CN102155194A

CN102155194A - 一种石油井下激光射孔装置

Info

Publication number: CN102155194A
Application number: CN2011100344710A
Authority: CN
Inventors: 白晋涛; 陈浩伟; 张云博; 陆宝乐; 许冠军; 任兆玉
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: CN102155194B

Abstract

本发明属于油井射孔完井技术领域，具体公开了一种石油井下激光射孔装置。所述装置包括激光源、激光控制单元和气体清扫单元，激光源、激光控制单元和气体清扫单元依次连接；其中激光源产生高能激光，激光控制单元控制激光束进行射孔作业，气体清扫单元位于激光控制单元侧面，其输出的高压气体为激光射孔作业提供清洁通道。与现有技术相比，该石油井下激光射孔装置进行射孔作业时具有射孔深度深、射孔方向精确可控、可大幅度提高地层渗透性等优点，可显著提高油井产能。

Description

一种石油井下激光射孔装置

技术领域

本发明属于油井射孔完井技术领域，尤其涉及一种石油井下激光射孔装置。

背景技术

油井射孔技术属于一种油井完井技术，具体是指打通井管壁、水泥层和地层从而建立地层与井管之间的流动通道。目前普遍使用的射孔技术包括子弹式射孔、聚能射孔等。利用上述射孔技术进行石油井下射孔作业存在诸多问题，主要有：第一，产生的射孔洞深度浅；第二，射孔时方向不可控，不能按预定角度射孔；第三，会对地层产生压实效应，降低了地层的渗透性；第四，可能会严重损坏井管。它们共同限制了油井产能的提升。而利用高功率激光进行石油井下射孔作业可以有效地解决上述问题，国内关于此技术的研究报道较少，并且也没有一种可投入实际应用的石油井下激光射孔装置，国外就此技术相关报道如US7487834：Methods of using a laser to perforate composite structures of steel casing, cement and rocks，该专利介绍了一种石油井下激光射孔装置，该装置利用光纤将高能激光传输至石油井下，并利用光学元件改变激光传输方向，使激光照射至地层待射孔处，在激光出射端有一气体喷嘴，喷出高压气流辅助激光进行射孔作业，整个装置安装在一旋转控制台上，控制激光束和高压气流按圆周方向转动进行射孔作业。用此装置进行射孔作业增加了地层的渗透性并且有效地解决了射孔通道末端逐渐变细的问题，有利于提高油井产能。但是该装置中光学元件和气体喷嘴无法调控激光束和高压气流的俯仰角，以完成指定角度的射孔作业，而只能控制激光束进行水平方向的射孔作业，射孔角度不能灵活调控。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种利用高能激光进行石油井下射孔作业，激光射孔方向可灵活调控的石油井下激光射孔装置。

为实现上述技术任务，本发明采用如下技术解决方案：

一种石油井下激光射孔装置，该装置包括激光源、激光控制单元和气体清扫单元，所述激光源、激光控制单元与气体清扫单元依次连接；其中：

所述激光控制单元包括外壳、光纤和安装于外壳内的聚焦透镜、反射镜及反射镜转动控制架；所述外壳一侧壁上设有第一透光窗；所述光纤一端经外壳与外壳内相通，另一端与激光源连接；所述聚焦透镜位于光纤下方；所述反射镜安装于反射镜转动控制架上并位于聚焦透镜下方，该反射镜为俯仰角可变动的反射镜，且俯仰角变动时反射镜面朝第一透光窗；

所述气体清扫单元包括高压气源、高压气管、固定外壳、旋转外壳和旋转外壳控制器；所述高压气管一端经固定外壳与气体清扫单元内部相通，另一端与高压气源连接；所述固定外壳为一侧壁上设有敞口的壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳上下滑动的旋转外壳，该旋转外壳上设有喷嘴，在与敞口所在侧壁相对的固定外壳的侧壁上设有第二透光窗，该设有第二透光窗的侧壁与外壳中设有第一透光窗的侧壁连接，且第二透光窗与喷嘴和第一透光窗相对；所述旋转外壳控制器安装于固定外壳上并与旋转外壳连接。

