專利名稱：磨料射流鉆孔組裝件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆孔組裝件，用于在地下結構中鉆鑿井眼，該鉆孔組裝件包括伸入井眼中的鉆索組以及安裝在鉆索組下端的噴射裝置。噴射裝置向著巖石結構噴射高速的鉆孔流體液流以便沖蝕巖石，從而鉆出井眼。為提高鉆索組的穿透率，建議將磨料顆粒混入噴射液流中。
背景技術：
在美國專利No.3838742中披露了這樣一種系統(tǒng)，其中，鉆索組設置有鉆頭尖，而鉆頭尖具有若干出口噴嘴。鉆孔流體包含磨料顆粒，它被泵送經由鉆索組通過噴嘴，用以產生高速射流，沖擊井眼底部。磨料顆粒與只是鉆孔流體的射流相比，使沖蝕過程加快。巖石切屑吸入液流中，液流通過鉆索組與井眼壁之間的環(huán)形間隙回至地面。從液流中取走巖石切屑后，泵送循環(huán)重復。已知系統(tǒng)的缺陷在于，磨料顆粒通過泵送設備及鉆索組的連續(xù)循環(huán)導至這些部件的磨損加速。已知系統(tǒng)的另一缺陷是，對鉆孔流體的流變學性能施加了限制，例如，要求流體具有較高的粘度，以便向上輸送磨料顆粒通過環(huán)形間隙。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的就是提出一種改進的鉆孔組裝件，用于在土壤結構中鉆鑿井眼，這種改進的鉆孔組裝件克服了已知系統(tǒng)的缺陷，能提供加快的穿透率，但不會加速鉆孔組裝件部件的磨損。
根據本發(fā)明，提出一種鉆孔組裝件，用于在土壤結構中鉆鑿井眼，該鉆孔組裝件包括鉆索具，它伸入于井眼中；和噴射裝置，它布置在鉆索具的下部分，噴射裝置設置有混合室，混合室具有第一入口，它與鉆孔流體供應管道處于流體聯(lián)通中；第二入口，它用于磨料顆粒；以及出口，它與噴射噴嘴進行流體聯(lián)通，噴射噴嘴布置成至少向井眼底部和井眼壁之一噴射磨料顆粒和鉆孔流體的液流，噴射裝置還設置有磨料顆粒再循環(huán)系統(tǒng)，用于將磨料顆粒在所選的位置從鉆孔流體中分出，在此處，液流至少從所述井眼底部和井眼壁之一流向井眼的上端；以及用于將被分出的磨料顆粒輸送至第二入口。
磨料顆粒再循環(huán)系統(tǒng)在液流沖擊巖石結構后，將磨料顆粒從液流中分出，以及將磨料顆粒送回至混合室。液流的其余部分除鉆鑿切屑外，基本不含磨料顆粒，此液流被送回至地面，并在除去鉆鑿切屑后，通過鉆孔組裝件進行再循環(huán)。這從而達到，磨料顆粒只通過鉆孔組裝件的下部分進行循環(huán)，而基本不含磨料顆粒的鉆孔流體則通過泵送設備而循環(huán)，還達到，對鉆孔流體不施加與磨料顆粒輸送至地面有關的流變學性能的限制。
合適的再循環(huán)系統(tǒng)包括在液流中產生磁場的裝置，而磨料顆粒包含這樣的材料，它承受由磁場感生的磁力作用，且產生的磁場是這樣的，它使磨料顆粒被所述磁力從鉆孔流體中分出。產生磁場的裝置包括，例如，至少一塊磁鐵。
在優(yōu)選實施例中，鉆索具在其下端設置有鉆頭尖，而噴射噴嘴布置成在井眼被鉆頭尖鉆鑿時向著井眼壁噴射磨料顆粒和鉆孔流體的液流，以便將井眼的直徑擴大至遠大于鉆頭尖直徑的直徑。通過應用鉆頭尖鉆鑿井眼，以及將井眼直徑擴大至遠大于鉆頭尖直徑的直徑，諸如殼體或襯套的管能在鉆索具仍存在于井眼中時，安裝在井眼中。此后，鉆索具和鉆頭尖能通過此管回收至地面。
欲安裝在井眼中的管能由鉆索具構成，這時，鉆索具的內徑大于鉆頭尖的外徑，鉆頭尖可從鉆索具上拆卸，并設置有裝置，用于從鉆索具上拆卸鉆頭尖，以及用于通過鉆索具將鉆頭尖回收至地面。
