ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРОХОДКИ ОБЪЕКТА Российский патент 2009 года по МПК E21B7/18 

Настоящее изобретение касается инструмента для проходки объекта.

В частности, инструмент по настоящему изобретению содержит систему гидромонитора, приспособленную для подачи на объект, подлежащий проходке струйного потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, и имеющую, по меньшей мере, смесительную камеру с первым впускным каналом для бурового раствора, вторым впускным каналом для абразивных частиц и выпускным соплом для выпуска бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, систему рециркуляции, приспособленную для рециркуляции, по меньшей мере, некоторых абразивных частиц.

Такой инструмент обычно может быть расположен на нижнем конце бурильной колонны, которая расположена в подземной скважине, при этом во время эксплуатации буровой раствор закачивают с поверхности через продольный канал в бурильной колонне к инструменту и, по существу, обратно к поверхности возвратным потоком через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой скважины.

Для предотвращения непрерывной циркуляции абразивных частиц через бурильную колонну и кольцевое пространство в патенте США 6510907 предложено снабдить инструмент системой рециркуляции для отделения абразивных частиц от возвратного потока и повторного введения этих частиц в смесительную камеру, через которую проходит основной поток бурового раствора. Варианты осуществления системы рециркуляции основаны на сепараторном магните для магнитного отделения абразивных частиц от возвратного потока, при этом абразивные частицы для этой цели выполнены из магнитного материала.

Еще один такой инструмент описан в международной публикации WO 02/34653. Система рециркуляции этого инструмента основана на винтовом сепараторном магните, который расположен концентрично внутри опорного элемента. Опорный элемент образован цилиндрической втулкой, наружная поверхность которой образует опорную поверхность, на которой магнитные частицы удерживаются магнитным полем, создаваемым винтовым сепараторным магнитом. Сепараторный магнит имеет продольную ось, вокруг которой сепараторный магнит может вращаться относительно втулки.

Когда сепараторный магнит приводят во вращение вокруг оси, магнитные частицы подвергаются воздействию подвижного градиента силы магнитного поля, перпендикулярного винтовой канавке, по которой последуют частицы. Таким образом, частицы транспортируются по опорной поверхности обратно, в струйную систему, для повторного введения в смесительную камеру.

Оба известных инструмента основаны на эффективном перемещении магнитных абразивных частиц от сепараторного магнита в смесительную камеру для увлечения потоком бурового раствора.

В частности, когда необходимо рециркулировать большое количество абразивных частиц в единицу времени, перенос должен быть эффективным, иначе впускной канал для абразивных частиц в смесительную камеру может быть закупорен избытком магнитных частиц, поступающих к впускному каналу.

Целью настоящего изобретения является создание инструмента для проходки объекта, обеспечивающего увеличение эффективности перемещения магнитных частиц из системы рециркуляции в смесительную камеру.

Эта цель достигается в инструменте для проходки объекта, содержащем систему гидромонитора, приспособленную для подачи на объект, подлежащий проходке, струйного потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, и имеющую, по меньшей мере, смесительную камеру с первым впускным каналом для бурового раствора, вторым впускным каналом для абразивных частиц и выпускным соплом для выпуска бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, систему для рециркуляции, по меньшей мере, некоторых абразивных частиц из возвратного потока раствора, смешанного с абразивными частицами, вниз по ходу относительно поверхности столкновения струи с объектом, обратно в струйную систему, при этом абразивные частицы содержат магнитный материал, система для рециркуляции содержит сепараторный магнит для отделения абразивных частиц от возвратного потока и для транспортировки частиц во второй впускной канал. Согласно изобретению инструмент содержит деталь из магнитного материала, расположенную в смесительной камере или вблизи нее и приспособленную для оттягивания части магнитного поля, создаваемого сепараторным магнитом, в смесительную камеру.

Под влиянием сепараторного магнита в системе рециркуляции деталь из магнитного материала намагнитится, и в детали из магнитного материала будет образован отображенный полюс, имеющий полярность, противоположную полярности полюса сепараторного магнита, обращенного к детали из магнитного материала. Линии магнитного поля проходят от полюса сепараторного магнита к индуцированному отображенному полюсу в детали из магнитного материала, и, таким образом, часть магнитного поля, создаваемого сепараторным магнитом, оттягивается в смесительную камеру. Градиент магнитного поля, воздействию которого подвергаются магнитные абразивные частицы, следовательно, понижается в определенном месте вблизи впускного канала для абразивных частиц, а не в другом месте вблизи сепараторного магнита. По этой причине эффективность перемещения абразивных частиц из системы рециркуляции в смесительную камеру улучшается.

