用于对钻柱中的振动进行阻尼的设备和方法 |
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| 申请号 | CN201280019770.X | 申请日 | 2012-02-27 | 公开(公告)号 | CN103502560A | 公开(公告)日 | 2014-01-08 |
| 申请人 | APS技术公司; | 发明人 | 威廉·埃文斯·特纳; 马克·休特琴森; 迪尔克·博斯曼; 马克·埃尔斯沃思·瓦塞尔; 卡尔·阿莉森·佩里; 马丁·E·科伯恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种用于对 钻柱 中的振动，特别地由于粘滑造成的扭转振动进行阻尼的设备和方法。 传感器 测量在沿着钻柱的长度的一个或多个 位置 处的钻柱的瞬时 角 速度 。一个或多个减振模 块 沿着钻柱的长度隔开。当检测到高于 阈值 的扭转振动时，阻尼模块将反向 扭矩 强加在钻具上，这对扭转振动进行阻尼。能够通过对钻柱的旋转施加摩擦阻 力 来形成所述反向扭矩。能够通过使摩擦垫从阻尼模块延伸，使得所述摩擦垫在钻柱旋转时 接触 钻孔壁并且沿着钻孔拖动而在外部形成摩擦阻力，或者通过将安装到钻柱上的 外壳 锚固到钻孔壁上，并且然后将摩擦阻力强加于在钻柱内流动的 流体 ，例如磁流变流体上，而在内部形成摩擦阻力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对钻柱中的扭转振动进行阻尼的方法，所述钻柱具有用于穿过地层钻出钻孔的钻头，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于对钻柱中的振动进行阻尼的设备和方法技术领域背景技术[0002] 地下钻探，例如气、油或地热钻探，通常涉及穿过地下较深的地层钻出钻孔。通过将钻头连接到被称作“钻管”的长的管段，以形成通常被称作“钻柱”的组件来形成这样的钻孔。钻柱从地面延伸到钻孔的底部。 [0003] 钻头被旋转，使得其前移到陆地中，从而形成钻孔。在旋转钻探中，通过从地面旋转钻柱来旋转钻头。在地面上的活塞操作泵将被称作“钻探泥浆”的高压流体泵送通过钻柱中的内部通路并且通过钻头泵送出来。钻探泥浆润滑钻头，并且从钻头的路径冲刷钻屑。在马达钻探的情况下，流动泥浆还对钻探马达提供动力，钻探马达通常被称作“泥浆马达”，其转动钻头，无论钻柱是否旋转。泥浆马达配备有转子，该转子响应于钻探泥浆通过该转子而产生扭矩。转子被联接到钻头，使得扭矩被传递到钻头，从而导致钻头旋转。然后钻探泥浆通过形成在钻柱和钻孔表面之间的环形通路而流动到地面。 [0004] 钻柱可经历各种类型的振动。“轴向振动”指在沿着钻柱轴线的方向上的振动。“横向振动”指垂直于钻柱轴线的振动。两个横向振动源为“向前”和“向后”或“反向”涡动。扭转振动在地下钻探中也是受关注的，并且扭转振动通常为被称作“粘滑”作用的结果。当钻头或钻柱的下部段暂时停止旋转（即，“卡钻”）而上方的钻柱继续旋转从而造成钻柱“卷紧”，之后被卡的元件“滑移”并且再次旋转时出现粘滑。常常，在钻柱释放时，钻头将超速。 另一可能的后果是当滑移结束时，反弹运动将导致钻柱的部分逆时针旋转，这可以导致钻柱部段之间的螺纹接头中的一个或多个脱离。 [0005] 目前市售的系统，例如APS Technology的振动记忆模块TM通过基于磁力计的输出，测量并记录在给定时段，例如每四秒的最大和最小瞬时每分钟转数（“RPM”）来确定由粘滑所导致的扭转振动。然后通过确定在该给定时段在钻柱的最大瞬时旋转速度与最小瞬时旋转速度之间的差异来确定由粘滑所导致的扭转振动的振幅。优选地，以预定间隔，例如每四秒记录轴向、横向和扭转振动的均方根和峰值。轴向、横向和扭转振动的振幅可例如经由泥浆脉冲遥测技术传递到地面或者在井下储存，以用于后续分析。 [0006] 不利的是，尽管能够检测到有害的扭转振动、特别是“粘滑”的存在，目前并不存在有效的方法来对这样的振动进行阻尼。因此，存在对用于对钻柱中的振动，特别是由粘滑所导致的扭转振动进行阻尼的设备和方法的需要。 发明内容[0007] 本发明提供用于减小钻柱扭转振动，包括由于粘滑造成的扭转振动的设备和方法。