Струйно-абразивная установка для бурения

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к устройствам для бурения скважин в земной породе,включающим установленную в скважине колонну бурильных труб и струйное устройство,укрепленное на нижнем конце колонны бурильных труб. Струйное устройство формирует высокоскоростную струю бурового раствора, направленную на горную породу с тем, чтобы разрушать ее, обеспечивая бурение скважины. Для того чтобы повысить скорость углубления колонны бурильных труб, предлагается подмешивать в струю частицы абразивного материала. Уровень техники Одно из подобных устройств описано в патенте США 3838742, согласно которому колонна бурильных труб снабжена буровым инструментом, имеющим ряд выходных сопел. Через трубы бурильной колонны прокачивают буровой раствор, включающий частицы абразивного материала, который выбрасывается через сопла бурового инструмента с формированием высокоскоростных струй, воздействующих на дно скважины. Частицы абразивного материала ускоряют процесс разрушения породы по сравнению с процессом гидравлического струйного бурения, использующим один лишь буровой раствор. Частицы разбуренной породы уносятся в поток, который возвращается через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой скважины к поверхности. После удаления из потока частиц разбуренной породы цикл прокачки повторяют. Недостаток известного устройства заключается в том, что непрерывная циркуляция частиц абразивного материала через насосное оборудование и колонну бурильных труб приводит к ускоренному износу указанных составляющих частей бурильной установки. Другой недостаток известного устройства заключается в том, что на реологические свойства бурового раствора накладываются ограничения: необходима, например, относительно высокая вязкость жидкости для того, чтобы эта жидкость транспортировала частицы абразива вверх по кольцевому пространству. Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является выполнение улучшенного устройства для бурения скважины в земной породе, которому не присущи недостатки известного устройства и которое обеспечивает повышенную скорость бурения скважины без ускоренного износа составляющих частей бурильной установки. В соответствии с данным изобретением установка для бурения скважины в земной породе содержит колонну бурильных труб, установленную в стволе скважины, и струйное устройство, укрепленное на нижнем конце колонны бурильных труб, при этом струйное устройство содержит камеру смешения, имеющую первый вход, сообщающийся по жидкости с каналом 2 подачи бурового раствора, второй вход для абразивных частиц и выходной канал, который сообщается по жидкости со струйным соплом,предназначенным для формирования из потока,содержащего абразивные частицы и буровой раствор, струи, направленной, по меньшей мере,на дно скважины или стенку скважины; кроме того, струйное устройство снабжено системой рециркуляции абразивных частиц для их отделения от бурового раствора в выбранном месте,там, где поток протекает, по меньшей мере, от дна скважины или стенки скважины по направлению к устью скважины, и для подачи отделенных абразивных частиц к указанному второму входу. Система рециркуляции абразивных частиц отделяет эти частицы от потока после его воздействия на горную породу и обеспечивает возврат абразивных частиц в камеру смешения. Остальная часть потока, не считая частиц разбуренной породы, по существу, освобожденная от абразивных частиц, возвращается к поверхности и после удаления частиц разбуренной породы направляется на повторное использование через предложенную установку для бурения. Достигаемый при этом результат заключается в том, что абразивные частицы циркулируют только через нижнюю часть устройства для бурения, в то время как буровой раствор, который, по существу, освобожден от абразивных частиц, циркулирует через насосное оборудование; кроме того, в результате не накладываются ограничения на реологические свойства рабочей жидкости, связанные с необходимостью транспортировки абразивных частиц к поверхности. Соответствующая система рециркуляции включает средства для создания магнитного поля в потоке, а частицы абразива содержат материал, подверженный воздействию магнитных сил, обусловленных магнитным полем, при этом создают такое магнитное поле, что оно обеспечивает