专利名称：衰减钻柱振动的方法及设备的制作方法
衰减钻柱振动的方法及设备技术领域本说明书总体地描述与通过地下地层钻井相关的方法和设备。具体 地，本说明书描述通过衰减钻柱振动改进钻井操作和延长钻柱组合寿命的 原理。
背景技术：
众所周知在钻井操作过程中，钻柱组合可能遭受潜在的毁坏性振动。 轴向振动(例如，跳钻)、扭转振动(例如，粘滑运动)、和横向振动(例如，弯曲、旋转)是公知的可能损坏钻柱组合的现象。参见1994年1月的 THE OILFIELD REVIEW, Schlumberger中Jardine S.， Malone， D.和Sheppard， M.,的"Putting a damper on drilling's bad vibrations,"。为了更好地理解、监测 和控制这些潜在的毁坏性的钻柱振动，已经经历了多年的广泛研究和设 计。参见1985年的Graham & Trotman中Rabia, H.，的"Oilwell drilling engineering principles and practice,"; 1990年的PROCEEDING65S ANNUALT ECH.C ONRS PE， New Orleans, SPE20447中Clayer, F.， Vandiver， J.K.禾卩Lee, H.Y.的"The effect of surface and downhole boundary conditions on the vibration of drillstrings,"; 2000年Lancaster University中的Tucker, R."\A^. 和Wang, C.的"An integrated model for drillstring dynamics,"; 1996年12月的 SPE DRILLINGAN D COMPLETIOND中Dykstra， M.W., Chen, D.C.， Warren， T.M.禾卩Azar， J.J.的"Drillstring component mass imbalance: A major source of downhole vibrations,"; 1999年的SPEIIADC 52835中Lesso W.G. Jr., Chau, M.T.禾口 Lesso, W.G. Sr.的"Quantibing bottomhole assembly tendency using jield directional drilling data and finite element model,"。井下监控和地面控制技术已经被提出用来处理上面所述的一些振动。 参见1988年的SPE 18049中Halsey G.W., Kyllingstad， A.和Kylling, A.的"Torque feedback used to cure slip-stick motion,"; 1991年的SPE 22537中 Alley, S.D.禾卩Sutherland, G.B.的 "The use of real-time downhole shock measurements to improve BHA component reliability,"; 1992年的SPE 24582 中Aldred, W.D.禾卩Sheppard, M,C:的"Drillstring vibrations: A new generation mechanism and control strategies,"; SPEIIADC 79888中Chen, D. C-K.， Smith: M，禾口 Lapierre， S.，的"Integrated drilling dynamics system closes the model-measure-optimize loop in real time，"。然而，已经明确的是振动的原 位减震将对限制钻柱受到的振动引起的毁坏程度有更大的影响。相应地，有些人已经提出原位减震技术，虽然每个都有其局限性。