CN100449108C - 用来挖掘物体的工具 - Google Patents

Abstract

此工具包括：射流系统，它被设置成用混以磨粒的钻液射流冲击待挖掘物体，射流系统设置有至少一个带钻液入口(3)、磨粒用第二入口(4)和用来释放混以磨粒的钻井液的出口喷嘴的混合室(2)；再循环系统，它被设置成使至少一些磨粒再循环，从射流冲击物体表面的下游的混以磨粒的钻液的回流回到射流系统，由此，磨粒由磁性材料组成，再循环系统包括分离器磁铁(7)，用来使磨粒与所述回流分离，并用来将磨粒输送到第二入口；磁性材料块(14)，它设置在混合室(2)中或附近，以将分离器磁铁产生的磁场的一部分拉入混合室(2)。

Description

用来挖掘物体的工具

技术领域

本发明涉及一种挖掘物体的工具。

背景技术

这种工具一般可设置在在地下钻孔中工作的钻柱的下端。由此，在操作过程中，可将钻液经钻柱中的纵向通道从地表抽至该工具，然后经钻柱与钻孔壁间的环形空间以回流的形式基本上抽回地表。

为了避免磨粒经钻柱和环形空间连续循环，US 6510907提出提供带再循环系统的工具用来使磨粒从回流中分离出来并使这些磨粒再次引入钻液主流经过的混合室。再循环系统的实施例基于一分离器磁铁，该磁铁使磨粒与回流磁力分离。为此磨粒由磁性材料制成。

国际出版物WO 02/34653中描述了另一种这类工具。该工具的再循环系统基于一螺形分离器磁铁，该磁铁同心地设置在一支承件内。支承件由一柱形套形成，套的外表面形成一支承表面。磁粒由螺形分离器磁铁产生的磁场保持在支承面上。分离器磁铁有一中心纵向轴，分离器磁铁可相对该套绕此轴转动。

驱使分离器磁铁绕轴转动时，磁粒受到一垂直于螺形槽的磁场强度的运动的梯度作用，磨粒将跟随其运动。这样，磨粒就在支承表面上被回送到射流系统，以再次引入混合室。

两种现有技术工具均依赖磁性磨粒从分离器磁铁有效地输入混合室，以被钻液流夹带。

特别是，当大量磨粒须在单位时间内再循环时，此输送必须有效，否则进入混合室的磨粒入口可能被到达该入口的过量磁粒堵塞。

发明内容

为了改善输送，本发明提供了一种用来挖掘物体的工具，此工具包括：

射流系统，它被设置成用混以磨粒的钻液射流冲击待挖掘物体，射流系统设置有至少一个带钻液入口、磨粒用第二入口和用来释放混以磨粒的钻井液的出口喷嘴的混合室；

再循环系统，它被设置成使至少一些磨粒从对物体射流冲击的下游的混以磨粒的钻液的回流再循环而回到射流系统。由此，磨粒包括磁性材料。循环系统包括分离器磁铁，用来使磨粒与所述回流分离，并用来将磨粒输送到第二入口；

磁性材料块，它设置在混合室中或附近，以将分离器磁铁产生的磁场的一部分拉入混合室。

在再循环系统中的分离器磁铁的影响下，磁性材料块将磁化，一镜像磁极(image pole)将在磁性材料块上形成。该磁性材料块具有与面临磁性材料块的分离器磁铁上的磁极相反的极性。磁力线将从分离器磁铁上的磁极跨越到磁性材料块中的感生镜像磁极，因此，分离器磁铁产生的磁场的一部分被拉入混合室。因此磁性磨粒受到的磁场梯度在磨粒入口附近局部区域低于分离器磁铁附近其它区域。因此，磨粒从再循环系统输入混合室的效率得到提高。

更可取的是，使混合室中磁场一部分的方向基本上横向于在钻液入口与出口喷嘴间的钻液流路。因此可以实现是，磁粒呈链状被拉入混合室，链的走向横对混合室中钻液的流向。因此，钻液与磨粒的相互作用达到最大，这样磨粒就可以最大效率获得动能。

在一个实施例中，再循环系统包括一支承表面以便将磨粒引向第二入口，可在离支承表面一定距离处设置一屏障，使在屏障与支承表面间留有间隙，由此形成一沿支承表面从回流到第二入口的路径。

