专利名称：用于输送磁性材料的颗粒的装置以及包括这种装置的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于沿选定方向输送磁性材料颗粒的装置。
在第二方面，本发明涉及一种用于挖掘目标物且包括该装置的工具。
用于沿选定方向输送磁性材料颗粒的装置在国际专利申请WO02/34653中公开。该已知装置包含柱形磁体，该柱形磁体同心地布置在由柱形套筒形成的支承部件内，该套筒的外表面形成用于支承颗粒的支承表面。柱形磁体由三个较小磁体形成，这三个较小磁体沿分离器磁体(separator magnet)的轴线方向堆叠在一起。各较小磁体有径向相对的N和S极，且较小磁体以相邻磁体有相反N-S方向的方式堆叠。
磁体在其外表面提供有多个螺旋形槽，以便局部增加在磁体和支承表面之间的径向距离，以便产生较低磁场强度区域。在这些较低磁场区域之间有较高磁场带。磁体有中心纵向轴线，磁体可绕该纵向轴线相对于套筒旋转。
在工作时，磁性颗粒通过由柱形分离器磁体产生的磁场而保持在支承表面上。特别是，磁性颗粒保持在螺旋形槽之间的区域中，在该区域磁场相对较强。由于分离器磁体的轴向旋转，磁性颗粒经受垂直于螺旋形槽(颗粒将沿该螺旋形槽运动)的磁场强度运动梯度。这样，颗粒在支承表面上面输送。
已经发现对于给定的旋转频率，已知装置在每单位时间能够输送的颗粒数目有限。当提供给装置的颗粒数目超过该界限时，发现磁性颗粒沿支承表面的输送下降或者甚至完全停止。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于沿选定方向输送磁性材料颗粒的装置，该装置包括支承部件，该支承部件有用于支承颗粒的支承表面，该支承表面沿选定方向延伸；分离器磁体，该分离器磁体布置成产生用于将颗粒保持在支承表面上的磁场，因此，在支承表面上的磁场布置成具有高磁场带、低磁场带以及在所述高磁场带和低磁场带之间的梯度区域中的磁场梯度，且在高磁场带中的磁场强度高于在低磁场带中的磁场强度；用于使高磁场带和低磁场带相对于支承表面沿一定方向前进的装置，该方向具有沿在支承表面上的磁场梯度方向的分量，因此，高磁场带的后面有低磁场带；由此，至少相反极性的第一磁极和第二磁极沿所述高磁场带布置成这样，即在支承表面上从该第一磁极至该第二磁极的第一磁通路比在支承表面上横过梯度区域从第一磁极至相反极性的其它最接近磁极的第二磁通路短。
为了说明的目的，磁极是在分离器磁体表面或支承表面上的、磁场线与分离器磁体表面或支承表面交叉的区域，因此表示为磁场线的源或收点区域。
已经发现，当在支承表面上的磁性颗粒非常多时，该磁性颗粒自身将在支承表面上布置成链，该链在支承表面上的磁场的N极和S极之间延伸。通过将高磁场带内的相邻N和S极布置成比梯度区域另一侧的相反极性磁极更加彼此磁接近，磁性颗粒链将优先与高磁场带对齐，而不是梯度区域。这样对齐的磁性颗粒将都受到由前进的梯度区域中的磁场梯度产生的力场。
并不希望磁性颗粒链横过梯度区域从高磁场带内部的磁极至高磁场带外部的磁极。因为这些链横过梯度区域，因此，只有链中的相对少量颗粒受到与梯度区域中的磁场梯度相关的力梯度，这样，该区域的前进并不能有效拉动链中的颗粒与它一起前进。本发明的磁板结构将避免该磁性颗粒链横过梯度区域。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于挖掘目标物的工具，该工具包括喷射系统，该喷射系统布置成使得混合有磨粒的喷射流体流撞击要挖掘的目标物，该磨粒包括磁性材料，该喷射系统至少设有磨粒进口，用于使磨粒能够进入喷射系统，该工具还包括重新循环系统，该重新循环系统布置成使得至少一些磨粒从在喷射的流体流与目标物撞击的下游的混合有磨粒的返回的流体流进行重新循环回到喷射系统中，该重新循环系统包括根据前述任意一个权利要求所述的装置，该装置布置成使得支承表面暴露于所述返回流体流中，用于将磨粒从返回流体流输送至进口。
