МАГНИТНЫЙ ЛОВИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК E21B31/06 

Изобретение относится к инструментам, применяемым при бурении скважин различного назначения и диаметра для очистки забоя и извлечения на поверхность обломков инструмента и других ферромагнитных деталей и частиц.

Известен магнитный фрезер-ловитель-ФМ [1]
Недостатками его являются сложность конструкции, нерациональное использование постоянных магнитов и малая грузоподъемность.

Наиболее близким к предлагаемому является магнитный ловитель повышенной грузоподъемности ЛМПГ [2] содержащий центральный магнитопровод в виде правильной призмы с квадратным основанием, к каждой боковой поверхности которого прилегает постоянный магнит с магнитной текстурой, направленной перпендикулярно плоскости грани центрального магнитопровода, и четыре периферийных магнитопровода, которые размещены между соответствующими постоянными магнитами и корпусом.

Указанный магнитный ловитель обладает в 2,5-3 раза большей грузоподъемностью, чем серийно выпускаемый магнитный фрезер-ловитель типа ФМ.

Недостатки магнитного ловителя ЛМПГ заключаются в следующем.

Во-первых, магнитная система ЛМПГ предназначена исключительно для увеличения грузоподъемности и не обладает необходимой притягивающей силой, действующей на расстоянии более 2-3 мм. Наличие в забое скважины измельченной породы и промывочной жидкости, создающих зазор более 1,5-2 мм между торцовой поверхностью магнитной системы ловителя и ферромагнитными телами, уменьшает притягивающую силу ЛМПГ в 1,5-5 раз.

Указанная магнитная система обладает подъемной силой, приложенной к уже притянутому ферромагнитному телу в виде плиты специальной формы из магнитомягкого материала для лучшего прилегания к нижнему торцу магнитной системы ЛМПГ, но не отвечает назначению в качестве именно ловителя ферромагнитных частиц и обломков инструмента.

Во-вторых, у ЛМПГ максимум притягивающей и удерживающей силы сдвинут относительно геометрического центра торца ловителя примерно на 1/3 радиуса внешнего корпуса, что наглядно проявляется при испытаниях с закрепленным обломком инструмента и свободно подвешенным ЛМПГ. В реальных условиях использования, когда магнитный ловитель расположен в скважине, он не имеет достаточной свободы перемещения в радиальном направлении для проявления своей максимальной удерживающей и притягивающей силы.

В-третьих, компоновка магнитной системы ЛМПГ такова, что постоянные магниты находятся в резко неоднородном магнитном поле, что не позволяет добиться высокой степени использования энергии постоянных магнитов. Особенно это сказывается в реальных условиях эксплуатации, когда требуется взаимодействие со средой, имеющей отдельные ферромагнитные включения типа частиц, обломков инструментов или твердосплавных зубцов шарошек. При этом магнитный поток системы ЛМПГ резко падает, возрастают размагничивающие поля в магнитах, что вблизи граней центрального магнитопровода может привести к практически полному необратимому размагничиванию.

Цель изобретения повышение эффективности работы ловителя ферромагнитных частиц, обломков инструмента и твердосплавных зубцов шарошек, а также одновременное значительное увеличение грузоподъемной силы.

Цель достигается тем, что в магнитном ловителе, включающем цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой, установленную в корпусе магнитную систему в виде центрального и соосного с ним внешнего магнитопроводов и размещенных между ними постоянных магнитов с радиально направленной магнитной текстурой и промывочные каналы, высота h постоянных магнитов в направлении магнитной текстуры определяется из соотношения
h K ˙ D, где D внешний диаметр корпуса ловителя, мм;
К коэффициент, зависящий от материала постоянного магнита;
К 0,15-0,17, при соблюдении условия
_мН_с > 0,5 B_r/μ_o, где _мН_с коэрцитивная сила постоянных магнитов по намагничиванию, А/М;
В_r остаточная индукция, Т_л;
μ_o- магнитная постоянная
μ_o= 4π˙10^-7 гн/м, а также тем, что наружная поверхность системы постоянных магнитов выполнена в виде правильной призмы, число граней которой n удовлетворяет соотношению
5≅n ≅12, а также за счет того, что промывочные каналы выполнены во внешнем магнитопроводе, а их число соответствует числу граней системы постоянных магнитов.

Теоретические расчеты и экспериметальные исследования показали, что зависимость тягового усилия от высоты магнита h имеет четко выраженный максимум (фиг.3), положение которого практически не меняется при изменении длины магнита в осевом направлении. Максимум тягового усилия в имеющихся конструктивных ограничениях соответствует максимально достижимому использованию энергии постоянных магнитов.

Исполнение магнитов в форме многогранной призмы существенно снижает затраты и упрощает изготовление крупногабаритных постоянных магнитов, которые в этом случае набираются из отдельных призм с трапецеидальным сечением. Шлифовка плоских поверхностей магнитов более технологичная операция по сравнению со шлифовкой цилиндрических поверхностей.

Конструкция магнитной системы скважинного магнитного ловителя такова, что в свободном состоянии постоянные магниты находятся в сильном собственном размагничивающем поле и при невысокой коэрцитивной силе материала
_мН_с < 0,5 B_r/μ_o где _мН_с коэрцитивная сила по намагничиванию, А/М;
B_r остаточная индукция, Тл;
μ_o- магнитная постоянная, гн/м, размагничиваются, что приводит к потере работоспособности магнитного ловителя.