因此，流体可从回流引入第二入口，由此进一步支持磨粒通过第二入口输入混合室。

附图说明

现拟参照附图借助例子对本发明加以阐述，其中

图1简要示出用来挖掘物体的工具的局部剖面图；

图2示出A-A剖面的磁力线图；

图3简要示出本发明一种分离器磁铁表面配置的表面形态图；

图4(a至c各部)简要示出本发明各种可替换的分离器磁铁表面配置；

图5示出用来挖掘物体的工具的示意图。

附图中，相似件标号相同。在下面的描述中，对转动方向作了规定，每次的输送方向为与所限定的转动方向相关联的观察方向。

具体实施方式

用来挖掘物体的工具局部的纵向剖面简要示于图1。可将工具连至钻柱的下端(未示出)，钻柱则伸入在地层之类物体中形成的井孔中。对工具加以设置以便朝待挖掘物体喷射混以磨粒的钻流，并使至少部分磨粒再循环。用于此工具的磨粒须可磁化。

此工具设置有一纵向钻液通道1，该通道在其一端与钻柱中设置的钻液通道流体连通，在其另一端与射流系统流体连通。射流系统包括一混合室2，混合室2经一钻液入口3连至钻液通道1。

混合室2还与一磨粒用第二入口4(一磨粒入口)流体连通，并与一混合喷嘴5连通。喷嘴5有一出口(未示出)，对出口加以设置，以便在井孔中在用钻孔工具钻孔的过程中朝地层喷射钻液流和磨粒。

混合室在与磨粒入口4相对的那面设置有一块磁性材料14。

混合喷嘴5被设置成相对钻孔工具的纵向倾斜，相对竖直方向的倾斜角为15-30°，但也可采用其它角度。更可取的是倾斜角为21°，对在井孔内通过轴向转动整个工具来磨蚀冲蚀井孔底部而言，此角度为最佳。混合室2和混合喷嘴5与相同角度下的出口喷嘴对准成直线，以便使磨粒的加速达到最佳。

钻液通道1被设置以便旁通用于输送磁粒的装置6，装置6被包括在工具中，作为用于磁性磨粒的再循环系统的一部分，该装置在磨粒包含一种磁性材料时可加以使用。装置6包括一形如渐缩套15的支承件，用来提供一围绕大体柱状细长分离器磁铁7延伸的支承表面。分离器磁铁7产生一磁场，用来将磁粒滞留在支承表面15上。

钻液通道1是相对支承表面15和混合室2固定配置的。钻液通道1有一设置在磨粒用第二入口4附近的下端。在本发明实施例中，钻液通道1是沿轴向在一脊内形成的，该脊与支承表面15保持伸突式接触。可以选择地，可将钻液通道1设置成以下面的方式或沿偏离轴向的方向独立于支承表面，该方式类似于国际出版物WO 02/34653中所示、所描述的方式，参考其中图4。用于磨粒的第二入口4则位于脊的下端。

支承表面15呈锥型。可选择地，支承表面可为柱形。

柱形分离器磁铁7由四个堆积在一起的小磁铁7a、7b、7c和7d形成。也可采用不同数量的小磁铁。每个分离器磁铁7a、7b、7c和7d具有极性完全相反的N、S极。磁铁这样加以堆积，使相邻磁铁具有围绕中心纵轴8相对彼此在方位上旋转一角度

的N-S极方向，从而使两条大体螺旋形的直径上相对的带每条都由交替的N、S极形成。

对本说明书来说，磁极是磁铁表面上或支承表面上的区域，该处磁力线越过磁铁表面或支承表面，由此表现为磁力线的起域或收域。

出于双极磁铁的特性，每个小磁铁7a、7b、7c和7d中N、S极间区域中磁场强度低于围绕N、S极的大体螺旋形排列区域中的磁场强度。这样，交替的N、S极的螺旋带就形成一相对下面的一些区域提高了磁场强度的强场带，这些区域形成弱场带，该弱场带相对那种强场带在方位上移动了90°左右。在高低磁场带之间有一梯度区域，该处磁场强度由强磁场带中提高值降至弱场带中的值。

分离器磁铁7有一中心纵轴8并可相对套15、围绕中心纵轴8转动。设置了驱动装置(未示出)以便驱动轴8并由此使分离器磁铁7由螺旋带指向顺时针或逆时针转动。驱动装置有利的是可以设置为由控制系统(未示出)控制的电机的形式。

在磁铁7d的下端设置了一个短渐缩段11。套15以这样的方式设置有相应的圆锥形的锥形段，即使得磨粒用第二入口4在围绕渐缩段11的支承表面15与混合室2之间提供钻液通路。圆锥形的锥形段最好是基于与上述混合室2和混合喷嘴5的角度相同的角度。

图2示出沿图1、5中的A-A的剖面，横对轴8穿过磁铁7d并穿过混合室2和磁性材料块14。几何配置适于分离器磁铁的逆时针方向转动。围绕支承表面15的各种不同位置的磁场强度用灰度等级给出。