Предпочтительно, часть магнитного поля в смесительной камере направлена, по существу, поперек пути проникновения потока бурового раствора между впускным каналом для бурового раствора и выпускным соплом. Благодаря этому магнитные частицы затягиваются в смесительную камеру в виде цепочек, которые перемещаются поперек направления потока бурового раствора в смесительной камере. При этом взаимодействие между буровым раствором и абразивными частицами максимизировано, так что абразивные частицы могут набирать кинетическую энергию с максимальной эффективностью.

Деталь из магнитного материала может быть расположена со стороны смесительной камеры, противоположной второму впускному каналу.

Система рециркуляции может содержать опорную поверхность для направления абразивных частиц ко второму впускному каналу и экран, расположенный на расстоянии от опорной поверхности, при этом зазор между экраном и опорной поверхностью образует проход от возвратного потока ко второму впускному каналу вдоль опорной поверхности. Посредством этого раствор может быть направлен от возвратного потока во второй впускной канал, таким образом дополнительно поддерживая прохождение абразивных частиц через второй впускной канал в смесительную камеру.

Сепараторный магнит системы рециркуляции может быть частью транспортного устройства для транспортировки абразивных частиц в выбранном направлении ко второму впускному каналу, содержащего опорный элемент, имеющий опорную поверхность для опоры абразивных частиц, проходящую в выбранном направлении, при этом сепараторный магнит расположен относительно опорной поверхности таким образом, чтобы создавать магнитное поле для удержания частиц на опорной поверхности, которое имеет полосу сильного поля, полосу слабого поля и градиент магнитного поля в зоне градиента между полосами сильного и слабого поля, причем сила магнитного поля в полосе сильного поля больше, чем в полосе слабого поля, приводное средство для вращения сепараторного магнита для продвижения полос сильного поля и слабого поля относительно опорной поверхности в направлении, имеющем составляющую в направлении градиента магнитного поля на опорной поверхности, причем за полосой сильного поля следует полоса слабого поля.

Вдоль полосы сильного поля, по меньшей мере, первый магнитный полюс и второй магнитный полюс противоположной полярности могут быть расположены так, что первая линия магнитной индукции на опорной поверхности от первого магнитного полюса до второго магнитного полюса короче, чем вторая линия магнитной индукции на опорной поверхности, пересекающая зону градиента от первого магнитного полюса до любого ближайшего магнитного полюса противоположной полярности.

Далее изобретение будет описано, в качестве примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематично показывает разрез части инструмента для проходки объекта;

фиг.2 - схему линий магнитного поля в сечении по линии А-А;

фиг.3 - схему поверхности сепараторного магнита по изобретению;

фиг.4а, 4b, 4с схематично показывают различные схемы альтернативных поверхностей сепараторного магнита по изобретению;

фиг.5 показывает схематичный вид инструмента для проходки объекта.

На чертежах подобные детали обозначены идентичными номерами ссылочных позиций. Там, где в последующем описании указано направление вращения, направлением транспортировки каждый раз является направление взгляда, относительно которого задано направление вращения.

Часть инструмента для проходки объекта схематично показана в продольном разрезе на фиг.1. Инструмент может быть присоединен к нижнему концу бурильной колонны (не показана), проходящей в скважину, выполненную в объекте, таком как подземная формация. Инструмент приспособлен для подачи струи потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, в объект, подлежащий проходке, и для рециркуляции, по меньшей мере, части абразивных частиц. Абразивные частицы для этого инструмента должны быть намагничиваемыми.

Инструмент снабжен продольным каналом 1 для бурового раствора, один конец которого сообщен с каналом для бурового раствора, обеспеченном в бурильной колонне, а другой его конец сообщен с системой гидромонитора, которая содержит смесительную камеру 2, соединенную с каналом 1 для бурового раствора посредством первого впускного канала 3 для бурового раствора.

