DE602004011388T2

DE602004011388T2 - Düseneinheit und Verfahren zum Ausheben eines Lochs in einem Objekt

Info

Publication number: DE602004011388T2
Application number: DE602004011388T
Authority: DE
Inventors: Jan-Jette Blang
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: ATE384190T1; US20070131455A1; DE602004011388D1; NO20062285L; CN1871408A; US7445058B2; RU2006117331A; CN1871408B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düseneinheit zur Erzeugung eines Abtragstrahls, wobei die Düseneinheit aufweist:

– eine erste Düse, die mit einer unter Druck stehenden Trägerfluidzufuhr verbunden ist;
– eine Mischkammer, in welche die erste Düse austrägt;
– eine zweite Düse, die mit der Mischkammer verbunden ist; und
– einen Abtragteilcheneinlaß zur Mischkammer.

Eine solche Düseneinheit kann zum Erzeugen eines Loches in einem Gegenstand verwendet werden.
Eine Düseneinheit mit den vorstehenden Merkmalen ist allgemein auf dem Gebiet der Bearbeitung mit Abtragwasserstrahlen bekannt. Vorrichtungen für die Bearbeitung mit Abtragwasserstrahlen arbeiten typischerweise bei Umgebungsdruck im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck. Der Wasserstrahl, der praktisch frei von Feststoffen ist, wird bei einem Druck von gut über 1 kbar in eine Mischkammer gestrahlt. Ein trockenes Abtragmaterial wird bei Atmosphärendruck gehalten, und infolge des Strahlpumpmechanismus in der Mischkammer werden die Abtragteilchen durch einen Abtragteilcheneinlaß in die Mischkammer gesaugt.
Auf dem Gebiet des Bohrens von Löchern in geologische Erdformationen kann ein Abtragwasserstrahlsystem, einschließlich einer Düseneinheit mit einem Düsenpumpmechanismus, verwendet werden, um ein Loch zu bohren, wie dies beispielweise in der WO 02/34653 offenbart ist. Die Bedingungen auf diesem Gebiet sind jedoch von dem Gebiet des atmosphärischen Abtragstrahlbearbeitens wesentlich verschieden, weil der Umgebungsdruck über dem Atmosphärendruck liegt und sich um ungefähr 1 bar pro 10 Meter Tiefe erhöht.
Im Falle des atmosphärischen Abtragwasserstrahl-Bearbeitungssystems wird Luft gemeinsam mit den Abtragteilchen in die Mischkammer gesaugt. Dieser Luftstrom in der Düseneinheit kann eine Kavitation erzeugen, welche die Übertragung der kinetischen Energie von dem Wasserstrahl auf die Abtragteilchen begrenzen kann. In der Folge ist die Wirksamkeit der Düseneinheit, die auf diesem kinetischen Energietransfer beruht, durch die Kavitation beschränkt.
Eine andere wesentliche Quelle der Kavitation kann von der Turbulenz in und um den Düsenstrahl herrühren. Druckfluktuationen in der Turbulenz umfassen örtlich Drücke unterhalb des Dampfdruckes des Trägerfluids, was eine mögliche Verdampfung, die Erzeugung von Gasblasen und Kavitation bewirken kann.
Es besteht ein Bedarf für eine Düseneinheit, die befähigt ist, eine höchstmöglich wirksame kinetische Energie auf die Abtragteilchen bei einer Verbrauchsrate an Abtragteilchen zu übertragen, die so niedrig wie möglich ist, so daß die Düseneinheit innerhalb eines begrenzten Raumes verwendet werden kann, der in einem typischen Bohrloch in einer geologischen Erdformation verfügbar ist.
Die internationale Anmeldung WO-A 91/12930 erwähnt eine Wirksamkeitsreduktion von konventionellen Düseneinheiten, wenn diese bei erhöhten Umgebungsdruckbedingungen angewendet werden, und erläutert die Konstruktion einer Düseneinheit, die eine relativ einfache Modifikation der Mischkammerlänge ermöglicht. Diese Maßnahme korrigiert die Düsenausbildung hinsichtlich der Erhöhung der Strahldivergenz, die von der allmähli chen Abnahme des Kavitationsschildes um den Strahl bei Umgebungsdruck verursacht wird.
Das US-Patent 4,555,872 beschreibt eine Düsenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff zur Erzeugung eines Abtragfluidstrahlstromes mit Materialschneidfähigkeiten für Gegenstände bei Atmosphärendruck. Eine erste Düse ist mit einer Öffnungsplatte aus Saphir mit einer konusförmigen Öffnung versehen, deren kleinste Strömungsöffnung einen Durchmesser von etwa 0,5 mm (0,020 Zoll) hat. Damit wird ein extrem hoher Druckabfall bei niedrigem Strömungsdurchsatz erzeugt. Eine zweite Düse stromabwärts der ersten Düse ist in Form eines verjüngten strömungsformenden Konus vorgesehen, dessen kleinste Strömungsöffnung einen Durchmesser von etwa 1,5 mm (0,060 Zoll) hat.
Die EP-A1-0119338 offenbart eine Düseneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die WO-A-00/66872 offenbart ein Bohrgestänge, das mit einer Mischkammer zum Mischen von Fluid und Abtragteilchen versehen ist, und eine Düse zum Ausstoßen des Gemisches von Fluid und Teilchen in ein Bohrloch.
Die EP-A-0526087 offenbart eine Mischdüse zum Erzeugen eines Strahls von luftgetragenem Abtragschlamm.
Die US-B1-6283833 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Strahls von Abtragteilchen und Fluid, mit einer Mischkammer und einer Wirbelkammer.