下面将参考附图并通过实例介绍本发明，附图中
图1示意表示了用于挖掘目标物的工具的一部分的剖视图；图2示意表示了根据本发明的磁体表面结构的表面图；图3(a至c)表示了图1中所示的工具的照片，该工具有保持在它的支承表面上的更多钢砂；图4(a至c)示意表示了根据本发明的磁体表面结构的多种可选形式；图5表示了在支承表面上作为沿磁体轴向的轴向距离的函数的计算磁场；图6示意表示了具有锥形分离器磁体和锥形支承表面的实施例；图7(a至c)示意表示了提供有螺旋形槽的磁体结构；图8表示了对于不同磁体的磁场的计算径向衰减；以及图9表示了用于挖掘目标物的工具的示意图。
在附图中，相同的部件有相同参考标号。在下面的说明中，指定了旋转方向，且输送方向是每次观察方向，旋转方向与该方向相关确定。
图1中示意表示了用于挖掘目标物的工具的一部分的纵剖图。工具可以与钻杆柱(未示出)的底端连接，该钻杆柱伸入形成于目标物(例如地层)中的井孔内。工具布置成将与磨粒混合的钻井液流喷射向要挖掘的目标物，使得至少部分磨粒进行再循环。对于该工具，磨粒必须是可磁化的。
工具具有纵向钻井液通道1，该钻井液通道1在其一端与钻杆柱中的钻井液槽道流体连通，在其另一端通过钻井液进口3而与混合腔室2流体连通。
混合腔室2也与用于磨粒的磨粒进口4流体连通，还与具有出口(未示出)的混合喷嘴5流体连通，该混合喷嘴5布置成当利用钻探工具在井孔中钻探时将钻井液和磨粒的流体流喷射向地层。
混合腔室设有在与磨粒进口4相反侧上的多个磁性材料14，但是这是可选的。
混合喷嘴布置成相对于钻探工具的纵向方向倾斜，且相对于垂直方向的倾斜角为15-30°，但是也可以采用其它角度。优选是倾斜角为大约21°，对于通过在井孔内的整个工具的轴向旋转而对井孔底部的磨蚀，该角度为最佳。混合腔室2和混合喷嘴5在相同角度下与出口喷嘴对齐，以便使磨粒获得最佳加速度。
钻井液通道1布置成从旁路绕过用于输送磁性颗粒的装置6，该装置6包含于工具中，作为磁性磨粒的重新循环系统的一部分，当磨粒包含磁性材料时，可以使用该磁性磨粒。装置6包括稍微锥形套筒15形式的支承部件，用于提供环绕基本柱形细长分离器磁体7延伸的支承表面。分离器磁体7产生磁场，用于使磁性颗粒保持在支承表面15上。
钻井液通道1相对于支承表面15和混合腔室2固定布置。钻井液通道1的底端布置成靠近磨粒进口4。在本实施例中，钻井液通道1沿轴向形成于脊(ridge)内部，该脊与支承表面15凸出接触。也可选择，钻井液通道1可以以与国际专利申请WO02/34653中参考图4所示和所述类似的方式相对支承表面独立布置，或者沿偏离轴向的方向布置。用于磨粒的磨粒进口4位于脊的底端。
柱形分离器磁体7由堆叠在一起的四个较小磁体7a、7b、7c和7d而形成，也可以采用不同数目的较小磁体。各磁体7a、7b、7c和7d有径向相反的N和S极，且磁体以使得相邻磁体有彼此相对绕中心纵向轴线8方位旋转角度ψ的N-S极方向的方式堆叠，这样，两个基本径向相对的螺旋带分别通过交替的N和S极而形成。
由于双极磁体的性质，在各较小磁体7a、7b、7c和7d中的N和S极之间的区域中的磁场强度低于绕N和S极的、基本螺旋对齐的区域。这样，相对于形成低磁场带的区域，交替N和S极的螺旋带形成增加磁场强度的高磁场带，该低磁场带在方位上相对于高磁场带区域偏移大约90°。该高磁场带和低磁场带之间具有梯度区域，在该梯度区域，磁场强度从在高磁场带中的增加值减小至低磁场带中的值。