Смесительная камера 2 также сообщена со вторым впускным каналом 4 для абразивных частиц и со смесительным соплом 5, имеющим выпускной канал (не показан), приспособленный для выпуска струи потока бурового раствора и абразивных частиц в подземную формацию во время бурения, когда бурильный инструмент находится в скважине.

Смесительная камера снабжена деталью 14 из магнитного материала, расположенной со стороны, противоположной впускному каналу 4 для абразивных частиц.

Смесительное сопло 5 расположено под наклоном относительно продольного направления бурильного инструмента с углом наклона 15-30° к вертикали, но можно использовать другие углы. Угол наклона предпочтительно составляет около 21°, что оптимально для абразивного эродирования дна скважины осевым вращением всего инструмента внутри скважины. Смесительная камера 2 и смесительное сопло 5 выровнены под одним углом с выпускным соплом для достижения оптимального ускорения абразивных частиц.

Канал 1 для бурового раствора приспособлен для обхода устройства 6 для транспортировки магнитных частиц, которое включено в инструмент как часть системы рециркуляции для магнитных абразивных частиц, которая может быть использована, если абразивные частицы содержат магнитный материал. Устройство 6 включает опорный элемент в виде слегка сужающейся втулки 15 для обеспечения опорной поверхности, проходящий вокруг имеющего, по существу, цилиндрическую форму удлиненного сепараторного магнита 7. Сепараторный магнит 7 создает магнитное поле для удержания магнитных частиц на опорной поверхности 15.

Канал 1 для бурового раствора расположен неподвижно относительно опорной поверхности 15 и смесительной камеры 2. Нижний конец канала 1 для бурового раствора расположен вблизи второго впускного канала 4 для абразивных частиц. В настоящем варианте осуществления канал 1 для бурового раствора выполнен внутри выступа в осевом направлении, контактирующего с опорной поверхностью 15. Канал 1 для бурового раствора может, в качестве альтернативы, быть расположен отдельно от опорной поверхности способом, похожим на показанный и описанный в международной публикации WO 02/34653 со ссылкой на содержащуюся в ней фиг.4, или в не осевом направлении. Второй впускной канал 4 для абразивных частиц находится у нижнего края выступа.

Опорная поверхность 15 имеет коническую форму. В качестве альтернативы опорная поверхность может быть цилиндрической.

Цилиндрический сепараторный магнит 7 выполнен из четырех малых магнитов 7а, 7b, 7с и 7d, сложенных вместе, один над другим. Также можно использовать другое количество малых магнитов. Каждый сепараторный магнит 7а, 7b, 7с и 7d имеет диаметрально противоположные северный (N) и южный (S) полюса, и магниты сложены один над другим таким образом, что направления N-S смежных магнитов повернуты в отношении друг друга по азимуту вокруг центральной продольной оси 8 на угол ϕ, такой, что каждая из двух, по существу, винтовых диаметрально противоположных полос образована чередующимися полюсами N и S.

С точки зрения данного описания магнитный полюс - это область на магнитной поверхности или на опорной поверхности, где линии магнитных полей пересекают магнитную поверхность или опорную поверхность, таким образом оказывающаяся областью истока или стока линий магнитного поля.

Благодаря природе биполярного магнита сила магнитного поля в областях между полюсами N и S в каждом из малых магнитов 7а, 7b, 7с и 7d ниже, чем, по существу, в выровненных по винтовой линии областях между полюсами N и S. Таким образом, винтовые полосы чередующихся полюсов N и S образуют полосу сильного поля с силой магнитного поля, повышенной относительно областей, образующих полосу слабого поля, смещенную примерно на 90° по азимуту в отношении данной полосы сильного поля. Между полосами сильного и слабого поля существует зона градиента, где сила магнитного поля снижается от повышенного значения в полосе сильного поля до значения в полосе слабого поля.

Сепараторный магнит 7 имеет центральную продольную ось 8 и может вращаться относительно втулки 15 и вокруг центральной продольной оси 8. Обеспечено приводное средство (не показано) для управления осью 8 и, следовательно, для вращения сепараторного магнита 7 по часовой стрелке или против часовой стрелки, что продиктовано направлением хода винтовой полосы. Приводное средство предпочтительно может быть обеспечено в виде электродвигателя, которым может управлять система управления (не показана).

