CN110382819B - 用于井下工具管柱的缓冲器工具 - Google Patents

Abstract

缓冲器工具可以安装在井下工具管柱中，以减少井下工具管柱中的振动。缓冲器工具包括传动垫圈和具有不同刚度特性和预压缩的两种柔量部件，该传动垫圈响应于作用在缓冲器工具上的外力而选择性地对柔量部件施加进一步的压缩。柔量部件在缓冲器工具的外部负载下保持其初始预压缩。

Description

用于井下工具管柱的缓冲器工具

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年12月12日提交的名称为“用于井下工具管柱的缓冲器工具”的美国临时专利申请62/432,743的优先权，该申请通过引用并入本文。

背景技术

通用井底定向(“UBHO”)接头通常用于定向钻井井底钻具组合(BHA)。UBHO接头具有称为“斜口管鞋”或“着陆套筒(landing sleeve)”的中空圆筒形内部构件。诸如随钻测量(MWD)工具或随钻测井(LWD)工具等定向测量工具可以包含在斜口管鞋内并且锁定到斜口管鞋。定向测量工具可以包括电子器件和/或其他敏感硬件。在钻井期间，工具管柱将受到相当大的振动。为了防止损坏定向测量工具的敏感部件，敏感部件可以封装在防振壳体中。但是，在某些情况下，防振壳体可能无法为敏感部件提供足够的保护。在某些情况下，可能需要使用隔离系统来保护敏感部件免受有害振动，例如，在某一频率上的振动。

国际公开WO 2015/112821(Cune等人)描述了一种隔离斜口管鞋，其可以提供传统斜口管鞋的功能，同时保护敏感部件免受振动，例如频率在110Hz和200Hz之间的振动。隔离斜口管鞋包括具有至少两个轴向位移元件的隔离器模块，所述轴向位移元件可轴向移动以响应于输入到隔离器的振动和/或冲击而缩短或伸长隔离器。

发明内容

在本公开的一些实施例中，用于井下工具管柱的缓冲器工具包括斜口管鞋适配器和UBHO适配器，以用于将缓冲器工具安装在井下工具管柱中。缓冲器工具还包括：回弹柔量部件，其具有第一刚度和第一预压缩；以及压缩柔量部件，其具有大于所述第一刚度的第二刚度和小于所述第一预压缩的第二预压缩。回弹柔量部件和压缩柔量部件构造成在缓冲器工具的外部负载下分别保持第一预压缩和第二预压缩的至少一部分。缓冲器单元还可包括传动垫圈，该传动垫圈布置在回弹柔量部件和压缩柔量部件之间，并且联接到斜口管鞋适配器。传动垫圈可以构造成响应于作用在斜口管鞋适配器上的力而选择性地对回弹和压缩柔量部件施加进一步的压缩。

在本公开的一些实施例中，井下工具管柱包括：UBHO接头，其具有设置在其中的斜口管鞋；以及如上所述的缓冲器工具，其设置在UBHO接头内。缓冲器工具的斜口管鞋适配器联接到斜口管鞋，并且缓冲器工具的UBHO适配器安装到UBHO接头上。

在本公开的其他实施例中，一种减少具有斜口管鞋的井下工具管柱中的振动的方法包括将如上所述的缓冲器工具安装在井下工具管柱中。该安装可包括将缓冲器工具联接到井下工具管柱的斜口管鞋。该方法包括：在所述缓冲器工具的所述传动垫圈处接收施加在所述斜口管鞋上的力；以及响应于所接收的力，通过所述传动垫圈的运动进一步压缩所述缓冲器工具的所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件中的一个。

前面的一般性描述和以下的详细描述是本发明的示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质的概述或框架。包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1A是处于组装状态下的用于井下工具管柱的缓冲器工具的剖视图。

图1B是沿1B-1B线截取的图1A的剖视图。

图2是斜口管鞋适配器的示意图。

图3是UBHO适配器的示意图。

图4A是回弹柔量(compliance)元件的剖视图。

图4B是包括回弹柔量元件的堆叠体的回弹柔量部件的剖视图。

图5A是压缩柔量元件的剖视图。

图5B是包括压缩柔量元件的堆叠体的压缩柔量部件的剖视图。

图6A是传动垫圈的示意图。

图6B是预压缩之前的图1A的缓冲器工具的放大剖视图，并且图6B聚焦于包含传动垫圈的区域。

图7A是预压缩之前的图1A的缓冲器工具的放大剖视图，并且图7A聚焦于包含回弹柔量部件的区域。

图7B是处于组装状态的图1A的缓冲器工具的放大剖视图，并且图7B聚焦于包含回弹柔量部件的区域。

图8是图1A的缓冲器工具的示例性构造的负载变形曲线图。

图9是设置在UBHO接头内部并组装到斜口管鞋上的缓冲器工具的剖视图。

具体实施方式

用于井下工具管柱(例如MWD工具管柱等)的缓冲器工具保护工具管柱内的电子器件和其他敏感设备免受重复振动和冲击振动的影响。在一些情况下，缓冲器工具具有适配器，适配器使得缓冲器工具能够布置在UBHO接头内并且联接到UBHO接头的斜口管鞋。缓冲器工具被设计为减轻沿管柱传递的冲击。根据一些实施例，缓冲器工具可以具有80Hz或更高的固有频率，并且可以构造成将振动敏感部件与200Hz或更高的振动频率隔离。在一些实施例中，缓冲器工具使用弹性体部分，该弹性体部分始终处于压缩状态，而不管净压缩负载或净拉伸负载是否施加到缓冲器工具。当缓冲器工具处于整体压缩或拉伸时，这允许井下弹性体部件的寿命延长和软缓冲。

