CN114585796A - 结合有用于高频扭转振荡的阻尼器的钻头支撑组件 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的方法和***。该***包括：井下管柱；钻头支撑组件，该钻头支撑组件被配置为支撑并接收碎裂设备，其中该碎裂设备设置在该井下管柱的端部上并且安装到该钻头支撑组件；以及阻尼***，该阻尼***被配置在以下中的至少一者处：该钻头支撑组件上和/或中，该阻尼***包括布置成与该钻头支撑组件的一部分接触的至少一个阻尼器元件。

Description

结合有用于高频扭转振荡的阻尼器的钻头支撑组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月12日提交的美国专利申请16/568789的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本发明整体涉及用于在操作期间使井下***的振动发生阻尼的井下操作和***。
2.相关技术的描述
在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层(例如，封存箱)中所包含的材料(例如，气体或流体)或允许触及该材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。
在操作中，井下部件可经受振动，这可影响操作效率。例如，钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如泥浆马达)中的质量不平衡引起。此类振动产生的影响可包括但不限于降低的钻进速率、降低的测量质量以及井下部件、工具和/或设备的过度疲劳和磨损。
发明内容
本文公开了用于使井下***的振荡(诸如扭转振荡)发生阻尼的***和方法。该***包括被布置为在钻孔内旋转的井下***以及被配置在井下***上的阻尼***。该阻尼***包括安装在井下***的钻头支撑组件处或中的一个或多个阻尼器。这些阻尼器被布置为减少或消除一个或多个特定振动模态，并且因此可实现改进的井下操作和/或效率。
此外，本发明描述了用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的方法和***。该***包括：井下管柱；钻头支撑组件，该钻头支撑组件被配置为支撑并接收碎裂设备，其中该碎裂设备设置在该井下管柱的端部上并且安装到该钻头支撑组件；以及阻尼***，该阻尼***被配置在以下中的至少一者处：该钻头支撑组件上和/或中，该阻尼***包括布置成与该钻头支撑组件的一部分接触的至少一个阻尼器元件。
该方法包括：将阻尼***安装在以下中的至少一者处：位于井下***的井下管柱上的钻头支撑组件上和/或中，钻头支撑组件具有附接到该钻头支撑组件的碎裂设备。该阻尼***包括至少一个阻尼器元件，该至少一个阻尼器元件布置成与钻头支撑组件的一部分接触，其中阻尼器元件的至少一部分以一定速度相对于钻头支撑组件移动，该速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和。
附图说明
在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：
图1是可以采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的***的示例；
图2是两个相互作用的主体之间的摩擦力或扭矩对相对速度或相对旋转速度的典型曲线的例示性曲线图；
图3是对于具有附加小速度波动的正相对平均速度而言摩擦力对位移的滞后曲线图；
图4是对于具有附加小速度波动的正相对平均速度而言摩擦力、相对速度和两者的乘积对时间的曲线图；
图5是对于具有附加小速度波动的零相对平均速度而言摩擦力对位移的滞后曲线图；
图6是对于具有附加小速度波动的零相对平均速度而言摩擦力、相对速度和两者的乘积的曲线图；
图7是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图8A是在钻头处测量的切向加速度的曲线图；
图8B是对应于图8A的示出旋转速度的曲线图；
图9A是井下***的示意性曲线图，其示出了井下***的振型随离钻头的距离的变化；
图9B示出了可在图9A的井下***的操作期间激发的扭转振动的示例性对应模态振型；
图10是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图11是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图12是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图13是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图14是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图15是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图16是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图17是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图18是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；
图19是根据本公开的一个实施方案的阻尼***的示意图；并且
图20是模态阻尼比对局部振动振幅的示意图；
图21是具有阻尼***的井下工具的示意图；
图22是图21的井下工具的剖视图；
图23是根据本公开的一个实施方案的结合有阻尼器元件的钻头支撑组件的示意图；
图24是根据本公开的一个实施方案的切向阻尼器元件的示意图；
图25是根据本公开的一个实施方案的切向阻尼器元件的示意图；
图26是与液压阻尼器元件相关联的两个相互作用的主体之间的力或扭矩对相对速度或相对旋转速度的典型曲线的例示性曲线图；并且
图27是根据本公开的一个实施方案的结合有阻尼器元件的钻头支撑组件的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于执行井下操作的***的示意图。如图所示，该***为钻井***10，该钻井***包括钻柱20，该钻柱具有钻井组件90(也称为井底钻具组合(BHA))，该钻井组件在穿透地层60的钻孔26中输送。钻井***10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管状物22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂设备50(诸如附接到BHA 90的端部的钻头)在其旋转时使地质地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20联接到地面装备，诸如用于通过滑轮23经由方钻杆接头21、转环28和管线29来举升、旋转和/或推动(包括但不限于)绞车30的***。在一些实施方案中，地面装备可以包括顶部驱动装置(未示出)。在钻井操作期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。
在钻井操作期间，来自源或泥浆坑31的合适的钻井液32(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂设备50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。流体管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)来提供钻柱20的钩负荷以及与钻孔26的钻井有关的其他期望参数。该***还可包括定位在钻柱20和/或BHA 90上的一个或多个井下传感器70。
在一些应用中，仅通过使钻管22旋转来使碎裂设备50旋转。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(例如泥浆马达)来使碎裂设备50旋转和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一种情况下，对于给定的地层和给定的钻井组件，碎裂设备50进入地层60的钻进速率(ROP)在很大程度上取决于钻压和钻头旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，钻井马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到碎裂设备50。当钻井液31在压力下通过钻井马达55时，钻井马达55使碎裂设备50旋转。轴承组件57支撑碎裂设备50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和/或其他合适位置的稳定器58充当钻井组件90或其部分的扶正器。
地面控制单元40从井下传感器70和设备经由放置在流体管线38中的换能器43诸如压力换能器接收信号以及从传感器S1、S2、S3、钩负荷传感器、RPM传感器、扭矩传感器和***中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的已编程的指令来处理此类信号。地面控制单元40在显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40包含计算机；存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他***设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。控制单元响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。地面控制单元40适于在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。
钻井组件90还包含其他传感器和设备或工具，用于提供与围绕钻孔的地层有关的多种测量结果以及用于沿着期望的路径钻出钻孔26。此类设备可包括用于测量在钻头附近和/或前方的地层电阻率的设备、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线设备以及用于确定钻柱的倾斜度、方位角和位置的设备。根据本文所述的实施方案制作的地层电阻率工具64可联接在任何合适的位置(包括下部启动子组件或转向单元62上方)处，以用于估计或确定在碎裂设备50附近或前方或在其他合适位置处的地层电阻率。可适当地放置测斜仪74和伽马射线设备76，以用于分别确定BHA的倾斜度和地层伽马射线强度。可使用任何合适的测斜仪和伽马射线设备。另外，可利用诸如磁力仪或陀螺仪设备的方位角设备(未示出)来确定钻柱方位角。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。在上述示例性配置中，钻井马达55经由轴来向碎裂设备50传递动力，该轴还使钻井液能够从钻井马达55传递到碎裂设备50。在钻柱20的替代实施方案中，钻井马达55可联接在电阻率测量设备64下方或任何其他合适的位置处。
仍然参考图1，其他随钻测井(LWD)装置(在此总体上由标号77表示)，诸如用于测量地层孔隙度、渗透性、密度、岩石性质、流体性质等的装置，可以置于钻井组件90中的适当位置处，以提供用于评估沿钻孔26的地下地层的信息。此类设备可包括但不限于温度测量工具、压力测量工具、钻孔直径测量工具(例如，卡尺)、声学工具、核工具、核磁共振工具以及地层测试和采样工具。
上述设备将数据发射到井下遥测***72，该井下遥测***继而将所接收的数据沿井孔向上发射到地面控制单元40。井下遥测***72还从地面控制单元40接收信号和数据，并将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测***在钻井操作期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。放置在流体管线38(例如，泥浆供应管线)中的换能器43响应于井下遥测***72所发射的数据来检测泥浆脉冲。换能器43响应于泥浆压力变化而生成电信号，并将此类信号经由导体45发射到地面控制单元40。在其他方面，可使用任何其他合适的遥测***用于在地面与BHA 90之间进行双向数据通信(例如，下行链路和上行链路)，这些遥测***包括但不限于声学遥测***、电磁遥测***、光学遥测***、有线管遥测***，其可在钻柱或钻孔中利用无线耦合器或中继器。可通过连接钻管段来构成有线管遥测***，其中每个管段都包括沿着管延伸的数据通信链路(诸如电线)。管段之间的数据连接可通过任何合适的方法进行，这些方法包括但不限于硬电连接或光连接、感应、电容、共振耦合(诸如电磁共振耦合)或定向耦合方法。在使用连续油管作为钻管22的情况下，数据通信链路可沿着连续油管延伸的侧面。