根据本发明，能够例如通过与钻孔壁相互作用或者通过引起内部旋转流体阻力来向钻柱施加扭转阻尼力（即，反向扭矩），并且由此限制钻柱的最大角速度。 [0008] 本发明涵盖一种对钻柱中的扭转振动进行阻尼的方法，所述钻柱具有用于穿过地层钻出钻孔的钻头。所述方法包括以下步骤：（i）沿第一旋转方向向所述钻柱施加扭矩，以致使所述钻柱在所述第一旋转方向上旋转，由此所述钻头在地层中钻出钻孔；（ii）感测指示在所述钻柱中存在扭转振动的与所述钻柱的旋转相关联的参数的数值；（iii）将所述参数的数值与第一阈值进行比较；以及（iv）当所述参数的数值超过所述阈值时，向所述钻柱施加反向扭矩，所述反向扭矩作用在与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向上，以对所述扭转振动进行阻尼。在一个实施例中，通过对所述钻柱的旋转强加摩擦阻力来向所述钻柱施加反向扭矩。在该实施例的一个示例中，通过围绕钻孔壁拖动摩擦构件来向所述钻柱施加反向扭矩。在该实施例的另一个示例中，通过对所述钻柱的旋转增加流体摩擦阻力来施加反向扭矩。 [0009] 本发明还包括一种用于对钻柱中的扭转振动进行阻尼的设备，所述钻柱具有用于穿过地层钻出钻孔的钻头，所述设备包括：（i）沿第一旋转方向向所述钻柱施加扭矩以使所述钻柱沿所述第一旋转方向旋转由此钻头在地层中钻出钻孔的装置；（ii）传感器，所述传感器用于感测指示在所述钻柱中存在扭转振动的与所述钻柱的旋转相关联的参数的数值；以及（iii）当所述参数的数值超过第一阈值时向所述钻柱施加反向扭矩的装置。在该设备的一个实施例中，用于向所述钻柱施加反向扭矩的装置包括用于对所述钻柱沿第一旋转方向的旋转强加摩擦阻力的装置，所述摩擦阻力足以形成对所述钻柱的扭转振动进行阻尼的所述反向扭矩。在该实施例的一个示例中，通过围绕钻孔的壁拖动摩擦构件来向所述钻柱施加所述反向扭矩。在该实施例的另一个示例中，通过对所述钻柱的旋转增加流体摩擦阻力来施加反向扭矩。附图说明 [0010] 图1为使用结合根据本发明的减振模块的钻柱的钻探操作的部分示意图。 [0011] 图2为在阻尼模块的位置处的穿过图1所示的钻柱所截取的横截面图。 [0012] 图3为类似于图2的视图，示出本发明的阻尼模块的另一实施例。 [0013] 图4为穿过根据本发明的阻尼模块的另一实施例的纵截面图。 [0014] 图5为类似于图4的视图，示出了本发明的阻尼模块的另一实施例。 [0015] 图6A、图6B和图6C分别为用在图5所示的阻尼模块中的泵的可替代实施例的分解图、纵截面图和横截面图。 [0016] 图7为穿过图1所示的钻铤的一部分的纵截面图，示出了根据本发明的阻尼模块的另一实施例。 [0017] 图8为类似于图7的视图，示出了本发明的另一实施例，其中，阻尼模块对横向振动进行阻尼。 具体实施方式[0018] 图1描绘了使用钻柱12的地下钻探操作，钻柱12结合有根据本发明的扭转振动阻尼器模块10。钻柱12包括钻铤14、形成钻柱的井下端的底孔组件（“BHA”）11和钻头13。根据本发明，BHA还包括振动阻尼模块10。可通过旋转钻柱12来旋转钻头13。通过将相对较长的管段（通常被称作“钻管”）连接在一起而形成钻柱12。随着钻柱12更深地进入到地层16中，能够通过将额外的钻管段连接到钻柱来增加钻柱14的长度。 [0019] 可通过位于地面上的钻机15的马达21来施加用以沿第一旋转方向，例如当在钻柱上往下看时的顺时针方向旋转钻柱12的扭矩。钻探扭矩从马达21通过转盘22、方钻杆（未图示）和钻铤14而传递到钻头13。旋转钻头13前移到地层16中，从而形成钻孔17。在另一方法中，泥浆马达（未图示）被结合到底孔组件11中，从而钻头13由泥浆马达而非钻柱13的旋转来旋转，或钻头13由泥浆马达与钻柱13的旋转组合来旋转。 [0020] 钻探泥浆被从地面泵送通过钻柱12中的中心通路并且从钻头13出来。由位于地面处的泵18来循环钻探泥浆。当通过钻头13离开时，钻探泥浆通过形成在钻铤14和钻孔17的表面之间的环形通路19而返回到地面。 [0021] 能够响应于操作者通过地面控制系统20的输入来控制钻机15和钻柱12的操作。 [0022] BHA11还能够包括悬挂在钻铤14内的随钻测量（“MWD”）工具30。该MWD工具30能够包括泥浆脉冲遥测系统，其包括控制器、脉冲器和压力脉动传感器31。所述泥浆脉冲遥测系统能够促进在底孔组件11和地面之间通信。 [0023] MWD工具30还能够包括传感器62（在图2中示出），优选地包括至少两个传感器，用于感测钻柱12的旋转。这样的传感器62可包括三个磁力计，该三个磁力计能够被用于确定钻柱关于其轴线的相对定向，如在美国专利No.7,681,663（Cobern）中所描述，该专利文献以全文引用的方式结合到本文中。在MWD工具30中的信号处理器33能够处理从传感器62获得的测量，以确定在传感器的位置处的钻柱的大致瞬时角速度（即，MTF的变化率）。处理器33比较由传感器62测量的钻柱12的最小瞬时速度和最大瞬时速度，其中差异指示扭转振动或“粘滑”的振幅。优选地，传感器62的读数以1000Hz（每毫秒一次）的采样率被取样，并且被向下滤波至250Hz。通过计算在特定时间段内的最小角速度和最大角速度之间的差来确定扭转振动。 [0024] 与钻探操作有关的信息和命令能够使用泥浆脉冲遥测系统在地面和阻尼模块10之间传递。泥浆脉冲遥测系统的脉冲器能够使用地下钻探技术领域中的技术人员已知的技术在被泵送通过钻铤14的钻探泥浆中产生压力脉冲。位于井下组件中的控制器能够将待被传递的信息编码成压力脉冲序列，并且该控制器能够使用已知的技术命令脉冲器在钻探泥浆中生成所述脉冲序列。 [0025] 位于地面处的应变计压力换能器（未图示）能够感测在钻探泥浆柱中的压力脉冲，并且生成表示脉冲的电输出。所述电输出能够被传递到地面控制系统20，所述地面控制系统20能够对原始以脉冲编码的数据进行解码和分析。钻探操作者能够使用该信息来设定钻探参数。 [0026] 在美国专利No.6,714,138（Turner等人）和美国专利No.7,327,634（Perry等人）中描述了合适的脉冲器，以上两个专利文献中的每一个都以全文引用的方式结合到本文中。在2005年3月21日提交且标题为“System and Method for Transmitting Information Through a Fluid Medium”的美国申请序列号11/085,306中描述了能够结合泥浆脉冲遥测系统321使用的用于生成、编码和解码压力脉冲的技术，该申请以全文引用的方式结合到本文中。 [0027] 还能够通过位于地面处的脉冲器（未图示）在钻柱12内的钻探泥浆柱中生成压力脉冲。用于阻尼器模块10的命令能够基于来自钻探操作者的输入以这些脉冲进行编码。根据本发明的一方面，在底孔组件11中的压力脉动传感器31感测从地面传递的压力脉冲，并且能够向处理器33发送表示所感测到的压力脉冲的输出。处理器33能被编程为对以压力脉冲编码的信息进行解码。该信息能够被用于操作阻尼器模块10，从而阻尼器模块的操作能够受到钻探操作者控制。例如，操作者能够改变阻尼模块将被处理器33致动或停用的阈值。在美国专利No.6,105,690（Biglin,Jr.等人）中描述了适用作压力脉动传感器31的压力脉动传感器，该专利以全文引用的方式结合到本文中。 [0028] 在图2中示出扭转阻尼模块10的第一实施例。模块10被联接到钻柱12并且随着钻柱12一起旋转。模块10包括腔室46，活塞50的一端51被设置在该腔室46中。活塞50的另一端接触摩擦垫44。摩擦垫44绕枢轴销64枢转，从而活塞50的延伸致使摩擦垫 44通过绕枢轴销旋转而径向向外延伸，并且接合地层16中的钻孔17的侧部。弹簧52联接到摩擦垫44，以将摩擦垫44偏压到其缩回位置中。出于说明目的，图2以实线示出处于其延伸位置的第一摩擦垫44，并且以虚线示出了处于其缩回位置的第二摩擦垫44。但是如将在下文中进一步讨论，总体上，在阻尼模块中的所有摩擦垫44将同时延伸或缩回。而且，尽管在图2中仅示出了两个摩擦垫组件，多于两个摩擦组件能够结合到每个阻尼模块中。优选地，每个摩擦垫44与在阻尼模块10中的每另一个摩擦垫44轴向移位，但若需要，所有的摩擦垫44能位于相同的平面中。 [0029] 从泥浆泵18流动到钻头13的钻探泥浆流动通过阻尼模块10中的中心通路106。