СКВАЖИННЫЙ МАГНИТНЫЙ ЛОВИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК E21B31/06 

Изобретение относится к инструментам, применяемым при бурении скважин различного назначения и диаметра для очистки забоя и при ремонтно-восстановительных работах с целью извлечения на поверхность обломков инструмента, оборудования и других ферромагнитных деталей и частиц, включая твердосплавные зубья шарошек, обладающих слабыми магнитными свойствами.

Известен магнитный фрезер-ловитель ФМ, содержащий переходник, магнитную систему и корпус, нижняя часть которого изготовлена в виде фрезерной коронки [1]
Основными недостатками его являются сложность конструкции, нерациональное использование постоянных магнитов и малая грузоподъемность.

Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности и достигаемому результату является магнитный ловитель повышенной грузоподъемности ЛМПГ, содержащий цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой, расположенную в корпусе магнитную систему с промывочным каналом, выполненную в виде постоянных магнитов, установленных между гранями центрального и периферийного магнитопроводов. Центральный магнитопровод выполнен в виде правильной призмы с квадратным основанием. Над магнитной системой расположено диамагнитное кольцо [2]
Указанный магнитный ловитель обладает в 2,5 3 раза большей грузоподъемностью, чем серийно выпускаемый магнитный фрезер-ловитель типа ФМ.

Недостатки магнитного ловителя по а.с. N 1601332 заключаются в следующем.

Во-первых, его магнитная система предназначена практически исключительно для увеличения грузоподъемности и не обладает необходимой притягивающей силой, действующей на расстоянии более 2 3 мм от рабочего торца ловителя. Наличие в забое скважины измельченной породы и промывочной жидкости, создающих зазор более 1,5 2 мм между торцевой поверхностью магнитной системы и ферромагнитными телами, уменьшает притягивающую силу ловителя в 1,5 5 раз. Магнитная система ловителя обладает объявленной подъемной силой, приложенной к уже притянутому ферромагнитном телу из магнитомягкого материала в виде плиты специальной формы для лучшего прилегания к нижнем торцу магнитной системы, но не отвечает названию в качестве именно ловителя ферромагнитных частиц и обломков инструмента.

Во-вторых, максимум притягивающей и удерживающей сил сдвинут примерно на 1/3 внешнего радиуса корпуса ловителя относительно геометрического центра торца, что в условиях забоя не позволяет реализовать его объявленные возможности.

В-третьих, компоновка магнитной системы 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 инструмента или твердосплавных зубьев шарошек со слабыми магнитными свойствами. При этом магнитный поток ловителя резко падает, возрастают размагничивающие поля в магнитах, что вблизи граней магнитопровода может привести к практически полном необратимому размагничиванию.

В-четвертых, достаточно большая масса указанного магнитного ловителя, определяемая в основном длиной (объемом) постоянных магнитов, и связанное с этим увеличение веса корпусных деталей предполагает использование только традиционны способов спуска-подъема с помощью колонны бурильных труб, что не всегда удобно, особенно при производстве ремонтно-восстановительных работ, так как вызывает значительные потери времени.

Изобретение направлено на решение задачи повышения улавливающей силы, действующей на больших расстояниях, при сохранении величины удерживающей силы; уменьшения массы применяемых постоянных магнитов и всего ловителя в целом; увеличения удельной грузоподъемности ловителя; улучшения конструкции магнитной системы ловителя с целью повышения технологичности ее изготовления и сборки.

Поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом скважинном магнитном ловителе (СМЛ), включающем цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой, установленную в корпусе магнитную систему в виде постоянных магнитов, расположенных между центральным и периферийным магнитопроводами, промывочные каналы, первую диамагнитную пластину, расположенную над магнитной системой, центральный магнитопровод может быть выполнен в виде конуса, усеченного конуса, правильной многогранной пирамиды или усеченной правильной многогранной пирамиды, основания которых обращены к нижнему рабочему торцу ловителя, который дополнительно снабжен второй диамагнитной пластиной, расположенной под постоянными магнитами и охватывающей основание центрального магнитопровода или примыкающий к основанию или составляющий с ним одно целое хвостовик с резьбой.

Кроме того, центральный магнитопровод может быть выполнен в виде конуса с углом α между высотой и образующей, удовлетворяющим условию

где D₂ внешний диаметр постоянных магнитов;
L длина постоянных магнитов, определяемая из соотношения

где В_d индукция магнитного поля, соответствующая максимуму энергии постоянного магнита;
B_s индукция насыщения центрального магнитопровода;
k₁ выбирают равным 0,2 ^oC 0,8;
k₂ выбирают равным 0,5 ^oC 1.

