Система внутрискважинного линейного соленоидного исполнительного привода

Система внутрискважинного линейного соленоидного исполнительного привода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка заявляет приоритет по международной заявке № PCT/US2014/072577 под названием “Downhole Solenoid Actuator Drive System”, поданной 29 декабря 2014 и включенной в настоящую заявку посредством ссылки во всем объеме.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Углеводороды, такие как нефть и газ, как правило, добывают из подземных пластов, которые могут быть расположены на суше или в море. Выполнение подземных работ и способы, применяемые для извлечения углеводородов из подземной формации, сложны. Обычно подземные работы предполагают выполнение ряда различных этапов, таких как, например, бурение ствола скважины в требуемом месте расположения скважины, обработку скважины для оптимизации добычи углеводородов и осуществление необходимых этапов для добычи и переработки углеводородов из подземного пласта.

Линейные исполнительные приводы могут использоваться в подземных работах для выполнения различных функций, включая управление клапанами и механическими элементами. В одном из вариантов реализации изобретения линейный исполнительный привод используется для управления гидравлическим клапаном во внутрискважинной телеметрической системе. Гидравлический клапан может изменять направление потока бурового раствора, циркулирующего по скважине, что вызывает колебания давления, посредством которых информация со скважины может быть зашифрована и передана на поверхность. В таких видах применения линейный исполнительный привод работает в жестких условиях, при которых температура, влажность, удары и вибрации делают разработку конструкции исполнительного привода сложной задачей.

Линейные соленоидные исполнительные приводы, являющиеся одним из видов линейных исполнительных приводов и используемые во внутрискважинных телеметрических системах, в основном, дополнительно защищены по отношению к условиям в скважине, но, как правило, являются предметом механических поломок механизма, используемого для возвращения исполнительного привода в начальное положение или усталости материала, вызванной силами действующими при возвращении исполнительного привода в начальное положение. Кроме того, обычные линейные соленоидные исполнительные приводы энергетически неэффективны и подвержены проблемам из-за генерации тепла, частично вследствие низкой энергетической эффективности.

ФИГУРЫ

Некоторые конкретные, приведенные в качестве примера, варианты реализации настоящего изобретения будут понятны частично со ссылкой на следующее описание и сопроводительные графические материалы.

Фиг. 1 является схематическим изображением, демонстрирующим пример системы подземного бурения, соответствующей аспектам настоящего изобретения.

Фиг. 2 является схематическим изображением, демонстрирующим пример телеметрической системы, соответствующей аспектам настоящего изобретения.

Фиг. 3 является схематическим изображением, демонстрирующим пример соленоидного исполнительного привода, соответствующего аспектам настоящего изобретения.

Фиг. 4 является блок-схемой, иллюстрирующей пример взаимосвязи между током и воздушным зазором для генерирования силы в соленоиде в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

Фиг. 5 представлена диаграммой, иллюстрирующей систему линейного исполнительного привода в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

Фиг. 6 является блок-схемой, иллюстрирующей скорость, силу и ток исполнительного привода, генерируемые при использовании приведенной в качестве примера системы внутрискважинного линейного соленоидного исполнительного привода в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

