CN114585797A - 用于减轻井下工具振动的阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的***和方法。该***包括：井下管柱，该井下管柱包括碎裂设备；和阻尼***，该阻尼***位于以下中的至少一者处：该井下管柱中和/或上，该阻尼***被配置为使该井下管柱的扭转振荡发生阻尼。该方法包括：将阻尼***安装在以下中的至少一者处：该井下***上和/或中，其中该井下***包括具有碎裂设备的井下管柱，并且该阻尼***被配置为使该井下管柱的扭转振荡发生阻尼。

Description

用于减轻井下工具振动的阻尼器

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16/568809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***的钻头或其他碎裂设备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。

根据一些实施方案，提供了用于使井下***的扭转振荡发生阻尼的***。该***包括：井下管柱，该井下管柱包括碎裂设备；和阻尼***，该阻尼***位于以下中的至少一者处：井下管柱中和/或上，该阻尼***被配置为使井下管柱的扭转振荡发生阻尼。位于以下中的至少一者处：碎裂设备上和/或中，该阻尼***包括布置为与碎裂设备的一部分接触的至少一个阻尼器元件。

在一些此类实施方案中，阻尼器元件可布置在附接到井下管柱的碎裂设备或钻头上或中。

在一些实施方案中，提供了使钻孔中的井下***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：井下***上和/或中，该井下***包括具有碎裂设备的井下管柱，并且该阻尼***被配置为使该井下管柱的扭转振荡发生阻尼。

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；以及

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钻头的示意性曲线图布置，该钻头具有布置在井下工具的钻头的刀片内的多个阻尼器元件；

图24是根据本公开的一个实施方案的钻头的示意图，该钻头具有围绕钻头柄布置的阻尼器元件；

图25是根据本公开的一个实施方案的钻头的示意图，该钻头具有围绕钻头柄布置的环型阻尼器元件；

图26是根据本公开的一个实施方案的钻头的示意图，该钻头具有围绕钻头柄布置的环型阻尼器元件和安装在刀片中的切向阻尼器元件；

图27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28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；以及

图29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。

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F_N。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F_R取决于法向力，如方程F_R＝μ·F_N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F_S与法向力分量F_N相关，方程为F_S＝μ₀·F_N，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F_r(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(F_r)、相对速度

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

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F_I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：F_I＞μ₀·F_N。根据本公开的实施方案，法向力F_N(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和最佳振幅。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

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

必须高于限定粘滞与滑动之间的极限的扭矩M_H＝F_Nμ_Hr。如本文所用，F_N是法向力，并且μ_H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

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

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***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

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F_N。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F_N。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F_N、静摩擦系数μ₀、动摩擦系数μ、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F_N：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F_N。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F_N，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F_N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F_N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F_N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F_N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F_N以在一个时间周期内实现期望的结果。例如，可控制法向力F_N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F_N1，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F_N2。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F_N1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F_N2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F_N1，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F_N2，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F_N3。

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F_N13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F_N32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F_N1、F_N2、F_N3、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μ_i·F_i(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HFT0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F_Ni、第一端静摩擦系数或动摩擦系数μ_i和第一端惯性矩J_i)，并且在第二端1910b处具有第二接触(例如，第二端法向力F_Ni、第二端静摩擦系数或动摩擦系数μ_i和第二端惯性矩J_i)。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)：F_R＞μ₀·F_N(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，如本文所述的阻尼器的一个位置可在钻头内。即，根据本公开的一些实施方案，阻尼器可整合到钻头或其他碎裂设备中并且成为该钻头或其他碎裂设备的一部分。在此类实施方案中，到钻头的距离为零或基本上为零。在钻头中结合有阻尼器/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，因为阻尼因在钻头处或接近钻头的模态振型的高振幅而为高，所以阻尼器/阻尼器元件可相对短并且仍然实现足够的阻尼效应。钻头处或中的阻尼器可小于30cm、或40cm、或50cm、或100cm、或150cm。