到目前为止所描述的钻井***涉及那些利用钻管将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井***，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井***，特别是用于钻探高度偏斜钻孔和水平钻孔的钻井***，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在钻头上提供期望的力。另外，当利用了连续油管时，并不通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入钻孔中，同时井下马达(诸如钻井马达55)使碎裂设备50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。
仍然参考图1，可提供电阻率工具64，该电阻率工具包括例如多根天线，包括例如发射器66a或66b和/或接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。
尾管钻井可以是用于提供碎裂设备的一种配置或操作，因为与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“用于在单程期间钻出钻孔、设置尾管并固结钻孔的装置和方法”(Apparatus and Method for Drilling a Borehole，Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip)的共同拥有的美国专利号9,004,195中示出和描述了此类构造的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对较低，但由于尾管在钻探钻孔的同时下钻，因此减少了将尾管对准目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。
尽管图1是关于钻井操作示出和描述的，但是本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但是类似的构造可以用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、有线管、尾管钻井、扩眼、连续油管和/或其他构造。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井操作，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。
钻井操作期间钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如钻井马达)中的质量不平衡引起。此类振动可导致钻进速率降低、井底钻具组合的工具所进行的测量的质量降低，并且可导致井下部件磨损、疲劳和/或故障。如本领域技术人员所理解，存在不同振动，诸如横向振动、轴向振动和扭转振动。例如，整个钻井***的粘滞/滑动和高频扭转振荡(“HFTO”)均是扭转振动的类型。术语“振动”、“振荡”以及“波动”以重复和/或周期性的移动或者平均值(诸如平均位置、平均速度、平均加速度、平均力和/或平均扭矩)的周期性偏差的相同广泛含义使用。具体地讲，这些术语不意在限于谐波偏差，而是可包括所有种类的偏差，诸如但不限于周期性偏差、谐波偏差和统计偏差。可通过因钻头或任何其他切削结构(诸如扩眼器钻头)与地层的相互作用而发生的自激发机制来激发扭转振动。粘滞/滑动与HFTO之间的主要区别是频率和典型的模态振型：例如，与通常具有低于1Hz的频率的粘滞/滑动扭转振动相比，HFTO具有通常高于50Hz的频率。此外，粘滞/滑动的受激模态振型通常是整个钻井***的第一模态振型，而HFTO的模态振型可为高阶的并且通常局限于钻井***的更小部分且激发点处的振幅相对较高，该激发点可为钻头或任何其他切削结构(诸如扩眼器钻头)或者钻井***与地层之间的任何接触(例如，由稳定器实现)。
由于振动的高频率，HFTO对应于沿着BHA的高加速度和扭矩值。本领域的技术人员将理解，对于扭转运动而言，加速度、力和扭矩中的一者始终伴随着加速度、力和扭矩中的另两者。在这种意义上，从这些之中的任何一者不会在没有另两者的情况下发生的意义上讲，加速度、力和扭矩是等效的。高频振动的负荷可对BHA的电子和机械部件的效率、可靠性和/或耐久性具有负面影响。本文所提供的实施方案涉及在井下***上提供扭转振动阻尼以减轻HFTO。在本公开的一些实施方案中，如果在该***内实现所测量的特性(诸如扭转振动振幅或频率)的阈值，则可激活扭转振动阻尼。
根据本文所提供的非限制性实施方案，扭转振动阻尼***可基于摩擦阻尼器。例如，根据一些实施方案，BHA或钻柱中的两个部件(诸如两个相互作用的主体)之间的摩擦可耗散能量并且降低扭转振荡的水平，从而减轻高频振动所造成的潜在损坏。优选地，摩擦阻尼器的能量耗散至少等于钻头-岩石相互作用所引起的HFTO能量输入。
如本文所提供的摩擦阻尼器可引起显著的能量耗散并因此引起扭转振动的减轻。当两个部件或相互作用的主体彼此接触并且相对于彼此运动时，摩擦力在这些部件或相互作用的主体的接触表面之间的相对运动的速度的相反方向上起作用。摩擦力引起能量耗散。
尽管关于摩擦阻尼器进行了具体描述，但本公开的阻尼器、阻尼器元件和阻尼器***不限于摩擦。即，如下所述，可使用具有不同配置的阻尼器来实现阻尼的其他原理。例如，阻尼可通过粘性阻尼、摩擦阻尼、液压阻尼、磁性阻尼(例如，涡流阻尼)、压电(分流)阻尼等产生。如本文所用，阻尼器元件可以是阻尼***的一部分，该阻尼***被配置为耗散因阻尼器元件的至少一部分与井下管柱之间的相对移动而引起的能量。即，阻尼器元件或其一部分的相对移动使得能量(例如，HFTO)能够耗散，并且因此可减少井下管柱内或沿着该井下管柱的振动。
图2是两个相互作用的主体之间的摩擦力或扭矩对相对速度v(例如，或相对旋转速度)的典型曲线的例示性曲线图200。两个相互作用的主体具有接触表面以及与接合两个相互作用的主体的接触表面垂直的力分量FN。曲线图200示出了两个相互作用的主体的摩擦力或扭矩与速度弱化行为诸如切削行为的摩擦接触或特性的相关性。在两个相互作用的主体之间的更高相对速度(v＞0)下，摩擦力或扭矩具有由点202示出的不同值。降低相对速度将引起增加的摩擦力或扭矩(也称为速度弱化特性)。当相对速度为零时，摩擦力或扭矩达到其最大值。最大摩擦力也称为静摩擦、粘着摩擦或粘滞。
通常，摩擦力FR取决于法向力，如方程FR＝μ·FN中所描述，其中摩擦系数为μ。一般来讲，摩擦系数μ是速度的函数。在本文，法向力也可对应于法线方向上的激发振动而波动。在两个相互作用的主体之间的相对速度为零(v＝0)的情况下，静摩擦力FS与法向力分量FN相关，方程为FS＝μ0·FN，其中静摩擦系数为μ0。在两个相互作用的主体之间的相对速度不为零(v≠0)的情况下，摩擦系数称为动摩擦系数μ。如果相对速度进一步降低到负值(即，如果这两个相互作用的主体的相对运动的方向切换到相反方向)，则摩擦力或扭矩切换到相反方向且在曲线图200中的点204处具有与从正最大值到负最小值的阶跃相对应的高绝对值。即，摩擦力对速度的关系示出了速度改变正负号的点处的正负号变换并且在曲线图200中的点204处是不连续的。速度弱化特性是摩擦地连接的相互作用的主体之间的熟知效应。接触力或扭矩的速度弱化特性被认为是粘滞/滑动的潜在根本原因。也可通过利用在更低相对速度下具有更高粘度且在更高相对速度下具有更低粘度的分散性流体来实现速度弱化特性。如果迫使分散性流体穿过相对较小的通道，则可实现相同的效应，因为流动阻力在低或高相对速度下分别相对较高或较低。
参考图8A至图8B，图8A示出了井下***的测量的扭转加速度对时间。在图8A所示的5秒测量时间中，图8A示出了平均加速度为大约0g的振荡扭转加速度，该平均加速度由在大约0s与3s之间具有相对较低的振幅且在大约3s与5s之间具有至多100g的相对较高的振幅的振荡扭转加速度叠加。图8B示出了与图8A相同时间周期内的对应旋转速度。根据图8A，图8B示出了平均速度v0(在图8B中由线v0指示)，该平均速度相对恒定在大约190转/分钟。该平均速度由根据图8A中的相对较低和较高的加速度振幅在大约0s与3s之间具有相对较低的振幅且在大约3s与5s之间具有相对较高的振幅的振荡旋转速度变化叠加。值得注意的是，即使在旋转速度振荡的振幅相对较高的大约3s与5s之间的时间周期内，振荡旋转速度也不会引起旋转速度的负值。
再次参考图2，点202示出了两个相互作用的主体的平均速度，该平均速度对应于图8B中的平均速度v0。在图2的示意图中，图8B的数据对应于具有在平均速度v0周围因HTFO而以相对高频率振荡的速度的点，与HFTO相比，该平均速度随时间相对缓慢地变化。因此，示出了图8B的数据的点在图2中的曲线的正分支上来回移动，而不会或仅很少达到负速度值。因此，对应摩擦力或扭矩在正平均摩擦力或平均摩擦扭矩周围振荡并且通常为正或仅在很少情况下达到负值。如下文进一步讨论，点202示出了相对速度的正平均值对应于静态扭矩的位置，并且点204示出了摩擦阻尼的有利点。应当注意，钻井***与钻孔壁之间的摩擦力或扭矩不会产生该***中的高频振荡的附加阻尼。这是因为相互作用的主体(例如，稳定器和钻孔壁)的接触表面之间的相对速度的平均速度不会如此接近零而使得HFTO引起这两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换。相反，两个相互作用的主体之间的相对速度在离零的一定距离处具有高平均值，该高平均值较大以使得HFTO不会引起两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换(例如，由图2中的点202示出)。
如本领域技术人员将理解，如图2所示的接触力或扭矩相对于相对速度的弱化特性导致将能量施加到***中以用于使相互作用的主体的相对移动以平均速度v0振荡，该平均速度与振荡移动的速度相比是高的。在该上下文中，自激发机制的其他示例(诸如轴向和扭转自由度之间的耦合)可引起类似特性。
对应的滞后在图3中描绘并且图4中示出了摩擦力和速度的时间曲线图。图3示出了摩擦力Fr(在该上下文中有时也称为切削力)对相对于位置的位移的滞后关系，该位移以具有附加小速度波动(引起附加小位移dx)的正平均相对速度移动。因此，图4示出了对于具有附加小速度波动(引起附加小位移dx)的正平均相对速度而言的摩擦力(Fr)、相对速度(dx/dτ)和两者的乘积(由图4中的标签400指示)。本领域的技术人员将理解，随时间推移的摩擦力与速度之间的面积等于耗散的能量(即，线400与零轴之间的面积)，其在由图3和图4中示出的情况下为负。即，在由图3和图4中示出的情况下，经由摩擦接触将能量从摩擦传递到振荡中。
再次参考图2，点204表示除平均速度之外小速度波动或振动的摩擦阻尼的有利平均速度。对于两个相互作用的主体之间的相对移动的小波动，图2中的点204处的不连续性与相互作用的主体的相对速度的正负号变换也引起摩擦力或扭矩发生突然的正负号变换。该正负号变换会引起滞后，从而引起大量耗散的能量。例如，比较图5和图6，图5和图6分别与图3和图4具有类似的曲线图，但示出了具有附加小速度波动或振动的零平均相对速度的情况。图6中的线600下方的对应于乘积Fr·dx/dτ的面积等于一个时段期间的耗散的能量，并且在这种情况下为正。即，在由图5和图6示出的情况下，经由摩擦接触将能量从高频振荡传递到摩擦中。与由图3和图4示出的情况相比，该效应相当高，并且具有期望的正负号。根据图2、图5和图6的比较也清楚的是，耗散的能量显著地依赖于v＝0(即，图2中的位置204)时最大摩擦力与最小摩擦力之间的差值。v＝0时最大摩擦力与最小摩擦力之间的差值越大，耗散的能量越高。虽然图3至图4通过使用速度弱化特性(诸如图2所示的特性)而产生，但是本公开的实施方案不限于此类型的特性。本文所公开的装置和方法对于任何类型的特性都将有效，前提条件是当这两个相互作用的主体之间的相对速度改变其正负号时，摩擦力或扭矩经历具有正负号变换的阶跃。
现在将描述根据本公开的一些实施方案的摩擦阻尼器。摩擦阻尼器安装在钻井***(诸如图1所示的钻井***10)上或中，并且/或者是钻井***10的一部分，诸如井底钻具组合90的一部分。摩擦阻尼器是具有两个相互作用的主体的摩擦阻尼***的一部分，这两个相互作用的主体诸如为第一元件和具有与第一元件的摩擦接触表面的第二元件。本公开的摩擦阻尼***被布置为使得第一元件的平均速度与安装了第一元件的钻井***的旋转速度相关。例如，第一元件可具有与钻井***类似或相同的平均速度或旋转速度，以使得小波动振荡引起根据图2中的点204的第一元件与第二元件之间的相对速度的正负号变换或过零。应当注意，钻井***与钻孔壁之间的摩擦力或扭矩不会产生该***中的高频振荡的附加阻尼。这是因为接触表面(例如，稳定器和钻孔)之间的相对速度不具有零平均值(例如，图2中的点202)。根据本文所述的实施方案，第一元件与第二元件之间的静摩擦被设定为足够高以使得第一元件能够将第二元件(在旋转期间)加速到与钻井***具有相同值的平均速度v0。因此附加高频振荡根据等于或接近图2中的点204的图2中的位置周围的振荡以正或负速度在第一元件(例如，阻尼设备)与第二元件(例如，钻井***)之间引入滑动。惯性力FI超过静摩擦力时会发生滑动，该静摩擦力表示为两个相互作用的主体之间的静摩擦系数乘以法向力：FI＞μ0·FN。根据本公开的实施方案，法向力FN(例如，由两个相互作用的主体之间的接触表面的接触和表面压力引起)和静摩擦系数μ0被调节以实现最佳能量耗散或最佳振幅。此外，可优化惯性矩(扭转)、接触表面的接触和表面压力以及阻尼器或接触表面相对于离钻头的距离的布置。
