縮，鉆井液壓力平衡腔室內(nèi)彈簧與磁流變液腔室內(nèi)彈簧壓縮，實(shí)現(xiàn)工具內(nèi)壓力的平衡。井下數(shù)據(jù)測量狀態(tài)時(shí)，磁場發(fā)生器依然不產(chǎn)生磁場，磁流變液仍呈現(xiàn)低黏度的牛頓流體狀態(tài)，關(guān)停地面鉆井泵后鉆井液壓力減小，閥頭在恢復(fù)力作用下返回初始位置，隨鉆測斜裝置內(nèi)部的傳感器(井斜角傳感器、溫度傳感器及壓力傳感器等)開始測量井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，磁場發(fā)生器開始產(chǎn)生磁場，磁流變液由低黏度的牛頓流體瞬間變?yōu)楦唣ざ取⒌土鲃?dòng)性的賓漢流體。負(fù)脈沖壓力信號產(chǎn)生狀態(tài)時(shí)，開啟地面鉆井泵后鉆井液壓力增大，電路骨架上的單片機(jī)依據(jù)所測井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制電磁場發(fā)生器有規(guī)律地通電或斷電的時(shí)間間隔，引起磁流變液的狀態(tài)在低黏度的牛頓流體和高黏度、低流動(dòng)性的賓漢流體之間迅速切換。閥頭受到鉆井液沖擊時(shí)，如果磁流變液處于牛頓流體狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)回縮運(yùn)動(dòng)，而處于賓漢流體狀態(tài)閥頭不出現(xiàn)回縮運(yùn)動(dòng)。依據(jù)井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對閥頭回縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)規(guī)律控制，引起閥頭表面節(jié)流面積周期性變化，產(chǎn)生鉆井液負(fù)壓力脈沖信號。

圖2 3種工作模式下負(fù)脈沖發(fā)生器內(nèi)部關(guān)鍵工作元件狀態(tài)示意圖Fig.2 State of key working components inside the negative pulse generator under 3 working modes

鉆井液負(fù)壓力脈沖信號包含了所測得的井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此鉆井液負(fù)脈沖壓力信號跟隨鉆井液返回地面。地面的立管壓力總匯讀取鉆井液負(fù)脈沖壓力信號波各個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔，再由下位機(jī)讀取解碼，下降沿之間的時(shí)間間隔是井下數(shù)據(jù)的預(yù)設(shè)倍數(shù)，換算完成后將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)顯示。這些井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可幫助工程師判斷當(dāng)前狀態(tài)，并按需要進(jìn)行方案調(diào)整，從而提高鉆井效率。

2 負(fù)脈沖發(fā)生器模型建立及理論研究

2.1 電磁場發(fā)生器建模

在磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器中，磁流變液作為抑制閥頭回縮運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)，其磁流變效應(yīng)的影響因素與負(fù)脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[13]。剪切屈服應(yīng)力是衡量磁流變液制動(dòng)能力的關(guān)鍵因素，也是抑制閥頭回縮特性的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)磁流變液處于賓漢流體狀態(tài)時(shí)，由賓漢流體的本構(gòu)方程表示其剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，具體如下[14]：

(1)

若磁流變液中磁顆粒達(dá)到完全飽和，在受到剪應(yīng)力作用時(shí)其抗剪應(yīng)力為最大剪切屈服應(yīng)力，Ginder等得到最大剪切屈服應(yīng)力τmax與磁化強(qiáng)度MS的二次方成正比[15]

(2)

式中：τmax為最大剪切屈服應(yīng)力，Pa；a為材料常數(shù)，N/A2；MS為磁化強(qiáng)度，A/m。

結(jié)合式(1)、式(2)可得磁流變液剪切屈服應(yīng)力關(guān)系為：

(3)

式中：BS為磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

由式(3)可知，影響磁流變液剪切屈服應(yīng)力的因素主要有外加磁場強(qiáng)度、基載液零場黏度及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

