CN107489379A - 无源诱发的受迫振动的钻岩系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无源诱发的受迫振动的钻岩系统。一种井底组件，包括：钻头，其在与地层接合并旋转时能够操作用以振动；和悬挂接头，该悬挂接头包括用于连接到管柱的定子桶；用于连接到钻头的动子桶；在允许所述动子桶在延伸位置和退回位置之间的移动的情况下将所述动子桶在纵向上联接到所述定子桶的滑动接头；在这些位置处并在这些位置之间将所述动子桶连接到所述定子桶的扭转接头；和布置在所述定子桶和所述动子桶之间的一个或多个弹簧。所述悬挂接头相对于所述钻头被调整，用以：在BHA以第一角速度旋转时，衰减所述钻头的振动；以及当BHA以第二角速度旋转时，使得所述钻头的振动共振，由此将冲击能量施加给所述钻头。

Description

无源诱发的受迫振动的钻岩系统

技术领域

本公开总体涉及一种无源诱发的受迫振动的钻岩系统。

背景技术

美国专利No.7,591,327公开了一种用于钻凿钻孔的方法，该方法包括以下步骤：在井眼中部署附接到钻柱的钻头，该钻头具有轴向升降(jack)元件，该轴向升降元件具有超过钻头的工作面突出的远端；将升降元件的远端抵靠地层接合，使得在钻柱旋转时，该地层在升降元件上施加反作用力；并且在升降元件上施加与该反作用力相反的力，使得升降元件振动并将共振频率施加到地层中。

美国专利No.9,033,069公开了一种钻头和用于制造该钻头的方法，该钻头具有钻头体、从钻头体沿着径向延伸的至少一个刀片、布置在每一个刀片上的多个刀片切削元件、从钻头的纵向轴线向下并且沿着径向向外延伸的至少一个轴颈、可旋转地安装到每一个轴颈上的牙轮或辊盘，和布置在每一个牙轮或辊盘上的多个切削元件。

美国专利No.9,068,400公开了一种用于控制共振增强旋转钻的方法，该共振增强旋转钻包括旋转钻头和用于向旋转钻头施加轴向振荡性荷载的振荡器，该方法包括：控制共振增强旋转钻中的振荡器的频率(f)，由此频率(f)被维持在规定范围中，并且控制共振增强旋转钻中的振荡器的动态力，由此动态力被维持在规定范围中，其中通过监测代表被钻凿的材料的压缩强度的信号并根据被钻凿的材料的压缩强度的变化，使用闭环实时反馈机构来调节振荡器的频率和动态力，从而控制振荡器的频率和动态力。

美国专利No.6,234,728公开了一种用于穿透工具(诸如，钻头)在具有加工轴的机器上安装的安装附接装置，该安装附接装置包括设有用于联接到机器的装置的支撑件；设有用于固定工具的装置的工具架；用于相对于支撑件沿着轴向引导工具架的装置；用于使工具架和支撑件旋转联动的装置；和用于从支撑件悬挂工具架的、可弹性变形的悬挂装置，该悬挂装置允许由支撑件相对于工件的受控移位而引起的工具架的轴向平移和自持往复运动或振动轴向移动。

美国专利No.7,654,344公开了一种用于与旋转钻头一起钻凿的变矩器，该变矩器的意图在于：当扭矩超过预定值时，吸收冲击并引起钻头的轴向移动。为此目的，该变矩器由通过轴承元件连接起来的两个柱形柱部(string part)构成。柱部被以如此方式通过螺旋元件相互连接，即：使得该两个柱形柱部的相对旋转引起轴向移动，该轴向移动将钻头卸载。

美国专利申请公开No.2016/0053545公开了一种包括能够延伸到穿透地层的井眼中的钻柱的钻凿系统。地层呈现共振频率，并且钻头被联接到钻柱的远端。振动接头邻近钻头地设置在钻柱内，以在钻头处产生振动应力波，并且振动应力波呈现接近共振频率的振动频率。

美国专利申请公开No.2016/0053546公开了一种包括能够在井眼内延伸的钻柱和定位于钻柱的远端处的钻头的井底组件。振动接头沿着轴向邻近钻头地定位于钻柱中，并且包括向钻头施加振动的一个或多个振动性装置。

美国专利申请公开No.2016/0053547公开了一种包括钻头体和在选定位置处定位于钻头体上的一个或多个切刀的钻头。至少一个振动装置定位于钻头体上，以引起钻头体振动并且由此减轻粘滑。