图1A示出了缓冲器工具100的剖视图，该缓冲器工具100包括斜口管鞋适配器200、UBHO适配器300和缓冲器单元400。缓冲器单元400包括缓冲器壳体402、回弹柔量部件408、传动垫圈410和压缩柔量部件412。缓冲器工具100可以具有轴向轴线102，斜口管鞋适配器200、UBHO适配器300和缓冲器单元400沿轴向轴线102大致轴向对准。在一些实施例中，斜口管鞋适配器200使得缓冲器工具100能够联接到传统的斜口管鞋/着陆套筒(未示出)，并且UBHO适配器300使得缓冲器工具100能够在传统的UBHO(未示出)内安装。

图2示出了斜口管鞋适配器200的示意图。参考图1A和图2，斜口管鞋适配器200可具有适配器头部202和适配器主体204。适配器主体204适于插入并且联接到缓冲器单元400，而适配器头部202适于联接到另一工具构件，例如，斜口管鞋/着陆套筒(未示出)。斜口管鞋适配器200具有中心孔206，中心孔206延伸穿过适配器头部202和适配器主体204。适配器头部202的内表面208可包括螺纹209，螺纹209用于与另一工具构件(例如，斜口管鞋/着陆套筒(未示出))形成螺纹连接。适配器头部202的外表面210可包括周向凹部212。外部耐磨带214可以设置在周向凹部212中。当外表面210与另一表面(未示出)配合或用作支承表面时，外部耐磨带214可提供润滑和滑动支撑。

适配器主体204可以依次包括上主体部分216、螺纹主体部分218、锥形主体部分220和下主体部分222。上主体部分216可具有大直径部分216A和小直径部分216B。参考图2，在上主体部分216的大直径部分216A的外表面225中形成有凹穴224。在一些实例中，凹穴224可以围绕大直径部分216A的圆周分布，并且可以成形为接收防旋转销。图1A(还有图1B)示出了凹穴224中的防旋转销227。在一些实施例中，凹穴224比防旋转销227更长(沿轴向方向102)，使得防旋转销227被允许在凹穴224内轴向移动。防旋转销227可用于防止斜口管鞋适配器200相对于缓冲器单元400的旋转，同时允许斜口管鞋适配器200相对于缓冲器单元400的轴向运动。除了防旋转销之外的其他结构(例如多边花键和旋绕脊(convolutedspine))也可用于防止斜口管鞋适配器200相对于缓冲器单元400的旋转。在这种情况下，可以在上主体部分216上形成花键而不是用于接纳防旋转销的凹穴。

回到图2，在上主体部分216的大直径部分216A的外表面225中形成有凹槽226。在一些实例中，凹槽226可以围绕大直径部分216A的圆周分布，并且可以与凹穴224交替布置。在一些实例中，凹槽226大致平行于斜口管鞋适配器200的轴向轴线229定向。凹槽226在上主体部分216上提供流动路径或压力端口，并且可以防止或减少由于高速流动导致的上主体部分216的外表面225和任何配合表面的磨损或冲洗。

回到图1A，螺纹主体部分218具有外表面230，螺纹232形成在外表面230上。螺纹232可用于在斜口管鞋适配器主体204和缓冲器单元400的传动垫圈410之间形成螺纹连接。与螺纹主体218相邻的锥形主体部分220具有锥形外表面233。锥形外表面233在从螺纹主体部分218到下主体部分222的方向上逐渐变细，或者锥形主体部分220的外径在从螺纹主体部分218到下主体部分222的方向上减小。在一些实施例中，锥形外表面233的锥角可为每侧约6度或包括约12度。

图3示出了UBHO适配器300的示意图。参考图1A和图3，UBHO适配器300具有小外径部分302和大外径部分304。UBHO适配器300具有中心孔306，中心孔306延伸穿过小外径部分302和大外径部分304。中心孔306的形状通常可以是圆筒形。在一些实例中，选择小外径部分302的内径，使得斜口管鞋适配器主体204的下主体部分222可至少部分地容纳在中心孔306内。小外径部分302的内径可以使得UBHO适配器小外径部分302的内表面308(在图1A中)与斜口管鞋适配器主体部分204的外表面234配合。在该配合位置，斜口管鞋适配器200的中心孔206和UBHO适配器300的中心孔306对准，以形成穿过缓冲器工具100且用于流体和工具的中央通道。