Несмотря на то, что варианты реализации настоящего изобретения были изображены, описаны и изложены посредством ссылки на приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, эти ссылки не ограничивают изобретение, и такое ограничение не подразумевается. Раскрываемый объект изобретения допускает значительную модификацию, изменение и эквиваленты по форме и функции, что будет очевидно для специалистов в данной области техники, которые ознакомятся с данным описанием. Изображенные и описанные варианты реализации настоящего изобретения являются примерами и не ограничивают объем изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В контексте данного описания система обработки информации может содержать любые устройства или совокупность устройств, выполненных с возможностью вычисления, классификации, анализа, передачи, приема, извлечения, создания, ветвления, хранения, отображения, выдачи, обнаружения, регистрации, воспроизведения, обработки или применения любой формы информации, сообщений или данных для целей бизнеса, науки, управления или других целей. Например, система обработки информации может представлять собой персональный компьютер, сетевое устройство хранения данных или любое другое подходящее устройство и может варьироваться по размеру, форме, производительности, функциональности и стоимости. Система обработки информации может содержать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), один или более ресурсов для обработки информации, таких как центральный процессор (ЦП) или аппаратное либо программное логическое средство управления, ПЗУ и/или другие типы энергонезависимого запоминающего устройства. Дополнительные компоненты системы обработки информации могут содержать один или более дисководов, один или более сетевых портов для обмена данными с внешними устройствами, а также различные устройства ввода-вывода (I/O), такие как клавиатура, мышь и видеодисплей. Система обработки информации может также содержать одну или более магистральных шин, выполненных с возможностью обеспечения обмена данными между различными аппаратными компонентами. Она может также содержать один или более модулей сопряжения, выполненных с возможностью передачи одного или более сигналов контроллеру, приводу или подобному устройству.

В контексте данного раскрытия машиночитаемый носитель может включать любые устройства или совокупность устройств, способных хранить данные и/или команды в течение определенного периода времени. Машиночитаемый носитель может включать, например, без ограничения, запоминающий носитель, такой как запоминающее устройство с прямым доступом (например, жесткий диск или гибкий диск), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, накопитель на магнитной ленте), компакт-диск, CD-ROM, DVD, ОЗУ, ПЗУ, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и/или флэш-память; а также средства связи, такие как провода, оптические волокна, микроволны, радиоволны и другие электромагнитные и/или оптические носители; и/или любая комбинация из вышеуказанного.

В данном документе подробно описаны иллюстративные варианты реализации данного изобретения. Для ясности, в настоящем описании могут быть изложены не все особенности фактической реализации. Разумеется, следует иметь в виду, что при разработке любого такого фактического варианта реализации изобретения для достижения конкретных целей реализации предпринимаются многочисленные специфические для реализации решения, которые могут изменяться от одного варианта реализации изобретения к другому. Кроме того, следует иметь в виду, что такой процесс разработки может быть сложным и продолжительным, тем не менее, эта разработка будет рутинным мероприятием для специалистов в данной области техники, использующих преимущества ознакомления с данным описанием.

Для облегчения понимания настоящего изобретения приведены следующие примеры некоторых из вариантов реализации. Приведенные ниже примеры ни в коем случае не следует рассматривать как ограничивающие или определяющие объем настоящего изобретения. Варианты реализации настоящего изобретения могут быть применимы к горизонтальным, вертикальным, отклоненным или другим нелинейным стволам скважины в любом типе подземного пласта. Варианты реализации изобретения могут быть применимы к нагнетательным скважинам, а также добывающим скважинам, включая углеводородные скважины. Варианты реализации могут быть реализованы с использованием инструмента, подходящего для тестирования, извлечения и отбора проб вдоль секций пласта. Варианты реализации могут быть реализованы посредством инструментов, которые, например, могут быть переправлены через канал потока в колонне труб или с использованием проводной линии связи, тросовой проволоки, колонны гибких труб, внутрискважинного робота и т. п. Термин "измерения во время бурения (ИВБ)" является общеиспользуемым при измерениях условий в скважине, относящихся к перемещению и расположению буровой компоновки во время продолжения бурения. Термин "каротаж во время бурения (КВБ)" является общеиспользуемым при подобных операциях, концентрирующихся больше на измерениях параметров пласта. Устройства и способы в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения могут быть применены в одной или большем количестве проводных линий связи (включая проводную линию связи, тросовую проволоку, колонну гибких труб), скважинного робота и операций выполнения измерений во время бурения (ИВБ) и каротажа во время бурения (КВБ).