磁流變液在無磁場時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體特性，此時(shí)黏度稱為零場黏度，其大小與軟磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)α呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢[16]。在顆粒體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，可用Einstein方程[17]表示。如果顆粒體積分?jǐn)?shù)較大，則可以由Vand公式[18]表示：

η=ηf(1+2.5α)

(4)

η=ηfexp[(2.5α+2.7α2)/(1-0.609α)]

(5)

式中：ηf為基載液黏度，Pa·s；α為軟磁顆粒體積分?jǐn)?shù)。

1—閥頭底座；2—無磁彈簧；3—彈簧通孔壓座；4—鉆井液平衡彈簧；5—鉆井液平衡彈簧底座；6—電磁場發(fā)生器；7—無磁外筒。圖3 磁流變液制動(dòng)組結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of magnetorheological fluid brake set

由圖3可知，磁流變液存在于閥頭底座下端和鉆井液平衡彈簧底座上端之間。無磁彈簧、彈簧通孔壓座、電磁場發(fā)生器都完全浸泡于磁流變液之中，電磁場發(fā)生器通過線路槽與電源控制系統(tǒng)連接。為了更好地分析電磁場發(fā)生器在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生磁場的分布情況，選取應(yīng)用于理論計(jì)算的電磁場發(fā)生器部分的結(jié)構(gòu)模型(見圖4)。參考實(shí)際鉆井現(xiàn)場井下工具尺寸，用于隨鉆測斜的磁流變液脈沖發(fā)生器該段內(nèi)徑為40 mm，設(shè)置電磁場發(fā)生器與內(nèi)徑貼合，尺寸為40 mm，高度為50 mm，磁導(dǎo)繞管內(nèi)部流通磁流變液的通道內(nèi)徑為20 mm，磁流變液充分填充于磁導(dǎo)繞管上下表面及內(nèi)部通孔的腔室。其中，殼體材質(zhì)為4340不銹鋼，螺線圈材質(zhì)為銅，磁導(dǎo)繞管材質(zhì)為10號低碳鋼。

圖4 電磁場發(fā)生器部分的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic structure of electromagnetic field generator

為了更好地完成磁流變液的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)有效制動(dòng)，在線圈的選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，采用螺線圈纏繞的方式使得磁場能均勻且密集地分布。線圈線徑為2 mm，螺距為2 mm，研究內(nèi)圓直徑分別為22、23、24、25、26、27及28 mm時(shí)的磁場強(qiáng)度及磁感線分布情況，從而研究線圈與磁流變液之間的壁厚對磁場強(qiáng)度及磁感線分布情況的影響。由于螺距和線徑的限制，在磁導(dǎo)繞管上螺線圈密集纏繞，在模擬時(shí)采用等效截面進(jìn)行處理。

磁流變液采用的是MRF-J25T型[19]，其材料屬性為：密度2.65 g/cm3，零場黏度0.8 Pa·s，最小屈服應(yīng)力50 kPa，磁化性能379.64 kA/m。

2.2 磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器磁場理論研究

依據(jù)磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器中電磁場發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，在螺線圈纏繞的磁導(dǎo)繞管內(nèi)部存在圓柱形狀的腔室以容納磁流變液，磁導(dǎo)繞管的壁厚影響磁流變液內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁感線分布，因此需分析其變化規(guī)律并確定磁導(dǎo)繞管的壁厚。

在磁流變液的建模過程中主要依據(jù)麥克斯韋(Maxwell)方程組，其中還涉及到安培環(huán)路定理及高斯磁通定理[20-22]。在微分形式下的Maxwell方程組為：

(6)

式中：c為與磁流變液材料相關(guān)的常數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，T；ρ為自由電荷體密度，C/m3；E為電場強(qiáng)度矢量，V/m；j為傳導(dǎo)電流密度，A/m2；ε0為介電常數(shù)，C2/(N·m2)；t為時(shí)間，s。

