CN101646836B - 磨蚀喷射钻井的方法和组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于操作地层钻井装置(1)的方法，钻井装置布置成供给磨料流体射流以用于通过磨蚀去除地层材料来提供钻孔，包括钻柱和连接至钻柱的钻井组件。钻井组件包括带有混合空间(13)、钻井液、颗粒进口(12)、用于排放钻井液和磁性颗粒的混合物的磨料流体出口(40)的喷射装置；和磁性颗粒循环系统，该循环系统包括暴露于沿钻井组件的返回流的支承表面。此外，提供磁装置(9)，用于将磁性颗粒吸引到支承表面上。所述方法特征在于包括如下步骤：相对于支承表面固定磁装置，选择沿倾斜支承表面朝向入口增加的磁场密度，在固定的磁装置的影响下将磁性颗粒吸引到支承表面上，在磁装置的磁场影响下使磁性颗粒在倾斜支承表面上运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作地层钻井装置的方法，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料来提供钻孔，该钻井装置包括钻柱和连接至钻柱的钻井组件，所述钻井组件包括喷射装置，该喷射装置包括混合空间、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口、用于将磁性颗粒供入混合空间的颗粒进口、用于将钻井液和磁性颗粒的混合物从混合空间排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件的返回流的支承表面、用于将磁性颗粒吸引到支承表面上并且用于将所述颗粒供入颗粒进口的磁装置，所述支承表面径向向内倾斜并且具有至少一个连接至颗粒进口的入口。
背景技术
在WO-A-2005/005765中公开了这种钻井方法。根据所述方法，使用具有可绕纵向轴线转动的磁装置的钻井组件。该磁性磨料颗粒经受与磁体转动一起移置的磁场。由于磁场的移置，颗粒被驱动至支承表面的入口。为了使磁装置转动，驱动马达和传动系统容纳在钻柱中。然而，这存在若干缺陷。
驱动马达和传动装置相当易受更大深度处存在的侵蚀性条件的损害。这意味着应该采取措施来很好地护这些部件，这导致尺寸相当大。而且，向驱动马达供应能量可能产生复杂情况，比如造成故障的电线损坏等等。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用来操作前述类型的钻井组件的方法，该方法可更可靠并且更容易实施。所述目的通过如下步骤实现：
-相对于支承表面固定磁装置，
-选择沿倾斜支承表面朝向入口增加的磁场密度，
-在固定的磁装置的影响下将磁性颗粒吸引到支承表面上，
-在磁装置的磁场影响下使磁性颗粒在倾斜支承表面上移动。
与采用装配有用于从钻井液中提取出磁性磨料颗粒的磁装置的钻井组件的现有技术的方法相对比，能得到磁性颗粒从支承表面流到磁性颗粒入口的所需流动方式而不用移动磁装置。这可通过选择沿支承表面的磁场密度的具体模式以及通过选择支承表面的具体斜度来实现。由于所述磁场密度朝向入口增加，结合支承表面的倾斜形状，使磁性颗粒被朝向入口驱动并且进入入口。
换句话说，当磁装置处于固定状态且相对于支承表面处于固定位置时使磁性颗粒循环。同时，建立沿倾斜表面朝向进口增加的磁场密度。
特别地，根据本发明的方法可包括如下步骤：
-在磁性颗粒上施加磁力Fm，
-选择具有法线的倾斜表面，该法线包括一相对于磁力矢量非零的角度。
因此，根据本发明，提供了一种用于操作地层钻井装置的方法，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料来提供钻孔，该钻井装置包括钻柱和连接至钻柱的钻井组件，所述钻井组件包括喷射装置，该喷射装置包括混合空间、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口、用于将磁性颗粒供入混合空间的颗粒进口、用于将钻井液和磁性颗粒的混合物从混合空间排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件的返回流的支承表面、用于将磁性颗粒吸引到支承表面上并且用于将所述颗粒供入颗粒进口的磁装置，所述支承表面径向向内倾斜并且具有至少一个连接至颗粒进口的入口，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-相对于支承表面固定磁装置，
-选择磁场密度，该磁场密度沿倾斜支承表面朝向入口增加，
-在固定的磁装置的影响下，将磁性颗粒吸引到支承表面上，
-在磁装置的磁场的影响下，使磁性颗粒在倾斜支承表面上移动，其中，所述方法还包括如下步骤：
-在磁性颗粒上施加磁力Fm，
-选择具有至少一条法线的倾斜表面，该法线包括一相对于磁力矢量非零的角度。