在一些实例中，UBHO小外径部分302的内表面308可包括周向凹部310，耐磨带312安装在周向凹部310中。耐磨带312可在配合的斜口管鞋适配器表面234和UBHO适配器表面308之间提供润滑。耐磨带312可以进一步帮助沿着缓冲器工具100的轴向轴线102对准斜口管鞋适配器200和UBHO适配器300。

在一些实例中，螺纹314可以形成在小外径部分302的外表面316上。螺纹314可用于与缓冲器单元400的缓冲器壳体402形成螺纹连接。

在一些实例中，O形环318可以设置在大外径部分304的外表面322中的凹槽320中。O形环318可以在UBHO适配器300和另一工具构件(例如UBHO接头)之间密封。

参考图1A，缓冲器单元400的缓冲器壳体402可以是套筒的形式。O形环401可以设置在壳体402的外表面中的凹槽中。O形环401可以在缓冲器壳体402和另一个工具构件的配合表面之间密封。例如，当缓冲器工具100设置在UBHO接头(未示出)中时，O形环401可以在缓冲器壳体402和UBHO接头的配合表面之间密封。缓冲器壳体402具有内表面407，内表面407限定大致圆筒形的孔404，孔404可沿轴线102对准。在一些实例中，螺纹405可以形成在缓冲器壳体402的内表面407的下部上。图1A示出了插入到孔404的下部中的UBHO适配器300的上主体部分302。另外，在缓冲器壳体402的内螺纹405和UBHO适配器300的外螺纹314之间形成螺纹连接409。

图1A还示出了占据孔404的中心部分的斜口管鞋适配器主体204。在一些实施例中，防旋转销227插入在斜口管鞋适配器主体204和缓冲器壳体402之间，以防止斜口管鞋适配器200相对于缓冲器壳体402旋转。参考图1B，在缓冲器壳体402的内表面407上形成有凹槽411。缓冲器壳体402的内表面407上的凹槽411对应于斜口管鞋适配器主体204的外表面225上的凹穴224。在将斜口管鞋适配器主体204插入缓冲器壳体402之前，防旋转销227布置在斜口管鞋适配器主体204的外表面225上的凹穴224中。凹穴224相对于防旋转销227的尺寸使得防旋转销227的外部部分从其对应的凹穴224突出。当斜口管鞋适配器主体204插入到缓冲器壳体402中并且凹槽411与凹穴224对准时，防旋转销227的这些突出的外部部分滑入相应的凹槽411中。通过设置在凹穴224和凹槽411之间的防旋转销227，允许斜口管鞋适配器200相对于缓冲器壳体402轴向移动，但防止斜口管鞋适配器200相对于缓冲器壳体402旋转。

回到图1A，缓冲器单元400的回弹柔量部件408、传动垫圈410和压缩柔量部件412堆叠在斜口管鞋适配器主体204和缓冲器壳体402之间的环形空间406中。回弹柔量部件408、传动垫圈410和压缩柔量部件412中的每一个围绕斜口管鞋适配器主体204的一部分。在一些实例中，传动垫圈410安装在回弹柔量部件408和压缩柔量部件412之间并且与这两者接触，使得传动垫圈410可以响应于外力对部件408、412中的任一个施加轴向压缩。在一些实施例中，在缓冲器壳体402的内表面407上形成搁架403，并且回弹柔量部件408在缓冲器壳体搁架403和传动垫圈410之间被预压缩。另外，压缩柔量部件412在传动垫圈410和UBHO适配器端面324之间被预压缩。

图1A中的回弹柔量部件408可包括两个或更多个回弹柔量元件。图4A示出了示例性回弹柔量元件420的横截面，回弹柔量元件420包括平行布置的垫片(或间隔环)424、426。弹性体环430夹在垫片424、426之间。垫片424、426可以由金属、合金或塑料制成。弹性体环430可以结合到垫片424、426以形成整体结构。弹性体环430的内表面431和垫片424、426的各自内表面425、427可形成中心开口429。中心开口429允许回弹柔量部件408围绕斜口管鞋适配器主体(图1A中的204)的一部分安装。

弹性体环430具有轴向厚度430W和径向厚度430T。在一些实例中，径向厚度430T可以选择为小于垫片424(或垫片426)的厚度424T，使得弹性体环430的外周表面相对于垫片424、426的各自外周表面434、436凹陷。在一些实例中，弹性体环430的外周表面432可以在松弛状态下具有波状外形轮廓(contoured profile)。当弹性体环430被压缩时，可选择波状外形轮廓以降低弹性体环430中的诱导应变。波状外形轮廓可以由弯曲轮廓或弯曲轮廓和平坦轮廓的组合限定。在一些情况下，波状外形轮廓可以使得圆周表面432在松弛状态下具有大致凹形的形状。在一些实例中，尽管未示出，弹性体环430的内表面431也可以是波状外形的。