Требованию необходимой высокой коэрцитивной силы отвечают постоянные магниты, изготовленные из феррита бария или стронция, редкоземельных металлов, сплавы неодим-железо-бор и другие. Наиболее предпочтительны для серийного производства дешевые ферриты. Однако для создания отдельных уникальных ловителей со значительно большей тяговой силой и улавливающей способностью могут быть использованы и высококоэрцитивные магниты из редкоземельных металлов, которые в тех же габаритах могут обеспечить в 5-6 раз большие усилия, чем при использовании ферритовых магнитов.

На фиг.1 представлена схема ловителя; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 график зависимости тягового усилия от высоты магнита h.

Скважинный магнитный ловитель содержит круговой цилиндрический корпус 1 (внешний диаметр D) с переходником 2 и фрезерной коронкой 3, установленную в корпусе магнитную систему с промывочными каналами 4.

Магнитная система имеет центральный магнитопровод 5 и соосный с ним внешний магнитопровод 6, выполненные из магнитомягкого материала, и расположенные между ними постоянные магниты 7 с радиальной магнитной текстурой. Центральный магнитопровод 5 может быть выполнен в виде кругового цилиндра, а внешний магнитопровод 6 в виде круговой трубы или набора отдельных пластин, размещенных по внутреннему периметру корпуса.

Магнитный ловитель работает следующим образом.

При помощи переходника 2 ловитель присоединяется к колонне бурильных труб для спуска в скважину. При приближении к забою включают циркуляцию промывочной жидкости. Проходя через промывочные каналы 4, расположенные на периферии магнитной системы, промывочная жидкость очищает ферромагнитные объекты (обломки инструмента, твердосплавные зубцы шарошек) от слоя мелких частиц породы, разрушаемой фрезерной коронкой 3. При достижении забоя скважины струи промывочной жидкости из периферийных промывочных каналов 4 перемещают ферромагнитные объекты, улучшая условия для их захвата ловителем. Находящиеся в забое ферромагнитные частицы и обломки инструмента улавливаются и притягиваются к нижнему торцу магнитной системы скважинного ловителя.

Благодаря указанным выше конструктивным особенностям магнитной системы скважинного ловителя тяговое усилие имеет более слабую зависимость от изменения зазора между торцом магнитной системы и улавливаемым ферромагнитным объектом по сравнению с уже существующими магнитными ловителями. При величине зазора 9 мм тяговое усилие предлагаемого скважинного магнитного ловителя равно 150 кгс, что значительно превышает тяговые усилия других ловителей. Достигнутая тяговая характеристика позволяет свободно улавливать и притягивать мелкие и достаточно крупные ферромагнитные обломки инструмента, оказавшиеся в забое. А максимальная грузоподъемная сила скважинного магнитного ловителя, превосходящая в 1,5 раза грузоподъемность ЛМПГ, позволяет надежно удерживать и поднимать на поверхности захваченные ферромагнитные объекты. Извлеченный на поверхность скважинный магнитный ловитель освобождают от уловленных ферромагнитных предметов, и он готов к следующему спуску в забой.

Применение предлагаемой магнитной системы, обеспечивающей надежное улавливание и удерживание захваченных ферромагнитных частиц и обломков инструмента из слабомагнитных твердосплавных материалов, позволяет упростить конструкцию магнитного ловителя за счет отказа от шламоуловителя.

Предлагаемый скважинный магнитный ловитель при спуске и подъеме не "залипает" на ферромагнитных обсадных трубах в связи с тем, что боковая поверхность корпуса скважинного магнитного ловителя практически размагничена.

Изобретение относится к инструментам, применяемым при бурении скважин различного назначения и диаметра для очистки забоя и извлечения на поверхность обломков инструмента и других ферромагнитных деталей и частиц. Цель повышение эффективности работы ловителя ферромагнитных частиц, обломков инструмента и твердосплавных зубьев шарошек, а также одновременное увеличение грузоподъемной силы. Магнитная система ловителя включает центральный магнитопровод, внешний магнитопровод, выполненные из магнитномягкого материала, и постоянные магниты с радиально-направленной магнитной текстурой. Высота постоянных магнитов в направлении магнитной текстуры определяется из соотношения: h KD, где D внешний диаметр корпуса ловителя, мм, K - коэффициент, зависящий от материала магнитов, K 0,15 0,17 при соблюдении условия: _мH_c≥ 0,5B_r/μ_o, где _мH_c коэрцитивная сила постоянных магнитов по намагничиванию, А/м; B_r- остаточная индукция, Тл; μ_o - магнитная постоянная, μ_o=4π·10^-7 гн/м. Наружная поверхность постоянных магнитов выполнена в виде правильной призмы, число граней которой n удовлетворяет соотношению 5≅ n≅ 12, а промывочные каналы выполнены во внешнем магнитопроводе. Количество промывочных каналов соответствует числу граней системы постоянных магнитов. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. МАГНИТНЫЙ ЛОВИТЕЛЬ, включающий цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой, установленную в корпусе магнитную систему с промывочными каналами, выполненную в виде центрального и соосного с ним внешнего магнитопроводов и размещенных между ними постоянных магнитов с радиально направленной магнитной текстурой, отличающийся тем, что высота h постоянных магнитов в направлении магнитной текстуры определяется из соотношения
h KD,
где D внешний диаметр корпуса ловителя, мм;
K коэффициент, зависящий от материала магнита, K 0,15 0,17, при соблюдении условия

где μH_c коэрцитивная сила постоянных магнитов по намагничиванию, А/м; B_г остаточная индукция, Тл; μ_o магнитная постоянная, Гн/м. 2. Ловитель по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность системы постоянных магнитов выполнена в виде правильной призмы, число граней которой удовлетворяет соотношению 5 ≅ n ≅ 12,
3. Ловитель по п.2, отличающийся тем, что промывочные каналы выполнены во внешнем магнитопроводе, а их число соответствует числу граней системы постоянных магнитов.