美国专利申请公开No.2012/0228029公开了一种用于减小井下阻尼器中的相互连接的外部螺旋构件和内部螺旋部件之间的摩擦的方法，其中，该阻尼器包括外部阻尼器本体和内部阻尼器本体，并且外部和内部阻尼器本体能够相对于彼此伸缩地移动，外部和内部阻尼器本体沿着延伸方向被偏压，并且其中，外部和内部阻尼器本体中的一个连接到能够在钻孔面处工作的钻头，并且外部和内部阻尼器本体中的另一个连接到扭矩和力传递部件，并且其中，外部和内部螺旋部布置用以：当扭矩和力传递部件施加的扭矩超过预设值时，使得钻头从所述钻孔面退回，其中该方法包括：使得内部和外部本体之间相对移动，以迫使润滑剂在螺旋部件之间流动。

GB 2439177公开了一种用于在钻凿中与旋转钻头一起使用的工具的装置，该工具意图在于：当扭矩超过预先给出的值时，提供钻头的轴向移动。当钻柱在堵塞后被突然释放时，钻头被升高，以使它不被损坏。工具由两个柱形柱部构成并且通过引导元件和密封件连接起来。柱部通过螺旋传动装置被相互连接。柱部的相对旋转引起弹簧的轴向移动并且压缩到预定的预拉伸状态。

GB 2439178公开了一种用于在钻凿中与旋转钻头一起使用的工具的装置，该工具的意图在于：当扭矩超过预定值时，提供钻头的轴向移动。为此目的，工具由通过引导元件和密封件连接起来的两个柱形柱部构成。柱部通过旋转刚性的可轴向移动的带齿构件相互连接。当内部压力和外部压力之间的压力差在差动区域上于柱部的周界和柱部的周界之间产生力，该力大于弹簧的预拉伸力时，实现轴向移动。

发明内容

本公开总体地涉及一种无源诱发的受迫振动的钻岩系统。在一个实施例中，一种井底组件(BHA)包括：钻头，其在与地层接合并且旋转时能够操作用以振动；和悬挂接头(sub)。该悬挂接头包括：用于连接到管柱的定子桶(stator barrel)；用于连接到钻头的动子桶(traveler barrel)；滑动接头，其在允许动子桶在延伸位置和退回位置之间的运动的情况下将动子桶在纵向上联接到定子桶；扭转接头，其在这些位置处并在这些位置之间将动子桶连接到定子桶；和布置在定子桶和动子桶之间的一个或多个弹簧。悬挂接头相对于钻头被调整，用以：当BHA以第一角速度旋转时，衰减钻头的振动；以及当BHA以第二角速度旋转时，使得钻头的振动共振，由此将冲击能量施加给钻头。

附图说明

以能够详细地理解以上叙述的本公开的特征的方式，可以通过参考实施例获得以上简要概述的本公开的更具体说明，一些实施例在附图中示意。然而，应该指出，附图仅仅示意本公开的典型实施例，因此不被视为限制本公开的范围，因为本公开可容许其它同等有效的实施例。

图1A示意根据本公开一个实施例的在阻尼模式下利用无源诱发的受迫振动的井底组件(BHA)的井眼钻凿。图1B示意在共振模式下利用BHA的井眼钻凿。图1C示意BHA的动态响应。

图2A-2C示意BHA。

图3A示意BHA的钻头的切削面。图3B和3C示意根据本公开其它实施例的可与BHA一起使用的第一和第二替代钻头的切削面。图3D示意钻头的切刀。

图4示意BHA的调整。

图5示意使用BHA的进一步的井眼钻凿。

图6A和6B示意根据本公开另一个实施例的可与BHA一起使用的第一替代悬挂接头。图6C和6D示意根据本公开另一个实施例的可与BHA一起使用的第二替代悬挂接头。图6E示意第二替代悬挂接头的动态响应。

图7A示意根据本公开另一个实施例的可与BHA一起使用的第三替代悬挂接头。图7B示意第三替代悬挂接头的动态响应。图7C示意经修改的第三替代悬挂接头的动态响应。

具体实施方式

图1A示意在阻尼模式下利用无源诱发的受迫振动的井底组件(BHA)2的对井眼1的钻凿。图1B示意在共振模式中利用BHA 2的对井眼1的钻凿。图1C示意BHA 2的动态响应。BHA2可以连接到管柱3(诸如，钻杆或连续油管)的底部，由此形成钻柱，并且被部署到井眼1中。BHA 2可以包括一个或多个钻铤4、悬挂接头5和固定切刀钻头6。诸如通过钻机(未示出)的钻柱的旋转和/或通过BHA 2的钻凿马达(未示出)，钻头6可以以第一角速度7d旋转，同时钻凿流体8(诸如，泥浆)可以沿着钻柱被泵送。钻柱的一些重量可以设定在钻头6上，直至悬挂接头处于延伸位置(未示出)和退回位置(未示出)之间的准备位置(示出)中。钻凿流体8可以由钻头6排出，并且将切屑输送至在钻柱和井眼1之间和/或在钻柱和套管柱和/或衬管柱10之间形成的环域9。钻凿流体和切屑一起称作返回物11。

