钻井方法和喷射钻井系统技术领域
本发明涉及一种钻到目标中的钻井方法以及涉及一种磨料喷射钻
井组件。该目标可以特别是土地层。
背景技术
在WO-A-2005/005767中公开一种在目标中形成孔的磨料喷射钻
井系统和方法。所述现有技术的系统包括挖掘工具，在此该挖掘工具
被称为磨料喷射钻头，该磨料喷射钻头安装在钻柱的下端部上，该钻
柱从地面插入到地下土地层的孔中。该钻柱设置有用于将包括磨料颗
粒的钻井流体混合物运输到钻头的纵向通道。该钻头包括喷射装置，
该喷射装置布置为在喷射方向上产生磨料射流以对冲击区域中的土地
层进行冲击。该磨料射流包含磁性磨料颗粒（钢丸）。设置再循环系统，
该再循环系统在借助于磁铁进行侵蚀冲击之后，从返回到地面的返回
流中获取磨料颗粒，并且将该磨料颗粒与经由钻柱接收的混合物在混
合场所再次混合。该磁铁布置成可转动传送器，从而吸引要再次循环
的颗粒并且通过来自地面的新流体将它们传送到混合场所。一种呈用
于传送器的可控制驱动装置形式的调整装置布置用于调整再循环率，
并且以这种方式，调整喷射装置处的磨料射流中的颗粒数量。当磨料
射流沿着孔中的轨迹移动时，尤其是转动运动时，可改变沿着该轨迹
的每个冲击区域中的侵蚀量并且实现定向控制。关于这一点也参见
WO 2005/05766。
在WO-A-2008/119821中所描述的另一种磨料喷射钻井系统和方
法中，布置再循环系统装置，该再循环系统装置可在磁铁没有移动动
作的情况下操作。更有益的是不使移动部分或者至少不连续移动部分
在井下操作，这种静止的磁铁不能调整磨料颗粒的再循环率。
发明内容
需要一种改进的磨料喷射钻井组件和钻井方法，其中与是否设置
具有移动部分的再循环系统无关地实现对磨料射流中的磨料颗粒浓度
的调整。
为此，本发明提供了一种钻到目标中的钻井方法，该方法包括：
-将钻柱设置在目标的井眼中，该钻柱在其下端部处包括磨料喷
射钻头，该钻头包括喷射喷嘴，该钻柱为流体提供通到喷射喷嘴的通
道；
-将供给流体混合物经由钻柱供应到磨料喷射钻头，其中在磨料
喷射钻头处接收的供给流体混合物包括供给浓度的磨料颗粒；
-在喷射喷嘴处产生喷射流体混合物的磨料射流以便将侵蚀动力
喷到井眼的冲击区域上，该喷射流体混合物包括喷射浓度的磨料颗粒，
其中该喷射浓度取决于供给浓度；
-使磨料射流的冲击区域沿着井眼中的选定轨迹移动；以及
-在移动冲击区域时调整磨料颗粒的喷射浓度；
其中，调整供给流体混合物中磨料颗粒的供给浓度以便调整磨料
射流中的喷射浓度。
通过调整经由钻柱所接收的供给流体混合物中的磨料颗粒的供给
浓度而并非调整再循环系统的再循环率，该调整可变得独立于再循环
系统的存在和精确功能。
当设置井下再循环系统以在磨料颗粒从喷射喷嘴排出之后将它们
沿着通道再循环到具有供给流体混合物的混合场所时，该供给浓度在
混合场所的上游被适当地调整。已经发现的是，对供给浓度进行的调
整可在与再循环磨料颗粒混合之后传递到喷射喷嘴处的磨料射流，即
使通过喷射喷嘴所喷出的流体混合物的喷射浓度在时间上的均值高于
该供给浓度。优选地，在设置井下再循环系统的情况下，该井下再循
环系统并不用于调整再循环率。
适当地，控制喷射浓度以便与选定轨迹上的冲击区域的位置相关
联而进行调整。与冲击区域的移动相关的适当调整（例如通过转动），
允许在选定井眼的部分中优先进行侵蚀，因而执行定向钻进动作。尤
其是，通过控制供给浓度控制喷射浓度。如果存在再循环系统的话，
则再循环系统的再循环率优选地在正常操作期间并不受到控制系统控
制或者不可能受到控制系统控制。
在一个实施例中，确定和使用喷射喷嘴沿着轨迹的位置以便控制
供给浓度。这允许触发沿着轨迹在一个或多个选定位置处喷出具有可
选择地增加或降低的喷射浓度的喷射流体。
在一个优选实施例中，冲击区域的移动包括使喷射喷嘴转动，优
选地喷射喷嘴与磨料喷射钻头一起转动，更加优选地喷射喷嘴与钻柱
一起转动。然后相对于转动轴线倾斜地喷到偏离轴线方向的偏心喷射
喷嘴引导冲击区域的圆周运动。该喷射喷嘴可以选定转动频率转动，
并且以调整频率调整供给浓度，该调整频率与转动频率相同或者是转
动频率的整数分之一。以这种方式，单个喷射喷嘴可在井眼中的某角
度位置处喷出喷射浓度增加（或降低）的磨料颗粒。
在优选实施例中，磨料颗粒包括磁性磨料颗粒，并且通过调整钻
