[go: up one dir, main page]

EA050247B1 - BIT SUPPORT UNIT INCLUDING A HIGH-FREQUENCY TORSIONAL VIBRATION DAMPER - Google Patents

BIT SUPPORT UNIT INCLUDING A HIGH-FREQUENCY TORSIONAL VIBRATION DAMPER Download PDF

Info

Publication number
EA050247B1
EA050247B1 EA202290873 EA050247B1 EA 050247 B1 EA050247 B1 EA 050247B1 EA 202290873 EA202290873 EA 202290873 EA 050247 B1 EA050247 B1 EA 050247B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
damping
bit
support unit
friction
damper
Prior art date
Application number
EA202290873
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андреас ХОЛЬ
Саша Михайлович
Original Assignee
Бейкер Хьюз Холдингз Ллк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Бейкер Хьюз Холдингз Ллк filed Critical Бейкер Хьюз Холдингз Ллк
Publication of EA050247B1 publication Critical patent/EA050247B1/en

Links

Abstract

Описаны системы и способы демпфирования крутильных колебаний скважинных систем. Указанные системы включают в себя скважинную колонну, опорный узел долота, выполненный с возможностью крепления и приема устройства разрушения породы, причем указанное устройство разрушения расположено на конце скважинной колонны и установлено на опорном узле долота, и демпфирующую систему, выполненную по меньшей мере с возможностью одного из: установки на опорном узле долота или в нем, причем демпфирующая система содержит по меньшей мере один демпферный элемент, расположенный в контакте с участком опорного узла долота.Systems and methods for damping torsional vibrations of borehole systems are described. These systems include a borehole string, a bit support unit configured to secure and receive a rock breaking device, said breaking device being located at the end of the borehole string and mounted on the bit support unit, and a damping system configured to at least one of the following: be mounted on or within the bit support unit, wherein the damping system comprises at least one damper element located in contact with a portion of the bit support unit.

Description

Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross-reference to related applications

Данная заявка испрашивает преимущество заявки на патент США № 16/568789, поданной 12 сентября 2019 г., которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.This application claims the benefit of U.S. Patent Application No. 16/568,789, filed September 12, 2019, which is incorporated herein by reference in its entirety.

Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of an invention

1. Область применения изобретения.1. Field of application of the invention.

Настоящее изобретение по существу относится к скважинным операциям и системам для демпфирования вибраций скважинных систем во время работы.The present invention generally relates to well operations and systems for damping vibrations of well systems during operation.

2. Описание предшествующего уровня техники.2. Description of the prior art.

Скважины бурятся вглубь земной коры для достижения многих целей, таких как секвестрация углекислого газа, поиск и разработка геотермальных источников, разведка и добыча углеводородов. Во всех случаях стволы скважин бурят так, чтобы они открывали доступ или проходили через место залегания материала (например, газа или жидкости), содержащегося в пласте (например, резервуаре), расположенном под поверхностью земли. В стволах скважин могут располагаться различные типы инструментов и устройств для выполнения различных задач и измерений.Wells are drilled into the earth's crust for many purposes, such as carbon dioxide sequestration, geothermal exploration and production, and hydrocarbon exploration and production. In all cases, wellbores are drilled to access or penetrate a material (such as a gas or liquid) contained in a formation (such as a reservoir) beneath the earth's surface. Wellbores may contain various types of tools and devices to perform various tasks and measurements.

В процессе эксплуатации забойные компоненты могут подвергаться вибрации, которая может повлиять на эффективность их работы. Например, сильные вибрации в бурильных колоннах и компоновках низа бурильной колонны (КНБК) могут быть вызваны усилиями резания на долоте или дисбалансами масс в забойных инструментах, таких как забойные двигатели. Воздействие таких вибраций может включать, помимо прочего, снижение скорости проходки, снижение качества измерений, а также чрезмерную усталость и износ забойных компонентов, инструментов и/или устройств.During operation, downhole components may be subject to vibration that may affect their performance. For example, severe vibrations in drill strings and bottom hole assemblies (BHAs) may be caused by cutting forces on the bit or mass imbalances in downhole tools such as mud motors. The effects of such vibrations may include, but are not limited to, reduced ROP, reduced measurement quality, and excessive fatigue and wear of downhole components, tools, and/or devices.

Изложение сущности изобретенияStatement of the essence of the invention

В настоящем документе описаны системы и способы для демпфирования колебаний, таких как крутильные колебания, скважинных систем. Системы включают в себя скважинную систему, выполненную с возможностью вращения внутри ствола скважины и демпфирующую систему, выполненную на скважинной системе. Демпфирующая система включает в себя один или более демпферов, которые установлены на опорном узле долота скважинной системы или в нем. Демпферы выполнены с возможностью уменьшения или устранения одного или более конкретных режимов и, таким образом, в могут быть достигнуты улучшенные скважинные работы и/или большая эффективность.The present document describes systems and methods for damping vibrations, such as torsional vibrations, of well systems. The systems include a well system configured to rotate within a wellbore and a damping system implemented on the well system. The damping system includes one or more dampers that are mounted on or in a bit support unit of the well system. The dampers are configured to reduce or eliminate one or more specific modes and, thus, improved well operations and/or greater efficiency can be achieved.

Дополнительно описаны системы и способы демпфирования крутильных колебаний скважинных систем. Указанные системы включают в себя скважинную колонну, опорный узел долота, выполненный с возможностью крепления и приема устройства разрушения породы, причем указанное устройство разрушения расположено на конце скважинной колонны и установлено на опорном узле долота, и демпфирующую систему, выполненную по меньшей мере с возможностью одного из:Additionally, systems and methods for damping torsional vibrations of borehole systems are described. Said systems include a borehole string, a bit support unit designed with the possibility of securing and receiving a rock destruction device, wherein said destruction device is located at the end of the borehole string and mounted on the bit support unit, and a damping system designed with at least one of the following:

установки на опорном узле долота или в нем, причем демпфирующая система содержит по меньшей мере один демпферный элемент, расположенный в контакте с участком опорного узла долота.installations on or in the bit support unit, wherein the damping system comprises at least one damping element located in contact with a section of the bit support unit.

Указанные способы включают в себя установку демпфирующей системы по меньшей мере в одном из вариантов:The specified methods include installing a damping system in at least one of the following variants:

на опорном узле долота или в его составе, расположенном на скважинной колонне скважинной системы, причем опорный узел долота имеет прикрепленное к нему устройство дезинтеграции. Демпфирующая система включает в себя по меньшей мере один демпферный элемент, расположенный в контакте с участком опорного узла долота, причем по меньшей мере часть демпферного элемента перемещается относительно опорного узла долота со скоростью, которая представляет собой сумму периодических изменений скорости, имеющих амплитуду и среднюю скорость.on the support unit of the bit or as part of it, located on the well string of the well system, wherein the support unit of the bit has a disintegration device attached to it. The damping system includes at least one damping element located in contact with a section of the support unit of the bit, wherein at least part of the damping element moves relative to the support unit of the bit at a speed that is the sum of periodic changes in speed having an amplitude and an average speed.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

Объект изобретения, который рассматривается в качестве настоящего изобретения, в частности, указан и явно заявлен в формуле изобретения в заключительной части данного описания. Вышеуказанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из последующего подробного описания, рассматриваемого совместно с прилагаемыми графическими материалами, причем подобные элементы обозначены подобными ссылочными позициями, причем:The subject matter of the invention, which is considered to be the present invention, is particularly pointed out and expressly claimed in the claims at the end of this description. The above and other features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, wherein like elements are designated by like reference numerals, wherein:

на фиг. 1 представлен пример системы для выполнения скважинных работ, в которых могут применяться варианты осуществления настоящего изобретения;Fig. 1 shows an example of a system for performing well operations in which embodiments of the present invention can be used;

на фиг. 2 представлен иллюстративный график зависимости типичной кривой силы трения или крутящего момента от относительной скорости или относительной скорости вращения между двумя взаимодействующими объектами;Fig. 2 is an illustrative graph of a typical curve of frictional force or torque versus relative velocity or relative rotational speed between two interacting objects;

на фиг. 3 представлен гистерезисный график зависимости силы трения от смещения для положительной относительной средней скорости с дополнительными небольшими изменениями скорости;Fig. 3 shows a hysteresis graph of the dependence of the friction force on the displacement for a positive relative average velocity with additional small changes in velocity;

на фиг. 4 представлен график зависимости силы трения, относительной скорости и произведения обоих от времени для положительной относительной средней скорости с дополнительными небольшими изменениями скорости;Fig. 4 shows a graph of the dependence of the friction force, relative velocity, and the product of both on time for a positive relative average velocity with additional small changes in velocity;

на фиг. 5 представлен гистерезисный график зависимости силы трения от смещения для относительной средней скорости нуля с дополнительными небольшими изменениями скорости;Fig. 5 shows a hysteresis graph of the dependence of the friction force on the displacement for a relative average velocity of zero with additional small changes in velocity;

на фиг. 6 представлен график зависимости силы трения, относительной скорости и произведенияFig. 6 shows a graph of the dependence of the friction force, relative velocity and the product

- 1 050247 обоих для относительной средней скорости нуля с дополнительными небольшими изменениями скорости;- 1 050247 both for a relative mean velocity of zero with additional small velocity changes;

на фиг. 7 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 7 is a schematic representation of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 8А представлен график тангенциального ускорения, измеренного на долоте;Fig. 8A shows a graph of the tangential acceleration measured at the bit;

на фиг. 8В представлен график, соответствующий фиг. 8А, иллюстрирующий скорость вращения;Fig. 8B is a graph corresponding to Fig. 8A illustrating the rotation speed;

на фиг. 9А представлен схематический график скважинной системы, демонстрирующий форму скважинной системы в зависимости от расстояния от долота;Fig. 9A is a schematic diagram of a well system showing the shape of the well system as a function of the distance from the bit;

на фиг. 9В представлены иллюстративные соответствующие формы крутильных вибраций, которые могут быть возбуждены во время работы скважинной системы, показанной на фиг. 9А;Fig. 9B shows illustrative corresponding forms of torsional vibrations that may be excited during operation of the well system shown in Fig. 9A;

на фиг. 10 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 10 is a schematic diagram of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 11 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 11 is a schematic diagram of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 12 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 12 is a schematic illustration of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 13 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 13 is a schematic representation of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 14 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 14 is a schematic diagram of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 15 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 15 is a schematic illustration of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 16 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 16 is a schematic diagram of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 17 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 17 is a schematic diagram of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 18 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 18 is a schematic illustration of a damping system in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 19 представлено схематическое изображение демпфирующей системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и на фиг. 20 представлен схематический график зависимости коэффициента демпфирования колебаний от амплитуды местной вибрации;Fig. 19 is a schematic diagram of a damping system according to one embodiment of the present invention; and Fig. 20 is a schematic diagram of the dependence of the vibration damping coefficient on the amplitude of local vibration;

на фиг. 21 представлено схематическое изображение скважинного инструмента, имеющего демпфирующую систему;Fig. 21 shows a schematic representation of a well tool having a damping system;

на фиг. 22 представлен вид в поперечном сечении скважинного инструмента, показанного на фиг. 21;Fig. 22 shows a cross-sectional view of the downhole tool shown in Fig. 21;

на фиг. 23 представлено схематическое изображение опорного узла долота, включающего в свой состав демпферный элемент в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 23 is a schematic illustration of a bit support assembly incorporating a damping element in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 24 представлено схематическое изображение тангенциального демпферного элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 24 is a schematic illustration of a tangential damper element in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 25 представлено схематическое изображение тангенциального демпферного элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;Fig. 25 is a schematic illustration of a tangential damper element in accordance with one embodiment of the present invention;

на фиг. 26 представлен иллюстративный график типовой кривой силы или крутящего момента в зависимости от относительной линейной скорости или относительной скорости вращения между двумя взаимодействующими объектами, связанными с гидравлическим демпферным элементом; и на фиг. 27 представлено схематическое изображение опорного узла долота, включающего в свой состав демпферный элемент в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.Fig. 26 is an illustrative graph of a typical curve of force or torque versus relative linear velocity or relative rotational velocity between two interacting objects associated with a hydraulic damping element; and Fig. 27 is a schematic illustration of a bit support assembly incorporating a damping element in accordance with one embodiment of the present invention.

Подробное описаниеDetailed description

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы для выполнения скважинных работ. Как показано, система представляет собой буровую систему 10, которая содержит бурильную колонну 20, имеющую буровую компоновку 90, также называемую компоновкой низа бурильной колонны (КНБК), транспортируемую в стволе 26 скважины, проникающем через земную формацию 60. Буровая система 10 содержит традиционную буровую вышку 11, установленную на площадке 12, которая поддерживает стол 14 ротора, который вращается с помощью основного привода, такого как электрический двигатель (не показан), при требуемой скорости вращения. Бурильная колонна 20 содержит бурильный трубчатый элемент 22, такой как бурильная труба, проходящая вниз от стола 14 ротора в ствол 26 скважины. Устройство 50 дезинтеграции, такое как долото, прикрепленное к концу КНБК 90, дезинтегрирует геологические формации при вращении для бурения ствола 26 скважины. Бурильная колонна 20 соединена с наземным оборудованием, таким как системы для подъема, вращения и/или толкания, включая, без ограничений, буровую лебедку 30 посредством ведущей буровой штанги 21, вертлюга 28 и линии 29 через подъемный блок 23. В некоторых вариантах осуществления наземное оборудование может включать в себя верхний привод (не показано). Во время буровых работ буровой лебедкой 30 управляют для контроля нагрузки наIn Fig. 1 there is shown a basic diagram of a system for performing well operations. As shown, the system is a drilling system 10, which includes a drill string 20 having a drilling assembly 90, also called a bottom hole assembly (BHA), transported in a wellbore 26 penetrating an earth formation 60. The drilling system 10 includes a conventional drilling rig 11, installed on a platform 12, which supports a rotary table 14, which is rotated by a main drive, such as an electric motor (not shown), at a desired rotation speed. The drill string 20 includes a drilling tubular element 22, such as a drill pipe, extending downwardly from the rotary table 14 into the wellbore 26. A disintegration device 50, such as a bit attached to the end of a BHA 90, disintegrates geological formations while rotating to drill a borehole 26. A drill string 20 is connected to surface equipment such as systems for lifting, rotating and/or pushing, including, but not limited to, a drawworks 30 via a kelly 21, a swivel 28 and a line 29 via a hoist block 23. In some embodiments, the surface equipment may include a top drive (not shown). During drilling operations, the drawworks 30 is controlled to control the load on

- 2 050247 долото, что влияет на скорость проходки при бурении. Процесс работы лебедки 30 хорошо известен в данной области техники и поэтому подробно не описывается в настоящем документе.- 2 050247 bit, which affects the rate of penetration during drilling. The operation of the winch 30 is well known in this field of technology and is therefore not described in detail in this document.

Во время буровых работ подходящий буровой раствор 31 (также называемый промывочной жидкостью) от источника или резервуара 32 для бурового раствора циркулирует под давлением через бурильную колонну 20 с помощью насоса 34 для бурового раствора. Буровой раствор 31 проходит в бурильную колонну 20 через поглотитель 36 гидравлического удара, жидкостную линию 38 и ведущую буровую штангу 21. Буровой раствор 31 выпускается в компоновке низа бурильной колонны 51 через отверстие в устройстве 50 дезинтеграции. Буровой раствор 31 циркулирует вверх по стволу скважины через кольцевое пространство 27 между бурильной колонной 20 и стволом 26 скважины и возвращается в резервуар 32 для бурового раствора через возвратную линию 35. Датчик S1 в трубопроводе для жидкости 38 передает информацию о расходе жидкости. Датчик S2 крутящего момента на поверхности и датчик S3, связанный с бурильной колонной 20, соответственно предоставляют информацию о крутящем моменте и скорости вращения бурильной колонны. Кроме того, один или более датчиков (не показаны), связанные с линией 29, применяют для обеспечения нагрузки на крюке бурильной колонны 20 и относительно других требуемых параметров, относящихся к бурению ствола 26 скважины. Система может дополнительно содержать один или более скважинных датчиков 70, расположенных на бурильной колонне 20 и/или КНБК 90.During drilling operations, a suitable drilling fluid 31 (also called a drilling fluid) from a source or reservoir 32 for drilling fluid is circulated under pressure through the drill string 20 by means of a pump 34 for drilling fluid. The drilling fluid 31 passes into the drill string 20 through a shock absorber 36, a fluid line 38 and a kelly 21. The drilling fluid 31 is released in the bottom hole assembly 51 through an opening in the disintegration device 50. The drilling fluid 31 is circulated up the wellbore through an annular space 27 between the drill string 20 and the wellbore 26 and is returned to the reservoir 32 for drilling fluid through a return line 35. A sensor S1 in the fluid line 38 transmits information about the flow rate of the fluid. The torque sensor S2 on the surface and the sensor S3 associated with the drill string 20 respectively provide information on the torque and the rotation speed of the drill string. In addition, one or more sensors (not shown) associated with the line 29 are used to provide the hook load of the drill string 20 and with respect to other required parameters related to drilling the wellbore 26. The system may further comprise one or more downhole sensors 70 located on the drill string 20 and/or the BHA 90.

В некоторых областях применения устройство 50 дезинтеграции вращается только путем вращения бурильной трубы 22. Однако в других областях применения буровой двигатель 55 (например, забойный двигатель), расположенный в буровой компоновке 90, применяют для вращения устройства 50 дезинтеграции и/или для наложения или дополнения вращения бурильной колонны 20. В любом случае скорость проходки при бурении (ROP; rate of penetration) устройства 50 дезинтеграции в земную формацию 60 для данной формации и данной буровой компоновки в значительной степени зависит от нагрузки на долото и скорости вращения бурового долота. В одном аспекте варианта осуществления, показанного на фиг. 1, буровой двигатель 55 соединен с устройством 50 дезинтеграции через приводной вал (не показан), расположенный в подшипниковом узле 57. Буровой двигатель 55 вращает устройство 50 дезинтеграции, когда буровой раствор 31 проходит через буровой двигатель 55 под давлением. Подшипниковый узел 57 поддерживает радиальные и осевые силы устройства 50 дезинтеграции, падение тяги бурового двигателя и реакционную направленную вверх нагрузку от прикладываемой нагрузки на долото. Стабилизаторы 58, соединенные с подшипниковым узлом 57 и/или другими подходящими положениями, действуют как централизаторы для буровой компоновки 90 или ее частей.In some applications, the disintegration device 50 is rotated solely by rotation of the drill pipe 22. However, in other applications, a drilling motor 55 (e.g., a downhole motor) located in the drilling assembly 90 is used to rotate the disintegration device 50 and/or to superimpose or supplement the rotation of the drill string 20. In any case, the rate of penetration (ROP) of the disintegration device 50 into the earth formation 60 for a given formation and a given drilling assembly is largely dependent on the weight on bit and the rotational speed of the drill bit. In one aspect of the embodiment shown in Fig. 1, the drilling motor 55 is connected to the disintegration device 50 via a drive shaft (not shown) located in the bearing assembly 57. The drilling motor 55 rotates the disintegration device 50 when the drilling fluid 31 passes through the drilling motor 55 under pressure. The bearing assembly 57 supports the radial and axial forces of the disintegration device 50, the fall of the drilling motor thrust and the reaction upward load from the applied weight on the bit. Stabilizers 58, connected to the bearing assembly 57 and/or other suitable positions, act as centralizers for the drilling assembly 90 or its parts.

Наземный блок 40 управления принимает сигналы от скважинных датчиков 70 и устройств через преобразователь 43, такой как преобразователь давления, расположенный в жидкостной линии 38, а также от датчиков S1, S2, S3, датчиков нагрузки на крюке, датчиков оборотов двигателя, датчиков крутящего момента и любых других датчиков, применяемых в системе, и обрабатывает такие сигналы в соответствии с запрограммированными командами, предоставленными наземному блоку 40 управления. Наземный блок 40 управления отображает требуемые параметры бурения и другую информацию на дисплее/мониторе 42 для применения оператором на буровой площадке для управления буровыми работами. Наземный блок 40 управления содержит компьютер, запоминающее устройство для хранения данных, компьютерные программы, модели и алгоритмы, доступные для процессора на компьютере, устройство записи, такое как накопитель на магнитной ленте, блок памяти и т.д. для регистрации данных и других периферийных устройств. Наземный блок 40 управления также может содержать имитационные модели для компьютерной обработки данных в соответствии с запрограммированными командами. Блок управления отвечает на команды пользователя, введенные через подходящее устройство, такое как клавиатура. Наземный блок 40 управления выполнен с возможностью активации предупредительных сигналов 44 при возникновении определенных небезопасных или нежелательных условий эксплуатации.The surface control unit 40 receives signals from the downhole sensors 70 and devices via the transducer 43, such as a pressure transducer located in the liquid line 38, as well as from the sensors S1, S2, S3, hook load sensors, engine speed sensors, torque sensors and any other sensors used in the system, and processes such signals in accordance with programmed commands provided to the surface control unit 40. The surface control unit 40 displays the desired drilling parameters and other information on the display/monitor 42 for use by an operator at the drilling site to control drilling operations. The surface control unit 40 comprises a computer, a memory device for storing data, computer programs, models and algorithms accessible to a processor on the computer, a recording device such as a magnetic tape drive, a memory unit, etc. for recording data and other peripheral devices. The surface control unit 40 may also comprise simulation models for computer processing of data in accordance with the programmed commands. The control unit responds to user commands entered through a suitable device, such as a keyboard. The ground control unit 40 is configured to activate warning signals 44 when certain unsafe or undesirable operating conditions occur.

Буровая компоновка 90 также содержит другие датчики и устройства или инструменты для обеспечения различных измерений, относящихся к формации, окружающей ствол скважины, и для бурения ствола 26 скважины вдоль требуемого пути. Такие устройства могут содержать устройство для измерения удельного сопротивления формации вблизи бурового долота, устройства гамма-каротажа для измерения интенсивности гамма-каротажа формации и устройства для определения наклона, азимута и положения бурильной колонны и/или перед ними. Устройство 64 каротажа сопротивления пласта, выполненное в соответствии с вариантом осуществления, описанным в настоящем документе, может быть присоединено в любом подходящем положении, в том числе над нижним подузлом начала отклонения или направляющим механизмом 62, для оценки или определения сопротивления пласта вблизи устройства 50 дезинтеграции, или перед ним, или в других подходящих положениях. Инклинометр 74 и устройство 76 гамма-каротажа могут быть размещены соответственно для определения наклона КНБК и интенсивности гамма-каротажа формации. Можно применять любой подходящий инклинометр и устройство гаммакаротажа. Кроме того, можно применять азимутальное устройство (не показано), такое как магнитометр или гироскопическое устройство, для определения азимута бурильной колонны. Такие устройства известны в данной области техники и поэтому подробно не описаны в настоящем документе. В вышеописанной иллюстративной конфигурации буровой двигатель 55 передает электроэнергию на устройство 50The drilling assembly 90 also comprises other sensors and devices or tools for providing various measurements related to the formation surrounding the wellbore and for drilling the wellbore 26 along the desired path. Such devices may comprise a device for measuring the specific resistance of the formation near the drill bit, gamma ray devices for measuring the intensity of the gamma ray logging of the formation and devices for determining the inclination, azimuth and position of the drill string and/or in front of them. The formation resistivity logging device 64, made in accordance with the embodiment described in this document, can be connected in any suitable position, including above the lower deviation initiation subassembly or the guiding mechanism 62, for estimating or determining the resistance of the formation near the disintegration device 50, or in front of it, or in other suitable positions. The inclinometer 74 and the gamma ray logging device 76 can be positioned respectively to determine the inclination of the BHA and the intensity of the gamma ray logging of the formation. Any suitable inclinometer and gamma logging device may be used. In addition, an azimuth device (not shown), such as a magnetometer or a gyroscopic device, may be used to determine the azimuth of the drill string. Such devices are known in the art and are therefore not described in detail herein. In the above-described illustrative configuration, the drilling motor 55 transmits electrical power to the device 50

- 3 050247 дезинтеграции через вал, который также позволяет буровой жидкости проходить из бурового двигателя 55 к устройству 50 дезинтеграции. В альтернативном варианте осуществления бурильной колонны 20 буровой двигатель 55 может быть соединен ниже устройства 64 каротажа сопротивлений или в любом другом подходящем положении.- 3 050247 disintegration through the shaft, which also allows drilling fluid to pass from the drilling motor 55 to the disintegration device 50. In an alternative embodiment of the drill string 20, the drilling motor 55 can be connected below the resistivity logging device 64 or in any other suitable position.

Как показано на фиг. 1, другие устройства каротажа в процессе бурения (КПБ) (в общем обозначенные в настоящем документе ссылочной позицией 77), такие как устройства для измерения пористости формации, ее проницаемости, плотности, свойств породы, свойств текучей среды и т.д., могут быть размещены в подходящих положениях буровой компоновки 90 для предоставления информации, пригодной для оценки подземной формации вдоль ствола 26 скважины. Такие устройства могут включать в себя, помимо прочего, инструменты для измерения температуры, инструменты для измерения давления, инструменты для измерения диаметра ствола скважины (например, кавернометр), акустические инструменты, инструменты для радиоактивного каротажа, инструменты для ядерного магнитного резонанса и инструменты для испытания пласта и отбора проб.As shown in Fig. 1, other logging while drilling (LWD) devices (generally designated herein by reference numeral 77), such as devices for measuring formation porosity, permeability, density, rock properties, fluid properties, etc., may be positioned at suitable positions of the drilling assembly 90 to provide information suitable for evaluating the subterranean formation along the wellbore 26. Such devices may include, but are not limited to, temperature measuring tools, pressure measuring tools, borehole diameter measuring tools (e.g., a caliper), acoustic tools, nuclear logging tools, nuclear magnetic resonance tools, and formation testing and sampling tools.

Упомянутые выше устройства передают данные в систему скважинной телеметрии 72, которая, в свою очередь, передает полученные данные вверх по стволу скважины на наземный блок управления 40. Скважинная телеметрическая система 72 также принимает сигналы и данные от наземного блока 40 управления и передает такие принятые сигналы и данные в соответствующие скважинные устройства. В одном аспекте телеметрическую систему с гидроимпульсным каналом связи могут применять для передачи данных между скважинными датчиками 70 и устройствами и наземным оборудованием во время буровых работ. Преобразователь 43, размещенный в жидкостной линии 38 (например, линия подачи бурового раствора), обнаруживает импульсы в буровом растворе в ответ на данные, передаваемые скважинной телеметрической системой 72. Преобразователь 43 генерирует электрические сигналы в ответ на изменения давления скважинного раствора и передает такие сигналы через проводник 45 в наземный блок 40 управления. В других аспектах для двусторонней передачи данных (например, по нисходящей линии связи и восходящей линии связи) между поверхностью и КНБК 90 может применяться любая другая подходящая система телеметрии, включая, помимо прочего, систему акустической телеметрии, систему электромагнитной телеметрии, систему оптической телеметрии, систему проводной телеметрии, в которой могут применяться беспроводные устройства сопряжения или ретрансляторы, размещенные в бурильной колонне или стволе скважины. Система проводной телеметрии может быть образована путем соединения секций бурильных труб, при этом каждая секция трубы включает в себя линию передачи данных, такую как провод, проходящий вдоль трубы. Соединение для передачи данных между секциями трубы может быть выполнено любым подходящим способом, включая, без ограничений, твердые электрические или оптические соединения, индукционную, емкостную, резонансную связь, например способы электромагнитной резонансной связи или направленной связи. В случае, когда в качестве буровой трубы 22 применяют гибкие насосно-компрессорные трубы, линия передачи данных может быть спущена вдоль стороны гибких насосно-компрессорных труб.The above-mentioned devices transmit data to the borehole telemetry system 72, which, in turn, transmits the received data up the wellbore to the surface control unit 40. The borehole telemetry system 72 also receives signals and data from the surface control unit 40 and transmits such received signals and data to the corresponding borehole devices. In one aspect, the telemetry system with a mud pulse communication channel can be used to transmit data between the borehole sensors 70 and the devices and surface equipment during drilling operations. The transducer 43, located in the liquid line 38 (for example, the drilling mud feed line), detects pulses in the drilling mud in response to data transmitted by the borehole telemetry system 72. The transducer 43 generates electrical signals in response to changes in the pressure of the well mud and transmits such signals through the conductor 45 to the surface control unit 40. In other aspects, any other suitable telemetry system may be used for two-way data transmission (e.g., downlink and uplink) between the surface and the BHA 90, including, but not limited to, an acoustic telemetry system, an electromagnetic telemetry system, an optical telemetry system, a wired telemetry system that may employ wireless interfaces or repeaters located in the drill string or wellbore. The wired telemetry system may be formed by connecting sections of drill pipes, wherein each section of pipe includes a data transmission line, such as a wire, running along the pipe. The connection for transmitting data between sections of pipe may be made by any suitable method, including, without limitation, solid state electrical or optical connections, inductive, capacitive, resonant coupling, such as electromagnetic resonant coupling methods, or directional coupling. In the case where flexible tubing is used as the drill pipe 22, the data transmission line can be lowered along the side of the flexible tubing.

Буровая система, описанная до сих пор в настоящем документе, относится к буровым системам, в которых применяют буровую трубу для транспортировки буровой компоновки 90 в ствол 26 скважины, причем нагрузкой на долото управляют с поверхности, как правило, посредством управления буровой лебедкой. Однако в большом количестве современных буровых систем, особенно для бурения сильно наклонных и горизонтальных стволов скважин, используются колонны гибких труб для транспортировки буровой компоновки в ствол скважины. В таком применении в бурильной колонне иногда развертывают движитель для обеспечения требуемого усилия на буровом долоте. Кроме того, при применении гибких насосно-компрессорных труб, насосно-компрессорные трубы не вращаются с помощью стола ротора, и вместо этого вводятся в ствол скважины подходящим нагнетателем, в то время как скважинный двигатель, такой как буровой двигатель 55, вращает устройство 50 дезинтеграции. В случае шельфового бурения морскую буровую установку или судно применяют для поддержки бурового оборудования, в том числе бурильной колонны.The drilling system described so far in this document refers to drilling systems that use a drill pipe to transport the drilling assembly 90 into the borehole 26, wherein the weight on bit is controlled from the surface, typically by means of control of a drilling drawworks. However, in a large number of modern drilling systems, especially for drilling highly deviated and horizontal boreholes, coiled tubing strings are used to transport the drilling assembly into the borehole. In such an application, a thruster is sometimes deployed in the drill string to provide the required force on the drill bit. In addition, when using coiled tubing, the tubing is not rotated by a rotary table, but is instead introduced into the borehole by a suitable pump, while a borehole motor, such as a drilling motor 55, rotates the disintegration device 50. In offshore drilling, an offshore drilling rig or vessel is used to support the drilling equipment, including the drill string.

Также со ссылкой на фиг. 1, может быть предусмотрен прибор 64 каротажа сопротивления, включающий в себя, например, множество антенн, включающих в себя, например, передатчики 66а или 66b и/или приемники 68а или 68b. Удельное сопротивление может быть одним из свойств пласта, которые представляют интерес при принятии решения о бурении. Специалистам в данной области техники понятно, что вместе с прибором 64 каротажа сопротивления или вместо него можно использовать другие инструменты для измерения свойств пласта.Also with reference to Fig. 1, a resistivity logging tool 64 may be provided, including, for example, a plurality of antennas, including, for example, transmitters 66a or 66b and/or receivers 68a or 68b. The specific resistivity may be one of the formation properties that are of interest when making a drilling decision. Those skilled in the art will understand that other tools for measuring formation properties may be used together with or instead of the resistivity logging tool 64.

Бурение с помощью хвостовика может представлять собой одну конфигурацию или операцию, применяемую для обеспечения устройства дезинтеграции, что становится более привлекательным в нефтегазовой промышленности, поскольку оно имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным бурением. Один пример такой конфигурации показан и описан в совместном патенте США № 9,004,195 под названием Устройство и способ бурения ствола скважины, установки обсадной колонны и цементирования ствола скважины во время одной проходки, который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки. Важно отметить, что несмотря на относительно низкую скорость проходки при бурении, время доставки хвостовика к целевому положению сокращается, поскольку хвостовик одLiner-assisted drilling may be a single configuration or operation used to provide a disintegration device, which is becoming increasingly attractive in the oil and gas industry because it has several advantages over conventional drilling. One example of such a configuration is shown and described in joint U.S. Patent No. 9,004,195, entitled Apparatus and Method for Drilling a Wellbore, Installing Casing, and Cementing the Wellbore in a Single Run, which is incorporated herein by reference in its entirety. It is important to note that despite the relatively low rate of penetration during drilling, the time it takes to deliver the liner to the target location is reduced because the liner is single

- 4 050247 новременно спускают в ствол во время бурения ствола скважины. Это может быть полезно при работе в набухающих пластах, где сужение пробуренной скважины может помешать последующей установке обсадной колонны. Кроме того, бурение с обсадной колонной в истощенных и нестабильных коллекторах сводит к минимуму риск прихвата трубы или бурильной колонны из-за обрушения скважины.- 4 050247 simultaneously lowered into the wellbore during drilling of the wellbore. This can be useful when working in swelling formations, where the narrowing of the drilled hole can interfere with subsequent installation of the casing string. In addition, drilling with casing in depleted and unstable reservoirs minimizes the risk of stuck pipe or drill string due to wellbore collapse.