例如，转向图7，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***700的示意图。阻尼***700是井下***702(诸如井底钻具组合和/或钻井组件)的一部分。井下***702包括钻柱704，该钻柱旋转以使井下***702的钻井操作能够在地层708内形成钻孔706。如上所讨论，钻孔706通常填充有钻井液，诸如钻井泥浆。阻尼***700包括第一元件710，该第一元件操作性地联接(例如，固定地连接)或为井下***702的一体部分以便确保第一元件710以与井下***702的平均速度相关(例如，类似或相同)的平均速度旋转。第一元件710与第二元件712摩擦接触。第二元件712至少部分可动地安装在井下***702上，其中接触表面714位于第一元件710与第二元件712之间。
就摩擦力而言，最小摩擦力与最大摩擦力之间的差值正相关于法向力和静摩擦系数。耗散的能量随摩擦力和谐波位移而增加，但仅在滑动阶段中耗散能量。在粘滞阶段中，摩擦界面之间的相对位移和耗散的能量为零。粘滞阶段的上限振幅极限随接触界面中的法向力和摩擦系数线性地增加。原因是在接触主体中的一个接触主体以
Figure BDA0003583629140000121
被加速的情形下可由该一个接触主体的惯性J引起的接触界面中的反应力
Figure BDA0003583629140000122
必须高于限定粘滞与滑动之间的极限的扭矩MH＝FNμHr。如本文所用，FN是法向力，并且μH是有效摩擦系数，并且r是摩擦接触区域的有效或平均半径。对于相互作用的主体的复杂摩擦接触零件，可同时发生粘滞或滑动。在本文，可优化接触压力以实现最佳阻尼和振幅。
如果接触力是由位移和弹簧元件引起的，则类似的机制也适用。接触区域的加速度
Figure BDA0003583629140000131
可归因于模态的激发并且依赖于对应模态振型，如下文相对于图9B进一步讨论。就附加惯性质量J而言，只要接触界面粘滞，加速度
Figure BDA0003583629140000132
便等于附加位置处的受激模态和对应模态振型的加速度。
必须调节法向力和摩擦力以保证滑动阶段处于适宜或容许的振幅范围内。容许的振幅范围可由零与负荷极限之间的振幅限定，所述负荷极限例如由工具和部件的设计规范给定。极限也可由没有阻尼器的情况下预期振幅的百分比给定。可与能量输入(例如，通过强制激发或自激发)比较的耗散的能量是判断阻尼器的效率的一个量度。另一个量度是所提供的该***的等效阻尼，该等效阻尼与该***中的谐波振动的一个周期内耗散的能量与振动的一个周期期间的势能之比成比例。该量度对于自激发的***尤其有效。就自激发的***而言，可通过负阻尼系数来估计该激发并且可直接比较等效阻尼和负阻尼两者。阻尼器所提供的阻尼力为非线性的并且强烈依赖于振幅。
如图20所示，阻尼在粘滞阶段(图20的曲线图的左端)中为零，其中相互作用的主体之间的相对移动为零。如果如上所述，粘滞和滑动阶段之间的极限被通过接触界面传递的力所超过，则会发生引起能量耗散的相对滑动运动。随后摩擦阻尼所提供的阻尼比增加到最大值，之后降低到最小值。将发生的振幅依赖于可由负阻尼项描述的激发。在本文，如图20所描绘，提供的阻尼的最大值必须高于来自自激发机制的负阻尼。所谓的极限循环中发生的振幅可由摩擦阻尼器所提供的负阻尼比和等效阻尼比的交点来确定。
该曲线依赖于不同参数。具有高法向力，但是在井底钻具组合的最小振幅下发生滑动阶段是有利的。就惯性质量而言，这可通过高质量或通过将接触界面放置在相对于受激模态振型的高加速度的点处来实现。就接触界面而言，与接触点处的模态振型的振幅相比，例如沿着BHA的轴向轴线，高相对位移是有利的。因此，根据高振幅或相对振幅进行的阻尼设备的最佳布置很重要。这可通过使用模拟结果来实现，如下所讨论。法向力和摩擦系数可用于将该曲线移动到更低或更高振幅，但对阻尼最大值没有很大影响。如果实现了超过一个摩擦阻尼器，则这将引起图20所示的类似曲线的叠加。如果调节法向力和摩擦系数以实现相同振幅的最大值，则这有利于所实现的整体阻尼。此外，略微移动的阻尼曲线将引起所得曲线相对于振幅可更宽，这可有利于考虑可使振幅向最大值的右边移动的影响。在这种情况下，就自激发的***而言，振幅将增加到极高的值，如负阻尼所指示。在这种情况下，振幅需要再次移动到最大值的左侧，例如通过离开底部或将该***的旋转速度降低到更低水平。此上下文中的振幅通过如相对于图8B所指示和讨论的平均旋转速度大约线性地缩放。
再次参考图7，管柱704及因此井下***702以旋转速度
Figure BDA0003583629140000141
旋转，该旋转速度可按每分种转数(RPM)来量度。第二元件712安装到第一元件710上。可通过调节元件716的应用和使用来选择或调节第一元件710与第二元件712之间的法向力FN。调节元件716可例如经由螺纹、致动器、压电致动器、液压致动器和/或弹簧元件来调节，以施加在与第一元件710和第二元件712之间的接触表面714垂直的方向上具有分量的力。例如，如图7所示，调节元件716可在井下***702的轴向方向上施加力，由于井下***702的轴线与第一元件710和第二元件712的接触表面714之间成非零角度，该力转换成与第一元件710和第二元件712的接触表面714垂直的力分量FN。在一些配置中，选择或定义***712与惯性质量元件之间的角度，以允许滑动运动并避免自锁定。
第二元件712具有惯性矩J。当在井下***702的操作期间发生HFTO时，根据模态振型(例如，沿着钻井***、钻柱和/或BHA的尺寸限定振幅分布)和模态的振幅(例如，缩放模态振型的振幅)加速井下***702和第二元件712两者。图8A和图8B中示出了这种操作的示例性结果。图8A是在钻头处测量的切向加速度的曲线图，并且图8B是对应的旋转速度。
由于第二元件712的切向加速度和惯性，第二元件712与第一元件710之间发生相对惯性力。如果这些惯性力超过粘滞与滑动之间的阈值，即如果这些惯性力超过第一元件710与第二元件710之间的静摩擦力，则元件710、712之间将发生引起能量耗散的相对运动。在此类布置中，加速度、静摩擦系数和/或动摩擦系数及法向力决定耗散的能量的量。例如，第二元件712的惯性矩J决定必须在第一元件710与第二元件712之间传递的相对力。高加速度和惯性矩增加接触表面714处滑动的倾向，因此引起阻尼器所提供的更高能量耗散和等效阻尼比。
由于第一元件710与第二元件712之间的摩擦运动所引起的能量耗散，将在第一元件710和/或第二元件712上产生热量和磨损。为了使磨损保持低于可接受的水平，可承受磨损的材料可以用于第一元件710和/或第二元件712。例如，金刚石或聚晶金刚石复合片可以至少用于第一元件710和/或第二元件712的一部分。另选地或除此之外，涂层可有助于减少因第一元件710和第二元件712之间的摩擦引起的磨损。热量可引起高温并且可影响井下***702的第一元件710、第二元件712和/或其他部件的可靠性或耐久性。第一元件710和/或第二元件712可由具有高导热性或高热容量的材料制成，和/或可与具有高导热性或热容量的材料接触。
此类具有高导热性的材料包括但不限于金属或包含金属的化合物诸如铜、银、金、铝、钼、钨，或包含脂肪、油脂、油的热油脂，环氧树脂、有机硅、聚氨酯和丙烯酸酯以及任选地填料诸如金刚石、金属或包含金属的化学化合物(例如，银、氮化铝中的铝、氮化硼中的硼、氧化锌中的锌)或者硅或包含硅的化学化合物(例如，碳化硅)。除此之外或另选地，第一元件710和第二元件712中的一者或两者可与流体(诸如钻井液)接触，该流体被配置为从第一元件710和/或第二元件712去除热量以便冷却相应元件710、712。此外，振幅限制元件(未示出)诸如键、凹槽或弹簧元件可用于且被配置为将能量耗散限制到可接受的极限，从而减少磨损。
当布置阻尼***700时，高法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数将防止第一元件710与第二元件712之间的相对滑动运动，并且在此类情况下，不会耗散能量。相比之下，低法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可引起低摩擦力，并且将发生滑动但耗散的能量较低。另外，低法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可引起第二元件712的外表面处(例如，第二元件712与地层708之间)的摩擦高于第一元件710与第二元件712之间的摩擦的情况，从而引起第一元件710与第二元件712之间的相对速度不等于或接近零而是处于井下***702与地层708之间的平均速度的范围内。因此，可调节法向力和静摩擦系数或动摩擦系数以及阻尼器元件相对于受激模态和模态振型的布置(例如，通过使用调节元件716)以实现能量耗散的优化值。
这可通过调节法向力FN、静摩擦系数μ0、动摩擦系数小阻尼器元件相对于受激模态振型的布置或它们的组合来完成。可通过以下方式调节法向力FN：定位调节元件716和/或使致动器在第一元件和第二元件中的一者上产生具有与第一元件和第二元件的接触表面垂直的分量的力，调节第一元件和第二元件周围的压力状态，或增大或减小压力作用的区域。例如，通过增大作用于第二元件的外部压力(诸如泥浆压力)，也将增大法向力FN。调节井下泥浆的压力可通过调节表面上的泥浆泵(例如，图1所示的泥浆泵34)或表面上或井下的影响泥浆压力的其他装备(诸如旁路、阀、波动消除器)来实现。可将法向力调节为与受激模态振型的自振频率具有相同频率的谐波，并且因此对于惯性质量的低加速度具有低法向力值并且对于惯性质量的低加速度具有高法向力值，并且因此允许低加速度值的滑动运动。
还可由偏置元件(未示出)诸如弹簧元件来调节法向力FN，该偏置元件对第二元件712施加力，例如在背离或朝向第一元件710的轴向方向上的力。还可基于从传感器接收到的输入以受控方式进行法向力FN的调节。例如，合适的传感器(未示出)可向控制器(未示出)提供一个或多个参数值，这些参数值与第一元件710和第二元件712的相对运动或第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度相关。基于这些参数值，控制器可提供增大或减小法向力FN的指令。例如，如果第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度超过阈值温度，则控制器可提供减小法向力FN的指令以防止因高温引起的第一元件710和第二元件712中的一者或两者的损坏。类似地，例如，如果第二元件712相对于第一元件710的距离、速度或加速度超过阈值，则控制器可提供增大或减小法向力FN的指令以确保最佳能量耗散。通过监测参数值，可控制法向力FN以在一个时间周期内实现期望的结果。例如，可控制法向力FN以提供最佳能量耗散，同时在钻井行程或其一部分内保持第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度低于阈值。
另外，可通过利用不同材料来调节静摩擦系数或动摩擦系数，所述不同材料例如为但不限于具有不同刚度、不同粗糙度和/或不同润滑性的材料。例如，具有更高粗糙度的表面通常会增加摩擦系数。因此，可通过为第一元件和第二元件中的至少一者或第一元件和第二元件中的至少一者的一部分选择具有适当摩擦系数的材料来调节摩擦系数。第一元件和/或第二元件的材料也可对第一元件和第二元件的磨损有影响。为了保持第一元件和第二元件的磨损较低，有利的是选择可承受第一元件和第二元件之间产生的摩擦的材料。第二元件712的惯性、摩擦系数和预期加速度振幅(例如，随模态振型和本征频率而变化)是确定耗散的能量且也需要优化的参数。临界模态振型和加速度振幅可通过测量或计算来确定，或基于如本领域技术人员所理解的其他已知方法来确定。示例是有限元分析或传递矩阵法或有限差分法并且基于该模态分析或分析模态。在预期有高相对位移或加速度的地方布置摩擦阻尼器是最佳的。
现转向图9A和图9B，示出了井下***900和对应模态的示例。图9A是井下***的示意性曲线图，其示出了井下***的振型随离钻头的距离的变化，并且图9B示出了可在图9A的井下***的操作期间激发的示例性对应扭转振荡模态振型。图9A和图9B的示意图展示了阻尼***的一个或多个元件在井下***900上的潜在位置和布置。
如图9A示意性地示出，井下***900包括具有不同直径(以及不同质量、密度、配置等)的各种部件，并且因此在井下***900的旋转期间，不同部件可引起产生各种模态。示例性模态指示将存在最高振幅的地方，这可需要通过应用阻尼***来使之发生阻尼。例如，如图9B所示，示出了井下***900的第一扭转振荡的模态振型902、第二扭转振荡的模态振型904以及第三扭转振荡的模态振型906。基于模态振型902、904、906的知识，可优化阻尼***的第一元件的位置。在模态振型902、904、906的振幅为最大值(峰值)的情况下，可需要和/或实现阻尼。因此，示例性地示出了用于附接或安装本公开的阻尼***的两个潜在位置。
