CN114531894A - 扭转振荡的粘性振动阻尼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于阻尼振动的设备，该设备包括惯性质量块，该惯性质量块设置在可旋转井下部件中的腔中，该可旋转井下部件被配置成设置在地下地层诸如资源承载地层中的钻孔中，该惯性质量块通过阻尼流体耦合到该腔的表面并且被配置成在该腔内相对于该井下部件移动。该设备还包括阻尼流体，该阻尼流体设置在该腔中在该惯性质量块与该腔的内表面之间，其中该可旋转井下部件的旋转加速度在该阻尼流体中引起剪切以耗散来自该可旋转井下部件的旋转加速度的能量并使该旋转加速度减小。

Description

扭转振荡的粘性振动阻尼
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月12日提交的美国临时申请序列号62/899,354、于2019年9月12日提交的美国临时申请序列号62/899,291、于2019年9月12日提交的美国临时申请序列号62/899,331和于2019年9月12日提交的美国临时申请序列号62/899,332的权益，这些临时申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
在钻孔中部署各种类型的钻柱，以用于勘探和生产烃类。钻柱通常包括钻杆或其他管状和井底组件(BHA)。部署在钻孔中时，钻柱可能会受到各种力或载荷。例如，BHA或其他部件可能会经历具有不同频率的旋转振动。此类振动(包括高频振动)可能会导致井下旋转不规则、缩短部件寿命并影响测量准确性。
发明内容
用于阻尼振动的设备的实施方案包括惯性质量块，该惯性质量块设置在可旋转井下部件中的腔中，该可旋转井下部件被配置成设置在地下地层诸如资源承载地层中的钻孔中，该惯性质量块通过阻尼流体耦接到腔的表面并且被配置成在腔内相对于井下部件移动。该设备还包括阻尼流体，该阻尼流体设置在腔中在惯性质量块与腔的内表面之间，其中可旋转井下部件的旋转加速度在阻尼流体中引起剪切以耗散来自可旋转井下部件的旋转加速度的能量并导致旋转加速度减小。
阻尼钻孔柱中的扭转振动的方法的实施方案包括：将可旋转井下部件和阻尼组件设置在地下地层中的钻孔中，该阻尼组件包括相对于可旋转井下部件旋转地固定的腔和设置在腔中并且通过阻尼流体耦接到可旋转井下部件的惯性质量块，该阻尼流体设置在惯性质量块与可旋转井下部件之间。惯性质量块相对于可旋转井下部件自由移动。该方法还包括执行操作，该操作包括：旋转可旋转井下部件并引起可旋转井下部件的扭转振动；以及至少部分地阻尼可旋转井下部件的扭转振动。该阻尼包括基于因惯性质量块与可旋转井下部件之间的相对移动而在阻尼流体中发生的剪切导致旋转加速度减小。
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具体实施方式，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：
图1描绘了包括扭转振动阻尼设备的钻井和/或地层测量系统的实施方案；
图2描绘了包括可旋转惯性质量块和阻尼流体的阻尼元件的实施方案的各方面；
图3描绘了具有多个阻尼元件的阻尼系统的实施方案；
图4描绘了包括可旋转惯性环和阻尼流体的阻尼系统的实施方案；
图5描绘了处于拆解状态的图4的阻尼系统；
图6描绘了被配置成部署在资源承载地层中的钻孔中的井下阻尼组件的实施方案；
图7是图6的阻尼部件的横截面图；以及
图8是描绘执行井下操作和阻尼的各方面或以其他方式修改、减少和/或控制井下部件中的扭转振动的方法的实施方案的流程图；
图9描绘了包括未彼此紧贴密封的两个或更多个惯性质量块的阻尼系统的实施方案。
图10是图9的各方面的更详细的放大视图。
具体实施方式
本文描述了用于阻尼井下部件中的振动的方法、系统和设备。振动阻尼器(或在本公开的上下文中简称为阻尼器，也称为阻尼系统、阻尼设备或阻尼组件)的实施方案被配置成设置在井下部件处或设置成与井下部件可操作地连通，并且包括与可旋转惯性质量块相结合的阻尼流体。可旋转惯性质量块可以是被配置成旋转或以其他方式移动并使阻尼流体发生剪切的任何材料或部件。阻尼流体的剪切吸收并耗散由井下部件振动产生的能量，以减小此类振动的幅度和/或能量。
在一个实施方案中，惯性质量块设置在相对于井下部件旋转地固定的腔中。具有所选粘度的阻尼流体(例如油，诸如硅油)至少部分地填充惯性质量块与腔的一个或多个内表面之间的腔的区域。腔可以是与井下部件固定地设置的壳体的一部分。例如，壳体可以与井下部件成一体(例如，作为形成在井下部件的壁或其他部分内的腔)，或者可以是被附接和/或约束以便与井下部件一起旋转的单独部件。腔和惯性质量块可以为任何形状。例如，腔可以形成矩形块状腔、弧形腔、圆环形腔或圆柱形腔(或者可以形成弧、圆环或圆柱体的一个或多个段)，其容纳环状或弧形惯性质量块(例如，环段)，该环状或弧形惯性质量块的旋转轴线对应于井下部件的旋转轴线。如本领域技术人员将理解的，在本公开中，“环”旨在包括环的一个或多个段，该一个或多个段单独或整体形成完整360°环的至少一部分。换句话讲，如本公开中所使用的“环”包括一个或多个环段，该一个或多个环段可以一起形成也可以不一起形成完整360°环。
可以调谐阻尼组件以阻尼一个或多个所选频率。例如，可以选择或调整诸如流体粘度、流体密度、流体压缩率、惯性质量块几何形状、重量和密度、惯性质量块与腔表面之间的距离(例如，间隙大小)和表面粗糙度等特性，以调谐阻尼组件以阻尼所选振动频率。值得注意的是，选择或调整先前提及特性中的一个或多个特性允许调谐阻尼组件以在没有任何(扭转)弹簧元件(诸如惯性质量块与腔表面之间的刚性弹簧元件)的情况下阻尼所选振动频率。可以通过利用建模(例如，通过数字建模工具)来估计预期的且将被阻尼的振动频率，该建模被配置成模拟诸如钻孔柱的至少部分中的HFTO的振动。在一个实施方案中，阻尼组件包括多个阻尼元件，该多个阻尼元件沿着井下部件或BHA的旋转轴线排列。阻尼元件可以调谐到相同频率或不同频率。
如上所述，本文所述的实施方案可以用于能源行业背景中，以阻尼井下部件中的不必要的振动。这些实施方案不受如此限制，并且可以在任何背景中使用，或者可以与希望减少或控制旋转或扭转振动的任何装置或系统一起使用。
本文所述的实施方案提供了许多优点和技术效果。例如，这些实施方案提供了一种有效且相对简单的方式来减少或阻尼不必要的或潜在有害的振动。另外，阻尼组件和/或阻尼元件可以被调谐以阻尼已知有害或不期望的频率下的振动，可以很容易地进行修改，并且可以用于阻尼沿着钻孔柱的不同位置处的多个频率。
图1示出了用于执行能源行业操作(例如，钻井、测量、刺激和/或生产)的系统10的实施方案。系统10包括钻孔柱12，该钻孔柱被示出为设置在钻井或其他井下操作期间穿透至少一个地层16的井或钻孔14中。如本文所述，“钻孔”或“井筒”是指构成所钻的井的全部或一部分的孔。应注意，钻孔14可包括竖直、偏斜和/或水平区段，并且可遵循任何合适或期望的路径。如本文所述，“地层”是指在地下环境中可能遇到的并且围绕钻孔14的各种特征和材料。
