CN112088240B - 用于减轻井下工具振动的阻尼器及用于井下井底钻具组合的振动隔离设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在具有钻孔轴线的钻孔中将扭矩传递到钻头的设备，该设备包括：支撑元件，该支撑元件被配置为在钻孔中围绕钻孔轴线旋转；扭矩传递元件，该扭矩传递元件被配置为将扭矩从支撑元件传递到钻头并且进一步被配置为隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡；阻塞元件，该阻塞元件被配置为阻塞扭矩传递元件在至少一个方向上围绕钻孔轴线相对于支撑元件的旋转；以及支撑元件与钻头之间的轴承元件。

Description

用于减轻井下工具振动的阻尼器及用于井下井底钻具组合的振动隔离设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月15日提交的美国申请序列号62/643385和2018年3月15日提交的美国申请序列号62/643291的更早提交日期的权益，这些美国申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

背景技术

技术领域

本发明整体涉及用于在操作期间使井下系统的振动发生阻尼的井下操作和系统。

相关技术的描述

在地下深处钻出钻孔以用于许多应用，诸如二氧化碳封存、地热生产以及油气勘探和生产。在所有这些应用中，钻出钻孔，使得它们穿过位于地表下方的地层(例如，封存箱)中所包含的材料(例如，气体或流体)或允许触及该材料。可将不同类型的工具和仪器设置在钻孔中以执行各种任务和测量。

在操作中，井下部件可经受振动，这可影响操作效率。例如，钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如泥浆马达)中的质量不平衡引起。此类振动产生的影响可包括但不限于降低的钻进速率、降低的测量质量以及井下部件、工具和/或设备的过度疲劳和磨损。

发明内容

公开了用于在具有钻孔轴线的钻孔中将扭矩传递到钻头的设备，该设备包括支撑元件，该支撑元件被配置为在钻孔中围绕钻孔轴线旋转；扭矩传递元件，该扭矩传递元件被配置为将扭矩从支撑元件传递到钻头并且进一步被配置为隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡；阻塞元件，该阻塞元件被配置为阻塞扭矩传递元件在至少一个方向上围绕钻孔轴线相对于支撑元件的旋转；以及支撑元件与钻头之间的轴承元件。

还公开了在具有钻孔轴线的钻孔中将扭矩传递到钻头的方法。该方法包括使支撑元件围绕钻孔轴线旋转；利用扭矩传递元件将扭矩从支撑元件传递到钻头；利用扭转柔性元件隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡；利用阻塞元件阻塞扭矩传递元件在至少一个方向上围绕钻孔轴线相对于支撑元件的旋转；利用轴承元件承受扭矩传递元件，该扭矩传递元件被配置为将扭矩从支撑元件传递到钻头并且进一步被配置为隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡。

进一步公开了用于在地球地下中钻出钻孔的系统，该系统包括钻头和振动隔离设备，该钻头被配置为旋转并穿透地球地下，并且该振动隔离设备被配置为隔离在钻头处引起的振动，该振动具有振幅。振动隔离设备下方的振动的振幅比振动隔离设备上方的振动的振幅高20％。

附图说明

在本说明书结束时的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中类似的元件具有类似的编号，附图中：

图1为可采用本公开的实施方案的用于执行井下操作的系统的示例；

图2是两个相互作用的主体之间的摩擦力或扭矩对相对速度或相对旋转速度的典型曲线的示例性曲线图；

图3是对于具有附加小速度波动的正相对平均速度而言摩擦力对位移的滞后曲线图；

图4是对于具有附加小速度波动的正相对平均速度而言摩擦力、相对速度和两者的乘积的曲线图；

图5是对于具有附加小速度波动的零相对平均速度而言摩擦力对位移的滞后曲线图；

图6是对于具有附加小速度波动的零相对平均速度而言摩擦力、相对速度和两者的乘积的曲线图；

图7是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图8A是在钻头处测量的切向加速度的曲线图；

图8B是与图8A相对应的示出旋转速度的曲线图；

图9A是井下系统的示意图，其示出了井下系统的形状随离钻头的距离的变化；

图9B示出了可在图9A的井下系统的操作期间激发的扭转振动的示例性对应模态振型；

图10是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图11是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；并且

图12是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图13是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图14是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图15是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图16是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图17是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图18是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；

图19是根据本公开的一个实施方案的阻尼系统的示意图；并且

图20是模态阻尼比对局部振动振幅的示意图；

图21是具有阻尼系统的井下工具的示意图；

图22是图21的井下工具的剖视图。

图23描绘了根据一个示例性实施方案的包括振动隔离设备的资源探测和回收系统；

图24描绘了根据一个示例性实施方案的一个方面的振动隔离设备；

图25描绘了根据一个示例性实施方案的一个方面的振动隔离设备的示意图；

图26描绘了根据一个示例性实施方案的曲线图，该曲线图示出了从没有振动隔离设备的井底钻具组合传送的振动；

图27描绘了根据一个示例性实施方案的曲线图，该曲线图示出了从具有振动隔离设备的井底钻具组合传送的振动；

图28描绘了根据一个示例性实施方案的一个方面的穿过线28-28截取的图25的振动隔离设备的剖面端视图；

图29描绘了根据一个示例性实施方案的另一个方面的振动隔离设备的示意图；并且

图30描绘了根据一个示例性实施方案的一个方面的穿过线30-30截取的图29的振动隔离设备的剖面端视图。

具体实施方式

图1示出了用于执行井下操作的系统的示意图。如图所示，该系统为钻井系统10，该钻井系统包括钻柱20，该钻柱具有钻井组件90(也称为井底钻具组合(BHA))，该钻井组件在穿透地层60的钻孔26中输送。钻井系统10包括常规井架11，该常规井架竖立在底板12上，该底板支撑旋转台14，该旋转台由原动机(诸如电动马达(未示出))以期望的旋转速度旋转。钻柱20包括钻井管状物22诸如钻管，该钻管从旋转台14向下延伸到钻孔26中。碎裂工具50(诸如附接到BHA 90的端部的钻头)在旋转时使地层碎裂以钻出钻孔26。钻柱20联接到地面装备，诸如用于通过滑轮23经由方钻杆接头21、转环28和管线29来举升、旋转和/或推动(包括但不限于)绞车30的系统。在一些实施方案中，地面装备可以包括顶部驱动装置(未示出)。在钻井操作期间，操作绞车30以控制钻压，钻压影响钻进速率。绞车30的操作在本领域中是众所周知的，因此在本文不再详细描述。

在钻井操作期间，来自源或泥浆坑32的合适的钻井液31(也称为“泥浆”)在压力下由泥浆泵34循环通过钻柱20。钻井液31经由波动消除器36、流体管线38和方钻杆接头21进入钻柱20中。钻井液31在钻孔底部51处通过碎裂工具50中的开口排出。钻井液31通过钻柱20和钻孔26之间的环形空隙27沿井孔向上循环，并且经由回流管线35返回到泥浆坑32。流体管线38中的传感器S1提供关于流体流速的信息。与钻柱20相关联的地面扭矩传感器S2和传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，使用与管线29相关联的一个或多个传感器(未示出)来提供钻柱20的钩负荷以及与钻孔26的钻井有关的其他期望参数。该系统还可包括定位在钻柱20和/或BHA 90上的一个或多个井下传感器70。

在一些应用中，仅通过旋转钻管22来旋转碎裂工具50。然而，在其他应用中，使用设置在钻井组件90中的钻井马达55(例如泥浆马达)来旋转碎裂工具50和/或叠加或补充钻柱20的旋转。在任一种情况下，对于给定的地层和给定的钻井组件，碎裂工具50进入地层60的钻进速率(ROP)在很大程度上取决于钻压和钻头旋转速度。在图1的实施方案的一个方面，钻井马达55经由设置在轴承组件57中的驱动轴(未示出)联接到碎裂工具50。当钻井液31在压力下通过钻井马达55时，钻井马达55使碎裂工具50旋转。轴承组件57支撑碎裂工具50的径向力和轴向力、钻井马达的下推力以及来自所施加的钻压的反应性向上负荷。联接到轴承组件57和/或其他合适位置的稳定器58充当钻井组件90或其部分的扶正器。

地面控制单元40从井下传感器70和设备经由放置在流体管线38中的换能器43诸如压力换能器接收信号以及从传感器S1、S2、S3、钩负荷传感器、RPM传感器、扭矩传感器和系统中使用的任何其他传感器接收信号，并且根据提供给地面控制单元40的已编程的指令来处理此类信号。地面控制单元40在显示器/监视器42上显示由钻机现场的操作人员用来控制钻井操作的期望的钻井参数和其他信息。地面控制单元40包含计算机；存储器，该存储器用于存储计算机中的处理器可访问的数据、计算机程序、模型和算法；记录器，诸如磁带单元、存储器单元等，该记录器用于记录数据；以及其他外围设备。地面控制单元40还可包括由计算机用来根据已编程的指令来处理数据的仿真模型。控制单元响应通过合适的设备(诸如，键盘)输入的用户命令。地面控制单元40适于在出现某些不安全的或不期望的操作条件时激活警报44。

钻井组件90还包含其他传感器和设备或工具，用于提供与围绕钻孔的地层有关的多种测量结果以及用于沿着期望的路径钻出钻孔26。此类设备可包括用于测量在钻头附近和/或前方的地层电阻率的设备、用于测量地层伽马射线强度的伽马射线设备以及用于确定钻柱的倾斜度、方位角和位置的设备。根据本文所述的实施方案制作的地层电阻率工具64可联接在任何合适的位置(包括下部启动子组件62上方)处，以用于估计或确定在碎裂工具50附近或前方或在其他合适位置处的地层电阻率。可适当地放置测斜仪74和伽马射线设备76，以用于分别确定BHA的倾斜度和地层伽马射线强度。可使用任何合适的测斜仪和伽马射线设备。另外，可利用诸如磁力仪或陀螺仪设备的方位角设备(未示出)来确定钻柱方位角。此类设备是在本领域已知的，因此在本文不再详细描述。在上述示例性构造中，钻井马达55经由轴来向碎裂工具50传递动力，该轴还使钻井液能够从钻井马达55传递到碎裂工具50。在钻柱20的替代实施方案中，钻井马达55可联接在电阻率测量设备64下方或任何其他合适的位置处。

仍然参考图1，可将其他随钻测井(LWD)设备(在本文一般由数字77表示)诸如用于测量地层孔隙率、渗透率、密度、岩石性质、流体性质等的设备放置在钻井组件90中的合适位置处，以用于提供对于评估沿着钻孔26的地下地层有用的信息。此类设备可包括但不限于温度测量工具、压力测量工具、钻孔直径测量工具(例如，卡尺)、声学工具、核工具、核磁共振工具以及地层测试和采样工具。

上述设备将数据发射到井下遥测系统72，该井下遥测系统继而将所接收的数据沿井孔向上发射到地面控制单元40。井下遥测系统72还从地面控制单元40接收信号和数据，并将此类接收到的信号和数据传输到适当的井下设备。在一个方面，可使用泥浆脉冲遥测系统在钻井操作期间在井下传感器70和设备和地面装备之间传送数据。放置在流体管线38(例如，泥浆供应管线)中的换能器43响应于井下遥测系统72所发射的数据来检测泥浆脉冲。换能器43响应于泥浆压力变化而生成电信号，并将此类信号经由导体45发射到地面控制单元40。在其他方面，可使用任何其他合适的遥测系统用于在地面与BHA 90之间进行双向数据通信(例如，下行链路和上行链路)，这些遥测系统包括但不限于声学遥测系统、电磁遥测系统、光学遥测系统、有线管遥测系统，其可在钻柱或钻孔中利用无线耦合器或中继器。可通过连接钻管段来构成有线管遥测系统，其中每个管段都包括沿着管延伸的数据通信链路(诸如电线)。管段之间的数据连接可通过任何合适的方法进行，这些方法包括但不限于硬电连接或光连接、感应、电容、共振耦合(诸如电磁共振耦合)或定向耦合方法。在使用连续油管作为钻管22的情况下，数据通信链路可沿着连续油管延伸的侧面。