На нижнем конце магнита 7d выполнен короткий сужающийся участок 11. Втулка 15 снабжена соответствующим коническим сужением таким образом, что второй впускной канал 4 для абразивных частиц обеспечивает гидравлическое сообщение между опорной поверхностью 15, окружающей сужающийся участок 11, и смесительной камерой 2. Коническое сужение лучше всего выполнять с тем же углом, что и обсуждаемый выше угол смесительной камеры 2 и смесительного сопла 5.

На фиг.2 показан разрез по линии А-А, показанный на фиг.1 и 5, проходящий через магнит 7d поперек оси 8 и через смесительную камеру 2 и деталь 14 из магнитного материала. Данная геометрия подходит для вращения сепараторного магнита против часовой стрелки. Сила магнитного поля для различных положений вокруг опорных поверхностей 15 показана посредством областей, имеющих различные оттенки серого цвета.

Участок линий магнитного поля, примером которых являются линии 20, проходит между полюсами магнита 7d противоположной полярности. Деталь 14 из магнитного материала, со стороны, противоположной впускному каналу 4 для абразивных частиц (для сравнения см. фиг.1), заставляет участок линий магнитного поля проходить от нижнего конца 11 сепараторного магнита до этой детали 14 из магнитного материала. Линии 21 и 22 магнитного поля являются примером таких линий магнитного поля, образующих «мостовое» соединение.

Также на фиг.2 показаны ограждение 43 и промежуток 44, проходящий между ограждением 43 и опорной поверхностью 15. Это будет более подробно объяснено ниже со ссылкой на фиг.5.

Инструмент работает следующим образом. Инструмент присоединяют к нижнему концу бурильной колонны, которую опускают с поверхности в скважину. Поток бурового раствора закачивают подходящим насосом (не показан) на поверхности через канал бурильной колонны для бурового раствора и канал 1 в смесительную камеру 2. Во время первоначального закачивания обеспечивают поток с низкой концентрацией абразивных частиц магнитного материала, такого как стальная дробь или стальные опилки.

Поток протекает от смесительной камеры 2 к смесительному соплу 5 и выпускается струей в забой скважины. Одновременно бурильная колонна вращается таким образом, что забой скважины подвергается равномерному эродированию. Возвратный поток, содержащий жидкость, абразивные частицы и обломки породы, образованные при проходке, протекает от забоя скважины через скважину по направлению обратно, к поверхности. Таким образом, возвратный поток проходит вдоль втулки 15.

Одновременно с закачиванием потока бурового раствора сепараторный магнит 7 вращается вокруг своей оси 8, в направлении, продиктованном направлением хода винтовых полос, который может быть по часовой стрелке или против часовой стрелки. Сепараторный магнит 7 индуцирует магнитное поле, проходящее до наружной поверхности втулки 15 и за нее. При прохождении потока вдоль втулки 15 абразивные частицы в потоке отделяются от потока магнитными силами от сепараторного магнита 7, который притягивает частицы на наружную поверхность втулки 15.

Поток бурового раствора, который теперь, по существу, свободен от абразивных магнитных частиц, протекает дальше через скважину к насосу на поверхности, и рециркулируется через бурильную колонну после удаления бурового шлама.

Магнитные силы, приложенные к абразивным частицам, в полосе слабого поля меньше, чем в полосе сильного поля. Магнитные частицы, удерживаемые на опорной поверхности 15, притягиваются к полосе, имеющей самое сильное магнитное поле. Благодаря вращению сепараторного магнита 7 в направлении против хода винтовых полос со стороны соответствующих полос и зоны градиента между ними к магнитным частицам приложена сила в направлении, перпендикулярном зоне градиента, которая имеет составляющую, направленную вниз, таким образом заставляя частицы следовать по спирали вниз.

При поступлении частиц ко второму впускному каналу 4 поток бурового раствора, поступающий в смесительную камеру 2, снова увлекает частицы.

В результате применения детали 14 из магнитного материала градиент магнитного поля (видимый как плотность последовательных областей, показанных оттенками серого цвета) от опорной поверхности 15 к внутренней части смесительной камеры 2 становится менее сильным, таким, что это облегчает прохождение магнитных абразивных частиц 23 через впускной канал 4 в смесительную камеру 2.