Die WO-A-02/34653 offenbart eine Vorrichtung zum Transportieren von Magnetteilchen entlang einer Tragfläche unter Verwendung eines Magneten.
Die US-A-2779571 offenbart eine Bohrmeißelanordnung zum Bohren eines Bohrloches, wobei Abtragteilchen in einem Hochgeschwindigkeitsfluidstrahl mitgerissen werden.
Die WO-A-02/092956 offenbart eine Strahlschneidvorrichtung mit einer Düse, die mit einem Ablenker zum Ablenken des Fluidstrahls versehen ist, der aus der Düse ausgestoßen wird.
Es hat sich gezeigt, daß keine der Düseneinheiten nach dem Stand der Technik, die vorstehend beschrieben wurden, befähigt ist, einen zufriedenstellenden Abtragdüsenstrahl in einer Hochdruckumgebung zu liefern, wie sie typischerweise angetroffen wird, wenn Löcher in geologische Erdformationen gebohrt werden, wobei die speziellen Grenzbedingungen zu berücksichtigen sind, die auf diese Fälle zutreffen.
Gemäß der Erfindung wird eine Düseneinheit zur Erzeugung eines Abtragstrahls geschaffen, die eine erste Düse aufweist, die mit einer unter Druck stehenden Trägerfluidzufuhr verbunden ist, wobei die erste Düse in einem die größte Verengung aufweisenden Abschnitt derselben eine erste Düsenöffnung mit einer Querschnittsfläche A₁ definiert, eine Mischkammer, in welche die erste Düse austrägt, eine zweite Düse, die mit der Mischkammer verbunden ist, wobei die zweite Düse in einem die größte Verengung aufweisenden Abschnitt derselben eine zweite Düsenöffnung mit einer Querschnittsfläche A₂ definiert, und einen Abtragteilcheneinlaß, der in die Mischkammer austrägt, wobei das Verhältnis A₁/A₂ größer als oder gleich 0,50 und niedriger als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse eine Innenwand aufweist, die mit der Innenwand der Mischkammer ausgerichtet ist.
Zu dem Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist die Querschnittsfläche A einer Düsenöffnung als die Querschnittsfläche einer Strömungsöffnung in einem Abschnitt der Düse definiert, in welchem die größte Verengung auftritt, weil der Druckabfall bei einem bestimmten Strömungsdurchsatz weitgehend durch die Querschnittsfläche der kleinsten Strömungsfläche der Düse definiert wird. Der „Durchmesser" D einer Düsenöffnung ist als 2√(A/π) definiert, was im Falle einer kreisförmigen Strömungsverengung der Weite der Strömungsöffnung in der kleinsten Taille entspricht.
Es wurde gefunden, daß je größer die Querschnittsfläche der zweiten Düsenöffnung im Vergleich zu jener der ersten Düsenöffnung ist, um so mehr Abtragteilchen in dem Strom des Trägerfluids mitgerissen werden müssen, um einen wesentlichen Anteil an kinetischer Energie von dem von der ersten Düse erzeugten Düsenstrahl (dem „Treibstrahl") auf die mitgerissenen Abtragteilchen zu übertragen. Dieser Transfer von kinetischer Energie wird als Wirksamkeit der Düseneinheit angesehen.
Wenn das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Düsenquerschnittsfläche kleiner als 0,5 ist, ist eine relativ große Menge an Abtragteilchen erforderlich, um den Raum in der zweiten Düse zu füllen, was Probleme bei der Zufuhr von Abtragteilchen verursacht, insbesondere in einer Bohrlochanwendung, wo nicht sehr viel Betätigungsraum verfügbar ist. Es wäre möglich, ein größeres Verhältnis des mitgerissenen Fluids gegenüber den Abtragteilchen zu gestatten, die in die Mischkammer über den Abtragteilcheneinlaß eintreten. Dies führt jedoch zu einem unerwünschten Abfall an Wirksamkeit, weil das mitgerissene Fluid kinetische Energie aus dem Treibstrahl konsumiert, aber nicht zum Formen eines Loches wirksam ist, im Vergleich zu einer ähnlichen Menge an kinetischer Energie, die in den Abtragteilchen enthalten ist. Somit ist die untere Grenze des möglichen Verhältnisses zwischen erster und zweiter Düsenquerschnittsfläche 0,5.
Anderseits sollte die Querschnittsfläche der zweiten Düse stets größer als die Querschnittsfläche der ersten Düse sein, d.h. ein Verhältnis von weniger als 1, um zumindest einige Abtragteilchen zusätzlich zu dem Hochdruckdüsenstrahl mitreißen zu können.
Anders als die Ausbildung der Düseneinheit, die in der WO-A 91/12930 beschrieben ist, ist die Düseneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung optimiert, um die Zufuhr und den relativen Strömungsdurchsatz des Trägerfluids, der Abtragteilchen und des mitgerissenen Fluids aufzunehmen.
Es wird angenommen, daß aus diesem Grund die Düseneinheit gemäß der Erfindung unter hohem Umgebungsdruck zufriedenstellend arbeitet, insbesondere bei einem Umgebungsdruck, der höher als 50 bar ist, oder sogar noch höher als 300 bar. Die Düseneinheit ist deshalb besonders zur Anwendung beim Abbau von unterirdischen Erdformationen in Tiefen geeignet, die wenige hundert Meter bis zu mehreren Kilometern übersteigen.