到目前为止所描述的钻井系统涉及那些利用钻管将钻井组件90输送到钻孔26中的钻井系统，其中通常通过控制绞车的操作来从地面控制钻压。然而，大量当前钻井系统，特别是用于钻探高度偏斜钻孔和水平钻孔的钻井系统，都利用连续油管来将钻井组件输送到井下。在此类应用中，有时在钻柱中部署推进器来在钻头上提供期望的力。另外，当利用了连续油管时，并不通过旋转台旋转油管，而是通过合适的注入器将油管注入钻孔中，同时井下马达(诸如钻井马达55)使碎裂工具50旋转。对于海上钻井，使用海上钻机或船只来支撑钻井装备，包括钻柱。

仍然参考图1，可提供电阻率工具64，该电阻率工具包括例如多个天线，该多个天线包括例如发射器66a或66b和/或接收器68a或68b。电阻率可以是在作出钻井决定时感兴趣的一种地层性质。本领域技术人员将理解，其他地层性质工具可与电阻率工具64一起使用或代替该电阻率工具。

尾管钻井可以是用于提供碎裂设备的一种构造或操作，因为与常规钻井相比具有若干优点，因此在油气工业中变得越来越有吸引力。在标题为“用于在单程期间钻出钻孔、设置尾管并固结钻孔的装置和方法”(Apparatus and Method for Drilling a Borehole，Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip)的共同拥有的美国专利号9,004,195中示出和描述了此类构造的一个示例，该专利全文以引用方式并入本文。重要的是，尽管钻进速率相对较低，但由于尾管在钻探钻孔的同时下钻，因此减少了将尾管对准目标的时间。这在膨胀的地层中可能是有益的，在这种地层中，钻井的收缩会阻碍尾管的安装。此外，在耗尽且不稳定的油层中使用尾管进行钻探，可最大程度地降低因钻孔塌陷而卡住管或钻柱的风险。

尽管图1是相对于钻井操作示出和描述的，但本领域技术人员将理解，尽管具有不同的部件，但类似的配置可用于执行不同的井下操作。例如，如本领域已知的，可使用电缆、有线管、尾管钻井、扩眼、连续油管和/或其他构造。此外，可采用生产配置用于从地层提取材料和/或向地层中注入材料。因此，本公开不限于钻井操作，而是可用于任何适当或期望的一个或多个井下操作。

钻井操作期间钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如钻井马达)中的质量不平衡引起。此类振动可导致钻进速率降低、井底钻具组合的工具所进行的测量的质量降低，并且可导致井下部件磨损、疲劳和/或故障。如本领域技术人员所理解，存在不同振动，诸如横向振动、轴向振动和扭转振动。例如，整个钻井系统的粘滞/滑动和高频扭转振荡(“HFTO”)均是扭转振动的类型。术语“振动”、“振荡”以及“波动”以重复和/或周期性的运动或者平均值(诸如平均位置、平均速度和平均加速度)的周期性偏差的相同广泛含义使用。具体地讲，这些术语不意在限于谐波偏差，而是可包括所有种类的偏差，诸如但不限于周期性偏差、谐波偏差和统计偏差。可通过因钻头或任何其他切削结构(诸如扩眼器钻头)与地层的相互作用而发生的自激发机制来激发扭转振动。粘滞/滑动与HFTO之间的主要区分点是频率和典型模态振型：例如，HFTO具有通常高于50Hz的频率，相比之下，粘滞/滑动扭转振动通常具有低于1Hz的频率。此外，粘滞/滑动的受激模态振型通常是整个钻井系统的第一模态振型，而HFTO的模态振型可为高阶的并且通常局限于钻井系统的更小部分且激发点处的振幅相对较高，该激发点可为钻头或任何其他切削结构(诸如扩眼器钻头)或者钻井系统与地层之间的任何接触(例如，由稳定器实现)。

由于振动的高频率，HFTO对应于沿着BHA的高加速度和扭矩值。本领域的技术人员将理解，对于扭转运动而言，加速度、力和扭矩中的一者始终伴随着加速度、力和扭矩中的另两者。在这种意义上，从这些之中的任何一者不会在没有另两者的情况下发生的意义上讲，加速度、力和扭矩是等效的。高频振动的负荷可对BHA的电子和机械部件的效率、可靠性和/或耐久性具有负面影响。本文所提供的实施方案涉及在井下系统上提供扭转振动阻尼以减轻HFTO。在本公开的一些实施方案中，如果在该系统内实现所测量的特性(诸如扭转振动振幅或频率)的阈值，则可激活扭转振动阻尼。

根据本文所提供的非限制性实施方案，扭转振动阻尼系统可基于摩擦阻尼器。例如，根据一些实施方案，BHA或钻柱中的两个部件(诸如两个相互作用的主体)之间的摩擦可耗散能量并且降低扭转振荡的水平，从而减轻高频振动所造成的潜在损坏。优选地，摩擦阻尼器的能量耗散至少等于钻头-岩石相互作用所引起的HFTO能量输入。

如本文所提供的摩擦阻尼器可引起显著的能量耗散并因此引起扭转振动的减轻。当两个部件或相互作用的主体彼此接触并且相对于彼此运动时，摩擦力在这些部件或相互作用的主体的接触表面之间的相对运动的速度的相反方向上起作用。摩擦力引起能量耗散。

图2是两个相互作用的主体之间的摩擦力或扭矩对相对速度v(例如，或相对旋转速度)的典型曲线的示例性曲线图200。这两个相互作用的主体具有接触表面以及与接合这两个相互作用的主体的接触表面垂直的力分量F_N。曲线图200示出了这两个相互作用的主体的摩擦力或扭矩与速度减弱摩擦行为的相关性。在这两个相互作用的主体之间的更高相对速度(v＞0)下，摩擦力或扭矩具有由点202示出的不同值。降低相对速度将引起增加的摩擦力或扭矩(也称为速度弱化特性)。当相对速度为零时，摩擦力或扭矩达到其最大值。最大摩擦力也称为静摩擦、粘着摩擦或粘滞。

一般来讲，摩擦力依赖于法向力，如公式F_R＝μ·F_N所述，其中摩擦系数为μ。一般来讲，摩擦系数μ是速度的函数。在两个相互作用的主体之间的相对速度为零(v＝0)的情况下，静摩擦力F_S与法向力分量F_N的关系由公式F_S＝μ₀·F_N表示，其中静摩擦系数为μ₀。在这两个相互作用的主体之间的相对速度不为零(v≠0)的情况下，摩擦系数称为动摩擦系数μ。如果相对速度进一步降低到负值(即，如果这两个相互作用的主体的相对运动的方向切换到相反方向)，则摩擦力或扭矩切换到相反方向且在曲线图200中的点204处具有与从正最大值到负最小值的阶跃相对应的高绝对值。即，摩擦力对速度的关系示出了速度改变正负号的点处的正负号变换并且在曲线图200中的点204处是不连续的。速度弱化特性是摩擦地连接的相互作用的主体之间的熟知效应。接触力或扭矩的速度弱化特性被认为是粘滞/滑动的潜在根本原因。也可通过利用在更低相对速度下具有更高粘度且在更高相对速度下具有更低粘度的分散性流体来实现速度弱化特性。如果迫使分散性流体穿过相对较小的通道，则可实现相同的效应，因为流动阻力在低或高相对速度下分别相对较高或较低。

参考图8A至图8B，图8A示出了井下系统的所测量的扭转加速度对时间的关系。在图8A所示的5秒测量时间内，图8A示出了平均加速度为大约0g的振荡扭转加速度，该平均加速度由在大约0s与3s之间具有相对较低的振幅且在大约3s与5s之间具有至多100g的相对较高的振幅的振荡扭转加速度叠加。图8B示出了与图8A中相同的时间周期内的对应旋转速度。根据图8A，图8B示出了平均速度v₀(由图8B中的线v₀指示)，该平均速度相对恒定地保持在大约190转/分钟。该平均速度由根据图8A中的相对较低和较高的加速度振幅在大约0s与3s之间具有相对较低的振幅且在大约3s与5s之间具有相对较高的振幅的振荡旋转速度变化叠加。值得注意的是，即使在旋转速度振荡的振幅相对较高的大约3s与5s之间的时间周期内，振荡旋转速度也不会引起旋转速度的负值。

再次参考图2，点202示出了根据图8B中的平均速度v₀的这两个相互作用的主体的平均速度。在图2的示意图中，图8B的数据对应于这样的点：速度因HTFO而以相对较高的频率在平均速度v₀周围振荡，该平均速度与HFTO相比随时间相对缓慢地变化。因此示出图8B的数据的点在图2中的曲线的正分支上来回移动，而未达到或仅在很少情况下达到负速度值。因此，对应摩擦力或扭矩在正平均摩擦力或平均摩擦扭矩周围振荡并且通常为正或仅在很少情况下达到负值。如下文进一步讨论，点202示出了相对速度的正平均值对应于静态扭矩的位置，并且点204示出了摩擦阻尼的有利点。应当注意，钻井系统与钻孔壁之间的摩擦力或扭矩不会产生该系统中的高频振荡的附加阻尼。这是因为相互作用的主体(例如，稳定器和钻孔壁)的接触表面之间的相对速度的平均速度不会如此接近零而使得HFTO引起这两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换。相反，这两个相互作用的主体之间的相对速度在离零的一定距离处具有高平均值，该高平均值较大以使得HFTO不会引起这两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换(例如，由图2中的点202示出)图2所示)。

本领域技术人员将理解，如图2所示接触力或扭矩相对于相对速度的弱化特性引起能量施加到该系统中以使相互作用的主体的相对运动以平均速度v₀振荡，与振荡运动的速度相比，该平均速度较高。在该上下文中，自激发机制的其他示例(诸如轴向和扭转自由度之间的耦合)可引起类似特性。

图3中描绘了对应滞后并且图4中示出了摩擦力和速度的时间曲线图。图3示出了摩擦力F_r(在该上下文中有时也称为切削力)对相对于位置的位移的滞后关系，该位移以具有附加小速度波动(引起附加小位移dx)的正平均相对速度移动。因此，图4示出了对于具有附加小速度波动(引起附加小位移dx)的正平均相对速度而言的摩擦力(F_r)、相对速度

和两者的乘积(由图4中的标记400所指示)。本领域的技术人员将理解，随时间推移的摩擦力与速度之间的面积等于耗散的能量(即，线400与零轴之间的面积)，其在图3和图4所示的情况下为负。即，在图5和图6所示的情况下，经由摩擦接触将能量从摩擦传递到振荡中。

再次参考图2，点204表示除平均速度之外小速度波动或振动的摩擦阻尼的有利平均速度。对于这两个相互作用的主体之间的相对运动的小波动而言，在图2中的点204处具有相互作用的主体的相对速度的正负号变换的不连续性也会引起摩擦力或扭矩的突然正负号变换。该正负号变换会引起滞后，从而引起大量耗散的能量。例如，比较图5和图6，它们分别是与图3和图4类似的曲线图，但示出了具有附加小速度波动或振动的零平均相对速度的情况。与乘积

相对应的图6中的线600下面积等于一个周期期间耗散的能量并且在这种情况下为正。即，在图5和图6所示的情况下，经由摩擦接触将能量从高频振荡传递到摩擦中。该效应与图3和图4所示的情况相比相对较高并且具有期望的正负号。从图2、图5和图6的比较中也可以清楚看出，耗散的能量显著依赖于v＝0(即，图2中的位置204)时最大摩擦力与最小摩擦力之间的差值图2所示)。v＝0时最大摩擦力与最小摩擦力之间的差值越大，耗散的能量越高。虽然图3至图4是通过使用速度减弱特性(诸如图2所示的速度减弱特性)来产生的，但本公开的实施方案不限于这种类型的特性。本文所公开的装置和方法对于任何类型的特性都将有效，前提条件是当这两个相互作用的主体之间的相对速度改变其正负号时，摩擦力或扭矩经历具有正负号变换的阶跃。