APS 技术建议使用隔离式接头(isolation sub)，所述隔离式接头包括具有模制 到螺纹腔中的两个松开地带螺纹圆柱件。带螺纹圆柱件之间的橡胶用来衰 减钻井产生的振动。然而，其中橡胶对温度依赖的特性使得对于不同的钻 井条件难于或者不可能得到可靠的性能。另外，钻井操作共有的巨大扭矩 和轴向载荷必须传递通过橡胶减震材料，这是困难的。Cobem和Wassell 提出了一种改进的接头，在所述接头中，填充钻柱组合的两个部件之间的 窄间隙的磁流变流体用作减震机构。Cobern， M.E.和Wassell, M.E.的"钻井 振动监测和控制系统"，APS技术公司技术报告APS-DVMCS， 2004年。 流体的粘度由磁路控制，以调节在不同钻井条件下的减震。然而，这种提 议是否有效还不清楚。本说明书旨在克服，或至少减少上述问题中的一个或多个的影响。发明内容本公开解决上述描述需要或其它需要中的至少一些。具体地，本公开 描述在钻井时衰减钻柱组合的振动的多种方法和设备。在一个实施例中， 通过在合适的钻井组合位置处引进一个或多个减振组件衰减振动。例如， 减振组件可以插入预期振动能量最大的位置处。在一个实施例中，减振组 件包括一个或多个腔，所述一个或多个腔松散地填装有诸如砂子或金属粉 末的固体材料颗粒，所述固体材枓颗粒可以是诸如钨或类似重金属粉末的 高密度材料。在一个实施例中，腔壁是粗糙的，和/或包括可以增强振动能 量到松散地填装在腔内的颗粒的传递的几何特征。振动能量通过由钻柱运 动引起的摩擦和颗粒-颗粒及颗粒-井壁的非弹性碰撞而被耗散。一个实施例提供了一种包括油田钻柱减振组件的设备。油田钻柱减振 组件包括芯轴。芯轴包括外表面和内表面，且内表面限定通过芯轴的通 道；在内表面和外表面之间的环形腔；和填装在环形腔内的颗粒。在一个 实施例中，芯轴包括第一带螺纹端部和第二带螺纹端部，所述第一带螺纹 端部和所述第二带螺纹端部被构造成用于插入相邻钻杆之间。在一个实施 例中，芯轴包括第一管和第二管，'所述第二管螺纹地连接到第一管，并至 少部分地设置在第一管的内部。环形腔可以设置在第一管和第二管之间。 在本设备的一个实施例中，芯轴包括第一管和螺纹地连接到第一管并与第 一管同心的第二管，使得环形腔设置在第一管和第二管之间。
在一个实施例中，芯轴包括稳定环，所述稳定环被构造成用于绕钻柱 连接。在一个实施例中，稳定环绕套环连接。稳定环可以包括多个突出叶 片，并且叶片可以包括环形腔(每一个都填装有颗粒)。
在一个实施例中，腔包括内壁，所述内壁具有增强振动能量从内壁到 颗粒的传递的特征。在一个实施例中，内壁特征包括螺旋形。在另一实施 例中，内壁特征包括增加颗粒/井壁碰撞的多个沟槽和突出部。在一个实施 例中，内壁特征包括粗糙表面。
一个实施例提供一种设备，所述设备包括油田钻柱。钻柱包括至少一 个减振组件，所述至少一个减振组件包括同心管、形成在同心管之间的 环形腔以及填装在腔内的颗粒。在一个实施例中，腔包括内壁特征，所述 内壁特征增强振动能量从所述钻柱到颗粒的传递。在一个实施例中，内壁 特征被几何成形为有助于将轴向、横向和扭转振动能量从内壁传递到颗 粒。在一个实施例中，内壁特征包括螺旋形。在一个实施例中，内壁特征 包括增加颗粒/井壁碰撞的多个沟槽和突出部。在一个实施例中，内壁特征 包括之字形图案和粗糙表面。在一个实施例中，颗粒松散地填装在腔内。 在一个实施例中，述颗粒是固体。 一些实施例还包括多个减振组件。在一 个实施例中，多个减振组件中的每一个都放置在钻柱的预期最大振动位置 处。
一个实施例提供一种油田设备，所述油田设备包括钻柱。钻柱包括钻 杆和底部钻具组合。底部钻具组合包括同心圆柱体和环形腔，以及松散地 填装在环形腔内的固体材料颗粒。
一个实施例提供一种设备，所述设备包括油田钻柱，所述钻柱包括至少一个减振组件。至少一个减振组件包括稳定环，所述稳定环包括绕套环 布置的多个中空叶片，其中中空叶片中的至少一个松散地填装有颗粒。在 一个实施例中，中空叶片中的每一个都松散地填装有颗粒。