一部分磁力线，线20为其一例，穿行在相反极性的磁铁7d上的磁极之间。磁性材料块14，在与磨粒入口4相对的一边上(比较图1)，使一部分磁力线从分离器磁铁的下端11穿行至此磁性材料块14。磁力线21和22为这种形成桥状的磁力线的例子。

图2中还可见到裙边43和在裙边43与支承表面15之间延伸的间隙44。这将参照图5在下面进一步描述。

操作中，此工具按下述工作。将工具连至从表面插入井孔的钻柱的下端。钻液流由表面处适当的泵(未示出)经钻液通道1和钻柱的钻液通道抽入混合室2。在初始抽送过程中，液流配有低浓度钢粒或钢砂一类的磁性材料磨粒。

液流由混合室2流至混合喷嘴5，朝井孔底部喷射。同时，使钻柱转动以使井孔底部得到均匀冲蚀。含钻液、磨粒和挖掘碎片的回流则由井孔底部经井孔在一方向上回流至表面。由此，回流流过套15。

与抽送钻液流同时，使分离器磁铁7绕其轴8转动，转向取决于螺旋带的指向，可为顺时针也可为逆时针。分离器磁铁7感生延伸至并超过套15外表面的磁场。当液流流过套15时，液流中的磨粒靠来自分离器磁铁7的磁力从液流中分离出来，磁力将磨粒吸引到套15的外表面上。

钻液流此时基本上没有磁性磨粒，此钻液流进一步经井孔流至表面处的泵并在去除钻屑后经钻柱再循环。

施于磨粒的在弱场带中的磁力低于强场带中的磁力。保持在支承表面15上的磁粒被吸向具有最强的磁场的磁带。由于分离器磁铁7朝相对螺旋带指向的方向转动，相应磁带和磁带间梯度区朝垂直于梯度区方向施力于磁粒，该力有一向下分量，由此迫使磁粒跟随一个螺形向下运动。

当磨粒到达第二入口4时，流入混合室2的钻液流再次夹带磨粒。

因磁性材料块14，从支承表面15到混合室2内的磁场梯度(可看作为为灰色等级顺序密度)变得不太强，使磁性磨粒23经入口4进入混合室2变得更为方便。

一旦至混合室2内，磨粒就与穿过混合室2从入口3至混合喷嘴5的钻液流相互作用，由此这些磨粒将被夹带在此液流中。

下一周期，磨粒再次朝井孔底部喷射，然后在朝向表面的方向上流过工具与井孔形成的环域。然后使周期不断重复。这样结果是，钻柱/抽送设备基本上免受磨粒的损坏，因为这些磨粒仅经钻柱下部循环，而钻液经整个钻柱和抽送设备循环。如果小部分磨粒经井孔流至表面，这部分可再次由流过钻柱的液流回来。

磁性材料体也可用这样的小球状加以实施，这些小球位于设置相对磨粒入口4的一边的混合室2后面的凹腔中。

有一右手螺旋指向的分离器磁铁7(用于逆时针转动)以这样的一种表达方式示于图3，其中柱面在纸平面中展平。这样，竖向上表示出被分成小磁铁7a、7b、7c和7d的分离器磁铁的高度，水平方向上可以看到处于0至360°间所有方位的表面。可以看出，此时角

相对每个堆积小磁铁为90°，

为相邻二小磁铁中投影(projected)的N-S方向之间的方位角差。角

可沿磁堆而变。

区域16简略表示梯度区，该处磁场强度从强场带中的高值陡降至低磁场带中的值。

依赖于

和小磁铁的轴向高度，两个强磁场带中每一个都朝一方向伸展，该方向相对垂直于纵向中心轴的平面形成一角度θ，如图3中所示。角θ可沿磁堆而变。

由分离器磁铁保持在支承表面上的磁粒往往会将自身从一个磁极到反极性最近磁极沿一磁路排列成细长链。用虚线9在图3中表示的一强场带内的二相邻N、S极位间的近似柱形表面上的最短磁路，短于穿越在那个强场带中一S极(或N极)位置与另一个强场带中的最近N极(S极)位置之间的近似柱形表面上的最短磁路。这样，磁粒往往会与一强场带一致沿线9形成一条链。作为参考，虚线10被表示成与虚线9具有相同的路径长度。可以看到，此虚线10太短，难跨按从强场带中的N极到穿越梯度区16的该带之外的最近S极的距离。

