инструмент для проходки объекта

Формула изобретения

1. Инструмент для проходки объекта, содержащий гидромониторную систему, имеющую сопловое средство, предназначенное для приема текучей среды и абразивных частиц через впускное отверстие для абразивных частиц и выпуска струей потока текучей среды, смешанной с абразивными частицами, в проходимый объект, рециркуляционную систему, выполненную с возможностью рециркуляции, по меньшей мере, некоторых абразивных частиц из возвратного потока после контакта струи потока с проходимым объектом обратно в гидромониторную систему через впускное отверстие для абразивных частиц, имеющее входной проем, отличающийся тем, что на пути гидравлического сообщения возвратного потока с входным проемом предусмотрено фильтрующее средство для поддержания впускного отверстия для абразивных частиц свободным от предметов, имеющих такой же размер, как входной проем, или больший размер, причем фильтрующее средство является проходимым для абразивных частиц.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что фильтрующее средство снабжено одним или несколькими фильтрационными отверстиями, имеющими форму и расположение, обеспечивающие непроходимость фильтрующего средства для частицы, имеющей такие же размер и форму, как входной проем впускного отверстия для абразивных частиц, и предотвращающие полную блокировку одного или нескольких фильтрационных отверстий одной такой частицей.

3. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что имеет, по меньшей мере, одно фильтрационное отверстие с относительно большим характеристическим отношением размеров, и фильтрационное отверстие в одном направлении имеет меньший размер, чем входной проем впускного отверстия для абразивных частиц, а в другом направлении - больший размер, чем упомянутый входной проем.

4. Инструмент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что фильтрующее средство снабжено одним или несколькими фильтрационными отверстиями, каждое из которых меньше входного проема впускного отверстия для абразивных частиц, по меньшей мере, в одном направлении, поперечном к упомянутому пути, и последовательно расположенные фильтрационные отверстия находятся друг от друга на расстоянии, превышающем размер входного проема впускного отверстия для абразивных частиц.

5. Инструмент по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рециркуляционная система содержит опорную поверхность для направления абразивных частиц во впускное отверстие для абразивных частиц, при этом фильтрующее средство выполнено в форме юбки, образующей фильтрационное отверстие в форме щели между юбкой и опорной поверхностью.

6. Инструмент по п.5, отличающийся тем, что юбка выполнена с возможностью направления текущей среды из возвратного потока во впускное отверстие для абразивных частиц по пути вдоль опорной поверхности.

7. Инструмент по любому из пп.1-3, 6 отличающийся тем, что рециркуляционная система содержит транспортирующее устройство для перемещения абразивных частиц в выбранном направлении к впускному отверстию для абразивных частиц, причем абразивные частицы содержат магнитный материал, а транспортирующее устройство содержит опорный элемент, имеющий опорную поверхность для абразивных частиц, проходящую в выбранном направлении, магнит сепаратора, выполненный с возможностью создания магнитного поля для удержания частиц на опорной поверхности, имеющего полосу сильного поля, полосу слабого поля и зону градиента между полосами сильного и слабого полей, при этом напряженность магнитного поля в полосе сильного поля больше, чем в полосе слабого поля, средство для продвижения полос сильного и слабого полей относительно опорной поверхности в направлении, имеющем составляющую в направлении градиента магнитного поля на опорной поверхности, причем за полосой сильного поля следует полоса слабого поля.

8. Инструмент по п.7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, первый полюс магнита и второй полюс магнита, имеющий противоположную полярность, расположены вдоль полосы сильного поля так, что первый путь прохождения силовой линии магнитного поля на опорной поверхности от первого полюса магнита до второго полюса магнита короче, чем второй путь прохождения силовой линии магнитного поля на опорной поверхности, пересекающей зону градиента, от первого полюса магнита до любого другого ближайшего полюса магнита, имеющего противоположную полярность.

9. Инструмент по п.7, отличающийся тем, что зона градиента расположена по спирали вокруг сепаратора.

Приоритет по пунктам:

14.04.2004 по пп.1-9.

Описание изобретения к патенту

Описание

Настоящее изобретение относится к инструменту для проходки объекта, содержащему гидромониторную систему, имеющую сопловое средство, предназначенное для приема текучей среды и абразивных частиц через впускное отверстие для абразивных частиц и вторжения выпуска струей потока текучей среды, смешанной с абразивными частицами, в проходимый объект.