一方面提供一种方法，所述方法包括以下步骤衰减在油田钻柱中的 钻井产生的振动。衰减步骤包括以下步骤将至少一个基于颗粒-减震的减 振组件插入钻柱的一个或多个位置处，并且利用至少一个减振组件吸收振 动能量。在一方面，所述方法进一步包括以下步骤沿钻柱有战略地插入 多个减振组件以减少振动。 一方面进一步包括以下步骤沿钻柱将多个减 振组件插入预期振动能量最大的位置处。
附加的优点和新颖性特征将在本说明书中随后提出，或者本领域的技 术人员可以通过阅读这些材料或者实践此处描述的原理来学习这些优点 和特征。
附图阐明了本发明的一些实施例，并且是本说明书的一部分。 图1是根据一个实施例的可以和至少一个减振组件共同使用的钻具的 正视图2是根据一个实施例的可以和图1中所示的工具(或其它工具)共 同使用的一个减振台(vibration attenuation stage)的纵向剖视图3A是根据另一个实施例的可以和图1所示的工具(或其它工具) 共同使用的一个振动削弱台的纵向剖视图3B是根据一个实施例的图3A的振动削弱台的俯视剖视图4是根据另一个实施例的可以和钻具共同使用的一个振动削弱台的 剖视图；以及
图5是显示图4的在钻具上的适当位置的振动削弱台中的两个的部分 剖开正视图。
在整个附图中，相同的参考特征和描述表示类似、但不必是相同的元 件。当本发明容易成为各种修改和可选形式时，己经在附图中以示例的方 式示出具体的实施例，并且将在后面详细描述。然而，应该理解的是，本 发明不旨限于所公开的具体形式。而是，本发明覆盖落入由所附权利要求 限定的本发明的保护范围内的所有修改、等价形式物和可选形式。
具体实施例方式
下面描述本发明的说明性示例和各个方面。当然应将认识的是在任何 这种实际实施例的发展中，需要进行许多实施-细节决定以达到开发者的具 体目标，例如依从相关系统和相关商业的限制，这将从一种实施方式变化 到另一种实施方式。而且，应该认识的是这种发展努力可能是复杂的并且 耗时的，然而尽管如此，这却是受益于本公开的本领域普通技术人员所经 历的过程。 .，
参考整个说明书"一个实施例"、"实施例"、"一些施实例"、"方面"、 "方面"或者"一些方面"表示特定组成、结构、方法或结合实施例所述 的特征中或包括在本发明的至少一个实施例中的方面。因此，整个说明书 的不同地方的短语"在一个实施例中"或者"在实施例中"或者"在一些实施 例中"(或"方面")的出现并不是都涉及同一实施例。另外，在一个或多个 实施例中可以以任何合适的方式结合特定组成、结构、方法或者特征。词 语"包括"和"具有"与词语"包括"具有相同的意思。
此外，创造性方面在于少于独立公开的实施例的全部特征。因此，随 详细描述的权利要求因此特别地包含在该详细描述中，且每一个依赖于其 本身而作为本发明的独立的实施例。
本公开尤其构思在钻井时用于衰减钻柱组合的振动的方法和设备。在 一些实施例中，通过在合适的钻柱组合位置处引入一个或多个减振组件衰 减振动。例如，减振组件可以插入预期振动能量高或最大的位置处。在一 些实施例中，振动组件包括一个或多个腔，所述腔松散地填装有可以是固 体的诸如砂子或金属粉末的颗粒材料。在一些实施例中，固体颗粒的材料 包括诸如铒或者类似的重金属粉末的高密度材料。在一些实施例中，颗粒 大致是圆形(球形)并且包括范围在几微米与几毫米之间的直径。然而， 也可以使用任何其它颗粒尺寸。振动能量通过由钻柱运动引起的摩擦和颗 粒-颗粒和颗粒-井壁的非弹性碰撞被耗散。振动能量通过摩擦和颗粒-颗粒 和颗粒-井壁的非弹性的碰撞的耗散被成为颗粒减震。
一般来说，颗粒减震涉及结构减震并且涉及作为振动结构的一部分的
颗粒-填充壳体的使用，例如授予Panossian美国专利No.5365842描述此， 并且通过引用在此全文并入。腔通常松散地填装有粒状材料(砂子、金属粉末等)，所述粒状材料吸收颗粒-颗粒和颗粒-井壁碰撞的动能。
已经至少具有一种颗粒减震的应用用于衰减测井仪中的声波振动。参
考美国专利No.6643221，该专利通过引用在此全文并入。在套环上机械加 工的小孔和沟槽的推荐图案填充有重颗粒。然而，装置试图衰减的声波振 动的高频率(一般高于3KHz)和小振幅(一般小于一微米)的性质使得 提出的减震难于或者不能实现。