例如，第一阻尼位置908接近井下***900的钻头并且主要使第一扭转振荡和第三扭转振荡(对应于模态振型902、906)发生阻尼并针对第二扭转振荡(对应于模态振型904)提供一些阻尼。即，第一阻尼位置908大约在第三扭转振荡(对应于模态振型906)的峰值处，接近第一扭转振荡模态振型902的峰值，并且在相对于第二扭转振荡模态振型904的峰值的约一半处。
第二阻尼位置910被布置为再次主要提供第三扭转振荡模态振型906的阻尼并且针对第一扭转振荡模态振型902提供一些阻尼。然而，在第二阻尼位置910中，不会发生第二扭转振荡模态振型904的阻尼，因为第二扭转振荡模态振型904在第二阻尼位置910处接近零。
尽管在图9A和图9B中示出用于布置本公开的阻尼***的仅两个位置，但是实施方案不受如此限制。例如，可沿着井下***安装任何数量和任何布置的阻尼***以对井下***提供扭转振动阻尼。阻尼器的优选安装位置的示例是预期模态振型中的一者或多者显示出高振幅的地方。
由于钻头处的高振幅，例如，阻尼器的一个良好位置是接近钻头或甚至在钻头内。此外，第一元件和第二元件不限于单个主体，而是可采取任何数量的各种构造来实现期望的阻尼。即，可采用多个主体(多主体)第一元件或第二元件(例如，摩擦阻尼设备)，其中每个主体具有相同或不同法向力、摩擦系数和惯性矩。例如，如果不确定在沿着井下***的给定位置处预期为哪个模态振型和对应加速度，则可使用此类多主体元件布置。
例如，可使用可实现彼此之间的不同相对滑动运动以耗散能量的两个或更多个元件主体。第一元件的多个主体可使用不同静摩擦系数或动摩擦系数、接触表面之间的角度来选择和组装，和/或可具有影响摩擦量和/或粘滞与滑动之间的转变的其他机制。可使用此类构造来使若干振幅水平、受激模态振型和/或自振频率发生阻尼。
例如，转向图10，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1000的示意图。阻尼***1000可以与上文相对于图7示出和描述的类似的方式操作。阻尼***1000包括第一元件1010和第二元件1012。然而，在该实施方案中，安装到井下***1002的第一元件1010的第二元件1012由第一主体1018和第二主体1020形成。第一主体1018具有第一主体1018与第一元件1010之间的第一接触表面1022，并且第二主体1020具有第二主体1020与第一元件1010之间的第二接触表面1024。如图所示，第一主体1018与第二主体1020由间隙1026分开。提供间隙1026是为了防止第一主体1018与第二主体1020之间的相互作用，使得它们可彼此独立地操作(例如，运动)或彼此不直接相互作用。在该实施方案中，第一主体1018具有第一静摩擦系数或动摩擦系数μ1和垂直于第一接触表面1022的第一力FN1，而第二主体1020具有第二静摩擦系数或动摩擦系数μ2和垂直于第二接触表面1024的第二力FN2。此外，第一主体1018可具有第一惯性矩J1，并且第二主体1020可具有第二惯性矩J2。在一些实施方案中，第一静摩擦系数或动摩擦系数μ1、第一法向力FN1和第一惯性矩J1中的至少一者被选择成分别不同于第二静摩擦系数或动摩擦系数μ2、第二法向力FN2和第二惯性矩J1。因此，阻尼***1000可被配置为考虑沿着井下***1002的基本上单个位置处的多个不同模态振型。
现在转向图11，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1100的示意图。阻尼***1100可以以与上文示出和描述的类似的方式操作。然而，在该实施方案中，安装到井下***1102的第一元件1110的第二元件1112由第一主体1118、第二主体1120和第三主体1128形成。第一主体1118具有第一主体1118与第一元件1110之间的第一接触表面1122，第二主体1120具有第二主体1120与第一元件1110之间的第二接触表面1124，并且第三主体1128具有第三主体1128与第一元件1110之间的第三接触表面1130。如图所示，第三主体1128位于第一主体1118与第二主体1020之间。在该实施方案中，三个主体1118、1120、1128彼此接触，因此它们之间可具有法向力和静摩擦系数或动摩擦系数。
三个主体1118、1120、1128之间的接触可由主体1118、1120、1128中的两者或更多者之间的弹性连接元件(诸如弹簧元件)建立、保持或支持。除此之外或另选地，第一主体1118可在第一接触表面1122处具有第一静摩擦系数或动摩擦系数μ1和第一力FN1，第二主体1120可在第二接触表面1124处具有第二静摩擦系数或动摩擦系数μ2和第二力FN2，并且第三主体1128可在第三接触表面1130处具有第三静摩擦系数或动摩擦系数μ3和第三力FN3。
除此之外或另选地，第一主体1118和第三主体1128在第一主体1118与第三主体1128之间的接触表面处彼此之间可具有第四力FN13和第四静摩擦系数或动摩擦系数μ13。类似地，第三主体1128和第二主体1120在第三主体1128与第二主体1120之间的接触表面处彼此之间可具有第五力FN32和第五静摩擦系数或动摩擦系数μ32。
此外，第一主体1118可具有第一惯性矩J1，第二主体1120可具有第二惯性矩J2，并且第三主体1128可具有第三惯性矩J3。在一些实施方案中，静摩擦系数或动摩擦系数μ1、μ2、μ3、μ13、μ32、力FN1、FN2、FN3、F13、F32和惯性矩J1、J2、J3可选择成彼此不同，使得对于第一元件1110、第一主体1118、第二主体1120和第三主体1128的相对速度的至少子范围，乘积μi·Fi(其中i＝1、2、3、13、32)不同。此外，相邻主体之间的静摩擦系数或动摩擦系数和法向力可被选择为实现不同阻尼效应。
尽管相对于有限数量的实施方案及元件的具体形状、相对尺寸和数量进行了示出和描述，但是本领域技术人员将理解，本公开的阻尼***可采取任何构造。例如，形状、尺寸、几何结构、径向布置、接触表面、主体数量等可被选择为实现期望的阻尼效应。虽然在图11所示的布置中，第一主体1118和第二主体1120彼此通过与第三主体1128的摩擦接触来联接，但是此类布置和描述并非是限制性的。第一主体1118与第二主体1120之间的联接也可通过液压、电或机械联接装置或机构来产生。例如，第一主体1118与第二主体1120之间的机械联接装置可通过第一主体1118和第二主体1120的刚性或弹性连接来产生。
现在转向图12，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1200的示意图。阻尼***1200可以与上文示出和描述的类似的方式操作。然而，在该实施方案中，阻尼***1200的第二元件1212部分固定地附接到或连接到第一元件1210。例如，如该实施方案中所示，第二元件1212具有固定部分1232(或固定端)和可动部分1234(或可动端)。固定部分1232沿着固定连接1236固定到第一元件1210，并且可动部分1234跨接触表面1214与第一元件1210摩擦接触(类似于相对于图10描述的第一元件1010与第二元件1012摩擦接触)。
可动部分1234可具有可与图9B所示的模态振型相关的任何期望的长度。例如，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的十分之一。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的四分之一。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的一半。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离。
因此，即使在井下部署期间可能不知道模态最大值或最小值的确切位置在何处，也可确保第二元件1212在最大振幅的位置处与第一元件1210摩擦接触以实现优化的阻尼。尽管使用具体布置来示出，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，部分固定的第一元件的其他布置也是可能的。例如，在一个非限制性实施方案中，固定部分可处于第一元件的更中心的部分中，使得第一元件具有两个可动部分(例如，在第一元件的相对两端)。如在图12中可见，第二元件1212的可动部分1234相当细长并且可覆盖对应于第二元件1212的可动部分1234的长度的模态振型(诸如图9B中的模态振型902、904、906)的一部分。与第一元件1210摩擦接触的细长的第二元件1212可优于更短的第二元件，因为更短的第二元件可位于模态振型的非期望部分中，诸如位于第二模态振型904为小或甚至为零的阻尼位置910中，如上文相对于图9B所解释。利用细长的第二元件1212可确保第二元件的至少一部分处于离模态振型中的一者或多者为零或至少接近零的位置的一定距离处。图13至图19和图21至图22示出了与第一元件摩擦接触的细长的第二元件的更多种类。在一些实施方案中，细长的第二元件可为弹性的，以使得可动部分1234能够相对于第一元件1210运动，而固定部分1232相对于第一元件1210静止。在一些实施方案中，第二元件1212在第一元件1210的多个位置处可具有多个接触点。
在上述实施方案中，并且在根据本公开的阻尼***中，由于摩擦接触，第一元件暂时固定到第二元件。然而，当井下***的振动增加并且超过阈值时，例如当惯性力超过静摩擦力时，第一元件(或其部分)相对于第二元件运动，因此提供阻尼。即，当HFTO在井下***内增加到预定阈值(例如，振幅、距离、速度和/或加速度的阈值)以上时，阻尼***将自动地操作，因此本文提供的实施方案包括被动阻尼***。例如，实施方案包括在不利用附加能量的情况下自动地操作的被动阻尼***，因此不利用附加能源。
现在转向图13，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1300的示意图。在该实施方案中，阻尼***1300包括一个或多个细长的第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f，每个细长的第一元件布置在第二元件1312内并且与该第二元件接触。第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f中的每个第一元件可在轴向工具方向上(例如，在与图13所示的横截面垂直的方向上)具有长度以及任选地固定点，在该固定点中相应的第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f固定到第二元件1312。例如，第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f可固定在相应上端、中间部分、下端、或不同第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f的多个固定点、或给定单个第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f的多个点。此外，如图13所示，第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f可任选地由偏置元件1338偏置或接合到第二元件1312(例如，通过偏置弹簧元件或偏置致动器施加具有朝向第二元件1312的分量的力)。第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f中的每一者可被布置和选择为具有相同或不同法向力、静摩擦系数或动摩擦系数和质量惯性矩，从而实现各种阻尼构造。
在一些实施方案中，第一元件沿着其长度在材料、形状和/或几何结构方面可为基本上一致的。在其他实施方案中，第一元件沿着其长度在形状和几何结构方面可变化。例如，参考图14，示出了根据本公开的实施方案的阻尼***1400的示意图。在该实施方案中，第一元件1410相对于第二元件1412来布置，并且第一元件1410相对于第二元件1412具有锥形和/或螺旋形布置。因此，在一些实施方案中，第一元件或第二元件的一部分可沿着其长度相对于第二元件改变几何结构或形状，并且还可在围绕或相对于第二元件和/或相对于工具主体或井下***的圆周跨度中发生此类改变。
现在转向图15，示出了根据本公开的一个实施方案的另一个阻尼***1500的示意图。在阻尼***1500中，第一元件1510是配合在螺纹第二元件1512内的齿形(螺纹)主体。第一元件1510的齿(螺纹)与第二元件1512的螺纹之间的接触可提供这两个元件1510、1512之间的摩擦接触以实现如本文所述的阻尼。由于第一元件1510的倾斜表面，第一元件1510将开始在轴向振动和/或扭转振动下运动。此外，第一元件1510在轴向或圆周方向上的运动也将分别在该构造中产生圆周或轴向方向上的运动。因此，利用图15所示的布置，轴向振动可用于减轻扭转振动或使扭转振动发生阻尼，而且扭转振动可用于减轻轴向振动或使轴向振动发生阻尼。发生轴向振动和扭转振动的位置可不同。例如，虽然轴向振动可沿着钻井组件均匀地分布，但扭转振动可遵循如上文相对于图9A至图9B讨论的模态振型模式。因此，不管在哪里发生振动，图15所示的配置可用于使用轴向振动所引起的第一元件1510相对于第二元件1512的移动(反之亦然)来使扭转振动发生阻尼。如图所示，任选的紧固元件1540(例如，螺栓)可用于调节这两个元件1510、1512之间的接触压力或法向力，因此调节阻尼***1500的摩擦力和/或其他阻尼特性。