Такой инструмент в типичном случае может быть расположен на нижнем конце бурильной колонны, которая развернута в стволе подземной скважины, вследствие чего во время работы текучая среда закачивается в виде бурового раствора с поверхности по продольному каналу в бурильной колонне в инструмент и, по существу, обратно на поверхность в возвратном потоке по кольцевому пространству между бурильной колонной и стенкой ствола скважины. Для предотвращения непрерывной циркуляции абразивных частиц по бурильной колонне и кольцевому пространству в патенте США №6510907 предложено разработать инструмент с рециркуляционной системой для отделения абразивных частиц от возвратного потока и повторного введения этих частиц в гидромониторную систему.

Еще один такой инструмент описан в международной публикации WO 02/34563. Рециркуляционная система основана на спиральном магните сепаратора, который расположен концентрично внутри опорного элемента. Опорный элемент образован цилиндрической гильзой, внешняя поверхность которой образует опорную поверхность, на которой магнитное поле, создаваемое спиральным магнитом сепаратора, удерживает магнитные частицы. Спиральный магнит сепаратора имеет продольную ось, вокруг которой магнит сепаратора вращается относительно гильзы.

Когда магниту сепаратора сообщается осевое вращение, магнитные частицы подвергаются воздействию движущего градиента напряженности магнитного поля, перпендикулярного спиральной канавке, по которой будут следовать эти частицы. Таким образом, частицы переносятся по опорной поверхности обратно в гидромониторную систему с целью повторного введения.

Оба известных инструмента основаны на эффективном перемещении абразивных частиц от магнита сепаратора к гидромониторной системе. Это важно, в частности, когда нужно осуществлять рециркуляцию большого количества абразивных частиц в единицу времени, потому что в таком случае скопление абразивных частиц может вызывать закупоривание впускного отверстия для абразивных частиц, имеющегося в гидромониторной системе. Скопления абразивных частиц увеличиваются их магнитными взаимодействиями.

Кроме того, возвратный поток, из которого нужно выделять абразивные частицы, обычно содержит также обломки проходимой породы, которые могут включать отдельные частицы породы, которые больше проема, через который происходит доступ во впускное отверстие для абразивных частиц, ведущее в гидромониторную систему. Такие частицы могут заблокировать впускное отверстие для абразивных частиц, имеющееся в гидромониторной системе, и тем самым затруднить процесс рециркуляции абразивных частиц.

В соответствии с настоящим изобретением предложен инструмент для проходки объекта, содержащий гидромониторную систему, имеющую сопловое средство, предназначенное для приема текучей среды и абразивных частиц через впускное отверстие для абразивных частиц и вторжения выпускаемого струей потока текучей среды, смешанной с абразивными частицами, в проходимый объект, рециркуляционную систему, выполненную с возможностью рециркуляции, по меньшей мере, некоторых из абразивных частиц из возвратного потока после подачи выпускаемого струей потока в проходимый объект обратно в гидромониторную систему через впускное отверстие для абразивных частиц, причем впускное отверстие для абразивных частиц имеет входной проем, при этом на пути гидравлического сообщения возвратного потока с входным проемом предусмотрено фильтрующее средство, являющееся проходимым для абразивных частиц.

В таком случае впускное отверстие для абразивных частиц поддерживается свободным от предметов, имеющих такой же размер, как входной проем, или больший, а абразивные частицы при этом могут достигать впускного отверстия для абразивных частиц.

Фильтрующее средство может быть снабжено одним или несколькими фильтрационными отверстиями, форма и расположение которых таковы, что фильтрующее средство непроходимо для частицы, имеющей такие же проекцию, размер и форму, как у входного проема впускного отверстия для абразивных частиц, и полная блокировка одного или нескольких фильтрационных отверстий одной такой частицей невозможна. Таким образом, даже когда одна такая частица застревает в одном или нескольких фильтрационных отверстий, сохраняется возможность переноса через другое отверстие или часть отверстия, которая не блокирована.

Этого можно достичь с помощью фильтрационного отверстия, имеющего относительно большое отношение характеристик размеров и имеющего в одном направлении меньший размер, чем входной проем впускного отверстия для абразивных частиц, а в другом направлении - больший.

Общая проходная площадь фильтрационного отверстия в преимущественном варианте выполнения изобретения может быть больше, чем общая проходная площадь входного проема впускного отверстия для абразивных частиц, для минимизации негативного влияния фильтрующего средства на рециркуляцию абразивных частиц.