柱通道中的磁场来调整该供给浓度。优选地，调整供给流体混合物中
的磁性颗粒的供给浓度包括：在第一值和第二值之间调整沿着通道布
置的收集表面处的磁场，在该第一值时，磁性颗粒从流体混合物收集
在收集表面处，在第二值时，磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物
中。该调整可在没有移动部分或者有最少量的移动部分的情况下进行。
按照本发明，还提供了一种磨料喷射钻井组件，该磨料喷射钻井
组件可连接到管状钻柱部分，该磨料喷射钻井组件包括：具有喷射喷
嘴的磨料喷射钻头；从所连接的管状钻柱部分通到喷射喷嘴的流体通
道；以及调整装置，所述调整装置用于调整在操作期间从管状钻柱部
分通过流体通道朝着磨料喷射钻头流动的流体中的磨料颗粒的浓度，
其中该调整装置沿着流体通道布置。这种磨料喷射钻井组件可并不装
备有井下再循环系统。如果该磨料喷射钻井组件还确实包括井下再循
环系统，则该井下再循环系统布置用于在操作期间在磨料颗粒从喷射
喷嘴排出之后沿着通道再循环到混合场所，其中，该调整装置在混合
场所的上游、沿着通道布置。
通过沿着流体通道布置该调整装置，也就是说使得其在流体通道
处而并不是在再循环系统的返回通道中具有效果，该调整变得独立于
再循环系统的存在以及精确功能。
术语上部、上方、上游、井上、下部、下方、下游、井下等参照
在井眼中具有磨料喷射钻头的钻柱，其中上部或上方比下部或下方更
加靠近地面；上游和下游是相对于通常通过钻柱向下流动以及通过与
井眼壁形成的环形空间而向上流到地面的钻井流体的。
该管状钻柱部分可例如是抵达地面的整个钻柱或者是钻柱的传统
部件（诸如钻柱元件、连接好的钻杆、井底钻具组合、特定功能附件
（sub）（例如用于随钻测井（MWD）的附件）、稳定器等。
调整装置可与磨料喷射钻头（例如在其上部或者上游端部，尤其
是在具有来自再循环系统的磨料颗粒的混合场所的上游）集成为一体。
然而，还可能将调整装置布置为与磨料喷射钻头分开，例如作为磨料
喷射钻头上方的钻柱的一部分，诸如在独立的钻柱元件或附件中。适
当地，在调整装置与喷射喷嘴之间沿着钻柱的距离不太大，否则当供
给流体抵达磨料喷射钻头处时可部分地或完全消除对供给流体中颗粒
浓度的调整。应知晓的是，在喷嘴中和通道的上游位置处可发生调整
之间的某一时间滞后。适当地，该距离是100m或者更少，优选50m
或者更少，更优选20m或者更少，以使得很好地限定在磨料喷射钻头
处接收的供给浓度。该调整装置可恰好设置在磨料喷射钻头的上游或
者作为井底钻具组合的一部分。
在一个实施例中，磨料喷射钻井组件还包括控制单元，该控制单
元用于在操作期间与磨料喷射钻头的冲击区域的位置相关联地控制喷
射浓度。优选地，当设置井下再循环系统时，该井下再循环系统并不
适于调整再循环率，和/或该控制装置并不适于控制再循环系统的再循
环率。
在一个实施例中，该调整装置包括：收集表面磁性保持（holdup）
设备，该磁性保持设备用于将在收集表面处施加磁场，该磁性保持设
备包括磁铁装置和调整控制装置，该调整控制装置用于可选择地在第
一值与第二值之间改变收集表面处的磁场，在该第一值时，磁性颗粒
收集在该收集表面处，在该第二值时，磁性颗粒从收集表面释放。
该磨料喷射钻井组件可还包括测量装置，该测量装置用于检测井
眼中喷射喷嘴的角度取向，该调整控制装置可布置用于根据所检测到
的角度取向来控制磁性保持设备。
在一个实施例中，该磁铁装置包括至少一块电磁铁，优选地该调
整控制装置布置用于调整电磁铁的驱动电流。
在一个实施例中，该磁铁装置包括至少一个块永磁铁，优选地，
其中至少一块永磁铁可相对于收集表面移动。可移动意味着该永磁铁
可相对于收集表面进行平移运动和/或转动运动，以便改变该收集表面
处的磁场。尤其是，该磁性保持设备可包括致动器，该致动器用于改
变磁铁装置和收集表面的相对位置。
在一个实施例中，该磁铁装置还包括可选择地移动的磁性连接器。
磁性连接器是一种将磁场线从磁铁择优地引导到离开一距离处的区域
的材料，尤其可提供抵达远处的顺磁性或铁磁性目标（诸如收集表面）
的捷径。该磁性连接器是顺磁性或铁磁性材料。通过使用磁性连接器，
磁铁（尤其是永磁铁）的作用可被引导到某一距离的另一区域，并且
