BR112020018448A2

BR112020018448A2 - Amortecedores para mitigação de vibrações em ferramenta de fundo de poço

Info

Publication number: BR112020018448A2
Application number: BR112020018448-9A
Authority: BR
Inventors: Andreas Hohl; Sasa Mihajlovic
Original assignee: Baker Hughes Holdings Llc
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-12-29
Also published as: EP3765706A4; US20190284881A1; AR123395A1; AR114702A1; CN111989457B; WO2019178318A1; EP3765706A1; CN111989457A; US11136834B2

Abstract

amortecedores para mitigação de vibrações em ferramenta de fundo de poço. são descritos sistemas e métodos para amortecimento de oscilações torcionais de sistemas de fundo de poço. os sistemas incluem um sistema de amortecimento configurado no sistema de fundo de poço. o sistema de amortecimento inclui um primeiro elemento e um segundo elemento em contato de atrito com o primeiro elemento. o segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

Description

"AMORTECEDORES PARA MITIGAÇÃO DE VIBRAÇÕES EM FERRAMENTA DE FUNDO DE POÇO" REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDOS DE DEPÓSITO CORRELATOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício de uma data de depósito anterior ao pedido de patente US nº de série 62/643.291, depositado em 15 de março de 2018, cuja revelação está aqui incorporada a título de referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES

1. Campo da invenção

[0002] A presente invenção se refere genericamente a operações de fundo de poço e a sistemas para amortecer vibrações dos sistemas de fundo de poço durante o funcionamento.

2. Descrição da técnica relacionada

[0003] São perfurados poços profundos no solo para muitas aplicações, como sequestro de dióxido de carbono, produção geotérmica, e exploração e produção de hidrocarbonetos. Em todas as aplicações, os poços são perfurados de modo que passem através de, ou permitam o acesso a, um material (por exemplo, um gás ou fluido) contido em uma formação (por exemplo, um compartimento) situada abaixo da superfície do solo. Diferentes tipos de ferramentas e instrumentos podem ser dispostos nos poços para executar várias tarefas e medições.

[0004] Em funcionamento, os componentes de fundo de poço podem estar sujeitos a vibrações que podem afetar as eficiências operacionais. Por exemplo, vibrações graves em colunas de perfuração e conjuntos de fundo de poço podem ser causadas por forças de corte na broca ou desequilíbrios de massa em ferramentas de fundo de poço, como motores de lama. Os impactos provenientes dessas vibrações podem incluir, mas não se limitam a, taxa de penetração reduzida, qualidade reduzida de medições e excesso de fadiga e desgaste em componentes, ferramentas e/ou dispositivos de fundo de poço.

SUMÁRIO

[0005] São revelados aqui sistemas e métodos para amortecimento de oscilações, como oscilações torcionais, de sistemas de fundo de poço. Os sistemas incluem um sistema de fundo de poço disposto de modo a girar no interior de um poço, e um sistema de amortecimento configurado no sistema de fundo de poço. O sistema de amortecimento inclui um primeiro elemento e um segundo elemento, sendo que o primeiro elemento faz parte do sistema de fundo de poço, e sendo que o segundo elemento está conectado por atrito ao primeiro elemento, e sendo que o contato de atrito alterna de um atrito estático para um atrito dinâmico.

[0006] Os métodos incluem instalar um sistema de amortecimento em um sistema de fundo de poço disposto de modo a girar no interior de um poço. O sistema de amortecimento inclui um primeiro elemento e um segundo elemento, sendo que o primeiro elemento faz parte do sistema de fundo de poço e sendo que o segundo elemento é móvel em relação ao primeiro elemento, e sendo que a velocidade média do segundo elemento é igual à velocidade média do primeiro elemento.

[0007] Adicionalmente, são revelados aqui sistemas e métodos para amortecimento de oscilações torcionais de sistemas de fundo de poço. Os sistemas incluem um sistema de amortecimento configurado no sistema de fundo de poço. O sistema de amortecimento inclui um primeiro elemento e um segundo elemento em contato de atrito com o primeiro elemento. O segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0008] O assunto, que é considerado como a invenção, é particularmente descrito e distintamente reivindicado nas reivindicações ao final deste relatório descritivo. Os supracitados, bem como outros recursos e vantagens da invenção, ficam evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos em anexo, sendo que elementos similares são numerados de modo similar, em que:

[0009] a Figura 1 é um exemplo de um sistema para executar operações de fundo de poço que podem empregar modalidades da presente revelação;

[0010] a Figura 2 é um gráfico ilustrativo de uma curva típica de força de atrito ou torque versus velocidade relativa ou velocidade de rotação relativa entre dois corpos interatuantes;

[0011] a Figura 3 é um gráfico de histerese de uma força de atrito versus deslocamento para uma velocidade relativa média positiva com pequenas flutuações de velocidade adicionais;

[0012] a Figura 4 é um gráfico de força de atrito, velocidade relativa e um produto de ambas versus tempo para uma velocidade relativa média positiva com pequenas flutuações de velocidade adicionais;

[0013] a Figura 5 é um gráfico de histerese de uma força de atrito versus deslocamento para uma velocidade relativa média de zero com pequenas flutuações de velocidade adicionais;

[0014] a Figura 6 é um gráfico de força de atrito, velocidade relativa e um produto de ambas para uma velocidade relativa média de zero com pequenas flutuações de velocidade adicionais;

[0015] a Figura 7 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0016] a Figura 8A é um gráfico de aceleração tangencial medida em uma broca;

[0017] a Figura 8B é um gráfico correspondente à Figura 8A ilustrando a velocidade de rotação;

[0018] a Figura 9A é um gráfico esquemático de um sistema de fundo de poço ilustrando um formato de um sistema de fundo de poço como uma função de distância da broca;

[0019] a Figura 9B ilustra formatos de modo correspondentes exemplificadores de vibrações torcionais que podem ser excitadas durante o funcionamento do sistema de fundo de poço da Figura 9A;

[0020] a Figura 10 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0021] a Figura 11 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0022] a Figura 12 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0023] a Figura 13 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0024] a Figura 14 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0025] a Figura 15 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0026] a Figura 16 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0027] a Figura 17 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0028] a Figura 18 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação;

[0029] a Figura 19 é uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento de acordo com uma modalidade da presente revelação; e

[0030] a Figura 20 é um gráfico esquemático de uma razão de amortecimento modal versus amplitude de vibração local;

[0031] a Figura 21 é uma ilustração esquemática de uma ferramenta de fundo de poço tendo um sistema de amortecimento; e

[0032] a Figura 22 é uma ilustração em seção transversal da ferramenta de fundo de poço da Figura 21.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0033] A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de um sistema para executar operações de fundo de poço. Conforme mostrado, o sistema é um sistema de perfuração 10 que inclui uma coluna de perfuração 20 tendo um conjunto de perfuração 90, também chamado de conjunto de fundo de poço (BHA - "bottomhole assembly"), transportado para dentro de um poço 26 penetrando em uma formação de solo 60. O sistema de perfuração 10 inclui uma torre de perfuração convencional 11 erigida em um piso 12 que suporta uma mesa rotativa 14 que é girada por um movimentador principal, como um motor elétrico (não mostrado), em uma velocidade de rotação desejada. A coluna de perfuração 20 inclui um elemento tubular de perfuração 22, como um tubo de perfuração, que se estende para baixo a partir da mesa giratória 14 e para dentro do poço 26. Uma ferramenta de desintegração 50, como uma broca de perfuração fixada à extremidade do BHA 90, desintegra as formações geológicas ao ser girada para perfurar o poço 26. A coluna de perfuração 20 é acoplada a equipamentos de superfície, como sistemas para levantar, girar e/ou empurrar, incluindo, mas não se limitando a, um guincho 30 por meio de uma junta do kelly 21, tornel 28 e cabo 29 através de uma polia 23. Em algumas modalidades, o equipamento de superfície pode incluir um acionamento de topo (não mostrado). Durante as operações de perfuração, o guincho 30 é operado de modo a controlar o peso na broca, o que afeta a taxa de penetração. A operação do guincho 30 é bem conhecida na técnica e, portanto, não é aqui descrita com detalhes.

[0034] Durante as operações de perfuração, um fluido de perfuração 31 adequado (também chamado de "lama") proveniente de uma fonte ou dique de lama 32 é circulado sob pressão através da coluna de perfuração 20 por uma bomba de lama 34. O fluido de perfuração 31 passa para dentro da coluna de perfuração 20 por meio de um amortecedor de surto de pressão 36, uma linha de fluido 38 e a junta do kelly 21. O fluido de perfuração 31 é descarregado no fundo do poço 51 através de uma abertura na ferramenta de desintegração 50. O fluido de perfuração 31 circula poço acima através do espaço anular 27 entre a coluna de perfuração 20 e o poço 26, e retorna ao dique de lama 32 por meio de uma linha de retorno 35. Um sensor S1 na linha de fluido 38 fornece informações sobre a taxa de fluxo de fluidos. Um sensor de torque de superfície S2 e um sensor S3 associado à coluna de perfuração 20 respectivamente fornecem informações sobre o torque e a velocidade de rotação da coluna de perfuração. Adicionalmente, um ou mais sensores (não mostrados) associados à linha 29 são usados para fornecer informações sobre a carga no gancho da coluna de perfuração 20 e sobre outros parâmetros desejados em relação à perfuração do poço

26. O sistema pode incluir adicionalmente um ou mais sensores de fundo de poço 70 situados na coluna de perfuração 20 e/ou no BHA 90.

[0035] Em algumas aplicações, a ferramenta de desintegração 50 é girada apenas mediante a rotação do tubo de perfuração 22. Entretanto, em outras aplicações, um motor de perfuração 55 (por exemplo, um motor de lama) disposto no conjunto de perfuração 90 é usado para girar a ferramenta de desintegração 50 e/ou para sobrepor ou suplementar a rotação da coluna de perfuração 20. Em qualquer dos casos, a taxa de penetração (ROP - "rate of penetration") da ferramenta de desintegração 50 para dentro da formação de solo 60 para uma dada formação e um dado conjunto de perfuração depende, em grande parte, do peso na broca e da velocidade de rotação da broca de perfuração. Em um aspecto da modalidade da Figura 1, o motor de perfuração 55 é acoplado à ferramenta de desintegração 50 por meio de um eixo de acionamento (não mostrado) disposto em um conjunto de mancal

57. O motor de perfuração 55 gira a ferramenta de desintegração 50 quando o fluido de perfuração 31 passa sob pressão através do motor de perfuração 55. O conjunto de mancal 57 suporta as forças radial e axial da ferramenta de desintegração 50, o empuxo descendente do motor de perfuração e a carga ascendente reativa proveniente do peso aplicado na broca. Os estabilizadores 58 acoplados ao conjunto de mancal 57 e/ou outros locais adequados agem como centralizadores para o conjunto de perfuração 90 ou porções do mesmo.

[0036] A unidade de controle de superfície 40 recebe sinais a partir dos sensores de fundo de poço 70 e dos dispositivos através de um transdutor 43, como um transdutor de pressão, colocado na linha de fluído 38, bem como a partir dos sensores S1, S2, S3, de sensores de carga de gancho, sensores de RPM, sensores de torque, e quaisquer outros sensores usados no sistema e processa tais sinais de acordo com as instruções programadas fornecidas para a unidade de controle de superfície 40. A unidade de controle de superfície 40 exibe os parâmetros de perfuração desejados e outras informações em uma tela/monitor 42 para uso por um operador no local da plataforma a fim de controlar as operações de perfuração. A unidade de controle de superfície 40 contém um computador, memória para armazenar dados, programas de computador, modelos e algoritmos acessíveis a um processador no computador, um gravador, como uma unidade de fita, uma unidade de memória etc. para registrar dados, e outros periféricos. A unidade de controle de superfície 40 pode também incluir modelos de simulação para uso pelo computador para processar dados de acordo com instruções programadas. A unidade de controle responde a comandos de usuário inseridos através de um dispositivo adequado, como um teclado. A unidade de controle de superfície 40 está adaptada para ativar alarmes 44 quando ocorrem certas condições de operação arriscadas ou indesejáveis.

[0037] O conjunto de perfuração 90 contém também outros sensores e dispositivos ou ferramentas para fornecer uma variedade de medições referentes à formação circundante ao poço e para a perfuração do poço 26 ao longo de uma trajetória desejada. Esses dispositivos podem incluir um dispositivo para medir a resistividade da formação próximo à e/ou diante da broca de perfuração, um dispositivo de raios gama para medir a intensidade de raios gama da formação e dispositivos para determinar a inclinação, o azimute e a posição da coluna de perfuração. Uma ferramenta de resistividade da formação 64, feita de acordo com uma modalidade aqui descrita pode ser acoplada em qualquer local adequado, inclusive acima de um subconjunto de arranque mais baixo 62, para estimar ou determinar a resistividade da formação próximo à ou diante da ferramenta de desintegração 50 ou em outros locais adequados. Um inclinômetro 74 e um dispositivo de raios gama 76 podem ser adequadamente dispostos para determinar respectivamente a inclinação do BHA e a intensidade de raios gama da formação. Podem ser usados quaisquer inclinômetro e dispositivo de raios gama adequados. Além disso, um dispositivo de azimute (não mostrado), como um magnetômetro ou um dispositivo giroscópico, pode ser usado para determinar o azimute da coluna de perfuração. Esses dispositivos são conhecidos na técnica e, portanto, não são descritos com detalhes na presente invenção. Na configuração exemplificadora acima descrita, o motor de perfuração 55 transfere energia à ferramenta de desintegração 50 por meio de um eixo de acionamento que também possibilita que o fluido de perfuração passe do motor de perfuração 55 para a ferramenta de desintegração 50. Em uma modalidade alternativa da coluna de perfuração 20, o motor de perfuração 55 pode ser acoplado abaixo do dispositivo de medição de resistividade 64 ou em qualquer outro lugar adequado.