В преимущественном варианте осуществления, в котором рециркуляционная система содержит опорную поверхность для направления абразивных частиц во впускное отверстие для абразивных частиц, фильтрующее средство выполнено в виде юбки, создающей фильтрационное отверстие в форме щели между юбкой и опорной поверхностью.

Такая юбка вокруг опорной поверхности направляет поток бурового раствора из кольцевого пространства ствола скважины во впускное отверстие для абразивных частиц по опорной поверхности, тем самым дополнительно поддерживая перемещение абразивных частиц по опорной поверхности во впускное отверстие для абразивных частиц и в гидромониторную систему.

Далее изобретение будет проиллюстрировано на примере со ссылками на прилагаемые чертежи, схематически иллюстрирующие его, на которых изображено следующее:

Фиг.1 представляет продольное сечение, выполненное вдоль линии В-В, части инструмента для проходки объекта;

Фиг.2 представляет вид инструмента согласно фиг.1, иллюстрирующий фильтрующее средство в форме юбки;

Фиг.3 представляет поперечное сечение, выполненное вдоль линии А-А, впускного отверстия для абразивных частиц;

Фиг.4 представляет карту возможной компоновки поверхности магнита для инструмента согласно фиг.1;

Фиг.5а, 5в, 5с представляют альтернативные компоновки магнита для использования в инструменте.

На чертежах одинаковые детали обозначены идентичными позициями. В тех местах нижеследующего описания, где речь идет о направлении вращения, направление перемещения каждый раз является направлением визирования, относительно которого определяется направление вращения.

Часть инструмента для проходки объекта схематически показана в продольном сечении на фиг.1. Этот инструмент может быть подсоединен к нижнему концу бурильной колонны (не показана), проходящей в ствол скважины, сформированный в объекте, таком как пласт породы. Инструмент выполнен с возможностью выпускать струей поток бурового раствора, смешанный с абразивными частицами, к объекту, который надо пройти, и с возможностью рециркуляции, по меньшей мере, части абразивных частиц.

Инструмент снабжен продольным каналом 1 для бурового раствора, который на одном своем конце гидравлически сообщается с каналом бурового раствора, предусмотренным в бурильной колонне, а на другом своем конце гидравлически сообщается с гидромониторной системой, имеющей сопловое средство. Сопловое средство содержит смесительную камеру 2, которая соединена c каналом 1 для бурового раствора посредством впускного отверстия 3 для бурового раствора.

Смесительная камера 2 также гидравлически сообщается с впускным отверстием 4 для абразивных частиц, предназначенным для введения абразивных частиц, и со смесительным соплом 5, имеющим выпускное отверстие (не показано), предназначенное для выпуска струей потока бурового раствора и абразивных частиц к пласту породы во время бурения с помощью бурового раствора, находящегося в стволе скважины.

Смесительная камера 2 снабжена элементом 14 из магнитного материала на стороне, противоположной впускному отверстию 4 для абразивных частиц, но это необязательно.

Смесительное сопло 5 расположено с наклоном относительно продольного направления бурового инструмента, при этом угол наклона относительно вертикали составляет 15-30°, но можно использовать и другие углы. Угол наклона предпочтительно составляет примерно 21°, и это значение оптимально для абразивной эрозии забоя ствола скважины за счет осевого вращения всего инструмента внутри ствола скважины. Смесительная камера 2 и смесительное сопло 5 ориентированы под одинаковым углом относительно выпускного сопла, чтобы достичь оптимального ускорения абразивных частиц.

Канал 1 для бурового раствора расположен так, что он обходит транспортирующее устройство 6 для перемещения абразивных частиц, которое включено в состав инструмента как часть рециркуляционной системы для магнитных абразивных частиц и которое может быть использовано, если абразивные частицы содержат магнитный материал. Устройство 6 включает опорный элемент в форме гильзы 15 с небольшой конусностью для обеспечения опорной поверхности, проходящей вокруг удлиненного магнита 7 сепаратора, имеющего, по существу, цилиндрическую форму. Магнит 7 сепаратора 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. Канал 1 для бурового раствора имеет нижний конец, расположенный около впускного отверстия 4 для абразивных частиц. В данном варианте осуществления канал 1 для бурового раствора выполнен внутри гребня в осевом направлении, который, выступая, находится в контакте с опорной поверхностью 15. В альтернативном варианте канал 1 для бурового раствора может быть выполнен автономным от опорной поверхности аналогично тому, который описан в международной публикации WO 02/34653 и проиллюстрирован на фиг.4 этой публикации, или в направлении, не являющемся осевым. Впускное отверстие 4 для абразивных частиц находится у нижнего конца гребня.