通过移动磁性连接器可易于改变或者调整该连接，而不需要移动全部
磁铁。
在一个实施例中，该调整装置定位在钻柱中、在下部出口接头处
或者上方并且朝向磨料喷射钻头。当连接好时，具有已调整的磨料颗
粒供给浓度的钻井流体流进入钻头的上部进口接头。在一个实施例中，
调整装置容纳在位于钻柱中的套圈中，所述套圈具有形成钻柱通道的
一部分的贯通进入通道。在一个实施例中，该贯通进入通道包括环空，
磁性保持设备位于由该环空的最内部壁所环绕的区域内。在一个实施
例中，调整装置包括至少两块位于贯通进入通道的相对侧上的磁铁。
在一个实施例中，所述磁铁包括至少一块永磁铁，并且设置包括移动
器的致动装置，所述移动器执行永磁铁相对于贯通进入通道的移位。
在一个实施例中，所述磁铁以在平行于贯通进入通道的位置与相对于
该贯通进入通道的倾斜的位置之间可转动的方式安装。在一个实施例
中，该调整装置设置有顺磁性收集器，并且移动器布置成在所述磁铁
与收集器之间分别形成磁性接触和断开磁性接触。
在本发明的一个实施例中，用于操作磨料喷射钻井组件的方法包
括以下步骤：获得包括钻井流体和磨料颗粒的流动混合物；以及改变
激活装置的操作以便获得顺磁性磨料颗粒的受控的吸引和/或释放。尤
其是，调整装置被操作以便保持贯通进入通道内的颗粒量，随后使调
整装置以脉动的方式操作，以在每个脉动期间释放保持在贯通进入通
道内的磨料颗粒的一部分且仅仅一部分。在一个实施例中，该方法包
括设置至少两个串联的调整装置，激活所述调整装置以便每次保持一
批磨料颗粒，停用所述调整装置以便在所述多批磨料颗粒抵达喷射喷
嘴的抵达时间中获得时间差。
附图说明
现在将参照附图通过举例来描述本发明，附图中：
图1示意性示出了具有根据本发明的磨料喷射钻井组件的磨料喷
射钻井系统；
图2示出了调整装置的第一实施例；
图3A、3B示出了调整装置的第二实施例；
图4示出了调整装置的第三实施例；
图5A、5B示出了调整装置的第四实施例；以及
图6A、6B示出了调整装置的第五实施例。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记用于标识相同或相似的目标。
如图1中所示，包括根据本发明的磨料喷射钻井组件的磨料喷射
钻井系统包括在目标的井眼2中的钻柱1。该目标在这里是地下土地
层5，尤其是用于提供一个用于形成用于生产出矿物烃的井的井眼。
该钻柱1在地面8处、在其上端部处连接到转动驱动装置（未示出，
但通过箭头10表示），而在另一下端部处连接到套圈13，该套圈包括
根据本发明的调整装置14。该套圈13还可设置有控制器单元，以使
得该控制器单元位于孔的内部。可替代地，该控制器单元可在钻柱中
定位在与具有磨料喷射钻头不同的位置处，或者可定位在地面8处。
在套圈13的下端部处，具有喷射喷嘴18的磨料喷射钻头16连接
到套圈13或者与套圈13集成为一体。该钻柱1具有用于流体的通道
20，该流体通道经由套圈13的通道22和磨料喷射钻头16的通道24
而与喷射喷嘴流体连通。喷嘴18倾斜地定向在中心区域中，以使得冲
击区域相对于钻头16的转动轴线而偏心地设置，在这种情况下，使磨
料射流在孔中转动导致射流19和冲击区域在孔中沿着基本上圆形的
轨迹移动。优选地，该偏心的冲击区域与转动中心交叠，以使得该井
眼的中间也经受磨料射流的侵蚀动力。
喷射喷嘴18布置在可选的脚部29上方，并且相对于该系统的纵
向方向以相对于转动轴线15°-30°的倾斜角倾斜，但是可使用其他角
度。优选地，该倾斜角为大约21°，其对于用于通过使整个工具在井
眼内部轴向转动而利用磨料侵蚀该井眼的底部来说是最优的。
在本实施例中，磨料喷射钻头还包括用于磨料颗粒的再循环系统，
该再循环系统总体以30表示，其具有进口32和出口34，该进口与磨
料喷射钻头16和井眼2之间的环形空间33流体连通，该出口通到布
置在通道24的混合场所37处的混合室36。
可选的脚部设置为距离井眼底部一距离，并且适当地包含用于使
钻井流体和切屑以经由环形空间33向上流动的缝隙。该磨料喷射钻头
18可例如为例如在WO2008/113843、WO 2008/113844中描述的头部。
在操作中，该系统可如下工作。包括磨料颗粒（例如钢丸）的钻
井流体由适当的泵（未示出）从目标的表面（例如大地表面）通过钻