附圖概述下文將通過實例、參考附圖對發(fā)明進行更詳盡的說明，其中

圖1示意地表示了根據本發(fā)明提出的鉆孔組裝件的一個實施例的縱向截面；圖2示意地表示了沿圖1的方向II的透視圖的細節(jié)；圖3示意地表示了圖1實施例中應用的一件部件；
圖4示意地表示了根據本發(fā)明提出的鉆孔組裝件的一個替代性實施例；而圖5示意地表示了根據本發(fā)明提出的鉆孔組裝件的另一替代性實施例。
發(fā)明的實施例的詳細描述圖中，相同的標號指示相同的部件。
圖1中表示了一種鉆孔組裝件，它包括鉆索組1，鉆索組1伸入于成形在土壤結構中的井眼2中；以及噴射裝置5，噴射裝置5布置在鉆索組1的下端，位于井眼2的底部7的附近，從而環(huán)形間隙8成形于鉆索組1與井眼2的壁之間。鉆索組1和噴射裝置5設置有流體通道9、9a，以便鉆孔流體如下所述地向著井眼底部噴射。噴射裝置5具有主體5a，它設置有混合室10?；旌鲜?0具有第一入口，它形為入口噴嘴12，與流體通道9、9a進行流體聯(lián)通；第二入口14，它用于磨料顆粒；以及出口，它形為指向井眼底部7的噴射噴嘴15。噴射裝置5還設置有延伸物5c，它位于鉆索組1的縱向，用以使噴射噴嘴15與井眼底部7保持選定的距離。
如圖2所示，主體5a設置有壁龕18，它具有半圓柱形側壁19，并與混合室10和第二入口14進行流體聯(lián)通。壁龕18和第二入口14成形成主體5a中的單個凹陷。旋轉圓柱16布置在壁龕18中，圓柱的直徑是這樣的，以致只有小縫隙存在于圓柱16與壁龕18的側壁19之間(圖2中為清楚起見，已將圓柱16卸去)。圓柱16的旋轉軸線20基本垂直于入口噴嘴12而伸展。第二入口14和混合室10中的每一個均具有由圓柱16的外表面形成的側壁。第二入口14還具有導向構件，形狀為相對的側壁22、24，它們沿著朝混合室10的向內方向而收縮，并基本垂直于壁龕18的側壁19而伸展。
如圖3所示，圓柱16的外表面設置有4塊磁鐵26、27、28、29，每塊磁鐵具有兩個極N、S，它們以極帶形式，沿圓柱16的縱向而伸展。磁鐵由含有稀土元素的材料制成，諸如Nd-Fe-B(如Nd2Fe14B)，或Sm-Co(如SmCo5或Sm2Co17)，或Sm-Fe-N(如Sm2Fe17N3)。這樣的磁鐵具有高磁能密度、高抗退磁性和高居里溫度(它是這樣的溫度，高于此溫度發(fā)生不可逆的磁性減退)。
在鉆孔組裝件1的正常運行的起始階段，鉆孔流體和一定數量磨料顆粒的混合物液流被泵送通過流體通道9、9a和入口噴嘴12，進入混合室10。磨料顆粒含有磁性活潑材料，諸如馬氏體鋼。典型的磨料顆粒是馬氏體鋼細?；蚣毶?。液流流過噴射噴嘴15，形成噴向井眼底部7的噴射液流30。所有磨料顆粒被泵送通過流體通道9、9a后，基本不含磨料顆粒的鉆孔流體被泵送通過通道9、9a和入口噴嘴12，進入混合室10。
由于噴射液流30射向井眼底部7的沖擊，巖石顆粒從井眼底部7去除。鉆索組1同時旋轉，因此，井眼底部7被均勻沖蝕，造成井眼的逐漸加深。從井眼底部7去除的巖石顆粒被吸入液流中，液流沿向上方向通過環(huán)形間隙8，和沿著圓柱16而流動。從而圓柱16的極帶N、S接觸流動通過環(huán)形間隙8的液流，并將磁場誘導進入液流。磁場感生作用于磨料顆粒的磁力，它迫使磨料顆粒與液流分離，并將顆粒移動至圓柱16的外表面，顆粒就粘附于其上。圓柱16在方向21上旋轉，這首先是流入混合室的鉆孔流體液流作用在圓柱上的摩擦力的結果，其次，是流動通過環(huán)形間隙8的液流作用至圓柱上的摩擦力的結果。