分离器磁体7具有中心纵向轴线8，并可相对于套筒15绕中心纵向轴线8旋转。驱动装置布置成驱动轴线8，从而使得分离器磁体7旋转成顺时针或逆时针旋转(由螺旋带来指定)。驱动装置优选是可以布置成电马达形式，该马达可以由控制系统(未示出)来控制。
较短的锥形部分11布置在磁体7d的底端。套筒15提供有相应的锥形部分，这样，用于磨粒的磨粒进口4提供了在环绕该锥形部分11的支承表面15和混合腔室2之间的流体连通。锥形部分最好基于与混合腔室2和混合喷嘴5的上述角度相同的角度。
在操作时，工具以如下方式工作。工具与钻杆柱的底端连接，该钻杆柱从地面插入井孔中。钻井液流通过在地面的合适泵来泵送，并通过钻杆柱的钻井液槽道和流体通道1进入混合腔室2。在开始泵送的过程中，流体流提供有低浓度的磁性材料(例如钢砂或钢砂粒)磨粒。
流体流从混合腔室2流向混合喷嘴5，并朝着井孔底部喷射。同时，钻杆柱旋转，这样，井孔底部均匀侵蚀。包含流体、磨粒和挖掘碎屑的返回流体流沿往回方向从井孔底部通过井孔流向地面。因此，返回流体流沿套筒15流动。
在泵送钻井液流的同时，分离器磁体7沿由螺旋带所指定的方向(该方向可以是顺时针或逆时针)绕它的轴线8旋转。分离器磁体7包括伸向并越过套筒15外表面的磁场。在流体流沿套筒15流动时，在流体流中的磨粒通过来自分离器磁体7的磁力而从该流体流中分离出来，该磁力将磨粒吸在套筒15的外表面上。
这时基本没有磁性磨粒的钻井液流进一步通过井孔流向地面的泵，并在除去钻屑后通过钻杆柱重新循环。
施加在磨粒上的磁力在低磁场带中低于高磁场带。保持在支承表面15上的磁性颗粒吸向具有最高磁场的带。由于分离器磁体7沿与螺旋带方向相反的方向旋转，因此各带以及在各带之间的梯度区域沿与梯度区域垂直的方向向磁性颗粒施加力，该力有向下方向，因此迫使颗粒进行螺旋向下运动。
当颗粒到达磨粒进口4时，流入混合腔室2中的钻井液流再次夹带该颗粒。
一旦进入混合腔室2内部，颗粒将与从进口3通过混合腔室2通向混合喷嘴5的钻井液流相互作用，因此，这些颗粒将由该流体流夹带。
如果这样，在与磨粒进口4相反侧的磁性本体14使得磁场线从分离器磁体的底端11延伸至该磁性本体。因此，从支承表面15朝向混合腔室2内部的磁场梯度并不强，这样便于磁性磨粒通过磨粒进口4进入混合腔室2。
在下一循环中，磨粒再次对着井孔底部喷射，并随后沿表面方向流过由工具和井孔形成的环形通路。然后连续重复该循环。这样，钻杆柱/泵送设备基本不会受到磨粒的损害，因为它们仅通过钻杆柱的底部循环，同时钻井液通过整个钻杆柱和泵送设备循环。当少部分颗粒通过井孔流向地面时，该部分能够通过流过钻杆柱的流体流而再次带回。
分离器磁体7也如图2所示，在该图中，柱形表面展平至纸平面中。因此，沿垂直方向布置分离器磁体的高度，该分离器磁体分成较小磁体7a、7b、7c和7d，且沿水平方向可以看见在9和360°之间的全部方位处的表面。如图所示，对于堆垛中的每一个较小磁体，在本例中的角度ψ为90°，ψ是在两个相邻较小磁体中的投影的N-S方向之间的方位角差异。也可选择，角度ψ可以沿磁体堆垛变化。
区域16示意表示了在梯度区域中磁场强度从在高磁场带中的增加值最急剧地减小至低磁场带中的值。
根据较小磁体的ψ和轴向高度，各两个高磁场带沿相对于与中心纵向轴线垂直的平面成角度θ的方向伸长，如图2所示。角度可以沿磁体堆垛变化。