作为主要由于流动通过钻头13所导致的压降的结果，在通路106中的泥浆的压力显著地大于环形通路19中的泥浆的压力，所述环形通路19形成在阻尼模块10和钻孔17之间，从钻头13排放的钻探泥浆通过该环形通路19返回到地面，用以再循环。因此，在中心通路106和环形通路19中的钻探泥浆之间存在大的压差。通路49使中心通路106中的高压钻探泥浆与设置在活塞50的端部51的一侧上的腔室46的第一部分45流动连通。通过45使腔室部分45与腔室46的第二部分47流动连通，腔室46的第二部分被设置在与腔室部分45相反的活塞端51的一侧上。通路42中的孔口65限制在腔室部分45和47之间的泥浆的流动。虽然在优选实施例中使用固定孔口65，但是也能够替代地使用受到处理器33控制的开关阀或可变流动控制阀，从而能排除或调节在腔室部分45和47之间的泥浆的流动。通路53和54使腔室部分47与环形通路19流动连通。通路54中的阀56调节泥浆从腔室部分47到环形通路19的流动，所述阀56优选地为响应于来自处理器33的信号而操作的电磁阀。一对弹簧48将活塞50的端部51偏压到缩回位置中。 [0030] 当没有泥浆流动通过钻柱14时，在活塞50两端并不存在压差，并且所述弹簧52将摩擦垫44维持在缩回位置，以促进钻柱12旋转和滑动到钻孔17中。除非由处理器33确定的扭转振动的振幅超过阈值，阀56保持关闭。 [0031] 当泥浆流动通过钻柱，但通路54中的阀54关闭时，高压泥浆将从中央通路106通过通路49流动到腔室部分45中。泥浆将从腔室部分45通过通路42流动到腔室部分47中，并且因此通过通路53流动到环形通路19，以返回到地面。由于在腔室部分45与47之间的压差，在活塞50的端部51的两侧形成压差，压差的大小取决于在通路42和53之间的流动面积的差等。该压差使得力F1作用在活塞50上，这趋于径向向外驱动活塞并且和因此驱动该活塞所接触的摩擦垫44。另一方面，作用在活塞50上的弹簧48和作用在摩擦垫44上的弹簧52在活塞50上施加合力F2，其趋于径向向内驱动活塞。优选地，相对于通路42中孔口62的设定通路53的尺寸，从而通过通路53和42的相对泥浆流量使得当泥浆流动通过钻柱，但阀56关闭时，腔室部分45和47之间的压差导致延伸力F1稍微大于缩回力F2。因此，为力F1和F2之间差的力F3被施加到摩擦垫44。由于F3相对较小，所以当钻柱操作并且泥浆流动通过钻柱，但扭转振动并不超过阈值时，摩擦垫44轻微地承靠在钻孔17的壁上。当钻柱操作时由摩擦垫44抵靠钻孔17的相对恒定的轻微接触将不会造成摩擦垫过度磨损，也不会造成钻柱角速度的明显延迟。但是，其允许摩擦垫44在钻柱的操作期间持续展开（deploy），并且准备对于高扭转振动做出快速响应，同时并不向钻孔壁施加明显的力。 [0032] 由于摩擦垫44抵靠钻孔17的壁持续地展开，尽管较为轻微，所以阻尼模块10能够非常快速地向钻柱12施加反向扭矩，以对扭转振动进行阻尼。特别地，摩擦垫44能够非常快速地向钻孔壁施加显著的力，这是因为将摩擦垫从缩回位置移动到延伸位置所需的时间段由于摩擦垫在钻柱操作期间被恒定地保持在延伸位置而被消除。 [0033] 当处理器33基于来自传感器62的信息确定扭转振动已经超过阈值时，通路54中的阀56被打开。所述阈值可以是预定数值或者可以是可变的，所述阈值的数值取决于操作条件，诸如钻柱的长度、钻柱的RPM等。阀56的打开增加钻探泥浆从腔室部分47到环形通路19的流动，特别地归因于先前所讨论的通过钻头13的压降，在环形通路19中的泥浆的压力显著地低于在中心通路106中流动的泥浆的压力。通路42中的孔口65的尺寸被设定为使得通过通路54到环形通路19的泥浆流能够远大于通过在腔室部分45和47之间的通路42的泥浆流。因此，阀58的打开在活塞50的端部51两侧生成显著的压差。该压差生成显著的延伸力F1，以明显地克服由弹簧48和52所产生的缩回力F2的阻力，使得相对大的力F3驱动活塞50抵靠摩擦垫44。因此，摩擦垫44以显著的力压靠在钻孔17的壁上，从而生成摩擦曳力，该摩擦曳力则产生“反向”扭矩，即，在与被施加以使钻柱旋转的扭矩的方向相反方向上施加的扭矩，使得所述反向扭矩对抗钻柱的旋转。