Хотя фиг. 1 показана и описана в отношении буровых работ, специалисты в данной области техники поймут, что подобные конфигурации, хотя и с использованием других компонентов, могут использоваться для выполнения различных внутрискважинных работ. Например, как известно, в данной области техники можно применять каротажный кабель, проводную трубу, бурение посредством хвостовика, расширение ствола скважины, гибкие насосно-компрессорные трубы и/или другие конфигурации. Кроме того, различные производственные конфигурации могут использоваться для извлечения и/или нагнетания материалов из/в геологические формации. Таким образом, настоящее описание не должно ограничиваться буровыми работами, а может быть использовано для любых подходящих или желаемых внутрискважинных работ.Although Fig. 1 is shown and described with respect to drilling operations, those skilled in the art will appreciate that similar configurations, although using different components, can be used to perform various downhole operations. For example, as is known in the art, wireline, wireline, liner drilling, borehole reaming, coiled tubing, and/or other configurations can be used. In addition, various production configurations can be used to extract and/or inject materials from/into geological formations. Thus, the present disclosure should not be limited to drilling operations, but can be used for any suitable or desired downhole operations.

Значительные вибрации в бурильных колоннах и компоновках низа бурильной колонны во время буровых работ могут быть вызваны усилиями резания на долоте или дисбалансами масс в скважинных инструментах, таких как буровые двигатели. Такие вибрации могут приводить к снижению скорости проходки при бурении, снижению качества измерений, выполняемых с помощью инструментов компоновки низа бурильной колонны, и могут приводить к износу, усталости и/или выходу из строя скважинных компонентов. Как понятно специалистам в данной области техники, существуют различные колебания, такие как поперечные колебания, осевые колебания и крутильные колебания. Например, прерывистое перемещение всей буровой системы и высокочастотные крутильные колебания (ВЧКК) являются типами крутильных колебаний. Термины вибрация, колебание, а также изменение применяются с тем же широким значением повторяющихся и/или периодических движений или периодических отклонений от среднего значения, такого как среднее положение, средняя скорость, среднее ускорение, среднее усилие и/или средний крутящий момент. В частности, эти термины не ограничиваются гармоническими отклонениями, но могут включать все виды отклонений, такие как, помимо прочего, периодические, гармонические и статистические отклонения. Крутильные вибрации могут быть возбуждены механизмами самовозбуждения, которые возникают вследствие взаимодействия бурового долота или любой другой режущей конструкции, такой как долото-расширитель и формацию. Основным отличием между прерывистыми колебаниями и ВЧКК является частота и типичные формы мод: Например, ВЧКК имеют частоту, которая обычно выше 50 Гц по сравнению с прерывистыми крутильными колебаниями, которые обычно имеют частоту ниже 1 Гц. Более того, форма возбужденных колебаний прихвата/проскальзывания, как правило, представляет собой первую форму колебаний всей буровой системы, в то время как форма колебаний HFTO может быть более высокого порядка и обычно локализована на меньших участках буровой системы со сравнительно высокими амплитудами в точке возбуждения, которая может представлять собой долото или любую другую режущую конструкцию (такую как долоторасширитель), или любой контакт между буровой системой и формацией (например, посредством стабилизатора).Significant vibrations in drill strings and bottom hole assemblies during drilling operations may be caused by cutting forces on the bit or by mass imbalances in downhole tools such as drilling motors. Such vibrations may result in a reduction in the rate of penetration during drilling, a reduction in the quality of measurements made by the bottom hole assembly tools, and may lead to wear, fatigue, and/or failure of downhole components. As understood by those skilled in the art, there are various vibrations such as lateral vibrations, axial vibrations, and torsional vibrations. For example, stick-slip motion of the entire drilling system and high-frequency torsional vibrations (HFTV) are types of torsional vibrations. The terms vibration, oscillation, and variation are used with the same broad meaning of repetitive and/or periodic movements or periodic deviations from a mean value such as mean position, mean speed, mean acceleration, mean force, and/or mean torque. In particular, these terms are not limited to harmonic excursions but may include all types of excursions such as, but not limited to, periodic, harmonic and statistical excursions. Torsional vibrations may be excited by self-exciting mechanisms that arise from the interaction of the drill bit or any other cutting structure such as a reamer and the formation. The main difference between stick-slip vibrations and HFCC is the frequency and typical mode shapes: For example, HFCCs have a frequency that is typically higher than 50 Hz compared to stick-slip torsional vibrations, which typically have a frequency below 1 Hz. Moreover, the stick/slip excited mode is typically the first mode of the entire drilling system, while the HFTO mode may be of higher order and is typically localized to smaller portions of the drilling system with relatively high amplitudes at the excitation point, which may be the bit or any other cutting structure (such as a reamer), or any contact between the drilling system and the formation (such as via a stabilizer).

Из-за высокой частоты вибраций HFTO соответствует высоким значениям ускорения и крутящего момента вдоль КНБК. Специалистам в данной области техники понятно, что для проявления крутильных движений одна составляющая из ускорения, силы и крутящего момента всегда сопровождается двумя другими составляющими из ускорения, силы и крутящего момента. В этом смысле ускорение, сила и крутящий момент эквивалентны в том смысле, что ни один из этих элементов не может возникнуть без двух других. Нагрузки в виде высокочастотных вибраций или колебаний могут отрицательно сказаться на эффективности, надежности и/или долговечности электронных и механических частей КНБК. Варианты осуществления, предложенные в настоящем документе, относятся к обеспечению демпфирования крутильной вибрации на скважинной системе для смягчения HFTO. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения крутильная вибрация может быть активирована, если в системе достигается порог измеренного свойства, такой как амплитуда или частота крутильной вибрации.Due to the high frequency of vibrations, HFTO corresponds to high values of acceleration and torque along the BHA. Those skilled in the art will understand that in order to exhibit torsional motions, one component of acceleration, force and torque is always accompanied by two other components of acceleration, force and torque. In this sense, acceleration, force and torque are equivalent in the sense that none of these elements can occur without the other two. High frequency vibration or oscillation loads can adversely affect the efficiency, reliability and/or durability of the electronic and mechanical parts of the BHA. Embodiments proposed herein relate to providing torsional vibration damping on a downhole system to mitigate HFTO. In some embodiments of the present invention, torsional vibration can be activated if a threshold of a measured property, such as torsional vibration amplitude or frequency, is reached in the system.

В соответствии с не имеющим ограничительного характера вариантом осуществления, предложенным в настоящем документе, система демпфирования крутильной вибрации может быть основана на фрикционных демпферах. Например, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления трение между двумя частями, такими как два взаимодействующих объекта, в КНБК или бурильной колонне может рассеивать энергию и уменьшать уровень крутильных колебаний, тем самым смягчая потенциальное повреждение, вызываемое высокочастотными вибрациями. Предпочтительно, рассеивание энергии фрикционного демпфера является по меньшей мере равным входному значению энергии HFTO, вызванному взаимодействием долота и породы.According to a non-limiting embodiment proposed in the present document, the torsional vibration damping system can be based on friction dampers. For example, according to some embodiments, friction between two parts, such as two interacting objects, in a BHA or a drill string can dissipate energy and reduce the level of torsional vibrations, thereby mitigating potential damage caused by high-frequency vibrations. Preferably, the energy dissipation of the friction damper is at least equal to the input value of the HFTO energy caused by the interaction of the bit and the formation.

Фрикционные демпферы, описанные в настоящем документе, могут приводить к значительному рассеиванию энергии и, таким образом, смягчению крутильных вибраций. Когда два компонента или взаимодействующих объекта находятся в контакте друг с другом и перемещаются относительно друг друга, сила трения действует в направлении, противоположном скорости относительного перемещения между контактирующими поверхностями компонентов или взаимодействующих объектов. Сила тренияThe friction dampers described in this document can result in significant energy dissipation and thus damping of torsional vibrations. When two components or interacting objects are in contact with each other and move relative to each other, the frictional force acts in the direction opposite to the speed of relative movement between the contacting surfaces of the components or interacting objects. The frictional force

- 5 050247 приводит к рассеиванию энергии.- 5 050247 leads to energy dissipation.

Хотя это специально описано в отношении фрикционных демпферов, демпферы, демпферные элементы и демпферные систем по настоящему изобретению не ограничиваются трением. Таким образом, как описано ниже, другие принципы демпфирования могут быть реализованы с применением демпферов различных конфигураций. Например, демпфирование может быть сгенерировано с помощью вязкого демпфирования, фрикционного демпфирования, гидравлического демпфирования, магнитного демпфирования (например, демпфирования вихревыми токами), пьезоэлектрического (шунтирующего) демпфирования и т.д. Демпферный элемент, применяемый в настоящем документе, может быть частью демпфирующей системы, выполненной с возможностью рассеивания энергии из-за относительного перемещения между по меньшей мере частью демпферного элемента и скважинной колонной. То есть относительное перемещение демпферного элемента или его части позволяет рассеивать энергию (например, HFTO) и, таким образом, уменьшать вибрацию внутри или вдоль скважинной колонны.Although specifically described with respect to friction dampers, the dampers, damper elements and damper systems of the present invention are not limited to friction. Thus, as described below, other damping principles can be implemented using dampers of various configurations. For example, damping can be generated using viscous damping, frictional damping, hydraulic damping, magnetic damping (e.g., eddy current damping), piezoelectric (shunt) damping, etc. The damper element used in the present document can be part of a damper system configured to dissipate energy due to relative movement between at least a portion of the damper element and the well string. That is, the relative movement of the damper element or part thereof allows energy to be dissipated (e.g. HFTO) and thus reduces vibration within or along the wellbore.

На фиг. 2 представлен иллюстративный график 200 зависимости типичной кривой силы трения или крутящего момента от относительной скорости v (например, или относительной скорости вращения) между двумя взаимодействующими объектами. Два взаимодействующих объекта имеют контактную поверхность и компонент силы FN перпендикулярно контактной поверхности, находящейся в зацеплении с двумя взаимодействующими объектами. На графике 200 показана зависимость силы трения или крутящего момента двух взаимодействующих объектов от режима снижения скорости, такого как фрикционный контакт или характеристика режима резания. При более высоких относительных скоростях (v>0) между двумя взаимодействующими объектами сила трения или крутящий момент имеют отличительное значение, показанное точкой 202. Уменьшение относительной скорости приведет к увеличению силы трения или крутящего момента (также называемого характеристикой снижения скорости). Сила трения или крутящий момент достигает своего максимума, когда относительная скорость равна нулю. Максимальная сила трения также известна как статическое трение, трение прихватывания или сцепление.Fig. 2 is an illustrative graph 200 of a typical curve of frictional force or torque versus relative speed v (e.g., or relative rotational speed) between two interacting objects. The two interacting objects have a contact surface and a force component F N perpendicular to the contact surface that is engaged with the two interacting objects. The graph 200 shows the dependence of the frictional force or torque of the two interacting objects on a speed reduction mode, such as a frictional contact or a cutting mode characteristic. At higher relative speeds (v>0) between the two interacting objects, the frictional force or torque has a distinctive value, shown by point 202. A decrease in the relative speed will result in an increase in the frictional force or torque (also called a speed reduction characteristic). The frictional force or torque reaches its maximum when the relative speed is zero. The maximum frictional force is also known as static friction, sticking friction, or adhesion.

По существу сила трения F_R зависит от нормальной силы, как отображено в уравнении F_R=μF_N, с коэффициентом трения μ. По существу коэффициент трения μ представляет собой функцию скорости. В настоящем документе нормальная сила также может изменяться в соответствии с возбужденной вибрацией в нормальном направлении. В случае, если относительная скорость между двумя взаимодействующими объектами равна нулю (v=0), сила статического трения FS относится к компоненту нормальной силы Fn согласно уравнению F_S=μ_0F_N с коэффициентом статического трения μ_0. В случае, если относительная скорость между двумя взаимодействующими объектами не равна нулю (v*0), такой коэффициент трения называют коэффициентом динамического трения μ. Если относительная скорость дополнительно уменьшается до отрицательных значений (т.е. если относительное перемещение двух взаимодействующих объектов переключено на противоположное), сила трения или крутящий момент переключаются в противоположном направлении с высоким абсолютным значением, соответствующим этапу от положительного максимального до отрицательного минимального значения в точке 204 на графике 200. Таким образом, зависимость силы трения от скорости показывает изменение знака в точке, в которой скорость изменяет знак, и является прерывистой в точке 204 на графике 200. Характеристика снижения скорости представляет собой хорошо известный эффект между взаимодействующими объектами, которые являются фрикционно соединенными. Предполагается, что характеристики снижения скорости контактной силы или крутящего момента являются потенциальной основной причиной прихвата/проскальзывания. Характеристика снижения скорости также может быть достигнута путем применения дисперсионной текучей среды с более высокой вязкостью при более низких относительных скоростях и более низкой вязкостью при более высоких относительных скоростях. Если дисперсионная текучая среда проходит через относительно малый канал, то такой же эффект может быть достигнут в том смысле, что сопротивление потоку относительно высокое или низкое при низких или высоких относительных скоростях, соответственно.In essence, the friction force F_R depends on the normal force, as shown in the equation F_R=μF_N, with the friction coefficient μ. In essence, the friction coefficient μ is a function of the velocity. In this document, the normal force may also change according to the excited vibration in the normal direction. In the case where the relative velocity between two interacting objects is zero (v=0), the static friction force FS refers to the normal force component F n according to the equation F_S=μ_0F_N with the static friction coefficient μ_0. In the case where the relative velocity between two interacting objects is not zero (v*0), such a friction coefficient is called the dynamic friction coefficient μ. If the relative velocity is further reduced to negative values (i.e. if the relative displacement of the two interacting objects is switched to the opposite), the friction force or torque switches in the opposite direction with a high absolute value corresponding to the step from the positive maximum to the negative minimum value at point 204 on graph 200. Thus, the dependence of the friction force on the velocity shows a change in sign at the point at which the velocity changes sign and is discontinuous at point 204 on graph 200. The velocity reduction characteristic is a well-known effect between interacting objects that are frictionally connected. It is assumed that the velocity reduction characteristics of the contact force or torque are a potential root cause of sticking/slipping. The velocity reduction characteristic can also be achieved by using a dispersion fluid with a higher viscosity at lower relative velocities and a lower viscosity at higher relative velocities. If the dispersed fluid passes through a relatively small channel, the same effect can be achieved in the sense that the flow resistance is relatively high or low at low or high relative velocities, respectively.

Со ссылкой на фиг. 8А-8В, на фиг. 8А показано измеренное ускорение закручивания скважинной системы в зависимости от времени. Во время 5-секундного измерения, как показано на фиг. 8А, показано колебательное ускорение закручивания со средним ускорением приблизительно 0 г, наложенное на вибрационное ускорение закручивания при относительно низкой амплитуде от приблизительно 0 с до 3 с и относительно высоких амплитудах до 100 г от приблизительно 3 с до 5 с. На фиг. 8В показана соответствующая скорость вращения в тот же период времени, что и на фиг. 8А. В соответствии с фиг. 8А, на фиг. 8В показана средняя скорость v_0 (показанная линией v_0 на фиг. 8В), которая является относительно постоянной при частоте вращения около 190 об/мин. На среднюю скорость накладываются колебательные вибрации скорости вращения с относительно низкими амплитудами приблизительно от 0 с до 3 с и относительно высокими амплитудами приблизительно от 3 с до 5 с в соответствии с относительно низкими и высокими амплитудами ускорения, показанными на фиг. 8А. Примечательно, что колебательная скорость вращения не приводит к отрицательным значениям скорости вращения, даже не в период времени приблизительно от 3 с до 5 с, когда амплитуды колебаний скоростей вращения являются относительно высокими.With reference to Figs. 8A-8B, Fig. 8A shows the measured swirl acceleration of the well system as a function of time. During the 5-second measurement, as shown in Fig. 8A, an oscillatory swirl acceleration is shown with an average acceleration of approximately 0 g, superimposed on a vibrational swirl acceleration at a relatively low amplitude from approximately 0 s to 3 s and relatively high amplitudes of up to 100 g from approximately 3 s to 5 s. Fig. 8B shows the corresponding rotation speed during the same period of time as in Fig. 8A. In accordance with Fig. 8A, Fig. 8B shows the average speed v_0 (shown by the line v_0 in Fig. 8B), which is relatively constant at a rotation speed of about 190 rpm. The average speed is superimposed by oscillatory vibrations of the rotation speed with relatively low amplitudes from about 0 s to 3 s and relatively high amplitudes from about 3 s to 5 s in accordance with the relatively low and high acceleration amplitudes shown in Fig. 8A. It is noteworthy that the oscillatory rotation speed does not lead to negative values of the rotation speed, not even in the period of time from about 3 s to 5 s, when the amplitudes of the oscillations of the rotation speeds are relatively high.

- 6 050247- 6 050247

Со ссылкой на фиг. 2, точка 202 иллюстрирует среднюю скорость двух взаимодействующих объектов, которая соответствует средней скорости v_0 показанной на фиг. 8В. На схематическом изображении на фиг. 2 данные, показанные на фиг. 8В, соответствуют точке с колебанием скорости с относительно высокой частотой из-за высокочастотных крутильных колебаний, приближенных к средней скорости v_0, которая со временем изменяется относительно медленно по сравнению с высокочастотными крутильными колебаниями. Таким образом, точка, иллюстрирующая данные, показанные на фиг. 8В, перемещается назад и вперед на положительном ответвлении кривой, показанном на фиг. 2, только редко достигая отрицательных значений скорости или при их отсутствии. Соответственно, соответствующая сила трения или колебания крутящего момента вокруг положительной средней силы трения или среднего крутящего момента трения и обычно является по существу положительным или лишь редко достигает отрицательных значений. Как дополнительно обсуждается ниже, точка 202 иллюстрирует, где положительное среднее значение относительной скорости соответствует статическому крутящему моменту, а точка 204 иллюстрирует благоприятную точку для фрикционного демпфирования. Следует отметить, что силы трения или крутящий момент между буровой системой и стенкой ствола скважины не будут генерировать дополнительное демпфирование высокочастотных колебаний в системе. Это связано с тем, что относительная скорость между контактными поверхностями взаимодействующих объектов (например, стабилизатором и стенкой ствола скважины) не имеет средней скорости, которая настолько близка к нулю, что HFTO приводит к изменению знака относительной скорости двух взаимодействующих объектов. Скорее, относительная скорость между двумя взаимодействующими объектами имеет высокое среднее значение на расстоянии от нуля, которое является большим, так что HFTO не приводит к изменению знака относительной скорости двух взаимодействующих объектов (например, как проиллюстрировано точкой 202 на фиг. 2).With reference to Fig. 2, point 202 illustrates the average speed of the two interacting objects, which corresponds to the average speed v_0 shown in Fig. 8B. In the schematic representation of Fig. 2, the data shown in Fig. 8B correspond to a point with a speed oscillation with a relatively high frequency due to high-frequency torsional oscillations close to the average speed v_0, which changes relatively slowly over time compared to the high-frequency torsional oscillations. Thus, the point illustrating the data shown in Fig. 8B moves back and forth on the positive branch of the curve shown in Fig. 2, only rarely reaching negative speed values or in their absence. Accordingly, the corresponding frictional force or torque oscillations around the positive average frictional force or average frictional torque and are usually substantially positive or only rarely reaching negative values. As discussed further below, point 202 illustrates where the positive average value of the relative velocity corresponds to the static torque, and point 204 illustrates a favorable point for frictional damping. It should be noted that the frictional forces or torque between the drilling system and the borehole wall will not generate additional damping of the high-frequency oscillations in the system. This is because the relative velocity between the contact surfaces of the interacting objects (e.g., the stabilizer and the borehole wall) does not have an average velocity that is so close to zero that HFTO causes a change in the sign of the relative velocity of the two interacting objects. Rather, the relative velocity between the two interacting objects has a high average value at a distance from zero that is large, so that HFTO does not cause a change in the sign of the relative velocity of the two interacting objects (e.g., as illustrated by point 202 in Fig. 2).

Специалистам в данной области техники будет понятно, что сниженная характеристика усилия контакта или крутящего момента по отношению к относительной скорости, как показано на фиг. 2, приводит к приложению энергии в системе для колебательных относительных перемещений взаимодействующих объектов со средней скоростью v_0, т.е. высокому значению по сравнению со скоростью колебательного перемещения. В этом контексте другие примеры механизмов самовозбуждения, таких как соединение между осевой и крутильной степенью свободы, могут привести к аналогичной характеристике.It will be understood by those skilled in the art that the reduced characteristic of the contact force or torque with respect to the relative speed, as shown in Fig. 2, results in the application of energy in the system for the oscillatory relative movements of the interacting objects with an average speed v_0, i.e. a high value compared to the speed of the oscillatory movement. In this context, other examples of self-excitation mechanisms, such as the coupling between an axial and a torsional degree of freedom, can lead to a similar characteristic.

Соответствующий гистерезисный график изображен на фиг. 3, а временной график для силы трения и скорости показан на фиг. 4.The corresponding hysteresis graph is shown in Fig. 3, and the time graph for the friction force and velocity is shown in Fig. 4.

На фиг. 3 показан гистерезисный график зависимости силы трения Fr, иногда также называемой усилием резания в этом контексте, от смещения относительно положения, которое перемещается с положительной средней скоростью с дополнительными небольшими изменениями скорости, что приводит к дополнительному малому смещению dx. Соответственно, на фиг. 4 показаны сила трения (Fr), относительная скорость (dx/dT) и их произведение (обозначено позицией 400 на фиг. 4) для положительной средней относительной скорости с дополнительными небольшими изменениями скорости, которые приводят к дополнительному малому смещению dx. Специалистам в данной области будет понятно, что площадь между силой трения и скоростью с течением времени равна рассеиваемой энергии (т.е. площади между линией 400 и нулевой осью), которая является отрицательной в случае, показанном на фиг. 3 и фиг. 4. Таким образом, в случае, показанном на фиг. 3 и фиг. 4, энергия передается в вибрацию от трения посредством фрикционного контакта.Fig. 3 shows a hysteresis plot of the frictional force F r , sometimes also referred to as the cutting force in this context, versus the displacement relative to the position, which moves at a positive average velocity with additional small changes in velocity that result in an additional small displacement dx. Accordingly, Fig. 4 shows the frictional force (F r ), the relative velocity (dx/dT), and their product (labeled 400 in Fig. 4) for a positive average relative velocity with additional small changes in velocity that result in an additional small displacement dx. Those skilled in the art will appreciate that the area between the frictional force and the velocity over time is equal to the dissipated energy (i.e., the area between line 400 and the zero axis), which is negative in the case shown in Fig. 3 and Fig. 4. Thus, in the case shown in Fig. 3 and Fig. 4, energy is transferred into vibration from friction through frictional contact.

Снова со ссылкой на фиг. 2, точка 204 обозначает благоприятную среднюю скорость для демпфирования трения небольших изменений скорости или вибраций в дополнение к средней скорости. Для небольших вибраций относительного перемещения между двумя взаимодействующими объектами прекращение в точке 204 на фиг. 2 с изменением знака относительной скорости взаимодействующих объектов также приводит к резкому изменению силы трения или крутящего момента. Это изменение знака приводит к гистерезису, который приводит к большому количеству рассеянной энергии. Например, можно сравнить фиг. 5 и фиг. 6, которые представляют собой аналогичные графики на фиг. 3 и фиг. 4 соответственно, но иллюстрируют случай нулевой средней относительной скорости с дополнительными небольшими изменениями скорости или вибрациями. Площадь ниже линии 600 на фиг. 6, которая соответствует произведению F_rdx/dT, равна рассеиваемой энергии в течение одного периода и, в этом случае, является положительной. Таким образом, в случае, показанном на фиг. 5 и фиг. 6, энергия передается от высокочастотного колебания посредством фрикционного контакта в трение. Эффект является сравнительно высоким по сравнению со случаем, показанным на фиг. 3 и фиг. 4, и имеет требуемый знак. Из сравнения фиг. 2, 5 и 6 также видно, что рассеянная энергия значительно зависит от разницы между максимальной силой трения и минимальной силой трения для v=0 (т.е. положение 204 на фиг. 2). Чем выше разница между максимальной силой трения и минимальной силой трения для v=0, тем более высокой является рассеиваемая энергия. Хотя на фиг. 3-4 были сгенерированы характеристики снижения скорости, такие как показанная на фиг. 2, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены таким типом характеристик. Устройства и способы, описанные в настоящем документе, будут функциональными для любого типа характеристики, при условии, что сила трения или крутящий момент прохоReferring again to Fig. 2, point 204 denotes a favorable average speed for friction damping of small speed changes or vibrations in addition to the average speed. For small vibrations of the relative motion between two interacting objects, the cessation at point 204 in Fig. 2 with a change in the sign of the relative speed of the interacting objects also leads to an abrupt change in the friction force or torque. This change in sign leads to hysteresis, which leads to a large amount of dissipated energy. For example, one can compare Fig. 5 and Fig. 6, which are similar graphs to Fig. 3 and Fig. 4, respectively, but illustrate the case of zero average relative speed with additional small speed changes or vibrations. The area below line 600 in Fig. 6, which corresponds to the product F_rdx/dT, is equal to the dissipated energy during one period and, in this case, is positive. Thus, in the case shown in Fig. 5 and Fig. 6, energy is transferred from the high-frequency vibration through the frictional contact to the friction. The effect is comparatively high compared to the case shown in Fig. 3 and Fig. 4, and has the desired sign. It is also seen from a comparison of Figs. 2, 5 and 6 that the dissipated energy depends significantly on the difference between the maximum friction force and the minimum friction force for v=0 (i.e., position 204 in Fig. 2). The higher the difference between the maximum friction force and the minimum friction force for v=0, the higher the dissipated energy. Although speed reduction characteristics such as that shown in Fig. 2 were generated in Figs. 3-4, embodiments of the present invention are not limited to such type of characteristics. The devices and methods described herein will be functional for any type of characteristic, provided that the friction force or torque passes

- 7 050247 дит стадию с изменением знака при изменении относительной скорости между двумя взаимодействующими объектами.- 7 050247 there is a stage with a change in sign when the relative velocity between two interacting objects changes.

Далее будут описаны фрикционные демпферы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Фрикционные демпферы установлены на буровой системе или в буровой системе, такой как буровая система 10, показанная на фиг. 1, и/или части буровой системы 10, такой как часть компоновки низа бурильной колонны 90. Трения являются частью систем фрикционного демпфирования с двумя взаимодействующими объектами, такими как первый элемент и второй элемент, имеющий фрикционную контактную поверхность с первым элементом. Системы фрикционного демпфирования по настоящему изобретению расположены таким образом, что первый элемент имеет среднюю скорость, которая связана со скоростью вращения буровой системы, в которой он установлен. Например, первый элемент может иметь аналогичную или такую же среднюю скорость или скорость вращения в качестве буровой системы таким образом, что небольшие изменяющиеся колебания приводят к изменению знака или переходу через нуль относительной скорости между первым элементом и вторым элементом в соответствии с точкой 204 на фиг. 2. Следует отметить, что силы трения или крутящий момент между буровой системой и стенкой ствола скважины не будут генерировать дополнительное демпфирование высокочастотных колебаний в системе. Это связано с тем, что относительная скорость между контактными поверхностями (например, стабилизатором и стволом скважины) не имеет нулевого среднего значения (например, точка 202 на фиг. 2). В соответствии с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, статическое трение между первым элементом и вторым элементом установлено достаточно высоким, чтобы позволить первому элементу ускорять второй элемент (во время вращения) со средней скоростью v0 с тем же значением, что и у буровой системы. Таким образом, дополнительные высокочастотные колебания обеспечивают скольжение между первым элементом (например, демпфирующим устройством) и вторым элементом (например, буровой системой) с положительными или отрицательными скоростями в соответствии с вибрациями вокруг положения, показанного на фиг. 2, которое равно или близко к точке 204 на фиг. 2. Скольжение происходит, если инерциальная сила FI превышает силу статического трения, выраженную в виде коэффициента статического трения, умноженного на нормальную силу между двумя взаимодействующими объектами: F_I>μ_0F_N. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нормальную силу FN (например, вызванную контактом и поверхностным давлением на контактной поверхности между двумя взаимодействующими объектами) и коэффициент статического трения μ0 корректируют для достижения оптимального рассеивания энергии и оптимальной амплитуды. Кроме того, можно оптимизировать момент инерции (крутильный), контакт и наземное давление контактирующих поверхностей и размещение демпфера или контактной поверхности относительно расстояния от долота.Friction dampers according to some embodiments of the present invention will now be described. Friction dampers are installed on or in a drilling system, such as the drilling system 10 shown in Fig. 1, and/or a part of the drilling system 10, such as a part of the bottom hole assembly 90. Frictions are part of friction damping systems with two interacting objects, such as a first element and a second element having a frictional contact surface with the first element. Friction damping systems according to the present invention are arranged such that the first element has an average speed that is related to the rotational speed of the drilling system in which it is installed. For example, the first element can have a similar or the same average speed or rotational speed as the drilling system such that small changing oscillations lead to a change in sign or a transition through zero of the relative speed between the first element and the second element in accordance with point 204 in Fig. 2. It should be noted that the friction forces or torque between the drilling system and the borehole wall will not generate additional damping of the high-frequency vibrations in the system. This is due to the fact that the relative speed between the contact surfaces (e.g., the stabilizer and the borehole) does not have a zero average value (e.g., point 202 in Fig. 2). According to the embodiments described in this document, the static friction between the first element and the second element is set high enough to allow the first element to accelerate the second element (during rotation) with an average speed v 0 with the same value as that of the drilling system. Thus, the additional high-frequency vibrations provide sliding between the first element (e.g., the damping device) and the second element (e.g., the drilling system) with positive or negative speeds in accordance with the vibrations around the position shown in Fig. 2, which is equal to or close to point 204 in Fig. 2. Sliding occurs if the inertial force FI exceeds the static friction force expressed as the coefficient of static friction multiplied by the normal force between the two interacting objects: F_I>μ_0F_N. According to embodiments of the present invention, the normal force F N (for example, caused by the contact and surface pressure on the contact surface between the two interacting objects) and the coefficient of static friction μ 0 are adjusted to achieve optimal energy dissipation and optimal amplitude. In addition, the moment of inertia (torsional), contact and ground pressure of the contacting surfaces and the placement of the damper or contact surface relative to the distance from the bit can be optimized.

Например, на фиг. 7 схематично показана демпфирующая система 700 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 700 является частью скважинной системы 702, такой как компоновка низа бурильной колонны и/или буровая компоновка. Скважинная система 702 содержит колонну 704, которая вращается для обеспечения буровых работ скважинной системы 702 с образованием ствола 706 скважины в пределах формации 708. Как описано выше, ствол 706 скважины, как правило, заполняется буровым раствором, таким как буровой глинистый раствор. Демпфирующая система 700 содержит первый элемент 710, функционально соединенный, например, неподвижно соединенный или выполненный за одно целое со скважинной системой 702, для обеспечения того, чтобы первый элемент 710 вращался со средней скоростью, которая связана, например, схожа или одинакова со средней скоростью скважинной системы 702. Первый элемент 710 находится в фрикционном контакте со вторым элементом 712. Второй элемент 712 по меньшей мере частично установлен с возможностью перемещения на скважинной системе 702 с контактной поверхностью 714, расположенной между первым элементом 710 и вторым элементом 712.For example, Fig. 7 schematically shows a damping system 700 in accordance with one embodiment of the present invention. The damping system 700 is part of a well system 702, such as a bottom hole assembly and/or a drilling assembly. The well system 702 includes a string 704 that is rotated to provide drilling operations of the well system 702 to form a wellbore 706 within a formation 708. As described above, the wellbore 706 is typically filled with a drilling fluid, such as a drilling mud. The damping system 700 comprises a first element 710, operatively connected, for example, fixedly connected or made integrally with the well system 702, to ensure that the first element 710 rotates at an average speed, which is associated, for example, similar or the same as the average speed of the well system 702. The first element 710 is in frictional contact with the second element 712. The second element 712 is at least partially mounted with the possibility of movement on the well system 702 with a contact surface 714 located between the first element 710 and the second element 712.