钻孔柱12可操作地连接到地面结构或地面设备18诸如钻机，该地面结构或地面设备包括或连接到各种部件诸如地面驱动装置或转盘，用于支撑钻孔柱12、旋转钻孔柱12和降低柱区段或其他井下部件。在一个实施方案中，钻孔柱12为包括一个或多个钻杆区段的钻柱，该一个或多个钻杆区段向下延伸到钻孔14中并连接到井底组件(BHA)20。
BHA 20包括钻头22，在该实施方案中，该钻头从地面驱动，但也可从井下驱动(例如，通过井下泥浆马达)。地面设备18包括有助于使钻孔流体24(诸如钻井流体或泥浆)循环通过钻孔柱12和钻孔柱12与钻孔壁之间的环孔的部件。例如，泵送装置26位于地面上，以在钻头22旋转时使钻孔流体24从泥浆坑或其他流体源28循环到钻孔14中。
在图1的实施方案中，系统10被配置成执行钻井操作和井下测量操作，并且钻孔柱12是钻柱。然而，本文所述的实施方案不受如此限制，而是可以具有适于执行能源行业操作的任何配置。例如，系统10可以被配置为刺激系统，诸如水力压裂和/或酸化处理系统。
系统10可以包括被配置成执行所选井下功能诸如执行井下测量、促进通信、执行刺激操作和/或执行生产操作的各种井下工具30中的一个或多个井下工具。例如，井下工具30中的一个或多个井下工具可包括一个或多个传感器32，用于执行诸如随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)测量的测量。此类工具30的示例包括核磁共振(NMR)工具、电阻率工具、伽马(密度)工具、脉冲中子工具和可以采用各种传感器32的各种其他工具。
在一个实施方案中，系统10包括遥测组件34诸如泥浆脉冲遥测(MPT)系统，用于与地面和/或其他井下工具或装置通信。遥测组件34包括例如通过流体生成压力信号的脉冲发生器。在一个实施方案中，系统10包括转向工具或转向单元诸如旋转转向单元、弯曲接头或弯曲马达(bend motor)，用于使钻孔的穿透沿期望方向转向。
一个或多个井下部件和/或一个或多个地面部件可以与处理器通信和/或可以由处理器控制，该处理器诸如井下处理器36和/或地面处理单元38。在一个实施方案中，地面处理单元38被配置为地面控制单元，其测量和/或控制各种参数，诸如旋转速度、钻压、流体流动参数(例如，压力和流速)等。
地面处理单元38(和/或井下处理器36)可以被配置成执行诸如控制钻井和转向、控制钻孔流体的流速和压力、发射和接收数据、处理测量数据和/或监测系统10的操作的功能。在一个实施方案中，地面处理单元38包括输入/输出(I/O)装置40、处理器42和用于存储使处理器执行本文所述的方法和过程的各方面的数据、模型和/或计算机程序或软件的数据存储装置44(例如，存储器、计算机可读介质等)。
系统10中可以包括地面和/或井下传感器或测量装置，用于测量和监测操作、流体特性、部件特性等方面。在一个实施方案中，地面处理单元38和/或井下处理器36包括或连接到用于测量流体流动特性的各种传感器。例如，系统10包括用于测量流入和/或流出钻孔14的流体流动的流体压力和/或流速传感器46。流体流动特性也可以在井下测量，例如，经由钻柱12中的流体流速和/或压力传感器进行测量。
由于各种因素(诸如钻头处的切削力或井下工具诸如钻井马达的质量不平衡)，在钻井、测量和其他操作期间可能会发生不必要的振动。术语“振动”、“振荡”以及“波动”以重复的和/或周期性的运动或者与平均值(诸如平均位置、平均速度、平均加速度平均力和/或平均扭矩)的周期性偏差的相同广泛含义使用。这些术语并非旨在限于谐波偏差，而是可以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。此类振动可能会导致钻进速率降低、井下测量质量降低，并且可能会导致井下部件的磨损、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。扭转振动的示例包括钻井系统的粘滞/滑动和高频扭转振荡(“HFTO”)。
可以通过因钻头22或任何其他切削结构(例如，扩眼器钻头)与地层16的相互作用而发生的自激发机制来激发扭转振动。低频扭转振荡(诸如粘滞/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，低频扭转振动通常具有低于1Hz的频率。此外，低频扭转振动或粘滞/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的模态振型可以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，该激发点可以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)。
根据本公开的一些实施方案，某些部件(例如，模态振型调谐元件、特定阻尼器元件、隔离器元件等)可以用于永久地实现一个位置处所有HFTO模态的特定响应。此类部件的示例包括在以下共同拥有的专利申请中示出和描述的隔离器元件：美国专利申请公布号20190284882A1，于2019年3月14日提交并且标题为“用于减轻井下工具振动的阻尼器和用于井下井底组件的振动隔离装置(Dampers for Mitigation of Downhole ToolVibrations and Vibration Isolation Device for Downhole Bottom HoleAssembly)”；美国临时专利申请62/899,331，于2019年9月12日提交并且标题为“用于减少钻柱中的高频扭转振动的振动隔离耦合器(Vibration Isolating Coupler for ReducingHigh Frequency Torsional Vibrations in a Drill String)”；以及美国临时专利申请62/899,332，于2019年9月12日提交并且标题为“用于衰减钻柱中的振动的振动隔离耦合器(Vibration Isolating Coupler for Attenuating Vibrations in a Drill String)”，所有这些专利申请均全文以引用方式并入本文。模态振型调谐元件对HFTO的影响在以下共同拥有的专利申请中示出和描述：美国临时专利申请62/899,354，于2019年9月12日提交并且标题为“通过模态振型调谐对振动阻尼器工具放置的优化(Optimized Placement ofVibration Damper Tools Through Mode-shape Tuning)”；以及美国专利号9,976,405，标题为“通过借由质量或刚度变化有意改变钻柱模态振型来减轻钻头振动的方法(Method toMitigate Bit Induced Vibrations by Intentionally Modifying Mode Shapes ofDrill Strings by Mass or Stiffness Changes)”，所有这些专利申请均全文以引用方式并入本文。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。