在支承表面具有小摩擦系数的情况下，沿支承表面取向的摩擦力与法向力相比很小。磁力矢量具有沿支承表面取向的分量，该分量足够大以克服所述摩擦力，由此确保磁性颗粒朝向入口运送。这种作用可通过在进口位置处或附近选择达到最大值的磁场密度的步骤来促进。此外，磁性颗粒朝向入口的运动可通过钻井液流动所施加的曳力来促进。
以这种方式再循环的磁性颗粒的数量可通过若干种方式来改变。这可通过将磁装置相对于支承表面移置到另一个固定位置从而影响支承表面处的磁场密度来实现。根据第一种可能方案，可通过根据旋转轴线和/或垂直于旋转轴线的方向将磁装置移置到另一个固定位置来改变磁性颗粒的再循环。根据第二种可能方案，这可能需要将磁装置沿钻柱的圆周方向转到另一个固定位置的步骤。
此外，本发明涉及一种用于与地层钻井装置中的钻柱连接并且随其转动的钻井组件，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料来提供钻孔，该钻井组件包括朝向地层材料的定距支座(distance holder)；喷射装置，该喷射装置包括混合空间、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口、用于将磁性颗粒供入混合空间的颗粒进口、用于将钻井液和磁性颗粒的混合物从混合空间排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件流动的磨料返回流的支承表面、用于将磁性颗粒吸引到支撑表面上并用于将所述颗粒供入颗粒进口的磁装置，所述支承表面具有至少一个连接至第二进口的入口，并且朝向所述入口径向向内倾斜。
根据本发明，还提供了一种用于与地层钻井装置中的钻柱连接且随该钻柱转动的钻井组件，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料来提供钻孔，该钻井组件包括喷射装置，该喷射装置包括混合空间、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口、用于将磁性颗粒供入混合空间的颗粒进口、用于将钻井液和磁性颗粒混合物从混合空间排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件的返回流的支承表面、用于将磁性颗粒吸引到支承表面上并且用于将所述颗粒供入颗粒进口的磁装置，所述支承表面具有至少一个连接至颗粒进口的入口，并且该支承表面朝向所述入口径向向内倾斜，其特征在于，该磁装置相对于支承表面具有至少一个固定位置，磁场密度在该固定位置处沿倾斜支承表面增加，其中磁力Fm施加在磁性颗粒上，并且倾斜表面具有至少一条法线，该法线包括一相对于磁力矢量非零的角度。
根据本发明，磁装置具有至少一个相对于支承表面的固定位置，在该至少一个固定位置中磁场密度沿着倾斜支承表面增加。
特别地，这在磁装置具有至少一个固定位置的情况下可以实现，在该至少一个固定位置中磁场密度在每个入口处或附近最大。
磁装置可保持静止的情况总的来说有下述好处，可省略驱动马达和传动装置。这增加了钻井组件的可靠性，另外提供了一种更紧凑的布局。
所希望的磁场密度模式可通过多种不同的方式得到。例如，支承表面处的磁场密度可通过选择磁装置和所述表面之间的特定距离或偏心度来调整。此外，可在磁装置和支承表面之间使用非磁性构件。
虽然在运行中磁装置相对于支承表面具有固定位置，但是在某些情况下，该磁装置可设置于若干个固定位置。因此，被循环的磁性磨料颗粒的数量可得到控制，从而控制钻井液的射流的侵蚀度。例如，这可在一个实施例中实现，其中设置致动器，通过致动器可沿大致平行于转动轴线的方向移置磁装置。关于这方面，可另外设置致动器，通过该致动器还可使磁装置沿圆周方向转动。这种致动器仅需要能够提供磁体的调整，而不是象现有技术的钻井组件中那样需要提供恒定驱动。
在一个优选实施例中，设置两个沿圆周方向观察彼此间隔一定距离的入口，所述入口中的每一个与第二进口连接并且支承表面向所述入口中的每一个倾斜，磁装置的磁极各自靠近所述入口中的相应一个设置。
在该实施例中，可使用径向磁装置，该装置的每个磁极都靠近所述入口中的一个设置。该磁装置可包括单个磁体或者一叠磁体。此外，径向向外延伸的脊可设置在入口之间，所述支承表面具有位于脊相对两侧上的两个支承表面部分，并且所述支承表面部分各自朝向相应的入口径向向内倾斜。径向场磁体的磁极可各自靠近那些支承表面部分中的一个设置。优选地，钻井液管道设置在脊内，所述管道与喷射装置的钻井液进口连接。
如前所述，磁性颗粒在支承表面行进。为了加速该运动，支承表面可具有较低的摩擦系数。例如，该支承表面可具有抛光表面，或者支承表面可具有减少摩擦涂层，例如镍-铬-碳化物涂层。
该钻井组件可设有朝向地层材料的定距支座。
附图说明
现在将根据附图所示的一个钻井组件的实施例进一步解释本发明。
图1示出了根据本发明的钻井组件的最下部分的侧视图。
图2示出了相对的侧视图。
图3示出了根据图2的侧视图，去除了盖。