柱2的纵向通道20进行泵送。钻井流体的一部分或者全部被引导到喷
射喷嘴18，在该喷射喷嘴处产生磨料射流19。磨料射流被喷出以冲击
地层。该地层由于磨料射流19冲击地层5而在冲击区域中被侵蚀，从
而加深井眼2。
同时，该磨料射流绕着转动轴线转动。因而，该冲击区域在孔中
沿着圆形轨迹而移动，以使得该地层可在所有方位角处被侵蚀。通过
调整磨料射流的侵蚀动力，可实现高度的定向控制。
通过保持磨料射流的侵蚀动力恒定，在孔的所有侧面上均匀地侵
蚀地层，因而该孔被直挖。当调整侵蚀动力时，尤其是通过调整磨料
颗粒的供给浓度来调整侵蚀动力时，与射流的冲击区域的运动（例如
通过旋转）不同步的调整将不导致定向作用。因而，通过相对于转动
异步的调整原则上钻出直井眼段。然而，挖掘工具的转动方面的畸变
或者孔区域中的岩层特性方面的变化或者其他原因可导致孔中的均匀
侵蚀。需要通过调整侵蚀动力进行方向修正以补偿该非故意的不均匀
侵蚀。该磨料射流的侵蚀动力还可被调整以便有意地挖掘出弯曲的孔。
当磨料射流被定向以冲击需要更大侵蚀的区域中的地层以执行方
向修正时，可周期地增大该磨料射流的侵蚀动力，从而在该区域中产
生更大侵蚀率。
可替代地或者相组合地，当磨料射流定向用于冲击需要更小侵蚀
的区域中的地层时，可减小该磨料射流的侵蚀动力。
通过使得磨料颗粒在钻柱2和钻头16的每次转动时在相同的特定
地点（spot）以较高浓度从喷射喷嘴10中发散出而获得定向效应。因
而，该井眼底部39被不均匀地侵蚀，这导致井眼9的进一步前进将相
对于井眼1的纵向方向连续偏移。
可调整具有磨料颗粒的钻井流体流以便获得脉冲效应。也就是说，
在钻柱1和钻头4进行每一整圈转动时，该射流可包含具有较高浓度
的磨料颗粒的一个阶段以及具有较低浓度的磨料颗粒的至少一个阶
段。还可能的是，对于每个所选定的整数圈转动仅仅提供一次较高浓
度。优先侵蚀的其他方案可在布置多于一个喷射喷嘴的情况下使用。
当布置多于一个喷射喷嘴时，它们适当地在井眼上提供非对称分布的
冲击。
浓度c的表示浓度取决于时间，c=c（t）。在1、2、3直到10、
或20、或更多圈转动之后，该调整可具有重复时期。对于特定调整所
要考虑的时间范围可以是钻柱的一圈或若干（如10、100或更多、1000
或更多）圈转动的持续时间。在较长的时间下，该调整可被改变，或
者甚至在某些时期被停止，以便沿着可包括直部分的期望轨迹进行钻
井。
因而，优选的是，该调整装置包括调整控制装置，该调整控制装
置布置用于控制该调整装置，以使得磨料射流的侵蚀动力与选定轨迹
上的冲击区域的位置相关联地进行调整。
为了确定冲击区域的位置，该系统可设置有位置传感器（诸如随
钻测井传感器），用于提供表示磨料射流位置的信号。为了确定穿过地
层的当前钻井方向，该系统可设置有导向传感器（诸如随钻测井传感
器），用于提供表示在土地层中形成孔所沿着的方向的信号。
这种导向传感器可设置为下述传感器中的一个或者其组合的形
式：定向传感器，其提供表示装置相对于参考向量的方向的信号；位
置传感器，其提供表示相对于参考点的一个或多个位置坐标的信号；
地层密度传感器，其在一距离处提供附近的地层类型或地层成分的变
化的信息；或者任何其他适合的传感器。
基于磨料射流的钻井系统上的机械力比基于机械岩石去除的系统
的情况小得多。这具有以下优点：这些传感器可布置得非常靠近挖掘
工具，从而使得可能较早且准确地将信号通信到调整控制装置。这些
传感器可例如与调整控制装置设置在相同室内。
可替代地，磨料射流前进穿过地层的位置和/或方向可基于可在地
面8上获得的参数而被确定，该参数包括钻柱2上的扭矩和钻柱2的
方位以及钻柱2的轴向位置和速度。
还可经由地面处的定向系统的操作者来决定对钻井方向进行改变
或者修正。在源于井下随钻测井传感器的信号的情况下，可采用多用
户脉冲遥感系统或者其他合适的数据传送系统来将数据传送到地面。
经由类似的数据传送装置，控制信号可被传送到井下控制装置，该井
下控制装置触发期望的定向钻井修正所需的一系列控制动作。
推进器（未示出）有利地设置用于将磨料喷射系统按压在孔2的
底部39上。为了避免磨料喷射钻头6上的不必要磨损、系统的弯曲以
及定向控制的丧失，在按压力不比在底部处保持该磨料喷射钻头16