通过分离器磁体保持在支承表面上的磁性颗粒将使它们自己布置成细长链，该细长链沿从一个磁极至相反极性的最近磁极的磁通路。在图3中可以看见该链45，其中，三个照片3A、3B和3C表示了保持在支承表面15(该支承表面15装有螺旋分离器磁体)上的增加量钢砂。如图所示，钢砂自身沿具有NNSS极的螺旋高磁场带布置成链43。在N和S极之间的链扁平地布置在支承表面15上。在N或S极中间的钢砂链从支承表面向外突出，因为该极对应于磁场线的源极或漏极。
如图2中虚线9所示，在一个高磁场带中的两个相邻N和S极位置之间的大约柱形表面上的最短磁通路比在该高磁场带中的S极(或N极)位置和另一高磁场带中的最接近N极(或S极)之间跨过基本柱形表面的最短通路更短。因此，磁性颗粒将形成沿与高磁场带对齐的线9的链。例如，虚线10表示为具有与虚线9相同的通路长度，且可以看见，该虚线10太短，以至于不能桥接从高磁场带中的N极跨过梯度区域16至该带外部的最接近S极的距离。
相关距离确定于支承表面上，因为这大约是颗粒链将生长的距离。
图4a、4b和4c表示了根据本发明的可选磁体结构，也用于逆时针方向旋转。图4a中所示的实施例类似于图2的实施例，但是相对于沿与堆叠方向垂直的平面中的横向尺寸，较小磁体沿纵向轴线的堆叠方向具有更小尺寸。因为用于在高磁场带中在两个相反极之间的颗粒链的桥接距离(由虚线12表示)比从该高磁场带内部的磁极至在梯度区域16另一侧的相反极性的磁极的桥接距离(由虚线13和27表示)短得多，因此投影的颗粒的链将沿线12的方向与高磁场带对齐。在这些距离之间的差异比图2的实施例中更明显。如下面更详细所述，尽管具有相等尺寸和能量容量，但是该磁体结构具有比图2中所示更小的延伸长度。
在图4b的实施例中，在带中的磁极并不通过各较小磁体而交替布置，而是每次两个相同类型的磁极彼此相邻布置。因此，该实施例基于图2的四个较小磁体7a、7b、7c、7d的堆垛，变化是四个较小磁体分别分成两个或者更多甚至更小的磁体(在图4b的实施例中，四个较小磁体分成两个甚至更小的磁体7a1和7a2、7b1和7b2、7c1和7c2、7d1和7d2)，这些更小磁体的各磁极相互彼此进行方位偏移。磁极(区域显示为磁场线的源或收点)由多组磁极装配，因此，各磁极定义为在磁极内的、磁场线密度达到最大的点。各磁极也以螺旋形方式布置，优选是与带的螺旋形结构一致，因此，磁极自身为类似螺旋形的外观。
图4c中所示的实施例是图4a和图4b的元素组合的混合形式。在一个螺旋带中，各磁极显示为NSSNNSSN或SNNSSNNS的顺序。这样的优点是在分离器磁体的中部，通过相邻N-N和S-S磁极组合形成的磁极为类似螺旋形，与带的螺旋形结构相符。
同时，由堆垛中的第一和最后的较小磁体形成的磁极沿堆叠方向小于在分离器磁体的中部的磁极。这样的优点是，从高磁场带中的最顶侧或最底侧磁极开始的磁通路能够找到在相同高磁场带中的、相反极性的最接近磁极，而在图4b的情况中，对于第一和最后一个磁极，该情况并不总满足。为了保证在高磁场带中的N和S极之间的通路甚至更小，在轴向堆垛中的第一和最后的较小磁体具有比在分离器磁体中部的较小磁体更小的轴向高度。
图5表示了在圆锥形支承部件(例如图1中所示)的支承表面15上的计算磁场强度B(单位为特拉斯)，该磁场强度由柱形分离器磁体7产生，该分离器磁体7的较小磁体根据图4c来布置。磁场强度标绘为垂直轴，而与磁体轴线8平行的轴向高度标绘为水平轴。尺寸参数在表I中给出。
表I
图5中的线20对应于沿增大磁场强度的高磁场带内的螺旋形通路的磁场强度，该通路由图4c中的虚线17表示。可以看见，磁场强度逐渐增加。这是由于在外部磁体表面和支承表面15之间的间隙宽度(作为螺旋形高磁场带的位置的函数)减小。