现在转向图16，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1600的示意图。阻尼***1600包括第一元件1610，该第一元件是刚性杆，其在一端处固定在第二元件1612内。在该实施方案中，杆端1610a被布置为摩擦地接触第二元件止挡件1612a，因此提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。杆端1610a与第二元件止挡件1612a之间的法向力可例如由杆端1610a与第一元件1610之间的螺纹连接来调节。此外，杆的刚度可被选择为优化阻尼或以有利的方式影响模态振型以提供更大的相对位移。例如，选择具有更低刚度的杆将引起第一元件1610的扭转振荡的更高振幅和更高能量耗散。
现在转向图17，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1700的示意图。阻尼***1700包括摩擦地附接或连接到第二元件1712的第一元件1710，该第二元件被布置为刚性杆并且在固定连接1716处固定地连接(例如，通过焊接、旋拧、钎焊、粘附等)到外管件1714，诸如钻铤。在一个方面，杆可为管件，其包括易因HFTO发生磨损的电子部件、电源、存储介质、电池、微控制器、致动器、传感器等。即，在一个方面，第二元件1712可为探头，诸如测量方向信息的探头，包括重力仪、陀螺仪和磁力仪中的一者或多者。在该实施方案中，第一元件1710被布置为摩擦地接触第二元件1712的固定杆结构、相对于并沿着该固定杆结构运动或振荡，因此提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。虽然第一元件1710在图17中被示出为与阻尼***1700相比相对较小，但并非意在在这方面进行限制。因此，第一元件1710可为任何尺寸并且可具有与阻尼***1700相同的外径。此外，第一元件1710的位置可为可调节的以便将第一元件1710移动到更接近模态振型最大值，从而优化阻尼减轻。
现在转向图18，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1800的示意图。阻尼***1800包括第一元件1810，该第一元件可沿着第二元件1812摩擦地运动。在该实施方案中，第一元件1810被布置为具有弹性弹簧元件1842(诸如螺旋弹簧或其他元件或装置)以使第一元件1810与第二元件1812接合，因此在第一元件1810已运动并相对于第二元件偏转时提供回复力。该回复力被引导以减少第一元件1810相对于第二元件1812的偏转。在此类实施方案中，弹性弹簧元件1842可被布置或调谐到弹性弹簧元件1842或振荡***的共振和/或临界频率(例如，最低临界频率)，该振荡***包括第一元件1810和弹性弹簧元件1842。
现在转向图19，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼***1900的示意图。阻尼***1900包括第一元件1910，该第一元件可围绕第二元件1912摩擦地运动。在该实施方案中，第一元件1910布置有第一端1910a，该第一端具有第一接触(例如，第一端法向力FNi、第一端静摩擦系数或动摩擦系数μi和第一端惯性矩Ji)，并且在第二端1910b处具有第二接触(例如，第二端法向力FNi、第二端静摩擦系数或动摩擦系数μi和第二端惯性矩Ji)。在一些此类实施方案中，相应第一端1910a或第二端1910b与第二元件1912之间的相互作用的类型可具有不同物理特性。例如，第一端1910a和第二端1910b中的一者或两者可具有粘滞接触/接合，并且一者或两者可具有滑动接触/接合。第一端1910a和第二端1910b的布置/构造可被设定为提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。
有利地，本文所提供的实施方案涉及通过应用安装在旋转管柱(例如，井下管柱或钻柱)上的阻尼***来减轻井下***的高频扭转振荡(HFTO)的***。阻尼***的第一元件至少部分摩擦地连接以相对于钻柱的轴线周向地运动(例如，摩擦地连接以围绕钻柱的轴线旋转)。在一些实施方案中，第二元件可为钻井***或井底钻具组合的一部分并且不需要为单独安装的部件或重量。第二元件或其一部分以一定方式连接到井下***，使得在不存在HFTO的情况下第一元件与第二元件之间的相对运动具有零或接近零的相对速度(即，无相对运动或缓慢相对运动)。然而，当在不同的加速度值以上发生HFTO时，第一元件与第二元件之间的相对运动是可能的并且实现交替正负相对速度。在一些实施方案中，第二元件可为连接到井下***的质量或重量。在其他实施方案中，第二元件可为井下***的一部分(例如，钻井***或BHA的一部分，诸如提供本文所述功能的井下***的其余部分)且第一元件与第二元件之间具有摩擦。
如上所述，阻尼***的第二元件被选择或配置为使得当钻柱中不存在振动(即，HFTO)时，第二元件将通过静摩擦力摩擦地连接到第一元件。然而，当存在振动(HFTO)时，第二元件相对于第一元件移动并且如上文相对于图2所描述的那样减少第一元件和第二元件之间的摩擦接触，使得第二元件可相对于第一元件旋转(移动)(反之亦然)。当运动时，第一元件和第二元件实现能量耗散，从而减轻HFTO。阻尼***、特别是其第一元件具有一定位置、重量、外力和尺寸以实现一个或多个具体或预定义的振动模态/频率下的阻尼。如本文所述，第一元件在不存在HFTO振动时固定地连接，但随后能够在存在某些加速度(例如，根据HFTO模态)时移动，因此通过相对速度的过零(例如，在正和负相对旋转速度之间切换)来实现HFTO的阻尼。
在上文所讨论的各种构造中，传感器可用于估计和/或监测阻尼器的效率和耗散的能量。例如在与力或扭矩传感器相结合的情况下对这两个相互作用的主体的接触点或表面附近的位移、速度和/或加速度的测量可用于估计相对运动并且计算耗散的能量。例如，当这两个相互作用的主体由偏置元件(诸如弹簧元件或致动器)接合时，也可在不测量的情况下获知该力。也可从温度测量值得出耗散的能量。可将此类测量值传输到控制器或操作人员，从而可得以调节诸如法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数的参数以实现更高的耗散的能量。例如，可将位移、速度、加速度、力和/或温度的测量值和/或计算值发送到控制器(诸如微控制器)，该控制器具有存储到存储介质的指令集，其基于该指令集来调节和/或控制接合这两个相互作用的主体的力和/或静摩擦系数或动摩擦系数中的至少一者。优选地，调节和/或控制是在钻井过程正在进行中时完成的以实现最佳HFTO阻尼结果。
虽然已参考具体附图描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求或可能实施方案的以下描述的范围内的所有实施方案。
钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如钻井马达)中的质量不平衡引起。除了别的以外，负效应是降低的钻进速率、降低的测量质量和井下故障。
存在不同种类的扭转振动。在文献中，扭转振动主要被区分为整个钻井***的粘滞/滑动和高频扭转振荡(HFTO)。两者均主要通过因钻头与地层的相互作用而发生的自激发机制来激发。粘滞/滑动与HFTO之间的主要区别是频率和典型的模态振型：与就粘滞/滑动而言频率低于1Hz相比，就HFTO而言频率高于50Hz。此外，粘滞/滑动的受激模态振型是整个钻井***的第一模态振型，而HFTO的模态振型通常局限于钻井***的小部分并且在钻头处具有相对较高的振幅。
由于频率较高，HFTO对应于沿着BHA的高加速度和扭矩值并且可对电子器件和机械部件具有损坏效应。基于自激发的理论，增加的阻尼可在达到阻尼值的一定极限的情况下减轻HFTO(这是由于自激发不稳定并且可被解释为相关联的模态的负阻尼)。
一种阻尼概念是基于摩擦。BHA或钻柱中的两个部件之间的摩擦可耗散能量并且降低扭转振荡的水平。
根据这一构思，讨论了本发明人认为最适合因摩擦引起的阻尼的设计原理。阻尼应由摩擦力实现，其中摩擦力相对于相对速度的操作点必须在图2所示的点204周围。该操作点因实现了摩擦滞后而会引起高能量耗散，而图2的点202将引起能量输入到***中。
如上所讨论，钻井***与钻孔之间的摩擦力不会在该***中产生显著的附加阻尼。这是因为接触表面(例如，稳定器和钻孔)之间的相对速度不具有零平均值。摩擦阻尼器的两个相互作用的主体必须相对于彼此具有平均速度或旋转速度，该平均速度或旋转速度足够小以使得HFTO引起摩擦阻尼器的两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换。换句话讲，HFTO所产生的这两个相互作用的主体之间的相对速度的最大值需要高于这两个相互作用的主体之间的平均相对速度。
仅在滑动阶段中经由阻尼设备与钻井***之间的界面发生能量耗散。滑动在如下情形下发生：惯性力超过粘滞与滑动之间的极限(即，静摩擦力)：FR＞μ0·FN(其中静摩擦力等于静摩擦系数乘以两个接触表面之间的法向力)。法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可为可调节的以实现最佳或期望的能量耗散。调节法向力和静摩擦系数或动摩擦系数中的至少一者可改善阻尼***引起的能量耗散。
如本文所讨论，摩擦阻尼器的布置应处于高HFTO加速度、负荷和/或相对运动的区域中。因为不同模态可受到影响，所以优选能够减轻所有HFTO模态的设计(例如，图9A和图9B)。
等同物可用作本公开的摩擦阻尼器工具。可采用带狭槽的钻铤2100，如图21和图22所示。图22中示出了带狭槽的钻铤2100的剖视图。在一个非限制性实施方案中，带狭槽的钻铤2100具有高柔性并且在不加入摩擦设备2102的情况下将引起更高变形。更高速度将引起更高离心力，这将推动摩擦设备2102，使之在优化的法向力的作用下压入狭槽中以允许高摩擦阻尼。在该构造中，可优化的其他因素是狭槽的数量和几何结构以及阻尼设备的几何结构。附加法向力可由如上所讨论的弹簧元件2104(如图22所示)、致动器和/或通过离心力施加。
该原理的优点是摩擦设备将被直接安装到力流中。因受激HFTO模态和对应模态振型引起的钻铤的扭转将部分地由摩擦设备支持，所述摩擦设备将在振动的一个周期期间上下运动。高相对运动连同优化的摩擦系数和法向力一起将引起高能量耗散。
该目标是防止HFTO振幅(在这种情况下由切向加速度振幅表示)的振幅增加。必须由摩擦阻尼器***添加到每一个不稳定扭转模态的(模态)阻尼需要高于该***中的能量输入。能量输入不是瞬间发生的，而是在多个周期内发生，直到达到最坏情况振幅(钻头处的零RPM)。
根据该概念，可使用相对较短的钻铤，因为摩擦阻尼器使用沿着离钻头的距离的相对运动。不需要具有高切向加速度振幅，而是仅需要钻铤的一些偏转(“扭转”)，这将在沿着BHA的几乎每个地方中实现。钻铤和阻尼器应具有与BHA相比类似的质量刚度比(“阻抗”)。这将允许该模态振型在摩擦钻铤中传播。将实现高阻尼，该高阻尼将在调节以上所讨论的参数(因弹簧引起的法向力等)的情况下减轻HFTO。与其他摩擦阻尼器原理相比的优点是摩擦设备直接应用到HFTO模态偏转的力流中。摩擦设备与钻铤之间相对较高的相对速度将引起高能量耗散。
阻尼器将具有高效益并且对不同应用都有效。HFTO引起因大量维修和维护工作带来的高成本、伴有非生产时间的可靠性问题以及小市场份额。所提出的摩擦阻尼器将在马达下方工作(使HFTO解耦)并且也在马达上方工作。其可安装在BHA的每一个地方中，如果模态振型传播到该点，则这也将包括在BHA上方的布置。如果质量和刚度分布相对类似，则模态振型将传播穿过整个BHA。可例如通过扭转振荡顾问(torsional oscillation advisor)来确定最佳布置，该扭转振荡顾问允许计算临界HFTO模态和对应模态振型。
此外，如上所述，由于钻头处的高振幅，因此如本文所述阻尼器的一个位置可在钻头内或靠近钻头定位，诸如钻头支撑组件内或上。即，根据本公开的一些实施方案，阻尼器可整合到钻头支撑组件中并且成为该钻头支撑组件的一部分。在此类实施方案中，离钻头的距离基本上为零。如本文所述，钻头支撑组件包括但不限于钻头盒、驱动轴、与钻头的固定和驱动/操作相关联的套筒、与操纵钻井操作相关联的转向单元和/或元件、在弯曲马达中用于转向的弯曲机构、与钻孔壁接合的元件、非旋转套筒或缓慢旋转套筒等。本公开的钻头支撑组件可以是包括除碎裂设备之外的元件的BHA的一部分，并且在一些情况下在碎裂设备与钻头支撑组件的一部分整体地形成的情形下可包括此类设备。
转向单元(也称为转向区段或转向组件)被采用，并且被配置用于钻出定向钻孔。该定向钻井可在本领域称为地质转向。在一个非限制性示例中，转向单元包括位于非旋转套筒(例如，工具套筒)上的多个可扩展构件(例如，力施加构件)，该多个可扩展构件被配置为在钻孔壁上施加选择的或预先确定的力以用于钻出定向钻孔。在于钻孔壁上施加力时，非旋转套筒保持地球静止或仅相对于钻孔壁缓慢地旋转，而穿过非旋转套筒的驱动轴以碎裂设备的旋转速度(例如，钻头RPM)旋转。可扩展构件可由致动机构(例如，液压致动机构、电气致动机构或机电致动机构)操作。