В случае сил трения разница между минимальной и максимальной силой трения положительно зависит от нормальной силы и коэффициента статического трения. Рассеянная энергия увеличивается с силой трения и гармоническим смещением, но энергия рассеивается только в фазе скольжения. На фазе прихвата относительное смещение между фрикционными сопряжениями и рассеянной энергией равно нулю. Верхний амплитудный предел прихвата увеличивается линейно при нормальной силе и коэффициенте трения в контактном сопряжении. Причина заключается в том, что сила реакции в контактном сопряжении, J(x )>M_H=F_N μ_Н r, которая может быть вызвана инерцией J одного из контактирующих объектов, если он ускоряется с (х), должна быть выше крутящего момента M_H=F_N μ_Н r, который определяет предел между прихватом и скольжением. Применяемые в настоящем документе обозначения: F_N представляет собой нормальную силу, μ_Н представляет собой эффективный коэффициент трения, а r представляет собой эффективный или средний радиус области фрикционного контакта. В случае сложных частей фрикционных контактов взаимодействующих объектов прихват или скольжение могут происходить одновременно. В настоящем документе контактное давление можно оптимизировать для достижения оптимального демпфирования и амплитуды.In the case of friction forces, the difference between the minimum and maximum friction force depends positively on the normal force and the coefficient of static friction. The dissipated energy increases with the friction force and the harmonic displacement, but the energy is dissipated only in the sliding phase. In the sticking phase, the relative displacement between the friction interfaces and the dissipated energy are zero. The upper amplitude limit of sticking increases linearly with the normal force and the coefficient of friction in the contact interface. The reason is that the reaction force in the contact interface, J(x )>M_H=F_N μ_Н r, which can be caused by the inertia J of one of the contacting objects if it is accelerated with (x), must be higher than the torque M_H=F_N μ_Н r, which determines the limit between sticking and sliding. The notation used in this document is: F_N represents the normal force, μ_Н represents the effective coefficient of friction, and r represents the effective or average radius of the frictional contact region. In the case of complex frictional contact parts of interacting objects, sticking or sliding may occur simultaneously. In this paper, the contact pressure can be optimized to achieve optimal damping and amplitude.

Аналогичные механизмы применимы, если усилие контакта вызвано смещением и пружинным элеSimilar mechanisms are applicable if the contact force is caused by displacement and a spring element.

- 8 050247 ментом. Ускорение (х) области контакта может быть обусловлено возбуждением колебаний некоторого типа и зависит от соответствующей формы колебаний, как дополнительно рассмотрено ниже со ссылкой на фиг. 9В. В случае прикрепленной инерционной массы, J ускорение (х) равно ускорению возбужденного типа колебаний и соответствующей формы колебаний в положении крепления при условии, что в контактном взаимодействии имеется прихват.- 8 050247 ment. The acceleration (x) of the contact area may be due to the excitation of some type of oscillation and depends on the corresponding oscillation mode, as further discussed below with reference to Fig. 9B. In the case of an attached inertial mass, J the acceleration (x) is equal to the acceleration of the excited oscillation mode and the corresponding oscillation mode in the attachment position, provided that there is a grip in the contact interaction.

Необходимо регулировать нормальную силу и силу трения, чтобы гарантировать фазу скольжения в соответствующем или допустимом диапазоне амплитуды. Допустимый диапазон амплитуды может быть определен амплитудой, которая находится между нулевым значением и пределами нагрузок, которые, например, приведены в промышленных спецификациях инструментов и компонентов. Предел также может быть задан в процентах от ожидаемой амплитуды без демпфера. Рассеянная энергия, которая может сравниваться с входной энергией, например, путем принудительного действия или самовозбуждения, является одной величиной для определения эффективности демпфера. Другой величиной является обеспечение эквивалентного демпфирования системы, пропорциональной соотношению рассеиваемой энергии в один период гармонической вибрации потенциальной энергии в течение одного периода вибрации в системе. Эта величина особенно эффективна в случае самовозбуждаемых систем. В случае самовозбуждаемых систем возбуждение может быть аппроксимировано с помощью отрицательного коэффициента демпфирования, и как эквивалентное демпфирование, так и отрицательное демпфирование можно сравнивать напрямую. Усилие демпфирования, обеспечиваемое демпфером, является нелинейным и сильно зависит от амплитуды.It is necessary to regulate the normal force and the friction force in order to ensure the sliding phase in the appropriate or permissible amplitude range. The permissible amplitude range can be defined by an amplitude that lies between zero and load limits, which are, for example, given in industrial specifications for tools and components. The limit can also be given as a percentage of the expected amplitude without a damper. The dissipated energy, which can be compared with the input energy, for example, by forcing or self-excitation, is one quantity for determining the effectiveness of the damper. Another quantity is the provision of equivalent damping of the system, proportional to the ratio of the dissipated energy in one period of harmonic vibration to the potential energy in one period of vibration in the system. This quantity is especially effective in the case of self-excited systems. In the case of self-excited systems, excitation can be approximated by a negative damping coefficient, and both equivalent damping and negative damping can be compared directly. The damping force provided by the damper is nonlinear and strongly depends on the amplitude.

Как показано на фиг. 20, демпфирование равно нулю в фазе прихвата (левый конец графика на фиг. 20), когда относительное перемещение между взаимодействующими объектами равно нулю. Если, как описано выше, предел между фазой прихвата и фазой скольжения превышается силой, которая передается через контактное сопряжение, происходит относительное скользящее перемещение, которое вызывает рассеивание энергии. Затем коэффициент демпфирования, обеспечиваемый фрикционным демпфированием, увеличивается до максимума с последующим снижением до минимума. Амплитуда, которая будет проявляться, зависит от возбуждения, которое может быть описано термином отрицательного демпфирования. В настоящем документе максимум обеспеченного демпфирования, показанный на фиг. 20, должен быть выше отрицательного демпфирования от механизма самовозбуждения. Амплитуда, которая проявляется в так называемом предельном цикле, может быть определена пересечением отрицательного коэффициента демпфирования и эквивалентного коэффициента демпфирования, который обеспечивается фрикционным демпфером.As shown in Fig. 20, the damping is zero in the sticking phase (left end of the graph in Fig. 20), when the relative displacement between the interacting objects is zero. If, as described above, the limit between the sticking phase and the sliding phase is exceeded by the force that is transmitted through the contact interface, a relative sliding displacement occurs, which causes energy dissipation. Then, the damping coefficient provided by the frictional damping increases to a maximum and then decreases to a minimum. The amplitude that will appear depends on the excitation, which can be described by the term negative damping. In this document, the maximum of the provided damping, shown in Fig. 20, should be higher than the negative damping from the self-excitation mechanism. The amplitude that occurs in the so-called limit cycle can be determined by the intersection of the negative damping coefficient and the equivalent damping coefficient provided by the friction damper.

Кривая зависит от различных параметров. Выгодно иметь высокую нормальную силу, но при этом фазу проскальзывания, которая происходит при минимальной амплитуде компоновки низа бурильной колонны. В случае инерционной массы это может быть достигнуто с помощью высокой массы или путем размещения контактного сопряжения в точке высокого ускорения относительно формы возбужденных колебаний. В случае контактирующих сопряжений выгодно большое относительное смещение по сравнению с амплитудой формы колебаний в точке контакта, например, вдоль осевой оси КНБК. Таким образом, важно оптимальное размещение демпфирующего устройства в соответствии с высокой амплитудой или относительной амплитудой. Это может быть достигнуто путем применения результатов моделирования, как описано ниже. Нормальную сила и коэффициент трения можно применять для сдвига кривой до более низких или более высоких амплитуд, но это не оказывает сильное влияние на максимум демпфирования. Если реализовано более одного фрикционного демпфера, это приведет к наложению аналогичных кривых, показанных на фиг. 20. Если нормальную силу и коэффициенты трения регулируют для достижения максимума в той же амплитуде, это полезно для достижения общего демпфирования. Кроме того, слегка смещенные кривые демпфирования привели бы к результирующей кривой, которая могла бы быть более широкой по амплитуде, что может быть полезно для учета ударов, которые могут сместить амплитуду вправо от максимума. В этом случае амплитуда будет увеличиваться до очень высокого значения в случае самовозбуждаемых систем, на что указывает отрицательное демпфирование. В этом случае необходимо снова сместить амплитуду в левую сторону от максимума, например, уйдя от забоя или снизив скорость вращения системы до более низких уровней. В этом контексте амплитуда примерно линейно зависит от средней скорости вращения, как показано и рассмотрено со ссылкой на фиг. 8В.The curve depends on various parameters. It is advantageous to have a high normal force, but a slip phase that occurs at minimum BHA amplitude. In the case of an inertial mass, this can be achieved by using a high mass or by placing the contact mate at a point of high acceleration relative to the excited mode shape. In the case of contacting mates, a large relative displacement compared to the mode shape amplitude at the contact point, for example along the BHA axial axis, is advantageous. Thus, optimal placement of the damping device according to the high amplitude or relative amplitude is important. This can be achieved by applying the modeling results as described below. The normal force and friction coefficient can be applied to shift the curve to lower or higher amplitudes, but this does not have a strong effect on the damping maximum. If more than one friction damper is implemented, this will result in overlapping curves similar to those shown in Fig. 20. If the normal force and friction coefficients are adjusted to achieve a maximum at the same amplitude, this is useful for achieving overall damping. In addition, slightly offset damping curves would result in a resulting curve that could be broader in amplitude, which could be useful for accounting for impacts that could shift the amplitude to the right of the maximum. In this case, the amplitude would increase to a very high value in the case of self-excited systems, as indicated by negative damping. In this case, it is necessary to shift the amplitude again to the left of the maximum, for example by moving away from the face or by reducing the rotational speed of the system to lower levels. In this context, the amplitude is approximately linearly dependent on the average rotational speed, as shown and discussed with reference to Fig. 8B.

Еще раз со ссылкой на фиг. 7, колонна 704 и, следовательно, скважинная система 702 вращаются со скоростью вращения dφ/dτ, которая может быть измерена в оборотах в минуту (об/мин). Второй элемент 712 установлен на первом элементе 710. Нормальная сила FN между первым элементом 710 и вторым элементом 712 может быть выбрана или отрегулирована посредством применения и использования регулирующего элемента 716. Регулирующий элемент 716 может быть регулируемым, например, посредством резьбы, приводного механизма, пьезоэлектрического приводного механизма, гидравлического приводного механизма и/или пружинного элемента для приложения усилия, который имеет компонент в направлении, перпендикулярном контактной поверхности 714 между первым элементом 710 и вторым элементом 712. Например, как показано на фиг. 7, регулирующий элемент 716 может прикладывать усилие в осевом направлении от скважинной системы 702, которое преобразуется в компонент силы FN, который перпендикулярен контактной поверхности 714 первого элемента 710 и второго элемента 712 ввидуReferring again to Fig. 7, the column 704 and, therefore, the well system 702 rotate at a rotation speed dφ/dτ, which can be measured in revolutions per minute (rpm). The second element 712 is mounted on the first element 710. The normal force FN between the first element 710 and the second element 712 can be selected or adjusted by applying and using an adjusting element 716. The adjusting element 716 can be adjustable, for example, by means of a thread, an actuator, a piezoelectric actuator, a hydraulic actuator and/or a spring element for applying force, which has a component in a direction perpendicular to the contact surface 714 between the first element 710 and the second element 712. For example, as shown in Fig. 7, the control element 716 can apply a force in the axial direction from the well system 702, which is converted into a force component FN, which is perpendicular to the contact surface 714 of the first element 710 and the second element 712 due to

- 9 050247 ненулевого угла между осью скважинной системы 702 и контактной поверхностью 714 первого элемента 710 и второго элемента 712. В некоторых конфигурациях угол между системой 712 и инертным массовым элементом выбирают или определяют для обеспечения скользящего движения и предотвращения самофиксации.- 9 050247 non-zero angle between the axis of the well system 702 and the contact surface 714 of the first element 710 and the second element 712. In some configurations, the angle between the system 712 and the inert mass element is selected or determined to ensure sliding movement and prevent self-fixation.

Второй элемент 712 имеет момент инерции J. При возникновении HFTO во время работы скважинной системы 702 как скважинная система 702, так и второй элемент 712 ускоряются в соответствии с формой колебаний (например, определяют распределение амплитуды вдоль размеров буровой системы, бурильной колонны и/или КНБК) и амплитудой формы колебаний (например, шкалы амплитуды формы колебаний). Иллюстративные результаты такой работы показаны на фиг. 8А и фиг. 8В. На фиг. 8А представлен график тангенциального ускорения, измеренного на долоте, а на фиг. 8В представлена соответствующая скорость вращения.The second element 712 has a moment of inertia J. When HFTO occurs during operation of the well system 702, both the well system 702 and the second element 712 accelerate in accordance with a vibration mode (e.g., determining the amplitude distribution along the dimensions of the drilling system, drill string and/or BHA) and an amplitude of the vibration mode (e.g., a scale of the amplitude of the vibration mode). Illustrative results of such operation are shown in Fig. 8A and Fig. 8B. Fig. 8A shows a graph of the tangential acceleration measured at the bit, and Fig. 8B shows the corresponding rotational speed.

Из-за тангенциального ускорения и инерции второго элемента 712 между вторым элементом 712 и первым элементом 710 возникают относительные инерциальные силы. Если эти инерциальные силы превышают порог между прихватыванием и скольжением, то есть если эти инерциальные силы превышают силу статического трения между первым элементом 710 и вторым элементом 710, происходит относительное перемещение между элементами 710, 712, что приводит к рассеиванию энергии. В таких конфигурациях ускорения, коэффициент статического и/или динамического трения и нормальная сила определяют количество рассеиваемой энергии. Например, момент инерции J второго элемента 712 определяет относительную силу, которая должна быть передана между первым элементом 710 и вторым элементом 712. Высокие ускорения и моменты инерции увеличивают тенденцию к скольжению на контактной поверхности 714 и, таким образом, обеспечивают более высокое рассеивание энергии и эквивалентный коэффициент демпфирования, обеспечиваемые демпфером.Due to the tangential acceleration and inertia of the second element 712, relative inertial forces arise between the second element 712 and the first element 710. If these inertial forces exceed the threshold between sticking and sliding, that is, if these inertial forces exceed the static friction force between the first element 710 and the second element 710, a relative movement occurs between the elements 710, 712, which leads to energy dissipation. In such acceleration configurations, the coefficient of static and/or dynamic friction and the normal force determine the amount of energy to be dissipated. For example, the moment of inertia J of the second element 712 determines the relative force that must be transmitted between the first element 710 and the second element 712. High accelerations and moments of inertia increase the tendency to slide on the contact surface 714 and, thus, provide a higher energy dissipation and an equivalent damping coefficient provided by the damper.

Из-за рассеивания энергии, вызванного фрикционным перемещением между первым элементом 710 и вторым элементом 712, на первом элементе 710 и/или втором элементе 712 будет сгенерировано тепло и износ. Чтобы сохранить износ ниже приемлемого уровня, для первого и/или второго элементов 710, 712 можно применять материалы, которые могут выдерживать износ. Например, буровые алмазы или поликристаллические алмазные долота могут быть применены для по меньшей мере части первого и/или второго элементов 710, 712. Альтернативно или дополнительно покрытия могут способствовать уменьшению износа из-за трения между первым и вторым элементами 710, 712. Тепло может приводить к высоким температурам и может влиять на надежность или долговечность первого элемента 710, второго элемента 712 и/или других частей скважинной системы 702. Первый элемент 710 и/или второй элемент 712 могут быть изготовлены из материала с высокой теплопроводностью или высокой теплоемкостью и/или могут находиться в контакте с материалом с высокой теплопроводностью или теплоемкостью.Due to the energy dissipation caused by the frictional movement between the first element 710 and the second element 712, heat and wear will be generated on the first element 710 and/or the second element 712. In order to keep the wear below an acceptable level, materials that can withstand wear can be used for the first and/or second elements 710, 712. For example, drill diamonds or polycrystalline diamond bits can be used for at least a portion of the first and/or second elements 710, 712. Alternatively or additionally, coatings can help reduce wear due to friction between the first and second elements 710, 712. Heat can lead to high temperatures and can affect the reliability or durability of the first element 710, the second element 712 and/or other parts of the well system 702. The first element 710 and/or the second element 712 can be made of a material with high thermal conductivity or high heat capacity and/or can be in contact with a material with high thermal conductivity or heat capacity.

Такие материалы с высокой теплопроводностью включают в себя, без ограничений, металлы или соединения, включая металл, такой как медь, серебро, золото, алюминий, молибден, вольфрам, или термическую смазку, содержащую жир, смазочный материал, масло, эпоксидные смолы, силиконы, уретаны и акрилаты, и необязательно наполнители, такие как алмаз, металл или химические соединения, включая металл (например, серебро, алюминий в нитриде алюминия, борон в нитриде бора, цинк в оксиде цинка), или кремниевые или химические соединения, включая кремний (например, карбид кремния). Дополнительно или альтернативно один или оба из первого элемента 710 и второго элемента 712 могут находиться в контакте с флюидом, таким как буровой раствор, который выполнен с возможностью отвода тепла от первого элемента 710 и/или второго элемента 712 для охлаждения соответствующего элемента 710, 712. Кроме того, ограничивающий элемент амплитуды (не показан), такой как манипулятор, выемка или пружинный элемент, может быть применен и выполнен с возможностью ограничения рассеивания энергии до приемлемого предела, который снижает износ.Such high thermal conductivity materials include, but are not limited to, metals or compounds, including a metal such as copper, silver, gold, aluminum, molybdenum, tungsten, or a thermal lubricant containing fat, grease, oil, epoxy resins, silicones, urethanes and acrylates, and optionally fillers such as diamond, a metal or chemical compounds including a metal (e.g., silver, aluminum in aluminum nitride, boron in boron nitride, zinc in zinc oxide), or silicon or chemical compounds including silicon (e.g., silicon carbide). Additionally or alternatively, one or both of the first element 710 and the second element 712 may be in contact with a fluid, such as a drilling mud, which is configured to remove heat from the first element 710 and/or the second element 712 to cool the corresponding element 710, 712. In addition, an amplitude limiting element (not shown), such as a manipulator, a recess or a spring element, may be used and configured to limit energy dissipation to an acceptable limit that reduces wear.

При размещении демпфирующей системы 700 высокая нормальная сила и/или коэффициент статического или динамического трения предотвращают относительное скользящее перемещение между первым элементом 710 и вторым элементом 712, и в таких ситуациях энергия не будет рассеяна. Напротив, низкая нормальная сила и/или коэффициент статического или динамического трения могут приводить к силе низкого трения, и происходит скольжение, но рассеянная энергия является низкой. Кроме того, низкая нормальная сила и/или коэффициент статического или динамического трения могут приводить к тому, что трение на внешней поверхности второго элемента 712, например между вторым элементом 712 и формованием 708, выше трения между первым элементом 710 и вторым элементом 712, что приводит к ситуации, когда относительная скорость между первым элементом 710 и вторым элементом 712 не равна нулю, а находится в диапазоне средней скорости между скважинной системой 702 и формацией 708. Таким образом, можно регулировать нормальную силу и коэффициент статического или динамического трения и размещение демпферного элемента относительно формы возбужденных колебаний и формы колебаний (например, с помощью регулирующего элемента 716) для достижения оптимизированного значения для рассеивания энергии.When arranging the damping system 700, a high normal force and/or static or dynamic friction coefficient prevents relative sliding movement between the first element 710 and the second element 712, and in such situations, energy will not be dissipated. In contrast, a low normal force and/or static or dynamic friction coefficient can lead to a low friction force, and sliding occurs, but the dissipated energy is low. In addition, a low normal force and/or a coefficient of static or dynamic friction can result in the friction on the outer surface of the second element 712, for example between the second element 712 and the formation 708, being higher than the friction between the first element 710 and the second element 712, which results in a situation where the relative velocity between the first element 710 and the second element 712 is not zero, but is in the range of the average velocity between the well system 702 and the formation 708. In this way, the normal force and the coefficient of static or dynamic friction and the placement of the damper element relative to the excited vibration shape and the vibration shape can be adjusted (for example, using the adjusting element 716) to achieve an optimized value for energy dissipation.

Это может быть выполнено путем регулирования нормальной силы FN, коэффициента статического трения μ0, коэффициента динамического трения μ, размещения демпферного элемента относительно формы возбужденных колебаний или их комбинаций. Нормальную силу FN можно регулировать путемThis can be accomplished by adjusting the normal force FN, the static friction coefficient μ 0 , the dynamic friction coefficient μ, the placement of the damper element relative to the excited vibration mode, or combinations thereof. The normal force F N can be adjusted by

- 10 050247 размещения регулирующего элемента 716 и/или приводных механизмов, которые генерируют силу на одном из первого и второго элементов с компонентом, перпендикулярным контактной поверхности первого и второго элементов, путем регулирования режима давления вокруг первого и второго элементов или путем увеличения или уменьшения площади, на которой действует давление. Например, за счет увеличения внешнего давления, которое действует на второй элемент, например давление промывочной жидкости, нормальная сила FN будет также увеличена. Регулирование давления промывочной жидкости в скважине может быть достигнуто путем регулирования насосов для бурового раствора (например, насосов 34 для бурового раствора, показанных на фиг. 1) на поверхности или другого оборудования на поверхности или в скважине, которое влияет на давление промывочной жидкости, такого как байпасные клапаны, клапаны, поглотители гидравлического удара. Нормальную силу можно регулировать таким же образом, чтобы она была гармонической с той же частотой, что и частота свободных колебаний формы возбужденных колебаний и, таким образом, иметь низкие значения нормальной силы для низкого ускорения инерционной массы и высокие значения нормальной силы для низких ускорений инерционной массы, и это обеспечивает скользящее перемещение с низкими значениями ускорения.- 10 050247 placing the regulating element 716 and/or the drive mechanisms that generate a force on one of the first and second elements with a component perpendicular to the contact surface of the first and second elements by regulating the pressure regime around the first and second elements or by increasing or decreasing the area on which the pressure acts. For example, by increasing the external pressure that acts on the second element, such as the pressure of the drilling fluid, the normal force FN will also be increased. The regulation of the pressure of the drilling fluid in the well can be achieved by regulating the pumps for the drilling fluid (for example, the pumps 34 for the drilling fluid shown in Fig. 1) on the surface or other equipment on the surface or in the well that affects the pressure of the drilling fluid, such as bypass valves, valves, hydraulic shock absorbers. The normal force can be adjusted in the same way so that it is harmonic with the same frequency as the free vibration frequency of the excited vibration mode and thus has low normal force values for low inertial mass acceleration and high normal force values for low inertial mass accelerations, and this ensures sliding motion with low acceleration values.

Нормальную силу FN также можно регулировать с помощью смещающего элемента (не показан), такого как пружинный элемент, который прикладывает усилие ко второму элементу 712, например, усилие в осевом направлении от первого элемента 710 или к нему. Регулирование нормальной силы FN также можно выполнять управляемым способом на основании входного сигнала, принимаемого от датчика. Например, подходящий датчик (не показан) может обеспечивать одно или более значений параметров для контроллера (не показан), значение(-я) параметра связано(-ы) с относительным перемещением первого элемента 710 и второго элемента 712 или температурой одного или обоих из первого элемента 710 и второго элемента 712. На основании значения(-ов) параметра контроллер может предоставлять команду для увеличения или уменьшения нормальной силы FN. Например, если температура одного или обоих из первого элемента 710 и второго элемента 712 превышает пороговую температуру, контроллер может предоставлять команду для уменьшения нормальной силы FN для предотвращения повреждения одного или обоих из первого элемента 710 и второго элемента 712 вследствие воздействия высоких температур. Аналогично, например, если расстояние, скорость или ускорение второго элемента 712 относительно первого элемента 710 превышает порог, контроллер может предоставлять команды для увеличения или уменьшения нормальной силы FN для обеспечения оптимального рассеивания энергии. За счет контроля значения параметра нормальную силу FN можно регулировать для достижения требуемых результатов в течение периода времени. Например, нормальную силу FN можно регулировать для обеспечения оптимального рассеивания энергии при сохранении температуры одного или обоих из первого элемента 710 и второго элемента 712 ниже порога для запуска бурения или их части.The normal force F N can also be adjusted by a biasing element (not shown), such as a spring element, which applies a force to the second element 712, for example, a force in the axial direction from the first element 710 or to it. The adjustment of the normal force FN can also be performed in a controlled manner based on an input signal received from a sensor. For example, a suitable sensor (not shown) can provide one or more parameter values for a controller (not shown), the parameter value(s) are related to the relative movement of the first element 710 and the second element 712 or the temperature of one or both of the first element 710 and the second element 712. Based on the parameter value(s), the controller can provide a command to increase or decrease the normal force FN. For example, if the temperature of one or both of the first element 710 and the second element 712 exceeds a threshold temperature, the controller can provide a command to decrease the normal force FN to prevent damage to one or both of the first element 710 and the second element 712 due to exposure to high temperatures. Similarly, for example, if the distance, speed or acceleration of the second element 712 relative to the first element 710 exceeds a threshold, the controller can provide commands to increase or decrease the normal force FN to ensure optimal energy dissipation. By controlling the parameter value, the normal force F N can be adjusted to achieve the desired results over a period of time. For example, the normal force F N can be adjusted to ensure optimal energy dissipation while maintaining the temperature of one or both of the first element 710 and the second element 712 below the threshold for starting drilling or a portion thereof.

Кроме того, коэффициент статического или динамического трения можно регулировать с применением различных материалов, например, без ограничений, материала с различной жесткостью, различной шероховатостью и/или разной смазкой. Например, поверхность с более высокой шероховатостью часто увеличивает коэффициент трения. Таким образом, коэффициент трения можно регулировать путем выбора материала с соответствующим коэффициентом трения для по меньшей мере одного из первого и второго элементов или части по меньшей мере одного из первого и второго элементов. Материал первого и/или второго элемента также может оказывать воздействие на износ первого и второго элементов. Для сохранения износа первого и второго элементов на низком уровне целесообразно выбрать материал, который может выдерживать трение, которое создается между первым и вторым элементами. Инерция, коэффициент трения и ожидаемые амплитуды ускорения (например, в зависимости от формы колебаний и собственной частоты) второго элемента 712 представляют собой параметры, определяющие рассеянную энергию и которые необходимо оптимизировать. Критические формы колебаний и амплитуды ускорения могут быть определены на основании измерений или расчетов или на основании других известных способов, которые будут понятны специалистам в данной области техники. Примеры представляют собой анализ методом конечных элементов или способ передаточных матриц, или способ конечных разностей, и на основании этого модальный анализ или аналитические модели. Размещение фрикционного демпфера является оптимальным, если ожидается высокое относительное смещение или ускорение.In addition, the coefficient of static or dynamic friction can be adjusted by using different materials, such as, but not limited to, a material with different rigidity, different roughness and/or different lubrication. For example, a surface with higher roughness often increases the coefficient of friction. Thus, the coefficient of friction can be adjusted by selecting a material with an appropriate coefficient of friction for at least one of the first and second elements or a part of at least one of the first and second elements. The material of the first and/or second element can also influence the wear of the first and second elements. In order to keep the wear of the first and second elements at a low level, it is advisable to select a material that can withstand the friction that is created between the first and second elements. The inertia, the coefficient of friction and the expected acceleration amplitudes (e.g. depending on the oscillation mode and the natural frequency) of the second element 712 are parameters that determine the dissipated energy and that must be optimized. The critical oscillation modes and acceleration amplitudes can be determined based on measurements or calculations or based on other known methods that will be understood by those skilled in the art. Examples are finite element analysis or transfer matrix method or finite difference method and based on this modal analysis or analytical models. The placement of the friction damper is optimal if high relative displacement or acceleration is expected.

На фиг. 9А и фиг. 9В показан пример скважинной системы 900 и соответствующих режимов. На фиг. 9А представлен схематический график скважинной системы, иллюстрирующий форму скважинной системы в зависимости от расстояния от долота, а на фиг. 9В представлены иллюстративные соответствующие формы колебаний крутильных колебаний, которые могут быть возбуждены во время работы скважинной системы, показанной на фиг. 9А. На изображениях, представленных на фиг. 9А и фиг. 9В, показано потенциальное положение и размещение одного или более элементов демпфирующей системы на скважинной системе 900.Fig. 9A and Fig. 9B show an example of a well system 900 and corresponding modes. Fig. 9A is a schematic graph of the well system illustrating the shape of the well system depending on the distance from the bit, and Fig. 9B is an exemplary corresponding vibration modes of torsional vibrations that can be excited during operation of the well system shown in Fig. 9A. The images shown in Fig. 9A and Fig. 9B show a potential position and placement of one or more elements of the damping system on the well system 900.

Как иллюстративно показано на фиг. 9А, скважинная система 900 имеет различные компоненты с различными диаметрами (вместе с различными массами, плотностями, конфигурациями и т.д.) и, таким образом, во время вращения скважинной системы 900 различные компоненты могут приводить к различным формам. Иллюстративные формы показывают, что будут существовать самые высокие амплитуды, которые могут потребовать демпфирования путем применения демпфирующей системы. Например, какAs illustrated in Fig. 9A, the well system 900 has various components with different diameters (along with different masses, densities, configurations, etc.) and thus, during rotation of the well system 900, the different components may result in different shapes. The illustrative shapes show that there will be highest amplitudes that may require damping by using a damping system. For example, as

- 11 050247 представлено на фиг. 9В, показаны форма 902 колебаний первого крутильного колебания, форма 904 колебаний второго крутильного колебания и форма 906 колебаний третьего крутильного колебания скважинной системы 900. На основании знания форм 902, 904, 906 колебаний можно оптимизировать положение первых элементов демпфирующей системы. При максимальной амплитуде (пиках) форм 902, 904, 906 колебаний может потребоваться и/или достигается демпфирование. Соответственно, иллюстративно показано два потенциальных положения для прикрепления или установки демпфирующей системы по настоящему изобретению.- 11 050247 is shown in Fig. 9B, the oscillation mode 902 of the first torsional oscillation, the oscillation mode 904 of the second torsional oscillation and the oscillation mode 906 of the third torsional oscillation of the well system 900 are shown. Based on the knowledge of the oscillation modes 902, 904, 906, the position of the first elements of the damping system can be optimized. At the maximum amplitude (peaks) of the oscillation modes 902, 904, 906, damping may be required and/or achieved. Accordingly, two potential positions for attaching or installing the damping system of the present invention are illustratively shown.

Например, первое положение 908 демпфирования близко к долоту скважинной системы 900 и в основном демпфирует первые и третье крутильные колебания (соответствует формам 902, 906 колебаний) и обеспечивает некоторое демпфирование относительно второго крутильного колебания (соответствует форме 904 колебаний). Таким образом, первое положение 908 демпфирования должно быть приблизительно на пике третьего крутильного колебания (соответствует форме 906 колебаний), близкое к пику первой формы 902 крутильных колебаний, а также от около половины значения до пика относительно второй формы 904 крутильных колебаний.For example, the first damping position 908 is close to the bit of the well system 900 and mainly damps the first and third torsional vibrations (corresponds to the vibration modes 902, 906) and provides some damping relative to the second torsional vibration (corresponds to the vibration mode 904). Thus, the first damping position 908 should be approximately at the peak of the third torsional vibration (corresponds to the vibration mode 906), close to the peak of the first torsional vibration mode 902, and also from about half the value to the peak relative to the second torsional vibration mode 904.

Второе положение 910 демпфирования выполнено с возможностью главным образом повторного обеспечения демпфирования третьей формы 906 колебаний крутильного колебания и обеспечения некоторого демпфирования относительно первой формы 902 колебаний крутильного колебания. Однако во втором положении 910 демпфирования не будет происходить демпфирование второй формы 904 колебаний крутильного колебания, поскольку вторая форма 904 колебаний крутильного колебания практически равна нулю во втором положении 910 демпфирования.The second damping position 910 is configured to primarily repeatedly provide damping of the third torsional oscillation mode 906 and to provide some damping relative to the first torsional oscillation mode 902. However, in the second damping position 910, no damping of the second torsional oscillation mode 904 will occur, since the second torsional oscillation mode 904 is substantially zero in the second damping position 910.

Хотя на фиг. 9А и фиг. 9В показаны только два положения для размещения демпфирующих систем по настоящему изобретению, варианты осуществления не должны быть настолько ограничены. Например, возможно любое количество и любое размещение демпфирующих систем вдоль скважинной системы для обеспечения демпфирования крутильной вибрации на скважинной системе. Примером предпочтительного положения установки для демпфера является то, где одна или более из ожидаемых форм колебаний демонстрируют высокие амплитуды.Although Fig. 9A and Fig. 9B show only two positions for placing the damping systems of the present invention, the embodiments should not be so limited. For example, any number and any placement of damping systems along the wellbore system is possible to provide damping of torsional vibration on the wellbore system. An example of a preferred installation position for a damper is where one or more of the expected vibration modes exhibit high amplitudes.