图4示出了带有流动模式的示意性侧视图。
图5示出了根据图4中的V-V的剖视图。
图6示意性示出了作用在磁性颗粒上的力分量。
具体实施方式
如图1和2所示的地层钻井装置2容纳于地层5内的钻孔4中，并且包括钻井组件1和钻柱3。钻柱3从位于地层5表面上的钻机上悬挂下来，并且包括压力管道6，钻井液和磁性颗粒的混合物通过该管道供给到喷嘴10，该喷嘴在图1的部分剖切图中是可见的。
喷嘴10包括混合室38，该混合室从颗粒进口12被供给磁性颗粒和从进口33被供给加压钻井液。喷嘴10将与钢制磨料颗粒混合的钻井液排放到室13中。室13容纳在定距支座22中并且具有喇叭形上部部分14和基本为圆柱形的裙部15。流体/颗粒混合物生成圆锥形井底部16。随后，流体-颗粒混合物经由位于定距支座22下端部的开口40离开室13，并且继续经由螺旋槽39和沿钻井组件2向上流动。
此外，该钻井装置包括由包含在磁体壳8中的磁体7组成的磁力分离器9。
钢制磨料颗粒11在磁力分离器9的高度上从钻井液中提取出来。在磁力分离器9的磁体7的磁场的影响下，钢制磨料颗粒11被吸引到磁体壳8的表面17上。从图2、3和5可更清楚地看出，磁体壳8的表面17包括两个支承表面部分30、31，每一个支承表面部分设有入口34。所述支承表面部分30、31通过脊32分开，该脊包括用于将钻井液供给到喷嘴10的进料通道33。
由于磁体壳8的形状是朝向喷嘴10的颗粒入口12逐渐缩小的，以及由于由磁体7产生的特定磁场，磁体壳8上的钢制磨料颗粒11被朝向支承表面部分30、31中的入口34抽吸，参见图4和5。随后，所述钢制磨料颗粒通过高速流体在喷嘴的喉部产生的负压被吸入喷嘴10的颗粒进口12。
如图4和5进一步显示的，磁装置7具有北磁极N和南磁极S，各自分别靠近支承表面部分31、30。磁装置7离这些支承表面部分31、30具有特定间隔，该间隔可通过致动器35进行调节。该间隔在很大程度上确定了磁性颗粒11被吸引到所述支承表面部分31、30上的比率。
图6中的示意性图示示出了施加在被吸引到磁体壳8的支承表面17上的磁性颗粒11上的力。在所示实施例中的包括一叠磁体37的磁装置7在磁性颗粒11上施加磁力Fm。此外，摩擦力Ff、法向力Fn和曳力Fd作用于颗粒11上。合成力Ftot是这些力的合力。
在上部部分，磁体7的横截面尺寸变得较小，这产生通常指向下的力Ftot。曳力Fd在不同位置是不同的，取决于在磁体壳8外侧的钻井液的流动。在大部分位置，该力通常指向进口34。由于沿向下方向，磁体的横截面形状增大且其更靠近磁体壳壁，磁力在支承表面上沿所述向下方向增加。由于颗粒在支承表面上向下行进时作用在颗粒上的力增大，颗粒在所述表面上朝向进口34加速，这促进了所述颗粒的快速无阻的回收。特别地，曳力Fd和磁力Fm沿支承表面17的分量的合力应当大于摩擦力Ff。
Claims (23)
1.一种用于操作地层钻井装置(1)的方法，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料(5)来提供钻孔(4)，该钻井装置包括钻柱(3)和连接至钻柱(3)的钻井组件(2)，所述钻井组件(2)包括喷射装置(10)，该喷射装置包括混合空间(38)、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口(33)、用于将磁性颗粒(11)供入混合空间的颗粒进口(12)、用于将钻井液和磁性颗粒的混合物从混合空间(38)排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件(2)的返回流的支承表面(17；30、31)、用于将磁性颗粒(11)吸引到支承表面(17；30、31)上并且用于将所述颗粒供入颗粒进口(12)的磁装置(7)，所述支承表面(17；30、31)径向向内倾斜并且具有至少一个连接至颗粒进口(12)的入口(34)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-相对于支承表面(17；30、31)固定磁装置(7)，
-选择磁场密度，该磁场密度沿倾斜支承表面(17；30、31)朝向入口(34)增加，
-在固定的磁装置(7)的影响下，将磁性颗粒(11)吸引到支承表面(17；30、31)上，
-在磁装置(7)的磁场的影响下，使磁性颗粒(11)在倾斜支承表面(17；30、31)上移动，其中，所述方法还包括如下步骤：
-在磁性颗粒(11)上施加磁力Fm，
-选择具有至少一条法线的倾斜表面，该法线包括一相对于磁力矢量非零的角度。
2.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
-通过钻井液在颗粒(11)上施加曳力Fd，
-使曳力Fd和磁力Fm分力的合力大于由支承表面(17)施加在颗粒(11)上的摩擦力Ff。
3.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