отделение абразивных частиц от рабочей жидкости с помощью магнитных сил. Указанные средства для создания магнитного поля включают в себя, например, по меньшей мере,один магнит. В предпочтительном воплощении изобретения колонна бурильных труб снабжена на нижнем конце буровым инструментом, и струйное сопло выполнено таким образом, чтобы создавать струйный поток из абразивных частиц и рабочей жидкости, направленный при бурении скважины с помощью бурового наконечника к стенке скважины таким образом, чтобы диаметр выбуренной скважины был значительно больше,чем диаметр бурового инструмента. За счет бурения скважины, используя буровой инструмент, и увеличения диаметра скважины до величины, значительно большей диаметра бурового инструмента, в скважине можно установить трубчатый элемент, например обсадную трубу или нижнюю трубу обсадной колонны, при этом 3 колонна буровых труб еще будет находиться в скважине. После этого колонна бурильных труб и буровой инструмент могут быть доставлены к поверхности через указанный трубчатый элемент. Трубчатый элемент, который необходимо установить в скважине, может быть сформирован из самой бурильной колонны. В этом случае колонна бурильных труб выполнена с внутренним диаметром, большим, чем внешний диаметр бурового инструмента, при этом буровой инструмент выполнен с возможностью отсоединения от колонны бурильных труб и, соответственно,снабжен средствами для его отсоединения от колонны бурильных труб и подъема на поверхность. Перечень фигур чертежей Настоящее изобретение далее будет описано более подробно на примере воплощения со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей. На фиг. 1 схематически показано продольное поперечное сечение устройства для бурения согласно данному изобретению. На фиг. 2 схематически изображена в перспективе часть конструкции устройства в направлении II, указанном на фиг. 1. На фиг. 3 схематически изображен элемент конструкции, используемый в изобретении, показанном на фиг. 1. На фиг. 4 схематически показан вариант устройства для бурения согласно настоящему изобретению. На фиг. 5 схематически показан еще один вариант устройства для бурения в соответствии с изобретением. На указанных фигурах чертежей одни и те же элементы конструкции обозначены одинаковыми цифрами. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 показана установка для бурения,содержащая колонну бурильных труб 1, расположенную внутри скважины 2, сформированной в земной породе 3, и струйное устройство 5,укрепленное на нижнем конце колонны бурильных труб 1 вблизи дна 7 скважины 2, при этом между установкой для бурения и стенкой скважины 2 образовано затрубное кольцевое пространство 8. Колонна бурильных труб 1 и струйное устройство 5 снабжены каналами 9, 9 а для прохода бурового раствора, который необходимо выбрасывать в виде струи ко дну скважины, как это будет описано ниже. Струйное устройство 5 имеет корпус 5 а, снабженный камерой смешения 10, имеющей первый вход в виде входного сопла 12, сообщающегося по жидкости с каналом 9, 9 а, второй вход 14 для частиц абразивного материала и выход в виде струйного сопла 15, ориентированного в направлении дна скважины 7. Струйное устройство 5, кроме того, снабжено удлиненным опорным башмаком 5 с, ориентированным в направ 002542 4 лении продольной оси колонны бурильных труб 1, предназначенным для того, чтобы удерживать сопло 15 на определенном расстоянии от дна 7 скважины. Как показано на фиг. 2, корпус 5 а снабжен выемкой 18, имеющей полуцилиндрическую боковую стенку 19 и сообщающейся по жидкости с камерой смешения 10 и со вторым входом 14. Выемка 18 и второй вход 14 выполнены в корпусе 5 а как единая полость. В выемке 18 размещен с возможностью вращения цилиндр 16; диаметр этого цилиндра такой, что между цилиндром 16 и боковой стенкой выемки 18 имеется лишь небольшой зазор (на фиг. 2 цилиндр 16 для ясности не показан). Ось вращения 20 цилиндра 16 проходит, по существу, перпендикулярно входному соплу 12. Второй вход 14 и камера смешения 10 имеют каждый боковую стенку, образованную внешней поверхностью цилиндра 16. Второй вход 14, кроме того, имеет направляющие элементы в виде противоположных боковых стенок 22, 24, которые по ходу движения потока сходятся внутрь, в направлении камеры смешения 10 и расположены, по существу, перпендикулярно боковой