由于BHA 2以第一角速度7d旋转，BHA 2可以处于阻尼模式中。当正通过柔软地层12s钻凿井眼1时，可以选择阻尼模式。在阻尼模式中，悬挂接头5可以由于与柔软地层12s接合而衰减钻头6的振动。这种衰减允许固定切刀钻头6以剪切模式操作，由于柔软地层呈现韧性破坏，剪切模式是一种切削岩石的有效方式。

然而，一旦遇到硬岩层12h，则剪切模式便变得低效。一旦遇到硬岩层12h，BHA 2的旋转便会被减小到第二角速度7r，由此将BHA转换到共振模式。在共振模式中，悬挂接头5可以响应于它的振动而使钻头6往复运动13，由此将钻头的操作转换到冲击模式，由于硬地层12h呈现脆性破坏，冲击模式是一种切削岩石的有效方式。

有利地，BHA 2是一种无源装置，其利用通过其操作产生的钻头6的固有振动来操作，而不使用需要能量源的共振器工具。

替代地，可以增加角速度，以将BHA 2从阻尼模式转换到共振模式，而不是减小角速度。

图2A-2C示意了BHA 2。悬挂接头5可以包括定子14、动子15、外部套筒16、滑动接头17、一个或多个(示出一对)扭转接头18，和一个或多个(示出八个)压缩弹簧，诸如贝氏弹簧垫圈19。悬挂接头5可以具有从中穿过以用于钻凿流体8流过的纵向孔。定子14可以是上桶，动子15可以是下桶。为了便于组装，动子15可以包括诸如通过螺纹紧固件20a、b连接到一起的一对半柱形部段15a、b。定子14可以具有在其上端处形成的联接件，诸如螺纹销，用以将钻铤4连接到悬挂接头5。动子15可以具有在其下端处形成的联接件，诸如螺纹盒，用以将悬挂接头5连接到钻头6。

滑动接头17可以允许动子15在延伸位置(未示出)和退回位置(未示出)之间相对于定子14纵向地移动。定子14可以具有上端头14h，以及相对于该端头具有减小的外径的下杆14s。弹簧肩台14d可以在定子14的端头14h和杆14s部分之间形成。动子15可以在其中接纳杆14s，并且滑动配合可以在杆的外表面和动子的内表面之间形成。定子14、动子15和套筒16可以各自由具有足以支撑在钻凿期间施加于钻头6上的重量和扭矩的强度的金属或合金(诸如，钢、不锈钢或镍基合金)制成。

滑动接头17可以包括止动环17r、止动凹槽17g、保持凹槽17v，和一个或多个螺纹紧固件20c、d。为了便于组装，止动环17r可以包括诸如通过螺纹紧固件20c、d连接到一起的一对半弓形部段17a、b。保持凹槽17v可以在杆14s的外表面中形成，并且止动环17r可以组装在保持凹槽中，由此将止动环在纵向上连接到定子14。止动凹槽17g可以在动子15的内表面中形成，并且动子可以组装成使得在止动凹槽中接纳止动环17r。止动凹槽17g的长度可以大于止动环17r的长度，由此允许动子15相对于定子14的有限的纵向移动。止动凹槽17g的长度和止动环17r的长度之间的差可以范围在十分之一毫米和五十毫米之间。当悬挂接头5处于延伸位置时，止动环17r可以与止动凹槽17g的上端接合，并且当悬挂接头处于退回位置时，止动环可以与止动凹槽的下端接合。

每一个扭转接头18可以包括键18k、保持狭槽18r、引导狭槽18g和螺纹紧固件20e。每一个保持狭槽18r可以形成在杆14s的外表面中，并且相应的键18k可以在保持狭槽中被紧固到杆，由此将键在纵向上且在扭转方向上连接到定子14。每一个引导狭槽18g可以形成在动子15的内表面中，并且动子可以被组装成使得在引导狭槽中接纳相应的键18k。每一个引导狭槽18g的长度可以大于相应的键18k的长度，由此允许动子15相对于定子14的有限的纵向移动，同时将动子在扭转方向上连接到定子，使得在钻凿期间动子随定子一起旋转。每一个引导狭槽18g的长度和相应的键18k的长度之间的差可以大于止动凹槽17g的长度和止动环17r的长度之间的差。