现在将描述根据本公开的一些实施方案的摩擦阻尼器。摩擦阻尼器安装在钻井系统(诸如图1所示的钻井系统10)之上或之中，和/或是钻井系统10的一部分，诸如井底钻具组合90的一部分。摩擦阻尼器是具有两个相互作用的主体的摩擦阻尼系统的一部分，这两个相互作用的主体诸如为第一元件和具有与第一元件的摩擦接触表面的第二元件。本公开的摩擦阻尼系统被布置为使得第一元件的平均速度与安装了第一元件的钻井系统的旋转速度相关。例如，第一元件可具有与钻井系统类似或相同的平均速度或旋转速度，以使得小波动振荡引起根据图2中的点204的第一元件与第二元件之间的相对速度的正负号变换或过零。应当注意，钻井系统与钻孔壁之间的摩擦力或扭矩不会产生该系统中的高频振荡的附加阻尼。这是因为接触表面(例如，稳定器和钻孔)之间的相对速度不具有零平均值(例如，图2中的点202)图2所示)。根据本文所述的实施方案，第一元件与第二元件之间的静摩擦被设定为足够高以使第一元件能够将第二元件(在旋转期间)加速到具有与钻井系统相同的值的平均速度v₀。因此附加高频振荡根据等于或接近图2中的点204的图2中的位置周围的振荡以正或负速度引入第一元件(例如，阻尼设备)与第二元件(例如，钻井系统)之间的滑动。惯性力F_I超过静摩擦力时会发生滑动，该静摩擦力表示为这两个相互作用的主体之间的静摩擦系数乘以法向力：F_I＞μ₀·F_N。根据本公开的实施方案，调节法向力F_N(例如，由这两个相互作用的主体之间的接触表面的接触和表面压力引起)和静摩擦系数μ₀以实现最佳能量耗散。此外，可优化惯性矩(扭转)、接触表面的接触和表面压力以及阻尼器或接触表面相对于离钻头的距离的布置。

例如，转到图7，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统700的示意图。阻尼系统700是井下系统702(诸如井底钻具组合和/或钻井组件)的一部分。井下系统702包括钻柱704，该钻柱旋转以使井下系统702的钻井操作能够在地层708内形成钻孔706。如上所讨论，钻孔706通常填充有钻井液，诸如钻井泥浆。阻尼系统700包括第一元件710，该第一元件操作性地联接(例如，固定地连接)或为井下系统702的一体部分以便确保第一元件710以与井下系统702的平均速度相关(例如，类似或相同)的平均速度旋转。第一元件710与第二元件712摩擦接触。第二元件712至少部分可动地安装在井下系统702上，其中接触表面714位于第一元件710与第二元件712之间。

就摩擦力而言，最小摩擦力与最大摩擦力之间的差值正相关于法向力和静摩擦系数。耗散的能量随摩擦力和谐波位移而增加，但仅在滑动阶段中耗散能量。在粘滞阶段中，摩擦界面之间的相对位移和耗散的能量为零。粘滞阶段的上限振幅极限随接触界面中的法向力和摩擦系数线性地增加。原因是在以

加速的情况下可由接触主体之一的惯性J引起的接触界面中的反作用力

必须高于限定粘滞与滑动之间的极限的扭矩M_H＝F_Nμ_Hr。如本文所用，F_N是法向力，μ_H是有效摩擦系数，并且r是摩擦接触区域的有效或平均半径。

如果接触力是由位移和弹簧元件引起的，则类似的机制也适用。接触区域的加速度

可归因于模态的激发并且依赖于对应模态振型，如下文相对于图9B进一步讨论。就附加惯性质量J而言，只要接触界面粘滞，加速度

便等于附加位置处的受激模态和对应模态振型的加速度。

必须调节法向力和摩擦力以保证滑动阶段处于适宜或容许的振幅范围内。容许的振幅范围可由零与负荷极限之间的振幅限定，所述负荷极限例如由工具和部件的设计规范给定。极限也可由没有阻尼器的情况下预期振幅的百分比给定。可与能量输入(例如，通过强制激发或自激发)比较的耗散的能量是判断阻尼器的效率的一个量度。另一个量度是所提供的该系统的等效阻尼，该等效阻尼与该系统中的谐波振动的一个周期内耗散的能量与振动的一个周期期间的势能之比成比例。该量度对于自激发的系统尤其有效。就自激发的系统而言，可通过负阻尼系数来估计该激发并且可直接比较等效阻尼和负阻尼两者。阻尼器所提供的阻尼力为非线性的并且强烈依赖于振幅。

如图20所示，阻尼在粘滞阶段中为零(图20的曲线图的左端)，其中相互作用的主体之间的相对运动为零。如果如上所述，粘滞和滑动阶段之间的极限被通过接触界面传递的力所超过，则会发生引起能量耗散的相对滑动运动。随后摩擦阻尼所提供的阻尼比增加到最大值，之后降低到最小值。将发生的振幅依赖于可由负阻尼项描述的激发。本文中，如图20中所描绘的所提供的阻尼的最大值必须高于来自自激发机制的负阻尼。所谓的极限循环中发生的振幅可由摩擦阻尼器所提供的负阻尼比和等效阻尼比的交点来确定。

该曲线依赖于不同参数。有利的是具有高法向力但滑动阶段的振幅尽可能低。就惯性质量而言，这可通过高质量或通过将接触界面放置在高加速度的点处来实现。就接触界面而言，与该模态的振幅相比的高相对位移是有利的。因此，根据高振幅或相对振幅进行的阻尼设备的最佳布置很重要。这可通过使用模拟结果来实现，如下所讨论。法向力和摩擦系数可用于将该曲线移动到更低或更高振幅，但对阻尼最大值没有很大影响。如果实现了超过一个摩擦阻尼器，则这将引起图20所示的类似曲线的叠加。如果调节法向力和摩擦系数以实现相同振幅的最大值，则这有利于所实现的整体阻尼。此外，略微移动的阻尼曲线将引起所得曲线相对于振幅可更宽，这可有利于考虑可使振幅向最大值的右边移动的影响。在这种情况下，就自激发的系统而言，振幅将增加到极高的值，如负阻尼所指示。在这种情况下，振幅需要再次移动到最大值的左侧，例如通过离开底部或将该系统的旋转速度降低到更低水平。

再次参考图7，钻柱704及因此井下系统702以旋转速度

旋转，该旋转速度可按每分种转数(RPM)来量度。第二元件712安装到第一元件710上。可通过调节元件716的应用和使用来选择或调节第一元件710与第二元件712之间的法向力FN。调节元件716可例如经由螺纹、致动器、压电致动器、液压致动器和/或弹簧元件来调节，以施加在与第一元件710和第二元件712之间的接触表面714垂直的方向上具有分量的力。例如，如图7所示，调节元件716可在井下系统702的轴向方向上施加力，由于井下系统702的轴线与第一元件710和第二元件712的接触表面714之间成非零角度，该力转换成与第一元件710和第二元件712的接触表面714垂直的力分量F_N。

第二元件712具有惯性矩J。当在井下系统702的操作期间发生HFTO时，井下系统702和第二元件712两者均根据模态振型来加速。图8A和图8B中示出了这种操作的示例性结果。图8A是在钻头处测量的切向加速度的曲线图，并且图8B是对应旋转速度。

由于第二元件712的切向加速度和惯性，第二元件712与第一元件710之间发生相对惯性力。如果这些惯性力超过粘滞与滑动之间的阈值，即如果这些惯性力超过第一元件710与第二元件710之间的静摩擦力，则元件710、712之间将发生引起能量耗散的相对运动。在此类布置中，加速度、静摩擦系数和/或动摩擦系数及法向力决定耗散的能量的量。例如，第二元件712的惯性矩J决定必须在第一元件710与第二元件712之间传递的相对力。高加速度和惯性矩增加接触表面714处滑动的倾向，因此引起阻尼器所提供的更高能量耗散和等效阻尼比。

由于第一元件710与第二元件712之间的摩擦运动所引起的能量耗散，将在第一元件710和/或第二元件712上产生热量和磨损。为了使磨损保持低于可接受的水平，可承受磨损的材料可以用于第一元件710和/或第二元件712。例如，金刚石或聚晶金刚石复合片可以至少用于第一元件710和/或第二元件712的一部分。另选地或除此之外，涂层可有助于减少因第一元件710和第二元件712之间的摩擦引起的磨损。热量可引起高温并且可影响井下系统702的第一元件710、第二元件712和/或其他部件的可靠性或耐久性。第一元件710和/或第二元件712可由具有高导热性或高热容量的材料制成，和/或可与具有高导热性或热容量的材料接触。

此类具有高导热性的材料包括但不限于金属或包含金属的化合物诸如铜、银、金、铝、钼、钨，或包含脂肪、油脂、油的热油脂，环氧树脂、有机硅、聚氨酯和丙烯酸酯以及任选地填料诸如金刚石、金属或包含金属的化学化合物(例如，银、氮化铝中的铝、氮化硼中的硼、氧化锌中的锌)或者硅或包含硅的化学化合物(例如，碳化硅)。除此之外或另选地，第一元件710和第二元件712中的一者或两者可与流动流体(诸如钻井液)接触，该流动流体被配置为从第一元件710和/或第二元件712去除热量以便冷却相应元件710、712。此外，振幅限制元件(未示出)诸如键、凹槽或弹簧元件可用于且被配置为将能量耗散限制到可接受的极限，从而减少磨损。当布置阻尼系统700时，高法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数将防止第一元件710与第二元件712之间的相对滑动运动，并且在此类情况下，不会耗散能量。相比之下，低法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可引起低摩擦力，并且将发生滑动但耗散的能量较低。另外，低法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可引起第二元件712的外表面处(例如，第二元件712与地层708之间)的摩擦高于第一元件710与第二元件712之间的摩擦的情况，从而引起第一元件710与第二元件712之间的相对速度不等于或接近零而是处于井下系统702与地层708之间的平均速度的范围内。因此，可调节法向力和静摩擦系数或动摩擦系数(例如，通过使用调节元件716)以实现能量耗散的优化值。

这可通过调节法向力F_N、静摩擦系数μ₀、动摩擦系数μ或它们的组合来进行。可通过以下方式调节法向力F_N：定位调节元件716和/或使致动器在第一元件和第二元件中的一者上产生具有与第一元件和第二元件的接触表面垂直的分量的力，调节围绕第一元件和第二元件的压力状态，或增加或减小压力作用的区域。例如，通过增加作用于第二元件的外部压力(诸如泥浆压力)，也将增加法向力F_N。可通过调节地表上的泥浆泵(例如，图1所示的泥浆泵34)或地表上或井下的影响泥浆压力的其他设备诸如旁路、阀门、波动消除器来实现调节泥浆井下的压力。

还可由偏置元件(未示出)诸如弹簧元件来调节法向力F_N，该偏置元件对第二元件712施加力，例如在远离或朝向第一元件710的轴向方向上的力。还可基于从传感器接收到的输入以受控方式进行法向力F_N的调节。例如，合适的传感器(未示出)可向控制器(未示出)提供一个或多个参数值，这些参数值与第一元件710和第二元件712的相对运动或第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度相关。基于这些参数值，控制器可提供增加或减小法向力F_N的指令。例如，如果第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度超过阈值温度，则控制器可提供减小法向力F_N的指令以防止因高温引起的第一元件710和第二元件712中的一者或两者的损坏。类似地，例如，如果第二元件712相对于第一元件710的距离、速度或加速度超过阈值，则控制器可提供增加或减小法向力F_N的指令以确保最佳能量耗散。通过监测参数值，可控制法向力F_N以在一个时间周期内实现期望的结果。例如，可控制法向力F_N以提供最佳能量耗散，同时在钻井行程或其一部分内保持第一元件710和第二元件712中的一者或两者的温度低于阈值。