Термины "соединение", "присоединенный" или "присоединяет", применяемые в данном документе, предназначены для обозначения либо непрямого, либо прямого соединения. Таким образом, если первое устройство присоединяется ко второму устройству, это соединение может выполняться посредством прямого соединения или посредством непрямого механического или электрического присоединения через другие устройства и соединения. Аналогично, в данном документе принято, что термин "соединен с возможностью связи" обозначает прямое либо непрямое соединение с возможностью связи. Такое соединение может представлять собой проводное или беспроводное соединение, такое как, например, Ethernet или LAN. Такие проводные и беспроводные соединения хорошо известны специалистам в данной области техники и поэтому не будут подробно обсуждаться в данном документе. Таким образом, если первое устройство соединено с возможностью связи со вторым устройством, такое соединение может быть осуществлено посредством прямого присоединения или непрямого присоединения через другие устройства и соединения.

Настоящее изобретение в целом относится к бурению скважин и, в частности, к системе внутрискважинного линейного соленоидного исполнительного привода. Как будет подробно описано ниже, примеры описанных здесь систем внутрискважинного линейного соленоидного исполнительного привода могут обеспечивать управление с обратной связью, посредством чего энергия, используемая для приведения в действие исполнительного привода, может более эффективно использоваться и контролироваться, и, в результате, могут минимизироваться механические нагрузки и усталость материала исполнительного привода. В некоторых вариантах реализации изобретения, энергетическая эффективность системы исполнительного привода может быть дополнительно улучшена с помощью конфигурации управления, способствующей перехвату излишней или накопленной энергии в соленоидах исполнительного привода. Хотя система исполнительного привода описана здесь как система линейного исполнительного привода, размещенного во внутрискважинной телеметрической системе, она не ограничивается данными условиями; скорее управление с обратной связью может быть внедрено в другие типы исполнительных приводов, включая вращательные исполнительные приводы и системы исполнительных приводов, которые могут использоваться в других приложениях.

Фиг. 1 является схематическим изображением, иллюстрирующим систему подземного бурения 100, содержащую систему приведения в действие соленоидного исполнительного привода, соответствующую аспектам настоящего изобретения. Система бурения 100 содержит буровую платформу 2, расположенную на поверхности 102. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения поверхность 102 включает верхнюю часть пласта 104, содержащую одну или более породных пластов или слоев 18a-с, и буровая платформа 2 может контактировать с поверхностью 102. В других вариантах реализации изобретения, таких как бурение прибрежного шельфа, поверхность 102 может быть отделена от буровой платформы 2 объемом воды.

Система бурения 100 содержит буровую вышку 4, поддерживаемую буровой платформой 2 и оборудованную талевым блоком 6 для подъема и опускания бурильной колонны 8. Ведущая бурильная труба 10 может поддерживать бурильную колонну 8 по мере её опускания через поворотный стол 12. Буровое долото 14 может быть присоединено к бурильной колонне 8 и приводиться скважинным мотором и/или вращением бурильной колонны 8 поворотным столом 12. При вращении буровое долото 14 создает ствол 16 скважины, проходящий сквозь один или большее количество породных пластов или слоев 18a-с. Насос 20 может прокачивать буровой раствор через питающую трубу 22 в ведущую бурильную трубу 10, далее вниз по трубе через внутреннюю часть бурильной колонны 8, через отверстия в буровом долоте 14, обратно на поверхность через затрубное пространство вокруг бурильной колонны 8 и в емкость для хранения бурового раствора 24. Буровой раствор переносит буровой шлам из ствола 16 скважины в емкость 24 и способствует сохранению целостности ствола 16 скважины.

Буровая система 100 может содержать компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 150, присоединенную к буровой колонне 8 вблизи бурового долота 14. КНБК может содержать различные скважинные измерительные инструменты и датчики, включая элементы КВБ/ИВБ 26. Примеры элементов КВБ/ИВБ 26 включают антенну, датчики, магнитометры, градиометры и т. д. По мере того, как буровое долото проделывает буровую скважину 16 сквозь пласты 18, элементы КВБ/ИВБ 26 могут осуществлять сбор результатов измерений, относящихся к пласту и буровой компоновке.