弹簧腔室可以在纵向上形成在弹簧肩台14d和动子15的顶部之间。弹簧腔室可以在径向上形成在套筒16的内表面和杆14s的外表面之间。贝氏弹簧垫圈19可以布置在弹簧腔室中，并且以串联(示出)布置方式和/或并联(图4)布置方式而堆叠成19s。贝氏弹簧垫圈19可以将悬挂接头5朝向延伸位置偏压。在共振模式中，贝氏弹簧垫圈19可以存储来自钻头6的向上振动的能量，并且在钻头的向下振动期间释放该能量，由此引起止动环17r撞击止动凹槽的下端，并且将冲击能量施加给钻头6。在阻尼模式中，贝氏弹簧垫圈19可以通过各个垫圈之间的摩擦来衰减钻头6的振动。

套筒16的上端可以被接纳于在端头14h的外表面中形成的凹部中，并且套筒可以例如通过紧固件20f在纵向上且在扭转方向上连接到定子14。套筒16可以向下延伸，以覆盖弹簧腔室并且与动子15的外表面交迭。滑动配合可以形成在动子15的外表面和套筒16的内表面之间。套筒16可以防止返回物11中的切屑进入弹簧腔室并阻碍贝氏弹簧垫圈19的操作。

可替代地，滑动密封件可以由杆14s承载，并且可以与形成在动子15的内表面中的抛光的容纳部接合，另一个滑动密封件可以由套筒16承载，并且可以与动子15的抛光的外表面接合，润滑剂可以被布置在弹簧腔室中，并且平衡的润滑剂蓄存器可以形成在端头14h中。

图3A示意钻头6的切削面。还参考图2A，钻头6可以包括钻头体21、柄部22、切削面，和保径(gage)部段。柄部22可以是管状的，并且包括上侧部件和诸如通过焊接紧固的螺纹联接件而连接到上侧部件的下侧部件。钻头体21可以由复合材料制成，诸如陶瓷和/或被金属粘合剂渗透的金属陶瓷体粉末。钻头体21可以在其模制期间安装到下侧的柄部部件。柄部22可以由诸如钢的金属或由合金成，并且具有在其上端处形成的用以将钻头6连接到悬挂接头5的联接件，诸如螺纹销。柄部22可以具有穿过其中形成的流动孔，并且流动孔可以延伸到钻头体21中，到达其增压室。切削面可以形成钻头6的下端，并且保径部段可以在其外部处形成。

可替代地，钻头体21可以是金属的，诸如由钢制成，并且可以是硬面化的。金属钻头体可以通过螺纹联接件连接到经修改的柄部上，然后通过焊接固定。

切削面可以包括一个或多个(示出三个)主刀片23p、一个或多个(示出四个)辅助刀片23s、在刀片之间形成的流体流道、前切刀24a，以及备用切刀24b。刀片23p、s可以围绕切削面布置，并且每一个刀片可以在钻头体21的模制期间形成，并且可以从钻头体的底部突出。主刀片23p可以各自从切削面的中心延伸到保径部段。一个或多个端口25可以在钻头体21中形成，并且每一个端口可以从增压室延伸并通过钻头体的底部，以沿着流体流道排放钻凿流体8。喷嘴(未示出)可以布置在每一个端口中，并且紧固到钻头体21。一个或多个端口25的内侧端口组(未示出)可以邻近于切削面的中心布置。辅助刀片14s可以从切削面上的与端口25的内侧端口组邻近的位置延伸到保径部段。每一个刀片23p、s可以以较小螺旋曲率从切削面大致沿径向延伸到保径部段。

每一个刀片23p、s可以由与钻头体21相同的材料制成。前切刀24a可以诸如通过钎焊安装在沿着刀片23p、s的前边缘形成的凹座中。备用切刀24b可以诸如通过钎焊安装在沿着刀片23p、s的底部形成的凹座中。每一个备用切刀24b可以与相应的前切刀24a对准或稍微偏移。备用切刀24b可以或可以不完全地延伸到保径部段。每一个切刀24a、b可以包括附接到坚硬的基材(诸如，金属陶瓷)的超硬切削台(诸如，多晶金刚石)，由此形成复合片(compact)，诸如聚晶金刚石复合片(PDC)。每一个刀片14p、s的下尖端26可以用超硬材料(诸如，金刚石)浸渍，以增强耐磨蚀性。