Опорная поверхность 15 имеет коническую форму. В альтернативном варианте опорная поверхность может быть цилиндрической.

Цилиндрический магнит 7 сепаратора образован из четырех меньших магнитов 7а, 7b, 7с и 7d, уложенных стопой друг на друга. Можно также использовать другое количество меньших магнитов. Каждый магнит 7а, 7b, 7с и 7d имеет диаметрально противоположные полюсы N и S, и эти магниты уложены стопой таким образом, что соседние магниты имеют направления N-S, азимутально повернутые друг относительно друга вокруг центральной продольной оси 8 на угол , вследствие чего каждое чередование N- и S-полюсов приводит к получению двух, по существу, спиральных, диаметрально противоположных полос.

В контексте этого описания магнитный полюс - это область на поверхности магнита или на опорной поверхности, где силовые линии магнитного поля пересекают поверхность магнита или опорную поверхность, и поэтому она является областью истока или стока силовых линий магнитного поля.

Из-за природы двухполюсного магнита напряженность магнитного поля в областях между N- и S-полюсами в каждом из меньших магнитов 7а, 7b, 7с и 7d меньше, чем в областях вокруг N- и S-полюсами, ориентированных, по существу, спирально. Таким образом, спиральные полосы чередующихся N- и S-полюсов образуют полосу сильного поля, имеющего повышенную напряженность магнитного поля по сравнению с областями, образующими полосу слабого поля, повернутую примерно на 90° по азимуту относительно полосы сильного поля. В промежутке между полосами сильного и слабого полей имеется зона градиента, где напряженность магнитного поля уменьшается от большего значения в полосе сильного поля до значения в полосе слабого поля.

Магнит 7 сепаратора имеет центральную продольную ось 8 и выполнен с возможностью вращения относительно гильзы 15 и вокруг центральной продольной оси. Предусмотрены средства привода (не показаны), предназначенные для привода оси 8 и тем самым - вращения магнита 7 сепаратора в направлении либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, что диктуется ориентацией спиральной полосы. В преимущественном варианте средства привода могут быть выполнены в виде электродвигателя, управление которым может осуществлять система управления (не показана).

На нижнем конце магнита 7d предусмотрен короткий конический участок 11. Гильза 15 снабжена соответствующим коническим сужением, так что впускное отверстие для абразивных частиц обеспечивает гидравлическое сообщение между опорной поверхностью 15, окружающей конический участок 11, и смесительной камерой 2. Коническое сужение в наилучшем случае расположено под тем же углом, что и вышеупомянутый угол смесительной камеры 2 и смесительного сопла 5.

На фиг.2 представлен схематический вид снаружи инструмента и показаны опорная поверхность 15 конической формы, в пределах которой заключен магнит 7 сепаратора, и гребень 41, в пределах которого заключен обходной канал для бурового раствора. Размеры соответствуют тем, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1
Название размера	Позиция	Размер
Осевая длина магнита сепаратора	7	120 мм
Внешний диаметр магнита сепаратора	7	29 мм
Диаметр в нижней части опорной поверхности	15	34 мм
Диаметр в верхней части опорной поверхности	15	52 мм

Область в окрестности впускного отверстия 4 для абразивных частиц (показанного на фиг.1) защищена щитком в форме юбки 43. Между юбкой 43 и опорной поверхностью 15 оставлен открытый зазор, через который по пути вдоль опорной поверхности 15 возможен доступ к впускному отверстию 4 для абразивных частиц. Этот путь проходит сквозь фильтрационное отверстие в форме щели 44, проходящей между юбкой 43 и опорной поверхностью 15.

На фиг.3 показано поперечное сечение, выполненное вдоль линии А-А, показанной на фиг.1 и 2, через магнит 7d поперек оси 8 и через смесительную камеру 2 и элемент 14 из магнитного материала. Упомянутый зазор проходит между юбкой 43 и опорной поверхностью 15. Доступ в этот зазор возможен через щель 44.