-选择一磁场密度，该磁场密度在入口(34)的位置处或附近达到最大值。
4.根据权利要求1所述的方法，包括如下步骤：
-通过相对于支承表面(17；30、31)移置磁装置(7)来影响支承表面(17；30、31)上的磁场密度。
5.根据权利要求4所述的方法，包括如下步骤：
-根据旋转轴线和/或垂直于旋转轴线的方向将磁装置(7)移置到另一个固定位置。
6.根据权利要求4或5所述的方法，包括如下步骤：
-沿钻柱(3)的圆周方向将磁装置(7)转到另一个固定位置。
7.一种用于与地层钻井装置(1)中的钻柱(3)连接且随该钻柱转动的钻井组件(2)，该钻井装置布置成供给磨料流体的射流以用于通过磨蚀去除地层材料(5)来提供钻孔(4)，该钻井组件包括喷射装置(10)，该喷射装置包括混合空间(38)、用于将钻井液供入混合空间的钻井液进口(33)、用于将磁性颗粒(11)供入混合空间的颗粒进口(12)、用于将钻井液和磁性颗粒混合物从混合空间(38)排放到地层材料上的磨料流体出口；和磁性颗粒循环系统，该磁性颗粒循环系统包括在磨蚀地层材料之后暴露于沿钻井组件的返回流的支承表面(17；30、31)、用于将磁性颗粒吸引到支承表面(17；30，31)上并且用于将所述颗粒(11)供入颗粒进口(12)的磁装置(7)，所述支承表面(17；30、31)具有至少一个连接至颗粒进口(12)的入口(34)，并且该支承表面朝向所述入口(34)径向向内倾斜，其特征在于，该磁装置(7)相对于支承表面(17；30、31)具有至少一个固定位置，磁场密度在该固定位置处沿倾斜支承表面(17；30、31)增加，其中磁力Fm施加在磁性颗粒(11)上，并且倾斜表面具有至少一条法线，该法线包括一相对于磁力矢量非零的角度。
8.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置(7)具有至少一个固定位置，在所述至少一个固定位置中，磁场密度在每一个入口(34)处或附近最大。
9.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置(7)能沿大致平行于和/或垂直于旋转轴线的方向移置到另一个固定位置。
10.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置(7)能沿圆周方向转动。
11.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，提供至少一个致动器(35)来用于调节磁装置(7)。
12.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，设置沿圆周方向观察彼此间隔一定距离的两个入口(34)，所述入口(34)中的每一个与颗粒进口(12)连接并且支承表面(17；30、31)向所述入口(34)中的每一个倾斜，磁装置(7)的磁极各自靠近所述入口(34)中的相应一个定位。
13.根据权利要求12所述的钻井组件(2)，其特征在于，径向向外延伸的脊(32)设置在入口(34)之间，所述支承表面(17)具有位于脊(32)相对两侧上的两个支承表面部分(30、31)，并且所述支承表面部分(30、31)各自朝向相应的入口(34)径向向内倾斜。
14.根据权利要求13所述的钻井组件(2)，其特征在于，钻井液管道(36)设置在脊(32)内，所述管道(36)与喷射装置(10)的钻井液进口(33)连接。
15.根据权利要求12所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置(7)具有径向磁化强度。
16.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置(7)包括一叠磁体(37)。
17.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，磁装置包括单个磁体。
18.根据权利要求7所述的钻井组件(2)，其特征在于，支承表面(17；30、31)具有较低的摩擦系数。
19.根据权利要求18所述的钻井组件(2)，其特征在于，支承表面(17；30、31)具有抛光表面。
20.根据权利要求18所述的钻井组件(2)，其特征在于，支承表面(17；30、31)具有低摩擦涂层。
21.根据权利要求20所述的钻井组件(2)，其特征在于，支承表面(17；30、31)具有的低摩擦涂层为高硬度、低摩擦、自熔镍-铬合金低摩擦涂层。
22.根据权利要求18所述的钻井组件，其特征在于，支承表面(17；30、31)包括抛光的因科镍合金718材料。
23.根据权利要求7-21中任一项所述的钻井组件，其特征在于，设置有朝向地层材料的定距支座(22)。
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