保径部段可以包括多个保径垫片27和在保径垫片之间形成的排屑狭槽。排屑狭槽可以与形成刀片23p、s之间的流体流道流体连通。保径垫片27可以围绕保径部段布置，并且每一个垫片可以在钻头体12的模制期间形成，并且可以从钻头体的外部突出。每一个保径垫片27可以由与钻头体相同的材料制成，并且每一个保径垫片可以与相应的刀片23p、s一体地形成。

图3D示意切刀24a、b中的一个切刀。每一个切刀24a、b可以以范围从三十到四十五度的后倾角28安装(诸如钎焊)在相应的凹座中。每一个切刀24a、b可以具有形成在切削台的边缘中的倒角。每一个倒角的角度29可以范围在三十和六十度之间，并且每一个倒角的高度30可以范围在十分之六毫米和一个半毫米之间。大的后倾角28和/或大的倒角高度30可以提高切刀24a、b的抗冲击性，以在共振模式中承受钻凿。抗冲击性的这个改进可能会牺牲切削效率。

可替代地，后倾角28可以范围在零和六十度之间，倒角29可以范围在三十和八十度之间，和/或倒角高度30可以范围在十分之一毫米和三毫米之间。

图3B和3C示意了根据本公开其它实施例的能够与BHA 2一起使用的第一32和第二33替代钻头的切削面。替代于钻头6，第一替代钻头32或第二替代钻头33可以连接到悬挂接头5。除了省略了两个辅助刀片23s和省略了备用切刀24b之外，第一替代钻头32可类似于钻头6。

可替代地，钻头6可以具有从其中省略的备用切刀24b。可替代地，第一替代钻头32可以具有备用切刀24b。

除了添加了主刀片23p，刀片更为螺旋，冲击立柱33d位于主刀片的邻近于切削面的中心的部分以及辅助刀片23s的周界部分上，第二替代钻头33可以类似于钻头6。每一个冲击立柱33d可以由金属陶瓷制成，并且可以或可以不浸渍超硬材料，诸如金刚石，以增强耐磨蚀性。

可替代地，可以使用诸如O型环的减震环来替代冲击立柱33d。可替代地，钻头6和/或第一替代钻头32可以具有冲击立柱33d和/或螺旋形刀片。可替代地，第二替代钻头33可以具有从其中省略的辅助切刀，可以具有径向刀片和/或可以具有从其中省略的冲击立柱33d。

可替代地，牙轮钻头、锤钻头或者浸渍钻头可以连接到悬挂接头5，而不是固定的切刀钻头6。

图4示意BHA 2的调整。为了调整悬挂接头5，可以确定钻头6、32、33的受迫振动频率。受迫振动频率可以通过将刀片的总数(主和辅助)乘以单位为每秒的转数的BHA 2的角速度而确定。可以使用用于钻凿柔软地层12s或坚硬地层12h的期望的角速度。例如，假设选择钻头6并且BHA将在柔软地层12s中以每分钟六十转(RPM)(每秒一转)旋转，则受迫振动频率将等于七赫兹(Hz)。受迫振动频率然后可用于配置贝氏弹簧垫圈19，以在7Hz下呈现阻尼频率(或共振频率，如果替代地是，对于坚硬地层12h的期望角速度)。

可以改变以选择在受迫振动频率下呈现阻尼频率的堆叠体构造的贝氏弹簧垫圈19的参数包括：每一个贝氏弹簧垫圈的内径34n、每一个贝氏弹簧垫圈的外径34o、每一个贝氏弹簧垫圈的高度34h、每一个贝氏弹簧垫圈的厚度34t、堆叠体19s中的贝氏弹簧垫圈的数目，和贝氏弹簧垫圈是串联还是并联堆叠。可以通过在计算机上执行的动态建模软件来促进参数的选择。

一旦贝氏弹簧垫圈19的堆叠体19s的构造已经被确定，则可以确定该堆叠体的共振频率，并且用于确定BHA 2的角速度，以从阻尼模式转换到共振模式(或者反之亦然，如果共振频率被用于构造该堆叠体，而不是阻尼频率)。

如果悬挂接头5已经被设计和/或制造出来，则直径34n、o可以是固定的，并且堆叠体19s中的数目可以是有限的；然而，该堆叠体可以比弹簧腔室的高度更短，然后被垫高到弹簧腔室的高度。

此外，钻头6的某些参数可以用于改变悬挂接头5的动态响应。例如，与省略备用切刀24b相比，包括备用切刀24b可以用于使共振频率的峰值扁平化，并且形成共振频带。与径向刀片相比，增加刀片14p、s的螺旋性也可以用于使得共振频率的峰值扁平化并且形成共振频带。此外，钻压(weight on bit)可以在钻凿期间被调节，以在共振模式中调节悬挂接头的行程(stroke)。