图5中的线21对应于沿低磁场带内的螺旋形通路(在本例中，该通路与通路17在方位角上偏离90°)的磁场强度，该通路由图4c中的虚线18表示。在低磁场带中的磁场强度为高磁场带的磁场强度的大约一半，这是由于双极较小磁体的性质引起的。还可以看见，磁场强度逐渐增加。这是由于在外部磁体表面和支承表面15之间的间隙宽度减小。
图5中的线22对应于沿反螺旋形通路的磁场强度，该反螺旋形通路由图4c中的虚线19表示。该通路与上述通路17和18交叉，且磁场强度在高磁场带和低磁场带给出的值之间振荡。参考标号23表示梯度区域，当梯度区域相对于支承表面前进时，该梯度区域施加使磁性颗粒进行所希望的输送的驱动力。
与线20和21类似，图5中的线22也表示了磁场强度随着轴向高度减小而逐渐增加，这是由于在外部磁体表面和支承表面之间的间隙宽度减小。这提供了作用在磁性颗粒上的、沿轴线方向的较大附加力分量，这提高了颗粒沿该方向的输送。
用于增加在沿选定输送方向沿支承表面的轨道上的磁场强度的另外方法包括随着分离器磁体的轴向高度减小而减小支承套筒的壁厚和增加分离器磁体的强度。后者可以通过相对于支承表面增加较小磁体的外径来实现，或者增加较小磁体的磁场强度。后者可以通过堆叠多种不同磁性材料的磁体来实现，或者通过使用较小磁体内部的内孔，该内孔的直径可以选择为小于该应当加强的较小磁体。当然，也可以采用上述措施的组合(包括锥形支承表面)。
图6表示了与图1中所示装置类似的装置。分离器磁体37和支承套筒15的内壁35与图1的实施例稍微不同，其中，分离器磁体37的外径和内壁35的内径随着轴向高度减小而减小。较小磁体37a至37d为截头锥形形状，以便获得锥形形状的分离器磁体37。在分离器磁体37和支承套筒15的内壁35之间的间隙减小，且支承套筒的壁厚也减小。该实施例的优点是与井孔相比，分离器磁体要克服的捕获(capture)长度减小。而且，分离器磁体中的总磁能可以增加，以便增加捕获效率。
磁性材料的可选本体的形状也稍微不同，该磁性材料34本体在这里显示为位于磨粒进口4相对侧的小团块。该类型也可用于具有柱形分离器磁体的装置实施例。
在支承表面15上没有任何机械引导装置(例如从支承表面15上凸出的脊)，因此，磁性颗粒沿着支承表面的螺旋形通路沿与螺旋带垂直的向下方向而运动。输送速度的向下轴向分量与分离器磁体的转速乘以sin(θ)乘以cos(θ)成正比，其中，θ是在螺旋形梯度区域和与旋转轴线垂直的平面之间的角度，该旋转轴线与分离器磁体7的中心纵向轴线重合，如图2所示。因此，在支承表面15上没有任何机械引导装置的情况下，向下轴向分量在θ＝45°时最大。工作时的优选范围为32°至58°，在该范围内，速度的向下分量超过最大可能值的90％。
不过，在图7所示的实施例中，钻井液旁路引导件1形成于沿轴线方向与支承表面15接触的脊中。该脊使得在支承表面15上沿向下螺旋形通路运动的磁性颗粒偏转，并迫使它们沿轴线方向沿脊的侧部在朝着混合腔室2的磨粒进口开口4的直线形通路中运动。这样，钻井液通道1作为引导装置，用于将保持于支承表面15上的磁性磨粒导向用于磨粒的磨粒进口4。
该结构的优点是与当磁性颗粒沿向下螺旋轨道运行时相比，将磁性颗粒送至磨粒进口开口4的输送能够更快。这时，输送速度的向下轴向分量与分离器磁体的转速除以tan(θ)成正比。在前述角度θ＝45°时，轴向输送已经是两个更快因素之一。θ的较高值产生了沿脊侧部的、甚至更高的轴向速度分量。不过，应当知道，当θ太大时(例如超过60°)，重新循环系统的总效率由于在颗粒和支承表面15以及脊之间摩擦而降低。
对于图1的实施例，θ将优选是在30°至60°范围内，更优选是在45°至60°范围内，最优选是在45°至55°范围内。