第三，鉆孔流體通過混合室10的高速流動在混合室10內產生的液壓壓力遠低于環(huán)形間隙8中的液壓壓力。此壓差引起壁龕18中的流體向著混合室10的方向被吸入。磨料顆粒粘附至圓柱16在此區(qū)域中的表面上的數目越多，驅動圓柱16旋轉的壓差就越有效。由于圓柱16的旋轉，粘附至圓柱16的外表面上的磨料顆粒向著混合室10的方向移動通過第二入口14。第二入口14的收縮形側壁22、24引導磨料顆粒進入混合室10。當顆粒到達混合室10中時，從入口噴嘴12噴射出的鉆孔流體液流從圓柱16的外表面移去磨料顆粒，此后顆粒被吸入鉆孔流體的液流中。
流動通過環(huán)形間隙8的液流的其余部分基本不含磨料顆粒，繼續(xù)向上流至地面，在此處鉆孔切屑能從液流中除去。去除鉆孔切屑后，鉆孔流體重新泵送通過流體通道9、9a和入口噴嘴12，進入混合室10，這樣，上述循環(huán)進行重復。
這樣就達到基本不含磨料顆粒的鉆孔流體循環(huán)通過泵送設備和鉆孔組裝件1，同時，磨料顆粒只循環(huán)通過噴射裝置5。因此，鉆索具1、井眼殼體(如存在的話)和泵送設備不暴露于與磨料顆粒的連續(xù)接觸之中，從而較少受到磨損。假如磨料顆粒在井眼中發(fā)生偶然的丟失，這樣的丟失可通過經鉆索具進給新磨料顆粒而加以補償。
沒有這樣的縫隙能替代圓柱16與壁龕18的側壁19之間的小縫隙。其優(yōu)越性在于，磨料顆粒被吸入在圓柱16與側壁19之間的風險下降。但是，為使圓柱16得以旋轉，圓柱16和壁龕18的接觸表面應十分光滑。
請參看圖4，圖中表示本發(fā)明的鉆孔組裝件的一個替代性實施例，其中，在液流中產生磁場的裝置由感應線圈40形成，感應線圈40圍繞磨料顆粒的入口管道42而纏繞。入口管道42提供環(huán)形間隙8與混合室10之間的流體聯(lián)通，其直徑沿著由環(huán)形間隙8至混合室10的方向而收縮。感應線圈的直徑也相應地收縮。
在圖4的替代性實施例的正常使用期間，電流輸送至感應線圈40，從而產生磁場，所具的磁場強度在管道42中沿著自環(huán)形間隙8至混合室10的方向而增加。磨料顆粒被磁場所吸引，從而由在環(huán)形間隙8中流動的液流中分出。在磁場的作用下，磨料顆粒流入入口管道42。由于場強在管道42中沿向內方向而增加，磨料顆粒運動通過入口管道42至混合室10中。在磨料顆粒到達混合室10中，它們與通過流體入口噴嘴12進入混合室的鉆孔流體相混合，于是，磨料顆粒和鉆孔流體的液流通過出口噴嘴15噴向井眼底部7。從井眼底部7，液流沿向上方向流動通過環(huán)形間隙。然后，磨料顆粒借道入口管道42的流動循環(huán)重復，同時，基本不含磨料顆粒的流體繼續(xù)向上，通過環(huán)形間隙8流向地面，在此處，鉆孔切屑被去除。鉆孔流體重新被泵送通過流體通道9、9a和入口噴嘴12，進入混合室10，在此處，流體重又與磨料顆粒相混合，等等。
圖5中表示本發(fā)明鉆孔組裝件的又一修改方案，其中，用于在液流中產生磁場的裝置由再循環(huán)表面44構成，它從環(huán)形間隙8伸向磨料顆粒入口14，磁場產生裝置布置成，用以產生一個運動的磁場，以便使磨料顆粒沿著再循環(huán)表面44向著磨料顆粒入口運動。這是通過應用一系列沿再循環(huán)表面44布置的極靴46獲得的，每一極靴46設置有感應線圈48。