另外，可通过利用不同材料来调节静摩擦系数或动摩擦系数，所述不同材料例如为但不限于具有不同刚度、不同粗糙度和/或不同润滑性的材料。例如，具有更高粗糙度的表面通常会增加摩擦系数。因此，可通过为第一元件和第二元件中的至少一者或第一元件和第二元件中的至少一者的一部分选择具有适当摩擦系数的材料来调节摩擦系数。第一元件和/或第二元件的材料也可对第一元件和第二元件的磨损有影响。为了保持第一元件和第二元件的磨损较低，有利的是选择可承受第一元件和第二元件之间产生的摩擦的材料。第二元件712的惯性、摩擦系数和预期加速度振幅(例如，随模态振型和本征频率而变化)是确定耗散的能量且也需要优化的参数。临界模态振型和加速度振幅可通过测量或计算来确定，或基于如本领域技术人员所理解的其他已知方法来确定。示例是有限元分析或传递矩阵法或有限差分法并且基于该模态分析。在预期有高相对位移或加速度的地方布置摩擦阻尼器是最佳的。

现在转向图9A和图9B，示出了井下系统900和对应模态的示例。图9A是井下系统的示意图，其示出了井下系统的形状随离钻头的距离的变化，并且图9B示出了可在图9A的井下系统的操作期间激发的扭转振荡的示例性对应模态振型。图9A和图9B的图示展示了阻尼系统的一个或多个元件在井下系统900上的潜在位置和布置。

如图9A示例性所示，井下系统900包括具有不同直径(以及不同质量、密度、构造等)的各种部件，因此在井下系统900的旋转期间，不同部件可引起产生各种模态。示例性模态指示将存在最高振幅的地方，这可需要通过应用阻尼系统来使之发生阻尼。例如，如图9B所示，示出了井下系统900的第一扭转振荡的模态振型902、第二扭转振荡的模态振型904以及第三扭转振荡的模态振型906。基于模态振型902、904、906的知识，可优化阻尼系统的第一元件的位置。在模态振型902、904、906的振幅为最大值(峰值)的情况下，可需要和/或实现阻尼。因此，示例性地示出了用于附接或安装本公开的阻尼系统的两个潜在位置。

例如，第一阻尼位置908接近井下系统900的钻头并且主要使第一扭转振荡和第三扭转振荡(对应于模态振型902、906)发生阻尼并针对第二扭转振荡(对应于模态振型904)提供一些阻尼。即，第一阻尼位置908大约在第三扭转振荡(对应于模态振型906)的峰值处，接近第一扭转振荡模态振型902的峰值，并且在相对于第二扭转振荡模态振型904的峰值的约一半处。

第二阻尼位置910被布置为再次主要提供第三扭转振荡模态振型906的阻尼并且针对第一扭转振荡模态振型902提供一些阻尼。然而，在第二阻尼位置910中，不会发生第二扭转振荡模态振型904的阻尼，因为第二扭转振荡模态振型904在第二阻尼位置910处接近零。

尽管图9A和图9B中仅示出了用于布置本公开的阻尼系统的两个位置，但是实施方案不受如此限制。例如，可沿着井下系统安装任何数量和任何布置的阻尼系统以对井下系统提供扭转振动阻尼。阻尼器的优选安装位置的示例是预期模态振型中的一者或多者显示出高振幅的地方。

由于钻头处的高振幅，例如，阻尼器的一个良好位置是接近钻头或甚至在钻头内。此外，第一元件和第二元件不限于单个主体，而是可采取任何数量的各种构造来实现期望的阻尼。即，可采用多主体(多体)第一元件或第二元件(例如，摩擦阻尼设备)，其中每个主体具有相同或不同法向力、摩擦系数和惯性矩。例如，如果不确定在沿着井下系统的给定位置处预期为哪个模态振型和对应加速度，则可使用此类多主体元件布置。

例如，可使用可实现彼此之间的不同相对滑动运动以耗散能量的两个或更多个元件主体。第一元件的多个主体可使用不同静摩擦系数或动摩擦系数、接触表面之间的角度来选择和组装，和/或可具有影响摩擦量和/或粘滞与滑动之间的转变的其他机制。可使用此类构造来使若干振幅水平、受激模态振型和/或自振频率发生阻尼。例如，转到图10，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统1000的示意图。阻尼系统1000可以以与上文相对于图7示出和描述的类似的方式操作。阻尼系统1000包括第一元件1010和第二元件1012。然而，在该实施方案中，安装到井下系统1002的第一元件1010的第二元件1012由第一主体1018和第二主体1020形成。第一主体1018具有第一主体1018与第一元件1010之间的第一接触表面1022，并且第二主体1020具有第二主体1020与第一元件1010之间的第二接触表面1024。如图所示，第一主体1018与第二主体1020由间隙1026分开。提供间隙1026是为了防止第一主体1018与第二主体1020之间的相互作用，使得它们可彼此独立地操作(例如，运动)或彼此不直接相互作用。在该实施方案中，第一主体1018具有第一静摩擦系数或动摩擦系数μ₁和与第一接触表面1022垂直的第一力F_N1，而第二主体1020具有第二静摩擦系数或动摩擦系数μ₂和与第二接触表面1024垂直的第二力F_N2。此外，第一主体1018可具有第一惯性矩J₁，并且第二主体1020可具有第二惯性矩J₂。在一些实施方案中，第一静摩擦系数或动摩擦系数μ₁、第一法向力F_N1和第一惯性矩J₁中的至少一者被选择为分别与第二静摩擦系数或动摩擦系数μ₂、第二法向力F_N2和第二惯性矩J₁不同。因此，阻尼系统1000可被配置为考虑沿着井下系统1002的基本上单个位置处的多个不同模态振型。

现在转向图11，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统1100的示意图。阻尼系统1100可以以与上文示出和描述的类似的方式操作。然而，在该实施方案中，安装到井下系统1102的第一元件1110的第二元件1112由第一主体1118、第二主体1120和第三主体1128形成。第一主体1118具有第一主体1118与第一元件1110之间的第一接触表面1122，第二主体1120具有第二主体1120与第一元件1110之间的第二接触表面1124，并且第三主体1128具有第三主体1128与第一元件1110之间的第三接触表面1130。如图所示，第三主体1128位于第一主体1118与第二主体1020之间。在该实施方案中，三个主体1118、1120、1128彼此接触，因此它们之间可具有法向力和静摩擦系数或动摩擦系数。

三个主体1118、1120、1128之间的接触可由主体1118、1120、1128中的两者或更多者之间的弹性连接元件(诸如弹簧元件)建立、保持或支持。除此之外或另选地，第一主体1118在第一接触表面1122处可具有第一静摩擦系数或动摩擦系数μ₁和第一力F_N1，第二主体1120在第二接触表面1124处可具有第二静摩擦系数或动摩擦系数μ₂和第二力F_N2，并且第三主体1128在第三接触表面1130处可具有第三静摩擦系数或动摩擦系数μ₃和第三力F_N3。

除此之外或另选地，第一主体1118和第三主体1128在第一主体1118与第三主体1128之间的接触表面处彼此之间可具有第四力F_N13和第四静摩擦系数或动摩擦系数μ₁₃。类似地，第三主体1128和第二主体1120在第三主体1128与第二主体1120之间的接触表面处彼此之间可具有第五力F_N32和第五静摩擦系数或动摩擦系数μ₃₂。

此外，第一主体1118可具有第一惯性矩J₁，第二主体1120可具有第二惯性矩J₂，并且第三主体1128可具有第三惯性矩J₃。在一些实施方案中，静摩擦系数或动摩擦系数μ₁、μ₂、μ₃、μ₁₃、μ₃₂、力F_N1、F_N2、F_N3、F₁₃、F₃₂以及惯性矩J₁、J₂、J₃可被选择为彼此不同，以使得乘积μ_i·F_i(其中i＝1、2、3、13、32)至少对于第一元件1110、第一主体1118、第二主体1120和第三主体1128的相对速度的子范围是不同的。此外，相邻主体之间的静摩擦系数或动摩擦系数和法向力可被选择为实现不同阻尼效应。

尽管相对于有限数量的实施方案及元件的具体形状、相对尺寸和数量进行了示出和描述，但是本领域技术人员将理解，本公开的阻尼系统可采取任何构造。例如，形状、尺寸、几何结构、径向布置、接触表面、主体数量等可被选择为实现期望的阻尼效应。虽然在图11所示的布置中，第一主体1118和第二主体1120彼此通过与第三主体1128的摩擦接触来联接，但此类布置和描述并非是限制性的。第一主体1118与第二主体1120之间的联接也可通过液压、电或机械联接装置或机构来产生。例如，第一主体1118与第二主体1120之间的机械联接装置可通过第一主体1118和第二主体1120的刚性或弹性连接来产生。

现在转向图12，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统1200的示意图。阻尼系统1200可以以与上文示出和描述的类似的方式操作。然而，在该实施方案中，阻尼系统1200的第二元件1212部分固定地附接到或连接到第一元件1210。例如，如该实施方案中所示，第二元件1212具有固定部分1232(或固定端)和可动部分1234(或可动端)。固定部分1232沿着固定连接1236固定到第一元件1210，并且可动部分1234跨接触表面1214与第一元件1210摩擦接触(类似于相对于图10描述的第一元件1010与第二元件1012摩擦接触)。

可动部分1234可具有可与图9B所示的模态振型相关的任何期望的长度。例如，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的十分之一。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的四分之一。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离的一半。在另一个示例中，在一些实施方案中，可动部分可长于可能已为特定钻井组件计算的任何模态振型的最大值与最小值之间的距离。

因此，即使在井下部署期间可能不知道模态最大值或最小值的确切位置在何处，也可确保第二元件1212在最大振幅的位置处与第一元件1210摩擦接触以实现优化的阻尼。尽管使用具体布置来示出，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，部分固定的第一元件的其他布置也是可能的。例如，在一个非限制性实施方案中，固定部分可处于第一元件的更中心的部分中，使得第一元件具有两个可动部分(例如，在第一元件的相对两端)。从图12中可以看出，第二元件1212的可动部分1234相当细长并且可覆盖与第二元件1212的可动部分1234的长度相对应的模态振型(诸如图9B中的模态振型902、904、906)的一部分。与第一元件1210摩擦接触的细长的第二元件1212可优于更短的第二元件，因为更短的第二元件可位于模态振型的非期望位置中，诸如位于第二模态振型904较小或甚至为零的阻尼位置910中，如上文相对于图9B所解释。利用细长的第二元件1212可确保第二元件的至少一部分处于离模态振型中的一者或多者为零或至少接近零的位置的一定距离处。图13至图19和图21至图22示出了与第一元件摩擦接触的细长的第二元件的更多种类。在一些实施方案中，细长的第二元件可为弹性的，以使得可动部分1234能够相对于第一元件1210运动，而固定部分1232相对于第一元件1210静止。在一些实施方案中，第二元件1212在第一元件1210的多个位置处可具有多个接触点。

在上述实施方案中，并且在根据本公开的阻尼系统中，由于摩擦接触，第一元件暂时固定到第二元件。然而，当井下系统的振动增加并且超过阈值时，例如当惯性力超过静摩擦力时，第一元件(或其部分)相对于第二元件运动，因此提供阻尼。即，当HFTO在井下系统内增加到预定阈值(例如，振幅、距离、速度和/或加速度的阈值)以上时，阻尼系统将自动地操作，因此本文提供的实施方案包括被动阻尼系统。例如，实施方案包括在不利用附加能量的情况下自动地操作的被动阻尼系统，因此不利用附加能源。