Es sei bemerkt, daß das Verhältnis der ersten und zweiten Düsenquerschnittsflächen in der Düsenvorrichtung des US-Patentes 4,555,872 nur 0,11 beträgt.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Querschnittsflächen weniger als 0,9, um sicherzustellen, daß in dem Trägerfluidstrom eine ausreichende Anzahl von Abtragteilchen mitgerissen werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Länge in der Strömungsrichtung der Mischkammer derart, daß unter Berücksichtigung der Divergenz des Strahls aus der ersten Düse der Durchmesser des Strahls, welcher die Mischkammer verläßt, kleiner als der Durchmesser der Öffnung der zweiten Düse ist.
Es hat sich gezeigt, daß diese Vorzug leichter erreicht wird, wenn das Verhältnis der Querschnittsflächen kleiner als 0,60 ist. Eine eingetauchte Düse hat typischerweise eine Divergenz von 8°–9° (siehe „The theory of turbulent jets" von G.N. Abramovich, MIT press, Massachussetts (1963)). Die Länge ist als der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der ersten Düse und der Eintrittsöffnung der zweiten Düse definiert. Die Eintrittsöffnung ist als der erste Punkt definiert, an dem der kleinste Querschnitt vorhanden ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Länge der Mischkammer in der Strömungsrichtung im Bereich des 0,8–2,0-fachen des Durchmessers der Öffnung der ersten Düse. Dies ermöglicht ein wirksames Mischen der Abtragteilchen mit dem Strahl, während die Länge der Mischkammer begrenzt bleibt. Dies hat den Vorteil, daß der Strahl unter einem Winkel angeordnet werden kann, was notwendig ist, wenn Löcher gebohrt werden. Unter Verwendung der Düseneinheit gemäß der Erfindung wird die Düse gedreht, derart, daß ein Loch mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt erzeugt wird.
Im Hinblick auf diese Verwendung wird ferner bevorzugt, daß die Länge der zweiten Düse in der Strömungsrichtung im Bereich des 4–10-fachen des zweiten Düsendurchmessers ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Düse relativ zur ersten Düse bezüglich der Strömungsrichtung exzentrisch angeordnet. Vorzugsweise hat die exzentrische Versetzung der zweiten Düse eine Komponente in Richtung des Abtragteilcheneinlasses. Damit wird es konstruktiv leichter, die kleinsten Dimensionen der Abtragteilchen-Zufuhröffnung im we sentlichen gleich dem Durchmesser der ersten Düse zu halten, während das Verhältnis der Querschnittsfläche der ersten Düse bezogen auf die zweite Düse maximiert wird.
Die exzentrische Versetzung besteht vorzugsweise bis zu der Situation, daß der Teil der ersten Düsenwand mit der zweiten Düsenwand ausgerichtet ist. Im Falle einer zylindrischen ersten Düse und einer zylindrischen zweiten Düse ist die Exzentrizität E dann gleich der halben Differenz zwischen den beiden Düsendurchmessern.
Es wird ferner bevorzugt, daß zumindest ein Teil der Innenwand der ersten Düse mit zumindest einem Teil der Innenwand der zweiten Düse fluchtet.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Düseneinheit einen Zufuhrkanal auf, der mit dem Abtragteilcheneinlaß verbunden ist, wobei der Zufuhrkanal die Mischkammer über einen Winkel von wenigstens 180° umgibt. Auf diese Weise kann eine wirksame Verwendung der exzentrischen zweiten Düsenkonfiguration stattfinden. Gleichzeitig sollte der Zufuhreinlaß ausreichend weit sein, damit die Zufuhr der Abtragteilchen ohne wesentliche Gefahr einer Blockierung erfolgen kann.
Der eingeschlossene Winkel zwischen der Strömungsrichtung in dem Zufuhrkanal und einer Achse entlang der Strömungsrichtung der primären Düse ist vorzugsweise so klein wie möglich. Auf diese Weise erhalten die zugeführten Abtragteilchen eine möglichst hohe Geschwindigkeitskomponente parallel zu dem Düsenstrahl, der von der ersten Düse erzeugt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Winkel kleiner als 60°, vorzugsweise kleiner als 30°. Infolge mechanischer Beschränkungen ist der Winkel typischerweise größer als 10°.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Kombination einer Düseneinheit gemäß der Erfindung und einer Trennvorrichtung zum Trennen magnetischer oder magnetisierbarer Abtragteilchen aus einem Fluid, wobei die Trennvorrichtung einen Magnetkörper zum Anziehen der Abtragteilchen aus dem Fluid aufweist, das entlang der Trennvorrichtung strömt, und eine Tragfläche, welche zumindest teilweise den Magnetkörper einhüllt, sowie Mittel zum Transportieren der angezogenen Abtragteilchen entlang der Tragfläche zu dem Abtragteilcheneinlaß der Düseneinheit.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Ausbilden eines Loches in einem Gegenstand, mit den Schritten:

– Anordnen eines Abtragstrahl-Abbauwerkzeuges mit einer Düseneinheit gemäß der Erfindung in dem Loch;
– Erzeugen eines Abtragstrahls durch Zufuhr eines Druckträgerfluids zu der ersten Düse und Abgeben von Abtragteilchen in die Mischkammer; und
– Richten des Abtragstrahls auf den Gegenstand.