Отметим, что юбка 43 в инструменте, как показано на фиг.2 и 3, пригодна для использования в сочетании с магнитом сепаратора, вращающимся по часовой стрелке. Должно быть, очевидно, что для инструмента с магнитом сепаратора, вращающимся против часовой стрелки, юбка должна быть расположена на противоположной стороне впускного отверстия для абразивных частиц.

Если используется элемент 14 из магнитного материала, то он на стороне, противоположной впускному отверстию 4 для абразивных частиц, увлекает часть магнитного поля, создаваемого магнитом сепаратора, в смесительную камеру 2. В результате магнитная сила, притягивающая магнитные частицы 23 к опорной поверхности 15, оказывает меньшее влияние на магнитные частицы, которые попадают в область впускного отверстия 4 для абразивных частиц. Таким образом, попадание магнитных абразивных частиц через впускное отверстие 3 для бурового раствора в смесительную камеру 2 дополнительно облегчается.

Во время эксплуатации инструмент работает следующим образом. Инструмент соединен с нижним концом бурильной колонны, которая проходит с поверхности в ствол скважины. Как ясно из фиг.1, поток бурового раствора закачивается с помощью подходящего насоса (не показан), находящегося на поверхности, по каналу бурового раствора в бурильной колонне и каналу 1 бурового раствора в смесительную камеру 2. Во время первоначального закачивания этот поток имеет низкую концентрацию абразивных частиц магнитного материала, таких как стальная дробь или стальные опилки.

Поток протекает из смесительной камеры 2 в смесительное сопло 5 и выпускается из него в виде струи к забою ствола скважины. Одновременно с этим происходит вращение бурильной колонны, так что забой ствола скважины подвергается равномерной эрозии. Возвратный поток, содержащий текучую среду, абразивные частицы и обломки проходимой породы, течет от забоя ствола скважины по этому стволу скважины в обратном направлении - к поверхности. Таким образом, возвратный поток проходит через гильзу 15.

Одновременно с закачиванием потока бурового раствора магнит 7 сепаратора вращается вокруг оси 8 в направлении, диктуемом ориентацией спиральных полос, которая может быть либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Магнит 7 сепаратора индуцирует магнитное поле, распространяющееся к внешней поверхности гильзы 15 и выходящее за нее. Когда поток проходит вдоль гильзы 15, абразивные частицы, присутствующие в потоке, отделяются от этого потока магнитными силами, прикладываемыми магнитом 7 сепаратора, которые притягивают эти частицы к внешней поверхности гильзы 15.

Поток бурового раствора, который теперь, по существу, не содержит абразивные магнитные частицы, течет дальше по стволу скважины к насосу на поверхности и рециркулируется по бурильной колонне после удаления бурового шлама.

Магнитные силы, прикладываемые к абразивным частицам в области слабого поля, меньше, чем в области сильного поля. Магнитные частицы, удерживаемые на опорной поверхности 15, притягиваются к полосе, имеющей наиболее сильное магнитное поле. Ввиду вращения магнита 7 сепаратора в направлении, соответствующем ориентации спиральных полос, соответствующие полосы и зона градиента между ними обеспечивают приложение силы к магнитным частицам в направлении, перпендикулярном зоне градиента, причем эта сила имеет направленную вниз составляющую, вследствие чего частицы вынуждены двигаться вниз по спирали.

Когда частицы поступают во впускное отверстие 4 для абразивных частиц, поток бурового раствора, текущий в смесительную камеру 2, снова увлекает эти частицы. Как только они оказываются внутри смесительной камеры 2, эти частицы взаимодействуют с потоком бурового раствора, проходящим через смесительную камеру 2 из впускного отверстия 3 для бурового раствора в смесительное сопло 5, вследствие чего эти частицы будут вовлекаться в этот поток.

В следующем цикле абразивные частицы снова выбрасываются в струе к забою ствола скважины, а затем текут по кольцевому пространству, образованному инструментом и стволом скважины, в направлении к поверхности. Потом цикл непрерывно повторяется. Таким образом, можно получить оборудование бурильной колонны и насосное оборудование, по существу, не подверженное повреждениям абразивными частицами, поскольку эти частицы циркулируют только через нижнюю часть бурильной колонны, а буровой раствор циркулирует через все оборудование бурильной колонны и насосное оборудование. В случае, когда малая доля частиц протекает по стволу скважины к поверхности, эту долю можно снова удалить посредством потока текучей среды, протекающей по бурильной колонне.