Из-за высоких амплитуд в буровом долоте, например, одно надлежащее положение демпфера близко к буровому долоту или же находится внутри бурового долота. Кроме того, первый и второй элементы не ограничиваются одним корпусом, а могут принимать любое количество различных конфигураций для достижения требуемого демпфирования. Таким образом, можно применять множественные корпусные (многокорпусные) первый или второй элементы (например, фрикционные демпфирующие устройства) с каждым корпусом, имеющим одинаковые или разные нормальные силы, коэффициенты трения и моменты инерции. Такие системы многокорпусных элементов могут быть применены, например, при неуверенности в том, какая форма колебаний и соответствующее ускорение ожидаются в данном положении вдоль скважинной системы.Because of the high amplitudes in the drill bit, for example, one suitable position of the damper is close to the drill bit or is located inside the drill bit. In addition, the first and second elements are not limited to a single housing, but can take any number of different configurations to achieve the desired damping. Thus, multiple housing (multi-housing) first or second elements (e.g., friction damping devices) can be used, with each housing having the same or different normal forces, friction coefficients, and moments of inertia. Such systems of multiple housing elements can be used, for example, when there is uncertainty about what vibration mode and corresponding acceleration are expected at a given position along the well system.

Например, можно применять два или более корпусов элементов, которые могут обеспечивать различное относительное скользящее перемещение между ними для рассеивания энергии. Множественные корпусы первого элемента могут быть выбраны и собраны с различными коэффициентами статического или динамического трения, углами между контактными поверхностями и/или могут иметь другие механизмы для воздействия на величину трения и/или переход между прихватом и скольжением. Несколько уровней амплитуды, форм возбужденных колебаний и/или частот свободных колебаний могут быть демпфированы такими конфигурациями.For example, two or more element housings can be used that can provide different relative sliding movements between them to dissipate energy. Multiple first element housings can be selected and assembled with different static or dynamic friction coefficients, angles between contact surfaces, and/or can have other mechanisms for influencing the amount of friction and/or the transition between sticking and sliding. Several levels of amplitude, excited vibration shapes, and/or free vibration frequencies can be damped by such configurations.

Например, на фиг. 10 схематично показана демпфирующая система 1000 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1000 может функционировать аналогично показанной и описанной выше в отношении фиг. 7.For example, Fig. 10 schematically shows a damping system 1000 in accordance with one embodiment of the present invention. The damping system 1000 may function similarly to that shown and described above with respect to Fig. 7.

Демпфирующая система 1000 содержит первый элемент 1010 и вторые элементы 1012. Однако в данном варианте осуществления второй элемент 1012, установленный на первом элементе 1010 скважинной системы 1002, образован из первого корпуса 1018 и второго корпуса 1020. Первый корпус 1018 имеет первую контактную поверхность 1022 между первым корпусом 1018 и первым элементом 1010, и второй корпус 1020 имеет вторую контактную поверхность 1024 между вторым корпусом 1020 и первым элементом 1010. Как показано, первый корпус 1018 отделен от второго корпуса 1020 зазором 1026. Обеспечен зазор 1026 для предотвращения взаимодействия между первым корпусом 1018 и вторым корпусом 1020 таким образом, что они могут функционировать (например, перемещаться) независимо друг от друга или не взаимодействовать непосредственно друг с другом. В этом варианте осуществления первый корпус 1018 имеет первый коэффициент статического или динамического трения μ1; и первую силу FN1, которая перпендикулярна первой контактной поверхности 1022, тогда как второй корпус 1020 имеет второй коэффициент статического или динамического трения μ2 и вторую силу FN2, которая перпендикулярна второй контактной поверхности 1024. Кроме того, первый корпус 1018 может иметь первый момент инерции J1 и второй корпус 1020 может иметь второй момент инерции J2. В некоторых вариантах осуществления выбирают по меньшей мере одно из первого коэффициента статического или динамического трения μ1, первой нормальной силы FN1 и первого момента инерции J1, чтобы они отличались отThe damping system 1000 comprises a first element 1010 and second elements 1012. However, in this embodiment, the second element 1012 mounted on the first element 1010 of the well system 1002 is formed from the first body 1018 and the second body 1020. The first body 1018 has a first contact surface 1022 between the first body 1018 and the first element 1010, and the second body 1020 has a second contact surface 1024 between the second body 1020 and the first element 1010. As shown, the first body 1018 is separated from the second body 1020 by a gap 1026. The gap 1026 is provided to prevent interaction between the first body 1018 and the second body 1020 such that they can function (for example, move) independently of each other or not interact directly with each other. In this embodiment, the first housing 1018 has a first coefficient of static or dynamic friction μ1; and a first force FN1 that is perpendicular to the first contact surface 1022, while the second housing 1020 has a second coefficient of static or dynamic friction μ2 and a second force F N2 that is perpendicular to the second contact surface 1024. In addition, the first housing 1018 can have a first moment of inertia J1 and the second housing 1020 can have a second moment of inertia J2 . In some embodiments, at least one of the first coefficient of static or dynamic friction μ1, the first normal force FN1 and the first moment of inertia J1 is selected so that they differ from

- 12 050247 второго коэффициента статического или динамического трения μ2, второй нормальной силы FN2 и второго момента инерции J1 соответственно. Таким образом, демпфирующая система 1000 может быть выполнена с возможностью учета множества различных форм колебаний в по существу одном положении вдоль скважинной системы 1002.- 12 050247 the second coefficient of static or dynamic friction μ 2 , the second normal force F N2 and the second moment of inertia J 1 , respectively. Thus, the damping system 1000 can be designed with the possibility of taking into account a plurality of different vibration modes in substantially one position along the well system 1002.

На фиг. 11 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1100 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1100 может функционировать аналогично показанной и описанной выше. Однако в данном варианте осуществления второй элемент 1112, установленный на первом элементе 1110 скважинной системы 1102, образован из первого корпуса 1118, второго корпуса 1120 и третьего корпуса 1128. Первый корпус 1118 имеет первую контактную поверхность 1122 между первым корпусом 1118 и первым элементом 1110, причем второй корпус 1120 имеет вторую контактную поверхность 1124 между вторым корпусом 1120 и первым элементом 1110, а третий корпус 1128 имеет третью контактную поверхность 1130 между третьим корпусом 1128 и первым элементом 1110. Как показано, третий корпус 1128 расположен между первым корпусом 1118 и вторым корпусом 1020. В этом варианте осуществления три корпуса 1118, 1120, 1128 находятся в контакте друг с другом и, таким образом, могут иметь нормальные силы и коэффициенты статического или динамического трения между ними.Fig. 11 is a schematic illustration of a damping system 1100 in accordance with one embodiment of the present invention. The damping system 1100 may operate similarly to that shown and described above. However, in this embodiment, the second element 1112 mounted on the first element 1110 of the well system 1102 is formed from a first housing 1118, a second housing 1120 and a third housing 1128. The first housing 1118 has a first contact surface 1122 between the first housing 1118 and the first element 1110, and the second housing 1120 has a second contact surface 1124 between the second housing 1120 and the first element 1110, and the third housing 1128 has a third contact surface 1130 between the third housing 1128 and the first element 1110. As shown, the third housing 1128 is located between the first housing 1118 and the second housing 1020. In this embodiment, the three housings 1118, 1120, 1128 are in contact with each other and, thus, can have normal forces and static coefficients or dynamic friction between them.

Контакт между тремя корпусами 1118, 1120, 1128 может быть установлен, может поддерживаться или сохраняться упругими соединительными элементами, такими как пружинные элементы между двумя или более элементами 1118, 1120, 1128. Дополнительно или альтернативно, первый корпус 1118 может иметь первый коэффициент статического или динамического трения μ1 и первую силу FN1 на первой контактной поверхности 1122, второй корпус 1120 может иметь второй коэффициент статического или динамического трения μ2 и вторую силу FN2 на второй контактной поверхности 1124, и третий корпус 1128 может иметь третий коэффициент статического или динамического трения μ3 и третью силу FN3 на третьей контактной поверхности 1130.The contact between the three housings 1118, 1120, 1128 can be established, can be supported or maintained by elastic connecting elements, such as spring elements between two or more elements 1118, 1120, 1128. Additionally or alternatively, the first housing 1118 can have a first coefficient of static or dynamic friction μ1 and a first force FN1 on the first contact surface 1122, the second housing 1120 can have a second coefficient of static or dynamic friction μ2 and a second force FN2 on the second contact surface 1124, and the third housing 1128 can have a third coefficient of static or dynamic friction μ 3 and a third force F N3 on the third contact surface 1130.

Дополнительно или альтернативно, первый корпус 1118 и третий корпус 1128 могут иметь четвертую силу FH13 и четвертый коэффициент статического или динамического трения μ13 между собой на контактной поверхности между первым корпусом 1118 и третьим корпусом 1128. Аналогично, третий корпус 1128 и второй корпус 1120 могут иметь пятую силу FN32 и пятый коэффициент статического или динамического трения μ32 между собой на контактной поверхности между третьим корпусом 1128 и вторым корпусом 1120.Additionally or alternatively, the first housing 1118 and the third housing 1128 may have a fourth force F H13 and a fourth coefficient of static or dynamic friction μ 13 between them at the contact surface between the first housing 1118 and the third housing 1128. Similarly, the third housing 1128 and the second housing 1120 may have a fifth force FN32 and a fifth coefficient of static or dynamic friction μ 32 between them at the contact surface between the third housing 1128 and the second housing 1120.

Кроме того, первый корпус 1118 может иметь первый момент инерции J1, а второй корпус 1120 может иметь второй момент инерции J2, и третий корпус 1128 может иметь третий момент инерции J3. В некоторых вариантах осуществления коэффициенты статического или динамического трения μ1, μ2, μ3, μ13, μ32, силы FN1, FN2, FN3, F13, F32, и момент инерции J1, J2, J3 быть выбраны отличающимися друг от друга таким образом, что произведение μ_Η·Ρ3_ί (где i=1, 2, 3, 13, 32) отличается от по меньшей мере поддиапазона относительных скоростей первого элемента 1110, первого корпуса 1118, второго корпуса 1120 и третьего корпуса 1128. Более того, коэффициенты статического или динамического трения и нормальные силы между соседними корпусами могут быть выбраны для достижения различных эффектов демпфирования.In addition, the first housing 1118 may have a first moment of inertia J 1 , and the second housing 1120 may have a second moment of inertia J2, and the third housing 1128 may have a third moment of inertia J3. In some embodiments, the static or dynamic friction coefficients μ 1 , μ 2 , μ 3 , μ 13 , μ 32 , the forces F N 1 , F N2 , F N3 , F 13 , F 32 , and the moment of inertia J 1 , J 2 , J 3 can be selected to differ from each other such that the product μ_Η Ρ3_ί (where i=1, 2, 3, 13, 32) differs from at least a subrange of relative velocities of the first element 1110, the first housing 1118, the second housing 1120 and the third housing 1128. Moreover, the static or dynamic friction coefficients and the normal forces between adjacent housings can be selected to achieve different damping effects.

Хотя это показано и описано в отношении ограниченного количества вариантов осуществления и конкретных форм, относительных размеров и количества элементов, специалистам в данной области будет понятно, что демпфирующие системы по настоящему изобретению могут принимать любую конфигурацию. Например, формы, размеры, геометрические конфигурации, радиальные размещения, контактные поверхности, количество корпусов и т.д. могут быть выбраны для достижения требуемого эффекта демпфирования. Хотя в расположении, показанном на фиг. 11, первый корпус 1118 и второй корпус 1120 соединены друг с другом посредством фрикционного контакта с третьим корпусом 1128, такое расположение и описание не должны быть ограничивающими. Соединение между первым корпусом 1118 и вторым корпусом 1120 также может быть создано гидравлическим, электрическим или механическим соединительным средством или механизмом. Например, механическое соединение между первым корпусом 1118 и вторым корпусом 1120 может быть создано с помощью жесткого или упругого соединения первого корпуса 1118 и второго корпуса 1120.Although shown and described with respect to a limited number of embodiments and specific shapes, relative sizes and numbers of elements, it will be understood by those skilled in the art that the damping systems of the present invention can take any configuration. For example, shapes, sizes, geometric configurations, radial placements, contact surfaces, number of housings, etc. can be selected to achieve the desired damping effect. Although in the arrangement shown in Fig. 11, the first housing 1118 and the second housing 1120 are connected to each other by frictional contact with the third housing 1128, such arrangement and description should not be limiting. The connection between the first housing 1118 and the second housing 1120 can also be created by a hydraulic, electrical or mechanical connecting means or mechanism. For example, the mechanical connection between the first housing 1118 and the second housing 1120 can be created by a rigid or elastic connection of the first housing 1118 and the second housing 1120.

На фиг. 12 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1200 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1200 может функционировать аналогично показанной и описанной выше. Однако в данном варианте осуществления второй элемент 1212 демпфирующей системы 1200 частично неподвижно прикреплен к первому элементу 1210 или соединен с ним. Например, как показано в данном варианте осуществления, второй элемент 1212 имеет неподвижную часть 1232 (или конец) и подвижную часть 1234 (или конец). Неподвижная часть 1232 прикреплена к первому элементу 1210 вдоль неподвижного соединения 1236, а подвижная часть 1234 находится в фрикционном контакте с первым элементом 1210 через контактную поверхность 1214 (аналогично первому элементу 1010 при фрикционном контакте со вторым элементом 1012, описанным в отношении фиг. 10).Fig. 12 shows a schematic illustration of a damping system 1200 according to one embodiment of the present invention. The damping system 1200 can function similarly to that shown and described above. However, in this embodiment, the second element 1212 of the damping system 1200 is partially fixedly attached to or connected to the first element 1210. For example, as shown in this embodiment, the second element 1212 has a fixed part 1232 (or end) and a movable part 1234 (or end). The fixed part 1232 is attached to the first element 1210 along the fixed connection 1236, and the movable part 1234 is in frictional contact with the first element 1210 via the contact surface 1214 (similar to the first element 1010 in frictional contact with the second element 1012 described in relation to Fig. 10).

- 13 050247- 13 050247

Подвижная часть 1234 может иметь любую требуемую длину, которая может быть связана с формами колебаний, как показано на фиг. 9В. Например, в некоторых вариантах осуществления подвижная часть может быть длиннее десятой части расстояния между максимумом и минимумом любой из форм колебаний, которые могли быть рассчитаны для конкретной буровой компоновки. В другом примере в некоторых вариантах осуществления подвижная часть может быть длиннее четверти расстояния между максимумом и минимумом любой из форм колебаний, которые могли быть рассчитаны для конкретной буровой компоновки. В другом примере в некоторых вариантах осуществления подвижная часть может быть длиннее половины расстояния между максимумом и минимумом любой из форм колебаний, которые могли быть рассчитаны для конкретной буровой компоновки. В другом примере в некоторых вариантах осуществления подвижная часть может быть длиннее расстояния между максимумом и минимумом любой из форм колебаний, которые могут быть рассчитаны для конкретной буровой компоновки.The movable part 1234 may have any desired length, which may be associated with the vibration modes, as shown in Fig. 9B. For example, in some embodiments, the movable part may be longer than a tenth of the distance between the maximum and the minimum of any of the vibration modes that could be calculated for a particular drilling assembly. In another example, in some embodiments, the movable part may be longer than a quarter of the distance between the maximum and the minimum of any of the vibration modes that could be calculated for a particular drilling assembly. In another example, in some embodiments, the movable part may be longer than half the distance between the maximum and the minimum of any of the vibration modes that could be calculated for a particular drilling assembly. In another example, in some embodiments, the movable part may be longer than the distance between the maximum and the minimum of any of the vibration modes that can be calculated for a particular drilling assembly.

Таким образом, даже несмотря на то, что может быть неизвестно, где находится точное положение максимумов или минимумов формы во время развертывания в скважине, обеспечивают, чтобы второй элемент 1212 находился во фрикционном контакте с первым элементом 1210 в положении максимальной амплитуды для достижения оптимизированного демпфирования. Хотя специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны и другие варианты расположения частично неподвижных первых элементов без отступления от объема настоящего изобретения. Например, в одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления неподвижная часть может находиться в более центральной части первого элемента таким образом, что первый элемент имеет две подвижные части (например, на противоположных концах первого элемента). Как видно на фиг. 12, подвижная часть 1234 второго элемента 1212 является достаточно удлиненной и может покрывать часть форм колебаний (например, формы 902, 904, 906 колебаний на фиг. 9В), которые соответствуют длине подвижной части 1234 второго элемента 1212. Удлиненный второй элемент 1212 во фрикционном контакте с первым элементом 1210 может иметь преимущества по сравнению с более короткими вторыми элементами, поскольку более короткие вторые элементы могут быть расположены в нежелательной части форм колебаний, например в положении 910 демпфирования, где вторая форма 904 колебаний является небольшой или даже нулевой, как описано выше в отношении фиг. 9В. Применение удлиненного второго элемента 1212 может обеспечить, чтобы по меньшей мере часть второго элемента находилась на расстоянии от положений, в которых одна или более форм колебаний являются нулевыми или по меньшей мере близкими к нулю.Thus, even though it may not be known where the exact position of the maxima or minima of the shape is during deployment in the well, it is ensured that the second element 1212 is in frictional contact with the first element 1210 at the maximum amplitude position to achieve optimized damping. Although it will be understood by those skilled in the art that other arrangements of the partially fixed first elements are possible without departing from the scope of the present invention. For example, in one non-limiting embodiment, the fixed part may be located in a more central part of the first element such that the first element has two movable parts (e.g., at opposite ends of the first element). As shown in Fig. 12, the movable part 1234 of the second element 1212 is sufficiently elongated and can cover a part of the vibration modes (for example, vibration modes 902, 904, 906 in Fig. 9B) that correspond to the length of the movable part 1234 of the second element 1212. An elongated second element 1212 in frictional contact with the first element 1210 can have advantages over shorter second elements, since shorter second elements can be located in an undesirable part of the vibration modes, for example in the damping position 910, where the second vibration mode 904 is small or even zero, as described above with respect to Fig. 9B. The use of an elongated second element 1212 can ensure that at least a part of the second element is located at a distance from the positions in which one or more vibration modes are zero or at least close to zero.

На фиг. 13-19 и 21-22 показано больше разновидностей удлиненных вторых элементов во фрикционном контакте с первыми элементами. В некоторых вариантах осуществления удлиненные вторые элементы могут быть упругими таким образом, что подвижная часть 1234 может перемещаться относительно первого элемента 1210, тогда как неподвижная часть 1232 является неподвижной относительно первого элемента 1210. В некоторых вариантах осуществления второй элемент 1212 может иметь множество контактных точек во множестве положений первого элемента 1210.In Fig. 13-19 and 21-22, more variations of the elongated second elements in frictional contact with the first elements are shown. In some embodiments, the elongated second elements may be elastic such that the movable part 1234 can move relative to the first element 1210, while the fixed part 1232 is fixed relative to the first element 1210. In some embodiments, the second element 1212 may have a plurality of contact points at a plurality of positions of the first element 1210.

В описанных выше вариантах осуществления и в демпфирующих системах в соответствии с настоящим изобретением первые элементы временно прикреплены ко второму элементу ввиду фрикционного трения. Однако при увеличении вибраций скважинных систем и превышении порога, например, когда сила инерции превышает силу статического трения, первые элементы (или их части) перемещаются относительно вторых элементов, таким образом обеспечивая демпфирование. То есть, когда HFTO увеличивают заданные пороги (например, пороги амплитуды, расстояния, скорости и/или ускорения) в скважинных системах, демпфирующие системы будут автоматически функционировать, и, таким образом, варианты осуществления, предложенные в настоящем документе, включают в себя пассивные демпфирующие системы. Например, варианты осуществления включают в себя пассивные демпфирующие системы, автоматически функционирующие без применения дополнительной энергии, и, следовательно, не применяют дополнительный источник энергии.In the embodiments described above and in the damping systems according to the present invention, the first elements are temporarily attached to the second element due to frictional friction. However, when the vibrations of the well systems increase and exceed a threshold, for example, when the inertial force exceeds the static friction force, the first elements (or parts thereof) move relative to the second elements, thus providing damping. That is, when the HFTOs increase predetermined thresholds (for example, amplitude, distance, speed and/or acceleration thresholds) in the well systems, the damping systems will automatically function, and thus the embodiments proposed in the present document include passive damping systems. For example, the embodiments include passive damping systems that automatically function without applying additional energy, and therefore do not use an additional energy source.

На фиг. 13 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1300 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления демпфирующая система 1300 содержит один или более удлиненных первых элементов 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f, каждый из которых расположен внутри второго элемента 1312 и находится в контакте с ним. Каждый из первых элементов 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f может иметь длину в осевом направлении инструмента (например, в направлении, перпендикулярном поперечному сечению, показанному на фиг. 13) и необязательно неподвижную точку, в которой соответствующие первые элементы 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f прикреплены ко второму элементу 1312. Например, первые элементы 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f могут быть прикреплены к соответствующим верхним концам, средним частям, нижним концам или множеству точек прикрепления для различных первых элементов 1310а, 1310b, 1310с, 1310d, 1310е, 1310f или множества точек для данного одного первого элемента 1310а, 1310b, 1310с, 1310d, 1310е, 1310f. Кроме того, как показано на фиг. 13, первые элементы 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f могут быть необязательно смещены или находиться в зацеплении со вторым элементом 1312 с помощью смещающего элемента 1338 (например, с помощью смещающего пружинного элемента или смещающего приводного механизма, прилагающего силу с компонентом ко второму элементу 1312). Каждый из первых элементов 1310а, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e,Fig. 13 is a schematic illustration of a damping system 1300 according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, the damping system 1300 comprises one or more elongated first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f, each of which is located within the second element 1312 and is in contact with it. Each of the first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f may have a length in the axial direction of the tool (for example, in the direction perpendicular to the cross-section shown in Fig. 13) and, optionally, a fixed point at which the respective first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f are attached to the second element 1312. For example, the first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f may be attached to respective upper ends, middle portions, lower ends, or a plurality of attachment points for different first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f or a plurality of points for a given one first element 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f. Furthermore, as shown in Fig. 13, the first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e, 1310f may be optionally biased or engaged with the second element 1312 by a biasing element 1338 (for example, by a biasing spring element or a biasing actuator that applies a force with a component to the second element 1312). Each of the first elements 1310a, 1310b, 1310c, 1310d, 1310e,

- 14 050247- 14 050247

1310f может быть расположен и выбран для того, чтобы иметь одинаковые или разные нормальные силы, коэффициенты статического или динамического трения и массовые моменты инерции, таким образом обеспечивая различные конфигурации демпфирования.1310f can be positioned and selected to have the same or different normal forces, static or dynamic friction coefficients and mass moments of inertia, thus providing different damping configurations.

В некоторых вариантах осуществления первые элементы могут быть по существу единообразными по материалу, форме и/или геометрической конфигурации вдоль их длины. В других вариантах осуществления первые элементы могут варьироваться по форме и геометрической конфигурации вдоль их длины. Например, со ссылкой на фиг. 14 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1400 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления первый элемент 1410 расположен относительно второго элемента 1412, а первый элемент 1410 имеет сужающуюся и/или спиральную конструкцию относительно второго элемента 1412. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления часть первого или второго элемента может изменять геометрическую конфигурацию или форму вдоль его длины относительно второго элемента, и такие изменения также могут происходить в продольном направлении вокруг второго элемента и/или относительно корпуса инструмента или скважинной системы.In some embodiments, the first elements may be substantially uniform in material, shape, and/or geometric configuration along their length. In other embodiments, the first elements may vary in shape and geometric configuration along their length. For example, with reference to Fig. 14, a schematic illustration of a damping system 1400 is shown according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, the first element 1410 is located relative to the second element 1412, and the first element 1410 has a tapering and/or helical design relative to the second element 1412. Accordingly, in some embodiments, a portion of the first or second element may change geometric configuration or shape along its length relative to the second element, and such changes may also occur in the longitudinal direction around the second element and/or relative to the tool body or the well system.

На фиг. 15 представлено схематическое изображение другой демпфирующей системы 1500 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В демпфирующей системе 1500 первый элемент 1510 представляет собой зубчатый (резьбовой) корпус, который вписывается в резьбовой второй элемент 1512. Контакт между зубьями (резьбами) первого элемента 1510 и резьбами второго элемента 1512 может обеспечивать фрикционный контакт между двумя элементами 1510, 1512 для обеспечения демпфирования, как описано в настоящем документе. Из-за наклонных поверхностей первого элемента 1510 первый элемент 1510 начинает перемещаться под действием как осевых, так и/или крутильных вибраций. Кроме того, перемещение первого элемента 1510 в осевом направлении или направлении по окружности также создает перемещение в направлении по окружности или осевом направлении, соответственно, в этой конфигурации. Таким образом, при расположении, показанном на фиг. 15, осевые вибрации могут быть применены для смягчения или демпфирования крутильных вибраций, а также крутильных вибраций, которые могут быть применены для смягчения или демпфирования осевых вибраций. Положения, в которых происходят осевые и крутильные вибрации, могут быть разными. Например, хотя осевые вибрация могут равномерно распределяться вдоль буровой компоновки, крутильные вибрации могут следовать рисунку форм колебаний, как описано выше со ссылкой на фиг. 9А-9В. Таким образом, независимо от того, где происходят вибрации, конфигурация, показанная на фиг. 15, может быть применена для демпфирования крутильных вибраций при перемещении первого элемента 1510 относительно второго элемента 1512, вызванном осевыми вибрациями, и наоборот. Как показано, необязательный затяжный элемент 1540 (например, болт) можно применять для регулирования контактного давления или нормальной силы между двумя элементами 1510, 1512 и, таким образом, регулирования силы трения и/или других характеристик демпфирования демпфирующей системы 1500.Fig. 15 is a schematic illustration of another damping system 1500 according to one embodiment of the present invention. In the damping system 1500, the first member 1510 is a toothed (threaded) body that fits into a threaded second member 1512. The contact between the teeth (threads) of the first member 1510 and the threads of the second member 1512 can provide frictional contact between the two members 1510, 1512 to provide damping, as described herein. Due to the inclined surfaces of the first member 1510, the first member 1510 begins to move under the action of both axial and/or torsional vibrations. In addition, the movement of the first member 1510 in the axial direction or the circumferential direction also creates a movement in the circumferential direction or the axial direction, respectively, in this configuration. Thus, in the arrangement shown in Fig. 15, axial vibrations can be applied to soften or dampen torsional vibrations, as well as torsional vibrations that can be applied to soften or dampen axial vibrations. The positions in which axial and torsional vibrations occur can be different. For example, although axial vibrations can be uniformly distributed along the drilling assembly, torsional vibrations can follow a pattern of vibration modes as described above with reference to Figs. 9A-9B. Thus, regardless of where the vibrations occur, the configuration shown in Fig. 15 can be applied to dampen torsional vibrations when the first element 1510 moves relative to the second element 1512 caused by axial vibrations, and vice versa. As shown, an optional tightening member 1540 (e.g., a bolt) can be used to control the contact pressure or normal force between the two members 1510, 1512 and thereby control the friction force and/or other damping characteristics of the damping system 1500.

Далее в соответствии с фиг. 16 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1600 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1600, которая содержит первый элемент 1610, который представляет собой жесткий стержень, который находится на одном конце, закрепленном внутри второго элемента 1612. В этом варианте осуществления конец 1610а стержня выполнен с возможностью фрикционного контакта с ограничителем 1612а второго элемента, чтобы таким образом обеспечить демпфирование, как описано в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Нормальная сила между концом 1610а стержня и ограничителем 1612а второго элемента может быть регулируемой, например, с помощью резьбового соединения между концом 1610а стержня и первым элементом 1610. Кроме того, жесткость стержня может быть выбрана для оптимизации демпфирования или влияния на форму колебаний благоприятным образом для обеспечения большего относительного смещения. Например, выбор стержня с меньшей жесткостью приведет к более высоким амплитудам крутильных вибраций первого элемента 1610 и более высокого рассеивания энергии.Next, in accordance with Fig. 16, a schematic illustration of a damping system 1600 is presented in accordance with another embodiment of the present invention. The damping system 1600, which comprises a first element 1610, which is a rigid rod, which is at one end fixed inside a second element 1612. In this embodiment, the end 1610a of the rod is configured to be in frictional contact with the limiter 1612a of the second element, in order to thus provide damping, as described in accordance with the embodiments of the present invention. The normal force between the end 1610a of the rod and the limiter 1612a of the second element can be adjustable, for example, by means of a threaded connection between the end 1610a of the rod and the first element 1610. In addition, the rigidity of the rod can be selected to optimize the damping or to influence the oscillation shape in a favorable manner to provide a greater relative displacement. For example, selecting a rod with a lower stiffness will result in higher torsional vibration amplitudes of the first element 1610 and higher energy dissipation.

Далее в соответствии с фиг. 17 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1700 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1700, которая содержит первый элемент 1710, который является фрикционно прикрепленным или присоединенным ко второму элементу 1712, который расположен в виде жесткого стержня и который неподвижно соединен (например, путем сварки, скрепления болтами, высокотемпературной пайки, адгезии и т.д.) с внешним трубчатым элементом 1714, таким как утяжеленная бурильная труба, при неподвижном соединении 1716. В одном аспекте стержень может представлять собой трубчатый элемент, который содержит электронные компоненты, источники питания, носители данных, батареи, микроконтроллеры, приводные механизмы, датчики и т.д., которые подвержены износу из-за HFTO. Таким образом, в одном аспекте второй элемент 1712 может представлять собой зонд, такой как зонд для измерения информации о направлении, включая один или более из гравиметра, гироскопа и магнитометра. В этом варианте осуществления первый элемент 1710 выполнен с возможностью фрикционного контакта, перемещения или колебания относительно и вдоль конструкции неподвижного стержня второго элемента 1712, чтобы таким образом обеспечивать демпфирование, как описано в соответствии с вариантами осуNext, in accordance with Fig. 17, a schematic illustration of a damping system 1700 is shown according to another embodiment of the present invention. The damping system 1700, which comprises a first element 1710, which is frictionally attached or connected to a second element 1712, which is arranged in the form of a rigid rod and which is fixedly connected (for example, by welding, bolting, brazing, adhesion, etc.) to an outer tubular element 1714, such as a drill collar, at a fixed connection 1716. In one aspect, the rod can be a tubular element that contains electronic components, power sources, data carriers, batteries, microcontrollers, actuators, sensors, etc., which are subject to wear due to HFTO. Thus, in one aspect, the second element 1712 may be a probe, such as a probe for measuring directional information, including one or more of a gravimeter, a gyroscope and a magnetometer. In this embodiment, the first element 1710 is configured to frictionally contact, move or oscillate relative to and along the structure of the fixed rod of the second element 1712, so as to provide damping as described in accordance with embodiments

- 15 050247 ществления настоящего изобретения. Хотя на фиг. 17 показано, что первый элемент 1710 является относительно небольшим по сравнению с демпфирующей системой 1700, это не должно подразумевать ограничение в этом отношении. Таким образом, первый элемент 1710 может иметь любой размер и может иметь такой же наружный диаметр, что и демпфирующая система 1700. Кроме того, положение первого элемента 1710 может быть регулируемым для перемещения первого элемента 1710 ближе к максимуму формы колебаний, чтобы оптимизировать смягчение демпфирования.- 15 050247 implementation of the present invention. Although Fig. 17 shows that the first element 1710 is relatively small compared to the damping system 1700, this should not imply a limitation in this regard. Thus, the first element 1710 can be of any size and can have the same outer diameter as the damping system 1700. In addition, the position of the first element 1710 can be adjustable to move the first element 1710 closer to the maximum of the vibration mode in order to optimize damping softening.

Далее в соответствии с фиг. 18 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1800 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1800 содержит первый элемент 1810, который является фрикционно перемещаемым вдоль второго элемента 1812. В этом варианте осуществления первый элемент 1810 расположен с упругим пружинным элементом 1842, таким как спиральная пружина или другой элемент или средство, для вхождения в зацепление первого элемента 1810 со вторым элементом 1812, чтобы таким образом обеспечивать возвращающую силу, когда первый элемент 1810 переместился и отклонился относительно второго элемента. Возвращающая сила направлена на уменьшение отклонения первого элемента 1810 относительно второго элемента 1812. В таких вариантах осуществления упругий пружинный элемент 1842 может быть расположен или настроен на резонанс и/или на критическую частоту (например, самую низкую критическую частоту) упругого пружинного элемента 1842 или колебательной системы, содержащей первый элемент 1810 и упругий пружинный элемент 1842.Next, in accordance with Fig. 18, a schematic illustration of a damping system 1800 is presented according to another embodiment of the present invention. The damping system 1800 comprises a first element 1810, which is frictionally movable along a second element 1812. In this embodiment, the first element 1810 is arranged with an elastic spring element 1842, such as a coil spring or other element or means, for engaging the first element 1810 with the second element 1812, so as to provide a restoring force when the first element 1810 has moved and deflected relative to the second element. The restoring force is aimed at reducing the deflection of the first element 1810 relative to the second element 1812. In such embodiments, the elastic spring element 1842 can be located or tuned to resonance and/or to a critical frequency (for example, the lowest critical frequency) of the elastic spring element 1842 or an oscillatory system comprising the first element 1810 and the elastic spring element 1842.