图5示意使用BHA 2的对井眼的进一步钻凿。在钻头6钻凿通过坚硬地层12h时，钻进速度(ROP)可能会降低。在悬挂接头5处于共振模式中时，一旦坚硬地层12h已经被钻通，则悬挂接头便可以被转换回到阻尼模式，以用于通过将旋转速度增加回到第一角速度7d而钻凿通过第二柔软地层35a。一旦第二柔软地层35a已经被钻通，则悬挂接头5便可以被转换回到共振模式，以通过将旋转速度降低回到第二角速度7r而钻凿通过第二坚硬地层35b。一旦第二坚硬地层35b已经被钻通，则悬挂接头5便可以被转换回到阻尼模式，以用于通过将旋转速度增加回到第一角速度7d而钻凿通过第三柔软地层35c。一旦第三柔软地层35c已经被钻通，则悬挂接头5便可以被转换回到共振模式，以用于通过将旋转速度降低回到第二角速度7r而钻凿通过第三坚硬地层35d。一旦第三坚硬地层35d已经被钻通，则悬挂接头5便可以被转换回到阻尼模式，以用于通过将旋转速度增加回到第一角速度7d而钻凿通过第四柔软地层35e。

用于钻凿井眼的现有技术方案包括利用PDC钻头来钻凿柔软地层12s、35a、c、e并且利用牙轮钻头钻凿坚硬地层7h、35b、d。这意味着每次遇到不同的地层时，钻柱必需被取回到位于地面处的钻机上，改变钻头，并且将钻柱重新部署到井眼中(又叫做往返(roundtrip))，由此导致六个另外的往返以完成井眼钻凿。虽然BHA 2将很可能未实现或者钻凿通过柔软地层的PDC钻头或钻凿通过坚硬地层的牙轮钻头的ROP，但是BHA能够钻凿整个井眼，而无需用于交换钻头的另外六个往返，这将导致用于钻凿井眼1的更少钻机部署时间。

图6A和6B示意根据本公开另一个实施例的能够与BHA 2一直使用的第一替代悬挂接头36。第一替代悬挂接头36可以组装成为BHA 2的一部分，而不是悬挂接头5。除了包括布置在弹簧腔室中的贝氏弹簧垫圈19的内部堆叠体36n和贝氏弹簧垫圈的外部堆叠体36o之外，第一替代悬挂接头36可以类似于悬挂接头5。外部堆叠体36o可以围绕内部堆叠体36n同心地布置。外部堆叠体36o可以具有与内部堆叠体36n不同的至少一个参数，诸如外部堆叠体具有不同数目的贝氏弹簧垫圈(如所图示的，八对六)。具有两个堆叠体36n、o的第一替代悬挂接头36可以向动态响应添加附加的一组共振频率和阻尼频率(见图6E)，由此允许更大的调整灵活性。

在图6B和6D的回路图中，由于其复杂的动态响应，利用弹簧元件和阻尼元件这两者描绘了贝氏弹簧垫圈36n、o、37a-c。

可替代地，内部堆叠体36n和/或外部堆叠体36o可以包括仅仅一个贝氏弹簧垫圈19。

图6C和6D示意根据本公开另一个实施例的能够与BHA 2一起使用的第二替代悬挂接头37。图6E示意第二替代悬挂接头37的动态响应。第二替代悬挂接头37可以被作为BHA 2的一部分组装，而不是悬挂接头5。除了包括布置在弹簧腔室中的多个37a-c贝氏弹簧垫圈19的堆叠体和用于每一个堆叠体的引导杆37r之外，第二替代悬挂接头37可以类似于悬挂接头5。每一个引导杆37r可以连接到定子、延伸通过弹簧腔室，并且被接纳于形成在动子中的引导通道中。堆叠体37a-c可以围绕弹簧腔室以偏心方式布置，并且每一个堆叠体可以围绕相应的引导杆37r布置。每一个堆叠体37a-c可以具有不同于其它堆叠体的至少一个参数，诸如第一堆叠体37a具有串联地布置的五个贝氏弹簧垫圈19，第二堆叠体37b具有串并联地布置的七个贝氏弹簧垫圈，并且第三堆叠体37c具有串联地布置的三个贝氏弹簧垫圈。具有三个堆叠体37a-c的第二替代悬挂接头37可以向动态响应添加两组附加的共振频率和阻尼频率，由此允许更大的调整灵活性。

