CN106089031B - 井下涡轮动力激光钻井工具 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井领域，特别涉及一种井下涡轮动力激光钻井工具，包括动力源外筒、定子叶片、转子叶片、涡轮轴、密封圈、发电机外筒、定子、转子、限位接头、变流器、光纤激光器、合束器、光纤、钻头本体、激光头。定子叶片和转子叶片与涡轮轴连接，且为上下两级结构，发电机外筒上下分别设置两道O型密封圈，定子和转子共同作用下产生电能，变流器安装在发电机外筒下部，光纤激光器安装在限位接头下部，合束器产生的激光通过光纤输送到钻头本体底部的激光头。井下涡轮动力激光钻井工具可为光纤激光器提供稳定电源，保证激光高能汇聚传输，而且不改变现有钻井工艺，实现激光和钻头机械的联合高效破岩，有效提高石油钻井速度。

Description

井下涡轮动力激光钻井工具

技术领域

本发明涉及一种井下涡轮动力激光钻井工具，属于石油钻井领域。

背景技术

提高石油钻井机械钻速是钻井技术发展的永恒方向，通过提高机械钻速，可有效降低钻井成本，提高石油勘探开发效益。激光破岩钻井技术是一种新型高效破岩钻井技术，该技术通过将高能激光束照射到岩石表面，在岩石表面局部形成巨大的激光照射能量，高能激光使岩石表面迅速升温，形成的高温能够使岩石融化或者汽化，形成气、固、液多相混合物，混合物在流体或其他方式的携带下至井口，该技术可实现岩石的高效破碎，同时该技术还具有保护油气储层，保证井眼的完整和规则等作用，因此该技术具有广阔的推广应用前景。

激光钻井技术作为一种高效的破岩钻井技术，在提高石油钻井机械钻速方面具有巨大的潜力。但是，现阶段该技术仍存在一些问题，例如如何为井下提供稳定的激光能量源，如何实现激光高效汇聚和传输，如何实现与现有钻井技术匹配，如何实现激光和钻头机械联合高效破岩等问题，这些问题严重制约了激光钻井技术的推广和应用。

本发明提出了一种井下涡轮动力激光钻井工具，利用钻井液能量带动井下涡轮叶片旋转，涡轮驱动发电机产生激光器所需电能，激光器产生高能激光束，经过激光头射出高能激光，实现岩石的高效破碎。该工具可为激光器提供稳定电源，保证激光的高能汇聚传输，而且不改变现有钻井工艺，可实现激光和钻头机械的联合高效破岩，改变常规石油钻井的岩石破碎方式，有效提高能量利用率，显著提高石油钻井机械钻速，降低钻井成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可为激光器提供稳定电源，保证激光高能汇聚传输，而且不改变现有钻井工艺，实现激光和钻头机械的联合高效破岩的井下涡轮动力激光钻井工具。

本发明所述的井下涡轮动力激光钻井工具由动力源外筒、上止推轴承、定子叶片、转子叶片、涡轮轴平键、涡轮套筒、涡轮轴、密封圈、发电机轴、定子、转子、发电机外筒、变流器、支撑垫块、下止推轴承、限位接头、电缆、光纤激光器、固定槽、激光器外筒、合束器、光纤、钻头本体、内流道、激光头、常规喷嘴组成。上止推轴承安装在动力源外筒内部的最上端，靠近动力源外筒内螺纹的下边缘，上止推轴承中间环空可使钻井液通过。上止推轴承下部为定子叶片和转子叶片，定子叶片套在转子叶片轴外侧，同时定子叶片与涡轮套筒连接，涡轮套筒安装在动力源外筒内壁。定子叶片和转子叶片通过涡轮轴平键与涡轮轴连接，钻井液通过定子叶片和转子叶片后，由于定子叶片固定，转子叶片在钻井液的冲击力作用下开始旋转并通过涡轮轴平键带动涡轮轴旋转，定子叶片和转子叶片为两级结构，分为上下两级，两级均可带动涡轮轴旋转。发电机轴安装在涡轮轴下部，通过螺纹与涡轮轴连接，发电机外筒套在发电机轴上，发电机外筒与发电机轴连接处上下分别设置两道O型密封圈，可防止钻井液进入发电机内部，转子镶嵌在发电机轴上，定子与发电机外筒连接，转子在发电机轴的带动下旋转，定子和转子共同作用产生电能，变流器安装在发电机外筒下部，变流器可将发电机产生的不稳定电流转成光纤激光器所需的稳定电流。支撑垫块安装在变流器和下止推轴承之间，起支撑作用，电缆连接变流器和光纤激光器，并将变流器电流传输至光纤激光器，限位接头安装在动力源外筒和激光器外筒之间，限位接头上部凸起可支撑上部的下止推轴承，限位接头下部凸起可支撑下部的光纤激光器，光纤激光器安装在限位接头下部，光纤激光器两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽中，光纤激光器下部设置合束器，合束器可将光纤激光器产生的激光耦合，形成高能汇聚激光，合束器两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽中，固定槽设置在激光器外筒上。钻头本体与激光器外筒通过螺纹连接，内流道设置在钻头本体内部，常规喷嘴安装在内流道下部，并通过螺纹与钻头本体连接，激光头设置在钻头本体中心轴的最下部，并通过螺纹与钻头本体连接，合束器产生的激光通过光纤输送到钻头本体底部的激光头，激光头射出高能汇聚激光，在岩石表面产生高温并破碎岩石，实现了激光和钻头机械的联合高效破碎。