在實(shí)際求解過程中，通常需引入磁矢量勢A，對式(6)簡化處理，同時(shí)定義輔助函數(shù)：

B=?×A

(7)

通過此輔助函數(shù)可求得磁矢量勢A，從而求得磁通密度。將式(7)的輔助函數(shù)代入到安培環(huán)路定理和高斯磁通定理中可得：

目前我國養(yǎng)豬業(yè)的痛點(diǎn)是市場而不是技術(shù)，是數(shù)據(jù)而不是概念，不從育種、品質(zhì)和特色上調(diào)整養(yǎng)豬業(yè)的結(jié)構(gòu)，為消費(fèi)者真正提供風(fēng)味特色的安全豬肉，僅從改善養(yǎng)豬的輔助設(shè)備上下功夫，讓消費(fèi)者感覺似乎“刷臉”的豬就是安全的，并不是真正解決問題的做法。需要注意的是，眼前有些養(yǎng)豬企業(yè)在眾多新概念的影響下盲目拉高硬件水平，將養(yǎng)豬以來多年的積累變成了設(shè)備和設(shè)施，給行業(yè)造成額外的負(fù)擔(dān)。作為傳統(tǒng)行業(yè)，我們既要敢于勇于擁抱互聯(lián)網(wǎng)、高科技，更要善于精于做強(qiáng)行業(yè)自身優(yōu)勢和特點(diǎn)，方能在巨變的時(shí)代大潮中更好更高質(zhì)量地贏得發(fā)展先機(jī)。

(8)

式中：μ為磁導(dǎo)率，H/m；A為磁矢量勢，10-11×Wb/m。

本文求解磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器中電磁場分布時(shí)，所求得的是穩(wěn)定的磁場，因此可以對上述方程的時(shí)間項(xiàng)進(jìn)行省略處理，進(jìn)而得到如下所示的泊松方程[23]：

?2A=-μj

(9)

通過上述分析，本文通過改變磁導(dǎo)繞管的厚度，分析厚度由1.0 mm變?yōu)?.5 mm，步進(jìn)值為0.5 mm時(shí)，在電流一定的情況下研究磁導(dǎo)繞管厚度對磁場分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。在確定了磁導(dǎo)繞管厚度的情況下，再分析磁導(dǎo)繞管上的螺線圈內(nèi)電流對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

3 電磁場發(fā)生器仿真分析

在完成電磁場發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，通過ANSYS Electronics軟件對模型進(jìn)行有限元仿真分析，以期研究其磁場分布。在邊界條件設(shè)置中，定義求解器為Maxwell求解器，設(shè)置磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器中電磁場發(fā)生器各個(gè)零部件的材料參數(shù)，定義激勵(lì)方式為3 A的電流激勵(lì)，設(shè)置完成后進(jìn)行網(wǎng)格剖分并求解，得到磁場分布，如圖5所示。

圖5 電磁場發(fā)生器磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution of electromagnetic field generator

電磁場發(fā)生器內(nèi)部磁場磁感線分布由上至下，為了獲得電流一定情況下磁導(dǎo)繞管厚度對磁場分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，分析了在磁導(dǎo)繞管厚度由1.0 mm變?yōu)?.5 mm時(shí)，磁場分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管不同厚度時(shí)YOZ截面磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.6 Magnetic induction intensity of YOZ section at different thicknesses of magnetic permeance tube of electromagnetic field generator

由圖6可知，隨著電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管的厚度增加，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，在磁導(dǎo)繞管的壁面附近磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的磁流變液也同樣受到較強(qiáng)的磁場作用。但是位于磁導(dǎo)繞管上部和下部的磁流變液部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱，此處磁流變液相較于磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的磁流變液更加不容易發(fā)生磁流變效應(yīng)。由此可知，磁流變液脈沖發(fā)生裝置的電磁場制動(dòng)裝置主要是依靠磁導(dǎo)繞管上的螺線圈產(chǎn)生作用于磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的感應(yīng)磁場來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磁流變液的磁流變效應(yīng)，進(jìn)而控制閥頭的運(yùn)動(dòng)。