Für die Zwecke der Beschreibung besteht ein Ziel darin, auch hauptsächlich Erdformationen, einschließlich unterirdischen Erdformationen, sowie Zement, Stahlauskleidungen oder Packermaterial im Bohrloch für den Abbau oder die Förderung von Kohlenwasserstoffen mit einzuschließen. Derartige Gegenstände können im Normalbetrieb in mehreren Kilometern Tiefe unter der Erdoberfläche angeordnet sein, wobei der Umgebungsdruck 300 bar überschreiten kann.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend an einem Beispiel und unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung beschrieben, in der
1 schematisch eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Düseneinheit gemäß der Erfindung zeigt;
2 schematisch eine Querschnittsansicht der Düseneinheit nach 1 entlang der Linie X-X zeigt;
3 eine errechnete Grafik zeigt, die die Wirksamkeit der Düseneinheit gegenüber dem Verhältnis der Düsenquerschnitte darstellt; und
4 schematisch eine schematische Querschnittsansicht eines Abbauwerkzeuges mit einer Düseneinheit gemäß der Erfindung zeigt.
In 1 ist eine Perspektivansicht einer Düseneinheit 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Düseneinheit 1 wird vorteilhaft aus Materialien auf der Basis von Wolframcarbid hergestellt, beispielsweise ähnliche Materialien, wie sie für Mischrohre auf dem Gebiet der Abtragwasserstrahlbearbeitung eingesetzt werden.
Die Düseneinheit 1 hat einen Einlaß 2 für die Zufuhr eines Trägerfluids unter Druck zur Düseneinheit 1. Zusätzlich hat die Düseneinheit einen Einlaß 4 für Abtragteilchen. Abtragteilchen können den Abtragteilcheneinlaß über einen Zufuhrkanal erreichen, der mit dem Abtragteilchen-Zufuhreinlaß 4 verbunden ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, umgibt der Zufuhrkanal den Abtragteilchen-Zufuhreinlaß 4 unter einem Winkel α. Der Winkel α beträgt vorzugsweise mehr als 90° und weniger als 180°, und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 1 beträgt er 140°.
Unter Bezugnahme auf 2 führt der Einlaß 2 zu einer ersten Düse 3. Bei dem Ausführungsbeispiel hat die erste Düse 3 einen kreisförmigen Querschnitt mit einem kleinsten Taillendurchmesser D₁ entsprechend einer Strömungsöffnung mit einer ersten Querschnittsfläche A₁ an der engsten Strömungsverengung. Die Düse 3 kann statt dessen auch einen nicht-kreisförmigen Querschnitt, wie einen ovalen Querschnitt, haben.
Die erste Düse 3 strahlt in eine Mischkammer 5 ab, wobei die Mischkammer eine Länge in Strömungsrichtung hat, die L₁ beträgt, gemessen zwischen der Austrittsebene 7 der ersten Düse 3 und der Austrittsebene 8 der Mischkammer 5, ähnlich der Definition, die auf Seite 260 von „Applied fluid dynamics handbook" von R. D. Blevins, 1992, edition Krieger Publishing Company, Florida, gegeben wird. Der Abtragteilcheneinlaß 4 trägt ebenfalls in die Mischkammer 5 aus.
Die Austrittsebene 7 der ersten Düse 3 ist als die Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung gerade an jenem Punkt definiert, der in Strömungsrichtung durch die Düse gesehen dort liegt, wo sich die Strömungsöffnung erweitert. Gleicherweise ist die Austrittsebene 8 der Mischkammer als die Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung gerade an jenem Punkt definiert, der in Strömungsrichtung durch die Mischkammer gesehen dort liegt, wo die Strömungsöffnung ihre größte Verengung hat, und somit koinzidiert sie mit der Eintrittsebene der zweiten Düse 6. In ähnlicher Weise wie für die erste Düse ist auch die Austrittsebene 9 der zweiten Düse 6 definiert.
Eine zweite Düse 6 ist mit der Mischkammer 5 an einer stromabwärtigen Seite derselben offen, wobei der kleinste Taillendurchmesser D₂ einer Strömungsöffnung mit einer ersten Querschnittsfläche A₂ an der engsten Strömungsverengung und einer Düsenlänge A₂, gemessen zwischen der Eintrittsebene 8 und der Austrittsebene 9, entspricht. Wie bei der ersten Düse kann die zweite Düse 6 einen nicht-kreisförmigen Querschnitt, wie einen ovalen Querschnitt haben, aber bei dem bevorzugten Beispiel von 2 hat die Düse 6 kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser D₂.
Die zweite Düse 6 ist exzentrisch relativ zur ersten Düse 3 angeordnet. Das Ausmaß der Exzentrizität wird in der Zeichnung durch E dargestellt. Die Exzentrizität E beträgt in diesem Fall die Hälfte der Differenz zwischen den beiden Düsendurchmessern (D₂ – D₁) , so daß die erste und die zweite Düsenwand auf der Seite gegenüber dem Abtragteilcheneinlaß 4 miteinander ausgerichtet sind.
Im Betrieb wird Trägerfluid unter Druck durch den Einlaß 2 der Düseneinheit 1 zugeführt, von wo es durch die erste Düse 3 in die Mischkammer 5 abgestrahlt wird, um einen Treibdüsenstrahl zu bilden. Abtragteilchen werden gemeinsam mit dem mitgerissenen Fluid von dem Treibstrahl mitgerissen, was den Eintritt durch den Abtragteilcheneinlaß 4 in die Mischkammer 5 einschließt. In der Mischkammer 5 wird ein Gemisch aus dem Antriebstrahl, dem mitgerissenen Fluid und den Abtragteilchen geformt. Das Gemisch wird dann durch die zweite Düse 6 transportiert, von dort, wo es die erste Düseneinheit 1 in Form eines Abtragstrahls verläßt. Der Abtragstrahl kann gegen einen abzutragenden Gegenstand gerichtet werden.