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，钻头或其他碎裂设备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。

在定位于钻头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并且被配置为扭转地旋转。在另一个实施方案中，定位于钻头的阻尼器可以是在切向方向上连接在钻头处并且有效地引起旋转力的线性质量。可围绕钻头或其他碎裂设备(即，在钻柱的端部处)安装和配置若干单独阻尼器。在另一个配置中，阻尼器可由钻头的连接到钻头的不同轴向位置的两个强制地连接的零件形成。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。钻头可以是定刀钻头诸如多晶金刚石切削器(“PDC”)、金刚石或浸渍钻头，或滚轮钻头诸如牙轮钻头，或混合钻头。

例如，转向图23，示出了碎裂设备2300的示意图。碎裂设备2300包括多个刀片2302。刀片2302中的每个刀片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，每个刀片2302包括相应的阻尼器元件2304。图23的示意图是示意性端视图，其中碎裂设备2300的轴向长度延伸进出页面。在一个非限制性示例中，阻尼器元件2304可各自在轴向方向上具有L＝0.08m的长度和15000kg/m²的密度。阻尼器元件2304被布置用于0.6、0.8、0.8、0.9、1和1.1的质量标准化模态振型振幅。所实现的阻尼从约0.1％和0.32％变化。分析已给出，对于在碎裂设备2300处振幅为1.1的248Hz的临界模态振型，必要的阻尼为约0.2％。需注意，阻尼器元件2304具有足以限制与HFTO相关联的振幅并且因此减少具有碎裂设备2300的井下工具的振动的相对小的惯性质量。

在一些实施方案中，纯旋转阻尼器可安装在钻头柄内，并且这种配置还将受益于钻头处的高模态振型振幅。然而，这种安装可引起阻尼器元件的较小径向位置。因此，惯性件的较小半径将限制阻尼效应，但是这可通过更高质量可放置在钻头柄处的事实来补偿。即，可基于待发生阻尼的期望振动或模态确定质量和相对于碎裂设备中心轴线的径向位置的选择。

通过将阻尼器元件定位在钻头或其他碎裂设备内或处，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，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钻头处的模态振型的振幅二次方地增加。

根据本公开，可安装在碎裂设备内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。

现在转向图24，示出了根据本公开的一个实施方案的基于钻头的阻尼***2400的示意图。基于钻头的阻尼***2400包括钻头2402和一个或多个阻尼器元件2404。钻头2402具有钻头主体2406和用于与管柱(例如，钻柱)附接和接合的附接部分2408。钻头柄2410在附接部分2408与钻头主体2406之间延伸。钻头主体2406被配置为使得能够切削、破坏或碎裂井下地层中的材料，以便形成钻孔或井筒。安装到钻头2402的是一个或多个阻尼器元件2404。该实施方案的阻尼器元件2404安装到钻头柄2410。

在该实施方案中，阻尼器元件2404由三个单独元件形成，以实现阻尼效应。第一元件2412与钻头柄2410直接接触，并且在一些实施方案中可以是轴向波形弹簧壳体。在第一元件2412外部的是第二元件2414，该第二元件可以是径向摩擦表面壳体。形成阻尼器元件2404的外部或最外侧部件的是第三元件2416，该第三元件可以是惯性柄壳体。在操作期间，第三元件2416(惯性柄壳体)可相对于第二元件2414(径向摩擦表面壳体)和/或第一元件2412(轴向波形弹簧壳体)移动。此类相对移动可在具体模态期间实现，并且因此可实现振动阻尼，如上所述。因此，第一元件2412、第二元件2414和第三元件2416形成围绕钻头柄2410布置的阻尼器惯性环。