В некоторых вариантах реализации изобретения данные, полученные элементами КВБ/ИВБ 26, и данные от других скважинных инструментов и элементов могут передаваться на поверхность 102 телеметрической системой 28. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения телеметрическая система 28 размещена в КНБК и соединена с возможностью связи с элементами КВБ/ИВБ 26. Телеметрическая система 28 может передавать данные и результаты измерений от скважинных элементов в виде импульсов давления или волн в растворах, нагнетаемых или циркулирующих через буровую компоновку, таких как буровые растворы, растворы для гидроразрыва и т. д. Импульсы давления могут генерироваться в определенных шаблонах, формах волн или других отображениях данных, примеры которых могут включать двоичное отображение данных, получаемых и декодируемых поверхностным приемником 30. Положительные или негативные импульсы давления могут приниматься поверхностным приемником 30 напрямую или могут приниматься и передаваться посредством сигнальных повторителей 50. Такие сигнальные повторители могут, например, соединяться с бурильной колонной 8 через интервалы, содержать цепи генераторов импульсов жидкости и приемников импульсов жидкости для получения и передачи соответствующих сигналов давления и способствовать передаче высокочастотных сигналов от телеметрической системы 28, которые в противном случае будут ослабляться до того, как достигнут поверхностного приемника 30. Буровая система 100 может дополнительно содержать систему обработки информации 32, расположенную на поверхности 102, соединенной с возможностью связи с поверхностным приемником 30 для получения данных телеметрии от элементов КВБ/ИВБ 26 и обработки данных телеметрии для определения конкретных характеристик пласта 104.

Фиг. 2 является схематическим изображением, демонстрирующим пример варианта реализации телеметрической системы 28, соответствующей аспектам настоящего изобретения. Телеметрическая система 28 может содержать линейный соленоидный исполнительный привод 202 и систему приведения в действие линейного соленоидного исполнительного привода 204, электрически присоединенную с соленоидным исполнительным приводом 202. Линейный соленоидный исполнительный привод 202 и система приведения в действие линейного соленоидного исполнительного привода 204 может быть присоединена к утяжеленной бурильной трубе 206, которая может присоединяться к бурильной колонне 8 в случае, если телеметрическая система 28 располагается в скважине 16. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения исполнительный привод 202 и система приведения в действие 204 располагаются в корпусе 208, присоединенным к внутренней поверхности утяжеленной бурильной трубы 206 и расположенным внутри внутреннего отверстия 210 утяжеленной бурильной трубы 206. Корпус 208 может допускать циркуляцию бурового раствора через внутреннее отверстие 210 через один или большее количество каналов или межтрубных пространств между корпусом 208 и утяжеленной бурильной трубой 206. В других вариантах реализации изобретения одно из: исполнительного привода 202 и системы приведения в действие 204, могут размещаться во внешней трубчатой конструкции утяжеленной бурильной трубы 206 для обеспечения большего потока раствора через отверстие 210. Несмотря на то, что проиллюстрирована одна утяжеленная бурильная труба 206, дополнительно может использоваться множество утяжеленных бурильных труб.

Телеметрическая система 28 может дополнительно содержать источник питания 212, присоединенный к системе приведения в действие 204. Источник питания 212 может содержать батарею конденсаторов, способных сохранять и быстро отдавать большие величины мощности, необходимой для приведения в действие соленоидного исполнительного привода 202. В некоторых вариантах реализации изобретения источник питания 212 может также быть присоединен к источнику энергии (не проиллюстрировано), обеспечивающим энергию, сохраняемую в батарее конденсаторов. Примеры источников энергии содержат блоки батарей или гидроэлектрогенераторы. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения источник питания 212 размещен в корпусе 208 с системой приведения в действие 204, хотя другие варианты размещения также возможны, включая внешние области утяжеленной бурильной трубы 206. Дополнительно, источник питания 212 может быть включен в систему приведения в действие 204.