[0038] Ainda com referência à Figura 1, outros dispositivos (em geral indicados aqui pelo número 77) de perfilagem durante a perfuração (LWD - "logging-while- drilling"), como os dispositivos para medição da porosidade, da permeabilidade, da densidade, das propriedades de rocha, das propriedades de fluido, etc. da formação, podem ser dispostos em locais adequados no conjunto de perfuração 90 a fim de fornecer informações úteis para a avaliação das formações de subsuperfície ao longo do poço 26. Esses dispositivos podem incluir, mas não se limitam a, ferramentas de medição de temperatura, ferramentas de medição de pressão, ferramentas de medição de diâmetro de poço (por exemplo, um calibre), ferramentas acústicas, ferramentas nucleares, ferramentas de ressonância magnética nuclear e ferramentas de teste e amostragem de formação.

[0039] Os dispositivos acima citados transmitem dados a um sistema de telemetria de fundo de poço 72, o qual por sua vez transmite poço acima os dados recebidos, à unidade de controle de superfície 40. O sistema de telemetria de fundo de poço 72 recebe também sinais e dados provenientes da unidade de controle de superfície 40, e transmite esses sinais e dados recebidos aos dispositivos de fundo de poço adequados. Em um aspecto, um sistema de telemetria de pulso de lama pode ser usado para comunicar dados entre os sensores de fundo de poço 70 e os dispositivos e os equipamentos de superfície durante operações de perfuração. Um transdutor 43 disposto na linha de fluido 38 (por exemplo, na linha de alimentação de lama) detecta os pulsos de lama responsivos aos dados transmitidos pelo sistema de telemetria de fundo de poço 72. O transdutor 43 gera sinais elétricos em resposta às variações de pressão de lama e transmite esses sinais por meio de um condutor 45 à unidade de controle de superfície 40. Em outros aspectos, qualquer outro sistema de telemetria adequado pode ser usado para comunicação bidirecional de dados (por exemplo, enlace descendente e enlace ascendente) entre a superfície e o BHA 90, incluindo, mas não se limitando a, um sistema de telemetria acústico, um sistema de telemetria eletromagnético, um sistema de telemetria óptico ou um sistema de telemetria de tubo com fio que pode usar acopladores sem fio ou repetidores na coluna de perfuração ou no poço. O sistema de telemetria de tubo com fio pode ser feito mediante a união de seções de tubo de perfuração, sendo que cada seção de tubo inclui um enlace de comunicação de dados, como um fio metálico, que se estende ao longo do tubo. A conexão de dados entre as seções de tubo pode ser feita por meio de qualquer método adequado, incluindo, mas não se limitando a, conexões físicas elétricas ou ópticas, métodos de acoplamento indutivo, capacitivo, ressonante, como acoplamento ressonante eletromagnético, ou de acoplamento direcional. No caso em que um flexitubo (tubulação em espiral) é usado como a tubulação de perfuração 22, o link de comunicação de dados pode funcionar ao longo de um lado do flexitubo.

[0040] O sistema de perfuração descrito até aqui se refere àqueles sistemas de perfuração que usam um tubo de perfuração para transportar o conjunto de perfuração 90 para dentro do poço 26, sendo que o peso na broca é controlado a partir da superfície, tipicamente mediante o controle da operação do guincho. Entretanto, um grande número dos atuais sistemas de perfuração, especialmente para perfuração de poços altamente desviados e horizontais, usa flexitubo para transportar o conjunto de perfuração poço abaixo. Em tal aplicação, um propulsor é às vezes instalado na coluna de perfuração para fornecer a força desejada sobre a broca de perfuração. Além disso, quando é usado o flexitubo, a tubulação não é girada por uma mesa rotativa mas, em vez disso, é injetada para dentro do poço por um injetor adequado, enquanto o motor de fundo de poço, como o motor de perfuração 55, gira a ferramenta de desintegração 50. Para a perfuração marítima, uma plataforma marítima ou uma embarcação é usada para suportar o equipamento de perfuração, incluindo a coluna de perfuração.

[0041] Ainda com referência à Figura 1, pode ser fornecida uma ferramenta de resistividade 64 que inclui, por exemplo, uma pluralidade de antenas incluindo, por exemplo, transmissores 66a ou 66b e/ou receptores 68a ou 68b. A resistividade pode ser uma propriedade da formação que é de interesse na tomada de decisões sobre perfuração. O versado na técnica reconhecerá que outras ferramentas de propriedade da formação podem ser empregadas com a, ou em lugar da, ferramenta de resistividade 64.

[0042] A perfuração com camisa pode ser uma configuração ou operação usada para possibilitar que um dispositivo de desintegração se torne mais e mais atraente na indústria de petróleo e gás, já que tem várias vantagens em comparação à perfuração convencional. Um exemplo dessa configuração é mostrado e descrito na patente US nº 9.004.195, de propriedade comum), intitulada "Apparatus and Method for Drilling a Borehole, Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip", a qual está aqui incorporada a título de referência em sua totalidade. É importante notar que, apesar de uma taxa de penetração relativamente baixa, o tempo para levar o revestimento ao alvo é reduzido porque o revestimento é aplicado ao interior do poço enquanto o poço é perfurado, simultaneamente. Isso pode ser benéfico em formações expansivas, onde uma contração do poço perfurado pode prejudicar a posterior instalação da camisa. Além disso, a perfuração com camisa em reservatórios esgotados e instáveis minimiza o risco de que a tubulação ou a coluna de perfuração fique presa devido ao colapso do poço.

[0043] Embora a Figura 1 seja mostrada e descrita em relação a uma operação de perfuração, o versado na técnica reconhecerá que configurações similares, embora com diferentes componentes, podem ser usadas para executar diferentes operações de fundo de poço. Por exemplo, cabo de perfilagem, tubo com fio, perfuração com camisa, escareamento, flexitubo e/ou outras configurações podem ser usadas conforme conhecido na técnica. Adicionalmente, podem ser empregadas configurações de produção para extrair e/ou injetar materiais de/em formações de solo. Assim, a presente revelação não se limitará a operações de perfuração, mas pode ser usada para quaisquer uma ou mais operações de fundo de poço adequadas ou desejadas.

[0044] Vibrações graves em colunas de perfuração e conjuntos de fundo de poço durante operações de perfuração podem ser causadas por forças de corte na broca ou desequilíbrios de massa em ferramentas de fundo de poço, como motores de perfuração. Essas vibrações podem resultar em taxa de penetração reduzida, qualidade reduzida de medições feitas por ferramentas do conjunto de fundo de poço, e podem resultar em desgaste, fadiga e/ou falha de componentes de fundo de poço. Conforme será entendido pelo versado na técnica, existem diferentes vibrações, como vibrações laterais, vibrações axiais e vibrações torcionais. Por exemplo, tanto a adesão/deslizamento da totalidade do sistema de perfuração como as oscilações torcionais de alta frequência (HFTO - "high-frequency torsional oscillations") são tipos de vibrações torcionais. Os termos "vibração", "oscilação", bem como "flutuação", são usados com o mesmo amplo sentido de movimentos repetitivos e/ou periódicos, ou desvios periódicos de um valor médio, como uma posição média, uma velocidade média e uma aceleração média. Em particular, esses termos não se destinam a serem limitados a desvios harmônicos, mas podem incluir todos os tipos de desvios como, mas não se limitando a, desvios periódicos, harmônicos e estatísticos. As vibrações torcionais podem ser excitadas por mecanismos de auto-excitação que ocorrem devido à interação da broca de perfuração ou de qualquer outra estrutura de corte, como uma broca escareadora, com a formação. O principal diferenciador entre adesão/deslizamento e HFTO é a frequência e os formatos de modo típicos: Por exemplo, as HFTO têm uma frequência que é tipicamente acima de 50 Hz em comparação a vibrações torcionais de adesão/deslizamento que tipicamente têm frequências abaixo de 1 Hz. Além disso, o formato de modo excitado de adesão/deslizamento é tipicamente um primeiro formato de modo da totalidade do sistema de perfuração, enquanto o formato de modo de HFTO pode ser de ordem mais alta e está comumente situado em porções menores do sistema de perfuração com amplitudes comparavelmente altas no ponto de excitação, que pode ser a broca ou qualquer outra estrutura de corte (como uma broca escareadora), ou qualquer contato entre o sistema de perfuração e a formação (por exemplo, por um estabilizador).

[0045] Devido à alta frequência das vibrações, HFTO corresponde a altos valores de aceleração e torque ao longo do BHA. Os versados na técnica entenderão que, para movimentos torcionais, um dentre aceleração, força e torque é sempre acompanhado pelos outros dois dentre aceleração, força e torque. Nesse sentido, aceleração, força e torque são equivalentes, no sentido de que nenhum estes pode ocorrer sem os outros dois. As cargas de vibrações em alta frequência podem ter impactos negativos sobre a eficiência, a confiabilidade e/ou a durabilidade de peças eletrônicas e mecânicas do BHA. As modalidades aqui fornecidas se referem ao fornecimento de amortecimento de vibração torcional ao sistema de fundo de poço, a fim de mitigar HFTO. Em algumas modalidades da presente revelação, o amortecimento de vibração torcional pode ser ativado se um limite de uma propriedade medida, como uma amplitude ou frequência de vibração torcional, for atingido no interior do sistema.

[0046] De acordo com uma modalidade não limitadora aqui fornecida, um sistema de amortecimento de vibração torcional pode ser baseado em amortecedores por atrito. Por exemplo, de acordo com algumas modalidades, o atrito entre duas partes, como dois corpos interatuantes, no BHA ou na coluna de perfuração pode dissipar energia e reduzir o nível de oscilações torcionais,

mitigando assim os potenciais danos causados por vibrações em alta frequência. De preferência, a dissipação de energia do amortecedor por atrito é ao menos igual à entrada de energia das HFTO causada pela interação entre broca e rocha.

[0047] Os amortecedores por atrito, conforme aqui fornecidos, podem levar a uma significativa dissipação de energia e, portanto, mitigação de vibrações torcionais. Quando dois componentes ou corpos interatuantes estão em contato um com os outro e se movem um em relação ao outro, a força de atrito atua na direção oposta da velocidade do movimento relativo entre as superfícies de contato dos componentes ou corpos interatuantes. A força de atrito leva a uma dissipação de energia.

[0048] A Figura 2 é um gráfico ilustrativo 200 de uma curva típica de força de atrito ou torque versus velocidade relativa v (por exemplo, ou velocidade de rotação relativa) entre dois corpos interatuantes. Os dois corpos interatuantes têm uma superfície de contato e um componente de força Fn perpendicular à superfície de contato engatando os dois corpos interatuantes. O gráfico 200 ilustra a dependência de força de atrito ou torque dos dois corpos interatuantes com um comportamento de atrito de enfraquecimento de velocidade. Em velocidades relativas mais altas (v > 0) entre os dois corpos interatuantes, a força de atrito ou o torque tem um valor distinto, ilustrado pelo ponto 202. Diminuir a velocidade relativa levará a um aumento na força de atrito ou torque (também chamado de característica de enfraquecimento de velocidade). A força de atrito ou torque atinge seu máximo quando a velocidade relativa é zero. A máxima força de atrito é também conhecida como atrito estático ou atrito adesivo.

[0049] De modo geral, a força de atrito F, depende da força normal, conforme descrito na equação F, = u* Fy, com coeficiente de atrito yu. De modo geral, o coeficiente de atrito u é uma função da velocidade. No caso em que a velocidade relativa entre dois corpos interatuantes é zero (v = 0), o atrito estático força Fs está relacionado ao componente de força normal Fn pela equação F; = 11 * Fy Com O coeficiente de atrito estático nu... No caso em que a velocidade relativa entre dois corpos interatuantes não é zero (v * O), o coeficiente de atrito é conhecido como coeficiente de atrito dinâmico 4. Se a velocidade relativa é adicionalmente diminuída para valores negativos (isto é, se a direção do movimento relativo dos dois corpos interatuantes é alternada para o oposto), a força de atrito ou torque alterna para a direção oposta com um alto valor absoluto correspondente a uma etapa de um máximo positivo para um mínimo negativo no ponto 204 no gráfico

200. Ou seja, a força de atrito versus velocidade mostra uma alteração de sinal no ponto onde a velocidade altera o sinal e é descontínua no ponto 204 no gráfico

200. A característica de enfraquecimento de velocidade é um efeito bem conhecido entre corpos interatuantes que estão conectados por atrito. Presume-se que a característica de enfraquecimento de velocidade da força de contato ou torque seja uma potencial! causa para adesão/deslizamento. A característica de enfraquecimento de velocidade pode também ser obtida mediante o uso de fluido dispersivo com uma viscosidade mais alta em velocidades relativas mais baixas, e uma viscosidade mais baixa em velocidades relativas mais altas. Se um fluido dispersivo é forçado através de um canal relativamente pequeno, pode-se obter o mesmo efeito no qual a resistência ao fluxo é relativamente alta ou baixa em velocidades relativas baixas ou altas, respectivamente.