现在转向图13，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统1300的示意图。在该实施方案中，阻尼系统1300包括一个或多个细长的第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f，每个细长的第一元件布置在第二元件1312内并且与该第二元件接触。第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f中的每一者可在轴向工具方向上(例如，在与图13所示的横截面垂直的方向上)具有长度，并且任选地具有相应第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f固定到第二元件1312的固定点。例如，第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f可固定在相应上端、中间部分、下端、或不同第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f的多个固定点、或给定单个第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f的多个点。此外，如图13所示，第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f可任选地由偏置元件1338偏置或接合到第二元件1312(例如，通过偏置弹簧元件或偏置致动器施加具有朝向第二元件1312的分量的力)。第一元件1310a、1310b、1310c、1310d、1310e、1310f中的每一者可被布置和选择为具有相同或不同法向力、静摩擦系数或动摩擦系数和质量惯性矩，从而实现各种阻尼构造。

在一些实施方案中，第一元件沿着其长度在材料、形状和/或几何结构方面可为基本上一致的。在其他实施方案中，第一元件沿着其长度在形状和几何结构方面可变化。例如，参考图14，示出了根据本公开的一个实施方案的阻尼系统1400的示意图。在该实施方案中，第一元件1410相对于第二元件1412来布置，并且第一元件1410相对于第二元件1412具有锥形和/或螺旋形布置。因此，在一些实施方案中，第一元件或第二元件的一部分可沿着其长度相对于第二元件改变几何结构或形状，并且还可在围绕或相对于第二元件和/或相对于工具主体或井下系统的圆周跨度中发生此类改变。

现在转向图15，示出了根据本公开的一个实施方案的另一个阻尼系统1500的示意图。在阻尼系统1500中，第一元件1510是配合在螺纹第二元件1512内的齿形(螺纹)主体。第一元件1510的齿(螺纹)与第二元件1512的螺纹之间的接触可提供这两个元件1510、1512之间的摩擦接触以实现如本文所述的阻尼。由于第一元件1510的倾斜表面，第一元件1510将开始在轴向振动和/或扭转振动下运动。此外，第一元件1510在轴向或圆周方向上的运动也将分别在该构造中产生圆周或轴向方向上的运动。因此，利用图15所示的布置，轴向振动可用于减轻扭转振动或使扭转振动发生阻尼，而且扭转振动可用于减轻轴向振动或使轴向振动发生阻尼。发生轴向振动和扭转振动的位置可不同。例如，虽然轴向振动可沿着钻井组件均匀地分布，但扭转振动可遵循如上文相对于图9A至图9B讨论的模态振型模式。因此，不论在何处发生振动，图15所示的构造均可用于使用轴向振动所引起的第一元件1510相对于第二元件1512的运动来使扭转振动发生阻尼，反之亦然。如图所示，任选的紧固元件1540(例如，螺栓)可用于调节这两个元件1510、1512之间的接触压力或法向力，因此调节阻尼系统1500的摩擦力和/或其他阻尼特性。

现在转向图16，示出了根据本公开的另一个实施方案的阻尼系统1600的示意图。阻尼系统1600包括第一元件1610，该第一元件是刚性杆，其在一端处固定在第二元件1612内。在该实施方案中，杆端1610a被布置为摩擦地接触第二元件止挡件1612a，因此提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。杆端1610a与第二元件止挡件1612a之间的法向力可例如由杆端1610a与第一元件1610之间的螺纹连接来调节。此外，杆的刚度可被选择为优化阻尼或以有利的方式影响模态振型以提供更大的相对位移。例如，选择具有更低刚度的杆将引起第一元件1610的扭转振荡的更高振幅和更高能量耗散。

现在转向图17，示出了根据本公开的另一个实施方案的阻尼系统1700的示意图。阻尼系统1700包括摩擦地附接或连接到第二元件1712的第一元件1710，该第二元件被布置为刚性杆并且在固定连接1716处固定地连接(例如，通过焊接、旋拧、钎焊、粘附等)到外管件1714，诸如钻铤。在一个方面，杆可为管件，其包括易因HFTO发生磨损的电子部件、电源、存储介质、电池、微控制器、致动器、传感器等。即，在一个方面，第二元件1712可为探头，诸如测量方向信息的探头，包括重力仪、陀螺仪和磁力仪中的一者或多者。在该实施方案中，第一元件1710被布置为摩擦地接触第二元件1712的固定杆结构、相对于并沿着该固定杆结构运动或振荡，因此提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。虽然第一元件1710在图17中被示出为比阻尼系统1700相对较小，但并非意在在这方面进行限制。因此，第一元件1710可为任何尺寸并且可具有与阻尼系统1700相同的外径。此外，第一元件1710的位置可为可调节的以便将第一元件1710移动到更接近模态振型最大值，从而优化阻尼减轻。

现在转向图18，示出了根据本公开的另一个实施方案的阻尼系统1800的示意图。阻尼系统1800包括第一元件1810，该第一元件可沿着第二元件1812摩擦地运动。在该实施方案中，第一元件1810被布置为具有弹性弹簧元件1842(诸如螺旋弹簧或其他元件或装置)以使第一元件1810与第二元件1812接合，因此在第一元件1810已运动并相对于第二元件偏转时提供回复力。该回复力被引导以减少第一元件1810相对于第二元件1812的偏转。在此类实施方案中，弹性弹簧元件1842可被布置或调谐到弹性弹簧元件1842或振荡系统的共振和/或临界频率(例如，最低临界频率)，该振荡系统包括第一元件1810和弹性弹簧元件1842。

现在转向图19，示出了根据本公开的另一个实施方案的阻尼系统1900的示意图。阻尼系统1900包括第一元件1910，该第一元件可围绕第二元件1912摩擦地运动。在该实施方案中，第一元件1910被布置为第一端1910a具有第一接触(例如，第一端法向力F_Ni、第一端静摩擦系数或动摩擦系数μ_i和第一端惯性矩J_i)并且在第二端1910b具有第二接触(例如，第二端法向力F_Ni、第二端静摩擦系数或动摩擦系数μ_i和第二端惯性矩J_i)。在一些此类实施方案中，相应第一端1910a或第二端1910b与第二元件1912之间的相互作用的类型可具有不同物理特性。例如，第一端1910a和第二端1910b中的一者或两者可具有粘滞接触/接合，并且一者或两者可具有滑动接触/接合。第一端1910a和第二端1910b的布置/构造可被设定为提供如根据本公开的实施方案所描述的阻尼。

有利地，本文所提供的实施方案涉及通过应用安装在旋转钻柱(例如，钻柱)上的阻尼系统来减轻井下系统的高频扭转振荡(HFTO)的系统。阻尼系统的第一元件至少部分摩擦地连接以相对于钻柱的轴线周向地运动(例如，摩擦地连接以围绕钻柱的轴线旋转)。在一些实施方案中，第二元件可为钻井系统或井底钻具组合的一部分并且不需要为单独安装的部件或重量。第二元件或其一部分以一定方式连接到井下系统，使得在不存在HFTO的情况下第一元件与第二元件之间的相对运动具有零或接近零的相对速度(即，无相对运动或缓慢相对运动)。然而，当在不同的加速度值以上发生HFTO时，第一元件与第二元件之间的相对运动是可能的并且实现交替正负相对速度。在一些实施方案中，第二元件可为连接到井下系统的质量或重量。在其他实施方案中，第二元件可为井下系统的一部分(例如，钻井系统或BHA的一部分，诸如提供本文所述功能的井下系统的其余部分)且第一元件与第二元件之间具有摩擦。

如上所述，阻尼系统的第二元件被选择或配置为使得当钻柱中不存在振动(即，HFTO)时，第二元件将通过静摩擦力摩擦地连接到第一元件。然而，当存在振动(HFTO)时，第二元件相对于第一元件运动并且如上文相对于图2所描述的那样减少第一元件和第二元件之间的摩擦接触，使得第二元件可相对于第一元件旋转(运动)(或反之亦然)。当运动时，第一元件和第二元件实现能量耗散，从而减轻HFTO。阻尼系统、特别是其第一元件具有一定位置、重量、外力和尺寸以实现一个或多个具体或预定义的振动模态/频率下的阻尼。如本文所述，第一元件在不存在HFTO振动时固定地连接，但随后能够在存在某些加速度(例如，根据HFTO模态)时运动，因此通过相对速度的过零(例如，在正和负相对旋转速度之间切换)实现HFTO的阻尼。

在上文所讨论的各种构造中，传感器可用于估计和/或监测阻尼器的效率和耗散的能量。例如在与力或扭矩传感器相结合的情况下对这两个相互作用的主体的接触点或表面附近的位移、速度和/或加速度的测量可用于估计相对运动并且计算耗散的能量。例如，当这两个相互作用的主体由偏置元件(诸如弹簧元件或致动器)接合时，也可在不测量的情况下获知该力。也可从温度测量值得出耗散的能量。可将此类测量值传输到控制器或操作人员，从而可得以调节诸如法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数的参数以实现更高的耗散的能量。例如，可将位移、速度、加速度、力和/或温度的测量值和/或计算值发送到控制器(诸如微控制器)，该控制器具有存储到存储介质的指令集，其基于该指令集来调节和/或控制接合这两个相互作用的主体的力和/或静摩擦系数或动摩擦系数中的至少一者。优选地，调节和/或控制是在钻井过程正在进行中时完成的以实现最佳HFTO阻尼结果。

虽然已参考具体附图描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求或可能实施方案的以下描述的范围内的所有实施方案。

钻柱和井底钻具组合中的剧烈振动可由钻头处的切削力或井下工具(诸如钻井马达)中的质量不平衡引起。除了别的以外，负效应是降低的钻进速率、降低的测量质量和井下故障。

存在不同种类的扭转振动。在文献中，扭转振动主要被区分为整个钻井系统的粘滞/滑动和高频扭转振荡(HFTO)。两者均主要通过因钻头与地层的相互作用而发生的自激发机制来激发。粘滞/滑动与HFTO之间的主要区分点是频率和典型模态振型：就HFTO而言，频率高于50Hz，相比之下，就粘滞/滑动而言，频率低于1Hz。此外，粘滞/滑动的受激模态振型是整个钻井系统的第一模态振型，而HFTO的模态振型通常局限于钻井系统的小部分并且在钻头处具有相对较高的振幅。

由于频率较高，HFTO对应于沿着BHA的高加速度和扭矩值并且可对电子器件和机械部件具有损坏效应。基于自激发的理论，增加的阻尼可在达到阻尼值的一定极限的情况下减轻HFTO(这是由于自激发不稳定并且可被解释为相关联的模态的负阻尼)。

一种阻尼概念是基于摩擦。BHA或钻柱中的两个部件之间的摩擦可耗散能量并且降低扭转振荡的水平。

根据这一构思，讨论了本发明人认为最适合因摩擦引起的阻尼的设计原理。阻尼应由摩擦力实现，其中摩擦力相对于相对速度的操作点必须在图2所示的点204周围。该操作点因实现了摩擦滞后而会引起高能量耗散，而图2的点202将引起能量输入到该系统中。

如上所讨论，钻井系统与钻孔之间的摩擦力不会在该系统中产生显著的附加阻尼。这是因为接触表面(例如，稳定器和钻孔)之间的相对速度不具有零平均值。摩擦阻尼器的两个相互作用的主体必须相对于彼此具有平均速度或旋转速度，该平均速度或旋转速度足够小以使得HFTO引起摩擦阻尼器的两个相互作用的主体的相对速度的正负号变换。换句话讲，HFTO所产生的这两个相互作用的主体之间的相对速度的最大值需要高于这两个相互作用的主体之间的平均相对速度。

仅在滑动阶段中经由阻尼设备与钻井系统之间的界面发生能量耗散。在惯性力超过粘滞与滑动之间的极限(即静摩擦力)时发生滑动：F_R＞μ₀·F_N(其中静摩擦力等于两个接触表面之间的静摩擦系数乘以法向力)。法向力和/或静摩擦系数或动摩擦系数可为可调节的以实现最佳或期望的能量耗散。调节法向力和静摩擦系数或动摩擦系数中的至少一者可改善阻尼系统引起的能量耗散。