所需要的力大太多时，获得最好效果。因此，该按压力优选为仅仅足
以抵消磨料射流的轴向反冲力和推进器中的摩擦力以及磨料喷射系统
与孔壁之间的摩擦力。典型地，该按压力适宜地低于10kN。
适当的磨料射流包括混合物，该混合物包含流体（例如钻井流体）
和某一受控浓度的磨料颗粒。射流的侵蚀动力与属于夹带于混合物中
的磨料颗粒中的总动力相关。这取决于磨料颗粒的质量流量以及取决
于磨料颗粒速度的平方。
可通过调整磨料射流中磨料颗粒的质量流量来调整磨料射流的侵
蚀动力。这可最有利地通过调整混合物中的磨料颗粒的浓度来实现。
当单位时间内冲击到区域上的相似颗粒的数量较大时，由于将侵蚀更
多的地层，该磨料射流的总侵蚀动力增大。调整混合物中磨料颗粒的
浓度并不影响钻井系统与地层之间的机械接触作用力。
磨料颗粒的浓度的较小变化可足以实现定向作用，例如在调整期
间颗粒的最大浓度和最小浓度之间的变化为20wt%（重量百分比）的
颗粒或者更少，10wt%或更少，5wt%或更少。当这些颗粒具有基本
上相同的大小/重量和/或密度时，这些附图可同样以磨料颗粒的vol%
（体积百分比）来表示。
仍旧参见图1，磨料颗粒可被夹带在通过挖掘孔的钻井流体的返
回流中，该返回流例如通过孔1与钻井系统（2、13、16）之间的环形
空间33行进。
为了降低全程运输返回到地面的磨料颗粒的浓度，该钻井系统（尤
其是磨料喷射钻头16）可设置有再循环装置（以30示意性示出），该
再循环装置布置成将来自冲击地层下游的返回流的磨料颗粒的至少一
部分重新再循环返回到磨料射流10中。被再循环的磨料颗粒可与新的
含供给浓度的磨料颗粒的钻井流体流例如在混合室中相混合，新的钻
井流体流和再循环磨料颗粒都进入该混合室中以获得含喷射浓度的磨
料颗粒的喷射流体混合物。
该磨料颗粒优选地包括或者包含可磁化材料，即顺磁性材料或者
铁磁性材料（诸例如钢丸或钢砂）。在此这也将被表示为“磁性材料”
或者“磁性颗粒”，尽管其并不需要具有永磁性。该再循环系统可包括
来自在环形空间33中向上流动并且经由出口34而将颗粒传送到混合
室36的钻井流体的吸磁性磁性颗粒。通常，适当的再循环装置例如在
WO 2002/034653、WO 2005/005766、WO2008/119821、WO
2008/113844中有描述。
包括供给浓度的磨料颗粒的供给流体混合物经由钻柱（尤其是经
由与通道24连通的通道22）而被供应到磨料喷射钻头16。根据本发
明，在混合场所37的上游（也就是在混合室36上方的通道20、22、
24、24a中）调整磨料颗粒的供给浓度。因而，射流19中磨料颗粒的
喷射浓度被调整，该喷射浓度取决于供给浓度。
调整装置14因此沿着钻柱的通道20、22、24布置，在图1的实
施例中，布置在磨料喷射钻头16的上端部处或恰好上游。
在图1的实施例中，在套圈13中进行调整，在图2-6中示出了套
圈的若干个实施例。
在图2的实施例中，套圈13具有无磁性的壳体111，该套圈具有
用于与钻柱的上部部分的通道20流体连通的上部进口112，以及具有
用于与磨料喷射钻头的通道24流体连通的下部出口113。贯通进入通
道22在该进口与出口之间延伸。在贯通进入通道22旁侧布置有两对
电支持装置：电磁铁115、116。每对电磁铁115、116沿着该贯通进入
通道22的稍微倾斜定向部分定位。通过受控地激活或停用这些电磁铁
来实现对流过该进入通道22的磨料颗粒浓度的调整。这可通过开始或
停止供给到电磁铁的电流来实现。该电流还可较平滑地变化和/或在不
同的非零值之间变化，但是后者是不太优选的，因为需要来自动力源
的恒定电力供给。
因而，在通道22壁的收集表面处，在第一值与第二值之间调整磁
场，在第一值时，至少一些磁性颗粒从流体混合物中收集在收集表面
处，而在第二值时，磁性颗粒从收集表面释放到流体混合物中。应知
晓的是，收集表面上的颗粒可在流动流体的作用下沿着该表面移动，
但是与较低或零磁场强度的时期相比，在较高磁场强度的时期内更多
的颗粒存在于收集表面上。以114表示仅仅一个收集表面。
在图3A、B所示的实施例中，永磁铁117、118可用作贯通进入
通道22旁侧的磁性保持设备。这些磁铁可绕着摆动轴线123摆动，以
便获得图3A中和图3B中所示的不同位置。在图3A中所示的位置中，