Оказавшись внутри смесительной камеры 2, частицы взаимодействуют с потоком бурового раствора, проходящим через смесительную камеру 2 из впускного канала 3 в смесительное сопло 5, и, следовательно, эти частицы будут увлечены этим потоком.

В следующем цикле абразивные частицы снова выпускаются струей на забой скважины и последовательно проходят через кольцевое пространство, образованное инструментом и скважиной, по направлению к поверхности. Затем цикл непрерывно повторяют. Таким образом, достигают того, что бурильная колонна/насосное оборудование, по существу, свободны от повреждения абразивными частицами, так как они циркулируют только через нижнюю часть бурильной колонны, в то время как буровой раствор циркулирует по всей буровой колонне и насосному оборудованию. В случае проникновения малой фракции частиц через скважину на поверхность такая фракция может быть снова возвращена обратно посредством потока раствора, протекающего через бурильную колонну.

Тело из магнитного материала также может быть выполнено в виде шарика, находящегося в полости, расположенной за смесительной камерой 2 со стороны, противоположной впускному каналу 4 для абразивных частиц.

Сепараторный магнит 7 с правым ходом винтовой линии (для использования при вращении против часовой стрелки) показан на фиг.3 в представлении, в котором цилиндрическая поверхность плоско развернута в плоскости бумаги. Таким образом, по вертикали показана высота сепараторного магнита, который разбит на малые магниты 7а, 7b, 7с и 7d, а по горизонтали видна поверхность по всем азимутам от 0 до 360°. Как можно увидеть, угол ϕ в этом случае равен 90° в отношении каждого из малых магнитов в блоке, причем угол ϕ является разностью азимутальных углов между спроецированными направлениями N-S в двух соседних малых магнитах. В качестве альтернативы угол ϕ может меняться вдоль магнитного блока.

Области 16 схематично указывают на зоны градиента, где сила магнитного поля снижается наиболее резко, от повышенного значения в полосе сильного поля до значения в полосе слабого поля.

В зависимости как от угла ϕ, так и от осевой высоты малых магнитов, каждая из двух полос сильного поля тянется в направлении, образующем угол Θ в отношении плоскости, перпендикулярной к центральной продольной оси, как указано на фиг.3. Угол Θ может изменяться вдоль магнитного блока.

Магнитные частицы, удерживаемые на опорной поверхности сепараторным магнитом, стремятся расположиться вытянутыми цепочками вдоль линий магнитной индукции от одного полюса до ближайшего полюса противоположной полярности. Наикратчайшая линия магнитной индукции на приближенной к цилиндрической поверхности между двумя смежными положениями полюсов N и S внутри одной полосы сильного поля, показанная на фиг.3 пунктирной линией 9, короче, чем наикратчайшая линия по приближенной к цилиндрической поверхности между положением S-полюса (или N-полюса) в этой полосе сильного поля и ближайшим положением N-полюса (S-полюса) в другой полосе сильного поля. Таким образом, магнитные частицы будут стремиться образовать цепочку вдоль линии 9, выровненную по полосе сильного поля. Пунктирная линия 10 показана имеющей ту же длину линии, что и пунктирная линия 9, и видно, что эта пунктирная линия 10 слишком коротка, чтобы покрыть расстояние от N-полюса в полосе сильного поля до ближайшего S-полюса за пределами полосы, пересекая зону 16 градиента.

Соответствующие расстояния задают на опорной поверхности, так как это приблизительно то расстояние, на которое могут вырасти цепочки частиц.

На фиг.4 показана альтернативная схема сепараторного магнита, также для вращения против часовой стрелки, где магниты 7a-7d, изображенные на фиг.1, заменены в два раза большим количеством магнитов, осевая высота каждого из которых составляет половину осевой высоты тех магнитов 7a-7d. С другой стороны, может быть задействовано другое число магнитов. Магниты в середине сложены в последовательности NNSSNN или SSNNSS, в соответствии с чем все смежные полюса находятся на винтовой полосе. По сравнению с сепараторным магнитом 7, изображенным на фиг.1, соседние комбинации полюсов N-N и S-S имеют псевдовинтовую форму в соответствии с винтовым расположением полосы. Кроме того, магнитные полюса на сепараторном магните, образованные первым и последним из малых магнитов в блоке, меньше в направлении складывания, чем магнитные полюса в среднем участке сепараторного магнита. Преимущество этого состоит в том, что линии магнитной индукции с самого верхнего или самого нижнего магнитного полюса в полосе сильного поля могут найти свой ближайший магнитный полюс противоположной полярности в той же полосе сильного поля. Первый и последний магниты в блоке могут даже иметь меньшую осевую высоту, чем другие магниты в блоке.

