用于對鉆柱中的振動進行阻尼的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于對鉆柱中的振動，特別地由于粘滑造成的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的設(shè)備和方法。傳感器測量在沿著鉆柱的長度的一個或多個位置處的鉆柱的瞬時角速度。一個或多個減振模塊沿著鉆柱的長度隔開。當(dāng)檢測到高于閾值的扭轉(zhuǎn)振動時，阻尼模塊將反向扭矩強加在鉆具上，這對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。能夠通過對鉆柱的旋轉(zhuǎn)施加摩擦阻力來形成所述反向扭矩。能夠通過使摩擦墊從阻尼模塊延伸，使得所述摩擦墊在鉆柱旋轉(zhuǎn)時接觸鉆孔壁并且沿著鉆孔拖動而在外部形成摩擦阻力，或者通過將安裝到鉆柱上的外殼錨固到鉆孔壁上，并且然后將摩擦阻力強加于在鉆柱內(nèi)流動的流體，例如磁流變流體上，而在內(nèi)部形成摩擦阻力。
【專利說明】用于對鉆柱中的振動進行阻尼的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下鉆探，并且更具體地涉及對鉆探到地層中的鉆柱中的振動、特別地扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地下鉆探，例如氣、油或地?zé)徙@探，通常涉及穿過地下較深的地層鉆出鉆孔。通過將鉆頭連接到被稱作“鉆管”的長的管段，以形成通常被稱作“鉆柱”的組件來形成這樣的鉆孔。鉆柱從地面延伸到鉆孔的底部。
[0003]鉆頭被旋轉(zhuǎn)，使得其前移到陸地中，從而形成鉆孔。在旋轉(zhuǎn)鉆探中，通過從地面旋轉(zhuǎn)鉆柱來旋轉(zhuǎn)鉆頭。在地面上的活塞操作泵將被稱作“鉆探泥漿”的高壓流體泵送通過鉆柱中的內(nèi)部通路并且通過鉆頭泵送出來。鉆探泥漿潤滑鉆頭，并且從鉆頭的路徑?jīng)_刷鉆屑。在馬達鉆探的情況下，流動泥漿還對鉆探馬達提供動力，鉆探馬達通常被稱作“泥漿馬達”，其轉(zhuǎn)動鉆頭，無論鉆柱是否旋轉(zhuǎn)。泥漿馬達配備有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子響應(yīng)于鉆探泥漿通過該轉(zhuǎn)子而產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)子被聯(lián)接到鉆頭，使得扭矩被傳遞到鉆頭，從而導(dǎo)致鉆頭旋轉(zhuǎn)。然后鉆探泥漿通過形成在鉆柱和鉆孔表面之間的環(huán)形通路而流動到地面。
[0004]鉆柱可經(jīng)歷各種類型的振動?！拜S向振動”指在沿著鉆柱軸線的方向上的振動?！皺M向振動”指垂直于鉆柱軸線的振動。兩個橫向振動源為“向前”和“向后”或“反向”渦動。扭轉(zhuǎn)振動在地下鉆探中也是受關(guān)注的，并且扭轉(zhuǎn)振動通常為被稱作“粘滑”作用的結(jié)果。當(dāng)鉆頭或鉆柱的下部段暫時停止旋轉(zhuǎn)(即，“卡鉆”)而上方的鉆柱繼續(xù)旋轉(zhuǎn)從而造成鉆柱“卷緊”，之后被卡的元件“滑移”并且再次旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)粘滑。常常，在鉆柱釋放時，鉆頭將超速。另一可能的后果是當(dāng)滑移結(jié)束時，反彈運動將導(dǎo)致鉆柱的部分逆時針旋轉(zhuǎn)，這可以導(dǎo)致鉆柱部段之間的螺紋接頭中的一個或多個脫離。
[0005]目前市售的系統(tǒng),例如APS Technology的振動記憶模塊?通過基于磁力計的輸出，測量并記錄在給定時段，例如每四秒的最大和最小瞬時每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(“RPM”)來確定由粘滑所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動。然后通過確定在該給定時段在鉆柱的最大瞬時旋轉(zhuǎn)速度與最小瞬時旋轉(zhuǎn)速度之間的差異來確定由粘滑所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動的振幅。優(yōu)選地，以預(yù)定間隔，例如每四秒記錄軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動的均方根和峰值。軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動的振幅可例如經(jīng)由泥漿脈沖遙測技術(shù)傳遞到地面或者在井下儲存，以用于后續(xù)分析。
[0006]不利的是，盡管能夠檢測到有害的扭轉(zhuǎn)振動、特別是“粘滑”的存在，目前并不存在有效的方法來對這樣的振動進行阻尼。因此，存在對用于對鉆柱中的振動，特別是由粘滑所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的設(shè)備和方法的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供用于減小鉆柱扭轉(zhuǎn)振動，包括由于粘滑造成的扭轉(zhuǎn)振動的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明，能夠例如通過與鉆孔壁相互作用或者通過引起內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流體阻力來向鉆柱施加扭轉(zhuǎn)阻尼力(即，反向扭矩)，并且由此限制鉆柱的最大角速度。[0008]本發(fā)明涵蓋一種對鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的方法，所述鉆柱具有用于穿過地層鉆出鉆孔的鉆頭。所述方法包括以下步驟:(i)沿第一旋轉(zhuǎn)方向向所述鉆柱施加扭矩，以致使所述鉆柱在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)，由此所述鉆頭在地層中鉆出鉆孔；(ii)感測指示在所述鉆柱中存在扭轉(zhuǎn)振動的與所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的數(shù)值；(iii)將所述參數(shù)的數(shù)值與第一閾值進行比較；以及(iv)當(dāng)所述參數(shù)的數(shù)值超過所述閾值時，向所述鉆柱施加反向扭矩，所述反向扭矩作用在與所述第一旋轉(zhuǎn)方向相反的第二旋轉(zhuǎn)方向上，以對所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。在一個實施例中，通過對所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力來向所述鉆柱施加反向扭矩。在該實施例的一個示例中，通過圍繞鉆孔壁拖動摩擦構(gòu)件來向所述鉆柱施加反向扭矩。在該實施例的另一個示例中，通過對所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)增加流體摩擦阻力來施加反向扭矩。
[0009]本發(fā)明還包括一種用于對鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的設(shè)備，所述鉆柱具有用于穿過地層鉆出鉆孔的鉆頭，所述設(shè)備包括:(i)沿第一旋轉(zhuǎn)方向向所述鉆柱施加扭矩以使所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)由此鉆頭在地層中鉆出鉆孔的裝置；(ii)傳感器，所述傳感器用于感測指示在所述鉆柱中存在扭轉(zhuǎn)振動的與所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的數(shù)值；以及(iii)當(dāng)所述參數(shù)的數(shù)值超過第一閾值時向所述鉆柱施加反向扭矩的裝置。在該設(shè)備的一個實施例中，用于向所述鉆柱施加反向扭矩的裝置包括用于對所述鉆柱沿第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的裝置，所述摩擦阻力足以形成對所述鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的所述反向扭矩。在該實施例的一個示例中，通過圍繞鉆孔的壁拖動摩擦構(gòu)件來向所述鉆柱施加所述反向扭矩。在該實施例的另一個示例中，通過對所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)增加流體摩擦阻力來施加反向扭矩。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為使用結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的減振模塊的鉆柱的鉆探操作的部分示意圖。