在一些此类实施方案中，阻尼器可由仅通过阻尼力或阻尼扭矩联接到钻头支撑组件的质量或惯性件(inertia)形成。阻尼力可例如但不限于由粘性阻尼、摩擦阻尼、液压阻尼、磁性阻尼(例如，涡流阻尼)、压电(分流)阻尼等产生。在一些此类实施方案中，阻尼器可与将启用调谐质量阻尼器或调谐摩擦阻尼器的弹簧组合。在这些情况下，阻尼器的本征频率将被调谐到应被阻尼的模态的本征频率。
如上所讨论，分析已表明，阻尼随有效旋转惯性成比例地增加，并且随钻头处的质量标准化模态振型二次方地增加。附加常数因子取决于阻尼的类型。具有惯性阻尼器的另外的摩擦阻尼理论上与频率无关，并且液压阻尼器具有一定的频率相依性。这种权衡也适用于其他类型的阻尼，并且可使用力的不同参数(例如，通过谐波地调节摩擦阻尼器配置的法向力，选取所具有的性质随部件的相对速度改变的流体等)来影响。如所述，钻头盒或钻头是使用惯性阻尼器的一个位置，这可以是有利的，因为临界模态通常在钻头处具有最大振幅(例如，如图9B所示)。一个示例性临界模态是在248Hz处，在钻头处具有最大振幅，但是基于具体配置和井下操作，各种其他模态/频率可以是临界的。即，临界模态可取决于各种考虑，并且出于解释目的仅描述248Hz模态作为示例。重要的是需注意，可激发性理论上也随钻头处的模态振型的振幅二次方地增加。此外，减轻振动所需的阻尼量也可随钻头处的模态振型二次方地增加。
在靠近于钻头定位但并不位于钻头处/内的阻尼器的一个非限制性实施方案中，摩擦阻尼器可以是具有任何振型的闭合环，该闭合环连接到钻头支撑组件并且被配置为扭转地旋转。在另一个实施方案中，阻尼器可以是在切向方向上连接在钻头支撑组件处或中并且被配置为有效地引起旋转力的线性质量。可围绕钻头支撑组件或在该钻头支撑组件中(即，靠近钻柱的端部)安装和配置若干单独阻尼器。在另一个配置中，阻尼器可由钻头支撑组件的两个强制地连接的零件形成，该两个强制地连接的零件连接到钻头支撑组件的不同轴向位置(例如，靠近钻头连接件和靠近与驱动轴的连接件)。不同轴向位置处的连接导致两个强制地连接的零件之间的相对移动。这种配置的示例可包括例如与相对接触表面的螺纹连接。
例如，转向图23，示出了钻头支撑组件2300的示意图。钻头支撑组件2300包括被配置为将钻头接收在钻头腔2304内的钻头盒2302。钻头腔2304被配置(例如，成型、设定尺寸等)为将钻头或其他碎裂设备接收在该钻头腔中。钻头盒2302被配置为保持并且在一些配置中驱动安装在钻头腔2304内的钻头的操作，如本领域技术人员将理解。钻头或其他碎裂设备可被配置为在钻井操作期间切削地层的材料(例如，岩石)。
如图所示，钻头盒2302在钻头支撑组件2300内安装到驱动轴2306。驱动轴2306可旋转以驱动安装到钻头腔2304/安装到该钻头腔中的钻头的操作(例如，旋转)。在操作中，钻井扭矩通过扭矩套筒2308和盖套筒2310从驱动轴2306传输到钻头盒2304。螺纹连接件2312在驱动轴2306与钻头盒2302之间产生轴向预张力。扭矩通过钻头支撑组件2300的各个部件之间的摩擦传输，这可取决于接触表面的轴向表面压力、摩擦系数和相对于工具轴线Ax的半径。扭矩套筒2308的接触驱动轴2306的第一肩台表面2314可涂覆有摩擦增加层(例如，金刚石材料)，该摩擦增加层使得能够通过乘法因子增加扭矩传输，如本领域技术人员将理解。在驱动轴2306与钻头盒2302之间提供接触的第二肩台表面2316可被配置为增加上紧扭矩(MUT)能力。由于第一肩台表面2314处的涂层，因此并不预期观察到扭矩套筒2308相对于例如驱动轴2306的相对移动。盖套筒2310比扭矩套筒2308具有更大半径，即相对于工具轴线Ax，并且可传输扭矩在第一肩台表面2314处比在第二肩台表面2316处更大。
钻头盒或所谓的下部驱动轴的典型设计是双肩台螺纹，如图23例示性地示出。然而，在一些另选配置中，钻头盒、扭矩套筒和/或钻头可被拼接在一起作为单个零件/部件。在这种配置中，在构成连接时，相对运动发生在两个肩台(例如，图23所示的第一肩台表面2314和第二肩台表面2316)中。因此，不可能在第一肩台表面上施加摩擦增加涂层，如上所述。因此，这导致因减小的摩擦系数和更小影响半径而造成可传输扭矩显著地降低。
如图所示，驱动轴2306和扭矩套筒2308可容纳在工具套筒2318内。工具套筒2318可以是非旋转套筒或缓慢旋转套筒，如本领域技术人员将理解。工具套筒2318可被配置为与BHA或其他井下组件和/或工具管柱接合或连接到它们。
如上所述，可将各种类型的阻尼器结合到钻井***的各个方面。在该示出的例示性实施方案中，钻头支撑组件2300钻头支撑组件2300包括例示性地示出为旋转惯性件的阻尼器元件2320。在该实施方案中，阻尼器元件2320通过各种轴承2322(例如，径向，诸如滚针轴承或PDC轴承和/或轴向轴承)旋转解耦。阻尼器元件2320被配置为自由的并且可在钻头支撑组件2300上(例如，相对于钻头盒2302和/或扭矩套筒2308)旋转。阻尼器元件2320可通过高密度材料和具有特定特性的几何结构而被最大化。例如，如图23所示，可在阻尼器元件2320的质量与工具轴线Ax具有特定或确定径向距离的意义上选择和/或优化阻尼器元件2320的体积。例如，如图所示，与阻尼器元件2320相比，轴承2322(和摩擦接触部)可布置成径向地更接近工具轴线Ax，以留出空间并优化盖套筒2310和阻尼器元件2320。此类空间使得能够确保阻尼***的各方面可在操作期间承受预期负荷，并且使得能够选择阻尼器元件2320的几何结构和材料以最大化旋转惯性并实现期望阻尼。
在一些实施方案中，如图所示，轴向弹簧2324可被布置为向阻尼器元件2320施加轴向力。在该例示性配置中，轴向弹簧2324被布置为通过轴承2322(例如，轴向轴承)将轴向力传输到阻尼器元件2320并且传输到阻尼器元件2320与钻头盒2302之间的摩擦表面2326。在一些实施方案中，摩擦表面2326可被任何其他种类的阻尼力机构取代。在摩擦表面2326处的轴向接触压力和现有摩擦系数在阻尼器元件2320与钻头盒2302之间产生摩擦联接。可选择轴向弹簧2324的弹簧刚度和摩擦表面2326处的摩擦系数，以相对于振幅实现最大阻尼，该最大阻尼不会损害钻头支撑组件2300和/或安装到该钻头支撑组件的钻头的工具寿命。
如图23所示，阻尼器元件2320由盖套筒2310封装。盖套筒2310被选择用于承受外流体静压，该外流体静压可基于壁厚度并且可考虑阻尼器元件2320的外径。在一些实施方案中，阻尼器元件2320(例示性地示出为物理部件)可以粘性阻尼器的形式配置。在一些此类实施方案中，阻尼器元件2320的安装位置可填充有流体，并且压力补偿可通过在盖套筒和其他零件的大小中实现设计空间来给定用于增大阻尼器元件的外径的余地。作为非限制性示例，流体可以是不可压缩流体。在另一个实施方案中，可省略盖套筒2310。在一些此类实施方案中，可获得阻尼器元件的最大外径，并且在一些此类实施方案中，由于暴露于钻孔的外部环境，将需要防泥浆阻尼器元件。在本上下文中，可调节惯性质量或阻尼器元件以覆盖弯曲负荷的需要传递的部分。泥浆暴露***还可包括盖套筒，该盖套筒被部分地开槽以一方面覆盖弯曲，但也留下惯性质量/阻尼器元件的可部分地填充盖套筒之间的狭槽的更多设计空间。
在本公开的一些实施方案中，纯旋转阻尼器可安装在钻头支撑组件内，并且这种配置将受益于钻头处或靠近该钻头的高模态振型振幅。一些此类安装可引起阻尼器元件的较小径向位置，即更靠近工具轴线Ax。因此，阻尼器元件的较小半径可限制阻尼效应，但此类限制可通过更高质量可放置在钻头支撑组件处的事实来补偿。即，相对于工具轴线Ax选择质量和径向位置可基于待阻尼的期望振动或模态和基于能量输入、可由负阻尼(例如，如图20所示)描述的预期激发确定。
通过将阻尼器元件定位在钻头支撑组件内或处(例如，钻头盒或转向组件的其他零件处或中)，可实现足够量的阻尼以最小化或消除井下振动。原因在于，在几乎所有情况下，临界模态振型的质量标准化模态振型振幅在钻头或碎裂设备处最大。这可通过如下事实来物理地解释：如果相对于平均旋转速度假设钻头(或激发点)处的速度弱化扭矩特性，则激发模态的可激发性和可能性也随该钻头处的模态振型振幅二次方地增加。在钻头支撑组件中结合有阻尼器/阻尼器元件可对阻尼器/阻尼器元件的轴向长度施加限制。然而，由于阻尼因在钻头处或接近钻头的模态振型的高振幅而为高，因此阻尼器/阻尼器元件可相对短并且仍然实现足够的阻尼效应。钻头支撑组件处的阻尼器可小于30cm、或40cm、或50cm、或100cm、或150cm。
根据本公开，可安装在钻头支撑组件内或处的一种类型的阻尼器元件是线性粘性阻尼器。这种阻尼器元件将包括将力从钻头支撑组件传输到质量/惯性件的质量和力元件。这种阻尼器元件将具有指向、布置或定向到切向方向以使HFTO发生阻尼的力元件。根据本文的教导内容，力元件可以是线性粘性或摩擦阻尼元件，如本领域技术人员将理解。
阻尼器元件2320可以是单个或多个元件/结构。例如，阻尼器元件2320可以是惯性环或其他环型结构，该惯性环或其他环型结构可以是闭合的或中断的环，例如，半壳体。在一些实施方案中，当因钻头或钻头支撑组件设计或配置而无法启用完整环时，可采用半壳体(或其他部分壳体)。半壳体可组装在径向摩擦接触部或径向轴承(例如，轴承2322中的一些轴承)周围，该径向摩擦接触部或径向轴承可相对于阻尼器元件2320的内径布置并且在位置和振型上类似于该内径。轴承也可被分开以允许安装轴承2322和/或阻尼器元件2320。在一些实施方案中，法向力可通过半壳体施加并且由半壳体的弹性和施加的法向/连接力控制。在一些实施方案中，径向波形弹簧壳体也可用于在例如阻尼器元件的半壳体与径向摩擦部之间施加径向摩擦力。
可对阻尼器元件(例如，惯性环)采用不同的几何结构，这些不同的几何形状可有利于增加惯性。在这个意义上，选择用于阻尼器元件的材料的密度可被选择为尽可能高，使得质量分布的半径相对于钻井***或钻头支撑组件的轴向轴线在大半径上。惯性件(或惯性半壳体)可结合有优选地安装或布置在钻头支撑组件周围的附加质量(惯性件)。
在一些实施方案中，可任选地提供限制止动件，以防止环配置阻尼器元件自由地或连续地移动(例如，超过10°旋转)。阻尼器元件与钻头支撑组件的钻头盒或其他零件之间的法向力可通过弹簧或其他机构径向地或轴向地施加。径向摩擦力可通过弹簧或通过环式阻尼器元件的弹性设计来实现。在一些此类实施方案中，双半壳体阻尼器元件可被预加应力以实现期望的摩擦力。轴向法向力可通过弹簧实现，其中竖直钻孔中的质量/惯性件的重量以及弹簧可由壳体等构建。钻头支撑组件的材料可以是钢主体或基体(例如，复合材料)。轴向轴承可用于将潜在法向力弹簧堆叠或另一个法向力施加元件从惯性质量的旋转移动解耦。
在一些实施方案中，可在钻头支撑组件的钻头盒或其他零件内采用切向阻尼器元件。用于切向阻尼的阻尼器可安装到相对于钻井***的轴向轴线(例如，相对于工具轴线Ax径向地)具有高半径的位置中。
就被安装以在切向方向(切向加速度的方向)上自由移动的阻尼器而言，可使用螺纹连接到钻头支撑组件中的(钢)管。切向阻尼器可组装到管中，从而结合有在惯性质量(即，阻尼器元件)与支撑组件(例如，钻头盒)之间-优选地与切向方向正交-施加法向力的机构。在一些实施方案中，切向阻尼器元件可例如通过螺纹连接安装到可固定到钻头支撑组件的钻头盒或其他零件的相应外壳或其一部分中。外壳可具有可安装到钻头支撑组件的各种位置的任何几何结构。
如上所述，根据本公开的实施方案，描述了一种阻尼器元件或组件，该阻尼器元件或组件在一些配置中由旋转惯性阻尼器元件组成，该旋转惯性阻尼器元件可仅通过对驱动轴的上部零件的阻尼力或扭矩联接到钻井***。例如，如本领域技术人员将理解并且根据本文的教导内容，阻尼力可例如由粘性阻尼、摩擦阻尼、压电阻尼或(例如，涡流类型的)磁性阻尼等产生。在一些实施方案中，阻尼器元件可与弹簧组合，该弹簧可启用调谐质量阻尼器或调谐摩擦阻尼器。在一些此类实施方案中，可将提供刚度(例如，弹簧)和阻尼的阻尼器和所调节的力元件的本征频率调谐到应被阻尼的模态的本征频率。
钻头连接到如上所述具有阻尼器元件的支撑组件(例如，钻头盒)。在一些配置中，可在下部驱动轴与钻头支撑组件之间采用不同螺纹连接，该不同螺纹连接允许任选地结合有摩擦环惯性阻尼器。阻尼器元件可由在上部端部和下部端部处摩擦地连接的盖套筒保护。盖套筒不一定提供阻尼，因为法向力理想地防止位于盖套筒与钻头支撑组件的其他部件(例如，钻头盒和工具套筒)之间的接触表面之间的滑动运动。摩擦力由摩擦系数和由下部驱动轴与钻头支撑组件之间的螺纹连接引起的法向力控制。
根据本公开的一些实施方案，阻尼器元件(例如，惯性阻尼器)是放置在盖套筒下方的环。阻尼器元件能够相对于钻井***、钻头支撑组件或其他结构自由地旋转。在一些实施方案中，阻尼器元件的质量可由非磁性材料提供，以防止与来自磁力计的测量结果进行相互作用和/或干扰这些测量结果，该磁力计可放置成靠近钻头和/或钻头支撑组件。类似地，阻尼器元件的材料可选择成最小化或防止对地层评估测量或其他井下测量或操作的负面影响。如上所述，在一些实施方案中，阻尼器元件可由无摩擦或基本上无摩擦的径向轴承支撑。阻尼器元件(例如，惯性环)被配置为通过摩擦表面，诸如位于阻尼器元件与钻头支撑组件之间的接触部或其他表面(例如，图23中所示的摩擦表面2326)与钻井***相互作用。在一些实施方案中，各种摩擦表面轴向地对准。摩擦表面中的法向力由轴向弹簧(例如，图23所示的轴向弹簧2324)施加。摩擦系数是基于摩擦地相互作用的表面的材料性质。在一些实施方案中，轴向弹簧可通过轴向轴承从惯性件旋转地解耦。