Система приведения в действие 204 может выборочно соединять один или большее количество соленоидов соленоидного исполнительного привода 202 с источником питания 212, вызывая перемещение исполнительного привода между первым и вторым положениями с возможностью соответствования положениям элемента, присоединенного к соленоидному исполнительному приводу 202. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения соленоидный исполнительный привод 202 присоединен к запорному клапану 214, выполненным с возможностью перемещения между фиксированными положениями внутри камеры 220 в корпусе 208. Эти фиксированные положения могут включать "открытое" положение, в котором запорный клапан 214 дополняет трубопровод для жидкости 216 между внутренним каналом 210 и межтрубным пространством 218, между утяжеленной бурильной трубой 206 и скважиной 16; и "закрытое" положение, в котором запорный клапан 214 блокирует трубопровод для жидкости 216. В случае передвижения запорного клапана 214 в "открытое" положение из "закрытого" положения, буровой раствор, протекающий внутри внутреннего канала 210, может выходить в межтрубное пространство 208, вызывая уменьшение объема бурового раствора внутри внутреннего канала 210 и соответствующее падение давления бурового раствора с возможностью распространения вверх до поверхности по бурильной колонне 8. Напротив, в случае передвижения запорного клапана 214 в "закрытое" положение из "открытого" положения, он может влиять на объем бурового раствора внутри внутреннего канала 210 и, соответственно, увеличивать давление бурового раствора. Соответственно, переключая запорный клапан 214 между “открытым” и “закрытым” положениями, соленоидный исполнительный привод 202 и система приведения в действие 204 могут генерировать импульсы давления бурового раствора, которые используются для передачи данных из забоя на поверхность.

Фиг. 3 является схематическим изображением примера соленоидного исполнительного привода 300, соответствующего аспектам настоящего изобретения. Исполнительный привод 300 может содержать главный якорь 301, по меньшей мере частично расположенный внутри внешнего корпуса 302 и заключенный в магнитную оболочку 309. Как показано, исполнительный привод 300 может содержать линейный исполнительный привод, характеризующийся линейным движением главного якоря 301. Охватывающая магнитная оболочка 309 может содержать "мягкий" магнитный материал, характеризующийся низкой коэрцитивностью, высокой проницаемостью и высокой намагниченностью насыщения, такой, что материалы могут быть намагничены, но не могут оставаться намагниченными. Примеры включают сплавы кобальта и железа и сплавы никеля и железа. Исполнительный привод 300 может дополнительно содержать по меньшей мере два соленоида, использующиеся для движения и удержания якоря 301 в первом и втором аксиальных положениях по отношению к наружному корпусу 302. Якорь 301 может содержать конец 310, по меньшей мере частично пролегающий от корпуса 302, позволяя якорю 301 быть присоединен к движимому элементу, такому как запорный клапан, описанный выше. Движимый элемент затем может перемещаться между фиксированными аксиальными положениями относительно исполнительного привода 300 посредством передвижения якоря 301 внутри корпуса 302.

В проиллюстрированном варианте реализации изобретения исполнительный привод 300 содержит нажимно-вытяжной соленоидный исполнительный привод с возможностью запирания с тремя соленоидами: первым соленоидом 303, вторым соленоидом 304 и третьим соленоидом 305. Третий соленоид 305 может упоминаться как запорный соленоид и может функционировать совместно с запорным якорем 306, пружиной 307, запорными шариками 308 для выборочного механического удержания якоря 301 в первом аксиальном положении внутри корпуса 302, особенно в случае, если исполнительный привод не запитан; в противном случае якорь 301 может свободно перемещаться. В некоторых вариантах реализации изобретения запорные компоненты 305 - 308 могут быть удалены для упрощения конструкции исполнительного привода. Первое аксиальное конечное положение может характеризоваться смещением якоря 301 по направлению ко второму и третьему соленоидам 304/305. Как показано на Фиг. 3, когда якорь 301 находится в первом аксиальном конечном положении, и третий соленоид 305 не запитан, пружина 307 может прижимать запорный якорь 306 по направлению якоря 301 таким образом, что запорный якорь 306 прижимает запорные шарики 308 в углубления в якоре 301 для предотвращения аксиального перемещения якоря 301. В случае, если третий соленоид 305 запитан, он может преодолеть силу пружины, прилагаемую пружиной 307 к запорному якорю 306, передвигая таким образом запорный якорь 306 от якоря 301. Это может вызывать разъединение запорных шариков 308 с якорем и позволить якорю 301 аксиально перемещаться внутри корпуса 302.