Далее в соответствии с фиг. 19 представлено схематическое изображение демпфирующей системы 1900 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфирующая система 1900 содержит первый элемент 1910, который является фрикционно перемещаемым вокруг второго элемента 1912. В этом варианте осуществления первый элемент 1910 расположен с первым концом 1910а, имеющим первый контакт (например, нормальная сила FNi первого конца, коэффициент статического или динамического трения μi первого конца и момент инерции Ji первого конца) и второй контакт на втором конце 1910b (например, нормальная сила FNi второго конца, коэффициент статического или динамического трения μi второго конца и момент инерции Ji второго конца). В некоторых таких вариантах осуществления тип взаимодействия между соответствующим первым концом 1910 или вторым концом 1910b и вторым элементом 1912 может иметь разные физические характеристики. Например, один или оба из первого конца 1910а и второго конца 1910b могут иметь прихватывающий контакт/зацепление, а один или оба могут иметь скользящий контакт/зацепление. Расположения/конфигурации первого и второго концов 1910а, 1910b могут быть установлены для обеспечения демпфирования, как описано в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.Next, in accordance with Fig. 19, a schematic illustration of a damping system 1900 is shown according to another embodiment of the present invention. The damping system 1900 includes a first element 1910, which is frictionally movable about a second element 1912. In this embodiment, the first element 1910 is located with a first end 1910a having a first contact (for example, a normal force FNi of the first end, a coefficient of static or dynamic friction μ i of the first end and a moment of inertia Ji of the first end) and a second contact at the second end 1910b (for example, a normal force FNi of the second end, a coefficient of static or dynamic friction μ i of the second end and a moment of inertia Ji of the second end). In some such embodiments, the type of interaction between the corresponding first end 1910 or the second end 1910b and the second element 1912 can have different physical characteristics. For example, one or both of the first end 1910a and the second end 1910b may have a gripping contact/engagement, and one or both may have a sliding contact/engagement. The arrangements/configurations of the first and second ends 1910a, 1910b may be set to provide damping, as described in accordance with embodiments of the present invention.

Преимущественно, варианты осуществления, предложенные в настоящем документе, относятся к системам для смягчения высокочастотных крутильных колебаний (HFTO) скважинных систем путем применения демпфирующих систем, установленных на вращающейся колонне (например, скважинной колонне или бурильной колонне). Первые элементы демпфирующих систем, по меньшей мере частично, фрикционно соединены для перемещения по окружности относительно оси колонны (например, фрикционно соединены для вращения вокруг оси колонны). В некоторых вариантах осуществления вторые элементы могут быть частью буровой системы или компоновки низа бурильной колонны и не обязательно должны быть отдельно установленным компонентом или грузом. Второй элемент, или его часть, соединен со скважинной системой таким образом, что относительное перемещение между первым элементом и вторым элементом имеет относительную нулевую или близкую к нулю скорость (т.е. отсутствие или медленное относительное перемещение) при отсутствии HFTO. Однако, когда HFTO проявляется выше определенного значения ускорения, возможно относительное перемещение между первым элементом и вторым элементом и достигаются чередующиеся плюсовые и минусовые относительные скорости. В некоторых вариантах осуществления второй элемент может представлять собой массу или груз, которые соединены со скважинной системой. В других вариантах осуществления второй элемент может быть частью скважинной системы (например, частью буровой системы или КНБК) с трением между первым элементом и вторым элементом, таким как остальная часть скважинной системы, обеспечивающая функциональность, описанную в настоящем документе.Advantageously, embodiments proposed in the present document relate to systems for mitigating high-frequency torsional vibrations (HFTO) of wellbore systems by using damping systems mounted on a rotating string (e.g., a wellbore string or a drill string). First elements of the damping systems are at least partially frictionally connected for moving circumferentially relative to the axis of the string (e.g., frictionally connected for rotation about the axis of the string). In some embodiments, the second elements may be part of the drilling system or the bottom hole assembly and do not necessarily have to be a separately installed component or weight. The second element, or a portion thereof, is connected to the wellbore system such that the relative movement between the first element and the second element has a relative zero or near-zero velocity (i.e., no or slow relative movement) in the absence of HFTO. However, when HFTO occurs above a certain acceleration value, relative movement is possible between the first element and the second element and alternating positive and negative relative velocities are achieved. In some embodiments, the second element may be a mass or weight that is connected to the well system. In other embodiments, the second element may be a part of the well system (for example, a part of the drilling system or BHA) with friction between the first element and the second element, such as the rest of the well system, providing the functionality described herein.

Как описано выше, вторые элементы демпфирующих систем выбраны или выполнены таким образом, что при отсутствии вибрации (т.е. HFTO) в колонне второй элемент будет фрикционно соединен с первым элементом с помощью силы статического трения. Однако при наличии вибрации (HFTO) вторые элементы начинают перемещаться относительно первого элемента, и фрикционный контакт между первым и вторым элементами уменьшается, как описано выше в отношении фиг. 2 таким образом, что второй элемент может вращаться (перемещаться) относительно первого элемента (или наоборот). При перемещении первый и второй элементы обеспечивают рассеивание энергии, тем самым смягчая HFTO. Демпфирующие системы и, в частности, их первые элементы расположены, утяжелены, принудительно установлены и имеют размер, чтобы обеспечить демпфирование одной или более конкретных или заданных форм вибраций/частот. Как описано в настоящем документе, первые элементы неподвижно соединены, когда отсутствуют вибрации FHTO, но затем способны перемещаться при наличии определенныхAs described above, the second elements of the damping systems are selected or designed such that when there is no vibration (i.e. HFTO) in the column, the second element will be frictionally connected to the first element by a static friction force. However, when there is vibration (HFTO), the second elements begin to move relative to the first element, and the frictional contact between the first and second elements is reduced, as described above with respect to Fig. 2, such that the second element can rotate (move) relative to the first element (or vice versa). When moving, the first and second elements provide energy dissipation, thereby mitigating HFTO. The damping systems, and in particular the first elements thereof, are located, weighted, positively mounted and sized to provide damping of one or more specific or specified vibration modes/frequencies. As described herein, the first elements are fixedly connected when there are no FHTO vibrations, but are then capable of moving in the presence of certain

- 16 050247 ускорений (например, в соответствии с формами колебаний FHTO), таким образом обеспечивая демпфирование HFTO через переход через ноль относительной скорости (например, переключение между положительными и отрицательными относительными скоростями вращения).- 16 050247 accelerations (e.g. in accordance with the FHTO vibration modes), thus providing HFTO damping across the relative velocity zero crossing (e.g. switching between positive and negative relative rotational velocities).

В различных конфигурациях, описанных выше, датчики могут применяться для оценки и/или контроля эффективности и рассеиваемой энергии демпфера. Измерение смещения, скорости и/или ускорения вблизи точки контакта или поверхности двух взаимодействующих объектов, например, в комбинации с датчиками силы или крутящего момента, можно применять для оценки относительного перемещения и расчета рассеиваемой энергии. Сила также может быть известна без измерения, например, когда два взаимодействующих объекта входят в зацепление с помощью смещающего элемента, такого как пружинный элемент или приводной механизм. Рассеянная энергия также может быть получена из измерений температуры. Такие значения измерений могут быть переданы контроллеру или операторучеловеку, который может обеспечивать регулирование параметров, таких как нормальная сила и/или коэффициент(-ы) статического или динамического трения, для достижения более высокой рассеянной энергии. Например, измеренные и/или расчетные значения смещения, скорости, ускорения, силы и/или температуры могут быть отправлены контроллеру, такому как микроконтроллер, который имеет набор команд, хранящихся на носителе данных, на основании которых он регулирует и/или контролирует по меньшей мере одно из силы, которая взаимодействует с двумя взаимодействующими объектами, и/или коэффициентов статического или динамического трения. Предпочтительно, регулирование и/или контроль выполняют в то время, как продолжается процесс бурения, для достижения оптимальных результатов демпфирования HFTO.In the various configurations described above, the sensors can be used to evaluate and/or control the effectiveness and dissipated energy of the damper. Measuring the displacement, velocity and/or acceleration near the contact point or surface of two interacting objects, for example in combination with force or torque sensors, can be used to estimate the relative movement and calculate the dissipated energy. The force can also be known without measurement, for example when two interacting objects are engaged by a biasing element such as a spring element or an actuator. The dissipated energy can also be obtained from temperature measurements. Such measurement values can be transmitted to a controller or human operator, who can provide adjustment of parameters such as the normal force and/or the coefficient(s) of static or dynamic friction, to achieve a higher dissipated energy. For example, the measured and/or calculated values of displacement, speed, acceleration, force and/or temperature can be sent to a controller, such as a microcontroller, which has a set of commands stored on a data carrier, based on which it regulates and/or controls at least one of the force that interacts with two interacting objects, and/or the coefficients of static or dynamic friction. Preferably, the regulation and/or control is performed while the drilling process is ongoing, in order to achieve optimal HFTO damping results.

Хотя варианты осуществления, описанные в настоящем документе, были описаны со ссылкой на конкретные фигуры, следует понимать, что допускается внесение различных изменений и замена отдельных элементов на эквивалентные без отступления от объема настоящего изобретения. Кроме того, будет понятным множество модификаций для адаптации конкретного инструмента, ситуации или материала к идеям настоящего изобретения без отступления от его объема. Таким образом, предполагается, что настоящее описание не ограничено конкретными описанными вариантами осуществления, но что настоящее описание включает все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения или приведенное ниже описание возможных вариантов осуществления.Although the embodiments described herein have been described with reference to specific figures, it should be understood that various changes may be made and equivalent elements may be substituted for individual elements without departing from the scope of the present invention. In addition, many modifications will be apparent to adapt a particular instrument, situation or material to the teachings of the present invention without departing from the scope thereof. It is therefore intended that the present description not be limited to the specific embodiments described, but that the present description includes all embodiments falling within the scope of the appended claims or the following description of possible embodiments.

Интенсивные вибрации в бурильных колоннах и компоновках низа бурильной колонны могут быть вызваны усилиями резания на долоте или дисбалансами масс в скважинных инструментах, таких как буровые двигатели. Отрицательные эффекты, помимо прочего, снижают скорость проходки при бурении, снижают качество измерений и отказов в скважине.Severe vibrations in drill strings and bottom hole assemblies can be caused by cutting forces on the bit or mass imbalances in downhole tools such as drilling motors. The negative effects include reduced drilling ROP, poor measurement quality and downhole failures, among other things.

Существуют различные виды крутильных вибраций. В литературе крутильные вибрации в основном дифференцированы как прихват/проскальзывание всей буровой системы и высокочастотные крутильные колебания (HFTO). Оба из них в основном возбуждаются с помощью механизмов самовозбуждения, которые возникают в результате взаимодействия бурового долота и формации. Основной дифференциатор между прихватом/проскальзыванием и HFTO представляет собой частоту и типичную форму колебаний. В случае HFTO частота составляет более 50 Гц по сравнению с менее 1 Гц в случае прихвата/проскальзывания. Кроме того, возбужденная форма колебаний прихвата/проскальзывания представляет собой форму колебаний всей буровой системы, в то время как форма HFTO обычно локализуется в небольшой части буровой системы и имеет сравнительно высокую амплитуду на долоте.There are different types of torsional vibration. In the literature, torsional vibration is mainly differentiated as stick/slip vibration of the entire drilling system and high-frequency torsional vibration (HFTO). Both of them are mainly excited by self-excitation mechanisms that arise from the interaction of the drill bit and the formation. The main differentiator between stick/slip vibration and HFTO is the frequency and typical vibration mode. In the case of HFTO, the frequency is more than 50 Hz compared to less than 1 Hz in the case of stick/slip vibration. In addition, the excited vibration mode of stick/slip vibration is the vibration mode of the entire drilling system, while the HFTO mode is usually localized in a small part of the drilling system and has a relatively high amplitude at the bit.

В результате высокой частоты HFTO соответствует высоким значениям ускорения и крутящего момента вдоль КНБК и может оказывать повреждающее действие на электронные компоненты и механические части. На основании теории самовозбуждения увеличенное демпфирование может смягчать HFTO, если достигается определенный предел значения демпфирования (поскольку самовозбуждение является нестабильным и может быть интерпретировано как отрицательное демпфирование связанной формы колебаний).As a result of the high frequency, HFTO corresponds to high values of acceleration and torque along the BHA and can have a damaging effect on electronic components and mechanical parts. Based on the self-excitation theory, increased damping can mitigate HFTO if a certain limit of the damping value is reached (since self-excitation is unstable and can be interpreted as negative damping of the associated vibration mode).

Одна концепция демпфирования основана на трении. Трение между двумя частями в КНБК или бурильной колонне может рассеивать энергию и уменьшать уровень крутильных колебаний.One damping concept is based on friction. Friction between two parts in a BHA or drill string can dissipate energy and reduce the level of torsional vibration.

В этой концепции описан принцип конструкции, который, по мнению авторов изобретения, работает наилучшим образом для демпфирования с трением. Демпфирование должно быть достигнуто с помощью силы трения, причем рабочая точка силы трения по отношению к относительной скорости должна находиться вокруг точки 204, показанной на фиг. 2. Эта рабочая точка приводит к высокому рассеиванию энергии, поскольку достигается гистерезис трения, тогда как точка 202, показанная на фиг. 2, приводит к подаче энергии в систему.This concept describes a design principle that the inventors believe works best for damping with friction. Damping should be achieved by friction, with the operating point of the friction force in relation to the relative speed being around point 204 shown in Fig. 2. This operating point results in high energy dissipation since friction hysteresis is achieved, while point 202 shown in Fig. 2 results in energy being supplied to the system.

Как обсуждалось выше, силы трения между буровой системой и стволом скважины не будут создавать значительное дополнительное демпфирование в системе. Это связано с тем, что относительная скорость между контактными поверхностями (например, стабилизатором и стволом скважины) не имеет нулевого среднего значения. Два взаимодействующих объекта фрикционного демпфера должны иметь среднюю скорость или скорость вращения относительно друг друга, достаточно малую, чтобы HFTO приводило к изменению знака относительной скорости двух взаимодействующих объектов фрикционного демпфера. Другими словами, максимум относительных скоростей между двумя взаимодействующимиAs discussed above, the friction forces between the drilling system and the wellbore will not create significant additional damping in the system. This is because the relative velocity between the contact surfaces (e.g., stabilizer and wellbore) does not have a zero mean. The two interacting friction damper objects must have an average velocity, or rotational velocity, relative to each other that is small enough that HFTO causes the relative velocity of the two interacting friction damper objects to change sign. In other words, the maximum relative velocities between the two interacting

- 17 050247 объектами, сгенерированный HFTO, должен быть выше средней относительной скорости между двумя взаимодействующими объектами.- 17 050247 objects, the HFTO generated must be higher than the average relative velocity between the two interacting objects.

Рассеивание энергии происходит только в фазе проскальзывания через сопряжение между демпфирующим устройством и буровой системой. Проскальзывание происходит, если инерциальная сила превышает предел между прихватыванием и проскальзыванием, который представляет собой силу статического трения: F_R>μ_0F_N (сила статического трения равна коэффициенту статического трения, умноженному на нормальную силу между обеими контактирующими поверхностями). Нормальную сила и/или коэффициент статического или динамического трения можно регулировать для достижения оптимального или требуемого рассеивания энергии. Регулирование по меньшей мере одного из нормальной силы и коэффициента статического или динамического трения может приводить к улучшенному рассеиванию энергии с помощью демпфирующей системы.Energy dissipation occurs only in the slip phase through the interface between the damping device and the drilling system. Slippage occurs if the inertial force exceeds the limit between sticking and slipping, which is the static friction force: F_R>μ_0F_N (the static friction force is equal to the static friction coefficient multiplied by the normal force between both contacting surfaces). The normal force and/or the static or dynamic friction coefficient can be adjusted to achieve the optimum or desired energy dissipation. Adjusting at least one of the normal force and the static or dynamic friction coefficient can result in improved energy dissipation by the damping system.

Как описано в настоящем документе, размещение фрикционного демпфера должно находиться в области высоких ускорений HFTO, нагрузок и/или относительного перемещения. Поскольку это может влиять на различные формы колебаний, предпочтительной является конструкция, которая способна смягчать все формы колебаний FHTO (например, фиг. . 9А и фиг. 9В).As described in this document, the placement of the friction damper should be in the region of high HFTO accelerations, loads and/or relative displacement. Since this can affect various vibration modes, a design that is capable of damping all FHTO vibration modes is preferred (e.g., Fig. 9A and Fig. 9B).

В качестве инструмента фрикционного демпфера по настоящему изобретению можно применять эквивалент. Можно задействовать утяжеленную трубу с пазами 2100, как показано на фиг. 21 и фиг. 22. На фиг. 22 представлен вид в поперечном сечении утяжеленной трубы с пазами 2100. В одном не имеющем ограничительного характера варианте осуществления утяжеленная труба с пазами 2100 имеет высокую гибкость и приведет к более высоким деформациям, если не ввести фрикционные устройства 2102. Более высокая скорость приведет к более высоким центробежным силам, которые усилят прижимание фрикционных устройств 2102 к пазам с помощью оптимизированных нормальных сил для обеспечения высокофрикционного демпфирования. В этой конфигурации другие факторы, которые могут быть оптимизированы, представляют собой количество и геометрическую конфигурацию пазов, а также геометрическую конфигурацию демпфирующих устройств. Дополнительная нормальная сила может быть приложена пружинными элементами 2104, как показано на фиг. 22, приводных механизмов и/или центробежными силами, как описано выше.As a friction damper tool according to the present invention, an equivalent can be used. A grooved weight pipe 2100 can be used, as shown in Fig. 21 and Fig. 22. Fig. 22 shows a cross-sectional view of the grooved weight pipe 2100. In one non-limiting embodiment, the grooved weight pipe 2100 has high flexibility and will lead to higher deformations if the friction devices 2102 are not included. A higher speed will lead to higher centrifugal forces, which will increase the pressing of the friction devices 2102 against the slots with optimized normal forces to provide high friction damping. In this configuration, other factors that can be optimized are the number and geometrical configuration of the slots, as well as the geometrical configuration of the damping devices. Additional normal force may be applied by spring elements 2104, as shown in Fig. 22, drive mechanisms and/or centrifugal forces, as described above.

Преимущество этого принципа заключается в том, что фрикционные устройства будут непосредственно установлены в поток силы. Скручивание утяжеленной трубы из-за возбужденной формы колебаний FHTO и соответствующей формы колебаний будет частично поддерживаться фрикционными устройствами, которые будут перемещаться вверх и вниз в течение одного периода вибрации. Высокое относительное перемещение вместе с оптимизированным коэффициентом трения и нормальной силой приводит к высокому рассеиванию энергии.The advantage of this principle is that the friction devices will be directly installed in the force flow. The torsion of the weighted pipe due to the excited vibration mode of the FHTO and the corresponding vibration mode will be partially supported by the friction devices, which will move up and down during one vibration period. The high relative movement together with the optimized friction coefficient and normal force leads to high energy dissipation.

В данном случае цель заключается в предотвращении амплитудного увеличения амплитуд FHTO (в этом случае представленных амплитудами тангенциального ускорения). (Модальное) демпфирование, которое необходимо добавлять к каждой изменчивой крутильной форме колебаний с помощью системы фрикционного демпфера, должно быть выше, чем ввод энергии в систему. Ввод энергии происходит не мгновенно, а в течение многих периодов до достижения амплитуды в худшем случае (ноль об/мин на долоте).In this case, the objective is to prevent the amplitude increase of the FHTO amplitudes (in this case represented by the tangential acceleration amplitudes). The (modal) damping that needs to be added to each variable torsional mode by the friction damper system needs to be higher than the energy input into the system. The energy input does not occur instantaneously, but over many periods until the worst case amplitude (zero RPM at the bit) is reached.

При этой концепции можно применять короткую утяжеленную трубу, поскольку фрикционный демпфер применяет относительное перемещение вдоль расстояния от долота. Нет необходимости в наличии амплитуды высокотангенциального ускорения, но необходимо только некоторое отклонение (скручивание) утяжеленной трубы, которое будет достигнуто почти в каждом месте вдоль КНБК. Утяжеленная труба и демпферы должны иметь аналогичное отношение массы к жесткости (импеданс) по сравнению с КНБК. Это позволит обеспечить распространение формы колебаний во фрикционной утяжеленной трубе. Будет достигнуто высокое демпфирование, которое смягчит HFTO, если отрегулированы параметры, описанные выше (нормальная сила из-за пружин и т.д.). Преимуществом по сравнению с другими принципами фрикционного демпфера является применение фрикционных устройств непосредственно к потоку силы отклонения к форме колебаний HFTO. Сравнительно высокая относительная скорость между фрикционными устройствами и утяжеленной трубой приведет к высокому рассеиванию энергии.With this concept, a short collar can be used because the friction damper applies relative movement along the distance from the bit. There is no need for high tangential acceleration amplitude, but only some deflection (twisting) of the collar, which will be achieved at almost every location along the BHA. The collar and dampers should have a similar mass to stiffness ratio (impedance) compared to the BHA. This will allow the mode shape to propagate in the friction collar. High damping will be achieved, which will mitigate the HFTO if the parameters described above (normal force due to springs, etc.) are adjusted. The advantage over other friction damper principles is the application of the friction devices directly to the deflection force flow to the HFTO mode shape. The relatively high relative velocity between the friction devices and the collar will result in high energy dissipation.

Демпфер будет довольно целесообразным и будет подходить для различных применений. HFTO приводит к высоким затратам из-за значительных усилий по ремонту и техобслуживанию, проблем надежности при непродуктивном использовании времени и небольшой доле рынка. Предлагаемый фрикционный демпфер будет работать ниже двигателя (это отделяет HFTO), a также выше двигателя. Он может быть установлен в любом месте КНБК, что также включает размещение выше КНБК, если форма колебаний распространяется до этой точки. Форма колебаний распространяется через всю КНБК, если распределение массы и жесткости является относительно одинаковым. Оптимальное размещение может быть, например, определено оператором крутильных колебаний, который позволяет рассчитывать критические формы FHTO и соответствующие формы колебаний.The damper will be quite practical and will be suitable for various applications. HFTO leads to high costs due to significant repair and maintenance efforts, reliability issues with non-productive time and a small market share. The proposed friction damper will operate below the motor (this separates HFTO) as well as above the motor. It can be installed anywhere on the BHA, which also includes placement above the BHA if the vibration mode extends to this point. The vibration mode extends throughout the BHA if the mass and stiffness distribution is relatively uniform. The optimal placement can be determined, for example, by a torsional vibration operator that allows calculating the critical FHTO modes and the corresponding vibration modes.

Кроме того, как отмечалось выше, из-за высоких амплитуд на буровом долоте одно положение демпфера, как описано в настоящем документе, может находиться внутри бурового долота или можетAdditionally, as noted above, due to the high amplitudes at the drill bit, one position of the damper as described herein may be inside the drill bit or may

- 18 050247 находиться в непосредственной близости от него, например, в составе опорного узла долота или на нем. Таким образом, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, демпферы могут быть интегрированы в опорный узел долота и представлять собой его часть. В таких вариантах осуществления расстояние до долота практически равно нулю. Опорные узлы долота, как описано в настоящем документе, включают в себя, без ограничений, муфты долота, приводные валы, муфты, связанные с операциями крепления и приведения во вращение/эксплуатации долота, направляющие механизмы и/или элементы, связанные с направлением операции бурения, механизмы изгиба, которые применяют в двигателе изгиба для отклонения, элементы для входа в контакт со стенками ствола, неподвижные или медленно вращающиеся муфты и т.д. Опорные узлы долота согласно настоящему изобретению могут быть частью КНБК, которая содержит элементы, отличающиеся от устройства дезинтеграции, а в некоторых случаях может включать в себя устройство дезинтеграции, если такое устройство выполнено как единое целое с участком опорного узла долота.- 18 050247 be in close proximity to it, for example, as part of or on a bit support unit. Thus, in accordance with some embodiments of the present invention, the dampers can be integrated into the bit support unit and constitute a part thereof. In such embodiments, the distance to the bit is substantially zero. Bit support units, as described herein, include, without limitation, bit couplings, drive shafts, couplings associated with the operations of fastening and driving into rotation/operation of the bit, guide mechanisms and/or elements associated with the direction of the drilling operation, bending mechanisms that are used in the bending motor for deflection, elements for entering into contact with the walls of the wellbore, fixed or slowly rotating couplings, etc. The bit support assemblies of the present invention may be part of a BHA that includes elements other than the disintegration device, and in some cases may include the disintegration device if such device is formed as a single unit with a portion of the bit support assembly.

Направляющий механизм (также называемый направляющей секцией или направляющим узлом) применяется и выполнен с возможностью бурения направленных скважин. Такое направленное бурение может упоминаться в данной области техники как геонавигация. Направляющий механизм в одном неограничивающем примере включает в себя ряд элементов с возможностью расширения (например, элементов приложения усилия), расположенных на невращающейся муфте (например, муфте скважинного инструмента), выполненных с возможностью приложения выбранных или заданных усилий к стенке ствола скважины для направленного бурения скважин. Во время приложении усилия к стенке ствола скважины невращающаяся муфта занимает геостационарное положение или только медленно поворачивается относительно стенки ствола скважины, в то время как приводной вал, который проходит через невращающуюся муфту, вращается со скоростью вращения устройства дезинтеграции (например, с частотой вращения долота). Расширяемые элементы могут приводиться в действие исполнительным механизмом (например, гидравлическим, электрическим или электромеханическим исполнительным механизмом).A guiding mechanism (also called a guiding section or a guiding unit) is used and configured to drill directional wells. Such directional drilling may be referred to in the art as geosteering. The guiding mechanism in one non-limiting example includes a number of expandable elements (e.g. force application elements) located on a non-rotating sleeve (e.g. a sleeve of a downhole tool) configured to apply selected or predetermined forces to the borehole wall for directional drilling of wells. During the application of force to the borehole wall, the non-rotating sleeve occupies a geostationary position or only slowly rotates relative to the borehole wall, while a drive shaft that passes through the non-rotating sleeve rotates at the rotational speed of the disintegration device (e.g. at the rotational speed of the bit). The expandable elements may be driven by an actuator (e.g. a hydraulic, electric or electromechanical actuator).

В некоторых таких вариантах осуществления демпфер может быть образован массой или инерцией, которые сопряжены с опорным узлом долота только посредством усилия демпфирования или демпфирующим крутящим моментом. Усилие демпфирования может, например и без ограничений, быть сгенерировано с помощью вязкого демпфирования, фрикционного демпфирования, гидравлического демпфирования, магнитного демпфирования (например, демпфирования вихревыми токами), пьезоэлектрического (шунтирующего) демпфирования и т.д. В некоторых таких вариантах осуществления демпфер может быть скомбинирован с пружиной, которая может обеспечивать настроенный инерционный демпфер или настроенный фрикционный демпфер. В этих случаях собственная частота демпфера будет настроена на собственную частоту формы колебаний, которая должна быть демпфирована.In some such embodiments, the damper may be formed by a mass or inertia that is coupled to the bit support unit only by means of a damping force or a damping torque. The damping force may, for example and without limitation, be generated by means of viscous damping, frictional damping, hydraulic damping, magnetic damping (e.g., eddy current damping), piezoelectric (shunt) damping, etc. In some such embodiments, the damper may be combined with a spring, which may provide a tuned inertial damper or a tuned frictional damper. In these cases, the natural frequency of the damper will be tuned to the natural frequency of the vibration mode that is to be damped.

Как описано выше, анализ показал, что демпфирование пропорционально увеличивается при эффективной вращательной инерции и квадратично увеличивается с нормализованной по массе формой колебаний на долоте. Дополнительный постоянный фактор зависит от типа демпфирования. Дополнительное фрикционное демпфирование с инерционным демпфером теоретически не зависит от частоты, а гидравлические демпферы в некоторой степени зависят от частот. Этот компромисс также применяется для других типов демпфирования и может влиять на различные параметры сил (например, путем гармонического регулирования нормальной силы для конфигураций фрикционного демпфера, выбора жидкостей, которые имеют свойства, которые изменяют относительную скорость компонентов, и т.д.). Как отмечено, муфта долота или долото представляют собой одно местоположение для инерционного демпфера, которое может оказаться предпочтительным, поскольку критические формы колебаний, как правило, имеют наибольшую амплитуду на долоте (например, как показано на фиг. 9В). Одна иллюстративная критическая форма колебаний составляет 248 Гц, имея наибольшую амплитуду на долоте, хотя различные другие формы колебаний/частоты могут быть критическими на основании конкретной конфигурации и скважинных работ. Таким образом, критическая(-ие) форма(-ы) колебаний может (могут) зависеть от различных факторов, а форма колебаний, составляющая 248 Гц, описана только в качестве примера для целей разъяснения. Важно отметить, что возбуждение теоретически также увеличивается квадратично с амплитудой формы колебаний на долоте. Кроме того, величина демпфирования, необходимая для смягчения вибраций, также может увеличиться квадратично с амплитудой формы колебаний на долоте.As described above, the analysis showed that the damping increases proportionally with the effective rotational inertia and increases quadratically with the mass-normalized mode shape at the bit. The additional constant factor depends on the damping type. Additional frictional damping with a mass damper is theoretically frequency independent, while hydraulic dampers are somewhat frequency dependent. This trade-off also applies to other damping types and can affect various force parameters (e.g., by harmonic adjustment of the normal force for friction damper configurations, selection of fluids that have properties that change the relative velocity of the components, etc.). As noted, the bit coupling or the bit is one location for a mass damper that may be preferable since the critical mode shapes tend to have the largest amplitude at the bit (e.g., as shown in Fig. 9B). One illustrative critical mode is 248 Hz, which has the highest amplitude at the bit, although various other modes/frequencies may be critical based on the specific configuration and well operations. Thus, the critical mode(s) may depend on various factors, and the 248 Hz mode is described only as an example for purposes of clarification. It is important to note that excitation also theoretically increases quadratically with the amplitude of the mode at the bit. In addition, the amount of damping required to mitigate vibrations may also increase quadratically with the amplitude of the mode at the bit.

В одном неограничивающем варианте осуществления демпфер расположен в непосредственной близости от долота, но не в составе долота/на нем, при этом фрикционный демпфер может представлять собой замкнутое кольцо любой формы, которое соединено с опорным узлом долота и выполнено с возможностью крутильного вращения. В другом варианте осуществления демпфер может представлять собой линейную массу, которая в тангенциальном направлении присоединена к опорному узлу долота или входит в его состав, и эффективно вызывает вращательное усилие. Несколько отдельных демпферов могут быть установлены и выполнены около опорного узла долота или в его составе (т.е. в непосредственной близости от конца бурильной колонны). В другой конфигурации демпфер может быть образован из двух принудительно соединенных частей опорного узла долота, которые присоединены в различных положениях по оси опорного узла долота (например, в непосредственной близости от соединения долота и в непосредственной близости от соединения с приводным валом). Соединение в различных осевых поIn one non-limiting embodiment, the damper is located in the immediate vicinity of the bit, but not in/on the bit, and the friction damper can be a closed ring of any shape that is connected to the bit support unit and is configured to rotate torsionally. In another embodiment, the damper can be a linear mass that is tangentially connected to or included in the bit support unit and effectively causes a rotational force. Several separate dampers can be installed and implemented near or in the bit support unit (i.e., in the immediate vicinity of the end of the drill string). In another configuration, the damper can be formed from two positively connected portions of the bit support unit that are connected at different positions along the axis of the bit support unit (e.g., in the immediate vicinity of the bit connection and in the immediate vicinity of the connection with the drive shaft). The connection at different axial

- 19 050247 ложениях приводит к относительному перемещению между двумя принудительно соединенными частями. Пример такой конфигурации может включать, например, резьбовое соединение с относительными контактными поверхностями.- 19 050247 positions results in relative movement between two forcibly connected parts. An example of such a configuration may include, for example, a threaded connection with relative contact surfaces.

Например, обратимся к фиг. 23, где показано схематическое представление опорного узла 2300 долота. Опорный узел 2300 долота включает в себя муфту 2302 долота, выполненную с возможностью приема долота в отверстии 2304 для долота. Отверстие 2304 для долота выполнено (например, по форме, размеру и т.д.) с возможностью приема бурового долота или другого устройства дезинтеграции. Как будет понятно специалистам в данной области техники, муфта 2302 долота выполнена с возможностью удержания и, в некоторых конфигурациях, приведения в действие долота, установленного в отверстии 2304 для долота. Долото или другое устройство дезинтеграции может быть выполнено с возможностью резания материала пласта (например, породы) во время операции бурения.For example, referring to Fig. 23, a schematic representation of a bit support assembly 2300 is shown. The bit support assembly 2300 includes a bit sleeve 2302 configured to receive a bit in a bit opening 2304. The bit opening 2304 is configured (e.g., in shape, size, etc.) to receive a drill bit or other disintegration device. As will be understood by those skilled in the art, the bit sleeve 2302 is configured to retain and, in some configurations, to drive a bit installed in the bit opening 2304. The bit or other disintegration device may be configured to cut formation material (e.g., rock) during a drilling operation.