磁铁117、118可被摆动远离该贯通进入通道22，这意味着较大部分
或者全部的磁性磨料颗粒中将沿着通道22通过。相反地，在图3B中
所示的位置中，磁铁117、118可摆动朝向并且抵靠贯通进入通道22
的壁处的收集表面114，以这种方式，收集表面处的磁场较高，而且
一部分或者全部的磁性磨料颗粒中被收集在所述表面处。通过例如借
助于机械致动器（未示出）在图3A、B中所示的位置之间进行改变，
由于钻井流体流将呈现出不同浓度的磨料颗粒而可以实现调整作用。
图4的实施例包括电磁铁119，该电磁铁连接到所谓的顺磁性收
集器120，从而共同形成了磁性保持设备。此外，箱121容纳电池或
者与外部电源和电子控制单元连接的连接装置。在控制单元的作用下，
该电磁铁被电池/动力源激励，从而顺磁性收集器处的磁场变得足够
强，以使得磁性磨料颗粒收集到顺磁性收集器20上。通过改变该电磁
铁的激活，可改变贯通进入通道22中的磁性颗粒浓度以便实现所需的
调整。该顺磁性收集器可包括提供较低磁场强度的永磁铁，该磁场强
度尚不足以将颗粒收集在收集表面114处，从而在这种情况下围绕着
收集器120。因此，在收集表面处由电磁铁119提供的适度增加的磁
场强度足以用于进行收集。
图5A和5B中所示的实施例包括永磁铁119a，该永磁铁借助于
磁性连接器122可与两个顺磁性收集器120连接（图5B）或者断开连
接（图5A），从而共同形成了磁性保持设备。通过在连接器22的断开
连接状态与连接状态之间进行改变，可改变贯通进入通道14中磨料颗
粒的浓度。
图6A、6B中所示的实施例包含永磁铁119a，该永磁铁借助于连
接器122可连接到双顺磁性收集器120，从而共同形成磁性保持设备。
收集器120外面的区域或环空124应该足够大以收集足够大量的磨料
颗粒，以便显著地改变在钻柱的单圈转动内供给到钻头的磨料颗粒的
浓度。代替电磁铁119a的是，可使用可选择地激励的电磁铁（未示出）。
代替移动图5和6中的顺磁性连接器的是，电磁铁它们自身可向
上和向下移动，以与顺磁性收集器连接/断开连接。可替代地或者另外
地，可布置所示的两个顺磁性收集器120中的仅仅一个。同样可能有
利的是，将附加的磁性导向件（未示出）安装成平行于该磁铁，以便
通过开口连接器形成磁性捷径。这将避免在连接器打开时来自连接器
的开口端的磁场干扰周围环空中的颗粒流动。
所以，可例如通过下述方式实现调整：可选择地激励的电磁铁、
通过永磁铁朝向或远离收集表面的实际运动、通过将磁性导体重新定
位在磁铁与流体通路的壁之间、和/或通过在一块或多块磁铁处产生
（或去除）磁性捷径。如果可能的话，这些磁铁优选是永磁铁，例如，
稀土永磁铁（如NdFeB、SmCo、AlNiCo-5或它们的组合），以便避
免当它们不得不被激活时电流连续供给到这些磁铁。优选地，该磁铁
也可在室温下具有至少140kJ/m3的磁能含量，优选地，例如在具有
NdFeB基的磁铁的情况下，在室温下具有超过300kJ/m3的磁能含量。
图5和6的实施例的优点在于：需要具有电子设备的仅仅一个室；
顺磁性收集器的高度处的流体经过区域很大，这降低了该装置周围的
流体和颗粒的平均速度；仅仅收集器的激活或停用之间的切换需要动
力，而并不是激活（停用）本身需要动力。在图5的实施例中，磁性
保持设备与壳体同轴。对于制造以及对于连接到其他（电子）装置来
说是有利的，该其他装置例如是测量传感器和电子控制单元。
磁铁、磁性连接器和收集器的设计和材料应该彼此相配，以使得
磁通量不浪费而且收集器外面的磁场强度足够大以沿着收集器暂时收
集钻井流体流中的铁磁性颗粒。收集表面应该足够大，以收集足够大
量的磨料颗粒，从而能够显著地改变在钻柱的一圈转动内到达钻头的
颗粒的浓度。
在一个示例性实施例中，钻柱的转动可典型地采用1秒。在使用
井下再循环装置的情况下，泵送通过钻柱的颗粒浓度典型地处于0.1%
到4%（体积百分比）的范围内（诸如0.4vol%到2vol%），这是基于
含水流体（诸如水）中的钢丸考虑的。每分钟泵送到钻头的每100升
钻井流体于是包含高达0.017litres/s（升/秒）的磨料。在200升/分流
体流速下用于1vol%颗粒浓度的收集器典型地需要能够在0.5秒期间
收集0.017升颗粒并且在另半秒期间内将其释放。
当使用再循环系统时，磨料射流中的钻井流体可包含喷射浓度高