系统10包括阻尼系统，该阻尼系统包括一个或多个扭转振动阻尼元件50，该一个或多个扭转振动阻尼元件被配置成阻尼扭转振动诸如HFTO。每个阻尼元件50包括设置在BHA 20或其他旋转或可旋转井下部件中的腔52。一个或多个阻尼元件50可以位于BHA 20内的任何合适位置处，诸如介于钻杆与BHA 20之间(例如，作为单独的阻尼器元件接头或在BHA的工具内，诸如在马达内、在LWD/MWD工具内，或在转向单元内)，介于BHA 20与钻头22之间，以及在钻头22内。另外，如下文进一步讨论的，多个阻尼元件50可以设置在期望的位置处(例如，设置在钻孔柱的经受HFTO的部分处)并且可以被配置成阻尼不同的振动频率。例如，一个阻尼元件可以被配置成阻尼约第一频率下(诸如约100Hz下)的振动，而另一阻尼元件可以被配置成阻尼约第二频率下(诸如约150Hz下)的振动等。
惯性质量块54设置在腔52内，并且阻尼流体56(如图2所示)至少部分地填充腔52，使得阻尼流体56与腔52的内表面和惯性质量块54的外表面均接触。以这种方式，阻尼流体56的薄膜(具有任何期望的厚度)将惯性质量块54耦接到壳体60或具有腔52的其他部件。如下文进一步讨论的，井下部件的振动引起惯性质量块54和腔52的内表面的相对相反和振荡移动。惯性质量块54和内表面的旋转加速度(旋转速率的变化)在阻尼流体56中引起剪切，这用于耗散来自振动的能量并由此阻尼振动。通过在剪切惯性质量块54与壳体60之间的阻尼流体的膜时吸收振动能量并将其转化为热量来降低BHA 20的振动幅度。
在一些应用中，惯性质量块54与腔52的内表面之间的阻尼流体56中的(剪切)应力可以被选择为实现(阻尼)力，该(阻尼)力沿切向加速度和相关联谐波移动方向作用以阻尼诸如HFTO的扭转振荡。阻尼流体56在惯性质量块54与腔52的内表面之间提供阻尼力。在这种情况下，惯性质量块54可以与封闭的壳体60结合，并且可能与惯性质量块54与壳体60之间的间隙的明确限定的几何形状结合。在液压阻尼中，粘性阻尼力可能对间隙和阻尼流体56的参数变化敏感。因此，温度不敏感的阻尼流体56或对温度较不敏感的流体可能是优选的。具有随剪切速率而变的不同剪切应力的流体可以用于实现有益的行为。一些此类示例性流体包括但不限于牛顿流体、膨胀剂(例如，剪切增稠流体)、假塑性体、宾汉塑性体、宾汉假塑性流体等。有利地，可以将固体添加到阻尼流体56中以实现阻尼流体56的分散行为。
阻尼流体56的示例是硅油或在室温下粘度在约10,000厘沲至1000,000厘沲之间的其他流体。阻尼流体56的另一示例是使用与钻孔流体24相同的流体。例如，腔52可以对钻孔14开放，并且可以允许钻孔流体24流入/流过腔52。其他示例包括烃基油。
惯性质量块54被配置成相对于腔52和相关联井下部件旋转或以其他方式移动以在阻尼流体56中引起剪切。在一个实施方案中，阻尼流体耗散的能量的量(例如，因流体剪切而耗散的剪切损失)与旋转加速度具有非线性关系。例如，阻尼流体是一种在较高旋转速率下比例过大地耗散较高能量的流体，即，耗散的剪切损失随旋转加速度而变的增加速率在高加速度(高于给定或所选加速度的加速度)下比在较低加速度下更高。在其他示例中，阻尼流体56被配置成在较高旋转加速度下按比例过小地耗散更多能量，或者被配置成在较高旋转加速度下按比例耗散更多能量(即，与加速度具有基本上线性关系)。
应当注意的是，本文所述的阻尼流体的类型作为示例提供，并且本文所述的实施方案不限于这些示例并且可以包括具有期望粘度的任何类型的流体。另外，阻尼组件和/或阻尼元件可以设置在任何可旋转井下部件中或与任何可旋转井下部件可操作地连通。
图2示出了具有腔52和惯性质量块54的阻尼元件的实施方案。腔52容纳惯性质量块(例如，环)和阻尼流体56(例如，硅油)，该阻尼流体至少部分地填充腔52中介于惯性质量块54与腔52的内表面58之间的空间。
腔52可以形成在壳体60内，该壳体相对于BHA 20或其他井下部件旋转地固定。因此，壳体60将随井下部件一起旋转和振动。壳体60可以是附接到井下部件(例如，在部件的中心流体导管的内表面上)的单独壳体，也可以与井下部件成一体。例如，壳体60可以是管状件或部件的其他部分的壁。
随着井下部件的振动，惯性质量块54和内表面58沿方向D反向振动运动，该方向可以是弯曲或弧形方向。有利地，惯性质量块54相对于腔52自由移动(各自旋转)。术语“自由移动”并不意味着限于不受任何力(诸如(粘性)摩擦力)的移动。相反，“自由移动”意味着包括惯性质量块54被配置成相对于腔52旋转部分转、整转或甚至若干转，诸如任意或无限转数。例如，惯性质量块54的移动或旋转可能不会在相对于腔52的移动或旋转方向上受到障碍物或弹簧元件在至少一个方向上的限制。在实施方案中，惯性质量块54相对于内表面58的阻尼效应仅基于粘性摩擦，例如不包括相关联弹簧元件的扭转、拉伸和/或弹性变形，或者不包括弹簧常数诸如扭转弹簧常数。由于惯性质量块54自由移动(各自旋转)，因此惯性质量块54表现出相反的振荡运动(加速度)。腔52的内表面58和惯性质量块54的外表面62在阻尼流体56上施加相反的剪切应力(“τ”)，这抵消了井下部件的振动。内表面58和/或外表面62可以涂覆有具有一个或多个所选粗糙度的材料层，或者这些表面本身可以被处理为具有所选粗糙度(例如，这些表面可以进行喷砂或喷丸处理)，这与流体粘度和间隙大小相结合来支持粘性剪切以阻尼一个或多个所选频率。此外，惯性质量块54可以包括钻孔、沟槽或狭缝(未示出)，它们具有所选大小(例如，其直径或宽度与惯性质量块54与腔表面58之间的距离相同、更小或更大)，以使惯性质量块54的与阻尼流体56接触的外表面62增大。
阻尼元件50可以被配置成阻尼井下部件的所选频率下的扭转振动。例如，可以选择或调整诸如流体粘度、流体密度和流体可压缩性、惯性质量块54与腔表面58之间的距离(诸如图2中所示的间隙大小GS)、惯性质量块几何形状、重量和密度以及表面粗糙度的特性以调谐阻尼元件50以阻尼所选振动频率。可以通过利用建模(例如，通过数字建模工具)来估计预期的且将被选择用于阻尼的振动频率，该建模被配置成模拟钻孔柱的至少部分中的HFTO。
阻尼元件50可以包括另外的部件以促进阻尼。例如，一个或多个轴承组件(诸如环形轴承、滚子轴承、滚珠轴承和摩擦轴承)可以定位在惯性质量块54与腔52的内表面58之间，以将惯性质量块54保持在所选位置处或所选范围内以保持最小间隙大小。轴承表面可以包括在惯性质量块54的轴向端部(沿着平行于旋转轴线的方向定位的端部)和/或惯性质量块54的径向端部(沿着垂直于旋转轴线的径向方向排列的端部)。例如，轴向轴承组件64和径向轴承组件65可以设置在惯性质量块54与腔表面58之间。轴承组件的数量不限于该实施方案中所示的数量。例如，对于径向支撑，一个或两个以上的所示径向轴承组件65可能足以在表面58与惯性质量块54之间提供引导。间隙大小的变化可以进一步受一个或多个间隔元件(未示出)(例如，弹性间隔元件)的限制，并且可以被选择为具有任何合适的大小。间隙大小的示例在0.01cm至约2cm的范围内，诸如0.01cm至约5mm，诸如约0.1cm至约1.5mm，或约0.2mm至约0.5mm。应当注意的是，惯性质量块54与表面58之间的间隙可以进一步填充有某种具有多孔和/或弹性结构的材料(未示出)(例如，金属棉、钢棉、钢丝棉、矿物棉、玻璃棉、纤维玻璃或海绵)，该多孔和/或弹性结构进一步定义了曲折度。多孔和/或弹性结构可以与表面58固定接触，并且可以增加阻尼流体56与固定地连接到表面58的固体材料之间的接触面积。与阻尼流体56接触的多孔和/或弹性结构的弹性行为以及曲折度可以进一步耗散能量，并因此阻尼振动。