Wenn das Verhältnis A₁/A₂ ordnungsgemäß gewählt wird, erzeugt die Geschwindigkeit des Trägerfluids durch die Mischkammer eine Saugwirkung, welche die Abtragteilchen in die Mischkammer zieht. Die Abtragteilchen werden in die Mischkammer am besten über den Abtragteilcheneinlaß 4, gemeinsam mit einem mitgerissenen Fluid oder einer mitgerissenen Flüssigkeit, eingebracht.
3 zeigt die grafische Darstellung einer Berechnung der Düseneinheitswirksamkeit basierend auf Energieerhaltungsgeset zen, unter Verwendung der volumetrischen Strömungsdurchsätze für das Trägerfluid durch die erste Düse (Q_in), den gesamten Strömungsdurchsatz des mitgerissenen Fluids und der Abtragteilchen, die über den Abtragteilcheneinlaß (Q_ent) in die Mischkammer strömen, und den Strömungsdurchsatz, der aus der Düseneinheit austritt, Q_out, welcher die Summe von Q_in und Q_ent ist. Der volumetrische Strömuugsdurchsatz der Abtragteilchen Q_abr ist Teil von Q_ent. Die Massendichte der mitgerissenen Elemente ist eine Funktion der Dichte des Trägerfluids (typischerweise 1,2 kg/l), der Dichte der Abtragteilchen (typischerweise 7,4 kg/l für Stahlkugeln) und der volumetrischen Konzentration der Abtragteilchen in dem mitgerissenen Strom.
Auf der horizontalen Achse ist das Verhältnis A₁/A₂ aufgetragen, repräsentierend das Verhältnis der Querschnittsfläche der ersten Düsenöffnung und der Querschnittsfläche der zweiten Düsenöffnung, und auf der vertikalen Achse die Wirksamkeit der Düseneinheit in Prozent des kinetischen Energietransfers aus dem Strahl, der durch die primäre Düse auf die Abtragteilchen erzeugt wird.
Eine bevorzugte Fläche W ist in der Grafik strichliert gezeichnet. Die Fläche ist durch die Linien 31, 32, 33 und 34 begrenzt, von denen jede das Ergebnis einer bestimmten Begrenzung oder Beschränkung darstellt, die mit dem Erzeugen eines Abtragdüsenstrahls in Bohrlochbedingungen zum Bohren von Löchern in eine geologische Erdformation verbunden ist.
Von diesen Linien repräsentiert die Linie 31 eine Wirksamkeit von 10 %, was ein bevorzugte untere Grenze darstellt, die notwendig ist, um eine minimale Abbaurate zu erzielen, die erwünscht ist, um eine ökonomisch vernünftige Betriebsweise aufrechtzuerhalten.
Die Linie 32 repräsentiert die Wirksamkeit gegenüber dem Flächenverhältnisverhalten unter der Bedingung, daß Q_ent die Hälfte von Q_in ist. Die Bohrfluidzirkulation durch das Bohrloch beschränkt Q_in auf einen begrenzten Wertebereich. Eine relative Erhöhung von Q_ent im Vergleich zu Q_in entspricht einem niedrigeren Flächenverhältnis für irgendeinen Wirksamkeitswert, wird aber als unpraktisch für ein Bohrlochwerkzeug erachtet, um der räumlich beschränkten Bohrlochumgebung einen hohen Strömungsdurchsatz durch den Abtragteilcheneinlaß zuzuführen. Der gesamte Strömungsdurchsatz zwischen der Mischkammer und dem Lochboden Q_out ist die Summe von Q_ent und Q_in, und eine Erhöhung von Q_ent führt in dem ringförmigen Strom zu einer entsprechenden Erhöhung der Fluid- und Teilchengeschwindigkeiten. Es wird bevorzugt, Q_out nicht höher als 150 % von Q_in zu bemessen, somit sollte Q_ent 50 % von Q_in nicht überschreiten.
Zusätzlich erfordert eine Erhöhung von Q_ent auch eine Erhöhung von Q_abr, um zumindest die Wirksamkeit der Düseneinheit beizubehalten. Ansonsten wird die Energie von dem Strahl, der durch die erste Düse erzeugt wird, auf das Bohrfluid statt auf die Abtragteilchen übertragen. Je mehr Feststoffe die Bohranordnung der Düseneinheit zuführen muß, um so komplexer wird das System. Es wird bevorzugt, eine hohe Wirksamkeit mit einer möglichst geringen Zufuhr von mitgerissenen Abtragteilchen Q_abr zu erzielen.
Aus dem gleichen Grund wurde gefunden, daß Q_abr am besten höchstens bei 10 % von Q_in liegen soll. Die Linie 33 repräsentiert die Wirksamkeit gegenüber dem Flächenverhältnisverhalten unter der Bedingung, daß Q_abr auf einem konstanten Verhältnis von 10 % von Q_in liegt. Die Linien 33a bis 33d zeigen die Wirksamkeit gegenüber A₁/A₂ für Q_abr = 8, 6, 4 und 2 % von Q_in.
Die Linie 34 zeigt die Wirksamkeit gegenüber dem Flächenverhältnisverhalten unter der Bedingung, daß 60 % des gesamten mitgerissenen Volumens (Flüssigkeit und Abtragteilchen) Q_ent von den Abtragteilchen konsumiert wird. Die Packung der Teilchen umfaßt Leerräume und deshalb ist die Konzentration der Abtragteilchen in dem mitgerissenen Fluid weniger als 100 %. Ein typischer Wert für die Maximalkonzentration ist 60 %, welche das Verhältnis zwischen der typischen Stahlkugelmassendichte (4,4 kg/l) und der Korndichte (7,4 kg/l) ist. Die Linien 34a bis 34e entsprechen den Bedingungen, daß Q_abr = 50, 40, 30, 20 und 10 % von Q_ent ist. Es ist ersichtlich, daß je niedriger der Prozentsatz, desto geringer die Wirksamkeit. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß eine höhere Fraktion von der Energie in Q_in investiert und auf die Fluidkomponente des mitgerissenen Volumens statt auf die Abtragteilchen übertragen wird.