本发明装置的其他特征为：

所述的聚焦透镜表面镀有激光增透膜层。

所述的反射镜表面镀有激光高反射膜层。

所述的第一透光窗上镀有激光增透膜层。

所述气体清扫单元还包括一气体阀门，该气体阀门与高压气管连接并安装于固定外壳上。

所述的第二透光窗上镀有激光增透膜层。

所述气体清扫单元中的固定外壳的设有第二透光窗的侧壁与外壳中设有第一透光窗的侧壁为一体，第二透光窗与第一透光窗为一体。

所述喷嘴设在旋转外壳的中心位置。

所述喷嘴为锥形喷嘴。

所述旋转外壳控制器包括伺服电机、传动杆和齿轮，且伺服电机、传动杆和齿轮依次连接，其中齿轮与旋转外壳的侧面相啮合。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）该装置利用激光进行石油井下射孔作业，可以持续不断的通过激光烧蚀射孔通道末端的岩石，显著增加了射孔深度。

（2）该射孔装置采用激光进行石油井下射孔作业，在射孔过程中不仅不会对地层产生压实效应，经激光烧蚀后周围岩石的渗透性反而会有所提高。

（3）在射孔作业过程中该装置可以精确地控制激光束，不会损坏井管。

（4）通过反射镜转动控制架调整反射镜的俯仰角，精确地控制激光出射角度，可以实现按指定倾斜角度进行射孔作业。

（5）喷嘴的角度可以灵活调控，可以有效地起到清洁射孔通道，提高激光射孔作业效率的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A向视图。

以下结合实施例与附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

如图1与图2所示，本发明的石油井下激光射孔装置包括激光源20、激光控制单元1和气体清扫单元8，所述激光源20、激光控制单元1与气体清扫单元8依次连接，为更好的保证激光射孔作业效率，激光源20可选用高功率全固态激光器；其中：

激光控制单元1包括外壳7、光纤2和安装于外壳7内的聚焦透镜3、反射镜4及反射镜转动控制架5；所述外壳7一侧壁上设有第一透光窗6；所述光纤2一端经外壳7与外壳7内相通，另一端与激光源20连接；所述聚焦透镜3位于光纤2下方；所述反射镜4安装于反射镜转动控制架5上并位于聚焦透镜3下方，该反射镜4为可转动反射镜，且转动时反射镜4面朝第一透光窗6，即反射镜4的俯仰角可根据工作需要而变换，且变换时反射镜4面朝第一透光窗6；该单元中的各个组合构件通过调整激光束的出射方向，更准确而有效地控制射孔通道的倾斜角度，以提高油井产能。

气体清扫单元8包括高压气源21、高压气管9、固定外壳10、旋转外壳11和旋转外壳控制器13；所述高压气管9一端经固定外壳10与气体清扫单元8内部相通，另一端与高压气源21连接；所述固定外壳10为其中一侧壁上设有敞口的壳体，即固定外壳10中的一侧壁上有开口，固定外壳10为半封闭式壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳10上下滑动的旋转外壳11，该旋转外壳11上设有喷嘴22，在与敞口所在侧壁相对的固定外壳10的另一侧壁上设有第二透光窗14，该设有第二透光窗14的侧壁与外壳7中设有第一透光窗6的侧壁相连接，且第二透光窗14同时与喷嘴22和第一透光窗6相对；所述旋转外壳控制器13安装于固定外壳10上并与旋转外壳11相连接，该单元通过控制旋转外壳11旋转，进而控制喷嘴22出射气流的方向。在进行射孔作业时，同时调整反射镜4和喷嘴22的方向，使激光束和高压气流同时对准待射孔方向，当高压气流与激光出射方向保持一致时，喷出的高压气体有效地起到清扫射孔通道、辅助激光进行射孔作业的作用。

为了减少激光能量损耗，所述的聚焦透镜3表面镀有激光增透膜层。

为了减少激光能量损耗，所述的反射镜4表面镀有激光高反射膜层。

为了减少激光能量损耗，所述的第一透光窗6上镀有激光增透膜层。

所述气体清扫单元8还包括一气体阀门12，所述气体阀门12与高压气管9连接并安装于固定外壳10上。

为了减少激光能量损耗，所述的第二透光窗14上镀有激光增透膜层。

为节省材料，保证整个装置的整体性，所述气体清扫单元8中的固定外壳10的设有第二透光窗14的侧壁与外壳7中设有第一透光窗6的侧壁为一体，第二透光窗14与第一透光窗6为一体。