此外，虽然图2示出了腔52中的一个惯性质量块54，但这并不意味着限制。有利地，腔52中可以包括两个或更多个惯性质量块，并且阻尼流体56可以存在于两个或更多个惯性质量块之间以及两个或更多个惯性质量块与腔表面58之间。有利地，一个或多个内部表面(未示出)可以安装在腔52中，该一个或多个内部表面与腔52成一体或固定地连接到该腔。与内表面一样，一个或多个惯性质量块的内部表面和外表面在阻尼流体56上施加相反的剪切应力。参照图9和图10更详细地解释和讨论了腔52中具有两个或更多个惯性质量块和内部表面的实施方案。
在一个实施方案中，阻尼元件50或多个阻尼元件50包括圆柱形腔或弧形腔52和惯性质量块54。例如，如图3所示，一个或多个圆形或环状阻尼元件50设置在井下部件中，该井下部件具有可围绕纵向旋转轴线L旋转的细长井下部件主体70。每个阻尼元件50包括相应的圆柱形壳体60，该圆柱形壳体中设置有可旋转环状质量块54和阻尼流体56。在一个实施方案中，每个壳体60均被密封以将其中的阻尼流体56与周围部件隔离，并防止泄漏。另选地或除此之外，每个壳体60都例如由壳体60的内部与外部之间的一个或多个波纹管(例如，橡胶波纹管)进行压力补偿(例如，相对于钻孔流体24进行压力补偿)。
在一个实施方案中，一个或多个阻尼元件50设置在外部腔室72内。图2中示出了外部腔室72的示例，该外部腔室由井下部件主体70和盖74形成。腔室74可以是容纳单个阻尼元件50的单独腔室，或者是容纳多个阻尼元件50的腔室。例如，腔室72是容纳阻尼元件50阵列的圆柱形腔室。腔室72可以与部件一体形成，例如作为井下部件主体70中的腔。
腔室72可以是与外部流体和/或井下压力隔离的密封腔室。例如，腔室72可以被加压至大气压力或其他压力。
在一个实施方案中，腔室72包括导热材料(诸如导热流体76)或导热刚性部件或层，该导热刚性部件或层至少部分地包围每个阻尼元件50或以其他方式与惯性质量块54和/或阻尼流体56接触。导热材料被配置成传递热能(例如，由粘性剪切生成的热量)，并且将能量耗散到井下部件主体70、盖74和/或钻孔的环形区域中。在一个示例中，导热材料的热导率大于惯性质量块54、阻尼流体56、壳体60、井下部件主体70和盖74中的至少一者。在一个示例中，阻尼流体56本身的热导率大于惯性质量块54、阻尼流体56、壳体60、井下部件主体70和盖74中的至少一者。导热材料的示例包括环氧树脂、硅树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、水、乙二醇溶液、导热膏或油脂、油和(液体或固体)金属诸如镓铟锡合金或铜。导热流体可以包括氧化铝、氮化硼、氧化锌、氮化铝、银颗粒或镓。
可以通过推力加载部件78将多个阻尼元件50夹紧或以其他方式固定到井下部件。推力加载部件78在壳体60上施加轴向力，以通过壳体60与该部件之间以及相邻壳体60之间的摩擦力避免相对滑动。例如，井下部件主体70包括推力加载部件78(诸如可热膨胀载荷环)，该推力加载部件施加垂直于旋转轴线L的轴向力。
在一个实施方案中，阻尼元件50或壳体60可以通过锁定元件(诸如键槽、压配合件、螺钉)，通过粘合剂，通过焊接，或通过用于连接部件的其他装置锁定到井下部件(例如，井下部件主体70和/或盖74)或相邻壳体。
在一个实施方案中，阻尼元件50或壳体60可以通过壳体60壁的弹性压缩来锁定。可以通过内螺纹77(例如，将井下部件主体70连接到一个或多个相邻部件79的内螺纹77)来施加弹性压缩的力(例如，作为推力加载部件78的补充或替代)。通过调整所需的压缩以防止壳体60在组装期间相对于井下部件主体70和/或盖74移动，可以精确地控制弹性压缩。可以通过例如垫片(未显示)或通过选择推力加载部件78的宽度来实现这种调整。壳体60的弹性压缩可以在约0.1％至3％的范围内，这取决于预期的扭转振动加速度。
在另一实施方案中，多个阻尼元件50设置在外部腔室72内。多个阻尼元件50中的每个阻尼元件都填充有阻尼流体56。阻尼流体56的粘度被选择为在所选频率下具有最佳阻尼特性。将阻尼元件50调谐到不同的最佳频率加宽了操作窗口。虽然一个阻尼元件可以在一个频率下以最佳(最大)能量耗散反应，但另一阻尼元件可以在另一频率下以最佳方式反应。阻尼元件的频率调谐可以通过多种方式完成。例如，对于给定的剪切间隙大小GS，可以通过改变流体粘度、流体密度和流体可压缩性来调谐频率，如上所述。也可以通过惯性质量块54的惯性来调谐频率，该惯性继而随惯性质量块54的几何形状、重量或质量、密度和表面粗糙度而变。另选地，对于惯性质量块54的给定惯性和设定粘度，可以操纵多个阻尼元件中的每个阻尼元件的间隙大小GS以在所选频率下具有最佳阻尼。值得注意的是，选择或调整先前提及性质中的一个或多个性质允许调谐阻尼组件以在无任何(扭转)弹簧元件(诸如惯性质量块54与壳体60之间的刚性弹簧元件)的情况下阻尼所选振动频率。可以通过利用建模(例如，通过数字建模工具)来估计预期的且将被选择用于阻尼的振动频率，该建模被配置成模拟钻孔柱的至少部分中的HFTO。
图4和图5示出了阻尼元件50的实施方案。图4是阻尼元件50的该实施方案的部分剖视图，并且图5是阻尼元件50的该实施方案的拆解视图。
在该实施方案中，惯性质量块54由圆柱形环状主体(环)80制成，该圆柱形环状主体的形状和大小被配置成在惯性质量块54的外表面与壳体60的内部表面58之间建立所选间隙大小。环状惯性质量块54的总密度被选择为将阻尼元件50配置成阻尼具有所选频率的振动。在该实施方案中，壳体60封装环状惯性质量块54，具有与惯性质量块54类似的形状，并且具有在惯性质量块54的外表面62与壳体60的内表面58之间建立所选距离或间隙大小的大小和尺寸。壳体60可以由钢或其他合适的材料制成。
惯性质量块54可以包括具有不同密度的多个部件。在一个实施方案中，惯性质量块54包括具有第一密度的至少一个第一部件和具有第二不同密度的至少一个第二部件。
例如，图4的环状惯性质量块54的主体80由设置在主体内的第一材料82和第二材料84制成。第一材料82可以为铜、铜合金、铝、钢或任何其他合适的材料，并且第二材料84可以为比第一材料(诸如钨或钨合金)具有更高或更低密度的材料。在图4的示例中，第二材料84包括多个钨或钨合金杆状插入物。这些插入物排列在第一材料82(例如，具有用于插入物的孔的铜环)内，使得重量和密度平衡。