Im allgemeinen sollte das Verhältnis A₁/A₂ der Querschnittsfläche der ersten Düsenöffnung und der Querschnittsfläche der zweiten Düsenöffnung im Bereich von 0,50 bis 1,0, vorzugsweise im Bereich von 0,50 bis 0,90 liegen, um höhere Wirksamkeiten zu ermöglichen. Wirksamkeiten von 20 % oder mehr sind durch Wahl von A₁/A₂ im Bereich von 0,50 bis 0,80 erreichbar. Am bevorzugtesten wird das Verhältnis A₁/A₂ im Bereich von 0,50 bis 0,60 gewählt, um auch zu erreichen, daß die zweite Düse in maximaler Weise einen abgelenkten Düsenstrahl erhält.
Die Länge der Mischkammer liegt am besten im Bereich vom 0,80 bis 2,0-fachen von D₁. Die Länge L₂ der zweiten Düse liegt am besten im Bereich vom 4 bis 10-fachen von D₂.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel nach 2 beträgt das Verhältnis A₁/A₂ 0,56 (entsprechend einem Verhältnis D₁/D₂ = 0,75). Die Länge L₁ der Mischkammer ist das 1,1-fache von D₁; die Länge L₂ der zweiten Düse 6 ist das 7-fache von D₂.
Die Düse arbeitet am besten mit einem Trägerfluid in flüssiger Form, insbesondere Wasser oder Bohrschlamm. Die Druckdifferenz über die erste Düse 3 liegt typischerweise zwischen 100 und 700 bar. Der Hochdruckstrahl divergiert um etwa 8 bis 9°, wenn er die erste Düse 3 verläßt. Mit den relativen Dimensionen der Düseneinheit 1, die vorstehend gegeben wurden, sollte der Hochdruckdüsenstrahl, der von der ersten Düse 3 in die Mischkammer 5 abgegeben wird, vollständig in die zweite Düse 6 eintreten. Insbesondere bei einem Abtragteilcheneinlaß 4 auf einer Seite der Mischkammer 5 und den Innenwänden der ersten und zweiten Düse auf der gegenüberliegenden Seite in Ausrichtung miteinander wird erreicht, daß der Strom aus der ersten Düse 3 in die zweite Düse 6 optimiert wird.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Abbauwerkzeuges mit einer Kombination 10 aus einer Düseneinheit 1, welche die Düseneinheit nach den 1 und 2 sein kann, und einer Trennvorrichtung 12 für das magnetische Trennen der Abtragteilchen von dem Fluid. Anders als die Düseneinheit sind die Trennvorrichtung 12 und das Abbauwerkzeug ähnlich jenen, die in der internationalen Veröffentlichung WO 02/34653 offenbart sind, deren Inhalt durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen wird.
Für dieses Werkzeug sollten die Abtragteilchen magnetisierbares Material enthalten oder aus magnetisierbarem Material, wie Stahlschrot, bestehen. Das Abbauwerkzeug 6 ist über einen Einlaß 2 mit einem Längsbohrfluiddurchgang 11 in Fluidverbindung mit der Düseneinheit 1 versehen, um das unter Druck stehende Trägerfluid zuzuführen.
Die Trennvorrichtung 12 weist einen Magnetkörper 13 auf, der in einer Tragbuchse 15 drehbar angeordnet ist. Der Magnetkörper 13 erzeugt ein magnetisches Feld, um die Abtragteilchen an der Tragbuchse 15 zu halten. Der Einlaß 4 für die Abtragteilchen ist am unteren Ende der Tragbuchse 15 vorgesehen.
Der Magnetkörper 13 hat einen zentralen Längsschaft 18 und ist relativ zur Buchse 15 um den zentralen Längsschaft drehbar. Antriebsmittel 19 sind vorgesehen, um den Schaft 18 anzutreiben. Der Magnetkörper 13 enthält wendelförmige Bänder von erhöhter magnetischer Feldstärke und wendelförmige Bänder von relativ geringer magnetischer Feldstärke. Vorzugsweise ist der Magnetkörper 13 durch einen Stapel von einzelnen kleineren Magneten gebildet, wie in der internationalen Anmeldung PCT/EP2004/051407 beschrieben, von der die Priorität derzeit beansprucht wird, und die hiermit unter Bezugnahme hierauf in die vorliegende Anmeldung miteinbezogen wird.
Die zweite Düse 6 ist oberhalb eines optionalen Fußteiles 14 angeordnet und ist relativ zur Längsrichtung des Abbauwerkzeuges 10 unter einem Neigungswinkel von 15–30° relativ zu dieser Richtung geneigt, aber andere Winkel können ebenfalls verwendet werden. Vorzugsweise ist der Neigungswinkel etwa 21°, was optimal für das Abtragerodieren des Bodens des Bohrloches 17 durch axiales Drehen des gesamten Abbauwerkzeuges 10 um seine Längsrichtung innerhalb des Bohrloches 17 ist.
Weitere Details der verschiedenen Teile des Abtragteilchen-Rezirkulationssystems und des Abbauwerkzeuges finden sich in der internationalen Anmeldung PCT/EP2004/051407 , wie vorstehend erwähnt.