为了有效地清洁激光射孔通道，所述喷嘴22设在旋转外壳11的中心位置。

为了有效地清洁激光射孔通道，所述喷嘴22为锥形喷嘴。

所述旋转外壳控制器13包括伺服电机23、传动杆24和齿轮25，且伺服电机23、传动杆24和齿轮25依次连接，其中齿轮25与旋转外壳11的侧面相啮合。

所述反射镜转动控制架5内安装有电机和传动装置，该电机与传动装置连接，其中传动装置与反射镜4连接调控反射镜4的俯仰角度以准确而方便地控制激光出射方向。

本发明的石油井下激光射孔装置，其具体工作过程为：首先将射孔装置悬吊至目标地层15，仪器到目标地层后调整反射镜4和喷嘴22的方向使它们同时指向待射孔方向并保持一致，高能激光束由光纤2射出，经聚焦透镜3聚焦、反射镜4反射，再通过第一透光窗6、第二透光窗14和喷嘴22射出。在高能激光射出时，气体清扫单元8的喷嘴22连续不断的喷出保护气流，为激光提供一清洁的入射通道并把射孔产生的杂物带出射孔洞，高能激光束先后射穿井管壁16、水泥层17和地层18，从而达到建立地层与井管之间流动通道的目的。

本发明的装置可通过地面操作控制台控制，其中反射镜转动控制架5中的电机、旋转外壳控制器13中的伺服电机23和气体阀门12均与该地面操作控制台连接，根据作业要求，通过地面操作控制台控制反射镜4的仰俯角变动、旋转外壳11的上下滑动以及高压气体的开关和流量。

以下是发明人给出的具体实施例，该实施例是为了进一步理解本发明，本发明不限于该实施例。

实施例：

参考图1和图2，本实施例的装置结构包括激光源20、激光控制单元1、气体清扫单元8；

采用的激光源20是一台高功率全固态激光器，它与气体清扫单元中的高压气源21放置在地面上，这样一方面可以保护激光源免受井下复杂环境的影响，另一方面可以避免井管尺寸对激光源大小、体积等方面的限制，同时更方便控制仪器，激光源20产生的高能激光通过光纤2传输至激光控制单元1；

激光控制单元1包括外壳7、光纤2和安装于外壳7内的聚焦透镜3、反射镜4及反射镜转动控制架5，该反射镜转动控制架5安装于外壳7底，反射镜转动控制架5中安装有电机和传动装置，该电机与传动装置连接，其中传动装置与反射镜4连接，控制反射镜4转动，即根据工作需要改变反射镜4的俯仰角；其中外壳7一侧壁上设有第一透光窗6；光纤2一端从激光控制单元1的外壳7顶端进入激光控制单元1，另一端与激光源20相连接；聚焦透镜3位于光纤2下方，起到聚焦光束的作用；反射镜4安装于反射镜转动控制架5上并位于聚焦透镜3下方，反射镜4可绕反射镜转动控制架5顶端变动俯仰角，以实现在大角度范围内进行射孔作业，并且反射镜4的俯仰角变动时镜面朝着第一透光窗6；激光束经反射镜4反射经第一透光窗6射出，并经气体清扫装置提供的清洁通道，照射在待射孔地层15上；为减少激光能量损耗，聚焦透镜3表面和第一透光窗6上均镀有激光增透膜层，反射镜4表面镀有激光高反射膜层；