图6和图7是结合了本文所述的一个或多个阻尼元件的井下部件的示例的透视图。在该示例中，井下部件是阻尼部件或阻尼元件接头90，其包括细长管状主体92，该细长管状主体沿着中心纵向轴线L延伸并且可围绕该中心纵向轴线旋转。阻尼元件接头90包括流体导管94诸如中心流体导管94，该流体导管可以与钻孔流体24流体连通，例如钻井流体或泥浆导管、生产流体导管、注入流体导管和/或允许在井下位置与地面位置之间流体连通的任何数量的导管或流动路径。阻尼元件接头90还包括一个或多个连接器(诸如盒式连接器96和销式连接器98)，该一个或多个连接器被配置成可操作地连接到一个或多个相邻部件，诸如相邻部件79、钻杆、井下马达、BHA 20或钻头22。最终，钻头22经由盒形连接器96和销式连接器98可操作地连接到驱动装置(诸如井下马达或地面驱动装置/转盘)，其方式使得驱动装置通过旋转阻尼元件接头90使其可操作地连接到驱动装置和钻头22来旋转钻头22。任选地，阻尼元件接头90可以包括来自盒式连接器96和销式连接器98的电线(未示出)或其他电连接件，以便从阻尼元件接头90下方向阻尼元件接头90上方提供数据和/或电力和/或反之亦然，以便与BHA 20的其他部分通信和/或向这些部分提供电力。
阻尼元件接头90包括沿着管状主体92轴向排列的多个阻尼元件50。每个阻尼元件50都包括环状惯性质量块54(也称为惯性质量环54)，该环状惯性质量块设置在形成于管状主体92内或附接到该管状主体的圆柱形壳体内。有利地，环状惯性质量块54设置在流体导管94周围(例如，与流体导管94偏心或距中心纵轴L的径向距离大于距流体导管94的径向距离)，以提供环状惯性质量块54的更大直径，从而提供更大的惯性。每个阻尼元件50还包括环状壳体60，该环状壳体容纳惯性质量环54和阻尼流体56。每个惯性质量环54都被允许旋转，即可围绕中心轴线L和/或中心流体导管94旋转，以抵消扭转或旋转振动和/或耗散来自此类振动的能量。
阻尼元件50可以被配置成阻尼一个所选频率或频率范围，或者阻尼元件50中的一个或多个阻尼元件可以被配置成阻尼与一个或多个其他阻尼元件50不同的频率范围。以这种方式，阻尼元件接头90可以被配置成阻尼任何数量的不同振动频率。
尽管针对惯性质量块54示出了环元件，但惯性质量块54也可以具有其他几何形状。惯性质量块54可以包括多个机械连接的主体，诸如图4中所显示(第一材料82和第二材料84)。这些主体可以通过任何合适的方式机械地连接(例如，通过螺纹连接、粘合剂、焊接、夹紧、压配合、通过使用记忆形状材料等)。来自第一材料82的主体和/或来自第二材料84的主体可以取自一组预先配置的主体，可以根据待阻尼的振动频率从中选择具有适当密度的主体。可以通过利用建模(例如，通过数字建模工具)来估计预期的且将被阻尼的振动频率，该建模被配置成模拟钻孔柱的至少部分中的HFTO。在一个实施方案中，惯性质量块54包括多个可能未机械地连接的主体。由于各个未连接主体的惯性通过其自身的惯性以类似的方式对振动作出反应，从而产生粘性剪切并因此产生阻尼，因此类似的物理学适用于流体填充的腔内部的多个未连接主体的整体阻尼。另选地或除此之外，惯性质量块54包括可能处于相当松散的弹性接触中的多个主体(例如，通过例如由一个或多个弹簧(未示出)或具有多孔和/或弹性结构的材料(未示出)(例如，金属棉、钢棉、钢丝棉、矿物棉、玻璃棉、纤维玻璃或海绵)弹性地连接多个主体，该多孔和/或弹性结构进一步定义了弹性和/或曲折度)。
在一个实施方案中，阻尼元件接头90包括外部壳体100，该外部壳体将阻尼元件保持在沿着管状主体92的固定轴向位置处。例如，管状盖可以设置在阻尼元件50上并且密封到管状主体92以隔离阻尼元件50。在一个实施方案中，每个壳体60均被密封以将其中的阻尼流体56与周围部件隔离，并防止泄漏。另选地或除此之外，每个壳体60都例如由壳体60的内部与外部之间的一个或多个波纹管(例如，橡胶波纹管)进行压力补偿(例如，相对于钻孔流体24进行压力补偿)。可以将导热材料(诸如导热流体)或导热刚性部件或层注入外部壳体100中，使得导热材料至少部分地包围阻尼元件50或以其他方式与惯性质量块54和/或阻尼流体56接触以促进能量耗散。在一个示例中，导热材料的热导率大于惯性质量块54、阻尼流体56、壳体60、管状主体92和/或外部壳体100中的至少一者。在一个示例中，阻尼流体56本身的热导率大于惯性质量块54、阻尼流体56、壳体60、管状主体92和/或外部壳体100中的至少一者。导热材料的示例包括环氧树脂、硅树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、水、乙二醇溶液、导热膏或油脂、油和(液体或固体)金属诸如镓铟锡合金或铜。导热流体可以包括氧化铝、氮化硼、氧化锌、氮化铝、银颗粒或镓。
图8示出了执行能源行业操作和阻尼井下部件的振动的方法110。方法110可以结合系统10执行，但不限于此。方法110包括本文所述的阶段111-114中的一个或多个阶段，其至少部分可以由处理器(例如，地面处理单元38)执行。在一个实施方案中，方法110包括以所述顺序执行所有阶段111-114。然而，可以省略某些阶段，可以添加阶段，或者可以改变阶段的顺序。
还结合图5描述了方法的各方面，图5示出了具有环状惯性质量块54和对应的环状或圆柱形壳体60的阻尼元件50的实施方案。
在第一阶段111，将一种包括图5的至少一个阻尼元件50的阻尼组件与井下部件一起组装和安装，诸如围绕阻尼元件接头90的流体导管94，或者围绕钻杆或BHA 20的某一区段的对应流体导管组装和安装。在一个实施方案中，多个阻尼元件50以纵向阵列布置。
每个阻尼元件50的壳体60都被选择为具有所选大小和几何形状，并且惯性质量快54被选择为具有对应的大小和几何形状，使得当阻尼流体和惯性质量块54设置在壳体60中时，建立所选间隙大小。例如，参考图5，壳体60包括基部部分102和盖104。可以将阻尼流体倒入基部部分中并将惯性质量块54插入其中，以置换阻尼流体并填充惯性质量块54周围的腔。然后，在该示例中，将盖104密封到基部部分102。另选地，可以在惯性质量块54和壳体60组装后，将阻尼流体注入惯性质量块54与壳体60之间的空间中。
在一个实施方案中，壳体60包括流体端口106，该流体端口可以用于注入阻尼流体诸如硅油。流体端口106可以包括止回阀、泄放阀或其他合适的机构，以在阻尼流体的热膨胀可能在腔中引起过度应力或压力的情况下允许喷射一定量的阻尼流体。
在一个实施方案中，阻尼元件50被配置和组装以考虑到可能发生的热膨胀。井下部件经常暴露于高温，这可能导致阻尼元件50和井下部件的各个零件发生一定量的热膨胀。因此，可以选择构成惯性质量块54和壳体60的材料以使其发生已知量的膨胀。例如，惯性质量块54被配置成以比壳体60或其他部件(诸如边环(如下文关于图9和图10所讨论)更高的所选(例如，更高)速率选择性地热膨胀，使得膨胀导致间隙大小在较高温度下变得更小，从而通过较小间隙大小在较高温度下产生更高的阻尼。由于较高温度会降低阻尼流体的粘度，从而降低给定几何形状的阻尼，因此通过减小间隙大小来增加较高温度下的阻尼可能是有益的。这两种效应可以被选择为至少部分地彼此平衡，因此可以实现随温度而变的恒定阻尼。
不同的阻尼流体相对于剪切速度具有不同的行为。一些流体提供速度减弱阻力，另一些流体具有线性比例行为(如硅流体)，还有一些流体则显示出剪切相对于速度比例过大地增加。在一些方面，由于剪切相对于速度比例过大地增加而导致的比例过大阻尼可能有益于在较高加速度(和速度)下产生较高阻尼，同时仍然对较小旋转加速度保持敏感。