当弹性体环430承受大负载(bulk loading)时，外表面432和内表面431将凸出，即径向膨胀。在表面具有波状外形的情况下，当弹性体环430凸出时，波状外形轮廓可由所需形状系数确定，其中形状系数可由弹性体的承载面积与凸出面积的比率确定。

如前所述，回弹柔量部件408可具有两个或更多个回弹柔量元件。图4B示出了回弹柔量部件408的横截面，该回弹柔量部件408包括两个柔量元件420(分别标识为420A、420B)的堆叠体。在该堆叠体中，上柔量部件420A的底部垫片426A可以同时作为下柔量部件420B的顶部垫片。于是，底部垫片426A将用作堆叠体中的相邻弹性体环430A、430B之间的间隔件。因此，回弹柔量部件通常可以被描述为包括与非弹性体垫片交错的弹性体环的堆叠体的结构，或者包括交替布置的弹性体环和非弹性体垫片的堆叠体，其中，弹性体环构造成提供回弹柔量部件对柔量隔离器的所需轴向刚度的预定贡献。通常，堆叠体中的弹性体环是相同的，但也可以在堆叠体中使用不同的弹性体环，例如具有不同轴向或径向厚度的弹性体环。

当回弹柔量部件408围绕斜口管鞋适配器主体(图1A中的204)安装并且缓冲器工具(图1A中的100)处于组装状态时，为了防止金属与金属的接触，回弹柔量部件408的弹性体环430A、430B的外径可以选择为小于缓冲器壳体(图1A中的402)的内径，使得回弹柔量部件408的弹性体环和缓冲器壳体402之间存在小间隙。例如，在图6B中的433处示出了这种间隙。间隙(其可称为缓冲间隙)在某些情况下可具有0.01英寸的最小值。

压缩柔量部件(图1A中的412)可包括两个或更多个压缩柔量元件。图5A示出了示例性压缩柔量元件440的剖视图，压缩柔量元件440可具有与回弹柔量元件420的结构类似的结构。压缩柔量元件440可包括平行布置的垫片(或间隔环)444、446。弹性体环450夹在垫片444、446之间，垫片444、446可以由例如金属、合金或塑料制成。弹性体环450可以结合到垫片444、446以形成整体结构。弹性体环450的内表面451和垫片444、446的各自内表面445、447可形成中心开口449，中心开口449允许压缩柔量元件安装在斜口管鞋适配器主体(图1A中的204)的下主体部分上。

弹性体环450具有轴向厚度450W和径向厚度450T。如前所述，压缩柔量部件440的结构可以类似于回弹柔量部件(图4A中的420)的结构。然而，压缩柔量部件440和回弹柔量部件(图4A中的420)之间的一个显着差异在于，压缩弹性体环450的轴向厚度450W相对小于回弹弹性体环(图4A中的430)的轴向厚度(图4A中的430W)。这通常意味着压缩柔量元件比回弹柔量元件相对更硬，或者回弹柔量元件比压缩柔量元件相对更柔软。

在一些实例中，径向厚度450T可以选择为小于垫片444(或垫片446)的厚度444T，使得弹性体环450的外周表面452相对于垫片444、446的各自外周表面454、456凹陷。通常，凹陷量将由弹性体环450在大负载下的预期凸出来确定。在大负载下，弹性体环450将填充弹性体环与斜口管鞋适配器主体(图1A中的204)和缓冲器壳体(图1A中的402)的相邻表面之间的任何可用自由体积。在其他实例中，径向厚度450T可以与垫片的厚度444T基本相同。

在一些情况下，弹性体环450的外周表面452可以在松弛状态下具有波状外形轮廓，并且可以选择波状外形轮廓以在弹性体环450被压缩时降低弹性体环450中的诱导应变。波状外形轮廓可以由弯曲轮廓或弯曲轮廓和平坦轮廓的组合限定。在一些情况下，波状外形轮廓可以使得圆周表面452具有大致凹形的形状。当弹性体环450被压缩时，外圆周表面452将凸出或径向膨胀。当弹性体环450被压缩时，外周表面452的波状外形轮廓可以基于所需形状系数来确定。尽管未示出，弹性体环的内表面451也可以以上述外表面452的方式成型。

如前所述，压缩柔量部件(图1A中的412)可具有两个或更多个压缩柔量元件。图5B示出了压缩柔量部件412的一个实施例，该压缩柔量部件412包括三个压缩柔量元件440(分别标识为440A、440B、440C)的堆叠体。在该堆叠体中，上压缩柔量元件440A的底部垫片446A可以同时作为中间压缩柔量元件440B的顶部垫片，并且底部垫片446B可以同时作为底部压缩柔量元件440C的顶部垫片。在这种情况下，底部垫片446A、446B分别用作堆叠体中的弹性体环450A与450B之间和450B与450C之间的间隔件。因此，压缩柔量部件通常可以被描述为包括与非弹性体垫片交错的弹性体环的堆叠体的结构，或者包括交替布置的弹性体环和非弹性体垫片的堆叠体，其中，弹性体环构造成提供压缩柔量部件对柔量隔离器的所需轴向刚度的预定贡献。通常，堆叠体中的弹性体环是相同的，但也可以在堆叠体中使用不同的弹性体环，例如具有不同轴向和径向厚度的弹性体环。