该“反向”扭矩对钻柱12的扭转振动进行阻尼。 [0034] 因此，当钻头13“卡钻”之后“滑移”，从而随着钻柱12解绕而加速时，由阻尼模块10所产生的“反向”扭矩用于减弱钻头13的加速度，从而减小钻头达到的最大角速度，并且因此减小伴随的扭转振动的振幅。优选地，处理器33同时地发送使阻尼模块中的其它摩擦垫组件的阀56类似地致动的信号。 [0035] 应认识到扭转振动的频率通常相对较高。因此，阻尼模块10优选地能对于过度的扭转振动的感测做出非常快速的响应，例如，在毫秒内做出响应。 [0036] 当处理器33确定扭转振动已经降低到低于阈值时，该阈值可以与用于致动摩擦垫44的阈值相同或可以是不同的阈值），处理器停用阀56，即关闭阀56，使得在腔室部分45和47之间的压差再次被最小化。因此，在活塞50的端部51两侧的压差被最小化，从而导致摩擦垫44如之前那样仅轻微接触钻孔17壁。 [0037] 尽管如上文所讨论那样，阀56为每当从处理器33接收到致动信号时完全打开的电磁阀，但是也能够使用可变流量控制阀。在该构造中，处理器被编程为改变通过阀56的流动，并且由此改变摩擦垫44施加到钻孔17的力。而这允许改变由模块10形成的阻尼量，这取决于所测量到的扭转振动的水平，或者取决于沿着钻柱12的长度的阻尼器模块10的位置。 [0038] 尽管在上文所讨论的实施例中，仅在阀56响应于由处理器33确定扭转振动超过阈值而打开时致动摩擦垫44，阻尼模块还能够被操作为例如通过摒弃阀56而总是致动摩擦垫44并且向钻孔壁施加显著的力。在该构造中，无论扭转振动水平如何，阻尼模块10将在每当泥浆流动时提供阻尼。 [0039] 尽管在上文所讨论的实施例中，通路53被用于在腔室部分45和47之间形成相对较小的压差，以将摩擦垫44持续地放置在延伸位置而不向钻孔壁施加显著的力，替代地，可消除（eliminate）通路53并且通路54中的阀56能够是流量控制阀，该流量控制阀改变通过通路54中的流率，以维持在腔室部分45和47之间相对小的压差。在该构造中，压力传感器（未图示）能够被用于测量钻探泥浆的压力，或者直接地测量在腔室部分45和47之间的压差，并且该测量结果被提供给处理器33。处理器33将被编程为具有以下逻辑：允许处理器33控制阀56，以将腔室45和47之间微小压差维持为足以维持摩擦垫44被展开但并不施加明显摩擦曳力。 [0040] 尽管在上文所讨论的实施例中，通路53或阀56用于将摩擦垫44持续地放置在延伸位置，可替代地，可简单地消除通路53并且在正常操作期间将阀56维持关闭。在该情形中，通路42使腔室部分45中的钻探泥浆的压力与腔室部分47中的钻探泥浆的压力均等，并且在正常操作期间将活塞50维持在缩回位置，以最小化摩擦垫44的磨损。在该实施例中，摩擦垫44仅在扭转振动超过阈值时延伸。 [0041] 尽管在图1中仅示出一个阻尼模块10，但是多个类似的阻尼模块能够在整个钻柱12上隔开，优选地在钻柱的下部中。阻尼模块10则将在沿着钻柱12的离散位置处施加反向扭矩。在这些阻尼模块中每一个阻尼模块中的处理器33能够致使每个阻尼模块的摩擦垫44同时地运行，或者每个处理器33能够被单独地编程，以对在该模块处所测量的不同水平的扭转振动做出响应。 [0042] 尽管如上文所讨论的那样，活塞50抵着钻孔17的壁径向向外驱动摩擦构件，在替代实施例中，可免除垫44，并且活塞本身能够是与钻孔壁接触以对扭转振动进行阻尼的摩擦构件。此外，尽管在优选实施例中，弹簧48和52用于对活塞50施加缩回力，但是能够免除这些弹簧中的一个或多个。如果弹簧48或52没有被使用，则施加到钻孔17的壁上的力F3将等于由活塞50生成的力F1。 [0043] 如先前所讨论的那样，根据本发明的一个方面，能够通过在泥浆中生成压力脉冲或者通过开始和停止钻柱旋转而从地面控制阻尼模块。可替代地，可在地面处生成电磁信号，并且由BHA中的合适传感器接收该电磁信号。这种下行链结（down-linking）允许钻机操作者改变扭转振动阈值水平或者改变当装置被致动时所施加的阻尼力的大小，装置在所述扭转振动阈值水平处被致动。另外，应当指出的是，在粘滑期间，沿着钻柱12的角速度变化在更靠近钻头13处比在地面附近大。