如本文所讨论，摩擦阻尼器的布置应处于高HFTO加速度、负荷和/或相对运动的区域中。由于不同模态可受到影响，因此优选能够减轻所有HFTO模态的设计(例如，图9A和图9B)。

等同物可用作本公开的摩擦阻尼器工具。可采用如图21和图22所示带狭槽的钻铤。图22中示出了带狭槽的钻铤的剖视图。在一个非限制性实施方案中，带狭槽的钻铤具有高柔性并且在不加入摩擦设备的情况下将引起更高变形。更高速度将引起更高离心力，这将推动摩擦设备，使之在优化的法向力的作用下压入狭槽中以允许高摩擦阻尼。在该构造中，可优化的其他因素是狭槽的数量和几何结构以及阻尼设备的几何结构。附加法向力可由弹簧元件(如图22所示)、致动器和/或离心力来施加，如上所讨论。

该原理的优点是摩擦设备将被直接安装到力流中。因受激HFTO模态和对应模态振型引起的钻铤的扭转将部分地由摩擦设备支持，所述摩擦设备将在振动的一个周期期间上下运动。高相对运动连同优化的摩擦系数和法向力一起将引起高能量耗散。

该目标是防止HFTO振幅(在这种情况下由切向加速度振幅表示)的振幅增加。必须由摩擦阻尼器系统添加到每一个不稳定扭转模态的(模态)阻尼需要高于该系统中的能量输入。能量输入不是瞬间发生的，而是在多个周期内发生，直到达到最坏情况振幅(钻头处的零RPM)。

根据该概念，可使用相对较短的钻铤，因为摩擦阻尼器使用沿着离钻头的距离的相对运动。不需要具有高切向加速度振幅，而是仅需要钻铤的一些偏转(“扭转”)，这将在沿着BHA的几乎每个地方中实现。钻铤和阻尼器应具有与BHA相比类似的质量刚度比(“阻抗”)。这将允许该模态振型在摩擦钻铤中传播。将实现高阻尼，该高阻尼将在调节以上所讨论的参数(因弹簧引起的法向力等)的情况下减轻HFTO。与其他摩擦阻尼器原理相比的优点是摩擦设备直接应用到HFTO模态偏转的力流中。摩擦设备与钻铤之间相对较高的相对速度将引起高能量耗散。

阻尼器将具有高效益并且对不同应用都有效。HFTO引起因大量维修和维护工作带来的高成本、伴有非生产时间的可靠性问题以及小市场份额。所提出的摩擦阻尼器将在马达下方工作(使HFTO解耦)并且也在马达上方工作。其可安装在BHA的每一个地方中，如果模态振型传播到该点，则这也将包括在BHA上方的布置。如果质量和刚度分布相对类似，则模态振型将传播穿过整个BHA。可例如通过扭转振荡顾问(torsional oscillation advisor)来确定最佳布置，该扭转振荡顾问允许计算临界HFTO模态和对应模态振型。

根据一个示例性实施方案的资源探测和回收系统在图23中大体以3010指示。资源探测和回收系统3010应被理解为包括钻井操作、资源开采和回收、CO₂封存等。资源探测和回收系统3010可以包括第一系统3014，该第一系统在一些环境下可以采取可操作地并以流体方式连接到第二系统3018的地表系统3016的形式，该第二系统在一些环境下可以采取井下系统的形式。第一系统3014可包括控制系统3023，该控制系统可向一个或多个井下操作提供功率，监测一个或多个井下操作，与一个或多个井下操作通信和/或激活一个或多个井下操作，如本文将讨论。地表系统3016可包括附加系统，诸如泵、流体储存系统、起重机等(未示出)。

第二系统3018可包括由一个或多个管件3032形成的管状柱3030，该一个或多个管件延伸到形成于地层3036中的钻孔或井筒3034中。井筒3034包括环形壁3038，该环形壁可由地层3036的表面限定。在一个实施方案中，管状柱3030采取钻柱的形式(未单独标记)，其支撑井底钻具组合(BHA)3044，该BHA又连接到钻头3048，该钻头操作以形成井筒3034。即，BHA 3044包括钻头3048以及钻铤和其他部件(未单独标记)。BHA 3044可包括旋转导向工具、钻井马达、感测工具(诸如电阻率测量工具、伽马测量工具、密度测量工具、方向测量工具)、稳定器以及功率和/或通信工具。根据一个示例性实施方案，振动隔离设备3050机械地连接在BHA 3044的部件上方、下方或之间。振动隔离设备3050是模块化工具，其可安装在BHA 3044上方、下方或之内的各种位置处。例如，振动隔离设备3050可安装在导向单元(未示出)上方和一个或多个地层评价工具下方。振动隔离设备3050限定柔性连接，该柔性连接限制振动，例如可由钻头3048产生的穿过第二系统3018的部件并朝向地表系统3016的高频扭转振荡(HFTO)。

现在将参照图24和图25来描述根据一个示例性方面的振动隔离设备3050。振动隔离设备3050包括支撑元件3060，该支撑元件可由地表处的驱动器(例如所谓的顶部驱动器)或由包括在BHA内的驱动器(例如钻井马达)旋转，例如围绕钻孔或井筒轴线旋转。虽然本公开可有利地用于具有钻井马达的BHA，但其在没有钻井马达的BHA中具有甚至更多的应用。振动隔离设备3050还包括扭转柔性元件3064。在所示的实施方案中，扭转柔性元件3064被布置在支撑元件3060内，如本文将讨论。然而，应当理解，支撑元件3060和扭转柔性元件3064的相对位置可变化。

根据一个示例性实施方案，支撑元件3060包括第一端部分3068、第二端部分3069以及在其间延伸的中间部分3071。第一端部分3068可例如由螺纹连接到BHA 3044和第二系统3018的其他部件。中间部分3071包括限定内部部分3074的内壁(未单独标记)。阻塞元件3080被布置在内部部分3074内的第一端部分3068附近。阻塞元件3080防止支撑构件3060与钻头3048之间在至少一个方向上的相对旋转。在一个示例性实施方案中，阻塞元件3080固定地附接到支撑构件3060。阻塞元件3080与支撑构件3060的固定附接可由螺钉、夹具、焊接、粘合性附接或类似方式实现。阻塞元件3080可包括泥浆流动通路3082，该泥浆流动通路允许例如钻井泥浆的流进入内部部分3074。支撑元件3060可由例如钢或其合金形成。

进一步根据一个示例性实施方案，扭转柔性元件3064包括第一端3090和第二端3091。第一端3090限定轴3094，该轴具有第一端区段3095和第二端区段3096。轴3094由比支撑元件3060更具柔性的材料和/或形状形成。扭转柔性元件3064的扭转柔性的参数是扭转柔性元件3064的扭转弹簧常数(也称为弹簧的扭转系数、扭转弹性模量或弹簧常数)。例如，轴3094可由钛、钛合金、黄铜、铝、铝合金、镍合金、钢诸如高强度钢、钢合金、复合材料或碳纤维形成。轴3094的材料可按其剪切模量来选择，该剪切模量影响轴3094的弹簧常数。轴3094的材料也可按其与轴3094的惯性质量或惯性矩相关的密度来选择，该密度也影响轴3094的隔离效率。轴3094的更低惯性质量或惯性矩及因此更低密度增加轴3094的隔离效率。更具体地讲，扭转柔性元件3064和/或轴3094由一定材料形成并且其尺寸和形状被设定为提供所选择的柔性，该所选择的柔性促进相对于支撑元件3060的相对角旋转以便隔离由HFTO产生的预定振动。

因此，在一个实施方案中，振动隔离设备3050被设计为具有每单位长度的扭转柔性，该每单位长度的扭转柔性大于BHA的至少一部分的每单位长度的扭转柔性。例如，在一个实施方案中，振动隔离设备3050被设计为具有每单位长度的扭转柔性，该每单位长度的扭转柔性大于支撑元件3060或支撑元件3060上方的部件的每单位长度的扭转柔性。如果扭转柔性元件3064的扭转弹簧常数低于BHA 3044或振动隔离设备3050中的其他部件，则可实现有效隔离。例如，如果扭转柔性元件3064的扭转弹簧常数比BHA3044或振动隔离设备3050中的其他部件(例如，支撑元件3060)低至少10倍，则可实现有效隔离。例如，如果扭转柔性元件3064的扭转弹簧常数比BHA 3044或振动隔离设备3050中的其他部件(例如，支撑元件3060)低至少50倍，则可实现有效隔离。为了形成这种扭转柔性部分，可减小惯性矩，可增加扭转柔性部分的长度，和/或可选择具有更低剪切模量的材料。对于含具有给定剪切模量的材料的圆柱形扭转柔性元件3064而言，可减小第二面积矩或可增加长度以减小扭转弹簧常数。

在图24和图25的实施方案中，第一端区段3095固定地连接到阻塞元件3080。第二端3091限定联接器3108，该联接器与例如钻头3048连接。应当理解，联接器3108可与其他井下部件诸如导向单元连接，该导向单元又连接到钻头3048。联接器3108包括基座部分3110和连接器部分3111，该基座部分连接到轴3094的第二端区段3096或是与轴3094的第二端区段3096成一体的部分。联接器3108包括中心通路3114，该中心通路经由泥浆分流器或泥浆流动开口3116来与内部部分3074流体地连接。这样，泥浆流可从地表穿过振动隔离设备3050到达钻头3048。虽然图25示出了扭转柔性元件3064和轴3094周围的泥浆流，但这不应被理解为限制。在替代实施方案中，泥浆可穿过扭转柔性元件3064或轴3094内的通道(未示出)流动到中心通路3114和钻头3048。然而，围绕扭转柔性元件3064和轴3094引导钻井液允许将轴3094构建为实心杆且杆中没有流体通路，这将负面地影响扭转柔性元件3064的隔离效率。

再进一步根据一个示例性实施方案，第一径向轴承3130被布置在钻头3048与支撑元件3060之间。例如，在一个示例性实施方案中，第一径向轴承3130被布置在联接器3108与支撑元件3060之间。第二径向轴承3131被布置在钻头3048与支撑元件3060之间，诸如在联接器3108与支撑元件3060之间，并与第一径向轴承3130轴向地间隔开。此时，应当理解，术语“径向轴承”描述了支持角旋转和轴向运动、同时限制径向运动的轴承。术语“轴向轴承”描述了支持角旋转和径向运动、同时限制轴向运动的轴承。还应当理解，沿着振动隔离设备30503064介于钻头3048与支撑元件3060之间的轴承的数量和位置可变化。此外，一个或多个轴向负荷传递元件(诸如轴向轴承或推力轴承3134)可被布置在支撑元件3060与钻头3048之间，诸如在联接器3108与支撑元件3060之间。轴承(诸如轴向轴承3134或径向轴承3130、3131)可包括保护轴承部件免于损坏或磨损的涂层或镶齿，诸如金刚石镶齿(例如，聚晶金刚石复合片(PDC)镶齿)。轴承可为滚珠轴承、推力滚珠轴承或滚柱轴承。轴承可安装在可相对于支撑元件3060运动的轴承座(未示出)中。例如，轴承可安装在可相对于支撑元件3060枢转的轴承座中。在图25的布置中，泥浆将部分地流过径向轴承3131和3130和/或一个或多个轴向轴承3134，以用于冷却和润滑目的。

根据一个示例性方面，支撑元件3060与扭转柔性元件3064之间的差动运动通过摩擦来耗散能量，从而使模态变形发生阻尼。即，通过摩擦力来使可向支撑元件3060和/或扭转柔性元件3064施加的能量发生阻尼。更具体地讲，径向轴承3130、3131和/或一个或多个轴向轴承3134可限定摩擦阻尼器(未单独标记)。另外，对于轴承3130、3131和3134，可在振动隔离设备3050中包括单独的阻尼元件(未示出)，诸如相对于图1至图22讨论和公开的阻尼元件。