Как показано, муфта 2302 долота установлена в составе опорного узла 2300 долота на приводной вал 2306. Приводной вал 2306 может вращаться для приведения в действие (например, вращения) долота, установленного в/на отверстии 2304 для долота. Во время работы крутящий момент бурения передается от приводного вала 2306 на муфту 2304 долота посредством втулки 2308 крутящего момента и гильзы 2310. Резьбовое соединение 2312 создает осевой предварительный натяг между приводным валом 2306 и муфтой 2302 долота. Крутящий момент передается посредством трения между различными компонентами опорного узла 2300 долота, которое может зависеть от осевого поверхностного давления, коэффициентов трения и радиуса контактных поверхностей относительно оси Ах инструмента. Как будет понятно специалистам в данной области техники, первая торцевая поверхность 2314 втулки 2308 крутящего момента, которая контактирует с приводным валом 2306, может быть покрыта слоем, усиливающим трение (например, материалом, содержащим алмаз), который позволяет увеличить передаваемый крутящий момент посредством коэффициента умножения. Вторая торцевая поверхность 2316, обеспечивающая контакт между приводным валом 2306 и муфтой 2302 долота, может быть выполнена с возможностью увеличения момента свинчивания и развинчивания (MUT - англ.: make-up torque). Из-за покрытия на первой торцевой поверхности 2314 не ожидается, что будет наблюдаться перемещение втулки 2308 крутящего момента относительно, например, приводного вала 2306. Гильза 2310 имеет больший радиус, чем втулка 2308 крутящего момента, т.е. относительно оси Ax инструмента, и передаваемый крутящий момент на первой торцевой поверхности 2314 больше, чем на второй торцевой поверхности 2316.As shown, the bit coupling 2302 is mounted as part of the bit support assembly 2300 on the drive shaft 2306. The drive shaft 2306 can rotate to drive (e.g. rotate) the bit mounted in/on the hole 2304 for the bit. During operation, the drilling torque is transmitted from the drive shaft 2306 to the bit coupling 2304 by means of the torque sleeve 2308 and the sleeve 2310. The threaded connection 2312 creates an axial preload between the drive shaft 2306 and the bit coupling 2302. The torque is transmitted by means of friction between the various components of the bit support assembly 2300, which can depend on the axial surface pressure, the friction coefficients and the radius of the contact surfaces relative to the axis A x of the tool. As will be understood by those skilled in the art, the first end surface 2314 of the torque sleeve 2308, which contacts the drive shaft 2306, can be coated with a friction-enhancing layer (for example, a diamond-containing material), which allows to increase the transmitted torque by means of a multiplication factor. The second end surface 2316, providing contact between the drive shaft 2306 and the bit coupling 2302, can be configured to increase the make-up and break-out torque (MUT - English: make-up torque). Due to the coating on the first end surface 2314, it is not expected that there will be a movement of the torque sleeve 2308 relative to, for example, the drive shaft 2306. The sleeve 2310 has a larger radius than the torque sleeve 2308, i.e. relative to the axis A x of the tool, and the transmitted torque on the first end surface 2314 is greater than on the second end surface 2316.

Типовая конструкция муфты долота или так называемого нижнего приводного вала представляет собой резьбу с контактом на двух торцах, как показано на фиг. 23. Однако в некоторых альтернативных конфигурациях муфта, втулка крутящего момента и/или долото могут быть соединены вместе как единая часть/компонент. В таких конфигурациях при выполнении соединения относительное движение происходит на обоих торцах (например, первой и второй торцевых поверхностях 2314, 2316, показанных на фиг. 23). Соответственно, на первой торцевой поверхности не представляется возможным применять покрытие, усиливающее трение, как описано выше. Таким образом, это приводит к значительному снижению допустимого крутящего момента вследствие пониженного коэффициента трения и меньшего действующего радиуса.A typical design of the bit coupling or so-called lower drive shaft is a thread with contact on both ends, as shown in Fig. 23. However, in some alternative configurations, the coupling, torque sleeve and/or the bit may be connected together as a single part/component. In such configurations, when the connection is made, the relative movement occurs on both ends (for example, the first and second end surfaces 2314, 2316 shown in Fig. 23). Accordingly, it is not possible to use a friction-enhancing coating on the first end surface, as described above. Thus, this leads to a significant reduction in the permissible torque due to a reduced friction coefficient and a smaller effective radius.

Как показано, приводной вал 2306 и втулка 2308 крутящего момента могут быть расположены в инструментальной втулке 2318. Как будет понятно специалистам в данной области техники, инструментальная втулка 2318 может представлять собой невращающуюся или медленно вращающуюся муфту. Инструментальная втулка 2318 может быть выполнена с возможностью взаимодействия или присоединения к КНБК или к другому скважинному узлу и/или инструментальной колонне.As shown, the drive shaft 2306 and the torque sleeve 2308 can be located in the tool sleeve 2318. As will be understood by those skilled in the art, the tool sleeve 2318 can be a non-rotating or slowly rotating coupling. The tool sleeve 2318 can be configured to interact with or connect to the BHA or to another downhole assembly and/or tool string.

Как описано выше, в различные аспекты буровой системы могут быть включены различные типы демпферов. В этом иллюстративном варианте осуществления показан опорный узел 2300 долота, причем указанный опорный узел 2300 долота содержит демпферный элемент 2320, иллюстративно показанный как инерция вращения. Демпферный элемент 2320 в этом варианте осуществления разобщен с точки зрения вращения с помощью различных подшипников 2322 (например, радиальных, таких как игольчатые подшипники или поликристаллические алмазные (PDC) подшипники и/или упорные подшипники). Демпферный элемент 2320 выполнен с возможностью оставаться свободным и может вращаться на опорном узле 2300 долота (например, относительно муфты 2302 долота и/или втулки 2308 крутящего момента). Влияние демпферного элемента 2320 может быть максимально увеличено за счет материала высокой плотности и геометрической формы с определенными характеристиками. Например, как показано на фиг. 23, объем демпферного элемента 2320 может быть выбран и/или оптимизирован в том смысле, что масса демпферного элемента 2320 имеет конкретное или определенное радиальное расстояние от оси Ax инструмента. Например, как показано, подшипники 2322 (и фрикционный контакт) могут быть расположены ближе к оси Ax инструмента в радиальном направлении, чем демпферный элемент 2320, чтобы оставить пространство и оптимизировать гильзу 2310 крышки и демпферный элемент 2320. Такое пространство позволяет гарантировать, что аспекты демпфирующей системы способны выдерживать ожидаемые нагрузки во время работы, а также позволяет выбрать геометрические свойства и материал демпферного элемента 2320 так, чтобы максимально увеличить инерцию вращения и достичь требуемого демпфирования.As described above, various types of dampers can be included in various aspects of the drilling system. In this illustrative embodiment, a bit support assembly 2300 is shown, wherein said bit support assembly 2300 comprises a damper element 2320, illustratively shown as rotational inertia. The damper element 2320 in this embodiment is decoupled from the point of view of rotation by various bearings 2322 (for example, radial, such as needle bearings or polycrystalline diamond (PDC) bearings and/or thrust bearings). The damper element 2320 is configured to remain free and can rotate on the bit support assembly 2300 (for example, relative to the bit coupling 2302 and/or the torque sleeve 2308). The effect of the damping element 2320 can be maximized by a high density material and a geometric shape with certain characteristics. For example, as shown in Fig. 23, the volume of the damping element 2320 can be selected and/or optimized in the sense that the mass of the damping element 2320 has a specific or certain radial distance from the axis A x of the tool. For example, as shown, the bearings 2322 (and the friction contact) can be located closer to the axis A x of the tool in the radial direction than the damping element 2320 in order to leave space and optimize the sleeve 2310 of the cover and the damping element 2320. Such space allows to ensure that aspects of the damping system are able to withstand the expected loads during operation, and also allows to select the geometric properties and material of the damping element 2320 in such a way as to maximize the rotational inertia and achieve the required damping.

- 20 050247- 20 050247

В некоторых вариантах осуществления, как показано, осевая пружина 2324 может быть выполнена с возможностью приложения осевого усилия к демпферному элементу 2320. В этой иллюстративной конфигурации осевая пружина 2324 выполнена с возможностью передачи осевого усилия через подшипник 2322 (например, упорный подшипник) и демпферный элемент 2320 на фрикционную поверхность 2326 между демпферным элементом 2320 и муфтой 2302 долота. В некоторых вариантах осуществления фрикционная поверхность 2326 может быть замещена механизмом демпфирования любого другого вида. Осевое контактное давление и существующий коэффициент трения для фрикционной поверхности 2326 создают фрикционное сопряжение между демпферным элементом 2320 и муфтой 2302 долота. Жесткость осевой пружины 2324 и коэффициент трения на фрикционной поверхности 2326 могут быть выбраны так, чтобы обеспечить достижение максимального демпфирования с точки зрения амплитуды, которое при этом не сокращает срок службы опорного узла 2300 долота и/или установленного в нем долота.In some embodiments, as shown, the axial spring 2324 may be configured to apply an axial force to the damper element 2320. In this illustrative configuration, the axial spring 2324 is configured to transmit the axial force through the bearing 2322 (for example, a thrust bearing) and the damper element 2320 to the friction surface 2326 between the damper element 2320 and the bit sleeve 2302. In some embodiments, the friction surface 2326 may be replaced by any other type of damping mechanism. The axial contact pressure and the existing coefficient of friction for the friction surface 2326 create a frictional coupling between the damper element 2320 and the bit sleeve 2302. The stiffness of the axial spring 2324 and the coefficient of friction on the friction surface 2326 can be selected so as to ensure that maximum damping is achieved in terms of amplitude, which at the same time does not reduce the service life of the bit support unit 2300 and/or the bit installed therein.

Как показано на фиг. 23, демпферный элемент 2320 заключен в гильзу 2310. Гильза 2310 выбрана таким образом, чтобы выдерживать наружное гидростатическое давление, исходя из толщины стенки, при этом может учитываться внешний диаметр демпферного элемента 2320. В некоторых вариантах осуществления демпферный элемент 2320 (иллюстративно показан как физический компонент) может быть выполнен в форме вязкого демпфера. В некоторых таких вариантах осуществления место установки демпферного элемента 2320 может быть заполнено текучей средой, а компенсация давления может давать возможность для увеличения наружного диаметра демпферного элемента за счет достижения расчетного пространства в размере гильзы и других частей. В качестве неограничивающего примера текучая среда может представлять собой несжимаемую текучую среду. В другом варианте осуществления гильза 2310 может быть опущена. В некоторых таких вариантах осуществления может быть получен максимальный внешний диаметр демпферного элемента, а в некоторых таких вариантах осуществления, вследствие воздействия внешней среды ствола скважины, могут потребоваться демпферные элементы, устойчивые к буровому раствору. В этом контексте инерциальная масса или демпферный элемент могут быть скорректированы для охвата частей изгибающей нагрузки, которую требуется передавать. Система, подвергающаяся воздействию бурового раствора, может также включать в себя гильзу, которая частично имеет пазы для охвата изгиба с одной стороны, но также оставляет большее конструктивное пространство для инерционной массы/демпферного элемента, который могут частично заполнить пазы между гильзами.As shown in Fig. 23, the damper element 2320 is enclosed in the sleeve 2310. The sleeve 2310 is selected so as to withstand the external hydrostatic pressure based on the wall thickness, while the external diameter of the damper element 2320 can be taken into account. In some embodiments, the damper element 2320 (illustratively shown as a physical component) can be made in the form of a viscous damper. In some such embodiments, the installation location of the damper element 2320 can be filled with a fluid, and pressure compensation can make it possible to increase the external diameter of the damper element due to achieving a design space in the size of the sleeve and other parts. As a non-limiting example, the fluid can be an incompressible fluid. In another embodiment, the sleeve 2310 can be omitted. In some such embodiments, a maximum outer diameter of the damper element may be obtained, and in some such embodiments, due to the influence of the external environment of the wellbore, damper elements resistant to drilling fluid may be required. In this context, the inertial mass or damper element may be adjusted to cover parts of the bending load that must be transmitted. The system exposed to drilling fluid may also include a sleeve that is partially slotted to cover the bend on one side, but also leaves a larger structural space for the inertial mass/damper element, which can partially fill the slots between the sleeves.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в опорном узле долота может быть установлен чисто вращательный демпфер, и такая конфигурация может быть полезна при формах колебаний с высокой амплитудой на самом долоте или в непосредственной близости от него. Некоторые такие компоновки могут предусматривать расположение демпферных элементов с меньшим радиальным расстоянием, т.е. ближе к оси Ax инструмента. Таким образом, меньший радиус демпферного элемента может ограничивать эффект демпфирования, но такое ограничение может быть компенсировано тем, что на опорном узле долота может быть размещена увеличенная масса. Таким образом, выбор массы и радиального положения относительно оси Ax инструмента могут быть определены, исходя из желаемой вибрации или формы колебаний, подлежащих демпфированию, а также исходя из входной энергии ожидаемого возбуждения, которая может быть описана отрицательным демпфированием (например, как показано на фиг. 20).In some embodiments of the present invention, a purely rotational damper may be installed in the bit support unit, and such a configuration may be useful for high-amplitude vibration modes on the bit itself or in close proximity to it. Some such arrangements may provide for the arrangement of the damper elements with a smaller radial distance, i.e. closer to the axis A x of the tool. Thus, a smaller radius of the damper element may limit the damping effect, but such a limitation may be compensated for by the fact that an increased mass may be placed on the bit support unit. Thus, the choice of mass and radial position relative to the axis A x of the tool may be determined based on the desired vibration or vibration mode to be damped, as well as based on the input energy of the expected excitation, which may be described by negative damping (for example, as shown in Fig. 20).

Достаточная величина демпфирования для сведения к минимуму или устранения вибраций в забойном участке скважины может быть достигнута путем определения положения демпферных элементов в составе опорного узла долота или на нем (например, в составе муфты долота или на ней, или на другой части направляющего узла). Причина заключается в том, что практически во всех случаях нормализованная по массе амплитуда формы колебаний критической формы колебаний является наибольшей на долоте или устройстве дезинтеграции. Это может быть физически объяснено тем, что возбуждение и вероятность того, что возбуждается какая-либо форма колебаний, также увеличивается квадратично с амплитудой формы колебаний на долоте (или в точке возбуждения), если характеристику скоростьснижение крутящего момента на долоте принимают относительно средней скорости вращения. Включение в состав опорного узла долота демпфера/демпферного элемента может накладывать ограничения на длину демпфера/демпферного элемента в осевом направлении. Однако, поскольку демпфирование является высоким из-за высокой амплитуды формы колебаний в долоте или вблизи от долота, демпфер/демпферный элемент может быть относительно коротким и при этом по-прежнему обеспечивать достаточный эффект демпфирования. Демпфер у опорного узла долота может быть меньше 30 см, или 40 см, или 50 см, или 100 см, или 150 см.Sufficient damping to minimize or eliminate vibrations in the downhole section of the well can be achieved by determining the location of damping elements in or on the bit support assembly (e.g. in or on the bit collar or on another part of the guide assembly). The reason is that in almost all cases the mass-normalized amplitude of the critical vibration mode is greatest at the bit or disintegration device. This can be physically explained by the fact that the excitation and the probability that any vibration mode is excited also increase quadratically with the amplitude of the vibration mode at the bit (or at the excitation point), if the speed-torque reduction characteristic at the bit is taken relative to the average rotational speed. The inclusion of a damper/damper element in the bit support assembly may impose restrictions on the axial length of the damper/damper element. However, since the damping is high due to the high amplitude of the mode shape at or near the bit, the damper/damper element can be relatively short and still provide sufficient damping effect. The damper at the bit support unit can be less than 30 cm, or 40 cm, or 50 cm, or 100 cm, or 150 cm.

Один тип демпферного элемента, который может быть установлен в составе опорного узла долота или вблизи него в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой линейный вязкостный демпфер. Такой демпферный элемент мог бы включать в себя массу и элемент усилия, который передает усилие от опорного узла долота к массе/инерции. Такой демпферный элемент будет иметь элемент силы, который указывает, расположен, или ориентирован в касательном направлении для демпфирования HFTO. Элемент силы может представлять собой линейный вязкостный или фрикционный демпферныйOne type of damper element that may be installed in or near the bit support assembly in accordance with the present invention is a linear viscous damper. Such a damper element could include a mass and a force element that transfers force from the bit support assembly to the mass/inertia. Such a damper element would have a force element that points, is located, or is oriented in a tangential direction to damp the HFTO. The force element may be a linear viscous or frictional damper.

- 21 050247 элемент, как будет понятно специалистам в данной области техники с учетом идей, представленных в настоящем документе.- 21 050247 element, as will be understood by those skilled in the art given the teachings presented herein.

Указанный демпферный элемент 2320 может представлять собой одиночный элемент/конструкцию или множество элементов/конструкций. Например, демпферный элемент 2320 может представлять собой инерционное кольцо или другую конструкцию кольцевого типа, которая может быть замкнутым или прерывистым кольцом, например, полукожухами. В некоторых вариантах осуществления два полукожуха (или другие частичные кожухи) могут применяться при отсутствии возможности установки полного кольца из-за конструкции или конфигурации долота или опорного узла долота. Полукожухи могут быть собраны вокруг радиального фрикционного контакта или радиального подшипника (например, некоторых из подшипников 2322), которые могут быть расположены относительно внутреннего диаметра демпферного элемента 2320 и могут быть сходными по положению и форме. Подшипник(-и) может (могут) быть разделен(-ы) с возможностью установки подшипников 2322 и/или демпферного элемента 2320. В некоторых вариантах осуществления нормальное усилие может быть приложено через полукожухи, а контролировать его можно за счет упругости полукожухов и приложенного нормального усилия/усилия соединения. В некоторых вариантах осуществления для приложения радиальных усилий трения между, например, полукожухами демпферного элемента и создания радиального трения также могут применяться кожухи с радиальной волнистой пружиной.The indicated damping element 2320 can be a single element/structure or a plurality of elements/structures. For example, the damping element 2320 can be an inertia ring or another ring-type structure, which can be a closed or discontinuous ring, such as half-shells. In some embodiments, two half-shells (or other partial shells) can be used when it is not possible to install a full ring due to the design or configuration of the bit or the support unit of the bit. The half-shells can be assembled around a radial friction contact or a radial bearing (for example, some of the bearings 2322), which can be located relative to the inner diameter of the damping element 2320 and can be similar in position and shape. The bearing(s) may be divided to accommodate bearings 2322 and/or a damper element 2320. In some embodiments, the normal force may be applied through the half-shells, and it may be controlled by the elasticity of the half-shells and the applied normal force/connection force. In some embodiments, for applying radial friction forces between, for example, the half-shells of the damper element and creating radial friction, casings with a radial wave spring may also be used.

Для демпферного(-ых) элемента(-ов) (например, инерционного кольца) могут быть применены различные геометрические конфигурации, которые могут быть полезны для увеличения инерции. В этом смысле плотность материала, выбранного для демпферного элемента, может быть выбрана как можно более высокой, причем радиус распределения массы находится в большом радиусе относительно продольной оси буровой системы или опорного узла долота. Инерция (или инерционные полукожухи) может включать в себя дополнительные массы (инерции), которые предпочтительно установлены или расположены вокруг опорного узла долота.For the damping element(s) (e.g. the inertia ring), various geometric configurations can be applied, which can be useful for increasing the inertia. In this sense, the density of the material selected for the damping element can be selected as high as possible, with the mass distribution radius being in a large radius relative to the longitudinal axis of the drilling system or the bit support unit. The inertia (or inertia half-shells) can include additional masses (inertia), which are preferably installed or located around the bit support unit.

В некоторых вариантах осуществления для предотвращения свободного или непрерывного перемещения демпферного элемента кольцевой конфигурации (например, поворот более чем на 10°) необязательно может быть предусмотрен ограничивающий упор. Нормальные силы между демпферным элементом и муфтой долота или другой частью опорного узла долота могут быть приложены в радиальном или осевом направлении с помощью пружин или других механизмов. Радиальные силы трения могут быть достигнуты посредством пружин или упругой конструкции демпферного элемента кольцевого типа. В некоторых таких вариантах осуществления двойной демпферный элемент полукожуха может быть предварительно нагружен для достижения требуемой силы трения. Осевая нормальная сила может быть обеспечена за счет пружин, причем вес массы/инерция в вертикальном стволе скважины и пружины могут быть выполнены в виде кожухов и т.д. Материал опорного узла долота может представлять собой стальной корпус или основание (например, из композитных материалов). Для разобщения потенциальной нормальной силы пакета пружин и вращательного движения инерционной массы может быть применен упорный подшипник.In some embodiments, a limiting stop may optionally be provided to prevent free or continuous movement of the annular-shaped damping element (e.g., rotation by more than 10°). Normal forces between the damping element and the bit sleeve or other part of the bit support unit may be applied in the radial or axial direction using springs or other mechanisms. Radial friction forces may be achieved by means of springs or an elastic design of the annular-type damping element. In some such embodiments, the double damping element of the half-casing may be preloaded to achieve the required friction force. The axial normal force may be provided by springs, wherein the mass weight/inertia in the vertical wellbore and the springs may be made in the form of casings, etc. The material of the bit support unit may be a steel housing or base (e.g., made of composite materials). A thrust bearing may be used to decouple the potential normal force of the spring package and the rotational movement of the inertial mass.

В некоторых вариантах осуществления в муфте долота или другой части опорного узла долота могут быть применены тангенциальные демпферные элементы. Демпферы для тангенциального демпфирования могут быть установлены в положение со значительным радиусом относительно продольной оси буровой системы (например, в радиальном направлении относительно оси Ах инструмента).In some embodiments, tangential damping elements may be used in the bit coupling or other part of the bit support unit. The dampers for tangential damping may be installed in a position with a significant radius relative to the longitudinal axis of the drilling system (for example, in the radial direction relative to the axis A x of the tool).

В случае демпферов, которые установлены со свободным перемещением в тангенциальном направлении (направлении тангенциального ускорения), могут быть применены (стальные) трубы, которые ввинчены в опорный узел долота. Тангенциальные демпферы могут быть собраны в трубы, содержащие механизм для приложения нормальных усилий между инерционной массой (например, демпферным элементом) и опорным узлом (например, муфтой долота), предпочтительно перпендикулярно тангенциальному направлению. В некоторых вариантах осуществления тангенциальные демпферные элементы могут быть установлены в составе соответствующего корпуса или являться его частью, который может быть прикреплен к муфте долота или другой части опорного узла долота, например, посредством резьбовых соединений. Указанные корпуса могут иметь любую геометрическую конфигурацию и могут быть установлены в различных положениях на опорном узле долота.In the case of dampers that are installed with free movement in the tangential direction (the direction of the tangential acceleration), (steel) pipes can be used, which are screwed into the bit support unit. The tangential dampers can be assembled in pipes containing a mechanism for applying normal forces between the inertial mass (for example, the damper element) and the support unit (for example, the bit coupling), preferably perpendicular to the tangential direction. In some embodiments, the tangential damper elements can be installed as part of a corresponding housing or be a part thereof, which can be attached to the bit coupling or another part of the bit support unit, for example, by means of threaded connections. The said housings can have any geometric configuration and can be installed in different positions on the bit support unit.

Как описано выше, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, описан демпферный элемент или узел, который состоит, в некоторых конфигурациях, из вращательного инерционного демпферного элемента, который может быть сопряжен с буровой системой только посредством демпфирующего усилия или момента в верхней части приводного вала. Как будет понятно специалистам в данной области техники и с учетом идей, представленных в настоящем документе, демпфирующее усилие может быть создано, например, за счет вязкостного демпфирования, фрикционного демпфирования, пьезоэлектрического или магнитного демпфирования, например, с помощью вихревых токов и т.д. В некоторых вариантах осуществления демпферный элемент может быть объединен с пружиной, которая может обеспечивать демпфер с настраиваемой массой или демпфер с настраиваемым трением. В некоторых таких вариантах осуществления собственная частота демпфера и элементы с корректируемым усилием, которые обеспечивают жесткость (например, пружина) и демпфирующую способность, могут бытьAs described above, in accordance with embodiments of the present invention, a damper element or assembly is described that consists, in some configurations, of a rotational inertial damper element that can be coupled to the drilling system only by means of a damping force or moment at the top of the drive shaft. As will be understood by those skilled in the art and taking into account the teachings presented herein, the damping force can be created, for example, by viscous damping, frictional damping, piezoelectric or magnetic damping, such as by means of eddy currents, etc. In some embodiments, the damper element can be combined with a spring that can provide a damper with an adjustable mass or a damper with an adjustable friction. In some such embodiments, the natural frequency of the damper and the adjustable force elements that provide stiffness (e.g., a spring) and damping ability can be

- 22 050247 настроены на собственную частоту формы колебаний, которую требуется демпфировать.- 22 050247 are tuned to the natural frequency of the vibration mode that needs to be damped.

Долото соединено с опорным узлом (например, муфтой долота), имеющим демпферный элемент, как описано выше. В некоторых конфигурациях между нижним приводным валом и опорным узлом долота может быть применено другое резьбовое соединение, которое позволяет необязательное включение фрикционного демпфера с инерционным кольцом. Демпферный элемент может быть защищен гильзой, которая соединена за счет трения в верхнем и нижнем концах. Гильза не обязательно обеспечивает демпфирование, поскольку нормальные усилия теоретически предотвращают проскальзывание между контактными поверхностями между гильзой и другими компонентами опорного узла долота (например, муфтой долота и инструментальной втулкой). Усилия трения определяются коэффициентом трения и нормальным усилием, которое создано резьбовым соединением между нижним приводным валом и опорным узлом долота.The bit is connected to a support unit (e.g., a bit coupling) having a damping element as described above. In some configurations, another threaded connection may be used between the lower drive shaft and the bit support unit, which allows for the optional inclusion of a friction damper with an inertia ring. The damping element may be protected by a sleeve, which is frictionally connected at the upper and lower ends. The sleeve does not necessarily provide damping, since normal forces theoretically prevent slippage between the contact surfaces between the sleeve and other components of the bit support unit (e.g., the bit coupling and the tool sleeve). Frictional forces are determined by the coefficient of friction and the normal force, which is created by the threaded connection between the lower drive shaft and the bit support unit.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, демпферный элемент (например, инерционный демпфер) представляет собой кольцо, расположенное под гильзой. Демпферный элемент способен свободно вращаться относительно буровой системы, опорного узла долота или других конструкций. В некоторых вариантах осуществления массив демпферного элемента может быть выполнен из немагнитного материала, чтобы предотвратить взаимодействие и/или помехи при измерениях, выполняемых с помощью магнитометра, который может быть размещен в непосредственной близости от долота и/или опорного узла долота. Аналогичным образом, материал демпферного элемента может быть выбран таким образом, чтобы свести к минимуму или предотвратить отрицательное влияние на измерения с целью оценки пласта или другие измерения или операции в забое. Как отмечено выше, в некоторых вариантах осуществления демпферный элемент может опираться на радиальный подшипник, который лишен трения или практически лишен трения. Демпферный элемент (например, инерционное кольцо) выполнен с возможностью взаимодействия с буровой системой через фрикционные поверхности, например, на контактной или другой поверхности между демпферным элементом и опорным узлом долота (например, фрикционной поверхностью 2326, показанной на фиг. 23). В некоторых вариантах осуществления различные фрикционные поверхности выровнены в осевом направлении. Нормальное усилие к фрикционной поверхности прикладывается от осевой пружины (например, осевой пружиной 2324, показанной на фиг. 23). Коэффициент трения зависит от свойств материала взаимодействующих поверхностей. В некоторых вариантах осуществления осевая пружина может быть разобщена с точки зрения вращательного движения с инерцией с помощью упорного подшипника.According to some embodiments of the present invention, the damping element (for example, an inertial damper) is a ring located under the sleeve. The damping element is free to rotate relative to the drilling system, the bit support unit or other structures. In some embodiments, the array of the damping element can be made of a non-magnetic material to prevent interaction and / or interference with measurements performed by a magnetometer, which can be located in close proximity to the bit and / or the bit support unit. Similarly, the material of the damping element can be selected so as to minimize or prevent a negative impact on formation evaluation measurements or other measurements or operations in the bottomhole. As noted above, in some embodiments, the damping element can be supported by a radial bearing that is frictionless or substantially frictionless. The damping element (for example, the inertia ring) is configured to interact with the drilling system through friction surfaces, for example, on a contact or other surface between the damping element and the bit support unit (for example, the friction surface 2326 shown in Fig. 23). In some embodiments, the various friction surfaces are aligned in the axial direction. The normal force to the friction surface is applied by an axial spring (for example, the axial spring 2324 shown in Fig. 23). The friction coefficient depends on the material properties of the interacting surfaces. In some embodiments, the axial spring can be decoupled from the point of view of rotational motion with inertia by means of a thrust bearing.

На фиг. 24-25 представлены схематические изображения демпферных элементов 2400, 2500. Демпферные элементы 2400, 2500 выполнены с возможностью установки внутри опорного узла долота, как описано выше. Каждый демпферный элемент 2400, 2500 содержит соответствующий корпус 2402, 2502 для размещения и содержания компонентов соответствующих демпферных элементов 2400, 2500. Первый демпферный элемент 2400 имеет по существу прямоугольную геометрическую конфигурацию (с изогнутыми углами), а второй демпферный элемент 2500 имеет по существу круглую геометрическую конфигурацию. Корпуса 2402, 2502 выполнены с возможностью установки в опорном узле долота (например, как показано на фиг. 23).Fig. 24-25 show schematic illustrations of damper elements 2400, 2500. Damper elements 2400, 2500 are configured to be installed inside the support unit of the bit, as described above. Each damper element 2400, 2500 comprises a corresponding body 2402, 2502 for accommodating and containing components of the corresponding damper elements 2400, 2500. The first damper element 2400 has a substantially rectangular geometric configuration (with curved corners), and the second damper element 2500 has a substantially circular geometric configuration. The bodies 2402, 2502 are configured to be installed in the support unit of the bit (for example, as shown in Fig. 23).

Каждый из демпферных элементов 2400, 2500 содержит массовый элемент 2404, 2504, установленный с возможностью перемещения внутри корпусов 2402, 2502. Массовый элемент 2404, 2504 расположен между монтажным элементом 2406, 2506 и контактным элементом 2408, 2508. Монтажные элементы 2406, 2506 выполнены с возможностью приложения силы к соответствующему массовому элементу 2404, 2504 по направлению к контактным элементам 2408, 2508. Таким образом, между соответствующим массовым элементом 2404, 2504 и контактными элементами 2408, 2508 может быть достигнут фрикционный контакт. Массовые элементы 2404, 2504 могут быть расположены с одним или более ограничивающими упорами 2410, 2510 внутри соответствующих корпусов 2402, 2502. Ограничивающие упоры 2410, 2510 могут включать необязательную жесткость или гидравлические элементы для демпфирования перемещения массовых элементов 2404, 2504.Each of the damper elements 2400, 2500 comprises a mass element 2404, 2504, mounted with the possibility of movement inside the housings 2402, 2502. The mass element 2404, 2504 is located between the mounting element 2406, 2506 and the contact element 2408, 2508. The mounting elements 2406, 2506 are designed with the possibility of applying a force to the corresponding mass element 2404, 2504 in the direction of the contact elements 2408, 2508. Thus, frictional contact can be achieved between the corresponding mass element 2404, 2504 and the contact elements 2408, 2508. The mass elements 2404, 2504 may be arranged with one or more limit stops 2410, 2510 inside the corresponding housings 2402, 2502. The limit stops 2410, 2510 may include optional rigidity or hydraulic elements for damping the movement of the mass elements 2404, 2504.