因此，如果多个阻尼模块10沿着钻柱12的长度分布，如上文所讨论的那样，每个模块均能够由操作者使用泥浆脉冲遥测技术单独地指挥，以调节该模块的阻尼力或扭转振动阈值。因此，例如，更靠近钻头13的阻尼模块能够比远离钻头的阻尼模块施加更大的摩擦曳力。 [0044] 在图3中示出了根据本发明的阻尼模块10'的第二实施例。该实施例以类似于上文所描述的实施例10的方式起作用。模块10'包括外壳122，联接到模块的驱动轴99延伸通过该外壳122，使得模块随着驱动轴旋转，所述驱动轴则联接到钻柱12。轴99中形成有中心通路106，钻探泥浆流动通过所述中心通路106，如上文所解释的那样。来自液压系统的通路150供应液压流体，当处理器33响应于扭转振动致动液压系统（未图示）中的阀时，所述液压流体对缸152进行加压。缸152的加压致动活塞154，这致使摩擦垫112绕枢轴销158旋转并且接触钻孔17，从而形成阻尼力，如上文所解释的那样。 [0045] 在 标 题 为“Rotary Steerable Motor System For Underground Drilling”（Turner等人）的美国专利No.7,389,830中更全面地描述致动活塞154的系统，该专利文献以其全文引用的方式结合到本文中，除了为了实现振动阻尼，加压液压流体被同时地供应到每个缸152，而非如在前述专利中所描述的那样相继地实现钻头13的转向之外。可替代地，模块10'的摩擦垫112能够根据前述专利被相继地（sequentially）致动以便实现转向，但加上在这些水平叠加的均匀程度的向外力以实现阻尼，即，被供应到缸152的液压流体能够通过模块10'的每次旋转而改变，使得尽管每个摩擦垫112在模块10'的每个360°旋转期间与钻孔17持续地接触，但是摩擦垫施加到钻孔的向外力的振幅（amplitude）在每个360°旋转期间改变，如在前述专利中所描述的那样，从而钻头13的路径被改变。以此方式，模块10'能够在不同时间或者在相同时间同时地实现转向和阻尼。 [0046] 在图4中示出了扭转振动阻尼器10"的第三实施例。该模块10"包括外壳90，外壳90封闭轴70。轴70被联接到钻柱12并且随着钻柱12旋转，并且所述轴70在模块外壳90的任一侧上被支承在轴承76上。来自地面的钻探泥浆流动通过轴70中的中心通路106，如上文所讨论的那样。多个活塞腔室80被支承在外壳90内，并且绕模块10的圆周在前后位置处隔开。滑动活塞74被支承在每个腔室80内，并且被弹簧78径向向内偏压到缩回位置中。当钻柱不旋转并且没有泥浆被泵送通过钻柱时，活塞74的缩回促进钻柱12滑动到钻孔17中。 [0047] 通路82使在中心通路106中流动的钻探泥浆与腔室80中的每一个腔室流动连通。因此，每当发生钻探，并且钻探泥浆流动通过中心通路106时，每个腔室80中的钻探泥浆的压力径向向外驱动活塞74，使得所述活塞74接触钻孔17的壁。不同于上文所讨论的阻尼模块10和10'，在该实施例中，腔室80和活塞74的尺寸被设定为使得由活塞抵着钻孔17生成充分的力以防止阻尼模块10"的外壳90的任何旋转，即使当活塞对阻尼扭转振动的力产生反作用时也如此，如下文所讨论的那样。因此，活塞74充当防止外壳90旋转的锚固件。 [0048] 腔室87被安装在外壳90中，并且具有密封件，该密封件作用在轴70的外径上，从而将该腔室密封。一排旋转叶片86被联接到轴70并且沿圆周排列，使得所述一排旋转叶片86在腔室87内从轴70径向向外延伸。一排静叶（vane）88安装在外壳90中并且沿圆周排列，使得所述一排静叶88在腔室87内从外壳90径向向内延伸，并且使得每一排静叶88被设置在两排旋转叶片86之间，由此在每个静叶排和相邻的叶片排之间形成轴向间隙。 由于静叶88被安装在外壳90中，并且活塞74防止外壳旋转，所以静叶88被保持静止。尽管示出了三排叶片86和两排静叶88，但是也能够利用更大或更少数目的叶片和静叶。电磁体84和85被定位在腔室87的任一侧上。电磁体84、85的线圈在处理器33的控制下由电源72例如电池供电。 [0049] 腔室87，包括在叶片排86与静叶排88之间的轴向间隙，填充有磁流变流体（在下文中被称作“MR流体”）。MR流体通常包括铁磁或顺磁性粒子的非胶态悬浮液。