стенке 19 выемки 18. Как показано на фиг. 3, внешняя поверхность цилиндра 16 снабжена четырьмя магнитами 26, 27, 28, 29, при этом каждый магнит имеет два полюса N и S, выполненных в виде полюсных полос, расположенных в направлении продольной оси цилиндра 16. Магниты выполнены из материала, включающего редкоземельные элементы, такие как Nd-Fe-B (например, Nd2Fe14 В), или Sm-Co (например, SmCo5 или Sm2Co17), или Sm-Fe-N (например,Sm2Fe17N3). Такие магниты имеют высокую плотность магнитной энергии, высокое сопротивление размагничиванию и высокую величину точки Кюри (представляет собой значение температуры, выше которой происходит необратимое снижение магнитной восприимчивости материала). Во время начальной фазы нормального функционирования установки для бурения поток, состоящий из смеси бурового раствора и некоторого количества абразивных частиц, прокачивается через канал 9, 9 а для жидкости и входное сопло 12 в камеру смешения 10. Абразивные частицы включают в себя магнитоактивный материал, например мартенситную сталь. Типичными абразивными частицами являются сферические частицы или дробь, полученные из мартенситной стали. Поток истекает из сопла 15 в виде струи 30 прямо напротив дна 7 скважины. После того, как все исходные абразивные частицы прокачаны через жидкостный канал 9, 9 а, через указанный канал 9, 9 а и входное сопло 12 в камеру смешения 10 нагнетают рабочую жидкость, в которой абразивные частицы, по существу, уже отсутствуют. 5 За счет ударного воздействия струйного потока 30 на дно 7 скважины частицы горной породы удаляются со дна 7 скважины. Одновременно колонна бурильных труб 1 вращается так, что дно 7 скважины разрушается струeй равномерно. В результате происходит постепенное углубление скважины. Частицы горной породы, выбуренные со дна скважины, увлекаются в поток, который движется в направлении вверх по кольцевому пространству 8 и обтекает цилиндр 16. Полюсные полосы N, S цилиндра 16 за счет этого контактируют с потоком, протекающим через кольцевое пространство, и создают в потоке магнитное поле. Магнитное поле обуславливает действие на абразивные частицы магнитных сил. Магнитные силы отделяют абразивные частицы от жидкостного потока и направляют их к внешней поверхности цилиндра 16, к которой эти частицы прилипают. Цилиндр 16 вращается в направлении, показанном позицией 21, во-первых, в результате сил трения,приложенных к цилиндру со стороны потока бурового раствора в камере смешения, и, вовторых, как результат действия сил трения,приложенных к цилиндру со стороны потока,протекающего в кольцевом пространстве 8. Втретьих, высокоскоростной поток бурового раствора, протекающего через камеру смешения 10,создает в камере смешения пониженное давление, значительно меньшее, чем давление жидкости в кольцевом пространстве 8. За счет этой разности давлений жидкость в выемке 18 увлекается в направлении камеры смешения 10. Чем больше абразивных частиц прилипает к поверхности цилиндра 16 в этой области, тем более эффективно разность давлений приводит во вращение цилиндр 16. Благодаря вращению цилиндра 16 абразивные частицы, прилипшие ко внешней поверхности цилиндра 16, перемещаются через второй вход 14 в направлении камеры смешения 10. Сходящиеся направленные внутрь боковые стенки 22, 24 второго входа 14 направляют абразивные частицы в камеру смешения 10. При достижении абразивными частицами камеры смешения 10 поток рабочей жидкости, истекающий из входного сопла 12, отрывает эти частицы от внешней поверхности цилиндра 16, после чего абразивные частицы увлекаются потоком рабочей жидкости. Остальная часть потока, протекающего через кольцевое пространство 8, по существу, освобожденная от абразивных частиц, продолжает течь вверх, к поверхности, где частицы разбуренной породы могут быть удалены из потока. После удаления частиц разбуренной породы буровой раствор вновь прокачивают через канал 9, 9 а для жидкости и входное сопло 12 и подают в камеру смешения 10 с тем, чтобы описанный выше рабочий цикл повторялся. Таким образом, достигается то, что через насосное оборудование и установку для бурения циркулирует буровой раствор, по существу, ос 002542 6 вобожденный от абразивных частиц, в то время как абразивные частицы циркулируют только через струйное устройство 5. Соответственно колонна бурильных труб 1, обсадная труба (если