现在转向图24至图25，示出了阻尼器元件2400、2500的示意图。如上所述，阻尼器元件2400、2500被配置用于安装在钻头支撑组件内。每个阻尼器元件2400、2500包括用于容纳和包含相应阻尼器元件2400、2500的部件的相应外壳2402、2502。第一阻尼器元件2400具有基本上矩形几何结构(具有弯曲拐角)，并且第二阻尼器元件2500具有基本上圆形几何结构。外壳2402、2502被配置为安装到钻头支撑组件中(例如，如图23所示)。
阻尼器元件2400、2500各自包括可移动地安装在外壳2402、2502内的质量元件2404、2504。质量元件2404、2504布置在安装元件2406、2506与接触元件2408、2508之间。安装元件2406、2506被配置为在相应质量元件2404、2504上朝向接触元件2408、2508施加力。因此，可在相应质量元件2404、2504与接触元件2408、2508之间实现摩擦接触。质量元件2404、2504可与一个或多个限制止动件2410、2510一起布置在相应外壳2402、2502内。限制止动件2410、2510可包括用于使质量元件2404、2504的移动发生阻尼的任选的刚度或液压元件，
此外，限制止动件2410、2510可防止质量元件2404、2504卡在外壳2402、2502的一个边缘中。限制止动件2410、2510可被配置有弹簧或其他元件以避免损坏质量元件2404、2504，并且将质量元件2404、2504朝向相对于外壳的中间或静止位置推压。在一些实施方案中，优化外壳2402、2502中的弹簧刚度和/或间隙，以允许质量元件2404、2504在外壳2402、2502内移动可以是有利的。阻尼器元件2400、2500可被布置为***件(例如，外壳2402、2502被配置用于安装)。可***阻尼器元件2400、2500可被安装成使得将质量元件2404、2504放置在相对于钻井***的轴线(例如，轴向轴线)具有高半径的位置处，以相对于该轴线增加增大阻尼的旋转惯性。
安装元件2406、2506被配置为在质量元件2404、2504上施加法向力。例如，安装元件2406、2506可被布置为弹簧壳体以将质量元件2404、2504推压成与接触元件2408、2508接触。此外，安装元件2406、2506和/或接触元件2408、2508可被配置为控制质量元件2404、2504的切向移动，以使得HFTO能够发生阻尼。在一些实施方案中，安装元件2406、2506将质量元件2404、2504推压成与接触元件2408、2508接触以产生摩擦力。例如通过相对于摩擦系数和应尽可能低的预期磨损有利的材料施加摩擦力。
根据本公开的实施方案，可实现将阻尼整合到钻头支撑组件中。可通过任何轴向、切向和/或径向力或能够耗散能量的对应扭矩来施加阻尼。在联接模态的情况下，轴向方向上的阻尼力也能够使能量从扭转方向耗散。如针对摩擦阻尼所描述，施加有摩擦系数和法向力的接触表面可被优化和/或选择用于使一个或多个临界模态发生阻尼。在一些实施方案中，可采用有利材料或设计来防止磨损(例如，铜或多晶金刚石切削器)。可使用具有不同性质的多次接触来将***调谐到有利的摩擦系数或特性。在一些实施方案中，阻尼器元件被配置为以一定速度相对于钻头支撑组件(例如，钻头盒)移动，该速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和，其中平均速度低于周期性速度波动的振幅。
取决于施加的力的种类，不同的配置是可能的。如上所讨论，图2描述了用于摩擦接触的典型力特性。力特性对于不接近零的相对速度具有速度弱化效应。如上所讨论，两个元件之间的谐波或周期性相对移动将引起能量输入到***中。此外，如上所述，在这种情况下，阻尼仅在相互作用表面的相对移动接近零(例如，图2中的点204)时才有效。另选方案(或与摩擦阻尼器组合)可以是粘性阻尼器。
现在转向图26，例示性地示出了粘性流体的不同扭矩(T)/力(F)特性相对于由一种连接力连接的两个零件之间的相对位移
Figure BDA0003583629140000363
(例如，相对移动/速度)的曲线图2600。在该曲线图中，曲线2602表示牛顿流体的性质，曲线2604表示剪切稀化非牛顿流体的性质，并且曲线2606表示剪切增稠非牛顿流体的性质。尽管曲线图2600是对流体的例示，但是此类原理可适用于其他类型的阻尼器，诸如非接触式阻尼(例如，涡流阻尼)。在曲线图2600上，曲线2602包括点1、2、3，曲线2604包括点4、5、6，并且曲线2606包括点7、8、9。点1-9表示扭矩T或力F相对于相对位移
Figure BDA0003583629140000362
的差异关系。
在曲线图2600中，曲线2602、2604、2606(例如，在点1-9处)的斜率为正，并且相对于这些点的相对移动(包括在该点处的平均速度
Figure BDA0003583629140000361
以及由(例如由HFTO引起的)周期性叠加振荡引起的相对于强制地连接的零件的相对位移、速度或加速度的波动)将对***提供阻尼。相对移动可例如发生在连接到钻孔壁的一个零件之间，例如通过在切向方向上的粘滞摩擦，如同利用转向单元的非旋转套筒存在那样。如果施加正平均旋转速度，则通过这种特性强制地连接的两个相互作用的主体也将对HFTO提供阻尼。不利方面是，这种特性也将导致来自接触表面的平均静力(图26中的T、F并且对应于点1-9)，该平均静力降低来自可用于岩石破坏的旋转的功率。即，阻尼器充当用于井下***的旋转的制动器。因此，在此类情况下，可在表面旋转***处需要更高功率，该更高功率驱动钻头处的切削动作。
所需的阻尼线性地取决于不同扭矩对相对位移曲线的斜率，该斜率可在图26中命名为粘性阻尼系数d(d1-d9)，并且随质量标准化模态振型振幅(例如，如图9B所示)二次方地增加。来自恒定相对移动的静耗散能量也随粘性阻尼系数d线性地增加。因为模态振型振幅非常局部化并且在钻头处非常高并且因此两个强制地连接的表面之间的相对移动如上所述为高，所以静能量耗散也为高并且阻尼有效。由于局部化和高模态振型振幅，阻尼器的长度可相对短(例如，轴向)。相对短的阻尼器的制动力小于相对较长阻尼器的制动力。因此，动态地提供的阻尼(例如，以减轻HFTO)与(不想要的)静能量耗散之间的权衡在钻头或钻头支撑组件附近特别良好。
现在转向图27，示出了具有呈粘性阻尼器或涡流阻尼器形式的阻尼器元件2701的钻头支撑组件2700。钻头支撑组件2700可类似于上文所示和所述的钻头支撑组件，具有附接到驱动轴2706的钻头盒2702，其中钻头盒2702配置有钻头腔2704以接收钻头或其他碎裂设备。驱动轴2706和扭矩套筒2708可容纳在工具套筒2718内。工具套筒2718可以是非旋转套筒或缓慢旋转套筒，如本领域技术人员将理解。工具套筒2718可被配置为与BHA或其他井下组件和/或工具管柱(诸如转向单元)接合或连接到它们。在该实施方案中，如图所示，工具套筒2718可使用力施加构件2752(诸如一个或多个肋、延伸装置等)与钻孔壁2750接合，如本领域技术人员将理解。工具套筒可包括例如三个力施加构件。如本领域所已知，组件还可结合有一种类型的非旋转稳定器。
扭矩套筒2708和驱动轴2706将旋转以驱动钻头盒2702，并且因此驱动安装在该钻头盒中的钻头或碎裂设备。然而，可利用力施加构件2752将工具套筒2718强制地连接到钻孔壁2750。在一些非限制性实施方案中，力施加构件2752可以是施加力以改变钻井操作的方向的转向设备。因此，工具套筒2718具有几乎为零的平均旋转速度。此外，因为在扭矩套筒2708与工具套筒2718之间使用轴承或任何其他解耦设备，所以将力施加构件2752从由碎裂设备激发的HFTO的动含量解耦。
扭矩套筒2708经受来自HFTO的负荷，这些负荷是谐波或周期性位移、速度或加速度和动扭转扭矩。因此，将通过HFTO的动相对移动叠加到扭矩套筒2708与工具套筒2718之间的平均相对移动。这种动相对移动可用于使钻头支撑组件2700内的HFTO发生阻尼。阻尼力由阻尼器元件2701提供，并且可周向地或仅在直径的特定部分上调节，并且通过具有与相对于图26所描述的特性类似的特性的阻尼力设备强制地连接到扭矩套筒2708和工具套筒2718。即，在图26中的操作点1-9中，相对于相对速度(x轴)和所传输的力或扭矩需要正斜率。这种行为不限于液压阻尼，而是可通过任何其他阻尼力或如本文所述的阻尼力的组合来实现。即，阻尼器元件2701可以是粘性阻尼器或液压阻尼器，但不限于此。例如，可采用涡流阻尼器，该涡流阻尼器在扭矩与相对速度之间具有类似于牛顿流体(图26所示的曲线2602)的纯线性斜率。在该上下文中，如果相对移动具有来自连接到HFTO的振荡的动含量，则可使用在具有或不具有接近零或非零的平均相对速度的情况下强制地连接的两个零件来使***发生阻尼。在该示例中，两个强制地连接的零件中的一个零件具有零动含量，因为作为近似该零件从传输扭矩的钻头支撑组件、驱动轴或类似零件的动移动被解耦。来自振荡的一些能量可通过阻尼器元件2701处的阻尼力传递到工具套筒2718。因此，例如通过具有与井底钻具组合或钻井***的HFTO自振频率相比不同的自振频率或更高的第一自振频率来设计将不会因该机构而过度地振动的工具套筒2718或其他部件/零件(例如，工具管柱、井下管柱、钻井***、BHA等)可为有利的。
因此，可在本公开的实施方案中采用的一种形式的阻尼是液压阻尼。这种液压阻尼可通过位于钻头盒中或布置为围绕钻头支撑组件的其他位置或位于这些其他位置中的***来实现。在一些此类实施方案中，粘性流体(例如，腔室中的粘性流体)可布置和安装在与上述类似的位置中。在一些此类应用中，可选择惯性环/质量与钻头支撑组件之间的流体中的(剪切)应力以实现与切向加速度相切的(阻尼)力和相关联的谐波移动，以使HFTO发生阻尼。在环剪切的情况下，流体在惯性环与钻头支撑组件(例如，钻头盒)之间提供阻尼力。在这种情况下，环可需要闭合外壳和潜在地环与外壳之间的间隙的良好限定的几何结构，这也可由盖套筒实现。在液压阻尼中，粘性阻尼力对间隙和粘性流体的参数改变敏感。因此，可优选对温度不敏感的流体。具有随剪切速率变化的不同剪切应力的流体可用于实现有利行为。一些此类示例性流体包括但不限于牛顿流体、非牛顿流体(例如，稀释剂、剪切增稠流体、剪切致稀流体等)、假塑性体、宾汉塑性体、宾汉假塑性流体等。
此外，在一些实施方案中，可采用磁性阻尼。磁性阻尼可通过允许相对于线圈移动并且可用于使HFTO发生阻尼的(例如，安装在惯性环或质量元件上的)永磁体来实现。根据磁性原理，阻尼力特性类似于液压(例如，涡流)或摩擦(滞后)力。在一些此类配置中，力将作用在切向加速度的方向或能够导致在扭转方向或应被阻尼的方向上发生阻尼的任何其他方向上。
此外，在一些实施方案中，可采用压电阻尼原理来防止在钻头处发生HFTO。可使用在一侧连接到惯性环或切向质量并且在另一侧连接到钻头支撑组件的压电材料。压电材料的电极可连接到结合有线圈、电阻器和电容或半有源或有源电子部件的电路。电气部件的组合可用于在惯性环与钻头支撑组件之间实现有利阻尼特性。可将电路调节到***的自振频率以作用为所调谐质量阻尼器(即，对于一个或多个期望模态)。如果压电堆叠因质量元件与钻头支撑组件之间的相对力而变形，则电阻器可被布置为直接耗散能量。另外，压电材料和惯性环质量的刚度也可被调谐到具体频率。压电材料的电极可被布置为使扭转振动发生阻尼。阻尼力的方向可使用由压电动作器的设计所提出的从机械力到电信号的有利转换效应而与电极的方向不同。众所周知的压电系数效应是D33(在力的方向上的电极)、D31(与力的方向正交)和D15(剪切应力)。压电材料可放置成针对对HFTO至关重要的具体模态或多个模态振型优化或控制机械和电气***之间的联接。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可使用将机械力或应力或相关负荷传递到电信号中的各种不同材料。
此外，内部阻尼和所得材料的力可用于减少HFTO。即，可通过高阻尼材料的阻尼性质被动地实现材料阻尼。一些此类材料可包括但不限于聚合物、弹性体、橡胶等以及多功能材料诸如形状记忆合金的阻尼效应。一些材料(诸如形状记忆合金)的材料性质可被主动地影响或控制以实现更大阻尼效应。
在不脱离本公开的范围的情况下，其他阻尼配置是可能的。例如，可采用使用切换技术的负电容和半有源部件。可使用附加阻尼技术和部件，并且上述实施方案和变型形式出于例示和解释目的而被提供并且并非旨在进行限制。可通过添加调节到具体频率的机械弹簧和通过添加任何类型的阻尼来调节本文所述的所有阻尼原理以作用为所调谐质量阻尼器。此外，本文所述的阻尼原理中的一种或多种阻尼原理(或其他方法/机制)可以多原理配置组合。例如，环型惯性阻尼器可与安装在碎裂设备的刀片内或附接到这些刀片的切向质量惯性阻尼器组合。此外，磁性阻尼力、液压阻尼力、摩擦阻尼力、压电阻尼力和材料阻尼力和原理可组合以诸如例如相对于温度实现稳健的阻尼效应。
如上所述，一个或多个阻尼器元件可整合到钻头支撑组件的钻头盒或其他零件中。例如，环型阻尼器可定位成位于钻头支撑组件中或围绕该钻头支撑组件，如图所示和所述。在一些配置中，阻尼器惯性环可由泥浆润滑或由套筒设计覆盖。在一些配置中，可采用闭合或不中断环。在其他配置中，部分弧形件可围绕钻头支撑组件组装(例如，可在环无法以其他方式组装的情形下安装)。在一些此类实施方案中，可采用两个半环弧形件。在其他实施方案中，根椐实现的特定配置，可使用超过两个环弧形件来形成完整箍(圆周)结构或小于完整箍(圆周)结构。