所述粒子通常具有大于大约0.1微米的直径。所述粒子悬浮在载液中，例如矿物油、水或硅中。在正常条件下，MR流体具有常规油的流动特征。但在磁场（例如由电磁体84和85所形成的磁场）存在的情况下，悬浮在载液中的粒子被极化。该极化导致所述粒子在载液中组织成链。该粒子链增加MR流体的流体剪切强度（和因此增加流动阻力或粘性）。在移除磁场之后，粒子返回到无组织状态，并且流体剪切强度和流动阻力返回到其先前的数值。因此，磁场的受控施加允许非常迅速地改变MR流体的流体剪切强度和流动阻力。美国专利no.5,382,373（Carlson等人）中描述了MR流体，其以全文引用的方式结合到本文中。适用于阻尼模块10"的MR流体可购自APS Technology of Cromwell,CT。 [0050] 在正常操作期间，没有功率被供应到电磁体84和85的线圈，使得MR流体几乎不对叶片86相对于静止静叶88的旋转施加阻力。但是，如果处理器33确定扭转振动超过了阈值，电磁体84、85的线圈被供电，由此形成磁场，该磁场增加腔室87中的MR的粘度。增加的粘度增加叶片所经受的流动阻力，由此形成对扭转振动进行阻尼的力。因此，作为如在上文所讨论的实施例10和10'中在衬垫44、112和钻孔17之间的摩擦阻力的替代，在实施例10"中，在模块10"内部形成的流体摩擦阻力被用于形成对扭转振动进行阻尼的反向扭矩。供应给电磁体84、85的电流越大，MR流体所经受的磁场就越强，因此，施加到叶片86旋转的阻力就越大，并且阻尼力就越大。因此，通过控制到电磁体84、85的电流，处理器33能改变由阻尼模块10"施加到钻柱上的阻尼的量。 [0051] 在图5中示出了阻尼模块10"'的第四实施例。除了腔室87包括联接到轴70以随着轴70一起旋转的叶轮96，所述腔室87在外壳90内被保持静止，而外壳90由活塞74保持静止之外，该实施例类似于在图4中示出的实施例10"。填充有流体的流动通路94连接叶轮96的入口97和出口98，使得叶轮充当将流体循环通过通路94的泵。流动通路94中的阀92调节通路中的压降。在正常操作期间，阀92完全打开，使得流体通过通路94的流动几乎不存在流体阻力，并且因此叶轮96旋转的几乎不存在阻力。但是，当处理器33确定扭转振动超过阈值时，处理器33将阀92关闭，从而减小通路94的流动面积并且对流体通过通路94的流动形成额外阻力。该对叶轮96的旋转，并且因此轴70和轴70为其一部分的钻柱的旋转的额外流动阻力形成对扭转振动进行阻尼的力（即，反向扭矩）。阀92关闭越紧，施加到叶轮96的阻力就越大并且阻尼力就越大。因此，通过控制阀92，处理器33能够改变由阻尼模块10"'施加到钻柱上的阻尼的量。应当指出的是，类似实施例10"，在实施例10"'中，在模块10"'内部形成的流体摩擦阻力用于形成对扭转振动进行阻尼的反向扭矩。 [0052] 图6A、图6B和图6C示出了图5所示的阻尼模块10"'中的泵的替代实施例。图6所示的泵114为正排量泵，而非图5所示的叶轮型泵，并且优选地为液压静叶泵（hydraulic vane pump），如图6A和图6B和图6C所示和如先前以引用的方式结合到本文中的美国专利No.7,389,830所描述。泵114包括定子127和居中地设置在定子124内的转子128。泵114还包括固定到定子127的井下端（down-hole end）的轴承密封外壳129和固定到定子 127的井上端（up-hole end）的歧管130。轴承被居中地设置在轴承密封外壳129内。图 6B所示的驱动轴70使转子128相对于定子127旋转，所述驱动轴70被联接到钻柱以随之旋转。轴承124使驱动轴70大致对中在外壳122内，同时促进驱动轴70相对于外壳122旋转。泵114、外壳122和驱动轴70大致同心。泵114的定子127、轴承密封外壳129和歧管130被限制相对于外壳122旋转，并且优选地通过将外壳122锚固到钻孔壁来防止旋转，定子127、轴承密封外壳129和歧管130被联接到外壳122，如在先前结合图4和图5所示的外壳90所讨论的那样。 [0053] 歧管130中形成有三个入口端口131a和三个出口端口131b。