она имеется) и насосное оборудование не подвержены постоянному контакту с абразивными частицами, и в результате менее чувствителен износ указанных средств. В случае, если бы имели место несущественные потери абразивных частиц в скважине, то такие потери могли бы быть скомпенсированы подачей через колонну бурильных труб новых абразивных частиц. Вместо выполнения конструкции с небольшим зазором между цилиндром 16 и боковой стенкой 19 выемки 18 возможно выполнение и без такого зазора. Отсутствие зазора имеет преимущество, которое заключается в том, что уменьшается рискувлечения абразивных частиц в зазор между цилиндром 16 и боковой стенкой 19. Однако в этом случае для обеспечения вращения цилиндра 16 контактные поверхности цилиндра 16 и выемки 18 должны быть, следовательно, очень гладкими. На фиг. 4 показан вариант выполнения устройства для бурения согласно настоящему изобретению, в котором средства для создания магнитного поля в потоке образованы индукционной катушкой 40, намотанной вокруг канала 42 для входа абразивных частиц. Входной канал 42 обеспечивает сообщение по жидкости между кольцевым пространством 8 и камерой смешения 10 и сужается, уменьшаясь в диаметре, в направлении от кольцевого пространства 8 к камере смешения 10. Соответственно уменьшается и диаметр индукционной катушки. При нормальном функционировании данного варианта устройства, показанного на фиг. 4, на индукционную катушку 40 подают электрический ток, посредством чего создают магнитное поле, напряженность которого увеличивается в канале 42 в направлении от кольцевого промежутка 8 к камере смешения 10. Абразивные частицы притягиваются магнитным полем и, таким образом, отделяются от потока,протекающего в кольцевом промежутке 8. Под действием магнитного поля абразивные частицы перемещаются внутри входного канала 42. В результате возрастания напряженности магнитного поля в направлении течения потока в канале 42 абразивные частицы движутся через входной канал 42 к камере смешения 10. При поступлении абразивных частиц в камеру смешения 10 они смешиваются с буровым раствором, входящим в камеру смешения через входное сопло 12 для жидкости, и поток, состоящий из абразивных частиц и бурового раствора, выбрасывается через выходное сопло 15 ко дну 7 скважины. От дна 7 скважины поток направляется вверх по затрубному кольцевому пространству. Цикл циркуляции потока абразивных частиц через входной канал 42 затем повторяется, в то 7 время как жидкость, по существу, освобожденная от абразивных частиц, продолжает течь вверх через кольцевое пространство 8 по направлению к земной поверхности, где удаляются частицы разбуренной породы. Затем буровой раствор вновь нагнетается через жидкостный канал 9, 9 а и входное сопло 12 в камеру смешения 10, где жидкость вновь смешивается с абразивными частицами, и так далее. На фиг. 5 показан еще один вариант выполнения устройства для бурения согласно настоящему изобретению, где средства для создания магнитного поля в потоке образованы рециркуляционной поверхностью 44, проходящей от кольцевого пространства 8 до входа 14 для частиц абразива, при этом средства для создания магнитного поля выполнены так, чтобы создавать подвижное магнитное поле с тем,чтобы перемещать частицы абразива вдоль рециркуляционной поверхности 44 по направлению ко входу 14 для абразивных частиц. Это достигается за счет использования ряда полюсных наконечников 46, расположенных вдоль рециркуляционной поверхности 44, при этом каждый из полюсных наконечников 46 снабжен индукционной катушкой 48. При нормальном функционировании устройства полюсные наконечники 46 подключены к многофазному источнику тока, например источнику трехфазного тока, таким же образом,как и полюсные наконечники статора обычного бесщеточного асинхронного электродвигателя. В результате создается магнитное поле, которое перемещается вдоль рециркуляционной поверхности 44 в направлении камеры смешения 10,перемещая тем самым частицы абразива вдоль поверхности 44 по направлению к камере смешения 10. При поступлении в камеру смешения 10 абразивные частицы смешиваются с буровым раствором, входящим в камеру смешения через входное сопло 12 для жидкости, и поток из частиц абразива и бурового раствора выбрасывается через выходное сопло 15 прямо ко дну скважины 7. От дна 7 скважины поток течет по кольцевому