相关距离在支承表面上加以确定，因为那大致是粒链将在其上增生的距离。

图4示出一备择分离器磁场配置，也用于逆时针转动。由此，图1的磁铁7a至7d为2倍的轴向高度为磁铁7a至7d轴向高度的一半的许多磁铁所取代。同样，可采用不同数量的磁铁。中间的磁铁以NNSSNN或SSNNSS顺序堆积，所有相邻磁极处于一螺旋带上。与图1的分离器磁铁7相比较，相邻的N-N和S-S极组合被假螺旋地(pseudo-helically)成形为与带的螺形配置一致。再者，堆中首尾较小磁铁形成的分离器磁铁上的磁极沿堆积方向小于分离器磁铁的中部的磁极。这有好处，即来自强场带中最上或最下部磁极的磁路可在相同强场带中找到其反极性最近磁极。堆中首尾磁铁甚至可具有小于堆中其它磁铁的轴向高度。

在图4的实施例中，低磁导率区是以邻接强场带的分离器磁铁7的外表面中的螺旋凹部26的形式设置的。由于磁性材料的磁导率高于填充该凹部的磁性不强材料(气体、液体或固体)，内磁力线主要跟随磁铁而不是凹部所含材料。这使邻近凹部26的强磁场强度的强场带更强。图4a示出分离器磁铁的横截面，表明直径上相对的磁极周围的圆形轮廓24由大体上直的轮廓25连接起来。直轮廓对应于凹部26，圆轮廓对应于强磁场强度的强场带。

图4b中提供了分离器磁铁的示意性纵向视图，该处斜线表示圆轮廓与大体直轮廓间的过渡部。图4c提供的整个表面的表示方式与图3相同。螺旋凹部的角θ为53°。

更可取的是，凹部相对于分离器磁铁的柱形圆周达到这样的深度，它类似于或大于在强场带中磁表面与支承表面之间的间隙之间的距离。

很清楚，用于逆时针转动的图3、4所示分离器磁铁也可加以制成用于顺时针方向，办法是将螺旋带的指向从右反转到左。

在带有不同于上述优选分离器磁铁配置的一种磁铁配置的再循环工具中，在混合室中或邻近混合室设置磁性块也是有好处的，WO02/34653和US 6510907中提供了一些例子。

适用于所述再循环系统的磁铁可由任何高可磁化性材料，包括NdFeB、SmCo和ALNiCo-5或其组合物制成。

更可取的是，分离器磁铁还具有在室温下一大于140kJ/m³，在室温下更可取的是大于300kJ/m³的磁能含量，NdFeB基磁铁的情况就是这样。高的能含量允许支承表面与回流较短的轴向接触长度，从而允许支承表面有更大的锥度，这有利于轴向输送速度。同时，分离器磁铁的转动需要较少的能量。

套15和钻液通道1通常用非磁性材料制成。他们适合由单一件材料加工出来以便获得最佳机械强度。超级合金，包括高强耐蚀非磁性Ni-Cr合金，包括以Inconel718或Allvac718牌号销售的合金已被发现特别适用。也可采用其它材料包括BeCu。

图5示出用来挖掘物体的工具的示意图，包括上述再循环系统。可以看到容纳分离器磁铁的圆锥形支承表面15和容纳旁路钻液通道的脊41。尺寸对应于表I中给定的那些值。

表I

部件名	标号	尺寸
			分离器磁铁的轴向长度	7	120mm
分离器磁铁的外径	7	29mm
			支承表面下部的直径	15	34mm
支承表面上部的直径	15	52mm

第二入口4邻近区域(如图1所示)由形如裙边43的屏障屏蔽。在裙边43与支承表面15之间保留一间隙畅通。通过此间隙，沿支承表面15经一路径可出入磨粒入口4。此路径通过一以延伸在裙边43与支承表面15之间的裂缝44的形式过滤器开口。

支承表面15和裙边43的内侧表面限定一使第二入口4与井孔环域相连的通道。此裙边用作过滤器，用以避开大于第二入口4出入窗口(access window)尺寸的岩粒进入该通道。

裙边43的这种设置还可朝期望输送的方向沿着支承表面15将钻液流从井孔环域引到混合室2。回入混合室2的磨粒的再循环由此进一步得到支持。为了使充足的钻液夹带以磁粒流，井孔环域中钻液的速度最好不应超过3m/s。可选择地，可在环侧裙壁中设置附加槽。