可以是合适的高温低压缩性油，例如MOBIL624合成油的流体通过入口端口131a进入液压泵114。弹簧加载的静叶132被设置在形成在转子128中的径向凹槽133中。三个凸轮凸角（cam lobe）134围绕定子124的内圆周定位。在转子128在定子127内旋转时，凸轮凸角134接触静叶132。凸轮凸角134的形状结合在静叶132上的弹簧力导致静叶132缩回和延伸进出凹槽133。 [0054] 由于凸轮凸角134的形状和在静叶132上的弹簧力，每个静叶132在其旋转经过入口端口131a时径向向外移动。该移动生成吸力，该吸力将油抽吸通过入口端口131a，并且抽吸到转子128和定子127之间的区域中。静叶132的进一步移动沿顺时针方向朝下一个凸轮凸角134和出口端口131b扫掠油。在油被朝出口端口131b扫掠时，凸轮凸角134的轮廓减小在转子128和定子127之间的区域，并且由此升高油压。加压的油被迫使通过出口端口131b从泵114出来。 [0056] 泵114由驱动轴70驱动。特别地，位于转子128内的驱动轴70的部分优选地在其外圆周的周围形成有花键135。所述花键135大致沿轴向方向延伸。所述花键135接合形成在转子128上的互补花键136，使得驱动轴70相对于外壳122的旋转对转子施加相对应的旋转。使用轴向定向的花键135、136促进在驱动轴70和转子128之间在轴向方向上有限程度的相对运动。该运动能够由于诸如下列因素造成：差热偏转、机械荷载等。允许转子128相对于驱动轴70移动能够减小泵114经受由于其与驱动轴70相互作用而造成的过量应力的可能性。滚珠轴承148被居中地位于歧管130内。轴承148帮助将驱动轴70对中在泵114内，并且因此减小泵114被驱动轴70强加到其上的过量径向荷载损坏的可能性。 利用在润滑回路中的油来润滑轴承148。 [0057] 在图7中示出了阻尼模块10""的第五实施例。这是无源阻尼器概念，并且在理论上类似于用于联接旋转机械的装置。该概念使用位于钻铤14内并且通过螺纹衬套104联接到钻铤14的柱形内部质量体100。所述螺纹衬套104键接到钻铤14并且因此随钻铤一起旋转，钻铤则随着钻柱12一起旋转。安装在钻铤14中的轴承102径向且在轴向支承所述质量体100，使得所述质量体能够相对于钻铤14和螺纹衬套104旋转。质量体的一端具有公螺纹，并且衬套104具有配合的母螺纹，从而质量体和衬套螺接在一起。这允许钻铤14相对于质量体100旋转。蝶形弹簧组105位于衬套104的端部和形成在钻铤14中的壁107之间。 [0058] 当钻铤14例如由于粘滑而开始旋转加速时，质量体100的惯性抵抗旋转加速。因此，质量体100至少在最初以比钻铤13更低的旋转速度旋转。钻铤14和质量体100之间的旋转速度差导致螺纹衬套104相对于钻铤14向图7中的右方轴向移位，即，衬套104开始从质量体“旋开”。该移位导致螺纹衬套104压缩弹簧组105，从而导致所施加的扭矩与钻铤速度增加的方向相反。与衬套104中的螺纹相关联的螺旋角导致质量体100的惯性阻力向钻铤14施加扭矩，该扭矩抵抗加速并且由此对扭转振动进行阻尼。因此，质量体100的作用在于，当卡住的钻头13“滑移”时有效地阻碍钻柱12加速。在钻铤14到达其最大速度并且开始减速时，质量体100的惯性沿相反方向施加扭矩，从而减小减速的速率。因此，在钻铤14的速度变化的任何时间，质量体100沿相反方向施加扭矩，从而有效地对扭转振动进行阻尼。 [0060] 图8示出了本发明的另一实施例，其中，阻尼模块200用于对横向振动，包括涡旋进行阻尼。横向振动导致钻铤14循环挠曲并且横向移动。根据该实施例，柱形内部质量体100'借助于弹性体层202联接到钻铤14，所述弹性体层202结合到钻铤14和质量体。优选地，弹性体202为具有优良阻尼特征的类型的橡胶。 [0061] 钻铤14在横向振动期间挠曲，从而导致在钻铤14和柱形内部质量体100'之间的相对移位。该相对移位导致弹性体层202经历应变。层202的滞后阻尼了横向振动。在其中钻铤14绕钻孔17进动的涡旋的情况下，质量体100'横向偏转，从而向层202施加应变，导致阻尼。 |
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