[0011]圖2為在阻尼模塊的位置處的穿過圖1所示的鉆柱所截取的橫截面圖。
[0012]圖3為類似于圖2的視圖，示出本發(fā)明的阻尼模塊的另一實施例。
[0013]圖4為穿過根據(jù)本發(fā)明的阻尼模塊的另一實施例的縱截面圖。
[0014]圖5為類似于圖4的視圖，示出了本發(fā)明的阻尼模塊的另一實施例。
[0015]圖6A、圖6B和圖6C分別為用在圖5所示的阻尼模塊中的泵的可替代實施例的分解圖、縱截面圖和橫截面圖。
[0016]圖7為穿過圖1所示的鉆鋌的一部分的縱截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的阻尼模塊的另一實施例。
[0017]圖8為類似于圖7的視圖，示出了本發(fā)明的另一實施例，其中，阻尼模塊對橫向振動進行阻尼。
【具體實施方式】
[0018]圖1描繪了使用鉆柱12的地下鉆探操作，鉆柱12結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)振動阻尼器模塊10。鉆柱12包括鉆鋌14、形成鉆柱的井下端的底孔組件(“BHA”)11和鉆頭13。根據(jù)本發(fā)明，BHA還包括振動阻尼模塊10?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)鉆柱12來旋轉(zhuǎn)鉆頭13。通過將相對較長的管段(通常被稱作“鉆管”)連接在一起而形成鉆柱12。隨著鉆柱12更深地進入到地層16中，能夠通過將額外的鉆管段連接到鉆柱來增加鉆柱14的長度。
[0019]可通過位于地面上的鉆機15的馬達21來施加用以沿第一旋轉(zhuǎn)方向，例如當(dāng)在鉆柱上往下看時的順時針方向旋轉(zhuǎn)鉆柱12的扭矩。鉆探扭矩從馬達21通過轉(zhuǎn)盤22、方鉆桿(未圖示)和鉆鋌14而傳遞到鉆頭13。旋轉(zhuǎn)鉆頭13前移到地層16中，從而形成鉆孔17。在另一方法中，泥漿馬達(未圖示)被結(jié)合到底孔組件11中，從而鉆頭13由泥漿馬達而非鉆柱13的旋轉(zhuǎn)來旋轉(zhuǎn)，或鉆頭13由泥漿馬達與鉆柱13的旋轉(zhuǎn)組合來旋轉(zhuǎn)。
[0020]鉆探泥漿被從地面泵送通過鉆柱12中的中心通路并且從鉆頭13出來。由位于地面處的泵18來循環(huán)鉆探泥漿。當(dāng)通過鉆頭13離開時，鉆探泥漿通過形成在鉆鋌14和鉆孔17的表面之間的環(huán)形通路19而返回到地面。
[0021]能夠響應(yīng)于操作者通過地面控制系統(tǒng)20的輸入來控制鉆機15和鉆柱12的操作。
[0022]BHAll還能夠包括懸掛在鉆鋌14內(nèi)的隨鉆測量(“MWD”)工具30。該MWD工具30能夠包括泥漿脈沖遙測系統(tǒng)，其包括控制器、脈沖器和壓力脈動傳感器31。所述泥漿脈沖遙測系統(tǒng)能夠促進在底孔組件11和地面之間通信。
[0023]MWD工具30還能夠包括傳感器62 (在圖2中示出)，優(yōu)選地包括至少兩個傳感器，用于感測鉆柱12的旋轉(zhuǎn)。這樣的傳感器62可包括三個磁力計，該三個磁力計能夠被用于確定鉆柱關(guān)于其軸線的相對定向，如在美國專利N0.7，681，663 (Cobern)中所描述，該專利文獻以全文引用的方式結(jié)合到本文中。在MWD工具30中的信號處理器33能夠處理從傳感器62獲得的測量，以確定在傳感器的位置處的鉆柱的大致瞬時角速度(即，MTF的變化率)。處理器33比較由傳感器62測量的鉆柱12的最小瞬時速度和最大瞬時速度，其中差異指示扭轉(zhuǎn)振動或“粘滑”的振幅。優(yōu)選地，傳感器62的讀數(shù)以IOOOHz (每毫秒一次)的采樣率被取樣，并且被向下濾波至250Hz。通過計算在特定時間段內(nèi)的最小角速度和最大角速度之間的差來確定扭轉(zhuǎn)振動。
[0024]與鉆探操作有關(guān)的信息和命令能夠使用泥漿脈沖遙測系統(tǒng)在地面和阻尼模塊10之間傳遞。泥漿脈沖遙測系統(tǒng)的脈沖器能夠使用地下鉆探【技術(shù)領(lǐng)域】中的技術(shù)人員已知的技術(shù)在被泵送通過鉆鋌14的鉆探泥漿中產(chǎn)生壓力脈沖。位于井下組件中的控制器能夠?qū)⒋粋鬟f的信息編碼成壓力脈沖序列，并且該控制器能夠使用已知的技術(shù)命令脈沖器在鉆探泥漿中生成所述脈沖序列。
[0025]位于地面處的應(yīng)變計壓力換能器(未圖示)能夠感測在鉆探泥漿柱中的壓力脈沖，并且生成表示脈沖的電輸出。所述電輸出能夠被傳遞到地面控制系統(tǒng)20，所述地面控制系統(tǒng)20能夠?qū)υ家悦}沖編碼的數(shù)據(jù)進行解碼和分析。鉆探操作者能夠使用該信息來設(shè)定鉆探參數(shù)。
[0026]在美國專利N0.6，714，138 (Turner 等人)和美國專利 N0.7，327，634 (Perry等人)中描述了合適的脈沖器，以上兩個專利文獻中的每一個都以全文引用的方式結(jié)合到本文中。在2005年3月21日提交且標題為“System and Method for TransmittingInformation Through a Fluid Medium”的美國申請序列號11/085，306中描述了能夠結(jié)合泥漿脈沖遙測系統(tǒng)321使用的用于生成、編碼和解碼壓力脈沖的技術(shù)，該申請以全文引用的方式結(jié)合到本文中。
[0027]還能夠通過位于地面處的脈沖器(未圖示)在鉆柱12內(nèi)的鉆探泥漿柱中生成壓力脈沖。用于阻尼器模塊10的命令能夠基于來自鉆探操作者的輸入以這些脈沖進行編碼。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在底孔組件11中的壓力脈動傳感器31感測從地面?zhèn)鬟f的壓力脈沖，并且能夠向處理器33發(fā)送表示所感測到的壓力脈沖的輸出。處理器33能被編程為對以壓力脈沖編碼的信息進行解碼。該信息能夠被用于操作阻尼器模塊10，從而阻尼器模塊的操作能夠受到鉆探操作者控制。例如，操作者能夠改變阻尼模塊將被處理器33致動或停用的閾值。在美國專利N0.6，105，690 (Biglin, Jr.等人)中描述了適用作壓力脈動傳感器31的壓力脈動傳感器，該專利以全文引用的方式結(jié)合到本文中。
[0028]在圖2中示出扭轉(zhuǎn)阻尼模塊10的第一實施例。模塊10被聯(lián)接到鉆柱12并且隨著鉆柱12 —起旋轉(zhuǎn)。模塊10包括腔室46，活塞50的一端51被設(shè)置在該腔室46中?；钊?0的另一端接觸摩擦墊44。摩擦墊44繞樞軸銷64樞轉(zhuǎn)，從而活塞50的延伸致使摩擦墊44通過繞樞軸銷旋轉(zhuǎn)而徑向向外延伸，并且接合地層16中的鉆孔17的側(cè)部。彈簧52聯(lián)接到摩擦墊44，以將摩擦墊44偏壓到其縮回位置中。出于說明目的，圖2以實線示出處于其延伸位置的第一摩擦墊44，并且以虛線示出了處于其縮回位置的第二摩擦墊44。但是如將在下文中進一步討論，總體上，在阻尼模塊中的所有摩擦墊44將同時延伸或縮回。而且，盡管在圖2中僅示出了兩個摩擦墊組件，多于兩個摩擦組件能夠結(jié)合到每個阻尼模塊中。優(yōu)選地，每個摩擦墊44與在阻尼模塊10中的每另一個摩擦墊44軸向移位，但若需要，所有的摩擦墊44能位于相同的平面中。