пространству 8 в направлении вверх. Цикл циркуляции абразивных частиц через рециркуляционную поверхность 44 затем повторяется, в то время как жидкость, по существу, освобожденная от абразивных частиц,продолжает течь вверх по кольцевому промежутку к земной поверхности, где от потока отделяют частицы разбуренной породы. Буровой раствор затем вновь нагнетают через канал 9, 9 а для жидкости и входное сопло 12 в камеру смешения 10, в которой жидкость вновь смешивается с абразивными частицами, и так далее. Понятно, что к рассмотренному выше примеру может быть добавлено много вариантов без отклонения от объема настоящего изобретения. Например, может быть использовано не одно, а большее количество входных сопел,камер смешения или выходных сопел. Количе 002542 8 ство и ориентация выходных сопел могут изменяться в зависимости от формы дна скважины,динамической стабильности струйного устройства и структуры, образующей стенку скважины. Может быть использован более чем один цилиндр, выполненный с возможностью вращения, например второй цилиндр, смонтированный с другой стороны камеры смешения и противоположный по расположению к цилиндру,описанному выше. Кроме того, цилиндр может быть ориентирован по иному, например параллельно продольной оси бурильного агрегата. Вместо использования энергии потока для вращения цилиндра указанный цилиндр может приводиться во вращение, например, с помощью электродвигателя или же за счет генерации переменного магнитного поля, которое взаимодействует с магнитными полюсами цилиндра. Вместо цилиндра может быть использован элемент, выполненный с возможностью вращения,имеющий выпуклую поверхность, соответствующую кривизне стенки скважины. Вместо подачи абразивных частиц через жидкостный канал к камере смешения во время начальной фазы работы устройства абразивные частицы могут быть запасены в накопительной камере, сформированной в струйной насадке, и подаваться из нее в камеру смешения по подходящему каналу. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению может быть использовано для вырезки окна в обсадной колонне, для выбуривания уплотнения скважины, для выполнения операций по переработке или удалению из скважины окалины или железного лома. Режим работы предложенного устройства для бурения или концентрацию абразивных частиц в струйном потоке можно контролировать за счет снабжения струйной насадки одним или более датчиков из числа следующих: датчик, который регистрирует механический контакт между струйной насадкой и дном скважины, включающий, например, тензометрические преобразователи или измерительные преобразователи перемещения; индукционная катушка для контроля вращения цилиндра, которая может быть, например, смонтирована в вышеуказанной выемке или в другой выемке, сформированной в корпусе струйного снаряда; акустический датчик для текущего контроля звуковых волн в кольцевом пространстве между колонной бурильных труб и стенкой скважины, генерируемых струйным потоком,воздействующим на дно скважины; акустический датчик для текущего контроля звука, генерируемого в камере смешения и в выходном сопле, для обеспечения информации о степени износа камеры смешения и выходного сопла. Вместо или в дополнениe к отделению абразивных частиц от жидкости с помощью сил 9 магнитного поля система рециркуляции может быть снабжена средствами для приложения к частицам абразива центробежных сил в выбранном месте. Для этой цели может быть использовано, например, один или более гидроциклонов и/или центрифуг, в частности большое количество последовательно расположенных гидроциклонов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка для бурения скважины в земной породе, включающая колонну бурильных труб (1), расположенную внутри скважины (2),струйное устройство (5), укрепленное на нижнем конце колонны бурильных труб, камеру смешения (10), имеющую первый вход (12), сообщающийся по жидкости с каналом (9, 9 а) подачи бурового раствора, второй вход (14) для абразивных частиц и выход (15), который сообщается по жидкости со струйным соплом, предназначенным для формирования струи из потока, включающего абразивные частицы и буровой раствор, направленной, по меньшей мере, на дно (7) скважины или стенку скважины, и систему рециркуляции абразивных частиц для отделения абразивных частиц от бурового раствора, отличающаяся тем, что струйное устройство(5) снабжено камерой смешения (10) и системой рециркуляции абразивных частиц, а также тем,что система рециркуляции абразивных частиц выполнена так, чтобы обеспечивать отделение абразивных частиц от бурового раствора в выбранном месте, где поток течет от, по меньшей мере, дна скважины (7) или стенки скважины по направлению к устью скважины, и подавать отделенные абразивные частицы ко второму входу (14). 