图7A示意根据本公开另一个实施例的能够与BHA 2一起使用的第三替代悬挂接头38。图7B示意第三替代悬挂接头38的动态响应。第三替代悬挂接头38可以组装成BHA 2的一部分，而不是悬挂接头5。第三替代悬挂接头38可以包括经修改的定子44、动子15、外部套筒16(未示出)、滑动接头17(未示出)、扭转接头18(未示出)、弹簧39、可变阻尼器40，和密封经修改的定子和动子之间的交界面及外部套筒和动子之间的交界面的滑动密封件(未示出)。由于设置可变阻尼器40，弹簧39可以是除贝氏弹簧垫圈之外的另一类型，诸如任何其它类型的压缩弹簧或任何类型的拉伸弹簧，诸如卷簧、气压弹簧或波形弹簧。

除了在定子的端头(未示出)中布置有平衡液压流体蓄存器(未示出)和在定子中形成且在蓄存器和弹簧腔室之间延伸的液压通道，经修改的定子44可以类似于定子14。弹簧39可以被布置在弹簧腔室中，并且液压流体(诸如，精炼的和/或合成油)可以布置在弹簧腔室和蓄存器中。可变阻尼器40可以包括缓冲器41、旁通阀42、电池43和电子设备封装45。电子设备封装45可以包括集成在印刷电路板(未示出)上的一个或多个电路，诸如转速计45t、存储器单元45m、微控制器45c和致动器45a。经修改的定子44还可以具有在其中形成用以容纳电子设备封装45和电池43的电子设备腔室(未示出)。电池43可以与电子设备封装45电气连通。

转速计45t可以能够操作用以测量BHA 2的角速度并且向微控制器45c报告测量值。存储器单元45m可以用共振角速度带46r和阻尼角速度带46d进行预编程。缓冲器41可以是布置在液压通道中的第一液压通道中的固定节流器，并且旁通阀42可以布置在液压通道中的第二液压通道中。旁通阀42可以是能够在打开位置和关闭位置之间操作的截流阀。打开位置可以在蓄存器和弹簧腔室之间提供不受限制的流体连通，由此绕过缓冲器41，并且关闭位置可以阻挡沿着第二通道的流体流动，由此迫使流体仅沿着第一通道通过缓冲器流动。致动器45a可以是能够操作用以使旁通阀42在这些位置之间移动的线性或旋转电致动器。

在操作中，微控制器45c可以监测来自转速计45t的角速度测量值，并比较该测量值与存储在存储器单元45m中的频带46d、r，并且可以监测可变阻尼器40所处的当前模式(活动或被旁路)。活动模式可以将第三替代悬挂接头38置于阻尼模式中，而被旁路模式可以将第三替代悬挂接头置于共振模式中。如果可变阻尼器40处于正确模式，则微控制器45c可以不采取任何动作。如果可变阻尼器不处于正确模式，则微控制器可以操作致动器45a，以打开或关闭旁通阀42，从而将可变阻尼器40转换到正确模式。

可替代地，弹簧39可以是串联的(相同或者不同类型)两个或更多弹簧构成的堆叠体。可替代地，第三替代悬挂接头38可以包括与弹簧39并联的且同心地或偏心地布置的第二弹簧或多个弹簧构成的堆叠体。可替代地，弹簧39可以是一个或多个贝氏弹簧垫圈。可替代地，可变阻尼器40可以以与弹簧39的串联构造来布置。可替代地，经修改的定子44可以包括带有止回阀的第三液压通道，并且该止回阀被定向，用以允许从蓄存器到弹簧腔室的不受限制的流体流动，而阻止从中通过的反向流动。

图7C示意经修改的第三替代悬挂接头的动态响应。除了缓冲器41是可变节流阀而不是固定节流器之外，经修改的第三替代悬挂接头可以类似于第三替代悬挂接头38，由此提供对于经修改的第三替代悬挂接头的动态响应的更多控制。电子设备封装可以包括用于操作可变节流阀的第二致动器。例如，旁通阀42的打开可以呈现在第一频带下具有全行程振幅的全共振模式，旁通阀的关闭以及可变节流阀的致动到释放设定可以呈现在第二频带下具有部分振幅(相对于全行程)的部分共振模式，并且旁通阀的关闭和可变节流阀的致动到收缩设定可以呈现阻尼模式。

虽然前述内容涉及本公开的实施例，但是可以在不偏离本发明基本范围的情况下设计本公开的其它和进一步的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种井底组件(BHA)，包括：