Кроме того, ограничивающие упоры 2410, 2510 могут предотвращать застревание массовых элементов 2404, 2504 одного края корпуса 2402, 2502. Ограничивающие упоры 2410, 2510 могут быть выполнены с пружинами или другими элементами, чтобы избегать повреждения массовых элементов 2404, 2504 и прижимать массовые элементы 2404, 2504 к среднему положению или положению покоя относительно корпуса. В некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительно оптимизировать жесткость пружины и/или зазор в корпусе 2402, 2502, чтобы позволить массовым элементам 2404, 2504 перемещаться внутри корпуса 2402, 2502. Демпферные элементы 2400, 2500 могут быть расположены в виде вставок (например, корпус 2402, 2502 выполнен с возможностью установки). Вставляемые демпферные элементы 2400, 2500 могут быть установлены таким образом, чтобы массовые элементы 2404, 2504 размещались в положении значительного радиуса относительно оси (например, продольной оси) буровой системы для увеличения вращательной инерции относительно этой оси, чтобы увеличить эффективность демпфирования.In addition, the limit stops 2410, 2510 can prevent the mass elements 2404, 2504 from getting stuck at one edge of the housing 2402, 2502. The limit stops 2410, 2510 can be made with springs or other elements to avoid damaging the mass elements 2404, 2504 and to press the mass elements 2404, 2504 to the middle position or the rest position relative to the housing. In some embodiments, it may be preferable to optimize the spring stiffness and/or the clearance in the housing 2402, 2502 to allow the mass elements 2404, 2504 to move inside the housing 2402, 2502. The damper elements 2400, 2500 can be arranged in the form of inserts (for example, the housing 2402, 2502 is configured to be installed). The insertable damping elements 2400, 2500 can be installed in such a way that the mass elements 2404, 2504 are located in a position of a significant radius relative to the axis (for example, the longitudinal axis) of the drilling system to increase the rotational inertia relative to this axis in order to increase the damping efficiency.

Монтажный элемент 2406, 2506 выполнен с возможностью приложения нормальной силы к массовым элементам 2404, 2504. Например, монтажный элемент 2406, 2506 может быть расположен в видеThe mounting element 2406, 2506 is configured to apply a normal force to the mass elements 2404, 2504. For example, the mounting element 2406, 2506 can be arranged in the form

- 23 050247 пружинных кожухов для прижимания массовых элементов 2404, 2504 с вхождением в контакт с контактным элементом 2408, 2508. Кроме того, монтажные элементы 2406, 2506 и/или контактные элементы 2408, 2508 могут быть выполнены с возможностью управления тангенциальным перемещением массовых элементов 2404, 2504 для обеспечения демпфирования HFTO. В некоторых вариантах осуществления монтажные элементы 2406, 2506 прижимают массовые элементы 2404, 2504 с вхождением в контакт с контактным элементом 2408, 2508 для создания силы трения. Сила трения прикладывается, например, через материал, который полезен относительно коэффициента трения и ожидаемого износа, который должен быть максимально низким.- 23 050247 spring housings for pressing the mass elements 2404, 2504 with entering into contact with the contact element 2408, 2508. In addition, the mounting elements 2406, 2506 and/or the contact elements 2408, 2508 can be configured to control the tangential movement of the mass elements 2404, 2504 to provide HFTO damping. In some embodiments, the mounting elements 2406, 2506 press the mass elements 2404, 2504 with entering into contact with the contact element 2408, 2508 to create a frictional force. The frictional force is applied, for example, through a material that is useful relative to the coefficient of friction and the expected wear, which should be as low as possible.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может быть достигнута интеграция демпфирования в опорный узел долота. Демпфирование может быть применено посредством любой осевой, тангенциальной и/или радиальной силы или соответствующего крутящего момента, способного рассеивать энергию. В случае связанных форм колебаний демпфирующие силы в осевом направлении также способны рассеивать энергию от направления скручивания. Как описано для фрикционного демпфирования, контактирующие поверхности, применяемые с коэффициентом трения и нормальной силой, могут быть оптимизированы и/или выбраны для демпфирования одной или более критических форм колебаний. В некоторых вариантах осуществления для предотвращения износа (например, медных или поликристаллических алмазных долот) могут применяться полезные материалы или конструкции. Для настройки системы с выгодным коэффициентом или характеристикой трения можно применять множество контактов с различными свойствами. В некоторых вариантах осуществления демпферный элемент выполнен с возможностью перемещения относительно опорного узла долота со скоростью, которая представляет собой сумму периодических изменений скорости, имеющих амплитуду и среднюю скорость, причем средняя скорость ниже амплитуды периодических изменений скорости.According to embodiments of the present invention, damping can be integrated into the bit support unit. Damping can be applied by any axial, tangential and/or radial force or corresponding torque capable of dissipating energy. In the case of coupled vibration modes, damping forces in the axial direction are also capable of dissipating energy from the twisting direction. As described for frictional damping, the contact surfaces applied with a friction coefficient and a normal force can be optimized and/or selected to damp one or more critical vibration modes. In some embodiments, useful materials or structures can be used to prevent wear (for example, of copper or polycrystalline diamond bits). A plurality of contacts with different properties can be used to configure the system with an advantageous friction coefficient or characteristic. In some embodiments, the damper element is configured to move relative to the bit support unit at a speed that is the sum of periodic speed changes having an amplitude and an average speed, wherein the average speed is lower than the amplitude of the periodic speed changes.

В зависимости от вида прилагаемой силы возможны различные конфигурации. Как описано выше, на фиг. 2 представлена характеристика типичной силы для фрикционных контактов. Характеристика силы имеет эффект снижения скорости для относительных скоростей, которые не близки к нулю. Как описано выше, гармоническое или периодическое относительное перемещение между двумя элементами приведет к подаче энергии в систему. Кроме того, как описано выше, демпфирование в этом случае эффективно только при относительном перемещении взаимодействующих поверхностей, близком к нулю (например, точка 204 на фиг. 2). Альтернативным (или в комбинации с фрикционным демпфером) может быть вязкий демпфер.Depending on the type of force applied, various configurations are possible. As described above, Fig. 2 shows a typical force characteristic for friction contacts. The force characteristic has a velocity-decreasing effect for relative velocities that are not close to zero. As described above, a harmonic or periodic relative movement between two elements will result in energy being supplied to the system. In addition, as described above, damping in this case is only effective for a relative movement of the interacting surfaces close to zero (e.g., point 204 in Fig. 2). An alternative (or in combination with a friction damper) may be a viscous damper.

Далее в соответствии с фиг. 26 показан иллюстративный график 2600 зависимости различных характеристик крутящего момента (Т)/усилия (F) вязких флюидов от относительного смещения ((е,) х) (например, относительное перемещение/скорость) между двумя частями, которые связаны посредством связывающего усилия некоторого вида. На этом графике кривая 2602 представляет свойства ньютоновской жидкости, кривая 2604 представляет свойства неньютоновской жидкости сдвигового разжижения, а кривая 2606 представляет свойства неньютоновской жидкости сдвигового загущения. Хотя график 2600 иллюстрирует жидкости, такие принципы могут применяться к другим типам демпферов, таким как бесконтактное демпфирование (например, демпфирование с помощью вихревых токов). На графике 2600 кривая 2602 включает в себя точки 1, 2, 3, кривая 2604 включает в себя точки 4, 5, 6, а кривая 2606 включает в себя точки 7, 8, 9. Точки 1-9 представляют различия в зависимости крутящего момента Т или силы F от относительного смещения ((е,) х).Next, in accordance with Fig. 26, an illustrative graph 2600 is shown of the dependence of various torque (T)/force (F) characteristics of viscous fluids on the relative displacement ((e,) x) (e.g., relative displacement/velocity) between two parts that are connected by a connecting force of some kind. In this graph, curve 2602 represents the properties of a Newtonian fluid, curve 2604 represents the properties of a non-Newtonian shear thinning fluid, and curve 2606 represents the properties of a non-Newtonian shear thickening fluid. Although graph 2600 illustrates fluids, such principles can be applied to other types of dampers, such as non-contact damping (e.g., eddy current damping). In graph 2600, curve 2602 includes points 1, 2, 3, curve 2604 includes points 4, 5, 6, and curve 2606 includes points 7, 8, 9. Points 1-9 represent differences in the dependence of torque T or force F on relative displacement ((e,) x).

На графике 2600 наклон кривых 2602, 2604, 2606, например, в точках 1-9, является положительным, а относительное перемещение (включая среднюю скорость (е,) х в этой точке и изменение относительного смещения, скорости или ускорения по отношению к принудительно соединенным частям, которое вызвано периодическим наложенным колебанием, например, вызванным высокочастотными крутильными колебаниями) относительно этих точек обеспечивает демпфирование системы. Относительное перемещение может, например, происходить между одной частью, которая соединена со стенкой ствола скважины, например, путем трения прихватывания в тангенциальном направлении, как происходит с невращающейся муфтой направляющего механизма. Два взаимодействующих объекта, которые принудительно соединены согласно характеристике этого типа, также могли бы обеспечивать демпфирование высокочастотных крутильных колебаний, если применить положительную среднюю скорость вращения. Недостаток заключается в том, что такой тип характеристики также приведет к средней статической силе (Т, F на фиг. 26 и соответствующей точкам 1-9) от контактирующих поверхностей, которая снижает мощность от вращения, которую можно применять для разрушения породы. То есть демпфер действует как тормоз для вращения скважинной системы. Таким образом, в указанных случаях может потребоваться более высокая мощность на наземной системе вращения, которая приводит в действие режущую функцию долоте.In the graph 2600, the slope of the curves 2602, 2604, 2606, for example, at points 1-9, is positive, and the relative movement (including the average velocity (e,) x at this point and the change in the relative displacement, velocity or acceleration with respect to the forcibly connected parts, which is caused by a periodic superimposed oscillation, for example, caused by high-frequency torsional oscillations) relative to these points provides damping of the system. The relative movement can, for example, occur between one part, which is connected to the wall of the wellbore, for example, by sticking friction in the tangential direction, as occurs with a non-rotating coupling of the guide mechanism. Two interacting objects, which are forcibly connected according to a characteristic of this type, could also provide damping of high-frequency torsional oscillations if a positive average rotational speed is applied. The disadvantage is that this type of characteristic will also result in an average static force (T, F in Fig. 26 and corresponding to points 1-9) from the contacting surfaces, which reduces the power from rotation that can be applied to break the rock. That is, the damper acts as a brake on the rotation of the borehole system. Thus, in these cases, higher power may be required on the surface rotation system that drives the cutting function of the bit.

Необходимый демпфирующий эффект линейно зависит от наклона различных кривых крутящего момента в зависимости от относительного смещения, которые могут называться коэффициентом вязкостного демпфирования d (d1-d9) на фиг. 26 и увеличиваются квадратично с нормализованной по массе амплитудой формы колебаний, например, как показано на фиг. 9В. Статическая рассеиваемая энергия от постоянного относительного перемещения также линейно увеличивается с коэффициентом вязкогоThe required damping effect depends linearly on the slope of the various torque versus relative displacement curves, which may be referred to as the viscous damping coefficient d(d1- d9 ) in Fig. 26 and increases quadratically with the mass-normalized amplitude of the mode shape, such as shown in Fig. 9B. The static dissipated energy from a constant relative displacement also increases linearly with the viscous damping coefficient

- 24 050247 демпфирования d. Поскольку амплитуда формы колебаний является очень локализованной и очень высокой на долоте, и, следовательно, относительное перемещение между двумя принудительно соединенными поверхностями, как описано выше, является высоким, статическое рассеивание энергии также является высоким, и демпфирование является эффективным. В результате локализованной и высокой амплитуды формы колебаний длина демпфера может быть относительно небольшой (например, в осевом направлении). Сила торможения относительно короткого демпфера меньше силы торможения относительно более длинного демпфера. Таким образом, компромиссное соотношение между демпфированием, которое обеспечено динамически, например, для смягчения высокочастотных крутильных колебаний, и (нежелательное) статическое рассеивание энергии, является особенно подходящим вблизи долота или опорного узла долота.- 24 050247 damping d. Since the amplitude of the vibration mode is very localized and very high at the bit, and therefore the relative movement between the two forcedly connected surfaces as described above is high, the static energy dissipation is also high and the damping is effective. As a result of the localized and high amplitude of the vibration mode, the length of the damper can be relatively small (e.g. in the axial direction). The braking force of a relatively short damper is less than the braking force of a relatively longer damper. Thus, the compromise relationship between the damping, which is provided dynamically, for example to soften high-frequency torsional vibrations, and the (undesirable) static energy dissipation, is particularly suitable in the vicinity of the bit or the bit support unit.

Обратимся теперь к фиг. 27, где показан опорный узел 2700 долота, имеющий демпферный элемент 2701 в форме вязкостного демпфера или демпфера на вихревых токах. Опорный узел 2700 долота может быть аналогичен тому, который показан и описан выше, имеющему муфту 2702 долота, прикрепленную к приводному валу 2706, причем муфта 2702 долота выполнена с отверстием 2704 для долота, предназначенным для приема долота или другого устройства дезинтеграции. Приводной вал 2706 и втулка 2708 крутящего момента могут быть размещены внутри инструментальной втулки 2718. Как будет понятно специалистам в данной области техники, инструментальная втулка 2718 может представлять собой невращающуюся или медленно вращающуюся муфту. Инструментальная втулка 2718 может быть выполнена с возможностью взаимодействия или присоединения к КНБК или к другому скважинному узлу и/или инструментальной колонне, например, направляющему механизму. Как будет понятно специалистам в данной области техники, в этом варианте осуществления, как показано, инструментальная втулка 2718 может входить в контакт со стенкой 2750 ствола скважины с применением элемента 2752 приложения усилия, такого как ребро или множество ребер, удлинительных устройств и т.д. Инструментальная втулка может включать в себя, например, три элемента приложения усилия. Указанный узел также может включать в себя какой-либо тип невращающегося стабилизатора, известного в данной области техники.Referring now to Fig. 27, there is shown a bit support assembly 2700 having a damping element 2701 in the form of a viscous damper or an eddy current damper. The bit support assembly 2700 may be similar to that shown and described above, having a bit coupling 2702 attached to a drive shaft 2706, wherein the bit coupling 2702 is formed with a bit opening 2704 intended to receive a bit or other disintegration device. The drive shaft 2706 and the torque sleeve 2708 may be located inside the tool sleeve 2718. As will be understood by those skilled in the art, the tool sleeve 2718 may be a non-rotating or slowly rotating coupling. The tool sleeve 2718 may be configured to interact with or be connected to the BHA or to another downhole assembly and/or tool string, such as a guide mechanism. As will be understood by those skilled in the art, in this embodiment, as shown, the tool sleeve 2718 may engage the wall 2750 of the wellbore using a force application element 2752, such as a rib or a plurality of ribs, extension devices, etc. The tool sleeve may include, for example, three force application elements. The specified assembly may also include any type of non-rotating stabilizer known in the art.

Втулка 2708 крутящего момента и приводной вал 2706 будут вращаться для приведения в действие муфты 2702 долота и, таким образом, долота или устройства дезинтеграции, установленных в ней. Однако инструментальная втулка 2718 может быть принудительно соединена со стенкой 2750 ствола скважины с помощью элемента 2752 приложения усилия. В некоторых неограничивающих вариантах осуществления элемент 2752 приложения усилия может представлять собой направляющее устройство, которое прикладывает усилия для изменения направления бурения. В результате инструментальная втулка 2718 имеет среднюю скорость вращения, близкую к нулю. Кроме того, элемент 2752 приложения усилия разобщен с динамической составляющей высокочастотных крутильных колебаний, которая возбуждается устройством дезинтеграции, поскольку между втулкой 2708 крутящего момента и инструментальной втулкой 2718 применяют подшипники или любое другое устройство(-а) для разобщения.The torque sleeve 2708 and the drive shaft 2706 will rotate to drive the bit coupling 2702 and, thus, the bit or the disintegration device installed therein. However, the tool sleeve 2718 can be positively connected to the borehole wall 2750 by means of the force application element 2752. In some non-limiting embodiments, the force application element 2752 can be a guide device that applies forces to change the drilling direction. As a result, the tool sleeve 2718 has an average rotation speed close to zero. In addition, the force application element 2752 is decoupled from the dynamic component of high-frequency torsional vibrations that is excited by the disintegration device, since bearings or any other device(s) for decoupling are used between the torque sleeve 2708 and the tool sleeve 2718.

Втулка 2708 крутящего момента подвергается нагрузке от высокочастотных крутильных колебаний, которая представляет собой гармонические или периодические смещение, скорость или ускорение и динамический крутящий момент. Таким образом, динамическое относительное перемещение из-за высокочастотных крутильных колебаний накладывается на среднее относительное перемещение между втулкой 2708 крутящего момента и инструментальной втулкой 2718. Это динамическое относительное перемещение можно применять для демпфирования высокочастотных крутильных колебаний внутри опорного узла 2700 долота. Усилие демпфирования обеспечивается демпферным элементом 2701 и может быть отрегулировано по всей окружности или только на конкретных частях диаметра и может быть принудительно связано с втулкой 2708 крутящего момента и инструментальной втулкой 2718 посредством устройства демпфирующего усилия с характеристикой, аналогичной той, которая описана со ссылкой на фиг. 26. Более конкретно, в рабочих точках 1-9 на фиг. 26 требуется положительный наклон по отношению к относительной скорости (ось х) и передаваемого усилия или крутящего момента. Такое поведение не ограничено гидравлическим демпфированием, но может быть достигнуто с помощью любых других усилий демпфирования или комбинацией усилий демпфирования, как описано в настоящем документе. Таким образом, демпферный элемент 2701 может представлять собой, но не ограничиваясь этим, вязкостный или гидравлический демпфер. Например, может быть применен демпфер на вихревых токах, который имеет чисто линейную связь между крутящим моментом и относительной скоростью, аналогично ньютоновским жидкостям (кривая 2602, показанная на фиг. 26). В этом контексте для демпфирования системы могут применяться две части, которые принудительно соединены, со средней относительной скоростью, близкой к нулю или не равной нулю, или без нее, если относительное перемещение имеет динамическую составляющую от колебаний, связанных с высокочастотными крутильными колебаниями. В этом примере одна из двух принудительно соединенных частей имеет нулевую динамическую составляющую, поскольку она представляет собой приближение, отделенное от динамического перемещения опорного узла долота, приводного вала или аналогичных деталей, которые передают крутящий момент. Часть энергии от крутильных колебаний может быть передана на инструментальную втулку 2718 посредством усилия демпфирования на демпферном элементе 2701. Таким образом, может быть выгодно разработать инструментальную втулку 2718 или другой компонент/часть (например, инструментальнойThe torque sleeve 2708 is subjected to a load from high-frequency torsional vibrations, which is a harmonic or periodic displacement, speed or acceleration and a dynamic torque. Thus, the dynamic relative movement due to the high-frequency torsional vibrations is superimposed on the average relative movement between the torque sleeve 2708 and the tool sleeve 2718. This dynamic relative movement can be used to dampen the high-frequency torsional vibrations inside the bit support unit 2700. The damping force is provided by the damping element 2701 and can be adjusted over the entire circumference or only on specific parts of the diameter and can be positively connected to the torque sleeve 2708 and the tool sleeve 2718 by means of a damping force device with a characteristic similar to that described with reference to Fig. 26. More specifically, at operating points 1-9 in Fig. 26 requires a positive slope with respect to the relative speed (x-axis) and the transmitted force or torque. Such behavior is not limited to hydraulic damping, but can be achieved by any other damping forces or a combination of damping forces, as described herein. Thus, the damping element 2701 can be, but is not limited to, a viscous or hydraulic damper. For example, an eddy current damper can be used, which has a purely linear relationship between torque and relative speed, similar to Newtonian fluids (curve 2602 shown in Fig. 26). In this context, two parts that are forced together can be used to damp the system, with an average relative speed close to zero or not equal to zero, or without it, if the relative movement has a dynamic component from oscillations associated with high-frequency torsional oscillations. In this example, one of the two forcedly connected parts has a zero dynamic component, since it is an approximation, separated from the dynamic movement of the bit support unit, the drive shaft or similar parts that transmit torque. Some of the energy from the torsional vibrations can be transmitted to the tool sleeve 2718 by means of the damping force on the damping element 2701. Thus, it may be advantageous to design the tool sleeve 2718 or other component/part (e.g., the tool

- 25 050247 колонны, скважинной колонны, буровой системы, КНБК и т.д.), которые не будут чрезмерно вибрировать в составе этих механизмов, например, за счет другой частоты свободных колебаний или первой частоты свободных колебаний, которая выше, чем у высокочастотных крутильных колебаний, частоты свободных колебаний забойного узла или буровой системы.- 25 050247 columns, well strings, drilling systems, BHAs, etc.) that will not vibrate excessively as part of these mechanisms, for example, due to a different free oscillation frequency or a first free oscillation frequency that is higher than that of the high-frequency torsional oscillations, the free oscillation frequency of the downhole assembly or drilling system.

Таким образом, одна форма демпфирования, которая может быть применена в вариантах осуществления настоящего изобретения, представляет собой гидравлическое демпфирование. Такое гидравлическое демпфирование может быть реализовано с помощью системы, которая либо входит в состав муфты долота, либо расположена в непосредственной близости от опорного узла долота или в других положениях в его составе. В некоторых таких вариантах осуществления вязкая текучая среда (например, вязкая текучая среда в камерах) может быть расположена и установлена в аналогичных положениях, как описано выше. В некоторых таких применениях напряжения (сдвига) во флюиде между инерционным кольцом/массой и опорным узлом долота могут быть выбраны для достижения (демпфирующей) силы, тангенциальной к тангенциальному ускорению и связанному гармоническому перемещению для демпфирования высокочастотных крутильных колебаний. В случае сдвига кольца текучая среда обеспечивает демпфирующую силу между инерционным кольцом и опорным узлом долота (например, муфтой долота). В этом случае для кольца может потребоваться закрытый корпус и, возможно, четко определенная геометрическая конфигурация зазоров между кольцом и корпусом, что может быть достигнуто за счет применения указанной гильзы. При гидравлическом демпфировании силы вязкого демпфирования чувствительны к изменениям параметров зазоров и вязкому флюиду. Таким образом, может быть предпочтительным нечувствительный к температурам флюид. Для достижения полезного режима можно применять флюиды с различными напряжениями сдвига в зависимости от скорости сдвига. Некоторые такие иллюстративные флюиды включают в себя, без ограничений, ньютоновские жидкости, неньютоновские жидкости (например, разбавители, жидкости, загустевающие при сдвиге или разжижающиеся при сдвиге), псевдопластические, бингамовские пластические, бингамовские псевдопластические жидкости и т.д.Thus, one form of damping that can be used in embodiments of the present invention is hydraulic damping. Such hydraulic damping can be implemented using a system that is either included in the bit coupling or located in close proximity to the bit support unit or in other positions in the bit. In some such embodiments, a viscous fluid (for example, a viscous fluid in chambers) can be located and mounted in similar positions as described above. In some such applications, the stresses (shears) in the fluid between the inertial ring/mass and the bit support unit can be selected to achieve a (damping) force tangential to the tangential acceleration and the associated harmonic motion for damping high-frequency torsional vibrations. In the case of ring shear, the fluid provides a damping force between the inertia ring and the bit support unit (e.g., the bit collar). In this case, the ring may require a closed housing and, possibly, a well-defined geometric configuration of the gaps between the ring and the housing, which can be achieved by using the specified sleeve. With hydraulic damping, the viscous damping forces are sensitive to changes in the parameters of the gaps and the viscous fluid. Thus, a temperature-insensitive fluid may be preferable. To achieve a useful regime, fluids with different shear stresses depending on the shear rate can be used. Some such illustrative fluids include, without limitation, Newtonian fluids, non-Newtonian fluids (e.g., diluents, shear-thickening or shear-thinning fluids), pseudoplastic, Bingham plastic, Bingham pseudoplastic fluids, etc.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления можно применять магнитное демпфирование. Магнитное демпфирование может быть достигнуто с помощью постоянного магнита (например, установленного на инерциальном кольце или массовом элементе), которому разрешено перемещаться относительно катушки и который может быть применен для демпфирования HFTO. В зависимости от магнитного принципа характеристика демпфирующей силы аналогична гидравлической силе (например, путем вихревых токов) или силе трения (гистерезис). В некоторых таких конфигурациях сила будет действовать в направлении тангенциального ускорения или в любом другом направлении, которое может приводить к демпфированию в направлении скручивания или в направлении, которое должно быть демпфировано.In addition, in some embodiments, magnetic damping can be used. Magnetic damping can be achieved by using a permanent magnet (e.g. mounted on an inertial ring or mass element) that is allowed to move relative to the coil and can be used to damp the HFTO. Depending on the magnetic principle, the damping force characteristic is similar to a hydraulic force (e.g. by eddy currents) or a friction force (hysteresis). In some such configurations, the force will act in the direction of the tangential acceleration or in any other direction that can lead to damping in the direction of the twist or in the direction to be damped.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления для предотвращения HFTO на долоте могут применяться принципы пьезоэлектрического демпфирования. Можно применять пьезоэлектрический материал, соединенный с инерционным кольцом или тангенциальной массой с одной стороны, и опорным узлом долота с другой стороны. Электроды пьезоэлектрического материала могут быть соединены с цепью, включающей в себя катушки, резисторы и конденсаторы или полуактивные или активные электронные компоненты. Комбинацию электрических компонентов можно применять для достижения полезных характеристик демпфирования между инерционным кольцом и опорным узлом долота. Цепь может быть отрегулирована до частоты свободных вибраций системы для работы в качестве настроенного инерционного демпфера (т.е. для одной или более требуемых форм колебаний). Резистор может быть выполнен с возможностью прямого рассеивания энергии, если пьезоэлектрический блок деформируется относительной силой между массовым элементом и опорным узлом долота. Кроме того, жесткость пьезоэлектрического материала и масса инерционного кольца также могут быть настроены на конкретную частоту. Электроды пьезоэлектрического материала могут быть выполнены с возможностью демпфирования крутильных вибраций. Направление демпфирующих сил может отличаться от направления электродов с применением эффекта благоприятного преобразования из механической силы в электрический сигнал, который предложен конструкцией пьезоэлектрического элемента. Хорошо известные эффекты пьезоэлектрических коэффициентов представляют собой D33 (электроды в направлении силы), D31 (перпендикулярно направлению силы) и D15 (напряжения сдвига). Пьезоэлектрический материал может быть размещен для оптимизации или контроля сопряжения между механической и электрической системой для конкретной формы колебаний или множества форм колебаний, которые являются критическими для высокочастотных крутильных колебаний. Кроме того, различные материалы, в которых механическая сила или напряжение или связанные нагрузки преобразуются в электрические сигналы, могут применяться без отступления от объема настоящего изобретения.In addition, in some embodiments, piezoelectric damping principles can be used to prevent HFTO on a bit. A piezoelectric material can be used, connected to an inertial ring or a tangential mass on one side, and a bit support unit on the other side. The electrodes of the piezoelectric material can be connected to a circuit including coils, resistors and capacitors or semi-active or active electronic components. A combination of electrical components can be used to achieve useful damping characteristics between the inertial ring and the bit support unit. The circuit can be adjusted to the free vibration frequency of the system to operate as a tuned inertial damper (i.e., for one or more desired vibration modes). The resistor can be configured to directly dissipate energy if the piezoelectric block is deformed by a relative force between the mass element and the bit support unit. In addition, the stiffness of the piezoelectric material and the mass of the inertia ring can also be tuned to a specific frequency. The electrodes of the piezoelectric material can be designed to damp torsional vibrations. The direction of the damping forces can differ from the direction of the electrodes using the effect of a favorable conversion from a mechanical force to an electrical signal, which is offered by the design of the piezoelectric element. Well-known effects of piezoelectric coefficients are D 33 (electrodes in the direction of the force), D 31 (perpendicular to the direction of the force) and D 15 (shear stress). The piezoelectric material can be placed to optimize or control the coupling between the mechanical and electrical system for a specific vibration mode or a plurality of vibration modes that are critical for high-frequency torsional vibrations. In addition, various materials in which a mechanical force or stress or associated loads are converted into electrical signals can be used without departing from the scope of the present invention.

Дополнительно, внутреннее демпфирование и полученные силы материалов могут быть применены для уменьшения HFTO. Таким образом, демпфирование материала может быть достигнуто пассивным образом за счет демпфирующих свойств высокодемпфирующих материалов. Некоторые такие материалы могут включать в себя, без ограничений, полимеры, эластомеры, резины и т.п., а также эффект демпфирования многофункциональных материалов, таких как сплавы с запоминанием формы. На свойства материала некоторых материалов, таких как сплавы с запоминанием формы, можно активно влиять или ихAdditionally, the internal damping and the resulting material forces can be used to reduce HFTO. In this way, material damping can be achieved passively by using the damping properties of highly damping materials. Some such materials may include, but are not limited to, polymers, elastomers, rubbers, etc., as well as the damping effect of multifunctional materials such as shape memory alloys. The material properties of some materials such as shape memory alloys can be actively influenced or

- 26 050247 можно контролировать для достижения большего эффекта демпфирования.- 26 050247 can be controlled to achieve greater damping effect.

Другие конфигурации демпфирования возможны без отступления от объема настоящего изобретения. Например, могут быть применены отрицательные емкости и полуактивные компоненты с помощью методов переключения. Могут быть применены дополнительные методы и компоненты демпфирования, и описанные выше варианты осуществления и вариации приведены для иллюстративных и пояснительных целей и не предназначены для ограничения. Все принципы демпфирования, описанные в настоящем документе, можно регулировать для работы в качестве настроенного инерционного демпфера путем добавления механических пружин, отрегулированных до конкретной частоты, и путем добавления демпфирования любого типа. Кроме того, один или более принципов демпфирования, описанных в настоящем документе (или других способов/механизмов), можно комбинировать в многоосновной конфигурации. Например, инерционные демпферы кольцевого типа можно комбинировать с тангенциальными массовыми инерционными демпферами, установленными внутри лопастей устройства дезинтеграции или прикрепленными к ним. Кроме того, можно комбинировать магнитные, гидравлические, фрикционные, пьезоэлектрические силы и принципы, а также силы и принципы демпфирования материала для достижения надежного эффекта демпфирования, например в отношении температуры.Other damping configurations are possible without departing from the scope of the present invention. For example, negative capacitances and semi-active components using switching techniques can be used. Additional damping methods and components can be used, and the embodiments and variations described above are provided for illustrative and explanatory purposes and are not intended to be limiting. All damping principles described herein can be adjusted to operate as a tuned inertial damper by adding mechanical springs adjusted to a specific frequency and by adding damping of any type. In addition, one or more damping principles described herein (or other methods/mechanisms) can be combined in a multi-base configuration. For example, ring-type inertial dampers can be combined with tangential mass inertial dampers mounted inside or attached to the blades of the disintegration device. In addition, magnetic, hydraulic, frictional, piezoelectric forces and principles, as well as material damping forces and principles, can be combined to achieve a reliable damping effect, for example with respect to temperature.

Как описано выше, один или более демпферных элементов могут быть интегрированы в муфту долота или другую часть опорного узла долота. Например, демпфер кольцевого типа может быть расположен в составе опорного узла долота или возле него, как показано и описано. В некоторых конфигурациях инерционное кольцо демпфера может быть смазано промывочной жидкостью или покрыто конструкцией муфты. В некоторых конфигурациях можно применять закрытое или сплошное кольцо. В других конфигурациях частичные дуги могут быть собраны возле опорного узла долота (например, их можно установить, если кольцо не может быть собрано иным образом). В некоторых таких вариантах осуществления можно применить две полукольцевые дуги. В других вариантах осуществления, более двух кольцевых дуг можно применить для образования конструкции полного (продольного) кольцевого кожуха или менее чем полного (продольного) кольцевого кожуха в зависимости от конкретной применяемой конфигурации.As described above, one or more damping elements can be integrated into the bit sleeve or other part of the bit support assembly. For example, an annular damper can be located in or near the bit support assembly, as shown and described. In some configurations, the inertial ring of the damper can be lubricated with drilling fluid or covered by the sleeve structure. In some configurations, a closed or solid ring can be used. In other configurations, partial arcs can be assembled near the bit support assembly (for example, they can be installed if the ring cannot be assembled in another way). In some such embodiments, two semi-annular arcs can be used. In other embodiments, more than two annular arcs can be used to form a complete (longitudinal) annular casing structure or less than a complete (longitudinal) annular casing, depending on the particular configuration used.

В некоторых вариантах осуществления может быть применена конструкция разрезного кольца, в которой дискретные массы расположены возле участка опорного узла долота. В другом примере полная кольцевая конструкция может быть расположена возле опорного узла долота, но конкретные дополнительные массовые элементы или элементы кольца могут быть расположены относительно конкретных частей долота, которое установлено на опорный узел долота (например, лопастей долота, установленного в муфте долота). Один из таких примеров может иметь относительно толстое кольцо в положении относительно лопастей долота, установленного в муфту долота, и меньшую толщину, чтобы обеспечить возможность прохождения потока обломков выбуренной породы вдоль опорного узла долота.In some embodiments, a split ring structure may be used in which discrete masses are located near a portion of the bit support unit. In another example, the entire ring structure may be located near the bit support unit, but specific additional mass elements or ring elements may be located relative to specific portions of the bit that is mounted on the bit support unit (for example, the blades of the bit mounted in the bit coupling). One such example may have a relatively thick ring in position relative to the blades of the bit mounted in the bit coupling, and a smaller thickness to allow the flow of cuttings to pass along the bit support unit.