[0029]從泥漿泵18流動到鉆頭13的鉆探泥漿流動通過阻尼模塊10中的中心通路106。作為主要由于流動通過鉆頭13所導(dǎo)致的壓降的結(jié)果，在通路106中的泥漿的壓力顯著地大于環(huán)形通路19中的泥漿的壓力，所述環(huán)形通路19形成在阻尼模塊10和鉆孔17之間，從鉆頭13排放的鉆探泥漿通過該環(huán)形通路19返回到地面，用以再循環(huán)。因此，在中心通路106和環(huán)形通路19中的鉆探泥衆(zhòng)之間存在大的壓差。通路49使中心通路106中的聞壓鉆探泥漿與設(shè)置在活塞50的端部51的一側(cè)上的腔室46的第一部分45流動連通。通過45使腔室部分45與腔室46的第二部分47流動連通，腔室46的第二部分被設(shè)置在與腔室部分45相反的活塞端51的一側(cè)上。通路42中的孔口 65限制在腔室部分45和47之間的泥漿的流動。雖然在優(yōu)選實施例中使用固定孔口 65，但是也能夠替代地使用受到處理器33控制的開關(guān)閥或可變流動控制閥，從而能排除或調(diào)節(jié)在腔室部分45和47之間的泥漿的流動。通路53和54使腔室部分47與環(huán)形通路19流動連通。通路54中的閥56調(diào)節(jié)泥漿從腔室部分47到環(huán)形通路19的流動，所述閥56優(yōu)選地為響應(yīng)于來自處理器33的信號而操作的電磁閥。一對彈簧48將活塞50的端部51偏壓到縮回位置中。
[0030]當(dāng)沒有泥漿流動通過鉆柱14時，在活塞50兩端并不存在壓差，并且所述彈簧52將摩擦墊44維持在縮回位置，以促進鉆柱12旋轉(zhuǎn)和滑動到鉆孔17中。除非由處理器33確定的扭轉(zhuǎn)振動的振幅超過閾值，閥56保持關(guān)閉。
[0031]當(dāng)泥漿流動通過鉆柱，但通路54中的閥54關(guān)閉時，高壓泥漿將從中央通路106通過通路49流動到腔室部分45中。泥漿將從腔室部分45通過通路42流動到腔室部分47中，并且因此通過通路53流動到環(huán)形通路19，以返回到地面。由于在腔室部分45與47之間的壓差，在活塞50的端部51的兩側(cè)形成壓差，壓差的大小取決于在通路42和53之間的流動面積的差等。該壓差使得力F1作用在活塞50上，這趨于徑向向外驅(qū)動活塞并且和因此驅(qū)動該活塞所接觸的摩擦墊44。另一方面，作用在活塞50上的彈簧48和作用在摩擦墊44上的彈簧52在活塞50上施加合力F2，其趨于徑向向內(nèi)驅(qū)動活塞。優(yōu)選地，相對于通路42中孔口 62的設(shè)定通路53的尺寸，從而通過通路53和42的相對泥漿流量使得當(dāng)泥漿流動通過鉆柱，但閥56關(guān)閉時，腔室部分45和47之間的壓差導(dǎo)致延伸力F1稍微大于縮回力F2。因此，為力F1和F2之間差的力F3被施加到摩擦墊44。由于F3相對較小，所以當(dāng)鉆柱操作并且泥漿流動通過鉆柱，但扭轉(zhuǎn)振動并不超過閾值時，摩擦墊44輕微地承靠在鉆孔17的壁上。當(dāng)鉆柱操作時由摩擦墊44抵靠鉆孔17的相對恒定的輕微接觸將不會造成摩擦墊過度磨損，也不會造成鉆柱角速度的明顯延遲。但是，其允許摩擦墊44在鉆柱的操作期間持續(xù)展開(deploy)，并且準備對于高扭轉(zhuǎn)振動做出快速響應(yīng)，同時并不向鉆孔壁施加明顯的力。
[0032]由于摩擦墊44抵靠鉆孔17的壁持續(xù)地展開，盡管較為輕微，所以阻尼模塊10能夠非?？焖俚叵蜚@柱12施加反向扭矩，以對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。特別地，摩擦墊44能夠非常快速地向鉆孔壁施加顯著的力，這是因為將摩擦墊從縮回位置移動到延伸位置所需的時間段由于摩擦墊在鉆柱操作期間被恒定地保持在延伸位置而被消除。
[0033]當(dāng)處理器33基于來自傳感器62的信息確定扭轉(zhuǎn)振動已經(jīng)超過閾值時，通路54中的閥56被打開。所述閾值可以是預(yù)定數(shù)值或者可以是可變的，所述閾值的數(shù)值取決于操作條件，諸如鉆柱的長度、鉆柱的RPM等。閥56的打開增加鉆探泥漿從腔室部分47到環(huán)形通路19的流動，特別地歸因于先前所討論的通過鉆頭13的壓降，在環(huán)形通路19中的泥漿的壓力顯著地低于在中心通路106中流動的泥漿的壓力。通路42中的孔口 65的尺寸被設(shè)定為使得通過通路54到環(huán)形通路19的泥漿流能夠遠大于通過在腔室部分45和47之間的通路42的泥漿流。因此，閥58的打開在活塞50的端部51兩側(cè)生成顯著的壓差。該壓差生成顯著的延伸力F1，以明顯地克服由彈簧48和52所產(chǎn)生的縮回力F2的阻力，使得相對大的力F3驅(qū)動活塞50抵靠摩擦墊44。因此，摩擦墊44以顯著的力壓靠在鉆孔17的壁上，從而生成摩擦曳力，該摩擦曳力則產(chǎn)生“反向”扭矩，即，在與被施加以使鉆柱旋轉(zhuǎn)的扭矩的方向相反方向上施加的扭矩，使得所述反向扭矩對抗鉆柱的旋轉(zhuǎn)。該“反向”扭矩對鉆柱12的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
[0034]因此，當(dāng)鉆頭13 “卡鉆”之后“滑移”，從而隨著鉆柱12解繞而加速時，由阻尼模塊10所產(chǎn)生的“反向”扭矩用于減弱鉆頭13的加速度，從而減小鉆頭達到的最大角速度，并且因此減小伴隨的扭轉(zhuǎn)振動的振幅。優(yōu)選地，處理器33同時地發(fā)送使阻尼模塊中的其它摩擦墊組件的閥56類似地致動的信號。
[0035]應(yīng)認識到扭轉(zhuǎn)振動的頻率通常相對較高。因此，阻尼模塊10優(yōu)選地能對于過度的扭轉(zhuǎn)振動的感測做出非?？焖俚捻憫?yīng)，例如，在毫秒內(nèi)做出響應(yīng)。
[0036]當(dāng)處理器33確定扭轉(zhuǎn)振動已經(jīng)降低到低于閾值時，該閾值可以與用于致動摩擦墊44的閾值相同或可以是不同的閾值)，處理器停用閥56，即關(guān)閉閥56，使得在腔室部分45和47之間的壓差再次被最小化。因此，在活塞50的端部51兩側(cè)的壓差被最小化，從而導(dǎo)致摩擦墊44如之前那樣僅輕微接觸鉆孔17壁。
[0037]盡管如上文所討論那樣，閥56為每當(dāng)從處理器33接收到致動信號時完全打開的電磁閥，但是也能夠使用可變流量控制閥。在該構(gòu)造中，處理器被編程為改變通過閥56的流動，并且由此改變摩擦墊44施加到鉆孔17的力。而這允許改變由模塊10形成的阻尼量，這取決于所測量到的扭轉(zhuǎn)振動的水平，或者取決于沿著鉆柱12的長度的阻尼器模塊10的位置。
[0038]盡管在上文所討論的實施例中，僅在閥56響應(yīng)于由處理器33確定扭轉(zhuǎn)振動超過閾值而打開時致動摩擦墊44，阻尼模塊還能夠被操作為例如通過摒棄閥56而總是致動摩擦墊44并且向鉆孔壁施加顯著的力。在該構(gòu)造中，無論扭轉(zhuǎn)振動水平如何，阻尼模塊10將在每當(dāng)泥漿流動時提供阻尼。
[0039]盡管在上文所討論的實施例中，通路53被用于在腔室部分45和47之間形成相對較小的壓差，以將摩擦墊44持續(xù)地放置在延伸位置而不向鉆孔壁施加顯著的力，替代地，可消除(eliminate)通路53并且通路54中的閥56能夠是流量控制閥，該流量控制閥改變通過通路54中的流率，以維持在腔室部分45和47之間相對小的壓差。在該構(gòu)造中，壓力傳感器(未圖示)能夠被用于測量鉆探泥漿的壓力，或者直接地測量在腔室部分45和47之間的壓差，并且該測量結(jié)果被提供給處理器33。處理器33將被編程為具有以下邏輯:允許處理器33控制閥56，以將腔室45和47之間微小壓差維持為足以維持摩擦墊44被展開但并不施加明顯摩擦曳力。
[0040]盡管在上文所討論的實施例中，通路53或閥56用于將摩擦墊44持續(xù)地放置在延伸位置，可替代地，可簡單地消除通路53并且在正常操作期間將閥56維持關(guān)閉。在該情形中，通路42使腔室部分45中的鉆探泥漿的壓力與腔室部分47中的鉆探泥漿的壓力均等，并且在正常操作期間將活塞50維持在縮回位置，以最小化摩擦墊44的磨損。在該實施例中，摩擦墊44僅在扭轉(zhuǎn)振動超過閾值時延伸。