然而，本发明人发现钻井引起的振动典型地频率非常低(通常低于 100Hz)，并且呈现大振幅(例如钻柱撞击井壁时)，颗粒减震可以很好地 适用于此。
现在回到附图，具体地回到图1，显示钻柱100。根据图1的实施例， 钻柱100包括底部钻具组合102和钻杆104。底部钻具组合102可以包括 连接到钻杆104的连接器106和单向阀组件108。单向阔组件108的下方 可以是压力断开器110。如果钻柱100能够定向钻井，则钻柱将包括定向 工具112，所述定向工具112对受益于本公开的本本领域的普通技术人员 是公知的。在一些情况下，整个钻柱100旋转并且使钻头115旋转以有助 于井眼钻进。然而，一些系统可以包括驱动并转动钻头115的泥浆马达114 和有助于定向钻井的可调节弯曲壳体116。根据此处描述的原理，当整个 钻柱110完全旋转而无需泥浆马达或可调节弯曲壳体时，钻柱100的振动 衰减可以尤其有效。 一些实施例可以不包括声波测井设备，虽然此处描述 的原理同样可应用于衰减钻井时进行测量的钻柱中的低频率振动。
如上所述，使用诸如图1中所示的钻柱IOO.的钻柱进行的钻井操作产 生减少钻具寿命的严重的振动。因此，图2中所示的一个实施例提供了一 种包括油田钻柱减振组件120的设备。 一个或多个油田钻柱减振组件120 可以插入钻柱100中(图l)。油田钻柱减振组件120包括芯轴122。芯轴 122包括外表面124和内表面126。内表面126限定通过芯轴122的通道 128，所述通道允许钻井泥浆和其它流体在钻杆部分和/或其它钻柱部件之 间连通通过此通道。环形腔130形成在内外表面124、 126之间，并且颗 粒填装在环形腔130中。在一个实施例中，颗粒松散地填装在环形腔130 中以有助于振动衰减。环形腔130的体积可以在一些方面最大化，从而增 加可被吸收的能量的数量。考虑到钻井操作固有的机械和泥浆流动的限 制，可以要求使环形腔130的体积最大化。在图2的实施例中，芯轴122包括第一端部和第二端部132、 134，所
述第一端部和第二端部优选地但不是必须地带有螺纹。第一端部和第二端 部132、 134允许减振组件120插入在钻杆104的相邻部分之间(图1 )、 底部钻具组合102的部件之间(图1)、钻杆部分与底部钻具组合之间、或 者其它部件之间。
虽然芯轴122可以包括单个件，然而在一个实施例中，芯轴122包括 第一管136，和第二管138，所述第二管138螺纹地连接到第一管136并 至少部分地设置在第一管136内。环形腔130可以设置在第一管和第二管 136、 138之间。在图2中所示的实施例中，第一管136是圆柱形管，第二 管138也为圆柱形，并且螺纹地连接到第一管136 (并与第一管同心)。
根据一些方面，环形腔130包括内壁140，所述内壁140包括增强振 动能量从内壁140到颗粒的传递的特征。在一些实施例中，所述内壁特征 被几何成形为有助于将轴向、横向和扭转振动能量从内壁140传递到颗粒。 例如，内壁特征可以包括螺旋形。在另一实施例中，内壁特征包括增加颗 粒/井壁碰撞的多个沟槽142突出部144。沟槽142和突出部144可以布置 成图2中所示的螺旋状或之字形图案。在一个实施例中，内壁140包括也 有助于增加井壁/颗粒相互作用的粗糙表面。预模拟(pre-modeling)可以 允许以一种方式设计内壁特征，该方式允许在不同振动模式(轴向振动、 横向振动、扭转振动)下减震之间的最佳权衡，从而达到最大的全面性能。
一些实施例包括沿钻柱100 (图1)间隔开两个或多个减振组件120。 一些实施例可以包括三到十个减振组件。在一个实施例中，减振组件120 中的每一个放置在钻柱100 (图1)的预期振动的最大位置处。受益于本 公开的本领域的技术人员将认识到预计的钻井模拟研究和/或试验将会产 生可能的最大振动位置。