当压缩柔量部件412围绕斜口管鞋适配器主体(图1A中的204)安装并且缓冲器工具(图1A中的100)处于组装状态时，为了防止金属与金属的接触，压缩柔量部件412的弹性体环450A、450B、450C的外径可以选择为小于缓冲器壳体(图1A中的402)的内径，使得压缩柔量部件412的弹性体环和缓冲器壳体402之间存在小间隙。例如，在图6B中的453处示出了这种间隙。间隙(其可称为缓冲间隙)在某些情况下可具有0.01英寸的最小值。

回到图1A，如上所述，回弹柔量部件408的结构可以类似于压缩柔量部件412的结构。然而，回弹柔量部件408可以通过其刚度与压缩柔量部件412区分开。通常，回弹柔量部件408将比压缩柔量部件412相对柔软，或者压缩柔量部件412将比回弹柔量部件408相对更硬。这可以在组装缓冲器工具期间每个部件可以采取的预压缩量中观察到。通常，回弹柔量部件408将具有比压缩柔量部件412高得多的预压缩变形。回弹柔量部件408也可以通过弹性体环的轴向厚度与压缩柔量部件412区分开。通常，回弹柔量部件408中的弹性体环的轴向厚度的总和将大于压缩柔量部件412中的弹性体环的轴向厚度的总和。回弹柔量部件408构造成承受回弹负载。也就是说，当张力施加到缓冲器工具时，回弹柔量部件408将进一步压缩。另一方面，压缩柔量部件410构造成当缓冲器工具100被压缩时由于重力和动态负载而承受静态负载。

图6A示出了传动垫圈410的示意图。图6B是图1A中所示的缓冲器工具100的放大剖视图，图6B聚焦于包含传动垫圈410的区域。参考图6A和图6B，传动垫圈410包括圆筒形主体470和内表面472，内表面472限定中心开口473。在内表面472的上部472A上形成有螺纹474。传动垫圈螺纹474与斜口管鞋适配器螺纹232接合，以在传动垫圈410和斜口管鞋适配器主体204之间形成螺纹连接476(在图6B中)。内表面472的下部472B是锥形的。选择锥形内表面472B的锥角以匹配斜口管鞋适配器主体204的锥形外表面233的锥角。传动垫圈410设计成使得较高的压缩/冲击负载将通过锥形内表面472B的锥角反作用，而不是仅作用在螺纹474上。拉伸回弹负载仅由螺纹474反作用。螺纹474还将承载装配负载(fishing load)。在一些情况下，螺纹474可承载20,000lbf至75,000lbf的装配负载。

参考图6A，在一些实例中，狭槽478可以形成在圆筒形主体470的端部480中。狭槽478可以沿着圆筒形主体470的圆周分布。狭槽478具有基部482，基部482如图所示可以是倾斜的，或是平坦的。狭槽478可用作活络扳手槽，以用于组装和拆卸目的。通孔484形成在圆筒形主体470的壁部中。孔484可以从狭槽478的基部482延伸到圆筒形主体470的端面483(在图6B中)上的沉孔485(在图6B中)。孔484可以用作压力补偿端口。在一些实例中，孔484允许回弹柔量部件408的内表面(即，与斜口管鞋适配器主体204相对的表面)与压缩柔量部件412的内表面(即，与斜口管鞋适配器主体204相对的表面)之间的流体连通。孔484还允许回弹柔量部件408的外表面(即，与缓冲器壳体402相对的表面)与压缩柔量部件412的外表面(即，与缓冲器壳体402相对的表面)之间的流体连通。

回到图1A，在缓冲器工具100的组装状态下，缓冲器工具100被预压缩。也就是说，回弹柔量部件408和压缩柔量部件412(或者更具体地，柔量部件408、412的弹性体环)被预压缩。在组装缓冲器工具期间可以实现预压缩。一种预压缩方法可以包括压缩“缓冲堆叠体”，该缓冲堆叠体包括在缓冲器壳体402的搁架403和UBHO适配器300的端面324之间的回弹柔量部件408、传动垫圈410和压缩柔量部件412。使用术语“压缩缓冲堆叠体”是因为预压缩之前的缓冲堆叠体的初始长度将长于缓冲器壳体搁架403和UBHO适配器端面324之间沿轴线102的方向测量的距离。因此，通过缩短堆叠体的长度并将堆叠体约束在搁架403和端面324之间来实现回弹柔量部件408和压缩柔量部件412中的预压缩。应该注意的是，传动垫圈410是非弹性的，使得预压缩发生在柔量部件408、412。预压缩的方法可以包括将回弹柔量部件408、传动垫圈410和压缩柔量部件412安装在斜口管鞋适配器主体204上。防旋转销227还可以布置在斜口管鞋适配器主体204上的凹穴224中。然后，将斜口管鞋适配器主体204插入缓冲器壳体402中。这可以包括将防旋转销227滑动到缓冲器壳体402中的凹槽411中。最后，分别拧动UBHO适配器300的螺纹314和缓冲器壳体402的405，直到UBHO适配器300的端面324接触压缩柔量部件412。螺纹314、405被进一步拧动，以压缩缓冲堆叠体并实现柔量部件408、412的所需预压缩。图7A示出了在预压缩之前缓冲器工具100的包括回弹柔量部件408的部分。回弹柔量部件408的弹性体环430处于松弛状态，并且回弹柔量部件408的上端不与缓冲器壳体402的搁架403接合。图7B示出了在预压缩之后图7A中的缓冲器工具的相同部分。由于预压缩，回弹柔量部件408的上端已经沿着斜口管鞋适配器主体204移动并且与缓冲器壳体搁架430接合，并且回弹柔量部件408的弹性体环430现在是凸出的。然而，在弹性体环430与缓冲器壳体402和斜口管鞋适配器主体204的相邻各自表面之间仍然存在空隙500、502。当回弹柔量部件408由于缓冲器工具上的张力或大负载而被进一步压缩时，这些空隙将被填充。压缩柔量部件(图1A中的412)以与回弹柔量部件相同的方式被预压缩，弹性体环周围的空隙在将大负载施加到压缩柔量部件期间被填充。