Кроме того, центральный магнитопровод может быть выполнен в виде правильной многогранной пирамиды с углом α между высотой и ребром пирамиды, удовлетворяющим условию

где D₂ внешний диаметр постоянных магнитов;
L длина постоянных магнитов, определяемая из соотношения

где B_d индукция магнитного поля, соответствующая максимуму энергии постоянного магнита;
B_s индукция насыщения центрального магнитопровода;
k₁ выбирают равным 0,2 ^oC 0,8;
k₂ выбирают равным 0,5 ^oC 1,
основанием которой является правильный многоугольник, число сторон которого удовлетворяет соотношению 5≅n≅12.

Кроме того, центральный магнитопровод снабжен хвостовиками с резьбой, примыкающими к его вершине и основанию, периферийный магнитопровод изготовлен в виде трубы, на внешней поверхности которой расположены промывочные каналы, а на внутренней поверхности с концов выполнены кольцевые проточки.

На фиг.1 представлен общий вид скважинного магнитного ловителя; на фиг.2 поперечное сечение магнитной системы; на фиг.3 общий вид одного блока постоянного магнита; на фиг.4 зависимости удерживающей и улавливающей сил в функции величин угла α; на фиг.5 и 6 разрез магнитной системы с хвостовиками, которые примыкают или составляют с центральным магнитопроводом одно целое.

Скважинный магнитный ловитель содержит круговой цилиндрический корпус 1 с переходником 2 и фрезерной коронкой 3, установленную в корпусе магнитную систему с промывочными каналами 4, расположенными на периферийном магнитопроводе 5.

Магнитная система имеет центральный магнитопровод 6, соосный с периферийным магнитопроводом 5, выполненные из магнитомягкого материала, и расположенные между ними постоянные магниты 7. Центральный магнитопровод, который заканчивается хвостовиками 8, 9 с обеих сторон, имеющими резьбы 10, 11 для навинчивания защитных диамагнитных пластин 12, 13, может быть выполнен в виде прямого кругового конуса или прямой правильной пирамиды, основанием которой является правильный многоугольник. Периферийный магнитопровод выполнен в виде сплошной трубы, имеющей на внутренней поверхности у концов кольцевые проточки 14, 15 для упора защитных диамагнитных пластин, предохраняющих постоянные магниты.

Сважинный магнитный ловитель работает следующим образом.

При помощи переходника 2 ловитель присоединяется к колонне бурильных труб для спуска в скважину. При приближении к забою включается циркуляция промывочной жидкости. Проходя через промывочные каналы 4, расположенные на внешней поверхности магнитной системы, промывочная жидкость очищает ферромагнитные объекты (обломки инструмента и оборудования, твердосплавные зубья 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, даже вдавленные в пород обломки инструмента и оборудования, включая твердосплавные зубья шарошек со слабыми ферромагнитными свойствами, улавливаются и притягиваются к рабочему нижнему торцу магнитной системы скважинного магнитного ловителя. Извлеченный на поверхность скважинный магнитный ловитель освобождается от уловленных ферромагнитных предметов и готов к следующему спуску в забой или ремонтируемую скважину.

Благодаря указанным выше конструктивным особенностям магнитной системы скважинного магнитного ловителя одновременно достигаются следующие положительные эффекты.

Улучшение конструкции и повышение технологичности изготовления и сборки достигается за счет выполнения периферийного магнитопровода сплошным, в виде трубы, имеющим на внутренней поверхности проточки для ограничения хода защитных пластин.

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что зависимости удерживающего усилия и притягивающей силы от расстояния являются функцией узла между высотой и образующей прямого конуса или высотой и ребром правильной прямой пирамиды и в обоих случаях имеют четко выраженные максимумы (фиг.4). Максимумы удерживающего и притягивающего усилий в имеющихся конструктивных ограничениях соответствуют максимально достижимому использованию энергии постоянных магнитов и наибольшему значению удельной грузоподъемной силы, рассчитываемой как отношение веса поднимаемого груза к массе магнитного ловителя.

Выполнение магнитной системы с центральным магнитопроводом в форме усеченной пирамиды и внешнего в форме сплошной круговой трубы, а также постоянных магнитов в виде отдельных блоков с цилиндрической внешней поверхностью и плоскостями в качестве остальных поверхностей значительно повышает технологичность изготовления и сборки магнитной системы, улучшает механическую прочность и надежность ловителя в эксплуатации, обеспечивает наибольшие значения как удельной, так и абсолютной удерживающей и притягивающей сил.