达10vol%（体积百分比），典型地高达5vol%的磁性磨料颗粒，并且
平均值比供给浓度高。当没有再循环系统时，通过钻柱的供给浓度除
了存在可能的改变时间延迟之外典型地与喷射浓度相同，并且可例如
处于0.5vol%到10vol%范围内，诸如2-5vol%；例如3vol%。再循
环频率例如可处于10Hz至40Hz之间。该钻柱的转动，或者至少磨料
喷射钻头挖掘工具的转动可典型地在0.3Hz到3Hz之间。
可通过不是连续地调整而是例如进行仅仅两圈或每三圈相继的转
动来增大钻井轨迹的预计弯曲半径。
为了获得定向控制，可通过测量钻头的喷射喷嘴相对于所期望钻
井方向的角度取向而适当地触发收集器的激活和停用。用于激活（停
用）的动力可以例如来自于井下电池组或者涡轮发电机或它们的组合。
在一个实例中，井底构造、电池组或者涡轮、控制单元和存储器、以
及传感器组件例如依照该顺序布置在调整装置（图1中的附图标记14）
与混合场所37之间，或者全部都集成到磨料喷射钻头中或者集成到若
干个所连接的部件中。但是，也可能没有布置再循环系统。
可能期望避免同时释放所收集的所有颗粒，也就是说，避免峰值
（spike）。为此，可考虑使用：
-调整装置，该调整装置包括多于一个彼此串联的调整设备，该
调整装置具有停用时间，该停用时间可被选择以使得所释放的多批颗
粒抵达喷射喷嘴处的抵达时间之间存在时间差；例如，最靠近钻头的
收集表面可以被第一个停用并且也可能被第一个激活；
-旁通通路，该旁通通路确保流中的恒定比例的颗粒抵达磨料喷
射钻井装置；
-从收集器脉动地释放颗粒；通过仅仅非常简单地停用收集器，
在收集器的顶部处释放的颗粒将被重新收集，并且由此可在很短的时
间期限内释放少许脉动的数量变化的颗粒；
-设计收集器，以使得其在调制循环的一部分（例如1/4）持续时
间）之后饱和，而在随后调整循环的随后半个循环持续时间释放颗粒；
-上述选项的组合。
磁通量的数量从选定磁铁例如119、119a向顺磁性收集器进行改
变。通过改变磁性连接器与磁铁之间的接触区域或者连接器与收集器
之间的接触区域，可调整抵达收集器的磁通量，进而调整可通过收集
器收集的颗粒的数量。
优选地，钻头的工具面（toolface）和方向靠近钻头进行测量，并
且可能需要测量大地磁场。为了在这种测量中避免磁铁在调整器中的
影响，优选使得调整器离磁性传感器典型地至少1m的距离。为了使
磨料浓度的调整与磨料喷射喷嘴的取向（也就是磨料喷射钻头的工具
面）相匹配，调整的时间选择不得不补偿颗粒从调整器到钻头的行进
时间。在电磁铁在调整器和磨料再循环装置中都处于静止的情况下，
磁铁相对于磁性传感器的相对位置可通过组件的弯曲以及通过组件转
动而改变。这些影响可通过校准而大大消除。
已经发现的是，颗粒沿着磁场传感器的通过干扰了它们的测量，
可考虑在激活收集器之后并且在收集器充满磨料颗粒之前进行磁场测
量。再者，应该考虑时间延迟（在这种情况下是关于颗粒从收集器行
进到磁性传感器的时间延迟）。
颗粒浓度与钻柱转动之间的关联性可通过考虑若干参数而设置。
首先，钻头的转动位置至关重要。此外，钻头的转动速度起到了重要
的作用。再者，通过测量流速或者通过校准用于特定流速的系统，可
修正颗粒在它们的释放时间与抵达钻头的时间之间的行进时间。
当调整装置容纳在磨料喷射钻头上方的钻柱中时，可能传送具有
已调整的颗粒浓度的钻井流体的供给流，以便在井底获得某种期望的
侵蚀效果。因而，不再必须依靠井下再循环回路的调整。
在一个实施例中，调整装置容纳在位于钻柱中的套圈内，所述套
圈具有贯通进入通道，调整装置沿着该贯通进入通道布置。所述套圈
可沿着钻柱定位在特定的期望位置处。然而，在套圈靠近钻头布置的
情况下获得调整作用的最佳结果。
调整装置可包括激活装置和至少一个磁铁，该激活装置用于影响
位于贯通进入通道位置处和贯通进入通道外面的磁铁的磁场。通过适
当地改变磁场，顺磁性磨料颗粒可通过获得浓度差的方式而被影响。
因而，钻头被供给随着时间具有变化浓度的磨料颗粒的钻井流体流，
而并不必须使磨料颗粒在井下再循环。
磁铁和贯通进入通道可根据若干种可能性而布置。例如，该贯通
通道可包括环空，在这种情况下，磁铁定位在由环空的最内壁所围绕
的区域内。根据另一种可能性，该调整装置包括至少两块定位在贯通