在一个实施例中，芯轴122包括图3A-3B中所示的稳定环150。图 3A-3B所示的稳定环150可以被构造成用于绕钻柱100 (图1)连接。在 一个实施例中，稳定环150绕钻柱100 (图1)的套环连接，但是也可以 使用其它位置。稳定环150可以包括多个径向突出的叶片，例如如图3A-3B 中所示的四个等距间隔开的中空叶片152。然而，可以使用任何数量的叶 片。叶片152的内部包括环形腔130，虽然图3A-3B中的环形腔130在圆 周方向上是不连续的。图3A-3B中的每个环形腔130可以松散地填装有参考图2的前述相同的颗粒。在钻柱稳定器(例如稳定环150)处的颗粒减 震通过利用颗粒吸收由钻井产生的大部分冲击和振动可以显著地增加钻
柱100 (图1)的寿命。
虽然如前面所述，包括如图3A-3B中所示的稳定环150的减振组件 120可以绕钻柱100 (图1)连接，但是其它实施例可以包括分离组件。例 如，图4示出了包括可插入的稳定器250的减振组件120。类似于图2的 实施例，可插入的稳定器250可以包括第一端部和第二端部232、 234，所 述第一端部和第二端部232、 234优选地但不是必须地带有螺纹。第一带 螺纹端部和第二带螺纹端部232、 234允许减振组件120插入在钻杆104 (图1)的相邻部分之间、底部钻具组合102的部件之间(图1)、钻杆部 分与底部钻具组合之间、或者其它部件之间。
与稳定环150 (图3A-3B)类似，可插入的稳定器250可以包括多个 径向突出的叶片，例如如图4-5中所示的四个等距间隔开的中空叶片252。 然而，可以使用任何数量的叶片。叶片252的内部包括环形腔130。图4-5 中的每个环形腔130可以松散地填装有参考图2的前述相同的颗粒。虽然 图5中示出两个减振组件120，但是任意数量的包括可插入的稳定器250 的减振组件120可以插入到钻柱100内。如上所述，在钻柱稳定器(例如 可插入的稳定器250)处的颗粒减震通过利用颗粒吸收由钻井产生的大部 分冲击和振动可以显著地增加钻柱100的寿命。
上面所示和描述的每个设备可以与任何钻柱一起使用，并不限于图1 和5中所示的实施例。而且，本说明书考虑任何钻柱颗粒减震，并且不局 限于图1-5中所示的具体实施例。 一方面考虑包括衰减钻井产生的油田钻 柱振动的步骤的方法。该衰减步骤包括将至少一个基于颗粒-减震的减振组 件(诸如上述的)插入在钻柱的一个或多个位置，并且通过至少一个减振 组件吸收振动能。在一个方面中，该方法进一步包括沿钻柱有战略地插入 多个减振组件以减少钻井-产生的振动的步骤。一个方面进一步包括沿钻柱 将多个减振组件插入在振动能预期较大或最大的位置处。
前面的描述仅仅阐明和描述一些原理。其目的并不是详尽地或者从所 述公开将本发明限制到细节。从上述教导可以做许多修改和改变。
选择和描述所示和所述的实施例，从而最好地解释本发明的原理及其 实际应用。前面的描述意在使本领域的其他技术人员最好地利用在不同实施例中所教导的原理并且适应具体应用做各种修改。本公开的保护范围由 以下权利要求限定。
权利要求
1. 一种设备，包括油田钻柱减振组件，所述油田钻柱减振组件包括芯轴，所述芯轴包括外表面和内表面，所述内表面限定通过所述芯轴的通道；环形腔，所述环形腔形成在所述内表面与所述外表面之间；以及颗粒，所述颗粒填装在所述环形腔内。
2. 如权利要求l所述的设备，其中，所述芯轴包括第一带螺纹端部和 第二带螺纹端部，所述第一带螺纹端部和所述第二带螺纹端部被构造成用 于插入相邻钻杆之间。
3. 如权利要求l所述的设备，其中，所述芯轴包括-第一管；和第二管，所述第二管螺纹地连接到所述第一管的内部，并至少部分地 设置在所述第一管的内部；其中所述环形腔设置在所述第一管和所述第二管之间。
4. 如权利要求1所述的设备，其中所述芯轴包括 第一管；和第二管，所述第二管螺纹地连接到所述第一管并与所述第一管同心； 其中所述环形腔设置在所述第一管和所述第二管之间。
5. 如权利要求l所述的设备，其中，所述芯轴包括可插入的稳定器， 所述可插入的稳定器被构造成甩于被制成标准尺寸地放置在钻柱中。
6. 如权利要求5所述的设备，其中，所述可插入的稳定器包括多个突 出叶片，其中所述叶片包括环形腔，并且每一个环形腔都填装有所述颗粒。