如图2、5所示的裙边43适合与逆时针可旋转的分离器磁铁结合使用。很清楚，对顺时针可旋转分离器的工具来说，裙边必需设置在磨粒入口另一侧。

混合喷嘴5中一喷射泵机构产生一从混合室2到混合喷嘴5的强大钻液流。该喷射泵机构辅助支持磁粒流入混合室2。混合喷嘴5与钻液入口喷嘴(在入口3与混合室2之间)相比直径较大，导致钻液的充分夹带和磁性磨粒经磨粒入口4进入混合室。夹带的钻液和磁粒间相互作用有助于释放磨粒的效率，使之从支承表面15进入混合室2。

在地层中挖掘井孔时，井孔环域(由井孔壁和挖掘工具形成)中钻液的回流可以2m/s或甚至更高的速度通过再循环系统。磁场进入井孔环域的范围加在粒子上的拉力应足够强，以便在它们通过装置之前将它们拉到支承表面。同时，将粒子拉到壳体的磁力应尽可能弱，以便使用于转动分离器磁铁的摩擦力和功率要求减至最小。最适合的分离器磁铁是这样的磁铁，对最低的主要径向极矩来说它具有尽可能高的系数，对一定能含量来说它一般为主双极性能超过四极性能的磁铁。

为使再循环系统的俘获效率达到最佳，分离器磁铁最好是位于井孔的轴向中心。在典型井孔中，最大为15％的挖掘工具直径的少轴向偏移是可以接受的。图5所示的实施例支承表面15内侧轴向包含的分离器磁铁对预定的70mm直径井孔而言有一10％或为大致7mm的轴向偏移。

作为柱形分离器磁铁的替代方案，分离器磁铁的外径和内壁35的内径可制得随轴向高度降低而减小。装配成分离器磁铁的较小磁铁可具有截头圆锥体形状以便获得分离器磁铁的锥形。分离器磁铁与支承套内侧壁之间的间隙以及支承套的壁厚也可减小。

混合喷嘴5或磨蚀喷嘴中的钻液可含体积浓度一般达10％的磁性磨粒。经钻液通道1提供的磁性磨粒的典型体积浓度介于0.1与1％之间。分离器磁铁一般以10至40Hz的转动频率加以驱动。

Claims (7)

1.一种用来挖掘物体的工具，此工具包括：

射流系统，它被设置成用混以磨粒的钻液射流冲击待挖掘物体，该射流系统设置有至少一个带钻液入口、磨粒用第二入口和用来释放混以所述磨粒的所述钻液的出口喷嘴的混合室；

再循环系统，它被设置成使至少一些磨粒从射流的对物体的冲击表面的下游的混以磨粒的所述钻液的回流再循环而回到所述射流系统，所述磨粒包含磁性材料，所述再循环系统包括用来使所述磨粒与所述回流分离并用来将磨粒输送到所述第二入口的分离器磁铁；

磁性材料块，它设置在所述混合室中或附近，以将所述分离器磁铁产生的磁场的一部分拉入所述混合室中。

2.如权利要求1所述的工具，其中所述混合室中所述磁场的所述一部分的方向基本上横向于所述钻液入口与所述出口喷嘴间的钻液流径。

3.如权利要求1或2所述的工具，其中所述磁性材料块位于所述混合室的与所述第二入口相对的那一侧上。

4.如权利要求1或2中任何一项所述的工具，其中所述再循环系统包括支承表面，以便将所述磨粒导向所述第二入口，并在离所述支承表面一定的距离处设置屏障，在该屏障与所述支承表面间留有间隙，由此形成沿所述支承表面从所述回流到所述第二入口的路径。

5.如权利要求1或2中任何一项所述的工具，其中所述再循环系统的分离器磁铁是将磨粒沿一选定方向朝所述第二入口输送的输送装置的一部分，该输送装置还包括：

支承件，它具有用来支承磨粒的支承表面，该支承表面沿该选定方向延伸，所述分离器磁铁相对于该支承表面设置，以产生一用来将磨粒保持在该支承表面上的磁场，该支承表面上的所述磁场被设置成具有强场带、弱场带和在所述强场带和弱场带之间的梯度区中的磁场梯度，强场带中的磁场强度比弱场带中的高；

用来使所述强场带和弱场带相对于所述支承表面朝一方向前进的部件，所述方向具有一沿所述支承表面上的所述磁场梯度的方向的分量，由此强场带由弱场带跟随。

6.如权利要求5所述的工具，其中沿所述强场带，至少有一个第一磁极和一个极性相反的第二磁极被设置成使在所述支承表面上的从所述第一磁极到所述第二磁极的第一磁路，比在所述支承表面上的从所述第一磁极到极性相反的任何其它最近磁极跨越所述梯度区的第二磁路更短。

7.如权利要求5所述的工具，其中所述梯度区是围绕所述分离器磁铁以螺旋状设置的。

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