气体清扫单元8包括高压气源21、高压气管9、气体阀门12、固定外壳10、旋转外壳11和旋转外壳控制器13；气体阀门12安装于高压气管9和固定外壳10之间，即与高压气管9连接并且固定于固定外壳10上；高压气管9一端与高压气源21相连，高压气管9另一端、气体阀门12、固定外壳10顶端依次连接，高压气体经高压气管9、气体阀门12和固定外壳10顶端进入气体清扫单元8内；固定外壳10为其中一侧壁上设有敞口的壳体，进一步说，该固定外壳10包括一具有敞口的侧壁，在敞口处安装有可相对于固定外壳10沿纵向上下滑动的旋转外壳11，该旋转外壳11中心位置处设有喷嘴22，且该喷嘴22为锥形喷嘴，在与敞口所在侧壁相对的固定外壳10的侧壁上设有第二透光窗14，该设有第二透光窗14的侧壁与外壳7中设有第一透光窗6的侧壁锚接在一起，当然也可以焊接，同时第二透光窗14与喷嘴22和第一透光窗6相对，并且第二透光窗14和第一透光窗6相重合，为减少激光能量损耗，第二透光窗14上镀有激光增透膜层；旋转外壳控制器13安装于固定外壳10底部并与旋转外壳11相连接，该旋转外壳控制器13内部安装有伺服电机23、传动杆24和齿轮25，且伺服电机23、传动杆24和齿轮25依次连接，其中齿轮25与旋转外壳11的侧面相啮合控制旋转外壳11在竖直方向上滑动，并且在转动过程中始终保持高压气体喷射方向与激光出射方向相一致。工作过程中，由旋转外壳11上的喷嘴22喷出的高压气体一方面把井下的液体排开，为激光射孔提供清洁的通道，另一方面将激光射孔产生的杂物带出射孔洞19，这样避免了激光与液体和杂物作用，提高射孔效率；

本实施例中的装置通过地面操作控制台控制，反射镜转动控制架5中的电机、旋转外壳控制器13中的伺服电机23和气体阀门12均与该地面操作控制台连接，根据作业要求，通过地面操作控制台控制反射镜4的仰俯角变动、旋转外壳11的上下滑动以及高压气体的开关和流量。

Claims

1.一种石油井下激光射孔装置，包括激光源（20）、激光控制单元（1）和气体清扫单元（8），所述激光源（20）、激光控制单元（1）和气体清扫单元（8）依次连接；其特征在于，

所述激光控制单元（1）包括外壳（7）、光纤（2）和安装于外壳（7）内的聚焦透镜（3）、反射镜（4）及反射镜转动控制架（5）；所述外壳（7）一侧壁上设有第一透光窗（6）；所述光纤（2）一端经外壳（7）与外壳（7）内相通，另一端与激光源（20）连接；所述聚焦透镜（3）位于光纤（2）下方；所述反射镜（4）安装于反射镜转动控制架（5）上并位于聚焦透镜（3）下方，该反射镜（4）为俯仰角可变动的反射镜，且俯仰角变动时反射镜（4）面朝第一透光窗（6）；

所述气体清扫单元（8）包括高压气源（21）、高压气管（9）、固定外壳（10）、旋转外壳（11）和旋转外壳控制器（13）；所述高压气管（9）一端经固定外壳（10）与气体清扫单元（8）内部相通，另一端与高压气源（21）连接；所述固定外壳（10）为一侧壁上设有敞口的壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳（10）上下滑动的旋转外壳（11），该旋转外壳（11）上设有喷嘴（22），在与敞口所在侧壁相对的固定外壳（10）的另一侧壁上设有第二透光窗（14），该设有第二透光窗（14）的侧壁与外壳（7）中设有第一透光窗（6）的侧壁相连接，且第二透光窗（14）与喷嘴（22）和第一透光窗（6）相对；所述旋转外壳控制器（13）安装于固定外壳（10）上并与旋转外壳（11）连接。

2.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述的聚焦透镜（3）表面镀有激光增透膜层。

3.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述的反射镜（4）表面镀有激光高反射膜层。

4.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述的第一透光窗（6）上镀有激光增透膜层。

5.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述气体清扫单元（8）还包括一气体阀门（12），该气体阀门（12）与高压气管（9）连接并安装于固定外壳（10）上。

6.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述的第二透光窗（14）上镀有激光增透膜层。

7.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述气体清扫单元（8）中的固定外壳（10）的设有第二透光窗（14）的侧壁与外壳（7）中设有第一透光窗（6）的侧壁为一体，第二透光窗（14）与第一透光窗（6）为一体。

8.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述喷嘴（22）设在旋转外壳（11）的中心位置。

9.如权利要求1或8所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述喷嘴（22）为锥形喷嘴。

10.如权利要求1所述的石油井下激光射孔装置，其特征在于，所述旋转外壳控制器（13）包括伺服电机（23）、传动杆（24）和齿轮（25），且伺服电机（23）、传动杆（24）和齿轮（25）依次连接，其中齿轮（25）与旋转外壳（11）的侧面相啮合。