為了更為直觀地呈現(xiàn)在磁導(dǎo)繞管不同厚度情況下磁導(dǎo)繞管內(nèi)部電磁場感應(yīng)強(qiáng)度及分布的變化規(guī)律，沿著OZ軸即磁導(dǎo)繞管的中心軸采集有限元仿真數(shù)值，繪制在磁導(dǎo)繞管不同厚度情況下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管不同壁厚情況下OZ軸位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relation between OZ axis displacement and magnetic induction intensity at different wall thicknesses of magnetic permeance tube of electromagnetic field generator

由圖7可知，在磁導(dǎo)繞管內(nèi)部，磁感應(yīng)強(qiáng)度整體分布趨勢隨磁導(dǎo)繞管的壁厚改變并無變化，整體呈現(xiàn)類似于正態(tài)分布，處于磁導(dǎo)繞管中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，處在磁導(dǎo)繞管上下端面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度則很小。隨著磁導(dǎo)繞管壁厚的增加，其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢。當(dāng)磁導(dǎo)繞管壁厚增加至2 mm以后，隨著磁導(dǎo)繞管壁厚繼續(xù)增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的減小量呈現(xiàn)相對固定的趨勢。因此，對于磁導(dǎo)繞管壁厚，影響磁導(dǎo)繞管內(nèi)部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的區(qū)間為0～2 mm，后續(xù)分析中均采用2 mm壁厚的磁導(dǎo)繞管模型。

由上述分析可知，磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器的制動(dòng)性能不僅與磁流變液的零場黏度、基載液黏度和顆粒體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，也與作用于磁流變液的磁場強(qiáng)度有關(guān)。前者可以通過依據(jù)實(shí)際情況選取特定的磁流變液作為工作材料，后者則需要通過改變電磁場發(fā)生器上電流的大小來引起磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。為得到不同電流情況下引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布及變化規(guī)律，分析電磁場發(fā)生器中螺線圈內(nèi)部的電流變化區(qū)間為1.0～3.5 A，步進(jìn)值為0.5 A，通過ANSYS Electronics軟件采用Maxwell求解器對有限元模型進(jìn)行求解。

前文分析已得到在電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度相較于其他部分高，說明在磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器發(fā)揮制動(dòng)性能時(shí)，主要是該部分的電磁場作用于對應(yīng)位置的磁流變液，從而產(chǎn)生磁流變效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的相關(guān)要求。為了研究磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的電磁場感應(yīng)強(qiáng)度分布特性，繪制了YOZ截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布規(guī)律云圖，如圖8所示。

由圖8可知，隨著電磁場發(fā)生器螺線圈的電流由1.0 A增大至3.0 A，作用于磁流變液的電磁場也在不斷增加，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。由圖8a可知電流為1.0 A時(shí)，電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的電磁場感應(yīng)強(qiáng)度極弱，中心線附近的磁場區(qū)域仍然為低強(qiáng)度磁場，在實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度及制動(dòng)性能均不好。由圖8b～圖8d可知，電磁場發(fā)生器磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的電磁場處于中等強(qiáng)度的磁場區(qū)域面積由中間向上、下兩端逐漸擴(kuò)大，最終呈現(xiàn)近似四邊形的中等強(qiáng)度的電磁場區(qū)域。由圖8e～圖8f可知，當(dāng)電流由3.0 A增加至3.5 A時(shí)，電磁場發(fā)生器的磁導(dǎo)繞管壁處的電磁場強(qiáng)度較大，但是對其內(nèi)部區(qū)域的電磁場分布情況影響不大，仍然呈現(xiàn)為近似于四邊形的中等強(qiáng)度的電磁場區(qū)域。