回到图1A，在一些实例中，0.2英寸的最小组合预压缩被施加到回弹柔量部件408和压缩柔量部件412。通常，随着预压缩增加，缓冲器工具100的轴向刚度将增加。预压缩将在回弹柔量部件408和压缩柔量部件412之间划分，其中回弹柔量部件408占据预压缩的大部分。例如，在某些情况下，回弹柔量部件408可占据预压缩的90％或更多，其余的预压缩发生在压缩柔量部件412中。预压缩将确保当负载传递到缓冲器工具100时，柔量部件408、412的弹性体环与壳体单元的搁架403和UBHO适配器300的端面234之间没有间隙。这将具有如下效果：为弹性体提供更好的疲劳寿命，以及在回弹和压缩负载下产生阻尼。

在一些实施例中，构造成在850lbf下轴向刚度为80,000lb/in的减震器包括具有两个回弹柔量元件的回弹柔量部件408和具有三个回弹柔量元件的压缩柔量部件412。每个回弹柔量元件包括弹性体环，弹性体环的轴向厚度为0.36in+/-0.004in。每个压缩柔量元件包括弹性体环，弹性体环的轴向厚度为0.08in+/-0.004in。缓冲器工具100被预压缩约0.2英寸。这意味着回弹柔量部件和压缩柔量部件被预压缩约0.2英寸，其中回弹柔量部件408占据预压缩的大部分，例如约0.195英寸，并且压缩柔量部件占据剩余的预压缩，例如约0.005英寸。通常，缓冲器工具100可以被预压缩最小0.2英寸，其中回弹柔量部件408占据预压缩的大部分。对于缓冲器工具100被预压缩0.2英寸的构造，软缓冲(即，弹性体的非线性粘弹性行为)开始在0.02英寸的变形下发生，并且在0.05英寸和0.1英寸之间发生大负载。大负载是指弹性体环填充斜口管鞋适配器和缓冲器壳体之间的环形空间中的相邻空隙。图8示出了如上构造(即，具有0.2英寸的预压缩)的缓冲器工具100的负载变形曲线150。水平线152表示850lbf，这是测量刚度的负载。0英寸到0.02英寸是缓冲器工具刚度的线性范围。0.02英寸到0.05英寸是缓冲器工具的“软缓冲”范围。0.05英寸以上是缓冲器工具的“大负载”范围。由于柔量部件408、412的厚度以及使缓冲器工具进入大负载所需的变形，缓冲器工具将不会失去其初始预压缩。因此，一旦缓冲器工具由于更高的温度(例如，300°F至350°F)进行设定(takes on set)，并且在操作中长时间加载，缓冲器工具将进入大负载状态且不会失去预压缩。通常，选择柔量部件408、412的厚度和预压缩，使得柔量部件408、412在缓冲器工具进入大负载状态时不会失去预压缩。

图9示出了具有斜口管鞋602的UBHO接头600的剖视图。斜口管鞋602是UBHO接头600的中空圆筒形内部构件，并且还可以称为着陆套筒。定向测量工具604被锁定在斜口管鞋602中。定向测量工具604可包括脉冲发生器螺旋接口612、耐磨箍614、对准键616和底部套筒618。尽管未示出，但是底部套筒618可以包含需要与选定频率上的振动隔离的敏感部件。此外，其他部件可以联接到需要与选定频率上的振动隔离的定向测量工具604和UBHO接头600。缓冲器工具100设置在UBHO接头600内。在一些情况下，UBHO接头600可包括座620，缓冲器工具100的UBHO适配器300安装在座620上。然后可以通过将固定螺钉(未示出)插入UBHO接头600中的孔622中来将UBHO适配器300固定到UBHO接头600的主体。孔622可以围绕UBHO接头600的圆周分布。固定螺钉将延伸到UHBO适配器300上的圆周凹陷表面326(也参见图3)并且接合UBHO适配器300。除了上述的方法之外，可以使用将UBHO适配器300固定到UBHO接头的其他方法。例如，通过在斜口管鞋适配器头部202和底部套筒618之间构成螺纹连接606，缓冲器工具100的斜口管鞋适配器头部202可以联接到底部套筒618。