在优选实施例中，用于输送颗粒的装置包括一个或多个相对较短且基本轴向定向的脊部分，该脊部分布置在支承表面上，因此，支承表面沿脊部分方向超过脊部分延伸。因此，磁性颗粒更均匀地分布在支承表面上，并提高了磁性颗粒在支承表面上的轴向输送速度。
在上述各磁体7中，高磁场带和低磁场带通过双极柱形磁体的磁场分布而形成。这导致形成多个增大磁场强度的带。当梯度区域中的磁场变化较大时，保持在支承表面上的磁性颗粒将对梯度区域的前进有最直接的反应。为此，低磁场带优选是对应于分离器磁体的减小磁透过性区域和/或在分离器磁体和支承表面之间的间隙。因此，在高磁场带和低磁场带之间获得更陡峭的梯度区域。
图7表示了一个实施例，其中，减小磁透过性的区域布置成在分离器磁体7的外表面中靠近高磁场带处的螺旋形凹口26形状。由于磁性材料的磁透过性比充满该凹口的较小磁透过性磁性材料(气体、流体或固体)更高，因此内部磁场线主要沿着磁体材料，而不是装入凹口内的材料。这使得凹口26附近的、增大磁场强度的高磁场带更明显。图7a表示了分离器磁体的截面，它表示了径向相对极周围的圆弧形轮廓24，该圆弧形轮廓24由基本平直的轮廓25连接。平直轮廓对应于凹口26，圆弧形轮廓对应于增加磁场强度的高磁场带。
在图7b中提供了分离器磁体的示意纵向视图，因此，斜假想线表示了在圆弧形轮廓和基本平直轮廓之间的过渡部分。图7c以与图2相同的方式提供了整个表面的示意图。螺旋形凹口的角度θ为53°。
优选是，凹口相对于分离器磁体的柱形外周到达一定深度，该深度与在高磁场带的磁体表面和支承表面之间的间隙之间的距离相同或更大。
凹口可以不包含气体、流体或固体，而是在槽中为真空。
应当知道，图7的磁极结构可以由其它合适结构代替，特别是由如图2和4a、4b所示的结构代替。还应当知道，图2、4和7所示的、用于逆时针方向旋转的分离器磁体也可以通过使得螺旋带从右手形转变成左手形而制备成用于顺时针方向旋转。
用于输送磁性材料颗粒的装置以及用于所述重新循环系统的合适磁体可以由任意可磁化性高的材料制成，包括NdFeB、SmCo和AlNiCo-5或它们的组合。
优选是，分离器磁体还在室温下有至少140kJ/m3的磁能容量，优选是在室温下超过300kJ/m3，例如当为基于NdFeB的磁体时。高能容量使得支承表面与返回流体流的轴向接触长度更短，因此支承表面的锥度更大，这有利于轴向输送速度。还有，使分离器磁体旋转所需的功率更小。
套筒15和钻井液旁路1通常由非磁性材料制成，它们由单件材料进行合适机械加工而成，以便获得最佳机械强度。包括高强度耐腐蚀非磁性Ni-Cr合金(该Ni-Cr合金包括商品名称为Inconel 718或Allvac718的合金)的超级合金特别合适。Inconel 718是沉淀可硬化合金，它的组分范围由表II给出。也可以使用其它材料，包括BeCu。
表IIInconel 718的组分(wt％)
为了避免在旋转过程中作用在分离器磁体上的反作用扭矩太高，应当控制在套筒15中的涡电流产生。因此，材料的电阻率优选是高于50μΩcm。因此，套筒可以制成为足够井下用途的厚度，因此，当分离器磁体7的旋转频率直到10Hz时，附加扭矩接近克服在支承表面上的正常量磨粒的摩擦所需的扭矩。更优选是，电阻率高于100μΩcm，以便能够采用大约40Hz的更高频率。例如，Inconel 718有大约122μΩcm的电阻率，在由表I给出的尺寸的工具中，计算和测量的结果是在15Hz下扭矩为6Ncm。
图8表示了图4b的分离器磁体(曲线30)、图4c的分离器磁体(曲线31)和图4a的分离器磁体(曲线32)的磁场的计算径向衰减的双对数坐标图。水平刻度上标绘了离磁体轴线的径向距离，垂直宽度上标绘了磁场。如图所示，与具有更短磁极(例如图4a中的磁极结构)的磁体相比，(沿轴向方向)平均具有更大的相同极性磁极(例如图4b和4c中的磁极结构)的磁体具有更长的磁范围。