Механизм гидромониторной перекачки в смесительном сопле 5 создает мощный поток бурового раствора из смесительной камеры 2 в смесительное сопло 5. Этот механизм гидромониторной перекачки также поддерживает поток магнитных частиц в смесительную камеру 2. Больший диаметр смесительного сопла 5 по сравнению с впускным соплом для бурового раствора (находящимся между впускным отверстием 3 и смесительной камерой 2) приводит к адекватному увлечению бурового раствора и магнитных абразивных частиц, попадающих в смесительную камеру через впускное отверстие 4 для абразивных частиц. Взаимодействие между увлекаемым буровым раствором и магнитными частицами увеличивает эффективность высвобождения частиц с опорной поверхности 15 в смесительную камеру 2.

Юбка 43, выполненная с возможностью образования щели 44, функционирует как фильтрующее средство, вследствие чего щель 44 функционирует как фильтрационное отверстие. Опорная поверхность 15 и внутренняя поверхность юбки 43 ограничивают проточный канал, соединяющий впускное отверстие 4 для абразивных частиц с кольцевым пространством ствола скважины. Таким образом, стенка юбки защищает впускное отверстие 4 для абразивных частиц от кольцевого пространства, так что доступ текучей среды во впускное отверстие 4 для абразивных частиц возможен только из кольцевого пространства ствола скважины по пути вдоль опорной поверхности 15.

Расположение юбки позволяет избежать попадания отдельных частиц породы, превышающих размер проема, через который происходит доступ во впускное отверстие 4 для абразивных частиц, в упомянутый проточный канал. Характеристическое отношение размеров отверстия-щели является относительно большим, так что в радиальном направлении (поперечном к опорной поверхности) отверстие-щель меньше, чем проем, через который происходит доступ во впускное отверстие 4 для абразивных частиц, а в окружном направлении вдоль опорной поверхности отверстие-щель больше, чем упомянутый входной проем. Таким образом, если часть щели заблокирована, например, отдельной частицей породы, другая часть щели может оставаться доступной для прохождения абразивных частиц и текучей среды.

Эта компоновка юбки 43 также обеспечивает направление бурового раствора из кольцевого пространства ствола скважины в смесительную камеру 2 вдоль опорной поверхности 15 в направлении желаемого перемещения. Для увлечения достаточного количества бурового раствора с потоком магнитных частиц скорость бурового раствора в кольцевом пространстве ствола скважины предпочтительно не должна превышать 3 м/с. Выборочно можно предусмотреть дополнительные щели в юбке со стороны кольцевого пространства.

На фиг.4 показан магнит 7 сепаратора с правосторонней спиральной ориентацией (для вращения против часовой стрелки), причем на этом представлении цилиндрическая поверхность развернута в плоскости чертежа. Таким образом, по вертикали видна высота магнита сепаратора, который разделен на меньшие магниты 7а, 7b, 7c и 7d, а по горизонтали - поверхность со всеми азимутами между 0 и 360°. Как можно заметить, угол относительно каждого из меньших магнитов в стопе в этом случае составляет 90°, где - разность углов азимута между проецируемыми N-S-направлениями в двух соседствующих меньших магнитах. В альтернативном варианте этот угол может изменяться по стопе магнитов.

Области 16 схематически показывают зоны градиента, где напряженность магнитного поля наиболее заметно уменьшается ступенчато от повышенного значения в полосе сильного поля до значения в полосе слабого поля.

В зависимости и от угла , и от осевой высоты меньших магнитов каждая из двух полос сильного поля растянута в направлении, образующем угол относительно плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси 8, как показано на фиг.4. Угол может изменяться по стопе магнитов.

Магнитные частицы, удерживаемые на опорной поверхности магнитом сепаратора, склонны располагаться длинными цепочками вдоль пути прохождения силовой линии магнитного поля от одного полюса к ближайшему полюсу противоположной полярности. Кратчайший путь прохождения силовой линии магнитного поля по приблизительно цилиндрической поверхности между местоположениями двух соседних N- и S-полюсов в пределах одной полосы сильного поля, обозначенная на фиг.4 пунктирной линией 9, короче, чем кратчайший путь по приблизительно цилиндрической поверхности между местоположением S-полюса (N-полюса) в этой полосе сильного поля и местоположением ближайшего S-полюса (N-полюса) в другой полосе сильного поля. Таким образом, магнитные частицы будут проявлять тенденцию к образованию вдоль линии 9 цепочки, ориентированной в соответствии с полосой сильного поля. Для удобства отсчета показана пунктирная линия 10, соответствующая той же длине пути прохождения силовой линии магнитного поля, что и линия 9, и можно заметить, что пунктирная линия 10, пересекающая зону 16 градиента, слишком коротка, чтобы охватить расстояние от N-полюса в полосе сильного поля до ближайшего S-полюса снаружи полосы.