钻井液由上止推轴承环空向下流经两级定子叶片和转子叶片，进入发电机外筒与动力源外筒之间环空，然后流经下止推轴承环空，依次经过限位接头内部、光纤激光器与激光器外筒之间环空，进入钻头本体内部环空，再经过内流道从普通喷嘴喷出。

本发明的有益效果是：

上止推轴承和下止推轴承共同作用，即固定了内部装置，又不影响内部装置的旋转运动。钻井液能量驱动两级定子叶片和转子叶片相对运动，可为发电机提供充足稳定的动力源。变流器可将发电机产生的不稳定电流转成激光发生器所需稳定过电流，合束器可产生高能激光束，实现激光的高能汇聚传输，激光头射出高能激光，实现岩石的高效破碎。同时该技术不改变现有钻井工艺，实现了激光和钻头机械的联合高效破岩，改变了常规钻井的破岩方式，有效提高能量的利用率，显著提高石油钻井机械钻速，降低钻井成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、动力源外筒2、上止推轴承3、定子叶片4、转子叶片5、涡轮轴平键6、涡轮套筒7、涡轮轴8、密封圈9、发电机轴10、定子11、转子12、发电机外筒13、变流器14、支撑垫块15、下止推轴承16、限位接头17、电缆18、光纤激光器19、固定槽20、激光器外筒21、合束器22、光纤23、钻头本体24、内流道25、激光头26、常规喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：如图1所示，本发明所述的井下涡轮动力激光钻井工具，包括动力源外筒1、上止推轴承2、定子叶片3、转子叶片4、涡轮轴平键5、涡轮套筒6、涡轮轴7、密封圈8、发电机轴9、定子10、转子11、发电机外筒12、变流器13、支撑垫块14、下止推轴承15、限位接头16、电缆17、光纤激光器18、固定槽19、激光器外筒20、合束器21、光纤22、钻头本体23、内流道24、激光头25、常规喷嘴26。上止推轴承2设置在动力源外筒1内部最上端，靠近动力源外筒1内螺纹下边缘，上止推轴承2中间环空可使钻井液通过，上止推轴承2下部为定子叶片3和转子叶片4，定子叶片3套在转子叶片4轴外侧，同时定子叶片3与涡轮套筒6连接，涡轮套筒6安装在动力源外筒1内壁，定子叶片3和转子叶片4通过涡轮轴平键5与涡轮轴7连接，钻井液通过定子叶片3和转子叶片4后，由于定子叶片3固定，转子叶片4在钻井液冲击力作用下开始旋转并通过涡轮轴平键5带动涡轮轴7旋转，定子叶片3和转子叶片4为两级结构，分为上下两级，两级均可以带动涡轮轴7旋转。发电机轴9安装在涡轮轴7的下部，通过螺纹与涡轮轴7连接，发电机外筒12套在发电机轴9上，发电机外筒12与发电机轴9连接处上下分别设置两道O型密封圈8，可防止钻井液进入发电机内部，转子11镶嵌在发电机轴9上，定子10与发电机外筒12连接，转子11在发电机轴9带动下旋转，定子10和转子11共同作用产生电能。变流器13安装在发电机外筒12下部，变流器13可将发电机产生的不稳定电流转成光纤激光器18所需的稳定电流。支撑垫块14安装在变流器13和下止推轴承15之间，起支撑作用。电缆17连接变流器13和光纤激光器18，将变流器13电流传输给光纤激光器18。限位接头16安装在动力源外筒1和激光器外筒20之间，限位接头16上部凸起可支撑上部的下止推轴承15，限位接头16的下部凸起可支撑下部的光纤激光器18，光纤激光器18安装在限位接头16的下部，光纤激光器18两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽19中，光纤激光器18的下部为合束器21，合束器21可将光纤激光器18产生的激光耦合，形成高能汇聚激光，合束器21两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽19中，固定槽19安装在激光器外筒20上。钻头本体23与激光器外筒20通过螺纹连接，内流道24设置在钻头本体23内部，常规喷嘴26安装在内流道24下部，并通过螺纹与钻头本体23连接，激光头25设置在钻头本体23中心轴的最下部，并通过螺纹与钻头本体23连接，合束器21产生的激光通过光纤22输送到钻头本体23底部的激光头25，高能汇聚激光经过激光头25照射岩石，产生高温并破碎岩石，实现了激光和钻头机械的联合高效破岩。钻井液由上止推轴承2环空向下流经两级定子叶片3和转子叶片4，进入发电机外筒12与动力源外筒1之间环空，然后流经下止推轴承15环空，依次经过限位接头16内部、光纤激光器18与激光器外筒20之间环空，进入钻头本体23内部环空，再经过内流道24从常规喷嘴26喷出。