2. Установка для бурения по п.1, в которой система рециркуляции включает средства для создания в потоке магнитного поля, а абразивные частицы включают в себя материал, подверженный воздействию магнитных сил, созданных магнитным полем, при этом магнитное поле ориентировано так, чтобы абразивные частицы отделялись от бурового раствора под воздействием магнитных сил. 3. Установка для бурения по п.2, в которой система рециркуляции включает поверхность(44), расположенную от выбранного местоположения до второго входа, и средства для создания магнитного поля выполнены так, чтобы создавать подвижное магнитное поле, которое заставляет абразивные частицы перемещаться вдоль рециркуляционной поверхности ко второму входу. 4. Установка для бурения по п.2 или 3, в которой средства для создания магнитного поля содержат, по меньшей мере, один магнит (26,27, 28, 29). 5. Установка для бурения по п.4, в которой каждый магнит (26, 27, 28, 29) размещен на 10 вращаемом элементе (16), имеющем внешнюю поверхность, расположенную между выбранным местоположением и вторым входом (14),при этом ось вращения (20) вращаемого элемента (16) расположена так, чтобы при вращении элемента конструкции каждый магнитный полюс перемещался в направлении от выбранного местоположения ко второму входу (14), и в котором система рециркуляции включает в себя,кроме того, средства для вращения вращаемого элемента конструкции. 6. Установка для бурения по п.5, в которой средства для вращения вращаемого элемента конструкции включают сопло (12), образованное первым входом (12). 7. Установка для бурения по п.5 или 6, в которой струйное устройство (5) выполнено, по меньшей мере, с одним направляющим элементом (22, 24), простирающимся вдоль внешней поверхности вращаемого элемента (16) и под определенным углом к оси вращения (20) вращаемого элемента (16) с тем, чтобы направлять абразивные частицы, прилипшие к указанной внешней поверхности, ко второму входу (14). 8. Установка для бурения по любому из пп.5-7, в которой полюса каждого магнита (26,27, 28, 29) расположены по существу параллельно оси вращения (20) вращаемого элемента(16). 9. Установка для бурения по любому из пп.5-8, в которой между установкой для бурения и стенкой скважины сформировано кольцевое пространство (8) и в которой указанное выбранное местоположение, где абразивные частицы отделяют от бурового раствора, находится в кольцевом пространстве (8). 10. Установка для бурения по п.9, в которой форма вращаемого элемента (16) выбрана цилиндрической или с выпуклой поверхностью,кривизна которой согласуется с кривизной стенки скважины в непосредственной близости от вращаемого элемента (16). 11. Установка для бурения по любому из пп.2-10, в которой указанный материал, подверженный воздействию магнитных сил, включает, по меньшей мере, ферромагнитный, или ферримагнитный, или парамагнитный материал. 12. Установка для бурения по любому из пп.1-11, в которой система рециркуляции содержит средства для отделения абразивных частиц от бурового раствора с помощью центробежных сил, воздействующих на частицы. 13. Установка для бурения по любому из пп.1-12, в которой бурильная колонна на своем нижнем конце снабжена буровым инструментом и струйное сопло бурового инструмента выполнено таким образом, чтобы создавать струйный поток из абразивных частиц и бурового раствора, направленный при бурении скважины с помощью бурового инструмента к стенке скважины таким образом, чтобы увеличить диаметр скважины до величины, значительно большей,чем диаметр бурового инструмента. 14. Установка для бурения по п.13, в которой внутренний диаметр колонны бурильных труб больше внешнего диаметра бурового инструмента, при этом буровой инструмент выпол нен съемным и снабжен средствами для отсоединения указанного бурового инструмента от колонны бурильных труб и его подъема на поверхность с прохождением через колонну бурильных труб.