在正常使用期間，極靴46連接至多相電流源，例如三相電流源，其連接方式相似于普通無電刷感應電動機的定子的極靴連接方式。結果，產生了沿著再循環(huán)表面44，向著混合室10的方向運動的磁場，從而使磨料顆粒沿著表面44移向混合室10。當到達至混合室10中時，磨料顆粒與通過流體入口噴嘴12進入混合室的鉆孔流體相混合，然后，磨料顆粒和鉆孔流體的液流通過出口噴嘴15射向井眼底部7。從井眼底部7，液流通過環(huán)形間隙8沿向上方向流動。于是，磨料顆粒借道再循環(huán)表面44的流動循環(huán)重復，同時，基本不含磨料顆粒的流體繼續(xù)通過環(huán)形間隙8向上流至地面，在此處，鉆鑿切屑被去除。鉆孔流體重又被泵送通過流體通道9、9a和入口噴嘴12，進入混合室10，在此處，流體重又與磨料顆粒相混合，等等。
下面將看到，可對上述實例進行許多修改而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，可應用一個以上的入口噴嘴、混合室或出口噴嘴。井眼底部的輪廓、噴射裝置的動力學穩(wěn)定性、以及井眼壁結構能受出口噴嘴的數目和定向的改變的影響。能應用多于一個的旋轉圓柱，例如，第二圓柱，它布置在混合室的另一側，并與上述圓柱相對。此外，此圓柱的定向可有所不同，例如，平行于鉆孔組裝件的縱向軸線而定向。替代鉆孔流體的液流引起圓柱的旋轉，圓柱可例如由電動機、射流發(fā)動機加以旋轉，或通過產生一個變化的磁場，它與圓柱的磁極進行相互作用而對圓柱加以旋轉。替代應用圓柱，應用的旋轉構件可具有凸形形狀，它與井眼壁的曲率相一致。
除了在正常運行的起始階段，借道流體通道向混合室輸送磨料顆粒外，磨料顆?？少A存在形成于噴射裝置中的貯存室內，然后通過適當管道進給至混合室中。
此外，本發(fā)明的組裝件能用于在井眼殼體中切割窗口、對井眼栓塞進行開孔、進行翻新操作，或從井眼中去除鱗狀物或碎片。
鉆孔組裝件的性能或磨料顆粒在噴射液流中的濃度可通過為噴射裝置設置一件或多件下述傳感器而加以監(jiān)控
-一種傳感器，它檢測噴射裝置與井眼底部之間的機械接觸，如，包括應變儀或位移傳感器；-感應線圈，用于監(jiān)控圓柱的旋轉，該線圈能例如布置在壁龕或形成于噴射裝置主體中的其它凹陷中；-音響傳感器，用于監(jiān)控鉆索具與井眼壁之間環(huán)形間隙中、由噴射液流沖擊孔底引起的聲波；-音響傳感器，用于監(jiān)控在混合室和出口噴嘴中產生的聲音，以及用于提供混合室和出口噴嘴的磨損程度的信息。
代替由磁力將磨料顆粒從流體中分出，或除此之外，再循環(huán)系統(tǒng)可設置裝置，用于在所選位置向磨料顆粒作用離心力。例如，在這方面可應用一臺或多臺水力旋流器和/或一臺或多臺離心器，如若干臺水力旋流器成串聯(lián)布置。
權利要求
1.一種鉆孔組裝件，用于在地下結構中鉆鑿井眼，包括鉆索具，它伸入于井眼中；和噴射裝置，它布置于鉆索具的下部，噴射裝置設置有混合室，混合室具有第一入口，它與鉆孔流體供應管道流體聯(lián)通；第二入口，它用于磨料顆粒；以及出口，它與噴射噴嘴進行流體聯(lián)通，噴射噴嘴布置成至少向井眼底部和井眼壁之一噴射磨料顆粒和鉆孔流體的液流，噴射裝置還設置有磨料顆粒再循環(huán)系統(tǒng)，用于將磨料顆粒在所選的位置從鉆孔流體中分出，在此處，液流至少從所述井眼底部和井眼壁之一流向井眼的上端；以及用于將被分出的磨料顆粒輸送至第二入口。