在操作中，缓冲器工具100可以从斜口管鞋602接收扰动的轴向输入力(例如，压缩力和/或拉伸力)。力可以传递到斜口管鞋适配器200，然后传递到传动垫圈410。参考图1A，作为响应，传动垫圈410将在环形空间406内轴向移动，从而进一步压缩回弹柔量部件408或压缩柔量部件412。在缓冲器工具100的压缩载荷下，传动垫圈410将进一步压缩压缩柔量部件412，从而使压缩从回弹柔量部件408释放。在缓冲器工具100的拉伸载荷下，传动垫圈410将进一步压缩回弹柔量部件408，从而使压缩从压缩柔量部件412释放。应该注意的是，回弹柔量部件408和压缩柔量部件412总是保持在预压缩状态下，即，无论缓冲器工具100是处于整体压缩还是拉伸。通常，传动垫圈410将充当环形空间406内的活塞，响应于缓冲器工具100上的外部负载而抵靠回弹柔量部件408或压缩柔量部件412移动。柔量部件408、412的弹性体环设置成凸出，即径向膨胀，以填充弹性体环的外径与缓冲器壳体402的内径/斜口管鞋适配器主体204的外径之间的整个“自由体积”。如果冲击/振动事件足够大以使其发生，则缓冲器工具100将进入“大负载”。例如，如图8所示，还会发生软缓冲(即，弹性体的非线性粘弹性行为)。在软缓冲期间增强阻尼。

缓冲器工具100的设计使得它可以用在各种尺寸的UBHO接头中而无需改变工具的内部结构。通常，当将缓冲器工具用于不同尺寸的UBHO时所需的唯一改变是调节缓冲器壳体402的壁厚、UBHO适配器300的下主体部分304的壁厚、斜口管鞋适配器头部202的壁厚。

在井下运行缓冲器工具100之后，缓冲器工具100的可更换部件将是回弹柔量部件408、压缩柔量部件412、防旋转销227、耐磨带214、312和O形环318。缓冲器工具100的所有主要金属部件将是可重复使用的，使得缓冲器工具100成为井下使用的成本有效的工具。

虽然已经关于有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离这里公开的本发明的范围的其他实施例。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种用于井下工具管柱的缓冲器工具，所述缓冲器工具包括：

斜口管鞋适配器；

通用井底定向(UBHO)适配器；

回弹柔量部件，其具有第一刚度和第一预压缩，所述回弹柔量部件构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第一预压缩的至少一部分；

压缩柔量部件，其具有大于所述第一刚度的第二刚度和小于所述第一预压缩的第二预压缩，所述压缩柔量部件构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第二预压缩的至少一部分；以及

传动垫圈，其布置在所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件之间，与所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件接触，并且联接到所述斜口管鞋适配器，所述传动垫圈构造成响应于作用在所述斜口管鞋适配器上的外力对所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件选择性地施加进一步的压缩。

2.根据权利要求1所述的缓冲器工具，其中，所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件构造成在所述缓冲器工具的大负载下分别保持所述第一预压缩和所述第二预压缩。

3.根据权利要求1所述的缓冲器工具，还包括具有孔的壳体，

其中，所述斜口管鞋适配器具有容纳在所述孔内的斜口管鞋适配器部分，并且

所述回弹柔量部件、所述压缩柔量部件和所述传动垫圈堆叠地布置在所述斜口管鞋适配器部分和所述壳体之间的环形空间中。

4.根据权利要求3所述的缓冲器工具，其中，所述通用井底定向(UBHO)适配器具有容纳在所述孔内并固定到所述壳体的通用井底定向(UBHO)适配器部分。

5.根据权利要求4所述的缓冲器工具，其中，所述回弹柔量部件、所述传动垫圈和所述压缩柔量部件在所述通用井底定向(UBHO)适配器部分的端面和形成在所述壳体的内表面上的搁架之间被压缩，所述搁架和所述端面之间的距离选择为分别在所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件中引起所述第一预压缩和所述第二预压缩。

6.根据权利要求5所述的缓冲器工具，其中，所述通用井底定向(UBHO)适配器部分包括外螺纹表面，所述壳体包括内螺纹表面，并且所述通用井底定向(UBHO)适配器和所述壳体构造成使得所述外螺纹表面与所述内螺纹表面的接合将所述第一预压缩施加到所述回弹柔量部件且将所述第二预压缩施加到所述压缩柔量部件。