在一些实施方案中，可采用断环结构，其中离散质量围绕钻头支撑组件的一部分布置。在另一个示例中，完整环结构可围绕钻头支撑组件布置，但环的特定附加质量元件或特征可相对于安装到钻头支撑组件的钻头的特定零件(例如，安装在钻头盒中的钻头的刀片)定位。一个这种示例可在相对于安装在钻头盒中的钻头的刀片的位置处具有相对厚的环和较低厚度，以允许切屑流沿着钻头支撑组件通过。
在一些实施方案中，限制止动件可被提供用于环型阻尼器元件，并且可防止环围绕钻头支撑组件的圆周自由地移动。在质量或更高质量位于安装到钻头盒的钻头的具体刀片或其他切削元件后面或与这些具体刀片或其他切削元件相邻的实施方案中，可提供此类限制止动件。在此类情况下，限制止动件可确保质量或增加的质量相对于切削元件保持在一定位置。
应当理解，本公开的摩擦型阻尼器元件可采用径向和/或轴向摩擦力。径向摩擦力可通过弹簧或通过具有两个半壳体的惯性环的弹性设计来实现，并且被预加应力。轴向法向力可通过弹簧实现，竖直孔中的质量/惯性件的重量和/或弹簧可由壳体等构建。钻头支撑组件的材料可以是钢或基体复合材料或其他合适材料。在一些实施方案中，轴承可在径向方向上使用以保证惯性环的移动。即，可提供轴承以确保阻尼器元件的圆周和/或切向移动。轴向轴承可用于将潜在法向力弹簧堆叠从旋转移动解耦。
在一些实施方案中，另选地，从环型阻尼器元件或与环型阻尼器元件组合，切向阻尼器元件可在钻头支撑组件的其他零件中或上实现。在一些此类实施方案中，切向阻尼器元件可安装在螺纹连接到钻头支撑组件中(例如，钻头盒中)的外壳内。在一些此类配置中，可提供一个或多个限制止动件以防止切向阻尼器粘滞或楔入到外壳的边缘或拐角中。可使用弹簧或其他偏置元件或结构来实现限制止动件与切向阻尼器的质量之间的接触。在一些实施方案中，外壳中的弹簧刚度或间隙可被选择成允许切向阻尼器的质量在外壳内移动，并且因此使得能够使振动发生阻尼，如上所述。
还可采用改变钻头支撑组件中的接触元件之间的接触的性质的调节元件。例如，可在摩擦接触中调节法向力。可增大或减小通过相对移动提供阻尼的两个相互作用的表面之间的间隙，以改变阻尼的性质。例如，在磁性阻尼的情况下，阻尼的量取决于例如在图27所示的阻尼器元件2701处的间隙的尺寸。可以调节影响阻尼的所有参数，并且不限于温度、几何结构和/或电场。此外，阻尼设备的效率可通过负荷和加速度或其他振动测量感测设备来测量，并且提供给反馈回路以使得能够根据需要进一步调节阻尼参数。
因此，本公开的实施方案涉及在井下***的钻头支撑组件处或中定位阻尼***，诸如环型阻尼器或切向阻尼器。通过将阻尼***定位在钻头支撑组件处或中，可实现HFTO或其他振动模态的改进的阻尼。
实施方案1：一种用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的***，该***包括：井下管柱；钻头支撑组件，该钻头支撑组件被配置为支撑并接收碎裂设备，其中该碎裂设备设置在该井下管柱的端部上并且安装到该钻头支撑组件；以及阻尼***，该阻尼***被配置在以下中的至少一者处：该钻头支撑组件上和/或中，该阻尼***包括布置成与该钻头支撑组件的一部分接触的至少一个阻尼器元件。
实施方案2：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼器元件被配置为以一定速度至少部分地相对于该钻头支撑组件移动，该速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和。
实施方案3：根据任一前述实施方案所述的***，其中该碎裂设备是与该钻头支撑组件的钻头盒接合的钻头。
实施方案4：根据任一前述实施方案所述的***，其中该钻头支撑组件包括：驱动轴；以及扭矩套筒，其中该钻头盒与该驱动轴可旋转地接合，并且该扭矩套筒布置成与该驱动轴可操作地接触。
实施方案5：根据任一前述实施方案所述的***，其中该钻头盒以螺纹的方式连接到该驱动轴。
实施方案6：根据任一前述实施方案所述的***，该***还包括：工具套筒，该工具套筒布置在该扭矩套筒外部，其中该至少一个阻尼器元件布置在该扭矩套筒与该工具套筒之间。
实施方案7：根据任一前述实施方案所述的***，其中该至少一个阻尼器元件安装到该钻头支撑组件。
实施方案8：根据任一前述实施方案所述的***，其中该至少一个阻尼器元件是围绕该钻头支撑组件周向地布置的环型结构。
实施方案9：根据任一前述实施方案所述的***，其中该环型结构包括围绕该钻头支撑组件布置的两个半壳体。
实施方案10：根据任一前述实施方案所述的***，该***还包括：盖套筒，该盖套筒布置在该至少一个阻尼器元件外部，使得该至少一个阻尼器元件定位在该盖套筒与该钻头支撑组件之间。
实施方案11：根据任一前述实施方案所述的***，该***还包括：至少一个轴承，该至少一个轴承被布置为将该至少一个阻尼器元件的至少一部分的移动从该钻头支撑组件的移动可旋转地解耦。
实施方案12：根据任一前述实施方案所述的***，其中该至少一个轴承包括径向轴承和轴向轴承中的至少一者。
实施方案13：根据任一前述实施方案所述的***，该***还包括：轴向弹簧，该轴向弹簧被配置为将该至少一个阻尼器元件的至少一部分推压成与该钻头支撑组件摩擦接合。
实施方案14：根据任一前述实施方案所述的***，其中该至少一个阻尼器元件是切向阻尼器元件。
实施方案15：根据任一前述实施方案所述的***，其中该钻头支撑组件包括转向单元。
实施方案16：根据任一前述实施方案所述的***，其中该至少一个阻尼器元件还包括限制止动件，该限制止动件被布置为防止该至少一个阻尼器元件的至少一部分围绕该钻头支撑组件旋转。
实施方案17：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼***被布置为在该钻头支撑组件处提供粘性阻尼、摩擦阻尼、液压阻尼、压电阻尼、涡流阻尼和磁性阻尼中的至少一者。
实施方案18：根据任一前述实施方案所述的***，其中该井下管柱是钻柱，其中该钻头支撑组件安装到该钻柱的端部。
实施方案19：一种使钻孔中的井下***的扭转振荡发生阻尼的方法，该方法包括：将阻尼***安装在以下中的至少一者处：位于该井下***的井下管柱上的钻头支撑组件上和/或中，该钻头支撑组件具有附接到该钻头支撑组件的碎裂设备，该阻尼***包括：至少一个阻尼器元件，该至少一个阻尼器元件布置成与该钻头支撑组件的一部分接触，其中该阻尼器元件的至少一部分以一定速度相对于该钻头支撑组件移动，该速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和。
实施方案20：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该至少一个阻尼器元件包括围绕该钻头支撑组件安装的环型结构。
为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字***和/或模拟***。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理***和/或地质导向***可包括数字***和/或模拟***。这些***可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，ROM、RAM)、光学介质(例如，CD-ROM)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供***设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。
此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。
应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和本公开的一部分而固有地包括在内。
本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、钻孔和/或钻孔中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。
虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。
因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的***(712)，所述***(712)包括：
井下管柱(704)；
钻头支撑组件(2300)，所述钻头支撑组件被配置为支撑并接收碎裂设备(50)，其中所述碎裂设备(50)设置在所述井下管柱(704)的端部上并且安装到所述钻头支撑组件(2300)；以及
阻尼***(1000)，所述阻尼***被配置在以下中的至少一者处：所述钻头支撑组件(2300)上和/或中，所述阻尼***(1000)包括布置成与所述钻头支撑组件(2300)的一部分接触的至少一个阻尼器元件(2320)。
2.根据权利要求1所述的***(712)，其中所述阻尼器元件(2320)被配置为以一定速度至少部分地相对于所述钻头支撑组件(2300)移动，所述速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和。
3.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述碎裂设备(50)是与所述钻头支撑组件(2300)的钻头盒(2302)接合的钻头。
4.根据权利要求3所述的***(712)，其中所述钻头支撑组件(2300)包括：
驱动轴(2306)；以及
扭矩套筒(2308)，其中所述钻头盒(2302)与所述驱动轴(2306)可旋转地接合，并且所述扭矩套筒(2308)布置成与所述驱动轴(2306)可操作地接触，
优选地其中以下中的至少一者：
所述钻头盒(2302)以螺纹的方式连接到所述驱动轴(2306)；以及
工具套筒(2318)，所述工具套筒布置在所述扭矩套筒(2308)外部，其中所述至少一个阻尼器元件(2320)布置在所述扭矩套筒(2308)与所述工具套筒(2318)之间。
5.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2320)安装到所述钻头支撑组件(2300)。
6.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2320)是围绕所述钻头支撑组件(2300)周向地布置的环型结构，优选地，其中所述环型结构包括围绕所述钻头支撑组件(2300)布置的两个半壳体。
7.根据任一前述权利要求所述的***(712)，所述***还包括：盖套筒，所述盖套筒布置在所述至少一个阻尼器元件(2320)外部，使得所述至少一个阻尼器元件(2320)定位在所述盖套筒与所述钻头支撑组件(2300)之间。
8.根据任一前述权利要求所述的***(712)，所述***还包括：至少一个轴承(2322)，所述至少一个轴承被布置为将所述至少一个阻尼器元件(2320)的至少一部分的移动从所述钻头支撑组件(2300)的移动可旋转地解耦，优选地，其中所述至少一个轴承(2322)包括径向轴承(2322)和轴向轴承(2322)中的至少一者。
9.根据任一前述权利要求所述的***(712)，所述***还包括：轴向弹簧(2324)，所述轴向弹簧被配置为将所述至少一个阻尼器元件(2320)的至少一部分推压成与所述钻头支撑组件(2300)摩擦接合。
10.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2320)是切向阻尼器元件(2320)。
11.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述钻头支撑组件(2300)包括转向单元(62)。
12.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2320)还包括限制止动件，所述限制止动件被布置为防止所述至少一个阻尼器元件(2320)的至少一部分围绕所述钻头支撑组件(2300)旋转。
13.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述阻尼***(1000)被布置为在所述钻头支撑组件(2300)处提供粘性阻尼、摩擦阻尼、液压阻尼、压电阻尼、涡流阻尼和磁性阻尼中的至少一者。
14.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述井下管柱(704)是钻柱(20)，其中所述钻头支撑组件(2300)安装到所述钻柱(20)的端部。
15.一种使用根据任一前述权利要求所述的***来使钻孔(26)中的井下***(1002)的扭转振荡发生阻尼的方法，所述方法包括：
将所述阻尼***(1000)安装在以下中的至少一者处：位于所述井下管柱(704)上的所述钻头支撑组件(2300)上和/或中。
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