应当理解，调节设备3200可连接到第一径向轴承3130、第二径向轴承3131和/或一个或多个轴向轴承3134。调节设备3200可选择性地调节第一径向轴承3130和/或第二径向轴承3131中以及一个或多个轴向轴承3134中的摩擦力。调节设备3200可包括被动设备(诸如弹簧)和/或主动设备(诸如致动器、受控阻尼器等)。测量设备3210可用于测量阻尼量。测量设备3210可通过控制器3220连接到调节设备3200。控制器3220可基于测量设备3210所感测或其他BHA部件所感测的参数来控制通过调节设备3200提供的阻尼量。

在钻井过程中，支撑元件3060可通过作为BHA 3044的一部分的旋转设备(未示出)来旋转(例如，通过钻井马达)，或位于作为第一系统3014的一部分的地表(例如，通过位于地表的所谓顶部驱动器)。经由扭转柔性元件3064、轴3094和联接器3108将使支撑元件3060旋转的扭矩传递到钻头3048。通过使钻头3048旋转，钻头3048与地层3036相互作用，继而可在钻头3048处产生扭转振荡，这将叠加因支撑元件3060旋转而引起的钻头3048的旋转。扭转振荡可通过第二系统3018的各种部件根据其质量、惯性矩、弹簧常数或每单位长度的柔性来传递。

例如，如果轴3094的每单位长度的柔性高于第二系统3018的其他部件的每单位长度的柔性，则通过轴3094传递的扭转振荡量低于通过第二系统3018的另一个部件传递的扭转振荡量。另外，与第二系统3018的其他部件相比，通过轴承(诸如径向轴承3130、3131或一个或多个轴向轴承3134)传递的扭转振荡量也很低。从而，按照图24和图25所示的构型，钻头3048将因通过振动隔离设备3050传递扭矩而旋转，与此同时抑制通过振动隔离设备3050传递扭转振荡。该要求对扭转柔性元件3064的材料和/或形状选择有影响。材料和形状需要被选择为确保扭转柔性元件3064能够经受将被传递到钻头3048的扭矩，与此同时具有足够的柔性和足够低的惯性矩以有效地使叠加钻头3048的旋转的扭转振动发生阻尼或隔离。由于这是难以利用可用材料实现的折衷，因此可由除传递扭矩的扭转柔性元件3064或轴3094之外的元件来传递与扭矩不同的负荷。

例如，在一个示例性实施方案中，扭转柔性元件3064或轴3094从和向钻头3048传递扭矩以及轴向负荷。在另一个示例性实施方案中，扭转柔性元件3064或轴3094可仅从和向钻头3048传递扭矩，并且可分别由一个或多个轴向轴承3134和/或径向轴承3130、3131传递其他负荷，诸如轴向负荷和/或弯曲(例如，循环弯曲)。在另一个示例性实施方案中，支撑元件3060部分地经由径向轴承3130、3131和一个或多个轴向轴承3134从和向钻头3048传递弯矩和轴向负荷。通过在轴3094的第二端区段3096下方利用轴向轴承3134和径向轴承3131、3130，使支撑元件3060和钻头3048旋转地解耦以实现小扭转偏转或振荡。换句话讲，经由扭转柔性元件3064和轴3094在钻头3048与支撑元件3060之间传递扭矩和扭转振荡的至少一部分。因此，在一个非限制性实施方案中，扭转柔性元件3064或轴3094从和向钻头3048传递30％或更多的扭矩。

例如，在一个非限制性实施方案中，扭转柔性元件3064或轴3094从和向钻头3048传递60％或更多的扭矩。例如，在一个非限制性实施方案中，扭转柔性元件3064或轴3094从和向钻头3048传递90％或更多的扭矩。以类似方式，轴向轴承3134可从和向钻头3048传递30％或更多的轴向负荷。例如，轴向轴承3134可从和向钻头3048传递60％或更多的轴向负荷。例如，轴向轴承3134可从和向钻头3048传递90％或更多的轴向负荷。

应当理解，可在扭转柔性元件3064处发生相对较大的偏转。进一步观察图24和图25，应当理解，可经由扭转解耦的支撑元件3060将差动角位移传递到径向轴承3130、3131和一个或多个轴向轴承3134中。支撑元件3060未遵守模态位移，而内部部件(主要是柔性元件)受到相对较大的模态角位移。径向轴承元件3130、3131和一个或多个轴向轴承3134具有分别连接到支撑元件3060和联接器3108的相应侧面。因此支撑元件3060和钻头3048具有根据内部件和外部件之间的差动模态变形的相对运动。轴承元件处的差动运动通过摩擦来耗散能量，因此使模态变形发生阻尼。可例如由弹簧或其他(被动或甚至主动设备)来调节轴承中的摩擦力以相应地调节阻尼。

根据一个示例性实施方案，振动隔离设备3050吸收可因钻头3048所产生的HFTO而引起的振动。即，扭转柔性元件3064可相对于支撑元件3060成角度地振荡以隔离振动。在未结合振动隔离设备3050的情况下，可在多个频率下发生扭转振动，其沿着BHA 3044具有多个模态，如图26中的3148处所示。图26和图27均示出了振动的模态扭转振幅对离钻头的距离。图26示出了可能以一定概率激发的模态振型。

如图26所示，此类模态振型可在安装例如传感器、电子器件、液压装置和其他振动敏感设备的位置处具有高振幅。振幅可达到对这种类型的设备有害的水平。在结合振动隔离设备3050的情况下，在超过从钻头3048到振动隔离设备3050的距离(如图27中的3150处所示)的距离处显著降低了振动。图27示出了可以以与图27所示的模态振型相同的概率激发的模态振型。图27示出了振动隔离设备3050上方的振幅显著低于振动隔离设备3050下方的振幅。振动隔离设备3050上方的振幅相对于振动隔离设备3050下方的振幅的降低取决于如上所讨论的材料参数和几何参数(诸如形状或尺寸)的组合。

例如，振动隔离设备3050上方的振幅可比振动隔离设备3050下方的振幅低40％。例如，振动隔离设备3050上方的振幅可比振动隔离设备3050下方的振幅低60％。例如，振动隔离设备3050上方的振幅可比振动隔离设备3050下方的振幅低85％。通过将图27与图26进行比较，明显的是，具有振动隔离设备3050的第二系统3018减少了模态的数量，同时在与振动隔离设备3050的第一端部分3068相连的第二系统3018的部分中降低了剩余模态振型的振幅。

例如，振动隔离设备可被描述为振荡器，诸如具有弹簧常数(诸如扭转弹簧常数)的扭转振荡器，其充当具有隔离频率或截止频率的机械低通滤波器。高于该截止频率的频率部分地或完全地被抑制，因此与BHA 3044的一部分隔离。截止频率(以及所谓的本征频率或共振频率)是弹簧常数的函数。扭转振荡器柔性越大，截止频率越低。对于圆柱形振动隔离设备而言，截止频率还取决于振动隔离设备的长度和直径。根据材料和工具尺寸，典型圆柱形振动隔离设备可具有小于15cm的直径。例如，典型圆柱形振动隔离设备在9.5″工具中可具有小于15cm的直径并且在4.75″工具中可具有小于8cm的直径。例如，典型圆柱形振动隔离设备在9.5″工具中可具有小于13cm的直径并且在4.75″工具中可具有小于7cm的直径。类似地，根据工具尺寸，振动隔离设备的典型长度可为0.75m以上。例如，圆柱形振动隔离设备的典型长度在4.75″工具中可为0.75m以上并且在9.5″工具中可为0.8m以上。例如，圆柱形振动隔离设备的典型长度在4.75″工具中可为0.9m以上并且在9.5″工具中可为1.1m以上。

如图27所示，应当理解，扭转柔性元件3064或轴3094(在图27的情况下，其位于离钻头大约5米的位置)迫使模态振型在第二端区段3096处具有高振幅并且在第一端区段3095处具有低振幅。

应当理解，作为轴承元件的替代或补充，其他摩擦阻尼器部件(未显示)可以以与轴承元件类似的方式连接到联接器3108和支撑元件3060，不同之处是那些其他部件并不用作轴承元件，而是用于摩擦阻尼目的。可以以最适宜阻尼的方式设定那些摩擦阻尼器部件的尺寸。还可相应地选择那些摩擦阻尼器部件的材料。那些附加摩擦阻尼器部件还利用相对较高的模态变形。

还再进一步根据一个示例性实施方案，电导管(诸如电导体3137、电线或电缆)可延伸穿过振动隔离设备3050以便通过振动隔离设备3050传输电功率和/或通信。电导体3137可例如延伸穿过支撑元件3060并且经由轴3094转变到扭转柔性元件3064。电导体3137可延伸到设置在联接器3108上的连接器部分3140。连接器部分3140可采取电触点的形式，诸如接触环、滑动触点、感应连接或共振电磁耦合设备3142。应当理解，其他连接器类型也是可能的。例如，连接器部分3140也可采取居中定位的销型连接器的形式。根据一个示例性实施方案，振动隔离设备3050吸收可因钻头3048所产生的HFTO而引起的振动。即，扭转柔性元件3064可相对于支撑元件3060成角度地旋转以吸收振动。在未结合振动隔离设备3050的情况下，可在多个频率下发生振动，其具有多个模态，如图26中的3148处所示。在结合振动隔离设备3050的情况下，振动降低到2个频率/节点，如图27中的3150处所示。图26和图27均示出了振动的模态扭转振幅对离钻头的距离。

现在将参照图28，其中在描述可形成振动隔离设备3050的一部分的端止动机构3300时，类似的参考标号表示相应视图中的对应部件。图28示出了由图25中的线28-28指示的位置处的振动隔离设备3050的横截面。在所示的示例性方面，支撑构件3060包括内表面3310，并且联接器3108包括外表面3312。第一凹槽3318形成在支撑构件3060的内表面3310中。第二凹槽3320形成在支撑构件3060的内表面3310中并与第一凹槽3318相对。凹槽的数量和凹槽的相对位置可变化。

第一凹槽3318包括第一止动表面3322和第二止动表面3323。第二止动表面3323相对于第一止动表面3322周向地间隔开。类似地，第二凹槽3320包括第三止动表面3326和第四止动表面3327。第四止动表面3327与第三止动表面3326周向地间隔开。第一止动表面、第二止动表面、第三止动表面和第四止动表面从内表面3310径向向外地延伸。

再进一步根据一个示例性方面，联接器3108包括由外表面3312的至少一部分限定的第一凸角区段3340。联接器3108还包括被布置成与第一凸角区段3340相对的第二凸角区段3342。凸角区段的数量和凸角区段的相对位置可变化。通常，凸角区段的数量和位置将对应于内表面3310中形成的凹槽的数量和取向。

第一凸角区段3340包括第一止动表面区段3346和第二止动表面区段3348。第一止动表面区段3346与第一止动表面3322基本上互补，并且第二止动表面区段3347与第二止动表面3323基本上互补。第二凸角区段3342包括第三止动表面区段3350和第四止动表面区段3352。第三止动表面区段3350与第三止动表面3326基本上互补，并且第四止动表面区段3352与第二止动表面3327基本上互补。采用该布置时，如果例如钻头3048因任何原因粘滞，并且地表驱动器或钻井马达使支撑构件3060旋转，则扭转柔性元件3064和轴3094可扭曲，从而可导致过扭矩和损坏。止动机构3300保护扭转柔性元件3064和轴3094免于可因粘滞或失速的钻头引起的过扭矩。止动机构3300可包括保护止动表面和/或止动表面区段的弹簧元件或涂层(未示出)。

现在将参照图29和图30，其中类似的参考标号表示相应视图中的对应部件。图30示出了由图29中的线30-30指示的位置处的振动隔离设备3050的横截面。在所示的示例性方面，振动隔离设备3050可包括从基座部分3110延伸的轴4110。轴4110包括从基座部分3110延伸的第一端4112、第二端4114以及在其间延伸的中间部分4116。第二端4114支撑轮毂4120，该轮毂具有与支撑构件3060的内表面4130间隔开的外表面4125。如本文将详述，轮毂4120与支撑构件3060对接。