在一些实施方案中，如图24所示，安装在钻头柄中/上或钻头柄附近的阻尼器惯性环可由泥浆润滑或由任选的盖套筒2418覆盖。盖套筒2418可围绕第三元件2416布置，以保护接触区域免受泥浆的影响，并且因此允许更受控地施加法向力和摩擦系数。在一些实施方案中，可省略盖套筒2418，并且可增加惯性质量，这将显著地增加可实现的阻尼。在本公开的一些实施方案中，提供摩擦阻尼的接触表面可需要是稳健的，例如，利用多晶金刚石切削器、铜、烧结材料或用于断裂设计的材料，如本领域技术人员所理解。在一些实施方案中，可在径向方向上使用任选的轴承，以保证阻尼器惯性环(例如，图24所示的阻尼器元件2404)的旋转移动。

如所述，阻尼器元件2404可以是单个或多个元件/结构。例如，惯性环本身可以是闭合的或中断的环，例如半壳体。在一些实施方案中，当因钻头设计或配置而无法启用完整环时，可采用半壳体。半壳体可组装在径向摩擦接触部或径向轴承周围，该径向摩擦接触部或径向轴承可相对于图24所示的阻尼器元件2404的第一元件2412和第二元件2414布置并且在位置和振型上类似于该第一元件和该第二元件。轴承也可被分离以允许安装。法向力也可通过由半壳体的弹性和施加的法向/连接力控制的半壳体来施加。径向波形弹簧壳体也可用于在惯性半壳体与径向摩擦表面壳体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在刀片后面以防止流中断的附加质量(惯性件)。与切削流需要低直径的情况相比，刀片后面的环的直径可更高。

转到图25，示出了碎裂设备2500的示意图。碎裂设备2500包括多个刀片2502。刀片2502中的每个刀片被配置为在钻井操作期间切削地层的材料(例如，岩石)。在该实施方案中，不是如相对于图23所示和所述地将阻尼器元件直接结合到刀片中，而是将单个环阻尼器元件2504围绕钻头柄或碎裂设备2500的其他零件布置。图25的示意图是示意性端视图，其中碎裂设备2500的轴向长度延伸进出页面。在该实施方案中，阻尼器元件2504是惯性环，类似于相对于图24所示和所述的惯性环，但是邻近于刀片2502定位并且相对于该刀片定向。如图所示，阻尼器元件2504可包括一个或多个质量结构2506，该一个或多个质量结构可布置在刀片2502中的一个或多个刀片后面或相对于该一个或多个刀片布置。质量结构2506可被选择和配置为使得碎裂设备2500的振动能够发生阻尼。

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)。阻尼器元件与钻头的钻头柄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。钻头的材料可以是钢主体钻头或基体钻头。轴向轴承可用于将潜在法向力弹簧堆叠从惯性质量的旋转移动解耦。

在一些实施方案中，可在钻头或其他碎裂设备的刀片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，可使用螺纹连接到刀片中的(钢)管。切向阻尼器可组装到管中，从而结合有在惯性质量与管或钻头主体之间一优选地与切向方向正交一施加法向力的机构。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碎裂设备的刀片的相应外壳或其一部分中。外壳可具有可安装到刀片的任何几何结构。

转向图26，示出了基于钻头的阻尼***2600的示意图。钻头2602布置有环型阻尼器元件2604，类似于上文相对于图24所示和所述的。钻头2602具有钻头主体2606和用于与管柱(例如，钻柱)附接和接合的附接部分2608。钻头柄2610在附接部分2608与钻头主体2606之间延伸。钻头主体2606被配置为使得能够切削、破坏或碎裂井下地层中的材料，以便形成钻孔或井筒。因此，钻头主体2606可包括一个或多个刀片以执行切削动作。环型阻尼器元件2604安装到钻头柄2610，并且可以是由单件或两个或更多个件形成的完整箍结构。