图9表示了用于挖掘目标物的工具的示意图，该工具包括如上所述的重新循环系统。可以看见装有分离器磁体的锥形支承表面15和装有旁路钻井液通道的脊41。该脊也在图3中可见。尺寸对应于表I中给出的尺寸。
参考图9和图3，过滤装置可选择地布置成裙缘43的形式，该裙缘43使得磨粒进口4与环行通道隔开，并产生在裙缘43和支承表面15之间的狭槽形式的开口44。支承表面15和裙缘43的内表面确定了使得磨粒进口4与井孔的环行通道连接的通道槽。该裙缘结构避免了尺寸比磨粒进口4的进入窗口更大的岩石颗粒进入通道槽。
这种结构的裙缘43还引导钻井液沿支承表面15沿合适输送方向从井孔环行通道流向混合腔室2。为了使得钻井液充分夹带磁性颗粒流，在井孔环行通道中的钻井液速度优选是不超过3m/s。也可选择，在环行通道侧上的裙缘壁中设置附加狭槽或开口。
如图3和9所示的裙缘43适于与可逆时针旋转的分离器磁体组合使用。显然，对于具有可顺时针旋转的分离器的根据，裙缘必须布置在磨短进口的另一侧。
在混合喷嘴5中的喷射泵机构产生从混合腔室2至混合喷嘴5的较强钻井液流。喷射泵机构辅助支持使磁性颗粒流入混合腔室。与钻井液进口喷嘴(在进口3和混合腔室2之间)相比更大直径的混合喷嘴5导致钻井液和通过磨粒进口4进入混合腔室的磁性磨粒充分夹带。在夹带的钻井液和磁性颗粒之间的相互作用也有助于高效使颗粒从支承表面15释放至混合腔室2中。
当在地层中挖掘井孔时，在井孔环行通道(由井孔壁和挖掘工具形成)中的返回钻井液流可以以2m/s或更高速度经过重新循环系统。伸入井孔环行通道内的磁场在颗粒上施加足够强的拉力，以便在它们经过装置之前将它们拉向支承表面。同时，将颗粒拉至壳体上的磁力将尽可能低，以便减小摩擦力和使分离器磁体旋转所需的功率。最合适的分离器磁体是对于最低主要径向磁极运动尽可能高效的分离器磁体，它通常为对于特定能量容量具有主要双极性能(超过四极性能)的分离器磁体。如图8所示，这最好在图4c的磁极结构中实现，其中，考虑到相反极性的最接近磁极必须在带内，相反极性的磁极的周期尽可能小。
为了实现重新循环系统的最佳捕获效率，分离器磁体优选是位于井孔的轴向中心。在普通井孔中，直到挖掘工具的直径的15％的较小轴向偏移是可接受的。图9所示的实施例的分离器磁体轴向偏移包括在支承表面15内部的轴向10％，或者对于70mm目标直径的井孔为大约7mm。
在混合喷嘴5中或磨蚀射流中的钻井液可以包括通常直到10％容积浓度的磁性磨粒。通过旁路导管1供给的磁性磨粒的典型浓度处在0.1和1％容积之间。分离器磁体通常在10Hz和40Hz的旋转频率下被驱动。
权利要求
1.一种用于沿选定方向输送包含磁性材料的颗粒的装置，该装置包括支承部件，该支承部件有用于支承颗粒的支承表面，该支承表面沿选定方向延伸；分离器磁体，该分离器磁体布置成产生用于将颗粒保持在支承表面上的磁场，因此，在支承表面上的磁场布置成具有高磁场带、低磁场带以及在所述高磁场带和低磁场带之间的梯度区域中的磁场梯度，且在高磁场带中的磁场强度高于在低磁场带中的磁场强度；用于使高磁场带和低磁场带相对于支承表面沿一定方向前进的装置，该方向具有沿在支承表面上的磁场梯度方向的分量，因此，高磁场带的后面有低磁场带；其中，至少相反极性的第一磁极和第二磁极沿所述高磁场带布置成这样，即在支承表面上从该第一磁极至该第二磁极的第一磁通路比在支承表面上横过梯度区域从第一磁极至相反极性的其它最接近磁极的第二磁通路更短。
2.根据权利要求1所述的装置，其中分离器磁体是包括沿选定堆叠方向堆叠在一起的多个磁性组合块的复合磁体。