钻头，所述钻头在与地层接合并旋转时能够操作用以振动；和

悬挂接头，所述悬挂接头包括：

用于连接到管柱的定子桶；

用于连接到所述钻头的动子桶；

滑动接头，所述滑动接头将所述动子桶在纵向上联接到所述定子桶，同时允许所述动子桶在延伸位置和退回位置之间移动；

扭转接头，所述扭转接头在所述位置处以及在所述位置之间将所述动子桶连接到所述定子桶；和

一个或多个弹簧，所述一个或多个弹簧布置在所述定子桶和所述动子桶之间，

其中所述悬挂接头相对于所述钻头被调整，用以：

当所述BHA以第一角速度旋转时，衰减所述钻头的振动；以及

当所述BHA以第二角速度旋转时，使得所述钻头的振动共振，由此将冲击能量施加给所述钻头。

2.根据权利要求1所述的BHA，其中所述一个或多个弹簧是由多贝氏弹簧垫圈构成的堆叠体。

3.根据权利要求1或2所述的BHA，其中所述悬挂接头进一步包括与所述一个或多个弹簧同心地布置的第二一个或多个弹簧。

4.根据权利要求1或2所述的BHA，其中所述悬挂接头进一步包括与所述一个或多个弹簧偏心地布置的第二一个或多个弹簧。

5.根据前面权利要求中任何一项所述的BHA，其中所述钻头包括：

柄部，所述柄部具有在所述柄部的上端处形成的螺纹联接件；

钻头体，所述钻头体安装到所述柄部的下端并且具有增压室；

保径部段，所述保径部段形成所述钻头的外部；和

切削面，所述切削面形成所述钻头的下端，并且包括：

多个刀片，所述多个刀片从所述钻头体的底部突出，并且从所述切削面的中心延伸到所述保径部段；和

多个切刀，所述多个切刀沿着每一个刀片安装。

6.根据权利要求5所述的BHA，其中每一个切刀具有范围在零度和六十度之间的后倾角。

7.根据权利要求5所述的BHA，其中：

每一个切刀在所述切刀的切削台的边缘中形成有倒角，并且

每一个倒角具有范围在十分之一毫米和三毫米之间的高度。

8.根据前面权利要求中任何一项所述的BHA，其中所述悬挂接头进一步包括能够操作用以衰减所述钻头的振动的可变阻尼器。

9.根据权利要求8所述的BHA，其中：

所述一个或多个弹簧布置在形成于所述定子桶和所述动子桶之间的弹簧腔室中，并且

所述悬挂接头进一步包括：

布置在所述弹簧腔室中的液压流体；

液压蓄存器；和

在所述弹簧腔室和所述液压蓄存器之间延伸的液压通道，并且

所述可变阻尼器包括布置在所述液压通道中的缓冲器。

10.根据权利要求9所述的BHA，其中：

所述悬挂接头进一步包括在所述弹簧腔室和所述液压蓄存器之间延伸的第二液压通道，并且

所述可变阻尼器进一步包括布置在所述第二液压通道中的旁通阀。

11.根据权利要求10所述的BHA，其中：

所述可变阻尼器进一步包括电子设备封装，并且

所述电子设备封装包括：

电池；

转速计，所述转速计能够操作用以测量所述BHA的角速度；

存储器单元，所述存储器单元能够操作用以存储所述第一和第二角速度；

致动器，所述致动器能够操作用以转换所述旁通阀；和

微控制器，所述微控制器与所述转速计、所述存储器单元和所述致动器通信，并且能够操作用以响应于所测量的角速度和所述第一和第二角速度之间的比较结果来激活所述致动器。

12.根据权利要求9到11中任何一项所述的BHA，其中所述缓冲器是固定节流器或可变节流阀。

13.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的BHA钻凿井眼的方法，包括：

将所述BHA连接到所述管柱的底部，由此形成钻柱；

将所述钻柱降低到所述井眼中，直至所述钻头邻近所述井眼的底部；

在所述钻头上施加重量，以将所述悬挂接头移动到在所述延伸位置和所述退回位置之间的准备位置；

使所述BHA以所述第一角速度旋转并且将钻凿流体注射通过所述钻柱，由此在所述悬挂接头处于阻尼模式的情况下钻凿通过柔软地层；并且

响应于达到坚硬地层，将所述角速度改变到所述第二角速度，由此在所述悬挂接头处于共振模式的情况下钻凿通过所述坚硬地层。

14.一种调整根据权利要求2所述的BHA的方法，包括：

利用所述BHA的多个刀片以及从所述第一角速度和第二角速度中选取的一个角速度，确定所述钻头的受迫振动频率；并且

构造由多个贝氏弹簧垫圈构成的所述堆叠体，以在所确定的受迫振动频率下呈现相应的阻尼频率或共振频率。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：使用由多个贝氏弹簧垫圈构成的所述堆叠体的构造，确定所述阻尼频率和共振频率中的另一个频率。