7.根据权利要求5所述的缓冲器工具，其中，所述斜口管鞋适配器部分的端部容纳在所述通用井底定向(UBHO)适配器的孔内，使得所述斜口管鞋适配器部分的外表面部分与所述通用井底定向(UBHO)适配器部分的内表面部分配合，并且所述缓冲器工具还包括设置在配合的所述外表面部分和所述内表面部分之间的耐磨带。

8.根据权利要求5所述的缓冲器工具，还包括多个防旋转销，所述多个防旋转销插入所述斜口管鞋适配器部分和所述壳体之间，以用于防止所述斜口管鞋适配器相对于所述壳体旋转。

9.根据权利要求1所述的缓冲器工具，其中，所述斜口管鞋适配器包括内螺纹表面，所述内螺纹表面适于接合所述井下工具管柱的套筒的外螺纹表面。

10.根据权利要求3所述的缓冲器工具，其中，所述回弹柔量部件包括至少两个第一弹性体环的第一堆叠体，并且所述压缩柔量部件包括至少两个第二弹性体环的第二堆叠体。

11.根据权利要求10所述的缓冲器工具，其中，所述第一堆叠体中的所述第一弹性体环的组合轴向厚度大于所述第二堆叠体中的所述第二弹性体环的组合轴向厚度。

12.根据权利要求10所述的缓冲器工具，其中，所述至少两个第一弹性体环中的每一个的外周表面具有波状外形轮廓，所述波状外形轮廓被选择为当所述回弹柔量部件被进一步压缩时减轻诱导应变。

13.根据权利要求10所述的缓冲器工具，其中，所述第一堆叠体还包括与所述至少两个第一弹性体环交替布置并且结合到所述至少两个第一弹性体环的第一垫片，并且所述第二堆叠体还包括与所述至少两个第二弹性体环交替布置并且结合到所述至少两个第二弹性体环的第二垫片。

14.根据权利要求10所述的缓冲器工具，其中，所述第一弹性体环构造成在大负载下凸出并填充所述回弹柔量部件与所述壳体之间的自由体积，并且所述第二弹性体环构造成在大负载下凸出并填充所述压缩柔量部件与所述壳体之间的自由体积。

15.根据权利要求14所述的缓冲器工具，其中，所述第一弹性体环构造成在大负载下凸出并填充所述回弹柔量部件与所述斜口管鞋适配器部分之间的自由体积，并且所述第二弹性体环构造成在大负载下凸出并填充所述压缩柔量部件与所述斜口管鞋适配器部分之间的自由体积。

16.根据权利要求1所述的缓冲器工具，其中，所述传动垫圈包括内螺纹表面，所述斜口管鞋适配器包括外螺纹表面，并且通过使所述内螺纹表面与所述外螺纹表面接合，所述传动垫圈联接到所述斜口管鞋适配器。

17.根据权利要求16所述的缓冲器工具，其中，所述传动垫圈包括邻近所述内螺纹表面的内锥形表面，所述斜口管鞋适配器包括邻近所述外螺纹表面的外锥形表面，并且当所述内螺纹表面与所述外螺纹表面接合时，所述内锥形表面与所述外锥形表面配合。

18.根据权利要求1所述的缓冲器工具，所述缓冲器工具在所有负载条件下具有选择的预压缩，所述选择的预压缩在所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件之间被分别划分为所述第一预压缩和所述第二预压缩，其中，所述第一预压缩的初始值是所述选择的预压缩的至少90％。

19.一种井下工具管柱，包括：

通用井底定向(UBHO)接头，其内部设置有斜口管鞋；

缓冲器工具，其设置在所述通用井底定向接头内，所述缓冲器工具包括：

斜口管鞋适配器，其联接到所述斜口管鞋；

通用井底定向(UBHO)适配器，其安装在所述通用井底定向(UBHO)接头上；

回弹柔量部件，其具有第一刚度和第一预压缩，所述回弹柔量部件构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第一预压缩的至少一部分；

压缩柔量部件，其具有大于所述第一刚度的第二刚度和小于所述第一预压缩的第二预压缩，所述压缩柔量部件构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第二预压缩的至少一部分；以及

传动垫圈，其布置在所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件之间，并且联接到所述斜口管鞋适配器，所述传动垫圈构造成响应于作用在所述斜口管鞋适配器上的外力对所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件选择性地施加进一步的压缩。

20.一种减少具有斜口管鞋的井下工具管柱中的振动的方法，包括：

将缓冲器工具联接到所述井下工具管柱的所述斜口管鞋，所述缓冲器工具包括：回弹柔量部件，其具有第一刚度和第一预压缩，并且构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第一预压缩的至少一部分；压缩柔量部件，其具有大于所述第一刚度的第二刚度和小于所述第一预压缩的第二预压缩，并且构造成在所述缓冲器工具的外部负载下保持所述第二预压缩的至少一部分；以及传动垫圈，其布置在所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件之间，并且与所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件接触；

在所述缓冲器工具的所述传动垫圈处接收施加在所述斜口管鞋上的力；以及

响应于所接收的力，通过所述传动垫圈的运动进一步压缩所述缓冲器工具的所述回弹柔量部件和所述压缩柔量部件中的一个。

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