Первый и второй соленоиды 303/304 могут содержать катушки, отвечающие за передвижение якоря 301 между первым и вторым аксиальными положениями в случае разъединения запорного якоря 306 и запорных шариков 308. При возбуждении током, первый соленоид 303 может генерировать электромагнитное поле, взаимодействующее с первым участком 301а якоря 301 для приложения силы к якорю 301 по направлению первого соленоида 303. Эта сила может вызывать перемещение якоря 301 во второе аксиальное конечное положение, характеризующееся тем, что якорь 301 смещается в направлении первого соленоида 303. Положение первого участка 301а якоря 301 в исполнительном приводе 300 может характеризоваться расстоянием 320 между первым участком 301а якоря 301 и участком магнитной оболочки 309, близкой к первому соленоиду 301, что может соответствовать "воздушному зазору" между первым участком 301а якоря 301 и участком магнитной оболочки 309, приближенным к первому соленоиду 303. Напротив, в случае возбуждения током, второй соленоид 304 может генерировать электромагнитное поле, взаимодействующее со вторым участком 301б якоря 301 для приложения силы ко второму участку 301б якоря 301 по направлению второго соленоида 304. Положение второго участка 301б якоря 301 в исполнительном приводе 300 может характеризоваться расстоянием 322 между вторым участком 301б якоря 301 и участком магнитной оболочки 309 близкой ко второму соленоиду 304, что может соответствовать "воздушному зазору" между вторым участком 301б якоря 301 и участком магнитной оболочки 309, приближенным ко второму соленоиду 304.

В некоторых вариантах реализации изобретения второе аксиальное конечное положение якоря 301 может соответствовать "открытому" положению движимого элемента, присоединенного к якорю 301, а первое аксиальное конечное положение якоря может соответствовать "закрытому" положению. В этих вариантах реализации изобретения первый соленоид 303 может упоминаться как “нормально открытый” соленоид, отвечающий за смещение движимого элемента, присоединенного к якорю 301, в "открытое" положение, и второй соленоид 304 может упоминаться как “нормально закрытый” соленоид, отвечающий за смещение движимого элемента, присоединенного к якорю 301, в "закрытое" положение. Следует отметить, что запорный соленоид 305 может механически удерживать якорь 301 в первом аксиальном конечном положении или "закрытом" положении в проиллюстрированном варианте реализации изобретения, но может механически удерживать якорь 301 в "открытом" положении в других вариантах реализации изобретения. Подобным образом, функции “открыто” и “закрыто” соленоидов могут изменяться в зависимости от конструкции исполнительного привода 300 и движимого элемента, присоединенного к якорю 301. Дополнительно, конструкция исполнительного привода 300, показанная на Фиг. 3, не подразумевает каких-либо ограничений.

Подача питания на соленоиды 303-305 может включать выборочное присоединение соленоидов 303-305 к источнику питания. В телеметрической системе подача питания на соленоиды 303-305 может требовать сотен Ватт мощности из-за высокого дифференциального падения давления и малых времен приведения в действие, необходимых для импульсной телеметрии. Дифференциальное падение давления может составлять несколько тысяч фунтов на квадратный дюйм (psi) на движимый элемент, присоединенный к соленоидному исполнительному приводу 300, вызывая очень большое механическое трение, требующее большой силы приведения в действие на соленоидах 303-305. Малое время приведения в действие может требовать большой силы приведения в действие для преодоления инерции исполнительного привода в малых временных интервалах. Сила приведения в действие, необходимая на исполнительном приводе 300, положительно коррелируется с потреблением мощности соленоидами 303-305.

