Инструмент для выкапывания объекта

1 Настоящее изобретение относится к инструменту для выкапывания объекта, содержащего устройство для транспортировки частиц магнитного материала в выбранном направлении. Существуют различные области техники, в которых требуется транспортировать частицы магнитного материала, например непрерывное отделение парамагнитных частиц от потока текучей среды или операции непрерывной очистки на решетке. В приведенном далее описании под частицами магнитного материала подразумеваются те частицы, которые притягиваются магнитом, индуцирующим магнитное поле,проникающее в область, в которой присутствуют магнитные частицы. В соответствии с этим целью настоящего изобретения является создание устройства для транспортировки частиц магнитного материала в выбранном направлении, применяемого в инструменте для выкапывания объекта. Эта цель достигается тем, что инструмент для выкапывания объекта содержит устройство для транспортировки частиц магнитного материла в выбранном направлении, имеющее опорный элемент, имеющий опорную поверхность,предназначенную для поддержки частиц, проходящую в заданном направлении, магнит,предназначенный для генерирования магнитного поля, удерживающего магнитные частицы на опорной поверхности, и имеющее на опорной поверхности, по меньшей мере, один участок с пониженной напряженностью поля по сравнению с напряженностью магнитного поля на опорной поверхности за пределами указанного участка, и приводное средство для перемещения каждого участка с пониженной напряженностью поля относительно опорной поверхности в направлении, имеющем компонент в заданном направлении. Благодаря этому в то время, когда частицы магнитного материала поступают на опорную поверхность, магнитные силы, приложенные к частицам, оказываются ниже на участке с пониженной напряженностью поля, чем за пределами этого участка. Таким образом, частицы имеют тенденцию плотнее приставать к поверхности, находящейся за пределами указанного участка, а при движении участка с пониженной напряженностью поля относительно опорной поверхности частицы имеют тенденцию следовать такому движению. Магнитный материал может быть, например, материалом, обладающим ферромагнитными, ферримагнитными или парамагнитными свойствами. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанные частицы являются абразивными частицами, при этом инструмент для выкапывания объекта включает струйную систему со смесительной камерой, снабженной первым впускным отверстием для текучей среды, вторым впускным отверстием для абразивных частиц и выпускным соплом, приспособ 004028 2 ленным для направления потока текучей среды и абразивных частиц на объект в процессе выкапывания объекта инструментом, при этом опорная поверхность устройства открыта для потока текучей среды на участке ниже места соударения потока с объектом, и частицы транспортируются устройством в направлении второго впускного отверстия. Инструмент может представлять собой буровой инструмент для бурения скважины в пластах горных пород, а объект - стенку или дно скважины. В качестве альтернативы инструмент может представлять собой фрезу, предназначенную для рассверливания канала в трубчатом стволе скважины, а объект - стенку трубчатого ствола скважины. Желательно, чтобы поток протекал вдоль устройства (ниже места соударения с объектом) через канал из немагнитного материала. Настоящее изобретение описано далее более подробно и на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 схематически показывает трехмерное изображение варианта реализации устройства согласно настоящему изобретению; фиг. 2 схематически показывает магнит,применяемый в варианте реализации, изображенном на фиг. 1; фиг. 3 схематически показывает альтернативный магнит, применяемый в варианте реализации, изображенном на фиг. 1; фиг. 4 схематически показывает вид сбоку,частично в поперечном разрезе, бурового инструмента, содержащего устройство согласно изобретению; фиг. 5 схематически показывает сборку магнитов, применяемых в устройстве, изображенном на фиг. 1. На фигурах одинаковыми числовыми позициями обозначены одинаковые компоненты. На фиг. 1 показан цилиндрический магнит 1, концентрически размещенный в цилиндрической