基于钻头的阻尼***2600另外包括一个或多个刀片型阻尼器元件2620。刀片型阻尼器元件2620被配置为安装在钻头2602的刀片内或安装到该刀片。刀片型阻尼器元件2620可以是切向阻尼器。用于切向阻尼的刀片型阻尼器元件2620可安装到相对于钻井***的轴向轴线具有高半径的位置中(例如，刀片或刀片的径向末端内)。在一些实施方案中，刀片型阻尼器元件2620可安装并在切向方向(即，切向加速度的方向)上自由移动。为了实现这一点，可将(例如，由钢形成的)管螺纹连接到刀片中。然后可将刀片型阻尼器元件2620组装到管或其他外壳结构中，从而结合有在惯性质量与管或钻头主体2606之间施加法向力的机构。在一些实施方案中，这种安装可与切向方向正交。外壳结构可具有可安装到碎裂设备2602的刀片或该刀片中的任何几何结构。

现在转向图27至图28，示出了阻尼器元件2700、2800的示意图。如上所述，阻尼器元件2700、2800被配置用于安装在碎裂设备的刀片内。每个阻尼器元件2700、2800包括用于容纳和包含相应阻尼器元件2700、2800的部件的相应外壳2702、2802。第一阻尼器元件2700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2800具有基本上圆形几何结构。外壳2702、2802被配置为安装到碎裂设备的刀片中(例如，如图26所示)。

阻尼器元件2700、2800各自包括可移动地安装在外壳2702、2802内的质量元件2704、2804。质量元件2704、2804布置在安装元件2706、2806与接触元件2708、2808之间。安装元件2706、2806被配置为在相应质量元件2704、2804上朝向接触元件2708、2808施加力。因此，可在相应质量元件2704、2804与接触元件2708、2808之间实现摩擦接触。质量元件2704、2804可与一个或多个限制止动件2710、2810一起布置在相应外壳2702、2802内。限制止动件2710、2810可包括用于使质量元件2704、2804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2710、2810可防止质量元件2704、2804卡在外壳2702、2802的一个边缘中。限制止动件2710、2810可被配置有弹簧或其他元件以避免损坏质量元件2704、2804，并且将质量元件2704、2804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2702、2802中的弹簧刚度和/或间隙2711、2811，以允许质量元件2704、2804在外壳2702、2802内移动可以是有利的。阻尼器元件2700、2800可被布置为***件(例如，外壳2702、2802被配置用于安装)。可***阻尼器元件2700、2800可被安装成使得将质量元件2704、2804放置在相对于钻井***的轴线具有高半径的位置处，以增加旋转惯性。

安装元件2706、2806被配置为在质量元件2704、2804上施加法向力。例如，安装元件2706、2806可被布置为弹簧壳体以将质量元件2704、2804推压成与接触元件2708、2808接触。此外，安装元件2706、2806和/或接触元件2708、2808可被配置为控制质量元件2704、2804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2706、2806将质量元件2704、2804推压成与接触元件2708、2808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。也可诸如通过钻头岩石相互作用动力学地实现联接。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。

可采用的阻尼的另一种形式是液压阻尼。这种液压阻尼可通过位于钻头刀片中或布置为围绕钻头或碎裂装置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/钻井***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。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、膨胀剂(例如，剪切增稠流体)、假塑性体、宾汉塑性体、宾汉假塑性流体等。

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29，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

(例如，相对移动/速度)的曲线图2900。在该曲线图中，曲线2902表示牛顿流体的性质，曲线2904表示剪切稀化非牛顿流体的性质，并且曲线2906表示剪切增稠非牛顿流体的性质。尽管曲线图2900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2900上，曲线2902包括点1、2、3，曲线2904包括点4、5、6，并且曲线2906包括点7、8、9。点1-9表示扭矩T或力F相对于相对位移

的差异关系。

在曲线图2900中，曲线2902、2904、2906(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

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，如同利用非旋转套筒或转向单元存在那样。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29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附近、钻头处或钻头中特别良好。