為了更加清晰地呈現(xiàn)在螺線圈電流改變的情況下磁導(dǎo)繞管內(nèi)部電磁場感應(yīng)強(qiáng)度分布及變化規(guī)律，沿OZ軸采集有限元仿真數(shù)值，繪制螺線圈內(nèi)部不同電流情況下沿OZ軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，結(jié)果如圖9所示。

圖9 電磁場發(fā)生器螺線圈電流不同情況下OZ軸位移與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Relation between OZ axis displacement and magnetic induction intensity under different solenoid currents of electromagnetic field generator

由圖9可知，隨著電磁場發(fā)生器螺線圈上電流的不斷增大，電磁場發(fā)生器幾何中心附近的最大電磁場感應(yīng)強(qiáng)度也在不斷增加，且呈現(xiàn)沿OZ軸先增加后減小的趨勢。對于所分析的電流情形，不論電流為多少，都是處于整個(gè)電磁場發(fā)生器幾何中心位置附近的電磁場感應(yīng)強(qiáng)度最大。由此可知，在磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器需要制動(dòng)閥頭時(shí)，處于幾何中心附近的磁流變液受到較高強(qiáng)度的磁場作用，因此這一部分的磁流變液首先產(chǎn)生磁流變效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

為明確不同電流情況下處于幾何中心附近的電磁場感應(yīng)強(qiáng)度變化，繪制了應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集的以幾何中心為原點(diǎn)，磁導(dǎo)繞管內(nèi)徑為半徑的幾何平面，在該平面上隨著半徑增加而導(dǎo)致平面圓周周長不斷增加。研究周長不斷增加情況下，圓周上平均電磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢，以及周長與圓周上平均電磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系，結(jié)果如圖10所示。圖10a中由里到外電流依次為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0及3.5 A。圖10b為圖10a中分布于120°～150°的局部放大圖。圖10c～圖10h分別為電流不同時(shí)分布于120°～150°之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度及變化趨勢，水平線代表0°～360°之間的平均感應(yīng)強(qiáng)度。

圖10 不同電流時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿平面圓周長變化特性Fig.10 Variation of magnetic induction intensity along plane circumference under different currents

由圖10a和圖10b可知，電流由1.0 A增加至3.5 A時(shí)，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度都隨著圓周的不斷增加整體增加趨勢為波動(dòng)式，這表明作用于磁流變液的磁感應(yīng)強(qiáng)度受電磁場產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電場影響。由圖10c～圖10h可知，隨著電流不斷增加，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，這表明針對不同類型磁流變液的制動(dòng)功能，可以通過改變其電流來實(shí)現(xiàn)。在不同電流情況下，其波動(dòng)周期大致相同，與電流頻率有關(guān)。為了提高其穩(wěn)定性，可以優(yōu)選電流頻率從而產(chǎn)生相對穩(wěn)定的磁場，最終實(shí)現(xiàn)有效且穩(wěn)定的制動(dòng)。

4 結(jié)束語

目前隨鉆測量應(yīng)用不斷增多，為高效地獲取鉆進(jìn)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，研制低延遲、低功耗及高精度的脈沖發(fā)生器緊迫且必要。本文將磁流變液應(yīng)用于隨鉆測斜的脈沖發(fā)生器研發(fā)之中。首先將磁流變液運(yùn)用于隨鉆測斜的脈沖發(fā)生器，設(shè)計(jì)了磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器，分析了外加磁場強(qiáng)度、基載液動(dòng)力黏度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁流變液材料參數(shù)和磁導(dǎo)繞管壁厚等參數(shù)對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，確定了易于控制的變量。

在確定磁流變液類型的基礎(chǔ)上，分析了不同磁導(dǎo)繞管壁厚、不同電流強(qiáng)度下磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及磁場的分布情況，通過磁場分布云圖及數(shù)據(jù)分析，確定了磁導(dǎo)繞管壁厚及電流強(qiáng)度對磁場分布及電磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。