гильзе 2. Магнит 1 снабжен на своей наружной поверхности рядом спиральных желобков 3. Магнит 1 имеет центральную продольную ось 4, вокруг которой магнит 1 может вращаться относительно гильзы 2. Величина зазора между магнитом 1 и гильзой 2 меньше шириныкаждого желобка 3. На фиг. 2 показан магнит 1, извлеченный из гильзы 2. На фиг. 3 показан альтернативный магнит 5, предназначенный для размещения в гильзе 2,причем этот магнит в значительной мере подобен магниту 1, за исключением того, что магнит 5 имеет спиральные желобки 6, которые меняют свою спиральную ориентацию в аксиальном центре гильзы. Подобно магниту 1, магнит 5 может вращаться относительно гильзы 2 вокруг продольной оси 4. 3 На фиг. 4 показан буровой инструмент 7,соединенный с нижним концом буровой колонны (не показана), проходящей в скважину 8,образованную в пласте пород 9. Буровой инструмент включает протяженный корпус 10 с продольным проходом для бурового раствора 11,который одним концом сообщен с каналом для бурового раствора, выполненным в буровой колонне, а другим концом сообщен через впускное отверстие 14 для бурового раствора со смесительной камерой 12. Смесительная камера сообщена с впускным отверстием 16 для абразивных частиц и с выпускным соплом 18, предназначенным для того, чтобы в процессе бурения буровым инструментом 7 в скважине 8 направлять струю бурового раствора и абразивных частиц на горную породу 9. Выпускное сопло размещено наклонно относительно продольной оси бурового инструмента с углом наклона 1530 относительно вертикали, предпочтительно около 21. Нижний конец корпуса 10 снабжен опорой 19, предназначенной для поддерживания бурового инструмента 7 на дне скважины 8. Цилиндрическое устройство 20 для транспортировки абразивных частиц соединено с корпусом 9 и проходит, по существу, параллельно проходу 11 для бурового раствора. Устройство 20 включает цилиндрическую гильзу 21, неподвижно закрепленную относительно корпуса 10 и снабженную направляющими элементами в форме двух пластин 24a, 24b из немагнитного материала, проходящих по спирали вокруг гильзы 21. Нижний конец пластины 24 а расположен рядом с впускным отверстием 16 для абразивных частиц. На фиг. 5 показан цилиндрический магнит 28, выполненный из трех меньших магнитов 28 а, 28b, 28 с, сложенных вместе, и расположенный концентрически внутри гильзы 21. Магнит 28 имеет центральную продольную ось 30 и может вращаться относительно гильзы 21 вокруг центральной продольной оси 30. Каждый магнит 28 а, 28b, 28 с имеет диаметрально противоположные северный и южный полюса, и магниты сложены таким образом, что прилегающие магниты имеют противоположно ориентированные северное и южное направления. На наружной поверхности магнита 28 выполнен ряд спиральных желобков 32 (на фиг. 1 магнит 28 и желобки 32 частично показаны пунктиром). Ориентация спиралей желобков 32 противоположна ориентации спиралей пластин 24 а, 24b. Короткий конусный участок 34 выполнен на нижнем конце магнита 28 таким образом, чтобы впускное отверстие 16 для абразивных частиц обеспечивало сообщение между наружной поверхностью конусного участка 34 и смесительной камерой 12. Электродвигатель 36, предназначенный для вращения магнита 28, размещен над магнитом 28 и соединяется с ним приводным валом 38, причем управление мотором 36 осуществляется с помощью находящейся на 4 поверхности системы управления (на чертеже не показана) по электрическому проводу (на чертеже не показан), пропущенному через буровую колонну. С другой стороны, возможно управление мотором посредством беспроводной системы управления, снабженной батарейным источником питания. В процессе нормального использования устройства, показанного на фиг. 1, магнит 1 индуцирует магнитное поле, проходящее к наружной поверхности гильзы 2. Благодаря более высокой магнитной проницаемости магнитного материала по сравнению с менее магнитным материалом (газообразным, жидким или твердым) в желобках 3 магнитные силовые линии стремятся проходить скорее по материалу магнита, чем по материалу в желобках 3. В результате, напряженность магнитного поля оказывается ниже в тех участках гильзы 2, которые расположены против желобков 3, чем в желобках,расположенных против магнитного