Соответствующие расстояния определены на опорной поверхности, потому что она приблизительно определяет расстояние, на которое должны вырасти цепочки частиц.

Полосы сильного и слабого полей в каждом из вышеописанных магнитов 7 сепаратора были образованы посредством распределения поля двухполюсных цилиндрических магнитов. Это приводит к получению полос повышенной напряженности магнитного поля. Магнитные частицы, удерживаемые на опорной поверхности, с наибольшей интенсивностью проявляют реакцию непосредственно в направлении протяженности зоны градиента, если изменение магнитного поля в зоне градиента велико. Чтобы этого достичь, полоса слабого поля предпочтительно соответствует области пониженной магнитной проницаемости магнита и/или зазору между магнитом сепаратора и опорной поверхностью. При этом достигается зона резко изменяющегося градиента между полосами сильного и слабого полей.

На фиг.5 представлена альтернативная компоновка магнита, предназначенная также для вращения против часовой стрелки, вследствие чего магниты 7а-7d, показанные на фиг.1, заменены вдвое большим количеством магнитов, осевая высота каждого из которых равна половине высоты этих магнитов 7а-7d. Можно использовать и другое количество магнитов. Магниты в середине уложены стопой в последовательности NNSSNN или SSNNSS, вследствие чего все соседние полюсы оказываются на спиральной полосе. По сравнению с магнитом 7 сепаратора согласно фиг.1 комбинации соседних N-N и S-S-полюсов имеют псевдоспиральную форму в соответствии со спиральной компоновкой полосы. Кроме того, полюсы магнита, имеющиеся на магните сепаратора и образованные первым и последним из меньших магнитов в стопе, меньше в направлении укладки стопой, чем магнитные полюсы в средней части магнита сепаратора. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что силовая линия магнитного поля от крайнего сверху или крайнего снизу полюса магнита в полосе сильного поля может встретить ближайший к нему полюс магнита противоположной полярности в той же полосе сильного поля. Первый и последний магниты в стопе могут даже иметь меньшую осевую высоту, чем другие магниты в стопе.

В варианте осуществления, показанном на фиг.5, область пониженной магнитной проницаемости имеет форму спиральной выемки 26 во внешней поверхности магнита 7 сепаратора рядом с полосой сильного поля. Благодаря магнитной проницаемости у более магнитного материала, чем у менее магнитного материала (газа, жидкости или твердого вещества), который заполняет выемки, силовые линии внутреннего магнитного поля следуют главным образом по магнитному материалу, а не по материалу, содержащемуся в выемке. Это делает полосу сильного поля с повышенной напряженностью магнитного поля рядом с выемкой 26 более отчетливой. На фиг.5а показано поперечное сечение магнита сепаратора, которое иллюстрирует круговые контуры 24 вокруг диаметрально противоположных полюсов, соединенные, по существу, прямолинейными контурами 25. Прямолинейные контуры соответствуют выемке 26, а круговые контуры - полосам сильного поля с повышенной напряженностью магнитного поля.

На фиг.5b представлен схематический продольный вид магнита сепаратора, на котором косые линии показывают переход между круговыми контурами и, по существу, прямолинейными контурами. На фиг.5c приведено схематическое представление всей поверхности таким же образом, как на фиг.4. Угол спиральной выемки составляет 53°.

В предпочтительном варианте выемка достигает глубины относительно цилиндрической окружной поверхности магнита сепаратора, которая равна расстоянию в зазоре между магнитной поверхностью в полосе сильного поля и опорной поверхностью.

Должно быть ясно, что магниты сепаратора, показанные на фиг.4 и 5 для случая вращения против часовой стрелки, также можно подготовить для вращения по часовой стрелке, меняя на ориентацию спиральных полос с правосторонней на левостороннюю.

Подходящие магниты для устройства для перемещения частиц магнитного материала и для описанной рециркуляционной системы могут быть выполнены из сильно намагничиваемого материала, включая NdFeB, SmCo и AlNiCo-5 или их комбинацию.