[0050] Com referência às Figuras 8A a 8B, a Figura 8A ilustra a aceleração torcional medida de um sistema de fundo de poço versus tempo. No tempo de medição de 5 segundos mostrado na Figura 8A, a Figura 8A mostra aceleração torcional oscilante com uma aceleração média de aproximadamente O g, sobreposta por acelerações torcionais oscilantes com uma amplitude relativamente baixa entre aproximadamente O s e 3 s e amplitudes relativamente altas até 100 g entre aproximadamente 3 s e 5 s. A Figura 8B ilustra a velocidade de rotação correspondente no mesmo período de tempo que na Figura 8A. De acordo com a Figura 8A, a Figura 8B ilustra uma velocidade média v, (indicada pela linha v, na Figura 8B) a qual é relativamente constante a aproximadamente 190 rev/min. À velocidade média é sobreposta pelas variações da velocidade de rotação oscilante com amplitudes relativamente baixas entre aproximadamente O s e 3 s e amplitudes relativamente altas entre aproximadamente 3 s e 5 s de acordo com as amplitudes de aceleração relativamente baixas e altas na Figura 8A. Notavelmente, a velocidade de rotação oscilante não leva a valores negativos da velocidade de rotação, mesmo no período de tempo entre aproximadamente 3 s e 5 s quando as amplitudes das oscilações de velocidade de rotação são relativamente altas.

[0051] Novamente com referência à Figura 2, o ponto 202 ilustra uma velocidade média dos dois corpos interatuantes que está de acordo com a velocidade média v, na Figura 8B. Na ilustração esquemática da Figura 2, os dados da Figura 8B correspondem a um ponto com uma velocidade oscilando com frequência relativamente alta devido a HTFO em torno da velocidade média v, que varia relativamente devagar com o tempo, em comparação a HFTO. O ponto ilustrando os dados da Figura 8B se move, portanto, para trás e para diante na ramificação positiva da curva na Figura 2, sem atingir, ou apenas raramente atingindo, valores de velocidade negativos. Consequentemente, a correspondente força de atrito ou torque oscila em torno de uma força de atrito média positiva ou torque de atrito médio positivo e é, de modo geral, positiva ou apenas raramente atinge valores negativos. Conforme adicionalmente discutido abaixo, o ponto 202 ilustra onde um valor médio positivo da velocidade relativa corresponde a um torque estático, e o ponto 204 ilustra um ponto favorável para amortecimento por atrito. Nota-se que as forças de atrito ou o torque entre o sistema de perfuração e a parede do poço não gerarão amortecimento adicional das oscilações de alta frequência no sistema. Isso se deve ao fato de que a velocidade relativa entre as superfícies de contato dos corpos interatuantes (por exemplo, um estabilizador e a parede do poço) não têm uma velocidade média que seja tão próxima de zero que a HFTO leve a uma alteração de sinal da velocidade relativa dos dois corpos interatuantes. Ao invés disso, a velocidade relativa entre os dois corpos interatuantes tem um alto valor médio a uma distância de zero que é grande para que a HFTO não leve a uma alteração de sinal da velocidade relativa dos dois corpos interatuantes (por exemplo, ilustrado pelo ponto 202 na Figura 2).

[0052] Conforme será entendido pelo versado na técnica, a característica de enfraquecimento da força de contato ou do torque em relação à velocidade relativa conforme ilustrado na Figura 2, leva a uma aplicação de energia para dentro do sistema, para movimentos relativos oscilantes dos corpos interatuantes com uma velocidade média v, que é alta em comparação à velocidade do movimento oscilante. Nesse contexto, outros exemplos de mecanismos de auto-excitação, como acoplamento entre graus de liberdade axiais e torcionais poderiam levar a uma característica similar.

[0053] A correspondente histerese é representada na Figura 3, e o gráfico de tempo para força de atrito e velocidade é mostrado na Figura 4. A Figura 3 ilustra histerese de uma força de atrito F,, às vezes também chamada de força de corte neste contexto, versus deslocamento em relação a um local que está se movendo com uma velocidade relativa média positiva com pequenas flutuações de velocidade adicionais levando a um pequeno deslocamento adicional dx. Consequentemente, a Figura 4 ilustra a força de atrito (Fr), a velocidade relativa (E) e um produto de ambas (indicado pelo marcador 400 na Figura 4) para uma velocidade relativa média positiva com pequenas flutuações de velocidade adicionais levando a um pequeno deslocamento adicional dx. Os versados na técnica entenderão que a área entre a força de atrito e a velocidade sobre tempo é igual à energia dissipada (isto é, a área entre a linha 400 e o eixo geométrico zero), que é negativa no caso que é ilustrado pelas Figuras 3 e 4. Ou seja, no caso ilustrado pelas Figuras 3 e 4, a energia é transferida para a oscilação a partir do atrito, por meio do contato de atrito.

[0054] Novamente com referência à Figura 2, o ponto 204 denota a velocidade média favorável para amortecimento por atrito de pequenas flutuações de velocidade ou vibrações, em adição à velocidade média. Para pequenas flutuações do movimento relativo entre os dois corpos interatuantes, a descontinuidade no ponto 204 na Figura 2 com a alteração de sinal da velocidade relativa dos corpos interatuantes também leva a uma abrupta alteração de sinal da força de atrito ou torque. Essa alteração de sinal leva a uma histerese que leva a uma grande quantidade de energia dissipada. Por exemplo, compare-se as Figuras 5 e 6, que são gráficos similares às Figuras 3 e 4, respectivamente, mas ilustram o caso de velocidade relativa média zero com pequenas flutuações de velocidade adicionais ou vibrações. A área abaixo da linha 600 na Figura 6 que corresponde ao produto F. = é igual à energia dissipada durante um período e é, nesse caso, positiva. Ou seja, no caso ilustrado pelas Figuras 5 e 6, a energia é transferida da oscilação de alta frequência ao atrito, por meio do contato de atrito. O efeito é comparativamente alto em comparação ao caso ilustrado pelas Figuras 3 e 4, e tem o sinal desejado. Fica claro, também, a partir da comparação entre as Figuras 2, 5 e 6, que a energia dissipada depende significativamente da diferença entre força de atrito máxima e força de atrito mínima para v = O (isto é, local 204 na Figura 2). Quando mais alta a diferença entre força de atrito máxima e força de atrito mínima para v = O, mais alta será a energia dissipada. Embora as Figuras 3 e 4 tenham sido geradas mediante o uso de características de enfraquecimento de velocidade, como aquela mostrada na Figura 2, as modalidades da presente revelação não se limitam a esse tipo de características. Os aparelhos e métodos aqui revelados serão funcionais para qualquer tipo de característica desde que a força de atrito ou o torque passem por uma etapa com uma alteração de sinal, quando a velocidade relativa entre os dois corpos interatuantes alterar seu sinal.

[0055] Agora serão descritos amortecedores por atrito de acordo com algumas modalidades da presente revelação. Os amortecedores por atrito são instalados em um sistema de perfuração, como o sistema de perfuração 10 mostrado na Figura 1, e/ou fazem parte do sistema de perfuração 10, como parte do conjunto de fundo de poço 90. Os amortecedores por atrito fazem parte dos sistemas de amortecimento por atrito com dois corpos interatuantes, como um primeiro elemento e um segundo elemento tendo uma superfície de contato de atrito com o primeiro elemento. Os sistemas de amortecimento por atrito da presente revelação são dispostos de modo que o primeiro elemento tenha uma velocidade média que está relacionada à velocidade de rotação do sistema de perfuração no qual está instalado. Por exemplo, o primeiro elemento pode der uma velocidade média ou velocidade de rotação similar ou igual àquela do sistema de perfuração, de modo que pequenas oscilações flutuantes levam a uma alteração de sinal ou passagem por zero da velocidade relativa entre o primeiro elemento e o segundo elemento, de acordo com o ponto 204 na Figura 2. Nota-se que as forças de atrito ou o torque entre o sistema de perfuração e a parede do poço não gerarão amortecimento adicional das oscilações de alta frequência no sistema. Isso se deve ao fato de que a velocidade relativa entre as superfícies de contato (por exemplo, um estabilizador e o poço) não tem um valor médio de zero (por exemplo, o ponto 202 na Figura 2). De acordo com as modalidades aqui descritas, o atrito estático entre o primeiro elemento e o segundo elemento é configurado para ser suficientemente alto para possibilitar que o primeiro elemento acelere o segundo elemento (durante a rotação) até uma velocidade média vo com o mesmo valor que o sistema de perfuração. Oscilações de alta frequência adicionais, portanto, introduzem o deslizamento entre o primeiro elemento (por exemplo, o dispositivo de amortecimento) e o segundo elemento (por exemplo, o sistema de perfuração) com velocidades positivas ou negativas de acordo com oscilações em torno de uma posição na Figura 2 que é igual a, ou próxima do, ponto 204 na Figura 2. O deslizamento ocorre se a força inercial F, excede a força de atrito estático, expressa como o coeficiente de atrito estático multiplicado pela força normal entre os dois corpos interatuantes: F, > 1º * Fy. De acordo com modalidades da presente revelação, a força normal Fn (por exemplo causada pelo contato e pressão de superfície da superfície de contato entre os dois corpos interatuantes) e o coeficiente de atrito estático o são ajustados para se obter uma ótima dissipação de energia. Adicionalmente, o momento de inércia (torcional), o contato e a pressão de superfície das superfícies de contato, e o posicionamento do amortecedor ou da superfície de contato em relação à distância da broca podem ser otimizados.

[0056] Por exemplo, com referência à Figura 7, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 700 de acordo com uma modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 700 faz parte de um sistema de fundo de poço 702, como um conjunto de fundo de poço e/ou um conjunto de perfuração. O sistema de fundo de poço 702 inclui uma coluna 704 que é girada para possibilitar uma operação de perfuração do sistema de fundo de poço 702 para formar um poço 706 no interior de uma formação 708. Conforme discutido acima, o poço 706 é tipicamente preenchido com fluido de perfuração, como lama de perfuração. O sistema de amortecimento 700 inclui um primeiro elemento 710 que está operacionalmente acoplado, por exemplo conectado de modo fixo ou uma parte integral do sistema de fundo de poço 702, de modo a assegurar que o primeiro elemento 710 gire com uma velocidade média que está relacionada à, por exemplo é similar ou igual à, velocidade média do sistema de fundo de poço 702. O primeiro elemento 710 está em contato de atrito com um segundo elemento 712. O segundo elemento 712 é ao menos parcialmente montado de maneira móvel no sistema de fundo de poço 702, com uma superfície de contato 714 situada entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712.

[0057] No caso de forças de atrito, a diferença entre a força de atrito mínima e máxima é positivamente dependente da força normal e do coeficiente de atrito estático. A energia dissipada aumenta com a força de atrito e o deslocamento harmônico, mas apenas em uma faze de deslizamento a energia é dissipada. Em uma fase de adesão, o deslocamento relativo entre as interfaces de atrito e a energia dissipada é zero. O limite superior de amplitude da fase de adesão aumenta linearmente com a força normal e o coeficiente de atrito na interface de contato. A razão é que a força reativa na interface de contato, /X > My = Fyuhr, que pode ser causada pela inércia J de um dos corpos em contato, se ele for acelerado com x precisa ser mais alta do que o torque Mu = Fyunár que define o limite entre adesão e deslizamento. Como usados aqui, Fy é a força normal, e uy é o coeficiente de atrito efetivo e ré o raio efetivo ou médio da área de contato de atrito.

[0058] Mecanismos similares se aplicam, se a força de contato é causada por um elemento de mola e deslocamento. A aceleração x da área de contato pode ser devido a uma excitação de um modo e é dependente do correspondente formato de modo, conforme adicionalmente discutido abaixo em relação à Figura 9B. No caso de uma massa inercial J fixada, a aceleração X é igual à aceleração do modo excitado e do correspondente formato de modo na posição de fixação, contanto que a interface de contato esteja aderindo.

[0059] A força normal e a força de atrito precisam ser ajustadas para garantir uma fase de deslizamento em uma faixa de amplitude adequada ou tolerada. Uma faixa de amplitude tolerada pode ser definida por uma amplitude que está entre zero e os limites de carga que são, por exemplo, dados por especificações de design das ferramentas e dos componentes. Um limite poderia também ser dado por uma porcentagem da amplitude esperada sem o amortecedor. A energia dissipada que pode ser comparada à entrada de energia, por exemplo por uma excitação forçada ou auto-excitação, é uma medida para julgar a eficiência de um amortecedor. Uma outra medida é o amortecimento equivalente fornecido do sistema, que é proporcional à razão entre a energia dissipada em um período de uma vibração harmônica e a energia potencial durante um período de vibração no sistema. Essa medida é especialmente eficaz no caso de sistemas auto-excitados. No caso de sistemas auto-excitados, a excitação pode ser aproximada por um coeficiente de amortecimento negativo, e tanto o amortecimento equivalente como o amortecimento negativo podem ser diretamente comparados. A força de amortecimento que é fornecida pelo amortecedor é não linear e fortemente dependente da amplitude.