материала между желобками 3. Двигатель (на чертеже не показан) вращает магнит 1 вокруг его продольной оси 4 относительно гильзы 2, и одновременно частицы магнитного материала поступают к наружной поверхности гильзы 2. Частицы притягиваются к указанной наружной поверхности силами магнитного поля магнита 1, причем эти силы меньше на участках, расположенных против желобков 3, чем на участках, расположенных против магнитного материала, находящегося между желобками, где напряженность поля выше. Благодаря вращению магнита соответствующие участки с меньшей и большей напряженностью магнитного поля движутсяв осевом направлении вдоль гильзы 2, заставляя таким образом частицы следовать такому осевому движению. Таким образом частицы транспортируются по направлению к одному концу магнита. Нормальное использование альтернативного магнита, показанного на фиг. 3, сходно с нормальным использованием магнита, показанного на фиг. 1, за исключением того, что частицы транспортируются силами магнитного поля по направлению к осевому центру гильзы или же от центра в зависимости от направления вращения магнита благодаря желобкам, меняющим ориентацию спиралей в центре гильзы. Очевидно, что место на оси, в котором спиральные желобки меняют ориентацию, может меняться в зависимости от того места, по направлению к которому или от которого должны транспортироваться частицы. В процессе нормального использования бурового инструмента, показанного на фиг. 4, 5,поток бурового раствора закачивают подходящим насосом (на чертеже не показан) на поверхности через канал для раствора в буровой колонне и проход для раствора 11 в смесительную камеру 12. При первоначальном закачивании в поток вводят порцию абразивных частиц 5 из магнитного материала, таких как стальная дробь или стальные опилки. От смесительной камеры 12 поток поступает в выпускное сопло 18 и в форме струи направляется на дно 40 скважины. Одновременно происходит вращение буровой колонны, так что происходит равномерное размывание дна 40 скважины, причем благодаря наклонной ориентации выпускного сопла 18 на дне 40 скважины имеется центральная часть 42 в форме горки. Поток раствора и абразивных частиц отходит от дна 40 скважины через скважину 8 по направлению вверх и проходит таким образом вдоль гильзы 21. Одновременно с закачиванием потока бурового раствора двигатель 36 используется таким образом, чтобы вращать магнит 28 посредством приводного вала 38 в левостороннем направлении (при наблюдении за буровой колонной сверху). Подобно варианту реализации, показанному на фиг. 1-3, магнит 28 индуцирует магнитное поле, проходящее к наружной поверхности гильзы 21. Благодаря более высокой магнитной проницаемости магнитного материала по сравнению с материалом (или вакуумом) в желобках 32 магнитные силовые линии стремятся проходить скорее по материалу магнита,чем по воздуху в желобках 32. В результате,напряженность магнитного поля оказывается ниже в тех участках гильзы 21, которые располагаются против желобков 32, чем в желобках,расположенных против магнитного материала между желобками 32. При прохождении потока вдоль гильзы 21 абразивные частицы, находящиеся в потоке,отделяются от потока силами магнитного поля магнита 28, которые притягивают частицы к наружной поверхности гильзы 21. Поток бурового раствора, в котором теперь, по существу,отсутствуют абразивные частицы, течет дальше по скважине 8 к насосу на поверхности и подвергается рециркуляции по буровой колонне после удаления бурового шлама. Силы магнитного поля, воздействующие на абразивные частицы, ниже на участках, расположенных против желобков 32, чем на участках, расположенных против магнитного материала между желобками 32, где напряженность магнитного поля выше. Благодаря вращению магнита 28 соответствующие участки с более низкими и более высокими силами магнитного поля движутся вниз, заставляя таким образом частицы повторять это движение вниз. Пластины 24 а, 24b направляют частицы вниз по спирали вдоль наружной поверхности гильзы 21. Когда частицы достигают впускного отверстия 16,поток буровой жидкости, поступающий в смесительную камеру 12, вновь захватывает частицы. В следующем цикле абразивные частицы вновь выбрасываются в форме