В предпочтительном варианте магнит сепаратора также имеет запас магнитной энергии, по меньшей мере, 140 кДж/м³ при комнатной температуре, предпочтительно - более 300 кДж/м³ при комнатной температуре, что характерно для случая магнитов на основе NdFeB. Большой запас энергии обеспечивает уменьшенную длину осевого контакта опорной поверхности с возвратным потоком, а значит, - и резче выраженную конусность опорной поверхности, что выгодно для скорости осевого переноса. Кроме того, требуется меньшая мощность для вращения магнита сепаратора.

Гильза 15 и канал 1 для бурового раствора обычно выполнены из немагнитного материала. Они должным образом выполнены путем механической обработки одного куска материала для получения оптимальной механической прочности. Обнаружено, что пригодными являются суперсплавы, включая высокопрочные коррозионно-стойкие немагнитные хромоникелевые сплавы, в том числе продаваемый под названием Inconel 718 или Allvac 718.

При проходке ствола скважины в пласте породы возвратный поток бурового раствора в кольцевом пространстве ствола скважины (образованном стенкой ствола скважины и проходческим инструментом) может проходить рециркуляционную систему со скоростью 2 м/с или еще большей. Достижение кольцевого пространства ствола скважины магнитным полем должно обуславливать приложение к частицам силы тяги, достаточно большой, чтобы притянуть их к опорной поверхности до того, как они пройдут устройство. В то же время магнитная сила, притягивающая частицы к корпусу, должна быть как можно меньшей для минимизации силы трения, а также требования к мощности для вращения магнита сепаратора. Наиболее подходящим магнитом является тот, который имеет как можно больший коэффициент для наименьшего преобладающего радиального полярного момента и который в типичном случае является магнитом, имеющим преобладающий режим четырехполюсника при определенном запасе энергии.

Для достижения наилучшей эффективности захвата рециркуляционной системы магнит сепаратора предпочтительно размещают в осевом центре ствола скважины. В типичном стволе скважины приемлемо малое осевое смещение величиной до 15% диаметра проходческого инструмента. Вариант осуществления, показанный на фиг.2, имеет осевое смещение магнита, расположенное в осевом направлении изнутри от опорной поверхности 15, составляющее 10% - или приблизительно 7 мм - для целевого ствола скважины диаметром 70 мм.

В качестве альтернативы для цилиндрического магнита сепаратора внешний диаметр магнита сепаратора и внутренний диаметр внутренней стенки 35 можно выполнить меньше с уменьшением осевой высоты. Меньшим магнитам, из которых собирают магнит сепаратора, можно предать форму усеченного конуса для получения сужающегося профиля магнита сепаратора. Можно также уменьшить зазор между магнитом сепаратора и внутренней стенкой опорной гильзы, как и толщину стенки опорной гильзы.

Буровой раствор в смесительном сопле 5 или в струе абразивных частиц может содержать абразивные магнитные частицы в концентрации до 10% по объему. Типичная концентрация магнитных абразивных частиц, которая поддерживается каналом 1, находится в диапазоне между 0,1 и 1% по объему. Привод магнита сепаратора в типичном случае осуществляется на частоте вращения, находящейся в диапазоне между 10 и 40 Гц.

Фильтрующее средство, подобное проиллюстрированному выше, в частности содержащее юбку, может быть применено в рециркуляционных системах для магнитных частиц вообще, а в частности - для рециркуляционных систем, имеющих компоновки магнитов сепараторов тех типов, которые отличаются от присутствующей в вышеописанной рециркуляционной системе и примеры которых приведены в документах WO 02/34653 и US 6510907.

Как пояснялось выше, щель 44, образованная между юбкой 43 и опорной поверхностью 15, имеет большое характеристическое отношение размеров, так что часть щели 44 может оставаться открытой, даже если другая часть заблокирована отдельной частицей породы.

В альтернативном варианте можно предусмотреть некоторое количество фильтрационных отверстий, каждое из которых меньше, чем входной проем впускного отверстия 4, по меньшей мере, в одном направлении, причем эти отверстия будут отстоять друг от друга на расстояние, большее, чем размер входного проема впускного отверстия 4.

В любом случае, совокупная проходная площадь одного или нескольких фильтрационных отверстий может быть больше, чем проходная площадь входного проема впускного отверстия 4 для абразивных частиц.