[0041]盡管在圖1中僅示出一個阻尼模塊10，但是多個類似的阻尼模塊能夠在整個鉆柱12上隔開，優(yōu)選地在鉆柱的下部中。阻尼模塊10則將在沿著鉆柱12的離散位置處施加反向扭矩。在這些阻尼模塊中每一個阻尼模塊中的處理器33能夠致使每個阻尼模塊的摩擦墊44同時地運行，或者每個處理器33能夠被單獨地編程，以對在該模塊處所測量的不同水平的扭轉(zhuǎn)振動做出響應(yīng)。
[0042]盡管如上文所討論的那樣，活塞50抵著鉆孔17的壁徑向向外驅(qū)動摩擦構(gòu)件，在替代實施例中，可免除墊44，并且活塞本身能夠是與鉆孔壁接觸以對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的摩擦構(gòu)件。此外，盡管在優(yōu)選實施例中，彈簧48和52用于對活塞50施加縮回力，但是能夠免除這些彈簧中的一個或多個。如果彈簧48或52沒有被使用，則施加到鉆孔17的壁上的力F3將等于由活塞50生成的力F1。
[0043]如先前所討論的那樣，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，能夠通過在泥漿中生成壓力脈沖或者通過開始和停止鉆柱旋轉(zhuǎn)而從地面控制阻尼模塊?？商娲?，可在地面處生成電磁信號，并且由BHA中的合適傳感器接收該電磁信號。這種下行鏈結(jié)(down-linking)允許鉆機操作者改變扭轉(zhuǎn)振動閾值水平或者改變當(dāng)裝置被致動時所施加的阻尼力的大小，裝置在所述扭轉(zhuǎn)振動閾值水平處被致動。另外，應(yīng)當(dāng)指出的是，在粘滑期間，沿著鉆柱12的角速度變化在更靠近鉆頭13處比在地面附近大。因此，如果多個阻尼模塊10沿著鉆柱12的長度分布，如上文所討論的那樣，每個模塊均能夠由操作者使用泥漿脈沖遙測技術(shù)單獨地指揮，以調(diào)節(jié)該模塊的阻尼力或扭轉(zhuǎn)振動閾值。因此，例如，更靠近鉆頭13的阻尼模塊能夠比遠離鉆頭的阻尼模塊施加更大的摩擦曳力。
[0044]在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的阻尼模塊10’的第二實施例。該實施例以類似于上文所描述的實施例10的方式起作用。模塊10’包括外殼122，聯(lián)接到模塊的驅(qū)動軸99延伸通過該外殼122，使得模塊隨著驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，所述驅(qū)動軸則聯(lián)接到鉆柱12。軸99中形成有中心通路106，鉆探泥漿流動通過所述中心通路106，如上文所解釋的那樣。來自液壓系統(tǒng)的通路150供應(yīng)液壓流體，當(dāng)處理器33響應(yīng)于扭轉(zhuǎn)振動致動液壓系統(tǒng)(未圖示)中的閥時，所述液壓流體對缸152進行加壓。缸152的加壓致動活塞154，這致使摩擦墊112繞樞軸銷158旋轉(zhuǎn)并且接觸鉆孔17，從而形成阻尼力，如上文所解釋的那樣。
[0045]在標題為“Rotary Steerable Motor System For Underground Drilling，，(Turner等人)的美國專利N0.7，389，830中更全面地描述致動活塞154的系統(tǒng)，該專利文獻以其全文引用的方式結(jié)合到本文中，除了為了實現(xiàn)振動阻尼，加壓液壓流體被同時地供應(yīng)到每個缸152，而非如在前述專利中所描述的那樣相繼地實現(xiàn)鉆頭13的轉(zhuǎn)向之外?？商娲?，模塊10’的摩擦墊112能夠根據(jù)前述專利被相繼地(sequentially)致動以便實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，但加上在這些水平疊加的均勻程度的向外力以實現(xiàn)阻尼，即，被供應(yīng)到缸152的液壓流體能夠通過模塊10’的每次旋轉(zhuǎn)而改變，使得盡管每個摩擦墊112在模塊10’的每個360°旋轉(zhuǎn)期間與鉆孔17持續(xù)地接觸，但是摩擦墊施加到鉆孔的向外力的振幅(amp I i tude )在每個360°旋轉(zhuǎn)期間改變，如在前述專利中所描述的那樣，從而鉆頭13的路徑被改變。以此方式，模塊10’能夠在不同時間或者在相同時間同時地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和阻尼。
[0046]在圖4中示出了扭轉(zhuǎn)振動阻尼器10〃的第三實施例。該模塊10〃包括外殼90，夕卜殼90封閉軸70。軸70被聯(lián)接到鉆柱12并且隨著鉆柱12旋轉(zhuǎn)，并且所述軸70在模塊外殼90的任一側(cè)上被支承在軸承76上。來自地面的鉆探泥漿流動通過軸70中的中心通路106，如上文所討論的那樣。多個活塞腔室80被支承在外殼90內(nèi)，并且繞模塊10的圓周在前后位置處隔開?；瑒踊钊?4被支承在每個腔室80內(nèi)，并且被彈簧78徑向向內(nèi)偏壓到縮回位置中。當(dāng)鉆柱不旋轉(zhuǎn)并且沒有泥漿被泵送通過鉆柱時，活塞74的縮回促進鉆柱12滑動到鉆孔17中。
[0047]通路82使在中心通路106中流動的鉆探泥漿與腔室80中的每一個腔室流動連通。因此，每當(dāng)發(fā)生鉆探，并且鉆探泥漿流動通過中心通路106時，每個腔室80中的鉆探泥漿的壓力徑向向外驅(qū)動活塞74，使得所述活塞74接觸鉆孔17的壁。不同于上文所討論的阻尼模塊10和10’，在該實施例中，腔室80和活塞74的尺寸被設(shè)定為使得由活塞抵著鉆孔17生成充分的力以防止阻尼模塊10"的外殼90的任何旋轉(zhuǎn)，即使當(dāng)活塞對阻尼扭轉(zhuǎn)振動的力產(chǎn)生反作用時也如此，如下文所討論的那樣。因此，活塞74充當(dāng)防止外殼90旋轉(zhuǎn)的錨固件。
[0048]腔室87被安裝在外殼90中，并且具有密封件，該密封件作用在軸70的外徑上，從而將該腔室密封。一排旋轉(zhuǎn)葉片86被聯(lián)接到軸70并且沿圓周排列，使得所述一排旋轉(zhuǎn)葉片86在腔室87內(nèi)從軸70徑向向外延伸。一排靜葉(vane) 88安裝在外殼90中并且沿圓周排列，使得所述一排靜葉88在腔室87內(nèi)從外殼90徑向向內(nèi)延伸，并且使得每一排靜葉88被設(shè)置在兩排旋轉(zhuǎn)葉片86之間，由此在每個靜葉排和相鄰的葉片排之間形成軸向間隙。由于靜葉88被安裝在外殼90中，并且活塞74防止外殼旋轉(zhuǎn)，所以靜葉88被保持靜止。盡管示出了三排葉片86和兩排靜葉88，但是也能夠利用更大或更少數(shù)目的葉片和靜葉。電磁體84和85被定位在腔室87的任一側(cè)上。電磁體84、85的線圈在處理器33的控制下由電源72例如電池供電。
[0049]腔室87，包括在葉片排86與靜葉排88之間的軸向間隙，填充有磁流變流體(在下文中被稱作“MR流體”)。MR流體通常包括鐵磁或順磁性粒子的非膠態(tài)懸浮液。所述粒子通常具有大于大約0.1微米的直徑。所述粒子懸浮在載液中，例如礦物油、水或硅中。在正常條件下，MR流體具有常規(guī)油的流動特征。但在磁場(例如由電磁體84和85所形成的磁場)存在的情況下，懸浮在載液中的粒子被極化。該極化導(dǎo)致所述粒子在載液中組織成鏈。該粒子鏈增加MR流體的流體剪切強度(和因此增加流動阻力或粘性)。在移除磁場之后，粒子返回到無組織狀態(tài)，并且流體剪切強度和流動阻力返回到其先前的數(shù)值。因此，磁場的受控施加允許非常迅速地改變MR流體的流體剪切強度和流動阻力。美國專利n0.5，382，373(Carlson等人)中描述了 MR流體，其以全文引用的方式結(jié)合到本文中。適用于阻尼模塊10〃的 MR 流體可購自 APS Technology of Cro麗ell, CT。