[0060] Conforme mostrado na Figura 20, o amortecimento é zero na fase de adesão (extremidade esquerda do gráfico da Figura 20), onde o movimento relativo entre os corpos interatuantes é zero. Se, conforme descrito acima, o limite entre a fase de adesão e a de deslizamento for excedido pela força que é transferida através da interface de contato, está ocorrendo um movimento deslizante relativo que causa a dissipação de energia. A razão de amortecimento fornecida pelo amortecimento por atrito está, então, aumentando até um máximo e, depois, diminuindo até um mínimo. À amplitude que estará ocorrendo é dependente da excitação que poderia ser descrita pelo termo amortecimento negativo. Na presente invenção, o máximo do amortecimento fornecido, conforme representado na Figura 20, precisa ser mais alto do que o amortecimento negativo proveniente do mecanismo de auto-excitação. A amplitude que está ocorrendo em um assim chamado ciclo limite pode ser determinada pela intersecção da razão de amortecimento negativa com a razão de amortecimento equivalente que é fornecida pelo amortecedor por atrito.

[0061] A curva é dependente de diferentes parâmetros. É benéfico ter uma alta força normal, mas uma fase de deslizamento com uma amplitude tão baixa quanto possível. No caso da massa inercial, isso pode ser obtido por uma alta massa ou colocando-se a interface de contato em um ponto de alta aceleração. No caso de interfaces de contato, é benéfico um alto deslocamento relativo em comparação à amplitude do modo. Portanto, é importante um ótimo posicionamento do dispositivo de amortecimento de acordo com uma alta amplitude ou amplitude relativa. Isso pode ser obtido mediante o uso de resultados de simulação, conforme discutido abaixo. A força normal e o coeficiente de atrito podem ser usados para deslocar a curve para amplitudes mais baixas ou mais altas, mas não tem uma alta influência sobre o amortecimento máximo. Se mais de um amortecedor por atrito fosse implementado, isso levaria a uma sobreposição de curvas similares, mostrada na Figura 20. Se a força normal e os coeficientes de atrito forem ajustados para se obter o máximo na mesma amplitude, isso será benéfico para o amortecimento total que é obtido. Adicionalmente, curvas de amortecimento ligeiramente deslocadas levariam a uma curva resultante que poderia ser mais larga em relação à amplitude, o que poderia ser benéfico para levar em consideração os impactos que poderiam deslocar a amplitude para a direita do máximo. Nesse caso, a amplitude aumentaria até um valor muito alto no caso de sistemas auto-excitados, conforme indicado pelo amortecimento negativo. Nesse caso, a amplitude precisa ser novamente deslocada para o lado esquerdo do máximo, por exemplo ultrapassando o limite inferior ou reduzindo a velocidade de rotação do sistema para baixar os níveis.

[0062] Novamente com referência à Figura 7, a coluna 704 e, portanto, o sistema de fundo de poço 702, gira com uma velocidade de rotação = que pode ser medida em revoluções por minuto (RPM). O segundo elemento 712 é montado sobre o primeiro elemento 710. Uma força normal Fn entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 pode ser selecionada ou ajustada através da aplicação e uso de um elemento de ajuste 716. O elemento de ajuste 716 pode ser ajustável, por exemplo por meio de uma rosca, um atuador, um atuador piezoelétrico, um atuador hidráulico e/ou um elemento de mola, para aplicar força que tem um componente na direção perpendicular à superfície de contato 714, entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712. Por exemplo, conforme mostrado in Figura 7, o elemento de ajuste 716 pode aplicar uma força na direção axial do sistema de fundo de poço 702, o que se traduz em um componente de força Fn que é perpendicular à superfície de contato 714 do primeiro elemento 710 e do segundo elemento 712, devido ao ângulo diferente de zero entre os eixos geométricos do sistema de fundo de poço 702 e da superfície de contato 714 do primeiro elemento 710 e do segundo elemento 712.

[0063] O segundo elemento 712 tem um momento de inércia J. Quando a HFTO ocorre durante a operação do sistema de fundo de poço 702, tanto o sistema de fundo de poço 702 como o segundo elemento 712 são acelerados de acordo com um formato de modo. Os resultados exemplificadores dessa operação são mostrados nas Figuras 8A e 8B. A Figura 8A é um gráfico de aceleração tangencial medida em uma broca, e a Figura 8B é uma velocidade de rotação correspondente.

[0064] Devido à aceleração tangencial e à inércia do segundo elemento 712, forças inerciais relativas ocorrem entre o segundo elemento 712 e o primeiro elemento 710. Se essas forças inerciais excederem um limite entre adesão e deslizamento, isto é, se essas forças inerciais excederem a força de atrito estático entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 710, ocorrerá um movimento relativo entre os elementos 710, 712, que leva à dissipação de energia. Nessas disposições, as acelerações, o coeficiente de atrito estático e/ou dinâmico e a força normal determinam a quantidade de energia dissipada. Por exemplo, o momento de inércia J do segundo elemento 712 determina a força relativa que precisa ser transferida entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712. As altas acelerações e os momentos de inércia aumentam a tendência ao deslizamento na superfície de contato 714 e, assim, levam a uma dissipação mais alta de energia e a uma razão de amortecimento equivalente fornecida amortecedor.

[0065] Devido à dissipação de energia que é causada pelo movimento de atrito entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712, serão gerados calor e desgaste no primeiro elemento 710 e/ou no segundo elemento 712. Para manter o desgaste abaixo de um nível aceitável, podem ser usados materiais para o primeiro e/ou o segundo elementos 710, 712 que possam resistir ao desgaste. Por exemplo, diamantes ou compactos de diamantes policristalinos podem ser usados para ao menos uma porção do primeiro e/ou do segundo elementos 710, 712. Alternativa ou adicionalmente, revestimentos podem ajudar a reduzir o desgaste devido ao atrito entre o primeiro e o segundo elementos 710, 712. O calor pode levar a altas temperaturas, e pode afetar a confiabilidade ou a durabilidade do primeiro elemento 710, do segundo elemento 712 e/ou de outras partes do sistema de fundo de poço

702. O primeiro elemento 710 e/ou o segundo elemento 712 podem ser feitos de um material com alta condutividade térmica ou alta capacidade de calor, e/ou podem estar em contato com um material com alta condutividade térmica ou capacidade de calor.

[0066] Esses materiais com alta condutividade térmica incluem, mas não se limitam a, metais ou compostos incluindo metal, como cobre, prata, ouro, alumínio, molibdênio, tungstênio ou graxa térmica compreendendo gordura, graxa, óleo, epóxis, silicones, uretanos e acrilatos e, opcionalmente, cargas como diamante, metal ou compostos químicos incluindo metal (por exemplo, prata, alumínio em nitreto de alumínio, boro em nitreto de boro, zinco em óxido de zinco), ou silício ou compostos químicos incluindo silício (por exemplo, carbureto de silício). Adicional ou alternativamente, um ou ambos dentre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 podem estar em contato com um fluido em fluxo, como o fluido de perfuração, que está configurado para remover calor do primeiro elemento 710 e/ou do segundo elemento 712 a fim de resfriar o respectivo elemento 710, 712. Adicionalmente, um elemento limitador de amplitude (não mostrado), como uma chave, uma reentrância ou um elemento de mola, pode ser usado e configurado para limitar a dissipação de energia a um limite aceitável que reduza o desgaste.

[0067] Ao dispor o sistema de amortecimento 700, uma força normal e/ou um coeficiente de atrito estático ou dinâmico altos impedirão um movimento relativo de deslizamento entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 e, nessas situações, nenhuma energia será dissipada. Em contraste, uma força normal e/ou um coeficiente de atrito estático ou dinâmico baixos podem levar a uma baixa força de atrito, e o deslizamento ocorrerá, mas a energia dissipada será baixa. Além disso, uma força normal e/ou um coeficiente de atrito estático ou dinâmico baixos podem levar ao caso no qual o atrito na superfície externa do segundo elemento 712, por exemplo entre o segundo elemento 712 e a formação 708, é alto do que o atrito entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712, levando assim à situação de que a velocidade relativa entre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 não é igual a ou próxima de zero, mas está na faixa da velocidade média entre o sistema de fundo de poço 702 e a formação 708. Dessa forma, a força normal e o coeficiente de atrito estático ou dinâmico pode ser ajustado (por exemplo, mediante o uso do elemento de ajuste 716) para se obter um valor otimizado para dissipação de energia.

[0068] Isso pode ser feito mediante o ajuste da força normal Fy, do coeficiente de atrito estático uo, do coeficiente de atrito dinâmico u, ou de combinações dos mesmos. A força normal Fvy pode ser ajustada mediante o posicionamento do elemento de ajuste 716 e/ou por atuadores que geram uma força em um dentre os primeiro e segundo elementos com um componente perpendicular à superfície de contato do primeiro e do segundo elementos, mediante o ajuste do regime de pressão em torno do primeiro e do segundo elementos, ou mediante o aumento ou a diminuição de uma área sobre a qual está atuando uma pressão. Por exemplo, mediante o aumento da pressão externa que atua sobre o segundo elemento, como a pressão de lama, a força normal Fnv será aumentada também. O ajuste da pressão da lama no fundo de poço pode ser obtido mediante o ajusta das bombas de lama (por exemplo, as bombas de lama 34 mostradas na Figura 1) na superfície ou de outro equipamento na superfície ou no fundo de poço, que influencie a pressão de lama, como derivações, válvulas e amortecedores de surto de pressão.

[0069] A força normal Fn pode também ser ajustada por um elemento propensor (não mostrado), como um elemento de mola, que aplica força sobre o segundo elemento 712, por exemplo uma força em uma direção axial se afastando ou se aproximando do primeiro elemento 710. O ajuste da força normal Fv pode também ser feito de maneira controlada, com base em uma entrada recebida de um sensor. Por exemplo, um sensor adequado (não mostrado) pode fornecer um ou mais valores de parâmetro a um controlador (não mostrado), estando os um ou mais valores de parâmetro relacionados ao movimento relativo do primeiro elemento 710 e do segundo elemento 712, ou à temperatura de um ou ambos dentre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712. Com base nos um ou mais valores de parâmetro, o controlador pode fornecer instruções para aumentar ou diminuir a força normal Fvn. Por exemplo, se a temperatura de um ou ambos dentre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 exceder uma temperatura limite, o controlador pode fornecer instruções para diminuir a força normal Fv para impedir danos a um ou ambos dentre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 devido a altas temperaturas. De modo similar, por exemplo, se uma distância, velocidade ou aceleração do segundo elemento 712 em relação ao primeiro elemento 710 exceder um limite, o controlador pode fornecer instruções para aumentar ou diminuir a força normal Fv a fim de assegurar a ótima dissipação de energia. Mediante o monitoramento do valor de parâmetro, a força normal Fy pode ser controlada para se obter os resultados desejados ao longo de um período de tempo. Por exemplo, a força normal Fv pode ser controlada para fornecer ótima dissipação de energia ao mesmo tempo em que a temperatura de um ou ambos dentre o primeiro elemento 710 e o segundo elemento 712 é mantida abaixo de um limite durante um trabalho de perfuração ou uma porção do mesmo.

[0070] Adicionalmente, o coeficiente de atrito estático ou dinâmico pode ser ajustado mediante o uso de diferentes materiais, por exemplo, sem limitação, um material com rigidez diferente, aspereza diferente e/ou lubrificação diferente. Por exemplo, uma superfície com maior aspereza frequentemente aumenta o coeficiente de atrito. Assim, o coeficiente de atrito pode ser ajustado por meio da escolha de um material com um coeficiente de atrito adequado para ao menos um dentre o primeiro e o segundo elemento, ou uma parte de ao menos um dentre o primeiro e o segundo elementos. O material do primeiro e/ou do segundo elementos pode também ter um efeito sobre o desgaste do primeiro e do segundo elementos. Para manter baixo o desgaste do primeiro e do segundo elementos, é benéfico escolher um material que possa resistir ao atrito que é criado entre o primeiro e o segundo elementos. A inércia, o coeficiente de atrito e as amplitudes de aceleração esperadas (por exemplo, como uma função do formato de modo e da frequência própria) do segundo elemento 712 são parâmetros que determinam a energia dissipada e também precisam ser otimizados. Os formatos de modo e as amplitudes de aceleração de importância crítica podem ser determinados a partir de medições ou cálculos, ou com base em outros métodos conhecidos, conforme será entendido pelo versado na técnica. Os exemplos são uma análise de elementos finitos, ou o método de matriz de transferência, ou o método de diferenças finitas e, com base nisso, uma análise modal. A disposição do amortecedor por atrito é ótima onde seja esperado um alto deslocamento relativo ou aceleração.

[0071] Agora com referência às Figuras 9A e 9B, são mostrados um exemplo de um sistema de fundo de poço 900 e os modos correspondentes. A Figura 9A é um gráfico esquemático de um sistema de fundo de poço ilustrando um formato de um sistema de fundo de poço como uma função de distância da broca, e a Figura 9B ilustra os correspondentes formatos de modo exemplificadores de oscilações torcionais, que podem ser excitados durante o funcionamento do sistema de fundo de poço da Figura 9A. As ilustrações das Figuras 9A e 9B demonstram a localização e disposição potenciais de um ou mais elementos de um sistema de amortecimento no sistema de fundo de poço 900.