根据一个示例性方面，振动隔离设备3050包括端止动机构，该端止动机构限制轮毂4120相对于支撑元件3060的相对旋转。例如，轮毂4120包括第一凸缘部分4140和第二相对的凸缘部分4142。内表面4130包括第一凸缘元件4150和第二相对的凸缘元件4152。第一凸缘元件4150可与第一凸缘4140基本上互补，并且第二凸缘元件4152可与第二凸缘4142基本上互补。第一弹簧元件4160可布置在第一凸缘4140与第一凸缘元件4150之间并且与第一凸缘4140和第一凸缘元件4150中的每一者相连。第二弹簧元件4162也可布置在第二凸缘元件4152之间并且与第二凸缘元件4152相连。第一弹簧元件4160和第二弹簧元件4162隔离连接器部分3140的扭转偏转，该扭转偏转诸如可源于钻头3048所产生的HFTO引起的振动。

此时，应当理解，示例性实施方案描述了振动隔离设备，该振动隔离设备隔离或基本上减弱因井底钻具组合(BHA)从钻柱的其他部分的高频扭转振动而产生的振动。振动隔离设备被设计为具有每单位长度的扭转柔性，该每单位长度的扭转柔性大于BHA的扭转柔性。这样，扭转柔性元件可因扭转振动而相对于支撑构件成角度地旋转。

下面示出了前述公开的一些实施方案。

实施方案1：一种用于在具有钻孔轴线的钻孔中将扭矩传递到钻头的设备，该设备包括：支撑元件，该支撑元件被配置为在钻孔中围绕钻孔轴线旋转；扭矩传递元件，该扭矩传递元件被配置为将扭矩从支撑元件传递到钻头并且进一步被配置为隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡；阻塞元件，该阻塞元件被配置为阻塞扭矩传递元件在至少一个方向上围绕钻孔轴线相对于支撑元件的旋转；以及支撑元件与钻头之间的轴承元件。

实施方案2：根据任何前述实施方案的设备，该设备还包括电导管，该电导管从支撑元件并通过扭矩传递元件的至少一部分提供功率和/或通信。

实施方案3：根据任何前述实施方案的设备，该设备还包括轴向负荷传递元件，该轴向负荷传递元件被配置为将轴向负荷从支撑元件传递到钻头。

实施方案4：根据任何前述实施方案的设备，其中轴向负荷传递元件是轴向轴承。

实施方案5：根据任何前述实施方案的设备，其中扭矩传递元件具有比支撑元件更高的每单位长度的柔性。

实施方案6：根据任何前述实施方案的设备，其中扭矩传递元件的扭转弹簧常数比支撑元件的扭转弹簧常数低至少10倍。

实施方案7：根据任何前述实施方案的设备，其中轴承元件包括径向轴承和/或轴向轴承。

实施方案8：根据任何前述实施方案的设备，该设备还包括阻尼系统，该阻尼系统被配置为使扭矩传递元件中的扭转振荡发生阻尼。

实施方案9：根据任何前述实施方案的设备，该阻尼系统包括：第一元件；以及与第一元件摩擦接触的第二元件，其中第二元件以一定速度相对于第一元件运动，该速度是具有振幅和平均速度的周期性扭转振荡的总和，其中平均速度低于扭转振荡的振幅。

实施方案10：根据任何前述实施方案的设备，该阻尼系统包括：第一元件；与第一元件摩擦接触的第二元件；以及调节元件，该调节元件被布置为调节第一元件与第二元件之间的力。

实施方案11：根据任何前述实施方案的设备，该设备还包括流过支撑元件并围绕扭矩传递元件流动的钻井液。

实施方案12：根据任何前述实施方案的设备，其中该设备还包括端止动件，该端止动件限制支撑元件与钻头之间的旋转运动。

实施方案13：根据任何前述实施方案的设备，该设备还包括流过轴承元件的钻井液。

实施方案14：一种在具有钻孔轴线的钻孔中将扭矩传递到钻头的方法，该方法包括使支撑元件围绕钻孔轴线旋转；利用扭矩传递元件将扭矩从支撑元件传递到钻头；利用扭转柔性元件隔离由支撑元件在钻头处产生的扭转振荡；利用阻塞元件阻塞扭矩传递元件在至少一个方向上围绕钻孔轴线相对于支撑元件的旋转；以及利用轴承元件承受扭矩传递元件。

实施方案15：根据任何前述实施方案的方法，该方法还包括利用电导管从支撑元件并通过扭矩传递元件的至少一部分传输功率和/或通信信号。

实施方案16：根据任何前述实施方案的方法，该方法还包括利用轴向负荷传递元件将轴向负荷从支撑元件传递到钻头。

实施方案17：根据任何前述实施方案的方法，其中扭矩传递元件具有比支撑元件更高的每单位长度的柔性。

实施方案18：根据任何前述实施方案的方法，其中扭矩传递元件的扭转弹簧常数比支撑元件的扭转弹簧常数低至少10倍。

实施方案19：根据任何前述实施方案的方法，该方法还包括：利用阻尼系统使扭矩传递元件中的扭转振荡发生阻尼。

实施方案20：一种用于在地球地下中钻出钻孔的系统，该系统包括：钻头，该钻头被配置为旋转并穿透地球地下；以及振动隔离设备，该振动隔离设备被配置为隔离在钻头处引起的振动，该振动具有振幅，其中振动隔离设备下方的振动的振幅比振动隔离设备上方的振动的振幅高20％。

实施方案21：根据任何前述实施方案的系统，其中振动隔离设备下方的振动的振幅比振动隔离设备上方的振动的振幅高50％。

实施方案22：根据任何前述实施方案的系统，其中振动隔离设备下方的振动的振幅比振动隔离设备上方的振动的振幅高70％。

为了支持本文的教导内容，可使用各种分析部件，包括数字系统和/或模拟系统。例如，如本文所提供的和/或与本文所述的实施方案一起使用的控制器、计算机处理系统和/或地质导向系统可包括数字系统和/或模拟系统。这些系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(例如，有线、无线、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(例如，数字或模拟)的部件以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，用于以本领域熟知的若干方式中的任一种来提供对本文所公开的装置和方法的操作和分析。可以认为，这些教导内容可以但不必结合存储在非暂态计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该非暂态计算机可读介质包括存储器(例如，ROM、RAM)、光学介质(例如，CD-ROM)或磁性介质(例如，磁盘、硬盘驱动器)或任何其他类型的介质，这些计算机可执行指令在被执行时，致使计算机实现本文所述的方法和/或过程。除了本公开中所描述的功能之外，这些指令还可提供系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的装备操作、控制、数据收集、分析和其他功能。处理后的数据(诸如已实现的方法的结果)可作为信号经由处理器输出接口发射到信号接收设备。信号接收设备可以是用于将结果呈现给用户的显示监视器或打印机。另选地或除此之外，信号接收设备可为存储器或存储介质。应当理解，将结果存储在存储器或存储介质中可将存储器或存储介质从先前状态(即，不包含结果)转换到新状态(即，包含结果)。此外，在一些实施方案中，如果结果超过阈值，则可从处理器向用户界面发射警报信号。

此外，可包括各种其他部件，并要求它们提供本文教导内容的各方面。例如，可包括传感器、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电单元和/或机电单元以支持本文所讨论的各个方面或支持本公开以外的其他功能。

在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)，术语“上方”/“下方”、“上”/“下”、“向上”/“向下”以及类似指代的使用应被解释为意指沿着第二系统3018分别“离钻头更近”/“离钻头更远”。在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。此外，应当指出的是，本文的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元素与另一个元素区分开。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。

应当认识到，各种部件或技术可提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型形式可能需要的这些功能和特征被认为是作为本文的教导内容的一部分和本公开的一部分而固有地包括在内。

本公开的教导内容可用于多种井操作。这些操作可涉及使用一种或多种处理剂来处理地层、地层中驻留的流体、钻孔和/或钻孔中的装备，诸如生产管材。处理剂可以是液体、气体、固体、半固体、以及它们的混合物的形式。例示性的处理剂包括但不限于压裂液、酸、蒸汽、水、盐水、防腐剂、粘固剂、渗透性调节剂、钻井泥浆、乳化剂、破乳剂、示踪剂、流动性改进剂等。例示性的井操作包括但不限于水力压裂、增产、示踪剂注入、清洁、酸化、蒸汽注入、注水、固井等。

虽然已参考各种实施方案描述了本文所述的实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可做出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，将进行许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本公开的教导内容。因此，预期的是，本公开不限于作为设想用于实现所描述的特征的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

因此，本公开的实施方案不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (14)

1.一种用于在具有钻孔轴线的钻孔(3034)中将扭矩传递到钻头(3048)的设备，所述设备包括：

支撑元件(3060)，所述支撑元件被配置为在所述钻孔(3034)中围绕所述钻孔轴线旋转；

扭矩传递元件，所述扭矩传递元件被配置为将扭矩从所述支撑元件(3060)传递到所述钻头(3048)并且进一步被配置为隔离由所述支撑元件(3060)在所述钻头(3048)处产生的扭转振荡；

阻塞元件(3080)，所述阻塞元件被配置为阻塞所述扭矩传递元件在至少一个方向上围绕所述钻孔轴线相对于所述支撑元件(3060)的旋转，其中所述阻塞元件固定地连接到所述支撑元件以及所述扭矩传递元件；和

轴承元件，所述轴承元件在所述支撑元件(3060)与所述钻头(3048)之间。

2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括电导管，所述电导管从所述支撑元件(3060)并通过所述扭矩传递元件的至少一部分提供功率和/或通信。

3.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括轴向负荷传递元件，所述轴向负荷传递元件被配置为将轴向负荷从所述支撑元件(3060)传递到所述钻头(3048)。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述轴向负荷传递元件是轴向轴承(3134)。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述扭矩传递元件具有比所述支撑元件(3060)更高的每单位长度的柔性。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述扭矩传递元件的扭转弹簧常数比所述支撑元件(3060)的扭转弹簧常数低至少10倍。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述轴承元件包括径向轴承(3130)和/或轴向轴承(3134)。

8.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括阻尼系统(700)，所述阻尼系统被配置为使所述扭矩传递元件中的扭转振荡发生阻尼。

9.根据权利要求8所述的设备，所述阻尼系统(700)包括：

第一元件(710)；和

第二元件(712)，所述第二元件与所述第一元件(710)摩擦接触，

其中所述第二元件(712)以一定速度相对于所述第一元件(710)运动，所述速度是具有振幅和平均速度的周期性扭转振荡的总和，其中所述平均速度低于所述扭转振荡的所述振幅。

10.根据权利要求8所述的设备，所述阻尼系统(700)包括：

第一元件(710)；

第二元件(712)，所述第二元件与所述第一元件(710)摩擦接触；和

调节元件(716)，所述调节元件被布置为调节所述第一元件(710)与所述第二元件(712)之间的力。

11.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括流过所述支撑元件(3060)并围绕所述扭矩传递元件流动的钻井液(31)。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括端止动件(3300)，所述端止动件限制所述支撑元件(3060)与所述钻头(3048)之间的旋转运动。

13.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括流过所述轴承元件的钻井液(31)。

14.一种在具有钻孔轴线的钻孔(3034)中将扭矩传递到钻头(3048)的方法，所述方法包括：

使支撑元件(3060)围绕所述钻孔轴线旋转；

利用扭矩传递元件将扭矩从所述支撑元件(3060)传递到所述钻头(3048)；

利用扭转柔性元件隔离由所述支撑元件(3060)在所述钻头(3048)处产生的扭转振荡；

利用阻塞元件(3080)阻塞所述扭矩传递元件在至少一个方向上围绕所述钻孔轴线相对于所述支撑元件(3060)的旋转，所述阻塞元件固定地连接到所述支撑元件以及所述扭矩传递元件；以及

利用轴承元件承受所述扭矩传递元件。

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