струи в направлении дна скважины, после чего отводятся вверх по скважине. Затем этот цикл повторяется непрерывно. Такой подход позволяет практиче 004028 6 ски полностью исключить повреждение буровой колонны и насосного оборудования абразивными частицами, поскольку они циркулируют только в нижней части буровой колонны, в то время как буровой раствор циркулирует по всей буровой колонне и насосному оборудованию. В случае если небольшая часть частиц попадает через скважину на поверхность, эту часть можно вернуть в потоке раствора, проходящего по буровой колонне. Вместо желобков в магните, содержащих газ, жидкость или твердый материал, возможно применение желобков, в которых поддерживается вакуум. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Инструмент для выкапывания объекта,содержащий устройство для транспортировки частиц магнитного материала в выбранном направлении, имеющее опорный элемент, имеющий опорную поверхность, для поддержки частиц, проходящую в заданном направлении, магнит, предназначенный для генерирования магнитного поля, удерживающего магнитные частицы на опорной поверхности, и имеющего на опорной поверхности по меньшей мере один участок с пониженной напряженностью поля по сравнению с напряженностью магнитного поля на опорной поверхности за пределами указанного участка, и приводное средство для перемещения каждого участка с пониженной напряженностью поля относительно опорной поверхности в направлении, имеющем компонент в заданном направлении, в котором частицы являются абразивными частицами, при этом инструмент для выкапывания объекта включает также струйную систему со смесительной камерой, снабженной первым впускным отверстием для текучей среды, вторым впускным отверстием для абразивных частиц и выпускным соплом,приспособленным для направления потока текучей среды и абразивных частиц на объект в процессе выкапывания объекта инструментом,при этом опорная поверхность устройства открыта для потока текучей среды на участке ниже места соударения потока с объектом, и частицы транспортируются устройством в направлении второго впускного отверстия. 2. Инструмент по п.1, в котором магнитом является постоянный магнит и каждый участок с пониженной напряженностью магнитного поля соответствует участку с пониженной магнитной проницаемостью, по меньшей мере, в магните или в зазоре между магнитом и опорной поверхностью. 3. Инструмент по п.2, в котором каждый участок с пониженной напряженностью магнитного поля соответствует выемке, выполненной в наружной поверхности магнита. 4. Инструмент по п.3, в котором магнит является, по существу, цилиндрическим и каждая 7 выемка образована спиральным желобком, выполненным в магните. 5. Инструмент по п.4, в котором устройство для транспортировки частиц содержит первый спиральный желобок, проходящий между выбранной осевой позицией на магните и одним концом цилиндрического магнита, и второй спиральный желобок, проходящий между выбранной осевой позицией на магните и другим концом цилиндрического магнита, при этом указанные спиральные желобки имеют противоположную ориентацию. 6. Инструмент по п.4 или 5, в котором опорный элемент образует, по существу, цилиндрическую гильзу, концентрически размещенную вокруг магнита. 7. Инструмент по п.6, в котором приводное средство включает мотор для вращения магнита вокруг его продольной оси относительно гильзы. 8. Инструмент по п.6 или 7, в котором гильза снабжена наружной поверхностью, про 004028 8 ходящей по спирали вокруг гильзы и имеющей ориентацию, противоположную ориентации спирального желобка, расположенного против направляющей поверхности. 9. Инструмент по п.1, который представляет собой буровой инструмент для бурения скважины в пластах горных пород, а объектом является стенка или дно скважины. 10. Инструмент по п.1, который представляет собой фрезу, предназначенную для рассверливания канала в трубчатом стволе скважины, а объектом является стенка трубчатого ствола скважины. 11. Инструмент по п.9 или 10, зависимым от п.6, в котором устройство для транспортировки частиц магнитного материала размещено таким образом, что центральная продольная ось гильзы проходит во время работы инструмента в скважине по существу вдоль скважины.