[0072] Conforme ilustrativamente mostrado na Figura 9A, o sistema de fundo de poço 900 tem vários componentes com diferentes diâmetros (juntamente com diferentes massas, densidades, configurações, etc.) e, assim, durante a rotação do sistema de fundo de poço 900, diferentes componentes podem fazer com que sejam gerados vários modos. Os modos ilustrativos indicam onde existirão as amplitudes mais altas, que podem exigir amortecimento mediante a aplicação de um sistema de amortecimento. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 9B, são mostrados o formato de modo 902 de uma primeira oscilação torcional, o formato de modo 904 de uma segunda oscilação torcional, e o formato de modo 906 de uma terceira oscilação torcional do sistema de fundo de poço 900. Com base no conhecimento dos formatos de modo 902, 904, 906, a posição dos primeiros elementos do sistema de amortecimento pode ser otimizada. Onde uma amplitude de um formato de modo 902, 904, 906 for máxima (picos), o amortecimento pode ser necessário e/ou obtido. Consequentemente, são ilustrativamente mostrados dois locais potenciais para fixação ou instalação de um sistema de amortecimento da presente revelação.

[0073] Por exemplo, um primeiro local de amortecimento 908 fica perto da broca do sistema de fundo de poço 900 e principalmente amortece a primeira e a terceira oscilações torcionais (correspondentes aos formatos de modo 902, 906) e fornece algum amortecimento em relação à segunda oscilação torcional (correspondente ao formato de modo 904). Ou seja, o primeiro local de amortecimento 908 a estar aproximadamente em um pico da terceira oscilação torcional (correspondente ao formato de modo 906), perto do pico do formato de modo 902 da primeira oscilação torcional, e a cerca de meio caminho do pico em relação ao formato de modo 904 da segunda oscilação torcional.

[0074] Um segundo local de amortecimento 910 está disposto de modo a, de novo, principalmente fornecer amortecimento do formato de modo 906 da terceira oscilação torcional e fornecer algum amortecimento em relação ao formato de modo 902 da primeira oscilação torcional. Entretanto, no segundo local de amortecimento 910, não ocorrerá qualquer amortecimento do formato de modo 904 da segunda oscilação torcional, pois o formato de modo 904 da segunda oscilação torcional é quase zero no segundo local de amortecimento 910.

[0075] Embora apenas dois locais sejam mostrados nas Figuras 9A e 9B para disposição de sistemas de amortecimento da presente revelação, as modalidades não se destinam a serem de tal modo limitadas. Por exemplo, pode-se instalar qualquer número e qualquer disposição de sistemas de amortecimento ao longo de um sistema de fundo de poço, a fim de fornecer amortecimento de vibração torcional ao sistema de fundo de poço. Um exemplo de um local de instalação preferencial para um amortecedor é onde um ou mais dos formatos de modo esperados mostrem altas amplitudes.

[0076] Devido às altas amplitudes na broca de perfuração, por exemplo, um bom local para um amortecedor é perto, ou mesmo dentro, da broca de perfuração. Adicionalmente, o primeiro e o segundo elementos não são limitados a um único corpo, podendo assumir qualquer número dentre várias configurações para obter o amortecimento desejado. Ou seja, podem ser usados primeiros ou segundos elementos (por exemplo, dispositivos de amortecimento por atrito) com múltiplos corpos (multicorpos), com cada corpo tendo forças normais, coeficientes de atrito e momentos de inércia iguais ou diferentes. Essas disposições de elementos com múltiplos corpos podem ser usadas, por exemplo, se houver incerteza quanto a qual formato de modo e correspondente aceleração é esperada em uma dada posição ao longo de um sistema de fundo de poço.

[0077] Por exemplo, pode-se usar dois ou mais corpos de elementos que podem obter diferentes movimentos relativos de deslizamento entre si a fim de dissipar energia. Os múltiplos corpos do primeiro elemento podem ser selecionados e montados com diferentes coeficientes de atrito estático ou dinâmico, ângulos entre as superfícies de contato e/ou podem ter outros mecanismos para influenciar a quantidade de atrito e/ou a transição entre adesão e deslizamento. Vários níveis de amplitude, formatos de modo excitados e/ou frequências próprias podem ser amortecidos com essas configurações.

[0078] Por exemplo, com referência à Figura 10, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1000 de acordo com uma modalidade da presente revelação.

O sistema de amortecimento 1000 pode operar de modo similar àquele mostrado e descrito acima, em relação à Figura 7. O sistema de amortecimento 1000 inclui primeiro elemento 1010 e segundos elementos 1012. Nesta modalidade, porém, o segundo elemento 1012 que é montado no primeiro elemento 1010 de um sistema de fundo de poço 1002 é formado a partir de um primeiro corpo 1018 e um segundo corpo 1020. O primeiro corpo 1018 tem uma primeira superfície de contato 1022 entre o primeiro corpo 1018 e o primeiro elemento 1010, e o segundo corpo 1020 tem uma segunda superfície de contato 1024 entre o segundo corpo 1020 e o primeiro elemento 1010. Conforme mostrado, o primeiro corpo 1018 é separado do segundo corpo 1020 por um vão 1026. O vão 1026 é fornecido para impedir a interação entre o primeiro corpo 1018 e o segundo corpo 1020, de modo que possam operar (por exemplo, mover-se) independentemente um do outro, ou não interagir diretamente um com o outro.

Nessa modalidade, o primeiro corpo 1018 tem um primeiro coeficiente de atrito estático ou dinâmico yu; e uma primeira força Fnv; que é normal à primeira superfície de contato 1022, enquanto o segundo corpo 1020 tem um segundo coeficiente de atrito estático ou dinâmico 12 e uma segunda força Fn2 que é normal à segunda superfície de contato 1024. Adicionalmente, o primeiro corpo 1018 pode ter um primeiro momento de inércia JU; e o segundo corpo 1020 pode ter um segundo momento de inércia J2. Em algumas modalidades, ao menos um dentre o primeiro coeficiente de atrito estático ou dinâmico 41, a primeira força normal Fn1, e o primeiro momento de inércia J; são selecionados para serem diferentes do segundo coeficiente de atrito estático ou dinâmico 12, da segunda força normal Fn>, e do segundo momento de inércia Jy;', respectivamente.

Portanto, o sistema de amortecimento 1000 pode ser configurado para levar em consideração múltiplos formatos de modo diferentes em um local substancialmente único ao longo do sistema de fundo de poço 1002.

[0079] Agora com referência à Figura 11, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1100 de acordo com uma modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1100 pode operar de modo similar àquele mostrado e descrito acima. Nesta modalidade, porém, um segundo elemento 1112 que é montado em um primeiro elemento 1110 de um sistema de fundo de poço 1102 é formado a partir de um primeiro corpo 1118, um segundo corpo 1120 e um terceiro corpo 1128. O primeiro corpo 1118 tem uma primeira superfície de contato 1122 entre o primeiro corpo 1118 e o primeiro elemento 1110, o segundo corpo 1120 tem uma segunda superfície de contato 1124 entre o segundo corpo 1120 e o primeiro elemento 1110, e o terceiro corpo 1128 tem uma terceira superfície de contato 1130 entre o terceiro corpo 1128 e o primeiro elemento 1110. Conforme mostrado, o terceiro corpo 1128 está situado entre o primeiro corpo 1118 e o segundo corpo 1020. Nessa modalidade, os três corpos 1118, 1120, 1128 estão em contato um com os outros e, assim, podem ter forças normais e coeficientes de atrito estático ou dinâmico entre si.

[0080] O contato entre os três corpos 1118, 1120, 1128 pode ser estabelecido, mantido ou suportado por elementos de conexão elástica, como elementos de mola entre dois ou mais dos corpos 1118, 1120, 1128. Adicional ou alternativamente, o primeiro corpo 1118 pode ter um primeiro coeficiente de atrito estático ou dinâmico u1 e uma primeira força Fm; na primeira superfície de contato 1122, o segundo corpo 1120 pode ter um segundo coeficiente de atrito estático ou dinâmico 142 e uma segunda força Fn2 na segunda superfície de contato 1124, e o terceiro corpo 1128 pode ter um terceiro coeficiente de atrito estático ou dinâmico 13 e uma terceira força Fn3 na terceira superfície de contato 1130.

[0081] Adicional ou alternativamente, o primeiro corpo 1118 e o terceiro corpo 1128 podem ter uma quarta força Fv13 e um quarto coeficiente de atrito estático ou dinâmico 413 entre si, em uma superfície de contato entre o primeiro corpo 1118 e o terceiro corpo 1128. De modo similar, o terceiro corpo 1128 e o segundo corpo 1120 podem ter uma quinta força Fn32 e um quinto coeficiente de atrito estático ou dinâmico 432 entre si, em uma superfície de contato entre o terceiro corpo 1128 e o segundo corpo 1120.

[0082] Adicionalmente, o primeiro corpo 1118 pode ter um primeiro momento de inércia Us, o segundo corpo 1120 pode ter um segundo momento de inércia J,, e o terceiro corpo 1128 pode ter um terceiro momento de inércia Ja. Em algumas modalidades, os coeficientes de atrito estático ou dinâmico 41, 42, 3, H13, 32, àaS forças Fn1, Fn2, Fn3, F13, F32, e o momento de inércia J1, Jo, Ja podem ser selecionados para serem diferentes um do outro, de modo que os produtos u;.r; (com i = 1, 2, 3, 13, 32) sejam diferentes para ao menos uma subfaixa das velocidades relativas do primeiro elemento 1110, do primeiro corpo 1118, do segundo corpo 1120 e do terceiro corpo 1128. Além disso, os coeficientes de atrito estático ou dinâmico e as forças normais entre corpos adjacentes podem ser selecionados de modo a se obter diferentes efeitos de amortecimento.

[0083] Embora seja mostrado e descrito em relação a um número limitado de modalidades e formatos, tamanhos relativos e números de elementos específicos, o versado na técnica reconhecerá que os sistemas de amortecimento da presente revelação podem assumir qualquer configuração. Por exemplo, os formatos, tamanhos, geometrias, disposições radiais, superfícies de contato, número de corpos, etc. podem ser selecionados de modo a se obter um efeito de amortecimento desejado. Embora na disposição que é mostrada na Figura 11, o primeiro corpo 1118 e o segundo corpo 1120 estejam acoplados um ao outro pelo contato de atrito ao terceiro corpo 1128, essa disposição e essa descrição não se destinam a serem limitadoras. O acoplamento entre o primeiro corpo 1118 e o segundo corpo 1120 pode também ser criado por um mecanismo ou meio de acoplamento hidráulico, elétrico ou mecânico. Por exemplo, um meio de acoplamento mecânico entre o primeiro corpo 1118 e o segundo corpo 1120 pode ser criado por uma conexão rígida ou elástica do primeiro corpo 1118 e do segundo corpo 1120.

[0084] Agora com referência à Figura 12, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1200 de acordo com uma modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1200 pode operar de modo similar àquele mostrado e descrito acima. Nessa modalidade, porém, um segundo elemento 1212 do sistema de amortecimento 1200 é parcialmente preso de modo fixo, ou conectado, a um primeiro elemento 1210. Por exemplo, conforme mostrado nessa modalidade, o segundo elemento 1212 tem uma porção (ou extremidade) fixa 1232 e uma porção (ou extremidade) móvel 1234. A porção fixa 1232 é fixada ao primeiro elemento 1210 ao longo de uma conexão fixa 1236, e a porção móvel 1234 está em contato de atrito com o primeiro elemento 1210 através da superfície de contato 1214 (similar ao primeiro elemento 1010 em contato de atrito com o segundo elemento 1012, descrito em relação à Figura 10).

[0085] A porção móvel 1234 pode ter qualquer comprimento desejado que possa ser relacionado aos formatos de modo, conforme mostrado na Figura 9B. Por exemplo, em algumas modalidades a porção móvel pode ser mais longa do que um décimo da distância entre o máximo e o mínimo de qualquer dos formatos de modo que podem ter sido calculados para um conjunto de perfuração específico. Em um outro exemplo, em algumas modalidades a porção móvel pode ser mais longa do que um décimo da distância entre o máximo e o mínimo de qualquer dos formatos de modo, que podem ter sido calculados para um conjunto de perfuração específico. Em um outro exemplo, em algumas modalidades a porção móvel pode ser mais longa do que metade da distância entre o máximo e o mínimo de qualquer dos formatos de modo, que podem ter sido calculados para um conjunto de perfuração específico. Em um outro exemplo, em algumas modalidades a porção móvel pode ser mais longa do que a distância entre o máximo e o mínimo de qualquer dos formatos de modo, que podem ter sido calculados para um conjunto de perfuração específico.