[0050]在正常操作期間，沒有功率被供應(yīng)到電磁體84和85的線圈，使得MR流體幾乎不對葉片86相對于靜止靜葉88的旋轉(zhuǎn)施加阻力。但是，如果處理器33確定扭轉(zhuǎn)振動超過了閾值，電磁體84、85的線圈被供電，由此形成磁場，該磁場增加腔室87中的MR的粘度。增加的粘度增加葉片所經(jīng)受的流動阻力，由此形成對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的力。因此，作為如在上文所討論的實施例10和10’中在襯墊44、112和鉆孔17之間的摩擦阻力的替代，在實施例10"中，在模塊10"內(nèi)部形成的流體摩擦阻力被用于形成對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的反向扭矩。供應(yīng)給電磁體84、85的電流越大，MR流體所經(jīng)受的磁場就越強，因此，施加到葉片86旋轉(zhuǎn)的阻力就越大，并且阻尼力就越大。因此，通過控制到電磁體84、85的電流，處理器33能改變由阻尼模塊10〃施加到鉆柱上的阻尼的量。
[0051]在圖5中示出了阻尼模塊10〃’的第四實施例。除了腔室87包括聯(lián)接到軸70以隨著軸70 —起旋轉(zhuǎn)的葉輪96，所述腔室87在外殼90內(nèi)被保持靜止，而外殼90由活塞74保持靜止之外，該實施例類似于在圖4中示出的實施例10"。填充有流體的流動通路94連接葉輪96的入口 97和出口 98，使得葉輪充當(dāng)將流體循環(huán)通過通路94的泵。流動通路94中的閥92調(diào)節(jié)通路中的壓降。在正常操作期間，閥92完全打開，使得流體通過通路94的流動幾乎不存在流體阻力，并且因此葉輪96旋轉(zhuǎn)的幾乎不存在阻力。但是，當(dāng)處理器33確定扭轉(zhuǎn)振動超過閾值時，處理器33將閥92關(guān)閉，從而減小通路94的流動面積并且對流體通過通路94的流動形成額外阻力。該對葉輪96的旋轉(zhuǎn)，并且因此軸70和軸70為其一部分的鉆柱的旋轉(zhuǎn)的額外流動阻力形成對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的力(即，反向扭矩)。閥92關(guān)閉越緊，施加到葉輪96的阻力就越大并且阻尼力就越大。因此，通過控制閥92，處理器33能夠改變由阻尼模塊10〃’施加到鉆柱上的阻尼的量。應(yīng)當(dāng)指出的是，類似實施例10〃，在實施例10"’中，在模塊10"’內(nèi)部形成的流體摩擦阻力用于形成對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的反向扭矩。
[0052]圖6A、圖6B和圖6C示出了圖5所示的阻尼模塊10"’中的泵的替代實施例。圖6所示的泵114為正排量泵,而非圖5所示的葉輪型泵,并且優(yōu)選地為液壓靜葉泵(hydraulicvane pump),如圖6A和圖6B和圖6C所示和如先前以引用的方式結(jié)合到本文中的美國專利N0.7，389，830所描述。泵114包括定子127和居中地設(shè)置在定子124內(nèi)的轉(zhuǎn)子128。泵114還包括固定到定子127的井下端(down-hole end)的軸承密封外殼129和固定到定子127的井上端(up-hole end)的歧管130。軸承被居中地設(shè)置在軸承密封外殼129內(nèi)。圖6B所示的驅(qū)動軸70使轉(zhuǎn)子128相對于定子127旋轉(zhuǎn)，所述驅(qū)動軸70被聯(lián)接到鉆柱以隨之旋轉(zhuǎn)。軸承124使驅(qū)動軸70大致對中在外殼122內(nèi)，同時促進驅(qū)動軸70相對于外殼122旋轉(zhuǎn)。泵114、外殼122和驅(qū)動軸70大致同心。泵114的定子127、軸承密封外殼129和歧管130被限制相對于外殼122旋轉(zhuǎn)，并且優(yōu)選地通過將外殼122錨固到鉆孔壁來防止旋轉(zhuǎn)，定子127、軸承密封外殼129和歧管130被聯(lián)接到外殼122，如在先前結(jié)合圖4和圖5所示的外殼90所討論的那樣。
[0053]歧管130中形成有三個入口端口 131a和三個出口端口 131b。可以是合適的高溫低壓縮性油，例如M0BIL624合成油的流體通過入口端口 131a進入液壓泵114。彈簧加載的靜葉132被設(shè)置在形成在轉(zhuǎn)子128中的徑向凹槽133中。三個凸輪凸角(cam lobe)134圍繞定子124的內(nèi)圓周定位。在轉(zhuǎn)子128在定子127內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，凸輪凸角134接觸靜葉132。凸輪凸角134的形狀結(jié)合在靜葉132上的彈簧力導(dǎo)致靜葉132縮回和延伸進出凹槽133。
[0054]由于凸輪凸角134的形狀和在靜葉132上的彈簧力，每個靜葉132在其旋轉(zhuǎn)經(jīng)過入口端口 131a時徑向向外移動。該移動生成吸力，該吸力將油抽吸通過入口端口 131a，并且抽吸到轉(zhuǎn)子128和定子127之間的區(qū)域中。靜葉132的進一步移動沿順時針方向朝下一個凸輪凸角134和出口端口 131b掃掠油。在油被朝出口端口 131b掃掠時，凸輪凸角134的輪廓減小在轉(zhuǎn)子128和定子127之間的區(qū)域，并且由此升高油壓。加壓的油被迫使通過出口端口 131b從泵114出來。
[0055]僅出于示例性目的描述使用液壓靜葉泵例如泵114。能夠在替代中使用能夠耐受在井下鉆探環(huán)境中通常遇到的溫度、壓力和振動的其它類型的液壓泵。例如，在替代實施例中，泵114能夠軸向活塞泵。
[0056]泵114由驅(qū)動軸70驅(qū)動。特別地，位于轉(zhuǎn)子128內(nèi)的驅(qū)動軸70的部分優(yōu)選地在其外圓周的周圍形成有花鍵135。所述花鍵135大致沿軸向方向延伸。所述花鍵135接合形成在轉(zhuǎn)子128上的互補花鍵136，使得驅(qū)動軸70相對于外殼122的旋轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)子施加相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)。使用軸向定向的花鍵135、136促進在驅(qū)動軸70和轉(zhuǎn)子128之間在軸向方向上有限程度的相對運動。該運動能夠由于諸如下列因素造成:差熱偏轉(zhuǎn)、機械荷載等。允許轉(zhuǎn)子128相對于驅(qū)動軸70移動能夠減小泵114經(jīng)受由于其與驅(qū)動軸70相互作用而造成的過量應(yīng)力的可能性。滾珠軸承148被居中地位于歧管130內(nèi)。軸承148幫助將驅(qū)動軸70對中在泵114內(nèi)，并且因此減小泵114被驅(qū)動軸70強加到其上的過量徑向荷載損壞的可能性。利用在潤滑回路中的油來潤滑軸承148。
[0057]在圖7中示出了阻尼模塊10〃〃的第五實施例。這是無源阻尼器概念，并且在理論上類似于用于聯(lián)接旋轉(zhuǎn)機械的裝置。該概念使用位于鉆鋌14內(nèi)并且通過螺紋襯套104聯(lián)接到鉆鋌14的柱形內(nèi)部質(zhì)量體100。所述螺紋襯套104鍵接到鉆鋌14并且因此隨鉆鋌一起旋轉(zhuǎn)，鉆鋌則隨著鉆柱12 —起旋轉(zhuǎn)。安裝在鉆鋌14中的軸承102徑向且在軸向支承所述質(zhì)量體100，使得所述質(zhì)量體能夠相對于鉆鋌14和螺紋襯套104旋轉(zhuǎn)。質(zhì)量體的一端具有公螺紋，并且襯套104具有配合的母螺紋，從而質(zhì)量體和襯套螺接在一起。這允許鉆鋌14相對于質(zhì)量體100旋轉(zhuǎn)。蝶形彈簧組105位于襯套104的端部和形成在鉆鋌14中的壁107之間。
[0058]當(dāng)鉆鋌14例如由于粘滑而開始旋轉(zhuǎn)加速時，質(zhì)量體100的慣性抵抗旋轉(zhuǎn)加速。因此，質(zhì)量體100至少在最初以比鉆鋌13更低的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。鉆鋌14和質(zhì)量體100之間的旋轉(zhuǎn)速度差導(dǎo)致螺紋襯套104相對于鉆鋌14向圖7中的右方軸向移位，即，襯套104開始從質(zhì)量體“旋開”。該移位導(dǎo)致螺紋襯套104壓縮彈簧組105，從而導(dǎo)致所施加的扭矩與鉆鋌速度增加的方向相反。與襯套104中的螺紋相關(guān)聯(lián)的螺旋角導(dǎo)致質(zhì)量體100的慣性阻力向鉆鋌14施加扭矩，該扭矩抵抗加速并且由此對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。因此，質(zhì)量體100的作用在于，當(dāng)卡住的鉆頭13 “滑移”時有效地阻礙鉆柱12加速。在鉆鋌14到達其最大速度并且開始減速時，質(zhì)量體100的慣性沿相反方向施加扭矩，從而減小減速的速率。因此，在鉆鋌14的速度變化的任何時間，質(zhì)量體100沿相反方向施加扭矩，從而有效地對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
[0059]盡管結(jié)合該實施例示出了蝶形彈簧，但是也能夠使用其它類型的彈簧，例如螺旋彈簧或扭轉(zhuǎn)彈簧。
[0060]圖8示出了本發(fā)明的另一實施例，其中，阻尼模塊200用于對橫向振動，包括渦旋進行阻尼。橫向振動導(dǎo)致鉆鋌14循環(huán)撓曲并且橫向移動。根據(jù)該實施例，柱形內(nèi)部質(zhì)量體100’借助于彈性體層202聯(lián)接到鉆鋌14，所述彈性體層202結(jié)合到鉆鋌14和質(zhì)量體。優(yōu)選地，彈性體202為具有優(yōu)良阻尼特征的類型的橡膠。
[0061]鉆鋌14在橫向振動期間撓曲，從而導(dǎo)致在鉆鋌14和柱形內(nèi)部質(zhì)量體100’之間的相對移位。該相對移位導(dǎo)致彈性體層202經(jīng)歷應(yīng)變。層202的滯后阻尼了橫向振動。在其中鉆鋌14繞鉆孔17進動的渦旋的情況下，質(zhì)量體100’橫向偏轉(zhuǎn)，從而向?qū)?02施加應(yīng)變，導(dǎo)致阻尼。
[0062]提供以上描述是出于解釋說明目的并且不應(yīng)被理解為限制本發(fā)明。雖然參考優(yōu)選實施例或優(yōu)選方法描述了本發(fā)明，應(yīng)理解，在本文使用的詞語為描述和說明詞語，而非限制詞語。此外，盡管在本文中參考特定結(jié)構(gòu)、方法和實施例描述了本發(fā)明。本發(fā)明不旨在限于本文所公開的特點，因為本發(fā)明可擴展到在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)、方法和用途。受益于本說明書的教導(dǎo)內(nèi)容的相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不偏離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下對本文所描述的本發(fā)明進行許多修改，并且可做出變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于對鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的方法，所述鉆柱具有用于穿過地層鉆出鉆孔的鉆頭，所述方法包括以下步驟: a)沿第一旋轉(zhuǎn)方向向所述鉆柱施加扭矩，以使所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，從而所述鉆頭在所述地層中鉆出所述鉆孔； b)感測指示在所述鉆柱中存在扭轉(zhuǎn)振動的參數(shù)的數(shù)值； c)將所述參數(shù)的所述數(shù)值與第一閾值進行比較； d)當(dāng)所述參數(shù)的所述數(shù)值超過所述第一閾值時，向所述鉆柱施加反向扭矩，其中，所述反向扭矩在與所述第一旋轉(zhuǎn)方向相反的第二旋轉(zhuǎn)方向上作用，以對所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過將足以對所述鉆柱的所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的摩擦阻力強加到所述鉆柱在所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)來向所述鉆柱施加所述反向扭矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，強加所述摩擦阻力的步驟包括:使從所述鉆柱徑向向外延伸的至少一個構(gòu)件將足以對所述鉆柱的所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的第一力施加在所述鉆孔的壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述構(gòu)件徑向向外延伸但并不向所述鉆孔壁施加足夠的力來明顯地抵抗所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)的情況下，所述鉆柱被運行持續(xù)第一時段，并且其中，強加所述摩擦阻力的步驟包括:使先前在所述第一時段期間延伸的所述構(gòu)件隨后在所述鉆孔壁上施加所述第一力。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述構(gòu)件通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)而從所述鉆柱徑向向外延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，使所述構(gòu)件徑向向外延伸的步驟包括:克服徑向向內(nèi)偏壓所述構(gòu)件的彈簧力。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述構(gòu)件將所述第一力施加到所述鉆孔壁上之后，所述鉆柱繼續(xù)沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，其中，在所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，在將所述第一力強加在所述鉆孔的所述壁上的同時，通過圍繞所述鉆孔的所述壁拖動所述構(gòu)件而施加所述摩擦阻力。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述鉆孔壁上施加第一力的步驟包括:響應(yīng)于感測到的所述參數(shù)的所述數(shù)值，改變施加到所述鉆孔壁上的所述第一力的大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括以下步驟:使鉆探泥漿流動通過所述鉆柱，并且其中，所述鉆探泥漿的壓力產(chǎn)生第二力，所述第二力導(dǎo)致所述構(gòu)件在所述鉆孔壁上施加所述第一力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第一力大致等于所述第二力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，彈簧力徑向向內(nèi)偏壓所述構(gòu)件，并且其中，所述第一力大致等于所述第二力減去所述彈簧力。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，通過將所述鉆探泥漿的至少一部分引導(dǎo)至活塞，所述鉆探泥漿的壓力產(chǎn)生所述第二力，所述第二力導(dǎo)致所述構(gòu)件向所述鉆孔壁施加所述第一力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述活塞徑向向外驅(qū)動所述構(gòu)件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述構(gòu)件包括所述活塞。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述構(gòu)件具有相對于所述鉆柱的縮回位置和延伸位置，并且所述方法還包括以下步驟:當(dāng)指示扭轉(zhuǎn)振動的所述參數(shù)的所述數(shù)值不超過所述第一閾值時，使所述構(gòu)件從所述縮回位置朝所述延伸位置至少部分地向外延伸，由此縮短當(dāng)所述參數(shù)超過所述第一閾值時使所述構(gòu)件向所述鉆孔壁施加所述第一力所需的時間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，當(dāng)所述構(gòu)件至少部分地延伸時，所述構(gòu)件并未向所述鉆孔壁施加足夠的力來顯著地對扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，當(dāng)所述參數(shù)的所述數(shù)值不超過所述第一閾值時，所述構(gòu)件延伸而足以輕微觸碰所述鉆孔壁。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，對所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的步驟包括:增加在所述鉆柱內(nèi)流動的流體的流動阻力，由此所述摩擦阻力為流體摩擦阻力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述流體為磁流變流體，并且響應(yīng)于所述參數(shù)超過所述第一閾值，通過產(chǎn)生作用在所述磁流變流體上的磁場來增加所述流動阻力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，在所述鉆柱內(nèi)流動的所述流體流動通過所述鉆柱中的通路，并且其中，響應(yīng)于所述參數(shù)超過所述第一閾值，通過局部地減小所述通路的流動面積來增加在所述鉆柱內(nèi)流動的所述流體的所述流動阻力。
21.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述鉆柱包括安裝在所述鉆柱中的外殼，所述外殼封閉所述鉆柱的軸部，并且所述方法還包括以下步驟:將所述外殼錨固到所述鉆孔壁，使得在所述鉆柱的所述軸部在所述外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，所述外殼保持大致靜止。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，對所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的步驟包括:增加在所述外殼內(nèi)流動的流體的流動阻力。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述流體為磁流變流體，并且響應(yīng)于所述參數(shù)超過所述第一閾值，通過產(chǎn)生作用在所述磁流變流體上的磁場來增加所述流動阻力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，腔室形成在所述外殼和所述軸之間，并且其中，所述磁流變流體被布置在所述腔室內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，一排靜止葉片從所述外殼延伸，并且一排旋轉(zhuǎn)葉片從所述軸延伸，由此在所述靜止葉片和所述旋轉(zhuǎn)葉片之間形成間隙，并且其中，所述磁流變流體被布置在所述間隙內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述外殼內(nèi)流動的所述流體流動通過所述外殼中的通路，并且其中，響應(yīng)于所述參數(shù)超過所述第一閾值，通過局部地減小所述通路的流動面積來增加在所述鉆柱內(nèi)流動的所述流體的所述流動阻力。
27.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述鉆柱包括第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件被安裝成在第二構(gòu)件上旋轉(zhuǎn)，使得所述第二構(gòu)件在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上的角加速導(dǎo)致所述第一構(gòu)件相對于所述第二構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，并且其中，對所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的步驟包括:對所述第二構(gòu)件在所述第一構(gòu)件上的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦阻力。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間施加彈簧力來增加所述第二構(gòu)件在所述第一構(gòu)件上的旋轉(zhuǎn)的所述摩擦阻力。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述第一構(gòu)件被安裝成通過形成在所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件上的配合螺紋繞所述第二構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，并且其中，通過在所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間施加彈簧力來增加所述第二構(gòu)件在所述第一構(gòu)件上旋轉(zhuǎn)的所述摩擦阻力，所述彈簧力增加了在所述配合螺紋之間的相對旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟:當(dāng)所述參數(shù)降低到第二閾值以下時停止施加所述反向扭矩。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述第二閾值不同于所述第一閾值。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述第二閾值與所述第一閾值大致相同。
33.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一閾值的所述數(shù)值是預(yù)定的。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一閾值的所述數(shù)值根據(jù)所述鉆柱的運行條件而變化。
35.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述參數(shù)包括:在沿所述鉆柱的長度的至少一個位置處的所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度。
36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述參數(shù)包括:所述鉆柱的至少一部分在一定時段的大致瞬時角速度的變化。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)所述參數(shù)的所述數(shù)值超過所述第一閾值時向所述鉆柱施加反向扭矩的步驟包括:在沿所述鉆柱的多個離散位置處施加所述反向扭矩。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，施加在沿所述鉆柱的所述多個離散位置處的所述反向扭矩的數(shù)值在所述離散 位置之間不同。
39.一種用于對鉆柱中的扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼的設(shè)備，所述鉆柱具有用于穿過地層鉆出鉆孔的鉆頭，所述設(shè)備包括: a)沿第一旋轉(zhuǎn)方向向所述鉆柱施加扭矩以使所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)由此所述鉆頭在所述地層中鉆出所述鉆孔的裝置； b)用于感測指示在所述鉆柱中存在扭轉(zhuǎn)振動的參數(shù)的數(shù)值的傳感器； c)當(dāng)所述參數(shù)的所述數(shù)值超過第一閾值時向所述鉆柱施加反向扭矩的裝置，其中，所述反向扭矩作用在與所述第一旋轉(zhuǎn)方向相反的第二旋轉(zhuǎn)方向上，以對所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中，用于向所述鉆柱施加反向扭矩的所述裝置包括:用于向所述鉆柱在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)強加足以產(chǎn)生所述反向扭矩的摩擦阻力的裝置，所述反向扭矩對所述鉆柱的所述扭轉(zhuǎn)振動進行阻尼。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其中，用于強加所述摩擦阻力的所述裝置包括:能夠從所述鉆柱徑向向外延伸以向所述鉆孔的壁施加第一力的構(gòu)件。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中，所述構(gòu)件通過繞樞軸旋轉(zhuǎn)而從所述鉆柱徑向向外延伸。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的設(shè)備，還包括用于響應(yīng)于所述參數(shù)的所述數(shù)值超過所述第一閾值而使所述構(gòu)件徑向向外延伸的裝置。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其中，用于使所述構(gòu)件徑向向外延伸的所述裝置包括用于克服徑向向內(nèi)偏壓所述構(gòu)件的彈簧力的裝置。
45.根據(jù)權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中，在所述鉆柱沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，在將所述第一力強加在所述鉆孔的所述壁上的同時，所述用于強加摩擦阻力的裝置通過繞所述鉆孔的所述壁拖動所述構(gòu)件來強加摩擦阻力。
46.根據(jù)權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其中，所述用于強加摩擦阻力的裝置致使施加到所述鉆孔壁上的所述第一力的大小響應(yīng)于感測到的所述參數(shù)的數(shù)值而改變。
47.根據(jù)權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其中，所述用于對所述鉆柱在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的裝置包括:用于增加對所述鉆柱在所述第一方向上的旋轉(zhuǎn)的流體阻力的裝置。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中，所述用于增加對所述鉆柱在所述第一方向上的旋轉(zhuǎn)的流體阻力的裝置包括:腔室，所述腔室聯(lián)接到所述鉆柱并且包含磁流變流體；和電磁體，所述電磁體響應(yīng)于所述參數(shù)的所述數(shù)值超過所述第一閾值而使所述磁流變流體經(jīng)受磁場。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其中，在所述腔室中形成有通路，由此所述磁流變流體在所述通路內(nèi)流動。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的設(shè)備，其中，所述通路由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的間隙形成，所述第一構(gòu)件聯(lián)接到所述鉆柱以隨所述鉆柱旋轉(zhuǎn)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，還包括用于將所述第二構(gòu)件維持靜止的裝置。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的設(shè)備，其中，所述用于將所述第二構(gòu)件維持靜止的裝置包括至少一個錨，所述至少一個錨用于將包含所述腔室的外殼錨固到所述鉆孔壁。
53.根據(jù)權(quán)利要求47所述的設(shè)備，還包括外殼，所述外殼聯(lián)接到所述鉆柱但被防止與所述鉆柱一起旋轉(zhuǎn)，其中，所述用于增加流體阻力的裝置包括用于使流體在所述外殼內(nèi)循環(huán)的裝置。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的`設(shè)備，其中，所述用于使流體在所述外殼內(nèi)循環(huán)的裝置包括泵。
55.根據(jù)權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中，所述參數(shù)包括在沿所述鉆柱的長度的至少一個位置處的所述鉆柱的旋轉(zhuǎn)速度。
56.根據(jù)權(quán)利要求39所述的設(shè)備，其中，由所述傳感器感測的所述參數(shù)包括所述鉆柱的至少一部分在一定時段內(nèi)的大致瞬時角速度的變化。
57.根據(jù)權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其中，所述鉆柱包括第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件被安裝成在第二構(gòu)件上旋轉(zhuǎn)，使得所述第二構(gòu)件在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上的角加速導(dǎo)致所述第一構(gòu)件相對于所述第二構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，并且其中，所述用于對所述鉆柱在所述第一旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)強加摩擦阻力的裝置包括對所述第二構(gòu)件在所述第一構(gòu)件上的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦阻力的裝置。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的設(shè)備，其中，所述用于對所述第二構(gòu)件在所述第一構(gòu)件上的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦阻力的裝置包括將力強加在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間的彈簧。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的設(shè)備，其中，所述第一構(gòu)件被安裝成通過形成在所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件上的配合螺紋而繞所述第二構(gòu)件旋轉(zhuǎn)，并且所述設(shè)備還包括彈簧，所述彈簧在所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件之間施加彈簧力，所述彈簧力增加對所述配合螺紋之間的相對旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力。
60.一種用于對鉆柱中的橫向振動進行阻尼的設(shè)備，所述鉆柱具有用于穿過地層鉆出鉆孔的鉆頭，所述設(shè)備包括:a)鉆鋌，所述鉆鋌聯(lián)接到所述鉆頭并且形成所述鉆柱的一部分， b)質(zhì)量體，所述質(zhì)量體通過彈性體聯(lián)接到所述鉆鋌，所述質(zhì)量體被設(shè)置在所述鉆鋌和所述彈性體之間，由此，由于橫向振動造成的所述鉆鋌的撓曲導(dǎo)致在所述鉆鋌和所述質(zhì)量體之間的相對移位，所述 相對移位導(dǎo)致所述彈性體經(jīng)歷應(yīng)變，從而對所述鉆柱的橫向振動進行阻尼。
【文檔編號】E21B17/07GK103502560SQ201280019770
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月7日
【發(fā)明者】威廉·埃文斯·特納, 馬克·休特琴森, 迪爾克·博斯曼, 馬克·埃爾斯沃思·瓦塞爾, 卡爾·阿莉森·佩里, 馬丁·E·科伯恩 申請人:Aps技術(shù)公司