2.根據權利要求1的鉆孔組裝件，其特征在于，再循環(huán)系統(tǒng)包含在液流中產生磁場的裝置，而磨料顆粒包含承受由磁場感生的磁力作用的材料，磁場被定向成磨料顆粒被所述磁力從鉆孔流體中分出。
3.根據權利要求2的鉆孔組裝件，其特征在于，再循環(huán)系統(tǒng)包括再循環(huán)表面，它從所述選定位置伸展至第二入口，而產生磁場用的裝置被布置成產生運動的磁場，該運動磁場誘導磨料顆粒沿再循環(huán)表面移向第二入口。
4.根據權利要求2或3的鉆孔組裝件，其特征在于，產生磁場用的裝置至少包括一塊磁鐵。
5.根據權利要求4的鉆孔組裝件，其特征在于，每塊磁鐵均設置在旋轉構件上，其外表面伸展在所述選定位置與第二入口之間，構件的旋轉軸線被布置成在構件的旋轉期間，每一磁極沿著從所述選定位置至第二入口的方向運動，以及其中，再循環(huán)系統(tǒng)還包含旋轉旋轉構件用的裝置。
6.根據權利要求5的鉆孔組裝件，其特征在于，旋轉旋轉構件用的裝置包括噴嘴，它由第一入口構成。
7.根據權利要求5或6的鉆孔組裝件，其特征在于，噴射裝置至少設置有一件導向部件，它沿著旋轉構件的外表面、在選定的角度下伸向旋轉構件的旋轉軸線，以便將粘附至所述外表面上的磨料顆粒導向第二入口。
8.根據權利要求5-7中任一權利要求的鉆孔組裝件，其特征在于，每一磁鐵的極基本平行于旋轉構件的旋轉軸線而伸展。
9.根據權利要求5-8中任一權利要求的鉆孔組裝件，其特征在于，環(huán)形間隙成形于鉆孔組裝件與井眼壁之間，而其中，所述磨料顆粒從鉆孔流體中分出的選定位置，位于環(huán)形間隙中。
10.根據權利要求9的鉆孔組裝件，其特征在于，旋轉構件的形狀選自圓柱形形狀和凸面形狀，該凸面形狀與旋轉構件附近的井眼壁的曲率相一致。
11.根據權利要求2-10中任一權利要求的鉆孔組裝件，其特征在于，承受磁力作用的所述材料至少包括鐵磁性的、亞鐵磁性的以及順磁性的材料中的一種。
12.根據權利要求1-11中任一權利要求的鉆孔組裝件，其特征在于，再循環(huán)系統(tǒng)包括這樣的裝置，它通過作用至顆粒上的離心力將磨料顆粒從鉆孔流體中分出。
13.根據權利要求1-12中任一權利要求的鉆孔組裝件，其特征在于，鉆索具在其下端設置有鉆頭尖，而噴射噴嘴布置成在井眼被鉆頭尖鉆鑿時向著井眼壁噴射磨料顆粒和鉆孔流體的液流，以便將井眼的直徑加大至遠大于鉆頭尖直徑的直徑。
14.根據權利要求13的鉆孔組裝件，其特征在于，鉆索具的內徑大于鉆頭尖的外徑，鉆頭尖可從鉆索具上拆卸，并設置有裝置，用于從鉆索具上拆卸鉆頭尖，以及用于通過鉆索具將鉆頭尖收回至地面。
15.鉆孔組裝件，它基本如在上文參考附圖所描述的鉆孔組裝件。
全文摘要
提出一種鉆孔組裝件,用于在地下結構中鉆鑿井眼,該鉆孔組裝件包括鉆索具,它伸入于井眼中;和噴射裝置,它布置在鉆索具的下部分,噴射裝置設置有混合室,混合室具有第一入口,它與鉆孔流體供應管道流體聯(lián)通;第二入口,它用于磨料顆粒;以及出口,它與噴射噴嘴流體聯(lián)通,噴射噴嘴布置成至少向井眼底部和井眼壁之一噴射磨料顆粒和鉆孔流體的液流。噴射裝置還設置有磨料顆粒再循環(huán)系統(tǒng),用于將磨料顆粒在選定的位置從鉆孔流體中分出,在此外,液流至少從所述井眼底部和井眼壁之一流向井眼的上端;以及用于將被分出的磨料顆粒輸送至第二入口。
文檔編號E21B10/64GK1349585SQ00806818
公開日2002年5月15日 申請日期2000年4月27日 優(yōu)先權日1999年4月28日
發(fā)明者簡·杰特·布蘭格 申請人:國際殼牌研究有限公司