Применение постоянных магнитов в форме отдельных блоков существенно снижает затраты и упрощает их изготовление. Наиболее технологична шлифовка плоских и внешних цилиндрических поверхностей. Идеальной формой центрального магнитопровода является прямой конус, но проводить шлифовку цилиндрических внутренних поверхностей постоянных магнитов очень сложно и трудоемко, а иногда и невозможно.

Надежное улавливание и удерживание захваченных ферромагнитных частиц и обломков инструмента из слабомагнитных твердосплавных материалов позволяет упростить конструкцию магнитного ловителя за счет отказа от шламоуловителя.

Полное отсутствие "залипания" скважинного магнитного ловителя на ферромагнитных обсадных трубах в связи с тем, что внешняя боковая поверхность корпуса ловителя практически полностью размагничена.

Практически неограниченная длительность срока эксплуатации ловителя из-за отсутствия размагничивания постоянных магнитов, что обеспечивается правильным выбором рабочей точки на характеристиках магнитных материалов.

Вдвое меньший вес по сравнению с лучшими предшествующими магнитными ловителями одинакового диаметра, что позволяет опускать СМЛ для очистки забоя или ремонтируемой скважины не только с помощью буровой колонны, но и на грузонесущем тросе. Использование грузонесущего троса резко сокращает время спуска-подъема ловителя.

Использование: изобретение относится к инструментам, применяемым при бурении скважин различного назначения и диаметра для очистки забоя и при ремонтно-восстановительных работах с целью извлечения на поверхность обломком инструмента, оборудования и других ферромагнитных деталей и частиц, включая твердосплавные зубья шарошек, обладающих слабыми магнитными свойствами. Сущность изобретения: скважинный магнитный ловитель содержит круговой цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой. В корпусе установлена магнитная система с промывочными каналами, расположенными на периферийном магнитопроводе. Магнитная система имеет периферийный магнитопровод и соосный с ним центральный магнитопровод, выполненные из магнитомягкого материала. Между ними расположены постоянные магниты. Центральный магнитопровод выполнен в виде конуса, усеченного конуса, многогранной пирамиды или усеченной многогранной пирамиды, основания которых обращены к нижнему торцу ловителя. Ловитель дополнительно снабжен защитными диамагнитными пластинами, расположенными сверху и снизу магнитной системы. Изобретение направлено на решение задачи повышения улавливающей силы, действующей на больших расстояниях, при сохранении величины удерживающей силы, уменьшения массы применяемых постоянных магнитов и всего ловителя в целом; увеличения удельной грузоподъемности ловителя; повышения технологичности его изготовления и сборки, а также значительного увеличения сроков эксплуатации. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Скважинный магнитный ловитель, содержащий цилиндрический корпус с переходником и фрезерной коронкой, установленную в корпусе магнитную систему в виде постоянных магнитов, раположенных между центральным и периферийным магнитопроводами, промывочные каналы и первую диамагнитную пластину, расположенную над магнитной системой, отличающийся тем, что центральный магнитопровод выполнен в виде конуса, правильной многогранной пирамиды, усеченного конуса или усеченной правильной многогранной пирамиды, основания которых обращены к нижнему рабочему торцу ловителя, который дополнительно снабжен второй диамагнитной пластиной, расположенной под постоянными магнитами и охватывающей основание центрального магнитопровода. 2. Магнитный ловитель по п. 1, отличающийся тем, что конус выполнен с углом α между высотой и образующей, удовлетворяющим условию

где D₂ внешний диаметр постоянных магнитов, м;
L длина постоянных магнитов, м, определяемая из соотношения

где B_d индукция магнитного поля, соответствующая максимуму энергии постоянного магнита, Тл;
B_S индукция насыщения центрального магнитопровода, Тл;
K₁ коэффициент ( K₁ 0,2 0,8);
K₂ коэффициент ( K₂ 0,5 1). 3. Ловитель по п. 1, отличающийся тем, что правильная многогранная пирамида выполнена с углом α между высотой и ребром пирамиды, удовлетворяющим условию по п.2, основанием которой является правильный многоугольник, число сторон n которого удовлетворяет соотношению 5 ≅ n ≅ 12. 4. Ловитель по пп. 1 3, отличающийся тем, что центральный магнитопровод снабжен хвостовиком с резьбой, примыкающим к его вершине или составляющим с ним одно целое, периферийный магнитопровод изготовлен в виде трубы, на внутренней поверхности которой с концов выполнены кольцевые проточки для упора в них немагнитных пластин, а промывочные каналы расположены на внешней поверхности периферийного магнитопровода. 5. Ловитель по пп. 1 3, отличающийся тем, что при выполнении центрального магнитопровода в виде правильной или усеченной правильной многогранной пирамиды к ее основанию примыкает или составляет с ним одно целое хвостовик с резьбой для крепления диамагнитной пластины.