为了考虑热膨胀，在一个实施方案中，将阻尼流体注入腔中，使得惯性质量块54与壳体60之间的腔空间仅被部分地填充。腔空间被填充的程度应使得当腔空间收缩或阻尼流体因热膨胀而膨胀时，阻尼流体完全填充腔空间。例如，在惯性质量块54和壳体60已组装好后，在室温下用阻尼流体填充剩余腔体积(例如，经由流体端口106)，使得阻尼流体填充剩余体积的约98％或更多。另选地或除此之外，一个或多个泄压阀、泄放阀和/或其他压力补偿装置可以按照上文和下文描述和讨论的方式使用。
在第二阶段112，将包括一个或多个阻尼元件或可操作地连接到一个或多个阻尼元件的井下部件部署到钻孔中。例如，将包括一个或多个阻尼元件50(例如，作为设置在BHA20的顶部或端部，例如设置在BHA 20与钻头22之间的阻尼元件接头90)的钻孔柱12部署到钻孔14中。例如，取决于一个或多个阻尼元件50相对于BHA 20的位置(例如，如果一个阻尼器位于BHA的外部或位于BHA的顶部或底部)，可以在无电连接件的情况下使用阻尼元件或阻尼元件接头，和/或可以使用不从阻尼元件或阻尼元件接头的顶部到底部接线的阻尼元件或阻尼元件接头。
在第三阶段113，执行能源工业操作，包括旋转井下部件。例如，使用系统10执行钻井和/或LWD操作。在第四阶段114，在操作期间，一个或多个阻尼元件50(例如，阻尼元件接头90)用于阻尼所选的扭转或旋转振动频率，如上文所讨论的。
图9和图10描绘了阻尼系统的实施方案，该阻尼系统包括井下部件诸如阻尼元件接头1100，该井下部件可以结合到井下系统诸如系统10中。阻尼元件接头1100包括一系列阻尼元件1110。图10是图9的阻尼元件接头1100的对应于窗口1105的一部分的放大视图。
阻尼元件接头1100包括顶部接头1120，该顶部接头被配置成通过连接件1135(例如，螺纹连接件)连接到底部接头1130。
阻尼元件接头1100包括流体导管1140(诸如中心流体导管1140)，该流体导管可以与钻孔流体24和/或与另一流体导管流体连通。例如，流体导管1140被配置成与钻井流体或泥浆导管、生产流体导管、注入流体导管和/或允许井下位置与地面位置之间的流体连通的任何数量的导管或流动路径流体连通。
顶部接头1120和/或底部接头1130被配置成可操作地连接到一个或多个相邻部件诸如相邻部件79、钻杆、井下马达、BHA 20或钻头22。最终，钻头22可操作地连接到驱动装置，诸如井下马达或地面驱动装置/转盘。阻尼元件接头1100可以操作地连接到钻头22和驱动装置，即，顶部接头1120和底部接头1130可以连接到钻头22和驱动装置，使得驱动装置通过旋转阻尼元件接头1100来旋转钻头22。任选地，阻尼元件接头1100可以包括电线(未示出)或其他电连接件，以便从阻尼元件接头1100下方向阻尼元件接头1100上方提供数据和/或电力和/或反之亦然，以与BHA 20的其他部分通信和/或向这些部分提供电力。
阻尼元件1110各自包括至少一个环状惯性质量块1154，该至少一个环状惯性质量块包围顶部接头1120和流体导管1140的一部分，并且被配置成围绕顶部接头1120和流体导管1140旋转。盖1147安装在顶部接头1120与底部接头1130之间，以覆盖并保护惯性质量块1154。边环1160安装在惯性质量块1154之间并且固定地连接到顶部接头1120和/或盖1147。以这种方式，顶部接头1120、底部接头1130、盖1147和边环1160相对于彼此旋转地固定，并且因此一起旋转。惯性质量块1154可以相对于顶部接头1120、底部接头1130、盖1147和边环1160旋转。
应当注意的是，每个阻尼元件1110都包括惯性质量块1154与一个或多个相邻边环1160之间的间隙。该间隙还可以由惯性质量块1154与盖1147之间的间隙或空间，和/或惯性质量块1154周围的其他空间限定。在一个实施方案中，该间隙是由盖1147、顶部接头1120和底部接头1130限定的整个腔的一部分，并且包括惯性质量块1154与盖之间的空间，以及惯性质量块与边环1160之间的空间，如下文进一步讨论的。
任选的距离保持器1165(例如，弹性距离保持器)可以安装在惯性质量块1154与边环1160之间，以在预选范围内管理惯性质量块1154与边环1160之间的距离(并由此管理它们之间的间隙)。任选的居中装置1170包括在一个或多个阻尼元件1110中的每个阻尼元件中，并且被配置成使相应惯性质量块1154围绕顶部接头1120和/或流体导管1140径向居中。例如，居中装置1170可以包括围绕顶部接头1120的一个或多个小棒或鼻部或间隔件，该一个或多个小棒或鼻部或间隔件可以被配置成使相应惯性质量块1154在预选范围内保持居中。
惯性质量块1154相对于顶部接头1120和与居中装置1170和距离保持器1165接触的边环1160的旋转将导致在惯性质量块1154与居中装置1170和距离保持器1165之间发生摩擦。因此，每个居中装置1170和距离保持器1165都可以包括或可以涂覆有耐磨材料。另选地或除此之外，每个居中装置1170和距离保持器1165都可以是弹性的(例如，比边环1160、顶部接头1120和/或惯性质量块1154更具弹性)，以考虑到可变的接触力并减少因摩擦引起的磨损。
包括阻尼流体1156以包围阻尼元件1110并部分地或完全地填充惯性质量块1154、边环1160和顶部接头1120之间的空间，并且被配置成当惯性质量块1154因例如振动而相对于边环1160和顶部接头1120移动时产生剪切力。此类剪切力最终导致所述振动的阻尼效应。与关于图3至图5示出和讨论的一个或多个实施方案相比，图9和图10的惯性质量块1154并未通过包围各个阻尼元件的壳体彼此紧贴密封。相反，在一个实施方案中，若干惯性质量块1154被相同的阻尼流体1156包围，该阻尼流体填充顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的整个体积。以这种方式，有利地，两个或更多个惯性质量块1154流体连通。密封元件可以安装在顶部接头1120与盖1147之间的密封沟槽1175中，并且类似地安装在底部接头1130与盖1147之间以及顶部接头1120与底部接头1130之间。因此，阻尼元件接头1100在因振动而相对于彼此移动的零件之间不包括动态密封元件。另选地或除此之外，顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积可以例如由顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积的内部与外部之间的一个或多个波纹管(例如，橡胶波纹管)进行压力补偿(例如，相对于钻孔流体24进行压力补偿)。
顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积可以通过入口1185和出口1186填充有阻尼流体1156。例如，顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积可以通过入口1185和出口1186中的一者或两者排空。在排空到预选压力之后，可以通过入口1185将阻尼流体1156泵送和/或压入顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积中，直到阻尼流体1156进入出口1186或直到入口1185与出口1186之间的压力差在预选范围内。