进入通道的相对侧上的磁铁。
为了获得所要求的调整，可能施加在磁铁与贯通进入通道之间可
移位的磁性导体。该磁性导体影响磨料颗粒所经历的磁场，这取决于
所述导体的位置。其他的可能性同样存在。例如，磁铁可包括至少一
块永磁铁，而激活装置可包括移动件。所述移动器用于使永久磁铁相
对于贯通进入通道而移位。磁铁相对于贯通进入通道的壁的实际运动
使得在贯通通道中经过的磨料颗粒所经历的磁场变化，从而一些颗粒
被保持而其他颗粒则通过。磨料颗粒在贯通进入通道中的不同行为引
起对钻井流体中颗粒浓度的调整。
可用在平行于贯通进入通道的位置与相对于该贯通进入通道的倾
斜位置之间可转动的方式安装磁铁。其他的移位机构（诸如滑块）也
是可能的。
根据另一替代方案，套圈可设有顺磁性收集器，在这种情况下，
移动件被操作以用于分别在所述磁铁与收集器之间的形成接触和断开
接触。
此外，该磁铁可包括电磁铁。通过分别激励或停用该电磁铁，可
实现调整作用。
本发明还涉及一种用于操作前述磨料喷射钻井的方法，该方法包
括以下步骤：改变激活装置的操作，以便获得顺磁性磨料颗粒的受控
制的吸引和/或释放。由此，可在钻井流体流中产生多批磨料颗粒，这
可提供脉冲效应。
根据另一种可能性，根据本发明的方法可包括以下步骤：
-操作调整装置以便将一些量的颗粒保持在贯通进入通道内，
-随后使得调整装置以脉动方式操作，以便在每次脉动期间释放
保持在该贯通进入通道内的磨料颗粒的一部分且仅仅一部分。
通过快速脉动，一些颗粒将被释放而且也被再次吸引，这取决于
脉动的持续时间。由此，每次有限量的磨料颗粒是自由的，从而导致
了尺寸可被精确确定的多批磨料颗粒。
可替代地，根据本发明的方法可包括以下步骤：
-设置至少两个串联的调整装置，
-激活所述调整装置以便每次保持一批磨料颗粒，
-停用所述调整装置以便在所述多批磨料颗粒抵达钻头处的抵达
时间中获得时间差。
举例来说，最靠近钻头的调整装置可在另一调整装置停用之前先
停用。
此外，根据本发明的方法可包括以下步骤：
-测量流动混合物的流量或者校准用于特定流量的钻井系统，
-通过调整装置对颗粒从其释放时间开始的行进时间进行修正，
以及对颗粒抵达钻头的抵达时间进行修正。
与本发明结合使用的井下动力系统可从加压钻井流体流中获取动
力。存在于在循环通过孔的流体中的仅仅一小部分（典型地小于5%）
水力能量需要获取。因而，发电机将被制造得比例如井下涡轮或者容
积式马达（PDM）小得多，井下涡轮或者容积式马达目的在于转换用
于驱动传统钻头的大部分可用能量。
第一种类型的井下动力系统包括例如借助于涡轮或容积式马达
（PDM）部分由钻井流体流驱动的发电机。所产生的电能可供给到电
动马达。该电动马达23可由电子控制系统控制。
多于一个涡轮/发电机模块可串联安装以转换所需要的动力。这可
改善井下动力系统的定向柔性，因为这种模块化方法可通过机械构造，
与具有相似额定功率的非模块化的涡轮组件相比不太硬。
第二种可替代类型的井下动力系统包括可由钻井流体流驱动的无
源液压马达（诸如涡轮或者无源容积式马达（PDM）部分）。设置用
于控制输出轴上的动力的装置。这种装置可设置为流动控制装置（诸
如调节阀）的形式，所述流动控制装置用于控制流过无源液压马达的
钻井流体的流动。
可替代地，发电机可围绕输出轴安装并且用作受控的制动器，该
受控的制动器通过调整发电机回路中的负载而能够电子调整。该电子
调节阀或者负载可由电子控制系统控制。
利用磨料射流，磨料射流的侵蚀动力可经由电子控制系统进行调
整。电子控制系统可布置为接收表示磨料射流的冲击区域沿着其在井
眼底部上的轨迹的位置的信号，然后可用于根据沿着轨迹的位置来调
整磨料射流的侵蚀动力。可直接从位于磨料喷射钻头附近的井下位置
传感器接收该信号。位置传感器可适当地与电子控制系统一起被容纳。
该电子控制系统可包括电子存储器模块，该电子存储器模块存储包括
马达电压、电流、转动频率、温度及其他数据的数据。该数据的选择
可被经由随钻测井MWD系统（当设置随钻测井MWD系统时）而传
输到地面。这种随钻测井系统可通过男性对扣接管工（male stabber）
而电子连接到电子控制系统。该电子控制系统可被编程，以便可保持
或实现选定条件。任何电子元件可布置在常压室或者压力平衡室中。