Claims (5)

1.一种井下涡轮动力激光钻井工具，包括动力源外筒(1)、上止推轴承(2)、定子叶片(3)、转子叶片(4)、涡轮轴平键(5)、涡轮套筒(6)、涡轮轴(7)、发电机轴(9)、定子(10)、转子(11)、发电机外筒(12)、变流器(13)、支撑垫块(14)、下止推轴承(15)、限位接头(16)、电缆(17)、光纤激光器(18)、固定槽(19)、激光器外筒(20)、合束器(21)、光纤(22)、钻头本体(23)、内流道(24)、激光头(25)、常规喷嘴(26)，其特征在于：上止推轴承(2)安装在动力源外筒(1)上部，上止推轴承(2)下部为定子叶片(3)和转子叶片(4)，定子叶片(3)套在转子叶片(4)轴外侧，同时定子叶片(3)与涡轮套筒(6)连接，涡轮套筒(6)安装在动力源外筒(1)内壁，定子叶片(3)和转子叶片(4)通过涡轮轴平键(5)与涡轮轴(7)连接，发电机轴(9)安装在涡轮轴(7)下部，通过螺纹与涡轮轴(7)连接，发电机外筒(12)套在发电机轴(9)上，转子(11)镶嵌在发电机轴(9)上，定子(10)与发电机外筒(12)连接，转子(11)在发电机轴(9)带动下旋转，定子(10)和转子(11)共同作用产生电能，支撑垫块(14)设置在变流器(13)与下止推轴承(15)之间，电缆(17)连接变流器(13)和光纤激光器(18)，将变流器(13)电流传输给光纤激光器(18)，限位接头(16)安装在动力源外筒(1)和激光器外筒(20)之间，光纤激光器(18)安装在限位接头(16)下部，光纤激光器(18)下部设置合束器(21)，固定槽(19)在激光器外筒(20)上，钻头本体(23)与激光器外筒(20)通过螺纹连接，内流道(24)设置在钻头本体(23)内部，常规喷嘴(26)安装在内流道(24)下部，并通过螺纹与钻头本体(23)连接，激光头(25)设置在钻头本体(23)中心轴最下部，并通过螺纹与钻头本体(23)连接，合束器(21)产生的激光通过光纤(22)输送至钻头本体(23)底部激光头(25)。

2.根据权利要求1所述的井下涡轮动力激光钻井工具，其特征在于：钻井液通过定子叶片(3)和转子叶片(4)后，由于定子叶片(3)固定，转子叶片(4)在钻井液的冲击力作用下开始旋转并通过涡轮轴平键(5)带动涡轮轴(7)旋转，定子叶片(3)和转子叶片(4)为两级结构，分为上下两级，两级均可以带动涡轮轴(7)旋转。

3.根据权利要求1所述的井下涡轮动力激光钻井工具，其特征在于：发电机外筒(12)与发电机轴(9)连接处上下分别设置两道O型密封圈(8)，可防止钻井液进入发电机内部，变流器(13)安装在发电机外筒(12)下部，变流器(13)可将发电机产生的不稳定电流转成光纤激光器(18)所需的稳定电流，支撑垫块(14)安装在变流器(13)和下止推轴承(15)之间，起支撑作用。

4.根据权利要求1所述的井下涡轮动力激光钻井工具，其特征在于：限位接头(16)上部凸起可支撑上部的下止推轴承(15)，限位接头(16)的下部凸起可支撑下部的光纤激光器(18)，光纤激光器(18)两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽(19)中，合束器(21)可将光纤激光器(18)产生的激光耦合，形成高能汇聚激光，合束器(21)两侧设置两个支撑架分别安装到固定槽(19)中。

5.根据权利要求1所述的井下涡轮动力激光钻井工具，其特征在于：钻井液由上止推轴承(2)环空向下流经两级定子叶片(3)和转子叶片(4)，进入发电机外筒(12)与动力源外筒(1)之间环空，然后流经下止推轴承(15)环空，依次经过限位接头(16)内部、光纤激光器(18)与激光器外筒(20)之间环空，进入钻头本体(23)内部环空，再经过内流道(24)从常规喷嘴(26)喷出。