3.根据权利要求2所述的装置，其中各磁性组合块都有投影的N-S轴线，该N-S轴线由内部磁场的、沿与选定堆叠方向垂直的平面的分量形成。
4.根据权利要求3所述的装置，其中堆叠的磁性组合块的投影的N-S轴线与高磁场带相交。
5.根据权利要求4所述的装置，其中第一磁极和第二磁极各由一个或多个堆叠的磁性组合块的单磁极组形成。
6.根据权利要求4所述的装置，其中第一和/或第二磁极由多个堆叠的磁性组合块形成。
7.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中用于使所述带相对于支承表面沿具有在支承表面上的磁场梯度方向上的分量的方向前进的所述装置布置成驱动装置形式，该驱动装置用于使分离器磁体绕平行于选定的堆叠方向的轴线相对于支承表面旋转。
8.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中梯度区域螺旋地环绕分离器磁体布置。
9.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中低磁场带对应于设置在分离器磁体的外表面中的凹口。
10.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中在梯度区域中的磁场沿选定的输送方向在支承表面上的轨道上大致增加。
11.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中支承表面环绕磁体延伸，并在支承表面和分离器磁体的外表面之间留有一定距离，由此，在支承表面上的第一位置中的所述距离小于在支承表面上的第二位置中的所述距离，该第一位置在选定方向上相对于第二位置位于下游。
12.根据权利要求11所述的装置，其中支承表面以渐缩形式环绕分离器磁体布置。
13.一种用于挖掘目标物的工具，该工具包括喷射系统，该喷射系统布置成使混合有磨粒的喷射流体流撞击要挖掘的目标物，该磨粒包括磁性材料，该喷射系统具有至少磨粒进口，用于使磨粒能够进入喷射系统，该工具还包括重新循环系统，该重新循环系统布置成使得至少一些磨粒从在喷射的流体流与目标物撞击的下游的混合有磨粒的返回的流体流进行重新循环回到喷射系统中，该重新循环系统包括根据前述任意一项权利要求所述的装置，该装置布置成使得支承表面暴露于所述返回的流体流中，用于将磨粒从返回流体流输送至进口。
14.根据权利要求13所述的工具，其中支承表面具有在支承表面上的脊，用于将磨粒导向第二进口。
15.根据权利要求13或14所述的工具，其中喷射系统与布置在脊内侧的旁路导管流体连接，该旁路导管用于向喷射系统供给流体。
全文摘要
一种用于沿选定方向输送磁性材料颗粒的装置，包括磁体(7)，该磁体布置成产生用于将颗粒保持在支承表面(15)上的磁场，因此，在支承表面上的磁场布置成具有高磁场带、低磁场带以及在所述高磁场带和低磁场带之间的梯度区域中的磁场梯度；用于使高磁场带和低磁场带相对于支承表面(15)沿一定方向前进的装置，该方向具有沿磁场梯度方向的分量，因此，至少相反极性的第一磁极和第二磁极沿所述高磁场带布置成这样，即在支承表面上从该第一磁极至该第二磁极的第一磁通路比在支承表面上横过梯度区域从第一磁极至相反极性的其它最接近磁极的第二磁通路短。
文档编号B03C1/12GK1833089SQ200480019536
公开日2006年9月13日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月9日
发明者扬-杰特·布兰格 申请人:国际壳牌研究有限公司