7. 如权利要求l所述的设备，其中，所述芯轴包括稳定环，所述稳定 环被构造成用于绕钻柱连接。
8. 如权利要求7所述的设备，其中，所述稳定环绕套环连接。
9. 如权利要求7所述的设备，其中，所述稳定环包括多个突出叶片， 其中所述叶片包括环形腔，并且每一个环形腔都填装有所述颗粒。
10. 如权利要求l所述的设备，其中，所述环形腔包括内壁，所述内壁具有增强振动能量从所述内壁到所述颗粒的传递的特征。
11. 如权利要求10所述的设备，其中，所述内壁特征包括螺旋形。
12. 如权利要求IO所述的设备，其中，所述内壁特征包括增加颗粒/ 井壁碰撞的多个沟槽和突出部。
13. 如权利要求10所述的设备，其中，所述内壁特征包括粗糙表面。
14. 一种设备，包括 油田钻柱，所述钻柱包括至少一个减振组件，所述至少一个减振组件包括 同心管；腔，所述腔形成在所述同心管之间；以及 颗粒，所述颗粒填装在所述腔内。
15. 如权利要求14所述的设备，其中，所述腔包括内壁特征，所述内 壁特征增强振动能量从所述钻柱到所述颗粒的传递。
16. 如权利要求15所述的设备，其中，所述内壁特征的几何结构被成 形为有助于将轴向、横向和扭转振动能量从所述内壁传递到所述颗粒。
17. 如权利要求15所述的设备，其中，所述内壁特征包括螺旋形。
18. 如权利要求15所述的设备，其中，所述内壁特征包括增加颗粒/ 井壁碰撞的多个沟槽和突出部。
19. 如权利要求15所述的设备，其中，所述内壁特征包括粗糙表面。
20. 如权利要求15所述的设备，其中，所述内壁特征包括之字形图案 和粗糙表面。
21. 如权利要求14所述的设备，其中，所述颗粒松散地填装在所述腔内。
22. 如权利要求14所述的设备，其中，所述颗粒是固体。
23. 如权利要求14所述的设备，进一步包括多个减振组件。
24. 如权利要求14所述的设备，进一步包括多个减振组件，所述多个 减振组件中的每一个都放置在所述钻柱的预期最大振动位置处。
25. —种油田设备，包括 钻柱，所述钻柱包括钻杆；和底部钻具组合，所述底部钻具组合包括同心圆柱体和环形腔；和固体材料的颗粒，'所述颗粒松散地填装在所述环形腔内。
26. —种设备，包括 油田钻柱，所述钻柱包括至少一个减振组件，所述至少一个减振组件包括稳定环，所述稳定环包括绕套环布置的多个中空叶片； 其中所述中空叶片中的至少一个松散地填装有颗粒。
27. 如权利要求26所述的设备，其中，所述中空叶片中的每一个都松散地填装有颗粒。
28. —种方法，包括以下步骤衰减在油田钻柱中的钻井产生的振动，所述衰减步骤包括以下步骤 将至少一个基于颗粒-减震的减振组件插入所述钻柱的一个或多 个位置处；并且利用所述至少一个减振组件吸收振动能量。
29. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤沿所述钻柱有战略地插入多个减振组件，以减少振动。
30. 如权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤 沿所述钻柱将多个减振组件插入预期振动能量最大的位置处。
全文摘要
本发明公开了一种大大衰减钻井时钻柱组合振动的设备和方法。在一个实施例中，通过在合适的钻具组合位置处引入一个或多个减振组件削弱振动。例如，减振组件可以插在预期振动能量最大的位置处。在一个实施例中，减振组件包括松散地填装有诸如砂子或金属粉末的固体材料颗粒的腔。在一个实施例中，腔壁是粗糙的和/或包括增强振动能量传递给松散地填装在腔内的颗粒的几何结构特征。振动能量通过由钻柱运动引起的摩擦和颗粒-颗粒和颗粒-井壁的非弹性的碰撞而被耗散。
文档编号E21B17/02GK101535592SQ200780034676
公开日2009年9月16日 申请日期2007年8月30日 优先权日2006年9月20日
发明者徐晁箭, 德莫斯特内斯·乔治欧·帕菲特斯, 约阿西姆·西勒尔, 雅伊尔·阿方索·帕邦 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司