В варианте осуществления, изображенном на фиг.4, обеспечена область пониженной магнитной проницаемости в виде винтовой выемки 26 в наружной поверхности сепараторного магнита 7, примыкающей к полосе сильного поля. Из-за более высокой магнитной проницаемости магнитного материала, в отличие от менее магнитного материала, который заполняет выемки (газа, жидкости или твердого вещества), внутренние линии магнитного поля следуют преимущественно за материалом магнита, а не за материалом, содержащимся в выемках. Это делает полосу сильного поля с повышенной силой магнитного поля, примыкающую к выемке 26, более выраженной. На фиг.4а показано сечение сепараторного магнита, на котором показаны круговые контуры 24 вокруг диаметрально противоположных полюсов, соединенные, по существу, прямолинейными контурами 25. Прямолинейные контуры согласованы с выемками 26, а круговые контуры - с полосами сильного поля с повышенной силой магнитного поля.

На фиг.4b показан схематичный вид спереди сепараторного магнита, на котором наклонные линии указывают на переход между круговыми контурами и, по существу, прямолинейными контурами. На фиг.4с показан схематичный вид всей поверхности тем же образом, что и на фиг.3. Угол Θ винтовой выемки равен 53°.

Предпочтительно выемка достигает глубины в отношении цилиндрической периферии сепараторного магнита, равной или большей, чем расстояние между промежутком между магнитной поверхностью в полосе сильного поля и опорной поверхностью.

Ясно, что сепараторные магниты, показанные на фиг.3 и 4 для вращения против часовой стрелки, также могут быть подготовлены для вращения по часовой стрелке сменой направления хода винтовых полос с правого на левое.

Обеспечение детали из магнитного материала в смесительной камере или вблизи нее также предпочтительно в рециркуляционных системах, которые содержат другое устройство магнита, отличное от предпочтительных устройств магнита, описанных выше, примеры которых раскрыты в WO 02/34653 и в патенте США 6510907.

Подходящие магниты для описанной системы рециркуляции могут быть изготовлены из любого сильно намагничиваемого материала, включая NdFeB, SmCo и AlNiCo5, или их сочетание.

Сепараторный магнит предпочтительно также имеет магнитное энергосодержание, по меньшей мере, 140 кДж/м³ при комнатной температуре, предпочтительно - более 300 кДж/м³ при комнатной температуре, как в случае с магнитами на основе NdFeB. Высокое энергосодержание позволяет использовать более короткую осевую длину контакта опорной поверхности с возвратным потоком и, следовательно, более сильное сужение опорной поверхности, что предпочтительно для осевой транспортной скорости. Также требуется меньше энергии для вращения сепараторного магнита.

Втулку 15 и обходной канал 1 для бурового раствора обычно изготавливают из немагнитного материала. Их выполняют подходящей механической обработкой из единого куска материала, чтобы достичь оптимальной механической прочности. Жаропрочные сплавы, включая высокопрочные устойчивые к коррозии немагнитные сплавы Ni-Cr, включая один, продаваемый под наименованием Inconel 718 или Allvac 718, который был признан особенно подходящим. Могут быть использованы другие материалы, включая BeCu.

На фиг.5 показан схематичный вид инструмента для проходки объекта, включающего систему рециркуляции, как описано выше. На фиг.5 показаны опорная поверхность 15 конической формы, вмещающая сепараторный магнит, и выступ 41, вмещающий обходной канал для бурового раствора. Размеры соответствуют данным в Таблице.

Наименование размера деталиСсылочная позицияВеличина размераОсевая длина сепараторного магнита7120 ммНаружный диаметр сепараторного магнита729 ммДиаметр в нижней части опорной поверхности1534 ммДиаметр в верхней части опорной поверхности1552 мм

Область вблизи второго впускного канала 4 (как изображено на фиг.1) защищена экраном в виде ограждения 43. Между ограждением 43 и опорной поверхностью 15 оставлен промежуток, через который имеется доступ к впускному каналу 4 для абразивных частиц посредством прохода вдоль опорной поверхности 15. Проход идет через фильтр, открывающийся в виде прорези 44, проходящей между ограждением 43 и опорной поверхностью 15.