在一个实施方案中，热膨胀装置1190被设置成与顶部接头1120、底部接头1130和盖1147之间的体积流体连通，以考虑到阻尼流体1156或阻尼元件接头1100内的零件的热膨胀。热膨胀装置1190包括可压缩流体(诸如具有比阻尼流体1156更高的可压缩性的流体，诸如气体(例如，空气、惰性气体、氮气或其他合适的气体))的相对较小体积1193。体积1193由密封活塞1196限制，该密封活塞响应于体积1193与填充有阻尼流体1156的体积之间的压力差而移动。
下面示出了前述公开的一些实施方案：
实施方案1：一种用于阻尼钻孔柱中的扭转振动的设备，该设备包括：惯性质量块，该惯性质量块设置在可旋转井下部件中的腔中，该可旋转井下部件被配置成设置在地下地层中的钻孔中，该惯性质量块通过阻尼流体耦接到可旋转井下部件并且相对于可旋转井下部件自由移动；其中阻尼流体设置在腔中并且介于惯性质量块与可旋转井下部件之间，其中可旋转井下部件的旋转加速度在阻尼流体中引起剪切以耗散来自可旋转井下部件的旋转加速度的能量并使旋转加速度减小。
实施方案2：根据任一先前实施方案所述的设备，该设备还包括壳体，该壳体包括腔，该壳体设置在可旋转井下部件处并且相对于可旋转井下部件旋转地固定，其中壳体被密封。
实施方案3：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该设备被配置成阻尼一个或多个所选频率下的扭转振动。
实施方案4：根据任一先前实施方案所述的设备，其中惯性质量块是设置在腔中并且被配置成围绕可旋转井下部件的旋转轴线旋转的环段和环中的至少一者。
实施方案5：根据任一先前实施方案所述的设备，该设备还包括至少一个轴承装置，该轴承装置被配置成设置在惯性质量块与可旋转井下部件之间，该轴承装置被配置成支撑惯性质量块相对于可旋转井下部件的移动。
实施方案6：根据任一先前实施方案所述的设备，该设备还包括导热材料，该导热材料具有大于惯性质量块的热导率、阻尼流体的热导率、壳体的热导率和可旋转井下部件的热导率中的至少一者的热导率，并且被配置成将耗散的能量传递远离惯性质量块、阻尼流体、壳体和可旋转井下部件中的至少一者。
实施方案7：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该设备具有被配置成阻尼所选振动频率下的所述扭转振动的一个或多个特性，该一个或多个特性包括惯性质量块的所选密度、惯性质量块的所选重量、惯性质量块的外表面的所选粗糙度、腔的内表面的所选粗糙度、惯性质量块与内表面之间的所选间隙、阻尼流体的所选粘度、阻尼流体的所选密度、阻尼流体的所选可压缩性中的至少一者。
实施方案8：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该惯性质量块包括具有第一密度的第一组成部件和具有第二密度的第二组成部件，该第二密度大于该第一密度。
实施方案9：根据任一先前实施方案所述的设备，其中壳体包括流体端口，该流体端口允许腔部分地填充有阻尼流体。
实施方案10：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该设备被配置成响应于温度增加而减小腔的内表面与惯性质量块之间的间隙。
实施方案11：根据任一先前实施方案所述的设备，该设备还包括多个惯性质量块，该多个惯性质量块通过阻尼流体耦接到可旋转井下部件并且相对于可旋转井下部件自由移动；其中可旋转井下部件的旋转加速度在阻尼流体中引起剪切以耗散来自旋转加速度的能量。
实施方案12：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该多个惯性质量块包括被配置成主要阻尼第一频率下的扭转振动的第一惯性质量块和被配置成主要阻尼第二频率下的扭转振动的第二惯性质量块，该第一频率不同于该第二频率。
实施方案13：根据任一先前实施方案所述的设备，该设备还包括惯性质量与腔之间的多孔材料、弹性材料和曲折材料中的至少一者。
实施方案14：一种阻尼钻孔柱中的扭转振动的方法，该方法包括：将可旋转井下部件和阻尼组件设置在地下地层中的钻孔中，该阻尼组件包括相对于可旋转井下部件旋转地固定的腔和设置在腔中并且通过阻尼流体耦接到可旋转井下部件的惯性质量块，该阻尼流体设置在惯性质量块与可旋转井下部件之间，其中惯性质量块相对于可旋转井下部件自由移动；执行操作，该操作包括旋转可旋转井下部件并引起可旋转井下部件的扭转振动；以及至少部分地阻尼可旋转井下部件的扭转振动，其中该阻尼包括基于因惯性质量块与可旋转井下部件之间的相对移动而在阻尼流体中发生的剪切导致旋转加速度减小。
实施方案15：根据任一先前实施方案所述的方法，其中该阻尼组件包括壳体，该壳体包括腔，该壳体相对于可旋转井下部件旋转地固定，其中壳体被密封。
实施方案16：根据任一先前实施方案所述的方法，其中该惯性质量块是设置在腔中并且被配置成围绕可旋转井下部件的旋转轴线旋转的环段和环中的至少一者。
实施方案17：根据任一先前实施方案所述的方法，其中该阻尼组件包括至少一个轴承装置，该轴承装置被配置成设置在惯性质量块与可旋转井下部件之间，该轴承装置被配置成支撑惯性质量块相对于可旋转井下部件的相对移动。
实施方案18：根据任一先前实施方案所述的方法，该方法还包括通过具有大于惯性质量块的热导率、阻尼流体的热导率、壳体的热导率和可旋转井下部件的热导率中的至少一者的热导率的导热材料将耗散的能量传递远离阻尼组件。
实施方案19：根据任一先前实施方案所述的方法，该方法还包括选择振动频率和选择被配置成阻尼所选振动频率下的扭转振动的一个或多个特性，其中该一个或多个特性包括惯性质量块的密度、惯性质量块的重量、惯性质量块的外表面的粗糙度、腔的内表面的粗糙度、惯性质量块与内表面之间的间隙、阻尼流体的粘度、阻尼流体的密度和阻尼流体的可压缩性中的至少一者。
实施方案20：根据任一先前实施方案所述的方法，其中该阻尼组件包括被配置成主要阻尼第一频率下的扭转振动的第一惯性质量块和被配置成主要阻尼第二频率下的扭转振动的第二惯性质量块，该第一频率不同于该第二频率。
实施方案21：根据任一先前实施方案所述的设备，其中该阻尼流体被配置成进行以下至少一个操作：在高于所选加速度的高旋转加速度下，比例过大地耗散能量；在高旋转加速度下比例过小地耗散能量；以及在高旋转加速度下和/或在低于高旋转加速度的加速度下按比例耗散能量。