В некоторых вариантах осуществления для демпферного элемента кольцевого типа может быть предусмотрен ограничивающий упор, который может препятствовать свободному перемещению кольца по окружности опорного узла долота. Такой ограничивающий упор может быть предусмотрен в вариантах осуществления, в которых масса или более высокая масса расположена за или рядом с конкретными лопастями или другими режущими элементами долота, установленного в муфте долота. В таких случаях ограничивающий упор может гарантировать, что масса или увеличенная масса остаются в положении относительно режущих элементов.In some embodiments, a limiting stop may be provided for the annular damping element, which may prevent the ring from moving freely around the circumference of the bit support unit. Such a limiting stop may be provided in embodiments in which the mass or a higher mass is located behind or near specific blades or other cutting elements of the bit installed in the bit coupling. In such cases, the limiting stop may ensure that the mass or increased mass remains in position relative to the cutting elements.

Следует понимать, что демпфирующие элементы трения фрикционного типа по настоящему изобретению могут применять радиальные и/или осевые силы трения. Радиальные силы трения могут быть достигнуты за счет пружин или упругой конструкции инерционного кольца, которая имеет два полукожуха и является предварительно нагруженной. Осевая нормальная сила может быть достигнута посредством пружин, причем вес массы/инерции в вертикальном стволе скважины и/или пружины могут быть выполнен в виде кожухов и т.д. Материал опорного узла долота может представлять собой сталь, или матричный композит, или другой подходящий материал. В некоторых вариантах осуществления для обеспечения перемещения инерциального кольца в радиальном направлении может применяться подшипник. Таким образом, может быть обеспечен подшипник для обеспечения окружного и/или тангенциального перемещения демпферного элемента. Осевой подшипник может быть применен для отделения комплекта пружины потенциальной нормальной силы от вращательного движения.It should be understood that the friction damping elements of the friction type according to the present invention can apply radial and/or axial friction forces. The radial friction forces can be achieved by means of springs or an elastic structure of the inertia ring, which has two half-shells and is preloaded. The axial normal force can be achieved by means of springs, wherein the mass/inertia weight in the vertical wellbore and/or the springs can be made in the form of shells, etc. The material of the bit support unit can be steel, or a matrix composite, or another suitable material. In some embodiments, a bearing can be used to ensure the movement of the inertial ring in the radial direction. Thus, a bearing can be provided to ensure the circumferential and/or tangential movement of the damping element. An axial bearing can be used to separate the spring set of the potential normal force from the rotational movement.

В некоторых вариантах осуществления, как альтернатива демпферному элементу кольцевого типа или в комбинации с ним, могут быть реализованы тангенциальные демпферные элементы, входящие в состав или установленные на других частях опорного узла долота. В некоторых таких вариантах осуществления тангенциальные демпферные элементы могут быть установлены внутри корпусов, которые ввинчиваются в опорный узел долота (например, в муфту долота). В некоторых таких конфигурациях могут быть обеспечены один или более ограничивающих упоров для предотвращения прихвата тангенциальных демпферов на краю или углу корпуса. Контакт между ограничивающим упором и массой тангенциального демпфера может быть достигнут с помощью пружин или других смещающих элементов или конструкций. В некоторых вариантах осуществления жесткость пружины или зазор в корпусе может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить возможность перемещения массы тангенциального демпIn some embodiments, as an alternative to or in combination with the annular type damping element, tangential damping elements may be implemented as part of or mounted on other parts of the bit support assembly. In some such embodiments, the tangential damping elements may be mounted inside housings that are screwed into the bit support assembly (e.g., into the bit sleeve). In some such configurations, one or more limit stops may be provided to prevent the tangential dampers from sticking at an edge or corner of the housing. Contact between the limit stop and the tangential damper mass may be achieved using springs or other biasing elements or structures. In some embodiments, the spring constant or the gap in the housing may be selected so as to allow the tangential damper mass to move

- 27 050247 фера внутри корпуса и, таким образом, обеспечения демпфирования вибраций, как описано выше.- 27 050247 ferra inside the housing and thus providing vibration damping as described above.

Также могут быть применены элементы регулирования, которые изменяют свойства контакта между контактирующими элементами в опорном узле долота. Например, нормальную силу можно регулировать в фрикционном контакте. Зазор между двумя взаимодействующими поверхностями, которые обеспечивают демпфирование посредством относительного перемещения, может быть увеличен или уменьшен для изменения свойств демпфирования. Например, в случае магнитного демпфирования, величина демпфирования зависит от размера зазора, например, на демпферном элементе 2701, показанном на фиг. 27. Регулировка возможна для всех параметров, влияющих на демпфирование, и не ограничивается температурой, геометрией и/или электрическим полем. Кроме того, эффективность демпфирующего устройства может быть измерена посредством нагрузки и ускорения или с помощью других устройств измерения вибрации, а полученные данные, по мере необходимости, могут быть переданы в контур обратной связи для обеспечения дополнительной регулировки параметров демпфирования.Also, control elements can be applied that change the properties of the contact between the contacting elements in the support unit of the bit. For example, the normal force can be adjusted in a frictional contact. The gap between two interacting surfaces that provide damping by means of relative movement can be increased or decreased to change the damping properties. For example, in the case of magnetic damping, the damping value depends on the size of the gap, for example, on the damping element 2701 shown in Fig. 27. Adjustment is possible for all parameters that affect damping and is not limited to temperature, geometry and/or electric field. In addition, the effectiveness of the damping device can be measured by means of load and acceleration or by means of other vibration measuring devices, and the obtained data, as necessary, can be transmitted to the feedback loop to provide additional adjustment of the damping parameters.

Соответственно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к определению положения демпфирующей системы, такой как демпфер кольцевого типа или тангенциальный демпфер, возле или в составе опорного узла долота скважинной системы. Путем определения положения демпфирующей системы возле или в составе опорного узла долота можно достичь улучшенного демпфирования высокочастотных крутильных колебаний или других форм вибрации.Accordingly, embodiments of the present invention relate to determining the position of a damping system, such as a ring-type damper or a tangential damper, near or as part of a bit support unit of a well system. By determining the position of the damping system near or as part of the bit support unit, improved damping of high-frequency torsional vibrations or other forms of vibration can be achieved.

Вариант осуществления 1. Система для демпфирования крутильных колебаний скважинных систем, причем такая система содержит: скважинную колонну; опорный узел долота, выполненный с возможностью крепления и приема устройства дезинтеграции, в котором указанное устройство дезинтеграции расположено на конце скважинной колонны и установлено на опорном узле долота; и демпфирующую систему, выполненную по меньшей мере с возможностью одного из: установки на опорном узле долота или в его составе, причем указанная демпфирующая система содержит по меньшей мере один демпферный элемент, выполненный в контакте с участком опорного узла долота.Embodiment 1. A system for damping torsional vibrations of borehole systems, wherein such a system comprises: a borehole string; a bit support unit configured to secure and receive a disintegration device, wherein said disintegration device is located at the end of the borehole string and mounted on the bit support unit; and a damping system configured to at least one of: be installed on the bit support unit or as part of it, wherein said damping system comprises at least one damper element configured to contact a section of the bit support unit.

Вариант осуществления 2. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой демпферный элемент выполнен с возможностью перемещения, по меньшей мере частичного, относительно опорного узла долота со скоростью, которая представляет собой сумму периодических изменений скорости, имеющих амплитуду и среднюю скорость.Embodiment 2. The system according to any of the preceding embodiments, in which the damper element is configured to move, at least partially, relative to the support unit of the bit at a speed that is the sum of periodic changes in speed having an amplitude and an average speed.

Вариант осуществления 3. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой устройство дезинтеграции представляет собой долото, которое сцепляется с муфтой долота опорного узла долота.Embodiment 3. The system according to any of the preceding embodiments, in which the disintegration device is a bit that engages with a bit sleeve of a bit support assembly.

Вариант осуществления 4. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой опорный узел долота содержит: приводной вал; втулку крутящего момента, в которой муфта долота входит в контакт с возможностью вращения с приводным валом, при этом втулка крутящего момента выполнена с возможностью рабочего контакта с приводным валом.Embodiment 4. The system according to any of the previous embodiments, in which the bit support unit comprises: a drive shaft; a torque sleeve in which the bit coupling comes into rotational contact with the drive shaft, wherein the torque sleeve is configured to be in working contact with the drive shaft.

Вариант осуществления 5. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой муфта долота соединена с приводным валом посредством резьбового соединения.Embodiment 5. The system according to any of the preceding embodiments, in which the bit coupling is connected to the drive shaft by means of a threaded connection.

Вариант осуществления 6. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащая инструментальную втулку, расположенную снаружи относительно втулки крутящего момента, причем по меньшей мере один демпферный элемент расположен между втулкой крутящего момента и инструментальной втулкой.Embodiment 6. The system according to any of the preceding embodiments, further comprising a tool sleeve located externally relative to the torque sleeve, wherein at least one damping element is located between the torque sleeve and the tool sleeve.

Вариант осуществления 7. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой по меньшей мере один демпферный элемент расположен на опорном узле долота.Embodiment 7. The system according to any of the preceding embodiments, in which at least one damper element is located on the support unit of the bit.

Вариант осуществления 8. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой по меньшей мере один демпферный элемент представляет собой конструкцию кольцевого типа, расположенную по окружности возле опорного узла долота.Embodiment 8. The system according to any of the preceding embodiments, wherein at least one damper element is a ring-type structure located circumferentially near the support unit of the bit.

Вариант осуществления 9. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой конструкция кольцевого типа содержит два полукожуха, размещенных возле опорного узла долота.Embodiment 9. The system according to any of the preceding embodiments, in which the ring-type structure comprises two half-shells located near the support unit of the bit.

Вариант осуществления 10. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащая гильзу, расположенную снаружи относительно по меньшей мере одного демпферного элемента таким образом, что по меньшей мере один демпферный элемент расположен между гильзой и опорным узлом долота.Embodiment 10. The system according to any of the preceding embodiments, further comprising a sleeve located externally relative to the at least one damping element such that the at least one damping element is located between the sleeve and the support unit of the bit.

Вариант осуществления 11. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащая по меньшей мере один подшипник, выполненный с возможностью разобщения с точки зрения вращательного движения по меньшей мере части, по меньшей мере одного демпферного элемента относительно движения опорного узла долота.Embodiment 11. The system according to any of the preceding embodiments, further comprising at least one bearing configured to be disengaged from the point of view of rotational movement of at least a portion of at least one damper element relative to movement of the support unit of the bit.

Вариант осуществления 12. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой по меньшей мере один подшипник содержит по меньшей мере один из радиального подшипника и упорного подшипника.Embodiment 12. The system of any of the preceding embodiments, wherein the at least one bearing comprises at least one of a radial bearing and a thrust bearing.

Вариант осуществления 13. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащая осевую пружину, выполненную с возможностью принуждения по меньшейEmbodiment 13. The system according to any of the preceding embodiments, further comprising an axial spring configured to force at least

- 28 050247 мере части по меньшей мере одного демпферного элемента к фрикционному сцеплению с опорным узлом долота.- 28 050247 at least part of at least one damper element for friction coupling with the support unit of the bit.

Вариант осуществления 14. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой по меньшей мере один демпферный элемент представляет собой тангенциальный демпферный элемент.Embodiment 14. The system of any of the preceding embodiments, wherein at least one damper element is a tangential damper element.

Вариант осуществления 15. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой опорный узел долота содержит направляющий механизм.Embodiment 15. The system of any of the preceding embodiments, wherein the bit support assembly comprises a guide mechanism.

Вариант осуществления 16. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой по меньшей мере один демпферный элемент дополнительно содержит ограничивающий упор, выполненный с возможностью предотвращения вращения по меньшей мере одной части по меньшей мере одного демпферного элемента вокруг опорного узла долота.Embodiment 16. The system according to any of the preceding embodiments, in which at least one damper element further comprises a limiting stop configured to prevent rotation of at least one portion of at least one damper element around the support assembly of the bit.

Вариант осуществления 17. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой указанная демпфирующая система выполнена с возможностью обеспечения по меньшей мере одного из вариантов демпфирования на опорном узле долота: вязкостное демпфирование, фрикционное демпфирование, гидравлическое демпфирование, пьезоэлектрическое демпфирование, демпфирование вихревыми токами и магнитное демпфирование.Embodiment 17. A system according to any of the preceding embodiments, wherein said damping system is configured to provide at least one of the following damping options on the bit support unit: viscous damping, frictional damping, hydraulic damping, piezoelectric damping, eddy current damping, and magnetic damping.

Вариант осуществления 18. Система по любому из предшествующих вариантов осуществления, в которой скважинная колонна представляет собой буровую колонну, в которой указанный опорный узел установлен на конце буровой колонны.Embodiment 18. The system of any of the preceding embodiments, wherein the well string is a drill string, wherein said support assembly is mounted at the end of the drill string.

Вариант осуществления 19. Способ демпфирования крутильных колебаний скважинной системы в стволе скважины, причем указанный способ содержит: установку демпфирующей системы по меньшей мере в одном из вариантов: на опорном узле долота или в его составе, который расположен на скважинной колонне скважинной системы, причем опорный узел долота имеет прикрепленное к нему устройство дезинтеграции, при этом указанная демпфирующая система содержит: по меньшей мере один демпферный элемент, расположенный в контакте с участком опорного узла долота, причем по меньшей мере часть демпферного элемента перемещается относительно опорного узла долота со скоростью, которая представляет собой сумму периодических колебаний скорости, имеющих амплитуду и среднюю скорость.Embodiment 19. A method for damping torsional vibrations of a well system in a wellbore, wherein said method comprises: installing a damping system in at least one of the variants: on a support unit of a bit or as part of it, which is located on a well string of a well system, wherein the support unit of the bit has a disintegration device attached to it, wherein said damping system comprises: at least one damping element located in contact with a section of the support unit of the bit, wherein at least a portion of the damping element moves relative to the support unit of the bit at a speed that is the sum of periodic speed oscillations having an amplitude and an average speed.

Вариант осуществления 20. Способ по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором по меньшей мере один демпферный элемент содержит конструкцию кольцевого типа, установленную возле опорного узла долота.Embodiment 20. The method according to any of the preceding embodiments, wherein at least one damper element comprises a ring-type structure installed near the support unit of the bit.

В поддержку идей, представленных в настоящем документе, можно применять различные компоненты анализа, включая цифровую и/или аналоговую систему. Например, контроллеры, компьютерные системы обработки и/или системы геонавигации, представленные в настоящем документе, и/или применяемые с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, могут включать в себя цифровые и/или аналоговые системы. Системы могут иметь такие компоненты, как процессоры, носители данных, запоминающее устройство, вводы, выводы, линии связи (например, проводные, беспроводные, оптические или другие), пользовательские интерфейсы, программные продукты, процессоры сигналов (например, цифровые или аналоговые) и другие подобные компоненты (например, такие как резисторы, конденсаторы, индукторы и другие) для обеспечения работы и анализа устройства и способов, описанных в настоящем документе, в любом из нескольких способов, хорошо изученных в данной области техники. Считается, что эти идеи могут быть, но не обязательно, реализованы в сочетании с набором исполняемых компьютером команд, хранящихся на энергонезависимом машиночитаемом носителе, включая запоминающее устройство (например, ПЗУ, ОЗУ), оптическое устройство (например, CD-ROM) или магнитное устройство (например, диски, жесткие диски) или любой другой тип устройств, который при выполнении приводит компьютер к реализации способов и/или процессов, описанных в настоящем документе. Эти команды могут обеспечивать работу оборудования, управление, сбор данных, анализ и другие функции, которые считаются значимыми разработчиком системы, ее владельцем, пользователем или другим подобным персоналом, в дополнение к функциям, описанным в настоящем описании. Обработанные данные, такие как результат реализованного способа, могут быть переданы в виде сигнала посредством интерфейса вывода процессора в устройство приема сигнала. Устройство приема сигнала может представлять собой экранный монитор или принтер для представления результата пользователю. Альтернативно или дополнительно устройство приема сигнала может представлять собой запоминающее устройство или носитель данных. Следует понимать, что сохранение результата в запоминающем устройстве или носителе данных может преобразовывать запоминающее устройство или носитель данных в новое состояние (т.е. содержащее результат) из предшествующего состояния (т.е. не содержащего результат). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления предупредительный сигнал может передаваться от процессора на пользовательский интерфейс, если результат превышает пороговое значение.Various analysis components, including a digital and/or analog system, can be used to support the teachings presented herein. For example, controllers, computer processing systems, and/or geosteering systems presented herein and/or used with the embodiments described herein can include digital and/or analog systems. The systems can have components such as processors, storage media, memory, inputs, outputs, communication lines (e.g., wired, wireless, optical, or other), user interfaces, software products, signal processors (e.g., digital or analog), and other similar components (e.g., resistors, capacitors, inductors, and others) to support the operation and analysis of the apparatus and methods described herein in any of several ways well understood in the art. It is believed that these concepts may be, but are not necessarily, implemented in combination with a set of computer-executable instructions stored on a non-volatile computer-readable medium, including a memory device (e.g., ROM, RAM), an optical device (e.g., CD-ROM) or a magnetic device (e.g., disks, hard disks) or any other type of device that, when executed, causes a computer to implement the methods and/or processes described herein. These instructions may provide equipment operation, control, data collection, analysis and other functions that are considered significant by the system developer, its owner, user or other similar personnel, in addition to the functions described herein. Processed data, such as the result of the implemented method, can be transmitted as a signal through an output interface of the processor to a signal receiving device. The signal receiving device may be a screen monitor or a printer for presenting the result to the user. Alternatively or additionally, the signal receiving device may be a storage device or a data carrier. It should be understood that storing the result in a memory device or storage medium may transform the memory device or storage medium into a new state (i.e., containing the result) from a previous state (i.e., not containing the result). In addition, in some embodiments, a warning signal may be transmitted from the processor to the user interface if the result exceeds a threshold.

Кроме того, могут быть включены и описаны различные другие компоненты для обеспечения аспектов идей, представленных в настоящем документе. Например, датчик, передатчик, приемник, приемопередатчик, антенна, контроллер, оптический блок, электрический блок и/или электромеханический блок могут быть включены в поддержку различных аспектов, описанных в настоящем документе, или вIn addition, various other components may be included and described to provide aspects of the concepts presented herein. For example, a sensor, a transmitter, a receiver, a transceiver, an antenna, a controller, an optical unit, an electrical unit, and/or an electromechanical unit may be included to support the various aspects described herein, or in

--

Claims (14)

поддержку других функций, отклоняющихся от объема настоящего описания.support for other functions that deviate from the scope of this description. Использование форм единственного и множественного числа и аналогичных отсылок в контексте описания изобретения (особенно в контексте представленной ниже формулы изобретения) следует понимать как охватывающее как единственное, так и множественное число, если в настоящем документе не указано иное или если это явно не противоречит контексту. Дополнительно следует отметить, что термины первый, второй и т.п. в настоящем документе не означают какой-либо порядок, количество или важность, а использованы для различения одного элемента от другого.The use of singular and plural forms and similar references in the context of the description of the invention (especially in the context of the claims below) should be understood as covering both the singular and the plural, unless otherwise indicated herein or unless clearly contradicted by the context. It should be further noted that the terms first, second, etc. in this document do not denote any order, quantity or importance, but are used to distinguish one element from another. Определение около, используемое в связи с каким-либо количеством, включает указанную величину и имеет значение, определяемое контекстом (например, включает степень ошибки, связанной с измерением определенного количества).The modifier about, when used in connection with a quantity, includes the stated quantity and has a meaning determined by the context (e.g. includes the degree of error associated with the measurement of a specified quantity). Следует понимать, что различные компоненты или технологии могут обеспечивать определенные необходимые или полезные функциональные возможности или признаки. Соответственно, эти функции и признаки, которые могут потребоваться для поддержки прилагаемой формулы изобретения и ее вариантов, признаны по своей сути частью идей, представленных в настоящем документе, и частью настоящего изобретения.It should be understood that various components or technologies may provide certain necessary or useful functionalities or features. Accordingly, these functions and features, which may be required to support the appended claims and their variants, are recognized as inherently part of the ideas presented herein and part of the present invention. Идеи, представленные в настоящем описании, могут быть использованы во множестве разнообразных операций на скважине. Эти работы могут включать применение одного или более средств для обработки при обработке формации, флюидов, находящихся в формации, ствола скважины и/или оборудования в стволе скважины, такого как эксплуатационные насосно-компрессорные трубы. Средства для обработки могут быть представлены в форме жидкостей, газов, твердых веществ, полутвердых веществ и их смесей. Примеры средств обработки включают без ограничений гидроразрывные флюиды, кислоты, пар, воду, солевой раствор, антикоррозионные средства, цемент, модификаторы проницаемости, буровые растворы, эмульгаторы, деэмульгаторы, индикаторы, противотурбулентные присадки и т.п. Примеры операций на скважине включают без ограничений гидравлический разрыв пласта, интенсификацию, введение индикаторов, очистку, кислотную обработку, нагнетание пара, заводнение, цементирование и т.п.The concepts presented in this specification can be used in a variety of different well operations. These operations can include the use of one or more treatment agents in treating a formation, fluids in the formation, a wellbore, and/or equipment in the wellbore, such as production tubing. The treatment agents can be in the form of liquids, gases, solids, semi-solids, and mixtures thereof. Examples of treatment agents include, but are not limited to, fracturing fluids, acids, steam, water, brine, corrosion inhibitors, cement, permeability modifiers, drilling muds, emulsifiers, demulsifiers, tracers, drag reducing agents, and the like. Examples of well operations include, but are not limited to, hydraulic fracturing, stimulation, tracer injection, cleaning, acidizing, steam injection, water flooding, cementing, and the like. Хотя варианты осуществления, описанные в настоящем документе, были описаны со ссылкой на различные варианты осуществления, следует понимать, что допускается внесение различных изменений и замена отдельных элементов на эквивалентные без отступления от объема настоящего изобретения. Кроме того, будет понятным множество модификаций для адаптации конкретного инструмента, ситуации или материала к идеям настоящего изобретения без отступления от его объема. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными как наилучший вариант осуществления, предусмотренный для осуществления описанных признаков, но предполагается, что настоящее изобретение включает в себя все варианты осуществления, входящие в объем формулы изобретения.Although the embodiments described herein have been described with reference to various embodiments, it should be understood that various changes may be made and equivalent elements may be substituted for individual elements without departing from the scope of the present invention. In addition, many modifications will be apparent to adapt a particular instrument, situation or material to the teachings of the present invention without departing from the scope thereof. Thus, it is not intended that the present invention be limited to the specific embodiments described as the best mode contemplated for carrying out the described features, but that the present invention includes all embodiments falling within the scope of the claims. Соответственно, варианты осуществления настоящего изобретения не следует рассматривать как ограничивающие приведенное выше описание, вместо этого они ограничиваются только объемом прилагаемой формулы изобретения.Accordingly, the embodiments of the present invention should not be construed as limiting the above description, but instead are limited only by the scope of the appended claims. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAUSE OF INVENTION 1. Скважинная система (1002), содержащая:1. A well system (1002) comprising: скважинную колонну (704);well column (704); опорный узел (2300) долота, выполненный с возможностью крепления и приема устройства (50) дезинтеграции, в котором указанное устройство (50) дезинтеграции расположено на конце скважинной колонны (704) и установлено на опорном узле (2300) долота; и демпфирующую систему (1000) для демпфирования крутильных колебаний скважинной системы, выполненную с возможностью по меньшей мере одного из: установки на опорном узле (2300) долота или в его составе, причем указанная демпфирующая система (1000) содержит по меньшей мере один демпферный элемент (2320), выполненный в контакте и во взаимодействии с участком опорного узла (2300) долота, которое обеспечивает при наличии высокочастотных крутильных колебаний (HFTO) возможность перемещения демпферного элемента (2320) относительно опорного узла (2300) долота при скорости демпферного элемента (2320), представляющей собой сумму средней скорости скважинной системы и периодических изменений скорости скважинной системы, имеющих амплитуду и приводящих к изменению знака относительной скорости между демпферным элементом (2320) и опорным узлом (2300) долота под воздействием HFTO.a support unit (2300) of the bit, designed with the possibility of fastening and receiving a disintegration device (50), in which the said disintegration device (50) is located at the end of the well string (704) and is mounted on the support unit (2300) of the bit; and a damping system (1000) for damping torsional vibrations of the well system, configured with the possibility of at least one of: installation on the support unit (2300) of the bit or as part of it, wherein said damping system (1000) comprises at least one damper element (2320) configured in contact and in interaction with a section of the support unit (2300) of the bit, which ensures, in the presence of high-frequency torsional vibrations (HFTO), the possibility of moving the damper element (2320) relative to the support unit (2300) of the bit at a speed of the damper element (2320) representing the sum of the average speed of the well system and periodic changes in the speed of the well system, having an amplitude and leading to a change in the sign of the relative speed between the damper element (2320) and the support unit (2300) of the bit under the influence of HFTO. 2. Система по п.1, в которой устройство (50) дезинтеграции представляет собой долото, которое входит в контакт с муфтой (2302) долота опорного узла (2300) долота.2. The system according to claim 1, in which the disintegration device (50) is a bit that comes into contact with the bit coupling (2302) of the bit support unit (2300). 3. Система по п.2, в которой опорный узел (2300) долота содержит:3. The system according to claim 2, in which the support unit (2300) of the bit comprises: приводной вал (2306); и втулку (2308) крутящего момента, в которой муфта (2302) долота входит в контакт с возможностью вращения с приводным валом (2306), при этом втулка (2308) крутящего момента находится в рабочем контакте с приводным валом (2306);a drive shaft (2306); and a torque sleeve (2308), in which the bit coupling (2302) is in rotatably contact with the drive shaft (2306), wherein the torque sleeve (2308) is in working contact with the drive shaft (2306); - 30 050247 при этом предпочтительно по меньшей мере одно из:- 30 050247 wherein preferably at least one of: муфта (2302) долота с помощью резьбы соединена с приводным валом (2306); и инструментальную втулку (2318), расположенную снаружи относительно втулки (2308) крутящего момента, причем по меньшей мере один демпферный элемент (2320) расположен между втулкой (2308) крутящего момента и инструментальной втулкой (2318).the coupling (2302) of the bit is connected by means of a thread to the drive shaft (2306); and a tool sleeve (2318) located outside relative to the torque sleeve (2308), wherein at least one damper element (2320) is located between the torque sleeve (2308) and the tool sleeve (2318). 4. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой на опорном узле (2300) долота установлен по меньшей мере один демпферный элемент (2320).4. A system according to any of the preceding claims, wherein at least one damping element (2320) is mounted on the support unit (2300) of the bit. 5. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один демпферный элемент (2320) представляет собой конструкцию кольцевого типа, расположенную по окружности возле опорного узла (2300) долота, при этом предпочтительно, когда указанная конструкция кольцевого типа содержит два полукожуха, расположенных возле опорного узла (2300) долота.5. A system according to any of the preceding claims, wherein at least one damper element (2320) is a ring-type structure located circumferentially near the support unit (2300) of the bit, wherein it is preferable that said ring-type structure comprises two half-shells located near the support unit (2300) of the bit. 6. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая гильзу, расположенную снаружи относительно по меньшей мере одного демпферного элемента (2320) таким образом, что по меньшей мере один демпферный элемент (2320) расположен между гильзой и опорным узлом (2300) долота.6. The system according to any one of the preceding claims, further comprising a sleeve located externally relative to at least one damping element (2320) such that at least one damping element (2320) is located between the sleeve and the support unit (2300) of the bit. 7. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая по меньшей мере один подшипник (2322), выполненный с возможностью разобщения с точки зрения вращательного движения по меньшей мере части, по меньшей мере одного демпферного элемента (2320) относительно движения опорного узла (2300) долота, при этом предпочтительно, когда по меньшей мере один подшипник (2322) содержит по меньшей мере один из радиального подшипника (2322) и упорного подшипника (2322).7. The system according to any one of the preceding claims, further comprising at least one bearing (2322) configured to be disengaged from the point of view of rotational movement of at least a portion of the at least one damper element (2320) relative to the movement of the support unit (2300) of the bit, wherein it is preferable that the at least one bearing (2322) comprises at least one of a radial bearing (2322) and a thrust bearing (2322). 8. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая осевую пружину (2324), выполненную с возможностью принуждения по меньшей мере части по меньшей мере одного демпферного элемента (2320) к фрикционному сцеплению с опорным узлом (2300) долота.8. The system according to any one of the preceding claims, further comprising an axial spring (2324) configured to force at least a portion of at least one damper element (2320) into frictional engagement with the support unit (2300) of the bit. 9. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один демпферный элемент (2320) представляет собой тангенциальный демпферный элемент (2320).9. The system according to any one of the preceding claims, wherein at least one damper element (2320) is a tangential damper element (2320). 10. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой опорный узел (2300) содержит направляющий механизм (62).10. A system according to any one of the preceding claims, wherein the support unit (2300) comprises a guide mechanism (62). 11. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой по меньшей мере один демпферный элемент (2320) дополнительно содержит ограничивающий упор, выполненный с возможностью предотвращения вращения по меньшей мере части по меньшей мере одного демпферного элемента (2320) вокруг опорного узла (2300) долота.11. A system according to any one of the preceding claims, wherein at least one damper element (2320) further comprises a limiting stop configured to prevent rotation of at least a portion of the at least one damper element (2320) around the support unit (2300) of the bit. 12. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой демпфирующая система (1000) выполнена с возможностью обеспечения по меньшей мере одного из: вязкостного демпфирования, фрикционного демпфирования, гидравлического демпфирования, пьезоэлектрического демпфирования, демпфирования вихревыми токами и магнитного демпфирования на опорном узле (2300).12. The system according to any of the preceding claims, wherein the damping system (1000) is configured to provide at least one of: viscous damping, frictional damping, hydraulic damping, piezoelectric damping, eddy current damping and magnetic damping on the support unit (2300). 13. Система по любому из предшествующих пунктов, в котором скважинная колонна (704) представляет собой буровую колонну (20), в которой опорный узел (2300) установлен на конце буровой колонны (20).13. A system according to any one of the preceding claims, wherein the well string (704) is a drill string (20), in which the support assembly (2300) is mounted at the end of the drill string (20). 14. Способ демпфирования крутильных колебаний в скважинной системе (1002) по любому из предшествующих пунктов, включающий установку демпфирующей системы (1000) по меньшей мере в одном из вариантов: на опорном узле (2300) долота или в его составе, который расположен на скважинной колонне (704).14. A method for damping torsional vibrations in a well system (1002) according to any of the preceding paragraphs, including installing a damping system (1000) in at least one of the following variants: on a support unit (2300) of a bit or as part of it, which is located on a well string (704). --
EA202290873 2019-09-12 2020-09-02 BIT SUPPORT UNIT INCLUDING A HIGH-FREQUENCY TORSIONAL VIBRATION DAMPER EA050247B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/568,789 2019-09-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA050247B1 true EA050247B1 (en) 2025-06-24

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11199242B2 (en) Bit support assembly incorporating damper for high frequency torsional oscillation
US11448015B2 (en) Dampers for mitigation of downhole tool vibrations
CN111989457B (en) Damper for mitigating vibration of downhole tool
US11692404B2 (en) Optimized placement of vibration damper tools through mode-shape tuning
CN112088240B (en) Damper for damping vibration of downhole tools and vibration isolation apparatus for downhole bottom hole assembly
CN114585797B (en) Dampers for reducing vibration in downhole tools
US12091921B2 (en) Shock-based damping systems and mechanisms for vibration damping in downhole applications
US8622153B2 (en) Downhole assembly
US9057258B2 (en) System and method for using controlled vibrations for borehole communications
CN114585796A (en) Drill bit support assembly incorporating dampers for high frequency torsional oscillations
EA050247B1 (en) BIT SUPPORT UNIT INCLUDING A HIGH-FREQUENCY TORSIONAL VIBRATION DAMPER
BR112022004717B1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR DAMPING TORSIONAL OSCILLATIONS OF A DOWNWELL SYSTEM
CN109844256A (en) Drilling equipment for drilling directional wells using self-adjusting deflection devices and directional sensors
BR112020018448B1 (en) SYSTEM FOR DAMPENING TORSIONAL OSCILLATIONS OF DOWNHOLE SYSTEMS AND METHOD FOR DAMPENING TORSIONAL OSCILLATIONS OF A DOWNWELL SYSTEM
EA045677B1 (en) OPTIMIZED PLACEMENT OF VIBRATION DAMPING MEANS DUE TO ADJUSTMENT OF VIBRATION SHAPE
BR112022004696B1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR DAMPING HIGH FREQUENCY TORSIONAL OSCILLATIONS (HFTO) OF A DOWNHOLE SYSTEM
RU2633603C2 (en) Downhole drilling engine
BR112020018681B1 (en) DEVICE AND METHOD OF TRANSFERRING TORQUE TO A DRILLING DRILL IN AN EXPLORATION WELL
EP3279426A1 (en) Method and system for inhibiting torsional oscillations in a drilling assembly
Rashed et al. Cairns• Australia 9-12 July, 2007