Опорная поверхность 15 и внутренняя поверхность ограждения 43 образуют проходной канал, соединяющий второй впускной канал 4 с кольцевым пространством скважины. Это ограждение выполняет функцию фильтра, позволяющего избежать попадания в проходной канал крупиц породы большего размера, чем размер входного окна второго впускного канала 4.

Ограждение 43 также направляет поток бурового раствора из кольцевого пространства скважины в смесительную камеру 2 вдоль опорной поверхности 15 в желаемом направлении транспортировки. Таким образом, осуществляется дополнительная поддержка рециркуляции абразивных частиц обратно в смесительную камеру 2. Для увлечения достаточного количества бурового раствора с потоком магнитных частиц скорость бурового раствора в кольцевом пространстве скважины предпочтительно не должна превышать 3 м/с. Если требуется, в стенке ограждения со стороны кольцевого пространства выполнены дополнительные пазы.

Ограждение 43, как показано на фиг.2 и 5, подходит для использования в сочетании с сепараторным магнитом, вращаемым против часовой стрелки. Ясно, что для инструмента с вращаемым по часовой стрелке сепаратором ограждение должно быть обеспечено с другой стороны впускного канала для абразивных частиц.

Струйный насосный механизм в смесительном сопле 5 генерирует сильный поток бурового раствора из смесительной камеры 2 в смесительное сопло 5. Струйный насосный механизм дополнительно поддерживает поток магнитных частиц в смесительную камеру 2. Больший диаметр смесительного сопла 5 по сравнению с впускным соплом для бурового раствора (между впускным каналом 3 и смесительной камерой 2) приводит к достаточному увлечению бурового раствора и магнитных абразивных частиц, попадающих в смесительную камеру через впускной канал 4 для абразивных частиц. Взаимодействие между увлеченным буровым раствором и магнитными частицами также содействует эффективности снятия частиц с опорной поверхности 15 в смесительную камеру 2.

При проходке скважины в подземной формации возвратный поток бурового раствора в кольцевом пространстве скважины (образованном стенкой скважины и землеройным инструментом) может проходить через систему рециркуляции со скоростью 2 м/с, или даже выше. По достижении магнитным полем кольцевого пространства скважины к частицам должно быть приложено тяговое усилие, достаточно сильное, чтобы притянуть их к опорной поверхности до того, как они пройдут через устройство. В то же самое время магнитная сила, притягивающая частицы на корпус, должна быть как можно более низкой, чтобы минимизировать силы трения и энергоемкость для вращения сепараторного магнита. Наиболее подходящий сепараторный магнит - тот, который имеет как можно более высокий коэффициент для самого низкого основного радиального полярного момента, который обычно является магнитом, у которого дипольное поведение доминирует над квадрупольным поведением для определенного энергосодержания.

Для достижения наибольшей эффективности захвата системы рециркуляции сепараторный магнит предпочтительно расположен в осевом центре скважины. В обычной скважине допустимо малое осевое смещение, до 15% диаметра инструмента для проходки. Вариант осуществления, показанный на фиг.5, имеет осевое смещение сепараторного магнита, смещенного по оси внутри опорной поверхности 15, равное 10%, или приблизительно 7 мм для заданного диаметра скважины в 70 мм.

В качестве альтернативы цилиндрическому сепараторному магниту наружный диаметр сепараторного магнита и внутренний диаметр внутренней стенки 35 могут быть выполнены, уменьшаясь с понижением осевой высоты. Малые магниты, из которых собран сепараторный магнит, могут иметь форму усеченного конуса, чтобы получить сужающуюся форму сепараторного магнита. Промежуток между сепараторным магнитом и внутренней стенкой опорной втулки также может уменьшаться, как и толщина стенки опорной втулки.

Буровой раствор в смесительном сопле 5 или в абразивной струе обычно может содержать концентрацию магнитных абразивных частиц до 10% по объему. Обычная концентрация магнитных абразивных частиц, которые подают через обходной канал 1, находится между 0,1 и 1% по объему. Сепараторный магнит обычно приводят в движение с частотой вращения от 10 до 40 Гц.