[0086] Assim sendo, embora possa não ser conhecido onde está a localização exata dos máximos e mínimos do modo durante uma implantação de fundo de poço, é assegurado que o segundo elemento 1212 está em contato de atrito com o primeiro elemento 1210 em uma posição de máxima amplitude para se obter amortecimento otimizado. Embora sejam mostrados com uma disposição específica, o versado na técnica reconhecerá que são possíveis outras disposições de primeiros elementos parcialmente fixos, sem que se afaste do escopo da presente revelação. Por exemplo, em uma modalidade não limitadora, a porção fixa pode estar em uma parte mais central do primeiro elemento, de modo que o primeiro elemento tenha duas porções móveis (por exemplo, em extremidades opostas do primeiro elemento). Como pode ser visto na Figura 12, a porção móvel 1234 do segundo elemento 1212 é bastante alongada e pode cobrir uma porção dos formatos de modo (como os formatos de modo 902, 904, 906 na Figura 9B) que correspondem ao comprimento da porção móvel 1234 do segundo elemento 1212. Um segundo elemento alongado 1212 em contato de atrito com o primeiro elemento 1210 pode ter vantagens em comparação com segundos elementos mais curtos, pois os segundos elementos mais curtos podem estar situados em uma porção indesejada dos formatos de modo, como em um local de amortecimento 910 onde o segundo formato de modo 904 é pequeno ou mesmo zero, conforme explicado acima em relação à Figura 9B. O uso de um segundo elemento alongado 1212 pode assegurar que ao menos uma porção do segundo elemento está a uma distância dos locais onde um ou mais dos formatos de modo são zero ou ao menos próximos de zero. As Figuras 13 a 19 e 21 a 22 mostram mais variedades de segundos elementos alongados em contato de atrito com primeiros elementos. Em algumas modalidades, os segundos elementos alongados podem ser elásticos, de modo que a porção móvel 1234 seja capaz de se mover em relação ao primeiro elemento 1210, enquanto a porção fixa 1232 é estacionária em relação ao primeiro elemento 1210. Em algumas modalidades, o segundo elemento 1212 pode ter múltiplos pontos de contato em múltiplos locais do primeiro elemento 1210.

[0087] Nas modalidades acima descritas, e em sistemas de amortecimento de acordo com a presente revelação, os primeiros elementos são temporariamente fixos aos segundos elementos, devido a um contato de atrito. Entretanto, conforme as vibrações dos sistemas de fundo de poço aumentam e excedem um limite, por exemplo, quando uma força de inércia excede a força de atrito estático, os primeiros elementos

(ou porções dos mesmos) se movem em relação aos segundos elementos, fornecendo assim o amortecimento. Ou seja, quando a HFTO aumenta acima de limites predeterminados (por exemplo, limites de amplitude, distância, velocidade e/ou aceleração) dentro dos sistemas de fundo de poço, os sistemas de amortecimento entram automaticamente em operação, e portanto as modalidades aqui fornecidas incluem sistemas de amortecimento passivo. Por exemplo, as modalidades incluem sistemas de amortecimento passivo operando automaticamente sem usar energia adicional e, portanto, não usam uma fonte de energia adicional.

[0088] Agora com referência à Figura 13, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1300 de acordo com uma modalidade da presente revelação. Nessa modalidade, o sistema de amortecimento 1300 inclui um ou mais primeiros elementos alongados 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f, cada um dos quais está disposto dentro de, e em contato com, um segundo elemento 1312. Cada um dos primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f pode ter um comprimento em uma direção de ferramenta axial (por exemplo, em uma direção perpendicular à seção transversal que é mostrada na Figura 13) e opcionalmente um ponto fixo onde os respectivos primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f são fixados ao segundo elemento 1312. Por exemplo, os primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f podem ser fixados nas respectivas extremidades superiores, porções médias, extremidades inferiores ou em múltiplos pontos de fixação para os diferentes primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f, ou múltiplos pontos para um dado único primeiro elemento 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f. Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 13, os primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f pode ser opcionalmente propendido ou engatado ao segundo elemento 1312 por um elemento propensor 1338 (por exemplo, por um elemento propensor de mola ou um atuador propensor que aplica uma força com um componente em direção ao segundo elemento 1312). Cada um dos primeiros elementos 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f pode ser disposto e selecionado para ter forças normais, coeficientes de atrito estático ou dinâmico e momentos de massa inerciais iguais ou diferentes, possibilitando assim várias configurações de amortecimento.

[0089] Em algumas modalidades, os primeiros elementos podem ser substancialmente uniformes em termos de material, formato e/ou geometria ao longo de um comprimento dos mesmos. Em outras modalidades, os primeiros elementos podem variar em termos de formato e geometria ao longo de um comprimento dos mesmos. Por exemplo, com referência à Figura 14, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1400 de acordo com uma modalidade da presente revelação. Nessa modalidade, um primeiro elemento 1410 está disposto em relação a um segundo elemento 1412, e o primeiro elemento 1410 tem uma disposição afunilada e/ou espiral em relação ao segundo elemento 1412. Consequentemente, em algumas modalidades, uma porção do primeiro ou segundo elemento pode alterar a geometria ou o formato ao longo de um comprimento do mesmo, em relação ao segundo elemento, e essas alterações podem também ocorrer em uma abrangência circunferencial em torno do, ou em relação ao, segundo elemento e/ou em relação a um corpo de ferramenta ou sistema de fundo de poço.

[0090] Agora com referência à Figura 15, é mostrada uma ilustração esquemática de um outro sistema de amortecimento 1500 de acordo com uma modalidade da presente revelação. No sistema de amortecimento 1500, um primeiro elemento 1510 é um corpo dentado (rosqueado) que é encaixado no interior de um segundo elemento rosqueado 1512. O contato entre os dentes (roscas) do primeiro elemento 1510 e as roscas do segundo elemento 1512 pode fornecer o contato de atrito entre os dois elementos 1510, 1512 para possibilitar o amortecimento conforme descrito aqui. Devido às superfícies inclinadas do primeiro elemento 1510, o primeiro elemento 1510 começará a se mover sob as vibrações axiais e/ou torcionais. Adicionalmente, o movimento do primeiro elemento 1510 em uma direção axial ou circunferencial criará também um movimento na direção axial ou circunferencial, respectivamente, nessa configuração. Portanto, com a disposição mostrada na Figura 15, as vibrações axiais podem ser usadas para mitigar ou amortecer as vibrações torcionais, bem como as vibrações torcionais podem ser usadas para mitigar ou amortecer as vibrações axiais. Os locais onde ocorrem as vibrações axiais e torcionais podem ser diferentes. Por exemplo, embora as vibrações axiais possam ser homogeneamente distribuídas ao longo do conjunto de perfuração, as vibrações torcionais podem seguir um padrão de formato de modo conforme discutido acima em relação às Figuras 9A e 9B. Portanto, independentemente de onde ocorram as vibrações, a configuração mostrada na Figura 15 pode ser usada para amortecer vibrações torcionais com o movimento do primeiro elemento 1510 em relação ao segundo elemento 1512, causado pelas vibrações axiais e vice-versa. Conforme mostrado, um elemento de aperto 1540 opcional (por exemplo, um parafuso) pode ser usado para ajustar a pressão de contato ou a força normal entre os dois elementos 1510, 1512 e, assim, ajustar a força de atrito e/ou outras características de amortecimento do sistema de amortecimento 1500.

[0091] Agora com referência à Figura 16, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1600 de acordo com uma outra modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1600 que inclui um primeiro elemento 1610 que é uma haste rígida que está em uma extremidade fixada dentro de um segundo elemento 1612. Nessa modalidade, uma extremidade de haste 1610a está disposta de modo a entre em contato por atrito com um batente de um segundo elemento 1612a para assim fornecer amortecimento conforme descrito de acordo com modalidades da presente revelação. A força normal entre a extremidade de haste 1610a e o batente do segundo elemento 1612a pode ser ajustável, por exemplo por uma conexão rosqueada entre a extremidade de haste 1610a e o primeiro elemento 1610. Adicionalmente, a rigidez da haste poderia ser selecionada para otimizar o amortecimento ou influenciar o formato de modo de uma maneira benéfica, para fornecer um maior deslocamento relativo. Por exemplo, selecionar uma haste com rigidez mais baixa levaria a amplitudes mais altas das oscilações torcionais do primeiro elemento 1610 e uma dissipação mais alta de energia.

[0092] Agora com referência à Figura 17, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1700 de acordo com uma outra modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1700 que inclui um primeiro elemento 1710 que está fixado ou conectado por atrito a um segundo elemento 1712 que está disposto sob a forma de uma haste rígida e que está conectado de modo fixo (por exemplo, por soldagem, parafusamento, brasagem, adesão, etc.) a um elemento tubular externo 1714, como um colar de perfuração, na conexão fixa 1716. Em um aspecto, a haste pode ser um elemento tubular que inclui componentes eletrônicos, alimentadores de energia, mídia de armazenamento, baterias, microcontroladores, atuadores, sensores etc. que são propensos ao desgaste devido a HFTO. Ou seja, em um aspecto, o segundo elemento 1712 pode ser uma sonda, como uma sonda para medir informações direcionais, inclusive um ou mais dentre um gravímetro, um giroscópio e um magnetômetro. Nessa modalidade, o primeiro elemento 1710 está disposto de modo a entrar em contato por atrito com a, mover-se ou oscilar em relação à e ao longo da, estrutura de haste fixa do segundo elemento 1712, para assim fornecer amortecimento conforme descrito de acordo com modalidades da presente revelação. Embora o primeiro elemento 1710 seja mostrado na Figura 17 como sendo relativamente pequeno em comparação ao sistema de amortecimento 1700, ele não se destina a ser limitado nesse sentido. Portanto, o primeiro elemento 1710 pode ter qualquer tamanho e pode ter o mesmo diâmetro externo que o sistema de amortecimento 1700. Adicionalmente, a localização do primeiro elemento 1710 pode ser ajustável a fim de mover o primeiro elemento 1710 mais para perto de um máximo formato de modo para otimizar a mitigação de amortecimento.

[0093] Agora com referência à Figura 18, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1800 de acordo com uma outra modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1800 inclui um primeiro elemento 1810 que é móvel por atrito ao longo de um segundo elemento

1812. Nessa modalidade, o primeiro elemento 1810 está disposto com um elemento elástico de mola 1842, como uma mola helicoidal ou outro elemento ou meio, para engatar o primeiro elemento 1810 ao segundo elemento 1812, e para assim fornecer uma força de restauração quando o primeiro elemento 1810 tiver se movido e estiver defletido em relação ao segundo elemento. A força de restauração se destina a reduzir a deflexão do primeiro elemento 1810 em relação ao segundo elemento

1812. Nessas modalidades, o elemento elástico de mola 1842 pode ser disposto ou afinado à ressonância e/ou a uma frequência de importância crítica (por exemplo, a mais baixa frequência de importância crítica) do elemento elástico de mola 1842 ou do sistema de oscilação compreendendo o primeiro elemento 1810 e o elemento elástico de mola 1842.

[0094] Agora com referência à Figura 19, é mostrada uma ilustração esquemática de um sistema de amortecimento 1900 de acordo com uma outra modalidade da presente revelação. O sistema de amortecimento 1900 inclui um primeiro elemento 1910 que é móvel por atrito em torno de um segundo elemento 1912. Nessa modalidade, o primeiro elemento 1910 é disposto com uma primeira extremidade 1910a que tem um primeiro contato (por exemplo, força normal Fn; da primeira extremidade, coeficiente de atrito estático ou dinâmico 4; da primeira extremidade e momento de inércia J; da primeira extremidade) e um segundo contato em uma segunda extremidade 1910b (por exemplo, força normal Fni da segunda extremidade, coeficiente de atrito estático ou dinâmico 4; da segunda extremidade e momento de inércia J; da segunda extremidade). Em algumas modalidades como essa, o tipo de interação entre a respectiva primeira extremidade 1910a ou segunda extremidade 1910b e o segundo elemento 1912 pode ter características físicas diferentes. Por exemplo, uma ou ambas dentre a primeira extremidade 1910a e a segunda extremidade 1910b podem ter um contato/engate de adesão e uma ou ambos podem ter um contato/engate de deslizamento. As disposições/configurações da primeira e da segunda extremidades 1910a, 1910b podem ser configuradas para fornecer amortecimento conforme descrito de acordo com modalidades da presente revelação.

[0095] Vantajosamente, as modalidades aqui fornecidas se referem a sistemas para mitigação de oscilações torcionais de alta frequência (HFTO) de sistemas de fundo de poço mediante a aplicação de sistemas de amortecimento que são instalados em uma coluna giratória (por exemplo, uma coluna de perfuração). Os primeiros elementos dos sistemas de amortecimento estão, ao menos parcialmente, conectados por atrito para se moverem circunferencialmente em relação a um eixo geométrico da coluna (por exemplo, conectados por atrito para girar em torno do eixo geométrico da coluna). Em algumas modalidades, os segundos elementos podem fazer parte de um sistema de perfuração ou conjunto de fundo de poço e não precisam ser um componente ou peso instalado separadamente. O segundo elemento, ou uma parte do mesmo, está conectada ao sistema de fundo de poço de uma maneira que o movimento relativo entre o primeiro elemento e o segundo elemento tem uma velocidade relativa de zero ou próximo de zero (isto é, movimento relativo nulo ou lento) se não existir HFTO. Entretanto, quando a HFTO ocorre acima de um valor de aceleração distinto, o movimento relativo entre o primeiro elemento e o segundo elemento é possível e são obtidas velocidades relativas positivas e negativas alternadas. Em algumas modalidades, o segundo elemento pode ser uma massa ou peso que está conectado ao sistema de fundo de poço. Em outras modalidades, o segundo elemento pode fazer parte do sistema de fundo de poço (por exemplo, parte de um sistema de perfuração ou BHA) com atrito entre o primeiro elemento e o segundo elemento, como o restante do sistema de fundo de poço, fornecendo a funcionalidade aqui descrita.

[0096] Conforme descrito acima, os segundos elementos dos sistemas de amortecimento são selecionados ou configurados de modo que, quando não há vibração (isto é, HFTO) na coluna, o segundo elemento estará conectado por atrito ao primeiro elemento por meio da força de atrito estático. Entretanto, quando há vibração (HFTO), os segundos elementos se tornam móveis em relação ao primeiro elemento e o contato de atrito entre o primeiro e o segundo elemento é reduzido conforme descrito acima em relação à Figura 2, de modo que o segundo elemento possa girar (mover-se) em relação ao primeiro elemento (ou vice-versa). Quando se movem, o primeiro e o segundo elementos possibilitam a dissipação de energia, mitigando assim a HFTO. Os sistemas de amortecimento e, particularmente, os primeiros elementos do mesmo, são posicionados, pesados, forçados e dimensionados para possibilitar o amortecimento em um ou mais modos/frequências de vibração específicos ou predefinidos. Conforme descrito aqui, os primeiros elementos estão conectados de modo fixo quando não há vibração de HFTO presente, mas são então capazes de se mover quando estão presentes certas acelerações (por exemplo, de acordo com modos HFTO), possibilitando assim o amortecimento da HFTO através de uma passagem por zero de uma velocidade relativa (por exemplo, alternando entre velocidades rotacionais relativas positivas e negativas).

[0097] Nas várias configurações discutidas acima, podem ser usados sensores para estimar e/ou monitorar a eficiência e a energia dissipada de um amortecedor. À medição de deslocamento, velocidade e/ou aceleração próximo ao ponto de contato ou superfície dos dois corpos interatuantes, por exemplo em combinação com sensores de força ou torque, pode ser usada para estimar o movimento relativo e calcular a energia dissipada. A força pode também ser conhecida sem uma medição, por exemplo quando os dois corpos interatuantes são engatados por um elemento propensor, como um elemento de mola ou um atuador. A energia dissipada poderia também ser derivada de medições de temperatura. Esses valores de medição podem ser transmitidos a um controlador ou operador humano, o qual pode habilitar o ajuste de parâmetros como a força normal e/ou os um ou mais coeficientes de atrito estático ou dinâmico para se obter uma dissipação mais alta de energia. Por exemplo, valores medidos e/ou calculados de deslocamento, velocidade, aceleração, força e/ou temperatura podem ser enviados a um controlador, como um microcontrolador, que tem um conjunto de instruções armazenadas em uma mídia de armazenamento, com base nas quais ele ajusta e/ou controla ao menos um dentre a força que engata os dois corpos interatuantes e/ou os coeficientes de atrito estático ou dinâmico. De preferência, os ajustes e/ou controles são feitos enquanto o processo de perfuração está em andamento, a fim de se obter resultados ótimos de amortecimento de HFTO.

[0098] Embora as modalidades aqui descritas tenham sido descritas com referência a figuras específicas, será entendido que várias alterações podem ser feitas e que elementos das mesmas podem ser substituídos por equivalentes sem que se afaste do escopo da presente revelação. Além disso, muitas modificações serão consideradas para adaptar instrumentos, situações ou materiais específicos aos ensinamentos da presente revelação, sem que se afaste de seu escopo. Portanto, pretende-se que a revelação não fique limitada às modalidades específicas reveladas, mas que a presente revelação inclua todas as modalidades que se enquadrem no escopo das reivindicações em anexo ou da seguinte descrição de possíveis modalidades.

[0099] Modalidade 1: Um sistema para amortecimento de oscilações torcionais de sistemas de fundo de poço, sendo que o sistema compreende: um sistema de amortecimento configurado no sistema de fundo de poço, sendo que o sistema de amortecimento compreende: um primeiro elemento; e um segundo elemento em contato por atrito com o primeiro elemento, sendo que o segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

[0100] Modalidade 2: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, que compreende adicionalmente um elemento de ajuste disposto de modo a ajustar uma força entre o primeiro elemento e o segundo elemento.

[0101] Modalidade 3: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o ajuste é baseado em um limite de ao menos um dentre a amplitude e uma frequência das oscilações torcionais.

[0102] Modalidade 4: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o primeiro elemento compreende uma primeira porção que está presa de modo fixo ao segundo elemento, de modo que a primeira porção não se move em relação ao segundo elemento.

[0103] Modalidade 5: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que as oscilações torcionais compreendem um primeiro modo de oscilação e um segundo modo de oscilação.

[0104] Modalidade 6: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o segundo elemento compreende um primeiro corpo e um segundo corpo, sendo que o primeiro corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma primeira soma de uma primeira flutuação periódica de velocidade tendo uma primeira amplitude e uma primeira velocidade média e o segundo corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma segunda soma de uma segunda flutuação periódica de velocidade tendo uma segundo amplitude e uma segunda velocidade média, sendo que a primeira velocidade média é mais baixa do que a primeira amplitude da primeira flutuação periódica de velocidade, e a segunda velocidade média é mais baixa do que a segunda amplitude da segunda flutuação periódica de velocidade, sendo que o primeiro corpo é selecionado para amortecer o primeiro modo de oscilação e o segundo corpo é selecionado para amortecer o segundo modo de oscilação.

[0105] Modalidade 7: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o sistema de fundo de poço gira em torno de um eixo geométrico de rotação, e sendo que o primeiro corpo e o segundo corpo estão posicionados em diferentes locais ao longo do eixo geométrico de rotação.

[0106] Modalidade 8: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, compreendendo adicionalmente um processador configurado para calcular um formato de modo de ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação, e sendo que ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento está situado no sistema de amortecimento com base no cálculo.

[0107] Modalidade 9: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação tem um formato compreendendo um máximo e um mínimo, e o comprimento de ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento é um décimo da distância entre o máximo e o mínimo.

[0108] Modalidade 10: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o contato de atrito alterna de um atrito estático para um atrito dinâmico durante cada período da flutuação periódica de velocidade.

[0109] Modalidade 11: Um método para amortecimento de oscilações torcionais de um sistema de fundo de poço em um poço, sendo que o método compreende: instalar um sistema de amortecimento em um sistema de fundo de poço, sendo que o sistema de amortecimento compreende: um primeiro elemento; e um segundo elemento em contato por atrito com o primeiro elemento, sendo que o segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

[0110] Modalidade 12: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, que compreende adicionalmente ajustar, com um elemento de ajuste, uma força entre o primeiro elemento e o segundo elemento.

[0111] Modalidade 13: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o ajuste é baseado em um limite de ao menos um dentre a amplitude e uma frequência das oscilações torcionais.

[0112] Modalidade 14: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o primeiro elemento compreende uma primeira porção que está presa de modo fixo ao segundo elemento, de modo que a primeira porção não se move em relação ao segundo elemento.

[0113] Modalidade 15: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que as oscilações torcionais compreendem um primeiro modo de oscilação e um segundo modo de oscilação.

[0114] Modalidade 16: O sistema de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o segundo elemento compreende um primeiro corpo e um segundo corpo, sendo que o primeiro corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma primeira soma de uma primeira flutuação periódica de velocidade tendo uma primeira amplitude e uma primeira velocidade média e o segundo corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma segunda soma de uma segunda flutuação periódica de velocidade tendo uma segundo amplitude e uma segunda velocidade média, sendo que a primeira velocidade média é mais baixa do que a primeira amplitude da primeira flutuação periódica de velocidade, e a segunda velocidade média é mais baixa do que a segunda amplitude da segunda flutuação periódica de velocidade, sendo que o primeiro corpo é selecionado para amortecer o primeiro modo de oscilação e o segundo corpo é selecionado para amortecer o segundo modo de oscilação.

[0115] Modalidade 17: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, que compreende adicionalmente girar o sistema de fundo de poço em torno de um eixo geométrico de rotação, sendo que o primeiro corpo e o segundo corpo estão posicionados em diferentes locais ao longo do eixo geométrico de rotação.

[0116] Modalidade 18: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, que compreende adicionalmente calcular, com um computador, um formato de modo de ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação, e colocar ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento com base no cálculo.

[0117] Modalidade 19: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação tem um formato compreendendo um máximo e um mínimo, e o comprimento de ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento é um décimo da distância entre o máximo e o mínimo.

[0118] Modalidade 20: O método de acordo com qualquer das modalidades acima descritas, sendo que o contato de atrito alterna de um atrito estático para um atrito dinâmico durante cada período da flutuação periódica de velocidade.

[0119] Em apoio aos ensinamentos da presente invenção, vários componentes de análise podem ser usados, incluindo um sistema digital e/ou analógico. Por exemplo, os controladores, sistemas de processamento por computador e/ou sistemas de geonavegação, conforme aqui fornecidos e/ou usados com modalidades aqui descritas, podem incluir sistemas digitais e/ou analógicos. Os sistemas podem ter componentes como processadores, mídias de armazenamento, memória, entradas, saídas, enlaces de comunicação (por exemplo, com fio, sem fio, ópticos ou outros), interfaces de usuário, programas de software, processadores de sinal (por exemplo, digital ou analógico) e outros componentes similares (por exemplo, como resistores, capacitores, indutores e outros) para possibilitar a operação e a análise dos aparelhos e métodos aqui revelados em qualquer dentre várias maneiras bem conhecidas na técnica. Considera-se que esses ensinamentos possam ser, mas não precisem ser, implementados juntamente com um conjunto de instruções executáveis por computador armazenadas em uma mídia não transitória legível por computador, inclusive memória (por exemplo, ROMs ("read-only memory", ou memórias somente de leitura), RAMs ("random-access memory", ou memória de acesso aleatório)), mídias ópticas (por exemplo, CD-ROMs), ou magnéticas (por exemplo, discos flexíveis, unidade de disco rígido), ou qualquer outro tipo que, quando executado, faça com que um computador implemente os métodos e/ou processos aqui descritos. Essas instruções podem permitir operação, controle, coleta de dados, análise e outras funções de equipamentos consideradas relevantes por um designer, proprietário ou usuário de um sistema, ou outras equipes similares, em adição às funções descritas na presente revelação. Os dados processados, como um resultado de um método implementado, podem ser transmitidos sob a forma de um sinal por meio de uma interface de saída de processador para um dispositivo receptor de sinais. O dispositivo receptor de sinais pode ser uma tela de monitor ou uma impressora para apresentação do resultado a um usuário. Alternativa ou adicionalmente, o dispositivo receptor de sinais pode ser uma memória ou uma mídia de armazenamento. Será reconhecido que armazenar o resultado na memória ou na mídia de armazenamento pode transformar a memória ou a mídia de armazenamento em um novo estado (isto é, contendo o resultado) a partir do estado anterior (isto é, não contendo o resultado). Adicionalmente, em algumas modalidades, um sinal de alerta pode ser transmitido do processador para uma interface de usuário, se o resultado exceder um valor-limite.

[0120] Além disso, vários outros componentes podem ser incluídos e solicitados para dar suporte a aspectos dos ensinamentos aqui contidos. Por exemplo, pode-se incluir um sensor, um transmissor, um receptor, um transceptor, uma antena, um controlador, uma unidade óptica, uma unidade elétrica e/ou uma unidade eletromecânica em suporte aos vários aspectos aqui discutidos, ou em suporte a outras funções para além desta revelação.

[0121] O uso dos termos "um", "uma", "o" e "a" e referências similares no contexto de descrever a invenção (especialmente no contexto das reivindicações a seguir) deve ser interpretado como abrangendo tanto o singular quanto o plural, exceto onde indicado em contrário na presente invenção ou claramente contradito pelo contexto. Adicionalmente, deve ser considerado que os termos "primeiro", "segundo" e similares na presente invenção não denotam qualquer ordem, quantidade ou importância, sendo, ao invés disso, usados para distinguir um elemento de outro. O modificador "cerca de" usado em conexão com uma quantidade é inclusivo do valor declarado e tem o significado ditado pelo contexto (por exemplo, ele inclui o grau de erro associado à medição da quantidade específica).

[0122] Será reconhecido que os vários componentes ou as várias tecnologias podem fornecer certas funcionalidades ou certos recursos necessários ou benéficos. Consequentemente, essas funções e esses recursos, conforme possam ser necessários em suporte às reivindicações em anexo e a variações das mesmas, são reconhecidos como estando inerentemente incluídos como parte dos ensinamentos aqui contidos e como parte da presente revelação.

[0123] Os ensinamentos da presente revelação podem ser usados em uma variedade de operações de poços. Essas operações podem envolver o uso de um ou mais agentes de tratamento para tratar uma formação, os fluidos residentes em uma formação, um poço e/ou equipamentos no poço, como uma tubulação de produção. Os agentes de tratamento podem estar sob a forma de líquidos, gases, sólidos, semissólidos e misturas dos mesmos. Os agentes de tratamento ilustrativos incluem, mas não se limitam a, fluidos de fraturamento, ácidos, vapor d'água, água, salmoura, agentes anticorrosão, cimento, modificadores de permeabilidade, lamas de perfuração, emulsificantes, desemulsificantes, sinalizadores, melhoradores de fluxo, etc. As operações de poços ilustrativas incluem, mas não se limitam a, fraturamento hidráulico, estimulação, injeção de sinalizador, limpeza, acidificação, injeção de vapor d'água, injeção de água, cimentação, etc.

[0124] Embora as modalidades aqui descritas tenham sido descritas com referência a várias modalidades, será entendido que várias alterações podem ser feitas e que elementos das mesmas podem ser substituídos por equivalentes sem que se afaste do escopo da presente revelação. Além disso, muitas modificações serão consideradas para adaptar instrumentos, situações ou materiais específicos aos ensinamentos da presente revelação, sem que se afaste de seu escopo. Portanto, pretende-se que a invenção não se limite às modalidades específicas apresentadas como o melhor modo contemplado para executar os recursos descritos, mas que a presente revelação inclua todas as modalidades que se enquadrem no escopo das reivindicações em anexo.

[0125] Consequentemente, modalidades da presente revelação não se destinam a serem vistas como limitadas pela supracitada descrição, mas são limitadas apenas pelo escopo das reivindicações em anexo.

[0126] Vibrações graves em colunas de perfuração e conjuntos de fundo de poço podem ser causadas por forças de corte na broca ou desequilíbrios de massa em ferramentas de fundo de poço, como motores de perfuração. Os efeitos negativos são, entre outros, taxa de penetração reduzida, qualidade de medições reduzida e falhas no fundo de poço.

[0127] Existem diferentes tipos de vibrações torcionais. Na literatura as vibrações torcionais são principalmente diferenciadas em adesão/deslizamento da totalidade do sistema de perfuração e oscilações torcionais de alta frequência (HFTO). Ambas são principalmente excitadas por mecanismos de auto-excitação que ocorrem devido à interação da broca de perfuração com a formação. O principal diferenciador entre adesão/deslizamento e HFTO é a frequência e o formato de modo típico: No caso de HFTO, a frequência é acima de 50 Hz em comparação a abaixo de 1 Hz no caso de adesão/deslizamento. Adicionalmente, o formato de modo excitado de adesão/deslizamento é o primeiro formato de modo do sistema de perfuração como um todo, enquanto o formato de modo de HFTOs é comumente localizado em uma pequena porção do sistema de perfuração, e tem amplitudes comparavelmente altas na broca.

[0128] Devido à alta frequência, a HFTO corresponde a altos valores de aceleração e torque ao longo do BHA, e pode ter efeitos danosos sobre peças eletrônicas e mecânicas. Com base na teoria de auto-excitação, um amortecimento maior pode mitigar as HFTOs se um certo limite do valor de amortecimento for atingido (já que a auto-excitação é uma instabilidade e pode ser interpretada como um amortecimento negativo do modo associado).

[0129] Um conceito de amortecimento é baseado em atrito. O atrito entre duas partes no BHA ou na coluna de perfuração pode dissipar energia e reduzir o nível de oscilações torcionais.

[0130] Nesta ideia, é discutido um princípio do projeto que, na opinião dos inventores, funciona melhor para amortecimento com atrito. O amortecimento será obtido por meio de uma força de atrito onde o ponto de operação da força de atrito em relação à velocidade relativa precisa estar em torno do ponto 204 mostrado na Figura 2. Esse ponto de operação leva a uma alta dissipação de energia, pois é obtida uma histerese de atrito, enquanto o ponto 202 da Figura 2 levará a entrada de energia no sistema.

[0131] Conforme discutido acima, as forças de atrito entre o sistema de perfuração e o poço não gerarão um amortecimento adicional significativo no sistema. Isso se deve ao fato de que a velocidade relativa entre as superfícies de contato (por exemplo, um estabilizador e o poço) não tem um valor médio de zero. Os dois corpos interatuantes do amortecedor por atrito precisam ter uma velocidade média ou velocidade de rotação, um em relação ao outro, que seja suficientemente pequena para que a HFTO leve a uma alteração de sinal da velocidade relativa dos dois corpos interatuantes do amortecedor por atrito. Em outras palavras, o máximo das velocidades relativas entre os dois corpos interatuantes, geradas pela HFTO, precisa ser mais alto do que a velocidade relativa média entre os dois corpos interatuantes.

[0132] A dissipação de energia ocorre apenas em uma fase de deslizamento, por meio da interface entre o dispositivo de amortecimento e o sistema de perfuração. O deslizamento ocorre se a força inercial exceder o limite entre adesão e deslizamento, que é a força de atrito estático: F, > no * Fy (sendo que a força de atrito estático é igual ao coeficiente de atrito estático multiplicado pela força normal entre ambas as superfícies de contato). A força normal e/ou o coeficiente de atrito estático ou dinâmico pode ser ajustável para se obter uma dissipação de energia ótima ou desejada. Ajustar ao menos um dentre a força normal e o coeficiente de atrito estático ou dinâmico pode levar a uma dissipação otimizada de energia pelo sistema de amortecimento.

[0133] Conforme discutido aqui, a disposição do amortecedor por atrito precisa ser na área de altas acelerações de HFTO, cargas e/ou movimento relativo. Como diferentes modos podem ser afetados, é preferencial um design que seja capaz de mitigar todos os modos de HFTO (por exemplo, Figuras 9A e 9B).

[0134] Um equivalente pode ser usado como ferramenta amortecedora de atrito da presente revelação. Pode ser usado um colar com fendas conforme mostrado nas Figuras 21 e 22. Uma vista em seção transversal do colar com fendas é mostrada na

Figura 22. Em uma modalidade não limitadora, o colar com fendas tem uma alta flexibilidade e levará a maiores deformações se não forem inseridos dispositivos de atrito. A velocidade mais alta causará forças centrífugas mais altas, que forçarão os dispositivos de atrito que serão pressionados para dentro das fendas com forças normais otimizadas para permitir alto amortecimento por atrito. Nessa configuração, outros fatores que podem ser otimizados são o número e a geometria das fendas, bem como a geometria dos dispositivos de amortecimento. Uma força normal adicional pode ser aplicada por elementos de mola, conforme mostrado na Figura 22, atuadores e/ou por forças centrífugas, conforme discutido acima.

[0135] A vantagem desse princípio é que os dispositivos de atrito serão montados diretamente no fluxo de força. Uma torção do colar devido a um modo de HFTO excitado e o correspondente formato de modo serão parcialmente suportados pelos dispositivos de atrito, que se moverão para cima e para baixo durante um período de vibração. O alto movimento relativo, juntamente com coeficiente de atrito e força normal otimizados, levará a uma alta dissipação de energia.

[0136] Esse objetivo é impedir um aumento de amplitude das amplitudes de HFTO (nesse caso representadas pelas amplitudes de aceleração tangencial). O amortecimento (modal) que precisa ser adicionado a cada modo torcional instável pelo sistema de amortecedor por atrito precisa ser mais alto do que a entrada de energia no sistema. A entrada de energia não está acontecendo instantaneamente, mas ao longo de muitos períodos, até que seja atingida a amplitude do pior caso (zero RPM na broca).

[0137] Com este conceito, pode-se usar um colar comparativamente curto, pois o amortecedor por atrito usa o movimento relativo ao longo da distância da broca. Não é necessário ter uma amplitude de alta aceleração tangencial, mas apenas alguma deflexão ("torção") do colar, que será obtida em quase todos os locais ao longo do BHA. O colar e os amortecedores precisam ter uma razão entre massa e rigidez ("impedância") similar, em comparação ao BHA. Isso permitiria que o formato de modo se propagasse no colar de atrito. Será obtido um alto amortecimento que mitigará a

HFTO, se forem ajustados os parâmetros discutidos acima (força normal devido a molas etc.). A vantagem em comparação a outros princípios de amortecedor por atrito é a aplicação dos dispositivos de atrito diretamente no fluxo de força da deflexão para um modo HFTO. A velocidade relativa comparativamente alta entre os dispositivos de atrito e o colar levarão a uma alta dissipação de energia.

[0138] O amortecedor terá um alto benefício e funcionará para diferentes aplicações. A HFTO causa altos custos devido aos altos esforços de reparo e manutenção, questões de confiabilidade com tempo não produtivo e pequena fatia de mercado. O amortecedor por atrito proposto funcionaria abaixo de um motor (que desacopla a HFTO) e também acima de um motor. Ele poderia ser montado em todos os locais do BHA, o que incluiria também um posicionamento acima do BHA se o formato de modo se propagar até esse ponto. O formato de modo se propagará através da totalidade do BHA, se a distribuição de massa e rigidez for relativamente similar. Um posicionamento ótimo poderia, por exemplo, ser determinado por um assessor de oscilação torcional que permita um cálculo de modos de HFTO de importância crítica, e os correspondentes formatos de modo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para amortecimento de oscilações torcionais de sistemas de fundo de poço (702, 900, 1002, 1102), sendo o sistema caracterizado por compreender: um sistema de amortecimento (700, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900) configurado no sistema de fundo de poço, sendo que o sistema de amortecimento compreende: um primeiro elemento (710, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910) e um segundo elemento (712, 1012, 1112, 1212, 1312, 1412, 1512, 1612, 1712, 1812, 1912); em contato de atrito com o primeiro elemento, sendo que o segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um elemento de ajuste (716) disposto de modo a ajustar uma força entre o primeiro elemento e o segundo elemento.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o ajuste ser baseado em um limite de ao menos um dentre a amplitude e uma frequência das oscilações torcionais.

4. Sistema, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o primeiro elemento compreender uma primeira porção (1232) que está presa de modo fixo ao segundo elemento, de modo que a primeira porção não se move em relação ao segundo elemento.

5. Sistema, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por as oscilações torcionais compreenderem um primeiro modo de oscilação e um segundo modo de oscilação, e sendo que ao menos um dentre (i) o segundo elemento compreende um primeiro corpo (1018, 1118), e um segundo corpo (1020, 1120), sendo que o primeiro corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma primeira soma de uma primeira flutuação periódica de velocidade tendo uma primeira amplitude e uma primeira velocidade média e o segundo corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma segunda soma de uma segunda flutuação periódica de velocidade tendo uma segundo amplitude e uma segunda velocidade média, sendo que a primeira velocidade média é mais baixa do que a primeira amplitude da primeira flutuação periódica de velocidade, e a segunda velocidade média é mais baixa do que a segunda amplitude da segunda flutuação periódica de velocidade, sendo que o primeiro corpo é selecionado para amortecer o primeiro modo de oscilação e o segundo corpo é selecionado para amortecer o segundo modo de oscilação, (ii) um processador está configurado para calcular um formato de modo de ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação, e sendo que ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento está situado no sistema de amortecimento com base no cálculo, e/ou (iii) ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação tem um formato compreendendo um máximo e um mínimo, e o comprimento de ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento é um décimo da distância entre o máximo e o mínimo.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o sistema de fundo de poço girar em torno de um eixo geométrico de rotação, e sendo que o primeiro corpo e o segundo corpo estão posicionados em diferentes locais ao longo do eixo geométrico de rotação.

7. Sistema, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o contato de atrito alternar de um atrito estático para um atrito dinâmico durante cada período da flutuação periódica de velocidade.

8. Método para amortecimento de oscilações torcionais de um sistema de fundo de poço (702, 900, 1002, 1102), em um poço, sendo o método caracterizado por compreender:

instalar um sistema de amortecimento (700, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900) em um sistema de fundo de poço, sendo que o sistema de amortecimento compreende: um primeiro elemento (710, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910); e um segundo elemento (712, 1012, 1112, 1212, 1312, 1412, 1512, 1612, 1712, 1812, 1912) em contato de atrito com o primeiro elemento, sendo que o segundo elemento se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma soma de uma flutuação periódica de velocidade tendo uma amplitude e uma velocidade média, sendo que a velocidade média é mais baixa do que a amplitude da flutuação periódica de velocidade.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por compreender adicionalmente ajustar, com um elemento de ajuste (716), uma força entre o primeiro elemento e o segundo elemento.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o ajuste ser baseado em um limite de ao menos um dentre a amplitude e uma frequência das oscilações torcionais.

11. Método, de acordo com qualquer das reivindicações 8 a 10, caracterizado por o primeiro elemento compreender uma primeira porção (1232) que está presa de modo fixo ao segundo elemento, de modo que a primeira porção não se move em relação ao segundo elemento.

12. Método, de acordo com qualquer das reivindicações 8 a 11, caracterizado por as oscilações torcionais compreenderem um primeiro modo de oscilação e um segundo modo de oscilação.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por ao menos um dentre (i) o segundo elemento compreende um primeiro corpo (1018, 1118), e um segundo corpo (1020, 1120), sendo que o primeiro corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma primeira soma de uma primeira flutuação periódica de velocidade tendo uma primeira amplitude e uma primeira velocidade média e o segundo corpo se move em relação ao primeiro elemento com uma velocidade que é uma segunda soma de uma segunda flutuação periódica de velocidade tendo uma segundo amplitude e uma segunda velocidade média, sendo que a primeira velocidade média é mais baixa do que a primeira amplitude da primeira flutuação periódica de velocidade, e a segunda velocidade média é mais baixa do que a segunda amplitude da segunda flutuação periódica de velocidade, sendo que o primeiro corpo é selecionado para amortecer o primeiro modo de oscilação e o segundo corpo é selecionado para amortecer o segundo modo de oscilação, (ii) o método compreende adicionalmente girar o sistema de fundo de poço em torno de um eixo geométrico de rotação, sendo que o primeiro corpo e o segundo corpo estão posicionados em diferentes locais ao longo do eixo geométrico de rotação, e/ou (ili) ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação tem um formato compreendendo um máximo e um mínimo, e o comprimento de ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento é um décimo da distância entre o máximo e o mínimo.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente calcular, com um computador, um formato de modo de ao menos um dentre o primeiro modo de oscilação e o segundo modo de oscilação, e colocar ao menos um dentre o primeiro elemento e o segundo elemento com base no cálculo.

15. Método, de acordo com qualquer das reivindicações 8 a 14, caracterizado por o contato de atrito alternar de um atrito estático para um atrito dinâmico durante cada período da flutuação periódica de velocidade.