Im Betrieb arbeitet das Abbauwerkzeug 10 wie folgt. Das Abbauwerkzeug 10 wird mit dem unteren Ende des Bohrgestänges (nicht gezeigt) verbunden, das in das Bohrloch 17 eingesetzt wird. Das unter Druck stehende Trägerfluid wird in Form eines Bohrfluids zugeführt, das durch eine geeignete Pumpe (nicht gezeigt) in das Bohrgestänge und den Fluiddurchgang 11 und in die Düseneinheit 1 gepumpt wird. Während des Pumpens wird das Bohrfluid mit einer geringen Menge von Abtragteilchen versehen.
Wie vorstehend erwähnt, ist die erste Düse 3 mit einer Strömungsverengung versehen, über welche ein Druckabfall vorhanden ist, welcher die Beschleunigung des Bohrfluids bewirkt.
Das Bohrfluid strömt durch die Mischkammer 5 in die zweite Düse 6 und wird gegen den Bohrlochboden 20 gestrahlt. Gleichzeitig wird das Abbauwerkzeug um seine Längsachse gedreht. Ein Rückstrom des Bohrfluids und der Abtragteilchen strömt vom Bohrlochboden 20 durch den Ringraum zwischen dem Bohrloch 17 und dem Abbauwerkzeug und strömt somit entlang der Tragbuchse 15.
Gleichzeitig mit dem Pumpen des Stromes von Bohrfluid wird der Magnet 13 um seine Welle 18 gedreht. Der Magnet 13 induziert ein Magnetfeld, das sich zur Außenfläche der Tragbuchse 15 und über diese hinaus erstreckt. Wenn der Rückstrom entlang der Tragbuchse 15 strömt, werden die Abtragteilchen in dem Strom aus diesem Strom durch die Magnetkräfte des Magneten 13 ausgeschieden, welcher die Abtragteilchen zur Außenfläche der Tragbuchse 15 zieht.
Der Strom des Bohrfluids, der nunmehr im wesentlichen frei von magnetischen Abtragteilchen ist, strömt weiter durch das Bohrloch zur Pumpe an der Oberfläche und wird durch das Bohrgestänge rezirkuliert, nachdem die Bohrspäne entfernt worden sind.
Die magnetischen Abtragteilchen, die an der Tragfläche 15 gehalten werden, werden gegen das wendelförmige Band mit dem stärksten Magnetfeld gezogen. Während der Drehung des Magneten 13 und der wendelförmigen Bänder von hoher und geringer Magnetfeldstärke werden die Abtragteilchen gezwungen, eine wendelförmige Bewegung nach unten entlang der Tragbuchse 15 durchzuführen.
Sobald die Teilchen an dem Abtragteilcheneinlaß 4 ankommen, reißt der Strom des Bohrfluids, der aus der ersten Düse 3 in die Mischkammer 5 strömt, die Abtragteilchen wieder mit. Somit werden die Abtragteilchen gegen den Bohrlochboden 20 gestrahlt und strömen nachfolgend in Richtung nach oben durch das Bohrloch 17. Der Zyklus wird dann kontinuierlich wiederholt.
Um den Transport der Abtragteilchen nach unten entlang der Tragbuchse 15 zu verbessern, kann die Tragbuchse 15 geringfügig verjüngt sein, so daß ihr Durchmesser an ihrem unteren Ende kleiner als an ihrem oberen Ende ist. Ein kurzer verjüngter Abschnitt 21 kann am unteren Ende des Magneten 13 vorgesehen werden, wodurch die Tragbuchse 15 mit einer entsprechenden konischen Verjüngung versehen ist, derart, daß der Einlaß 4 für die Abtragteilchen eine Fluidverbindung zwischen der Tragfläche 15, welche den verjüngten Abschnitt 21 umgibt, und der Mischkammer 5 herstellt.
Die konische Verjüngung basiert am besten auf dem gleichen Winkel, wie der vorstehend erwähnte Neigungswinkel der zweiten Düse 6.
Die Tragbuchse 15, die in 4 gezeigt ist, ist mit sich wendelförmig erstreckenden Führungsplatten 24a und 24b versehen, die von der Oberfläche der Tragbuchse 15 nach außen vorragen. Diese Führungen leiten die Abtragteilchen auf ihrem Weg nach unten entlang der Tragbuchse 15. Die Transportgeschwindigkeit der Abtragteilchen nach unten wird erhöht, wenn die Führungsplatten vertikal parallel zur Längsachse verlaufen. Vorzugsweise kann der Bohrfluiddurchgang 11 in Längsverbindung mit der Tragbuchse 15 wie die Führungsplatte vorgesehen werden, wodurch die separaten Führungsplatten 24a und 24b ersetzt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 ist ein magnetischer Anziehungskörper 16 vorzugsweise nahe der Mischkammer auf der Seite der Mischkammer gegenüber dem Abtragteilcheneinlaß 4 vorgesehen. Dies verursacht Magnetfeldlinien, die vom unteren Ende 21 des Magneten zu diesem Magnetkörper verlaufen. Als Ergebnis wird das Magnetfeld von dem zylindrischen Magneten in die Mischkammer 5 gezogen. Dadurch wird erreicht, daß die magnetischen Abtragteilchen Ketten vom unteren Ende der Tragfläche 15 gegen den magnetischen Anziehungskörper 16 bilden können, wodurch sie den Strahl kreuzen, der von der ersten Düse 3 abgegeben wird. Die Teilchen in diesen Ketten wirken dadurch mit dem Strom des Bohrfluids zusammen, der durch die Mischkammer 5 strömt, und dadurch wird das Mitreißen dieser Teilchen in dem Bohrfluid verbessert.