Обычные соленоиды не являются энергоэффективными и могут обеспечивать только около 50% преобразования энергии из электрической энергии в механическую силу. Остаток энергии преобразуется в тепло. Более конкретно, соленоиды вынуждены сохранять достаточное количество энергии для генерирования необходимой механической силы, и эта накопленная энергия в основном преобразуется в тепло и утрачивается при деактивации соленоида. Это тепло может повреждать чувствительные электронные компоненты, если не используется вторичная система охлаждения, такая как радиатор, или генерирование тепла не уменьшается ограничением частоты приведения в действие исполнительного привода, что, например, может негативно влиять на ширину полосы пропускания телеметрической системы, содержащей соленоид.

Дополнительно, типичные соленоиды запитываются током, близким к максимальному или максимальным для доступного источника питания, для приведения в действие исполнительного привода с как можно более высокой скоростью и большей силой. Во многих случаях, однако, как это будет подробно описано далее, этот ток является причиной работы соленоида за пределами эффективного рабочего диапазона, обостряя проблемы с теплом и эффективного использования доступной энергии. Генерируемая на отдельном соленоиде сила F может определяться, используя следующее выражение:

где K содержит константу, безразмерный коэффициент для конструкции исполнительного привода; I содержит электрический ток через соленоид; N содержит число витков соленоида; A содержит площадь участка воздушного зазора, перпендикулярного магнитному потоку соленоида; μ₀ содержит проницаемость вакуума; μ_r содержит проницаемость магнита; l содержит длину магнитной цепи соленоида; и x содержит величину воздушного зазора между якорем и магнитной оболочкой и отображает положение якоря. Из переменных, перечисленных выше, все могут быть зафиксированы на основании конструкции исполнительного привода, за исключением относительной проницаемости μ_r, электрического тока I, и величины воздушного зазора x. Относительная проницаемость μ_r магнита негативно обратно пропорциональна току I, так что значение относительной проницаемости μ_r падает до значения 1 в случае, если соленоид насыщен при высоком токе. На основании вышеупомянутого сила F на соленоиде может считаться пропорциональной электрическому току I и обратно пропорциональной величине воздушного зазора x для входного тока на соленоиде, не насыщающем соленоид.

Фиг. 4 является блок-схемой, иллюстрирующей приведенную в качестве примера взаимосвязь между током I и величиной воздушного зазора x для генерирования силы F в соленоиде в соответствии с аспектами настоящего изобретения. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения область между осью x и кривой линией, представляющей максимальную силу для соленоида F_max, отображает желаемый режим работы, в котором входной ток недостаточен для магнитного насыщения соленоида. Максимальная сила для соленоида F_max может содержать постоянное значение, основанное на взаимосвязи между электрическим током I и величиной воздушного зазора x и демонстрирует увеличение тока I, необходимого для генерирования F_max по мере увеличения величины воздушного зазора x. Другие уровни силы (например, F₁, F₂, F₃) являются результатом подобной взаимосвязи между электрическим током I и величиной воздушного зазора x, но с более низким током I. Область выше кривой линии F_max, напротив, отображает насыщение соленоида, при котором относительная проницаемость μ_r падает до значения 1, и сила F ,генерируемая соленоидом, падает до нуля. Обычные соленоидные исполнительные приводы не обладают возможностью управления входным током для обеспечения ненасыщенности соленоида во время использования и, таким образом, часто работают в этой области насыщения в попытке увеличить силу, генерируемую соленоидом.

Более того, обычные соленоидные исполнительные приводы страдают от больших действующих сил, когда якорь контактирует с магнитной оболочкой в первом и втором аксиальных конечных положениях. Это происходит отчасти потому, что соленоиды однонаправлены по силе, то есть, если соленоид приведен в действие для передвижения якоря в другое положение, сила соленоида способна ускорит якорь по направлению к желаемому положению, но не способна затормозить якорь до его контакта с магнитной оболочкой или другой останавливающей поверхностью исполнительного привода. Этот контакт генерирует механические воздействующие сил, которые могут преждевременно повредить якорь и исполнительный привод в целом, особенно во внутрискважинной телеметрической системе, где высокая частота приведения в действие является необходимой.