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部件的电路。电气部件的组合可用于在惯性环与钻头部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部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)、D₃₁(与力的方向正交)和D₁₅(剪切应力)。压电材料的布置可放置成针对对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或其他碎裂设备中。例如，环型钻头阻尼器可定位成位于钻头柄中或围绕该钻头柄。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柄组装(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，其中离散质量布置在钻头的刀片后面或相邻于这些刀片。在另一个示例中，完整环结构可被布置为与刀片相邻，但是环的具体附加质量元件或特征部可相对于钻头的特定刀片定位。一个这种示例可在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的圆周自由地移动。在质量或更高质量位于具体刀片后面或与具体刀片相邻的实施方案中，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刀片保持在一定位置。

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/或弹簧可由壳体构建等。钻头或其他碎裂设备的材料可以是钢或基体复合材料等。在一些实施方案中，可在径向方向上使用轴承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碎裂设备的刀片中或上实现。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刀片中的外壳内。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。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。

因此，本公开的实施方案涉及在井下***的钻头或其他碎裂设备处或中定位阻尼***，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，该井下管柱包括碎裂设备；和阻尼***，该阻尼***位于以下中的至少一者处：该井下管柱中和/或上，该阻尼***被配置为使该井下管柱的扭转振荡发生阻尼。

实施方案2：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼***被布置为提供粘性阻尼。

实施方案3：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼***被布置为提供压电阻尼。

实施方案4：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼***被布置为提供涡流阻尼。

实施方案5：根据任一前述实施方案所述的***，其中该阻尼***包括布置为与该碎裂设备的一部分接触的至少一个阻尼器元件。

实施方案6：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相对于该碎裂设备移动，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7：根据任一前述实施方案所述的***，其中该碎裂设备是包括钻头主体和钻头柄的钻头。

实施方案8：根据任一前述实施方案所述的***，其中至少一个阻尼器元件围绕该钻头柄布置。

实施方案9：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柄周向地布置的环型结构，该钻头主体包括多个刀片，并且该环型结构包括一个或多个质量结构，其中至少一个质量结构相对于该多个刀片中的一个刀片布置。

实施方案10：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包括：第一元件，该第一元件被布置为与该钻头柄接触；第二元件，该第二元件布置在该第一元件的外部；以及第三元件，该第三元件布置在该第二元件的外部。

实施方案11：根据任一前述实施方案所述的***，其中该第一元件是轴向波形弹簧，该第二元件是径向摩擦表面壳体，并且该第三元件是惯性柄壳体。

实施方案12：根据任一前述实施方案所述的***，该***还包括：盖套筒，该盖套筒围绕着围绕该钻头柄布置的该至少一个阻尼器元件布置，该盖套筒被配置为保护围绕该钻头柄布置的该至少一个阻尼器元件。

实施方案13：根据任一前述实施方案所述的***，其中该碎裂设备包括至少一个刀片，其中至少一个阻尼器元件布置在该至少一个刀片中。

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***，其中该至少一个阻尼器元件包括：外壳，该外壳被配置为安装在该至少一个刀片内；和质量元件，该质量元件布置在该外壳内并且能够在该外壳中移动。

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：安装元件，该安装元件位于该外壳内；和接触元件，该接触元件位于所述外壳内，其中该质量元件布置在该安装元件与该接触元件之间，并且其中该安装元件被配置为将该质量元件朝向该外壳内的该接触元件推压。

实施方案17：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，该限制止动件布置在该外壳内并且被配置为防止该质量元件粘滞在该外壳内。

实施方案18：一种使钻孔中的井下***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：井下***上和/或中，该井下***包括具有碎裂设备的井下管柱，并且该阻尼***被配置为使该井下管柱的扭转振荡发生阻尼。

实施方案19：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该阻尼***包括布置为与该碎裂设备的一部分接触的至少一个阻尼器元件。

实施方案20：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该阻尼器元件以一定速度相对于该碎裂设备移动，该速度是具有振幅的周期性速度波动和平均速度的总和，其中该平均速度低于该周期性速度波动的该振幅。

实施方案21：根据任一前述实施方案所述的方法，其中该阻尼***被布置为对该井下管柱的扭转振荡提供粘性阻尼、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。