Geeignete Magneten können aus irgendeinem hochmagnetisierbaren Material bestehen, einschließlich NdFeB, SmCo und AlNiCo-5, oder Kombinationen derselben. Vorzugsweise hat der Magnet auch einen magnetischen Energiegehalt von zumindest 140 kJ/m³ bei Raumtemperatur, vorzugsweise mehr als 300 kJ/m³ bei Raumtemperatur, wie dies im Falle von NdFeB-basierenden Magneten der Fall ist.
Die Buchse 15 und der Bohrfluiddurchgang 11 bestehen am besten aus nicht-magnetischem Material. Superlegierungen, einschließlich hochfester korrosionsfester nicht-magnetischer Ni-Cr-Le gierungen, insbesondere eine Ni-Cr-Legierung, die unter dem Namen Inconel-718 erhältlich ist, haben sich als besonders zweckmäßig erwiesen.

Typische Dimensionen des Abbauwerkzeuges ergeben sich aus der folgenden Tabelle.

Teil Name	Bezugsnummer	Größe
Außendurchmesser des Fußteiles	14	73 mm
Axiale Länge des Magneten	13	120 mm
Außendurchmesser des Magneten	13	29 mm
Durchmesser im unteren Teil der Tragfläche	15	34 mm
Durchmesser im oberen Teil der Tragfläche	15	52 mm

Die Abtragteilchen haben ein spezifisches Gewicht (im Falle von Stahlkugeln oder Stahlschrot: 7–8 SG), das im wesentlichen höher als das typische spezifische Gewicht des Bohrfluids (0,8–2,3 SG) ist. Dies verbessert die Situation, daß eine relativ geringe volumetrische Mitreißrate von Abtragteilchen für einen wesentlichen kinetischen Energietransfer ausreicht.

Claims

Düseneinheit zur Erzeugung eines Abtragstrahls, wobei die Düseneinheit aufweist: – eine erste Düse (3), die mit einer unter Druck stehenden Trägerfluidzufuhr (2) verbunden ist, wobei die erste Düse (3) in einem die größte Verengung aufweisenden Abschnitt derselben eine erste Düsenöffnung mit einer Querschnittsfläche A₁ aufweist; – eine Mischkammer (5), in welche die erste Düse (3) austrägt; – eine zweite Düse (6), die mit der Mischkammer (5) verbunden ist, wobei die zweite Düse (6) in einem die größte Verengung aufweisenden Abschnitt derselben eine zweite Düsenöffnung mit einer Querschnittsfläche A₂ definiert; und – einen Abtragteilcheneinlaß (4), der in die Mischkammer (5) austrägt; wobei das Verhältnis A₁/A₂ größer als oder gleich 0,50 und niedriger als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (3) eine Innenwand aufweist, die mit der Innenwand der Mischkammer (5) ausgerichtet ist.
Düseneinheit nach Anspruch 1, bei welcher die Länge der Mischkammer (5) in der Strömungsrichtung derart ist, daß unter Berücksichtigung der Divergenz des Strahls, der aus der ersten Düse (3) abgegeben wird, der Durchmesser des Strahls, welcher die Mischkammer (5) verläßt, kleiner als der Durchmesser der zweiten Düsenöffnung (6) ist.
Düseneinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Länge der Mischkammer (5) in der Strömungsrichtung im Bereich des 0,8–2,0-fachen des Durchmessers der Öffnung der ersten Düse (3) ist.
Düseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Länge der zweiten Düse (6) in der Strömungsrichtung im Bereich des 4–10-fachen des zweiten Düsendurchmessers ist.
Düseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die zweite Düse (6) relativ zur ersten Düse (3) exzentrisch angeordnet ist.
Düseneinheit nach Anspruch 5, bei welcher die exzentrische Versetzung der zweiten Düse (6) eine Komponente in Richtung des Abtragteilcheneinlasses (4) hat.
Düseneinheit nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher zumindest ein Teil einer Innenwand der ersten Düse (3) mit zumindest einem Teil der Innenwand der zweiten Düse (6) fluchtet.
Düseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Zufuhrkanal, der mit dem Abtragteilcheneinlaß (4) verbunden ist, wobei der Zufuhrkanal die Mischkammer (5) über einen Winkel von wenigstens 180° umgibt.
Düseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Zufuhrkanal, der mit dem Abtragteilcheneinlaß (4) verbunden ist, wobei der eingeschlossene Winkel zwischen der Strömungsrichtung in dem Zufuhrkanal und einer Achse entlang der Strömungsrichtung der primären Düse (3) kleiner als 60° ist.
Kombination einer Düseneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Trennvorrichtung (12) zum Trennen magnetischer oder magnetisierbarer Abtragteilchen aus einem Fluid, wobei die Trennvorrichtung einen Magnetkörper (13) zum Anziehen der Abtragteilchen aus dem Fluid aufweist, das entlang der Trennvorrichtung (12) strömt, und eine Stützfläche, welche zumindest teilweise den Magnetkörper (13) einhüllt, sowie Mittel zum Transportieren der angezogenen Abtragteilchen entlang der Stützfläche zu dem Abtragteilcheneinlaß (4) der Düseneinheit (1).
Verfahren zum Ausbilden eines Loches in einem Gegenstand, mit den Schritten: – Anordnen eines Abtragstrahl-Abbauwerkzeuges mit einer Düseneinheit (1) nach einem der Ansprüche 1–9 in dem Loch; – Erzeugen eines Abtragstrahls durch Zufuhr eines Druckträgerfluids zu der ersten Düse (3) und Abgeben von Abtragteilchen in die Mischkammer (5); und – Richten des Abtragstrahls auf den Gegenstand.