В соответствии с аспектами настоящего изобретения система линейного соленоидного исполнительного привода с управлением с обратной связью может получать один или большее количество сигналов обратной связи от исполнительного привода и оптимизировать передвижение соленоидного исполнительного привода по меньшей мере частично основываясь на сигналах обратной связи. Такое управление с обратной связью может использоваться для увеличения энергоэффективности соленоидных исполнительных приводов, обеспечивая получение достаточного тока соленоидами для достижения максимальной силы без насыщения соленоидов, что, в свою очередь, может уменьшить энергию, накапливаемую в соленоидах, и привести к уменьшению генерируемого соленоидами тепла. Дополнительно, как будет подробно описано ниже, управление с обратной связью может также разрешать отслеживание положения якоря соленоида в режиме реального времени или в реальном времени, так что движение якоря может быть оптимизировано во избежание воздействия сил посредством управления в режиме реального времени или близком к режиму реального времени, параллельного управления соленоидами. Смягчение действующих сил может контролировать усталость материалов, замедлять механический износ и увеличивать срок службы и надежность соленоидного исполнительного привода.

Фиг. 5 представлена диаграммой, иллюстрирующей систему линейного исполнительного привода 500, содержащую исполнительный привод 300 в соответствии с аспектами настоящего изобретения. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения система линейного исполнительного привода 500 содержит контроллер 502, присоединенный к цепи питания 504. Контроллер 502 может содержать процессор, такой как микропроцессор, микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор (DSP), специализированная интегральная схема (ASIC), или любые другие цифровые или аналоговые схемы, выполненные с возможностью интерпретации и/или выполнения программных команд и/или обработки данных. Цепь питания 504 может содержать источник питания и/или цепь регулировки питания, реагирующую на сигналы управления от контроллера 502. Цепь питания 504 может подавать напряжение и ток на соленоиды 303 - 305 исполнительного привода 300 посредством приводящей в действие цепи 501.

В показанном варианте реализации изобретения приводящая в действие цепь 501 содержит множество переключателей S1-S8, которые могут использоваться для выборочного присоединения соленоидов 303 - 305 исполнительного привода 300 к цепи питания 504 соответственно. Переключатели S1-S8 могут содержать полупроводниковые переключатели, которые могут закрываться при приложении управляющего тока или напряжения. Примеры включают, но не ограничиваются канальными полевыми униполярными МОП-транзисторами (MOSEFT), полевыми транзисторами с затвором на основе перехода (“JEFT”) или биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT). Аналогичные или механические переключатели также могут использоваться в рамках объема настоящего изобретения. В представленном варианте реализации изобретения, в наличии имеются четыре ветви между двумя клеммами цепи питания 504, каждая из которых содержит один верхний переключатель и один нижний переключатель, соединенные последовательно. Точка соединения верхнего и нижнего переключателей присоединена к одной клемме одного или двух соленоидов 303 - 305.

В проиллюстрированном варианте реализации изобретения контроллер 502 может выводить один или большее количество сигналов на переключатели S1-S8 посредством приводящей в действие цепи 506 для приведения в действие одного или большего количества соленоидов 303-305. В некоторых вариантах реализации изобретения процессор может соединяться с возможностью связи с памятью, также интегрированной с процессором или в отдельном запоминающем устройстве, и может быть настроен на интерпретацию и/или выполнение программных команд и/или данных, сохраненных в памяти, которые вызывают генерирование процессором сигналов управления посредством приводящей в действие цепи 506 для размыкания и замыкания переключателей S1-S8 в соответствии с предварительно определенной последовательностью. Если переключатели S1-S8 содержат канальные полевые униполярные МОП-транзисторы, например, сигнал управления, генерируемый контроллером 502, будет вызывать изменение приводящей в действие цепью 506 затворных напряжений переключа