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)，所述井下管柱包括碎裂设备(2300)；以及

阻尼***(1000)，所述阻尼***位于以下中的至少一者处：所述井下管柱(704)中和/或上，所述阻尼***(1000)被配置为使所述井下管柱(704)的扭转振荡发生阻尼。

2.根据权利要求1所述的***(712)，其中所述阻尼***(1000)被布置为提供粘性阻尼、压电阻尼、涡流阻尼中的至少一者。

3.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述阻尼***(1000)包括布置为与所述碎裂设备(2300)的一部分接触的至少一个阻尼器元件(2304)。

4.根据权利要求3所述的***(712)，其中所述阻尼器元件(2304)被配置为以一定速度相对于所述碎裂设备(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。

5.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述碎裂设备(2300)是包括钻头主体(2406)和钻头柄(2410)的钻头(2402)。

6.根据权利要求5所述的***(712)，其中至少一个阻尼器元件(2304)围绕所述钻头柄(2410)布置，优选地所述***还包括：盖套筒(2418)，所述盖套筒围绕着围绕所述钻头柄(2410)布置的所述至少一个阻尼器元件(2304)布置，所述盖套筒(2418)被配置为保护围绕所述钻头柄(2410)布置的所述至少一个阻尼器元件(2304)。

7.根据权利要求5所述的***(712)，其中：

所述至少一个阻尼器元件(2304)是围绕所述钻头柄(2410)周向地布置的环型结构，

所述钻头主体(2406)包括多个刀片(2302)，并且

所述环型结构包括一个或多个质量结构(2506)，其中至少一个质量结构相对于所述多个刀片(2302)中的一个刀片布置。

8.根据权利要求5所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2304)包括：

第一元件(1010)，所述第一元件布置为与所述钻头柄(2410)接触；

第二元件(1012)，所述第二元件布置在所述第一元件(1010)的外部；以及

第三元件(2416)，所述第三元件布置在所述第二元件(1012)的外部，

优选地，其中所述第一元件(1010)是轴向波形弹簧，所述第二元件(1012)是径向摩擦表面壳体，并且所述第三元件(2416)是惯性柄(2410)壳体。

9.根据任一前述权利要求所述的***(712)，其中所述碎裂设备(2300)包括至少一个刀片(2302)，其中至少一个阻尼器元件(2304)布置在所述至少一个刀片(2302)中。

10.根据权利要求9所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2304)是以下中的一者：是切向阻尼器元件(2304)，或者包括被配置为安装在所述至少一个刀片(2302)内的外壳(2702)和布置在所述外壳(2702)内并且能够在所述外壳中移动的质量元件(2704)。

11.根据权利要求10所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2304)还包括：

安装元件(2706)，所述安装元件位于所述外壳(2702)内；以及

接触元件(2708)，所述接触元件位于所述外壳(2702)内，

其中所述质量元件(2704)布置在所述安装元件(2706)与所述接触元件(2708)之间，并且其中所述安装元件(2706)被配置为在所述外壳(2702)内将所述质量元件(2704)朝向所述接触元件(2708)推压。

12.根据权利要求11所述的***(712)，其中所述至少一个阻尼器元件(2304)还包括限制止动件，所述限制止动件布置在所述外壳(2702)内并且被配置为防止所述质量元件(2704)粘滞在所述外壳(2702)内。

13.一种使钻孔(26)中的井下***(1002)的扭转振荡发生阻尼的方法，所述方法包括：

将阻尼***(1000)安装在以下中的至少一者处：所述井下***(1002)上和/或中，所述井下***(1002)包括具有碎裂设备(2300)的井下管柱(704)，并且所述阻尼***(1000)被配置为使所述井下管柱(704)的扭转振荡发生阻尼。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述阻尼器元件(2304)以一定速度相对于所述碎裂设备(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，其中所述平均速度低于所述周期性速度波动的所述振幅。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其中所述阻尼***(1000)被布置为对所述井下管柱(704)的扭转振荡提供粘性阻尼、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。

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