与本文的教导内容相结合，可以使用各种分析和/或分析部件，包括数字和/或模拟子系统。系统可具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入部、输出部、通信链路(例如，有线、无线、脉冲泥浆、光学或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器之类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设备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计算机可读介质上的计算机可执行指令集来实现，该计算机可读介质包括存储器(ROM、RAM)、光学介质(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，致使计算机实现本发明的方法。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、数据收集和分析以及其他功能。
本领域技术人员应当认识到，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公开的本发明的一部分而固有地包括在内。
虽然已参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等同物代替其元件。另外，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定的仪器、情形或材料适应本发明的教导内容。因此，本发明并不旨在限于作为实施本发明的最佳设想模式而公开的特定实施方案。

Claims (15)

1.一种用于阻尼钻孔柱中的扭转振动的设备，所述设备包括：
惯性质量块，所述惯性质量块设置在可旋转井下部件中的腔中，所述可旋转井下部件被配置成设置在地下地层中的钻孔中，所述惯性质量块通过阻尼流体耦接到所述可旋转井下部件并且相对于所述可旋转井下部件自由移动；其中，
所述阻尼流体设置在所述腔中并且介于所述惯性质量块与所述可旋转井下部件之间，其中所述可旋转井下部件的旋转加速度在所述阻尼流体中引起剪切以耗散来自所述可旋转井下部件的所述旋转加速度的能量并使所述旋转加速度减小。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被配置成阻尼一个或多个所选频率下的所述扭转振动。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述惯性质量块是设置在所述腔中并且被配置成围绕所述可旋转井下部件的旋转轴线旋转的环段和环中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括至少一个轴承装置，所述轴承装置被配置成设置在所述惯性质量块与所述可旋转井下部件之间，所述轴承装置被配置成支撑所述惯性质量块相对于所述可旋转井下部件的移动。
5.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括导热材料，所述导热材料具有大于所述惯性质量块的热导率、所述阻尼流体的热导率、所述壳体的热导率和所述可旋转井下部件的热导率中的至少一者的热导率，并且被配置成将所耗散的能量传递远离所述惯性质量块、所述阻尼流体、所述壳体和所述可旋转井下部件中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备具有被配置成阻尼所选振动频率下的所述扭转振动的一个或多个特性，所述一个或多个特性包括所述惯性质量块的所选密度、所述惯性质量块的所选重量、所述惯性质量块的外表面的所选粗糙度、所述腔的内表面的所选粗糙度、所述惯性质量块与所述内表面之间的所选间隙、所述阻尼流体的所选粘度、所述阻尼流体的所选密度、所述阻尼流体的所选可压缩性中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述惯性质量块包括具有第一密度的第一组成部件和具有第二密度的第二组成部件，所述第二密度大于所述第一密度。
8.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括多个惯性质量块，所述多个惯性质量块通过所述阻尼流体耦接到所述可旋转井下部件并且相对于所述可旋转井下部件自由移动；其中所述可旋转井下部件的所述旋转加速度在所述阻尼流体中引起剪切以耗散来自所述旋转加速度的能量，并且其中所述多个惯性质量块包括被配置成主要阻尼第一频率下的所述扭转振动的第一惯性质量块和被配置成主要阻尼第二频率下的所述扭转振动的第二惯性质量块，所述第一频率不同于所述第二频率。
9.一种阻尼钻孔柱中的扭转振动的方法，所述方法包括：
将可旋转井下部件和阻尼组件设置在地下地层中的钻孔中，所述阻尼组件包括相对于所述可旋转井下部件旋转地固定的腔和设置在所述腔中并且通过阻尼流体耦接到所述可旋转井下部件的惯性质量块，所述阻尼流体设置在所述惯性质量块与所述可旋转井下部件之间，其中所述惯性质量块相对于所述可旋转井下部件自由移动；
执行操作，所述操作包括旋转所述可旋转井下部件并引起所述可旋转井下部件的所述扭转振动；以及
至少部分地阻尼所述可旋转井下部件的所述扭转振动，其中所述阻尼包括基于因所述惯性质量块与所述可旋转井下部件之间的相对移动而在所述阻尼流体中发生的剪切导致旋转加速度减小。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述阻尼组件包括壳体，所述壳体包括所述腔，所述壳体相对于所述可旋转井下部件旋转地固定，其中所述壳体被密封。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述惯性质量块是设置在所述腔中并且被配置成围绕所述可旋转井下部件的旋转轴线旋转的环段和环中的至少一者。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述阻尼组件包括至少一个轴承装置，所述轴承装置被配置成设置在所述惯性质量块与所述可旋转井下部件之间，所述轴承装置被配置成支撑所述惯性质量块相对于所述可旋转井下部件的相对移动。
13.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括选择振动频率和选择被配置成阻尼所选振动频率下的所述扭转振动的一个或多个特性，其中所述一个或多个特性包括所述惯性质量块的密度、所述惯性质量块的重量、所述惯性质量块的外表面的粗糙度、所述腔的内表面的粗糙度、所述惯性质量块与所述内表面之间的间隙、所述阻尼流体的粘度、所述阻尼流体的密度和所述阻尼流体的可压缩性中的至少一者。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述阻尼组件包括被配置成主要阻尼第一频率下的所述扭转振动的第一惯性质量块和被配置成主要阻尼第二频率下的所述扭转振动的第二惯性质量块，所述第一频率不同于所述第二频率。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述阻尼流体被配置成进行以下至少一个操作：在高于所选加速度的高旋转加速度下，比例过大地耗散所述能量；在所述高旋转加速度下比例过小地耗散所述能量；以及在所述高旋转加速度下和/或在低于所述高旋转加速度的加速度下按比例耗散所述能量。
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