伊 明 張 磊 李富強(qiáng) 李 明 云 濤 劉宸希 湯歷平

(1.中國(guó)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(guó)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(guó)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(cè)量系統(tǒng)(MWD)和直井測(cè)斜儀等設(shè)備來(lái)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(cè)和及時(shí)的參數(shù)優(yōu)化。信號(hào)傳輸是隨鉆測(cè)斜的關(guān)鍵技術(shù)之一，常見(jiàn)的隨鉆信號(hào)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(wú)需絕緣電纜和特殊鉆桿，并且具有信號(hào)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(lèi)型[3-5]。近年來(lái)，各類(lèi)鉆井液壓力脈沖發(fā)生器在國(guó)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(hào)失真的優(yōu)點(diǎn)[6-8]，在保證信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)幕A(chǔ)上能延長(zhǎng)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)，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。基于這一背景，筆者研發(fā)了一種用于隨鉆測(cè)斜的磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器，并基于ANSYS Electronics軟件對(duì)作用于磁流變液的電磁場(chǎng)發(fā)生器周?chē)艌?chǎng)分布特性開(kāi)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(kāi)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(jí)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(wú)磁場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)低黏度的牛頓流體特性，在外加磁場(chǎng)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(chǎng)的磁通量大小相關(guān)，這種效應(yīng)也被稱(chēng)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(jí))、易于控制。

采用電磁場(chǎng)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生外加磁場(chǎng)作用于磁流變液，可以通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)隨鉆測(cè)斜工具所測(cè)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)發(fā)生器完全浸泡在磁流變液中并通過(guò)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(wú)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(cè)量狀態(tài)和負(fù)脈沖壓力信號(hào)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(chǎng)發(fā)生器不產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(cè)量狀態(tài)時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生器依然不產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(cè)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(kāi)始測(cè)量井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，磁場(chǎng)發(fā)生器開(kāi)始產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁流變液由低黏度的牛頓流體瞬間變?yōu)楦唣ざ?、低流?dòng)性的賓漢流體。負(fù)脈沖壓力信號(hào)產(chǎn)生狀態(tài)時(shí)，開(kāi)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(cè)井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制電磁場(chǎng)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(duì)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(hào)。

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(hào)包含了所測(cè)得的井下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此鉆井液負(fù)脈沖壓力信號(hào)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(hào)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度、基載液零場(chǎng)黏度及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

磁流變液在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)呈現(xiàn)牛頓流體特性，此時(shí)黏度稱(chēng)為零場(chǎng)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(shì)[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(wú)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(chǎng)發(fā)生器；7—無(wú)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(wú)磁彈簧、彈簧通孔壓座、電磁場(chǎng)發(fā)生器都完全浸泡于磁流變液之中，電磁場(chǎng)發(fā)生器通過(guò)線路槽與電源控制系統(tǒng)連接。為了更好地分析電磁場(chǎng)發(fā)生器在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布情況，選取應(yīng)用于理論計(jì)算的電磁場(chǎng)發(fā)生器部分的結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖4)。參考實(shí)際鉆井現(xiàn)場(chǎng)井下工具尺寸，用于隨鉆測(cè)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(chǎng)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(hào)低碳鋼。

圖4 電磁場(chǎng)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(chǎng)能均勻且密集地分布。線圈線徑為2 mm，螺距為2 mm，研究?jī)?nèi)圓直徑分別為22、23、24、25、26、27及28 mm時(shí)的磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)理論研究

依據(jù)磁流變液式負(fù)脈沖發(fā)生器中電磁場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(guò)程中，通常需引入磁矢量勢(shì)A，對(duì)式(6)簡(jiǎn)化處理，同時(shí)定義輔助函數(shù)：

B=?×A

(7)

通過(guò)此輔助函數(shù)可求得磁矢量勢(shì)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(guó)養(yǎng)豬業(yè)的痛點(diǎn)是市場(chǎng)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(jué)似乎“刷臉”的豬就是安全的，并不是真正解決問(wèn)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(lái)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(shì)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(shì)，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(chǎng)分布時(shí)，所求得的是穩(wěn)定的磁場(chǎng)，因此可以對(duì)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(guò)上述分析，本文通過(guò)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(duì)磁場(chǎng)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(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。

3 電磁場(chǎng)發(fā)生器仿真分析

在完成電磁場(chǎng)發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，通過(guò)ANSYS Electronics軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元仿真分析，以期研究其磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布，如圖5所示。

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

電磁場(chǎng)發(fā)生器內(nèi)部磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(shì)，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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(shì)隨磁導(dǎo)繞管的壁厚改變并無(wú)變化，整體呈現(xiàn)類(lèi)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(zhǎng)趨勢(shì)。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(duì)固定的趨勢(shì)。因此，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。前者可以通過(guò)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(guò)改變電磁場(chǎng)發(fā)生器上電流的大小來(lái)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(chǎng)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(guò)ANSYS Electronics軟件采用Maxwell求解器對(duì)有限元模型進(jìn)行求解。

前文分析已得到在電磁場(chǎng)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(shuō)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(chǎng)作用于對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)也在不斷增加，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。由圖8a可知電流為1.0 A時(shí)，電磁場(chǎng)發(fā)生器磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的電磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度極弱，中心線附近的磁場(chǎng)區(qū)域仍然為低強(qiáng)度磁場(chǎng)，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(chǎng)發(fā)生器磁導(dǎo)繞管內(nèi)部的電磁場(chǎng)處于中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)發(fā)生器的磁導(dǎo)繞管壁處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，但是對(duì)其內(nèi)部區(qū)域的電磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)發(fā)生器螺線圈上電流的不斷增大，電磁場(chǎng)發(fā)生器幾何中心附近的最大電磁場(chǎng)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(shì)。對(duì)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(chǎng)發(fā)生器幾何中心位置附近的電磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)不斷增加。研究周長(zhǎng)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(shì)，以及周長(zhǎng)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(shì)，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(zhǎng)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(shì)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(chǎng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電場(chǎng)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(shì)，這表明針對(duì)不同類(lèi)型磁流變液的制動(dòng)功能，可以通過(guò)改變其電流來(lái)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?xún)?yōu)選電流頻率從而產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)有效且穩(wěn)定的制動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前隨鉆測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(duì)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(lèi)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(chǎng)的分布情況，通過(guò)磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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)。