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к гидромониторным снарядам для бурения скважин. Техническим результатом является повышение эффективности работы скважинного инструмента. Инструмент содержит систему гидромонитора, приспособленную для подачи на объект, подлежащий проходке, струйного потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами. Система гидромонитора имеет смесительную камеру с первым впускным каналом для бурового раствора, вторым впускным каналом для абразивных частиц и выпускным соплом для выпуска бурового раствора, смешанного с абразивными частицами. Система гидромониторного инструмента приспособлена для рециркуляции, по меньшей мере, некоторых абразивных частиц из возвратного потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, вниз по ходу относительно поверхности столкновения струи с объектом, обратно в струйную систему. При этом абразивные частицы содержат магнитный материал, а система рециркуляции содержит сепараторный магнит для отделения абразивных частиц от возвратного потока и для транспортировки частиц ко второму впускному каналу. Причем инструмент также содержит деталь из магнитного материала, расположенную в смесительной камере или вблизи нее, которая приспособлена оттягивать часть магнитного поля, создаваемого сепараторным магнитом, в смесительную камеру. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Инструмент для проходки объекта, содержащий систему гидромонитора, приспособленную для подачи на объект, подлежащий проходке, струйного потока бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, и имеющую, по меньшей мере, смесительную камеру с первым впускным каналом для бурового раствора, вторым впускным каналом для абразивных частиц и выпускным соплом для выпуска бурового раствора, смешанного с абразивными частицами, систему для рециркуляции, по меньшей мере, некоторых абразивных частиц из возвратного потока раствора, смешанного с абразивными частицами, вниз по ходу относительно поверхности столкновения струи с объектом, обратно в струйную систему, при этом абразивные частицы содержат магнитный материал, система для рециркуляции содержит сепараторный магнит для отделения абразивных частиц от возвратного потока и для транспортировки частиц во второй впускной канал, отличающийся тем, что содержит деталь из магнитного материала, расположенную в смесительной камере или вблизи нее и приспособленную для оттягивания части магнитного поля, создаваемого сепараторным магнитом, в смесительную камеру.2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что часть магнитного поля в смесительной камере направлена, по существу, поперек пути проникновения потока бурового раствора между впускным каналом для бурового раствора и выпускным соплом.3. Инструмент по п.1 или 2, отличающийся тем, что деталь из магнитного материала расположена со стороны смесительной камеры, противоположной второму впускному каналу.4. Инструмент по п.1 или 2, отличающийся тем, что система рециркуляции содержит опорную поверхность для направления абразивных частиц ко второму впускному каналу и экран, расположенный на расстоянии от опорной поверхности, при этом зазор между экраном и опорной поверхностью образует проход от возвратного потока ко второму впускному каналу вдоль опорной поверхности.5. Инструмент по п.1 или 2, отличающийся тем, что сепараторный магнит системы рециркуляции является частью транспортного устройства для транспортировки абразивных частиц в выбранном направлении ко второму впускному каналу, содержащего опорный элемент, имеющий опорную поверхность для опоры абразивных частиц, проходящую в выбранном направлении, при этом сепараторный магнит расположен относительно опорной поверхности таким образом, чтобы создавать магнитное поле для удержания частиц на опорной поверхности, которое имеет полосу сильного поля, полосу слабого поля и градиент магнитного поля в зоне градиента между полосами сильного и слабого поля, причем сила магнитного поля в полосе сильного поля больше, чем в полосе слабого поля, приводное средство для вращения сепараторного магнита для продвижения полос сильного поля и слабого поля относительно опорной поверхности в направлении, имеющем составляющую в направлении градиента магнитного поля на опорной поверхности, причем за полосой сильного поля следует полоса слабого поля.6. Инструмент по п.5, отличающийся тем, что вдоль полосы сильного поля, по меньшей мере, первый магнитный полюс и второй магнитный полюс противоположной полярности расположены так, что первая линия магнитной индукции на опорной поверхности от первого магнитного полюса до второго магнитного полюса короче, чем вторая линия магнитной индукции на опорной поверхности, пересекающая зону градиента от первого магнитного полюса до любого ближайшего магнитного полюса противоположной полярности.

Приоритет по пунктам: