CN106837176B - 一种用于钻井的激光破岩方法和装置 - Google Patents

一种用于钻井的激光破岩方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于钻井的激光破岩方法和装置，其包括排屑机构、外置钻杆和内置钻杆。所述排屑机构包括电源、电线、空气压缩机、吸盘、抗压管道及吸泵；所述外置钻杆上有液氮储存罐、雾化喷嘴，所述外置钻杆内有液氮通道、电线、保护层和气体流通区域，所述外置钻杆不转动；所述内置钻杆包括井下马达、井下电源、激光发射器、纤维光缆、锥型分光器、激光头、钻头、激光孔和温度传感器，所述激光发射器发射的激光通过所述纤维光缆传输，在所述锥型分光器中，纤维光缆被一分为四，被分后的每个纤维光缆连接一个所述激光头，激光从所述激光头发出并从激光孔中射出，使岩石受热破碎。本发明工作效率高、可降低钻井难度，节省钻井成本。

Description

一种用于钻井的激光破岩方法和装置
技术领域
本发明涉及钻井破岩装置，尤其涉及一种用于钻井的激光破岩方法和装置。
背景技术
钻井是地质勘探和矿床开发的一个重要环节。钻好的井对石油、天然气来说是沟通油、气层至地面形成油气生产的唯一通道，也是人们对油、气藏进行观察和施加影响的唯一通道。地下储藏的油气资源十分丰富，是支撑人类社会进步和发展的重要能量来源。在长时间,大规模的开采后，部分地区已探明的浅层地层中的油气资源已经得到了充分的开采。然而，深层地层高硬度岩石下蕴藏丰富的油气资源，传统机械旋转钻井方式在高硬度的岩石钻探方面遇到了一定的困难，寻找一个节能、安全高效的破岩方法是目前研究中的一个热点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种用于钻井，并且工作效率高、成本低、安全性好、对地层伤害小的激光破岩装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1：钻杆内的激光发射器产生激光，激光通过纤维光缆传输至钻头并射出形成激光作用区域，激光使岩石受热破碎。在步骤1工作的同时，向井底喷射冷却液(液态氮气)将岩屑和钻头迅速冷却，使岩浆迅速冷却，使其变成固体小颗粒；同时向井底通入压缩空气将岩屑吹向井口，再由吸泵将岩屑吸出。
所述用于钻井的激光破岩方法通过一种用于钻井的激光破岩装置来实现，所述用于钻井的激光破岩装置包括有排屑机构、外置钻杆和内置钻杆。所述排屑机构包括电源、电线、空气压缩机、吸盘、抗压管道及吸泵；所述外置钻杆上有液氮储存罐、雾化喷嘴，所述外置钻杆内有液氮通道、电线、保护层和气体流通区域，所述外置钻杆不转动；所述内置钻杆包括井下马达、井下电源、激光发射器、纤维光缆、锥型分光器、激光头、钻头、激光孔和温度传感器，所述井下马达用于给所述内置钻杆提供动力，使所述内置钻杆转动，所述激光发射器发射的激光通过所述纤维光缆传输，所述锥型分光器镶嵌在所述钻头与钻杆的交界处，在所述锥型分光器中，纤维光缆被一分为四，被分后的每个纤维光缆连接一个所述激光头，激光从所述激光头发出并从激光孔(所述激光孔分为一个在钻头中央的中央激光孔和三个分布在钻翼斜面上的侧激光孔，侧激光孔射出的激光与钻翼斜面垂直)中射出，使岩石受热破碎。
优选的，所述用于钻井的激光破岩装置设置有与之相适的钻井支架。
优选地，所述外置钻杆在空气压缩机及其以下部分是中空的，中空部分为气体流通区域，所述空气压缩机固定在外置钻杆表面，其侧面有进风口，进风口与气体流通区域连通，气体被空气压缩机压缩后通过所述气体流通区域从外置钻杆底端喷出，将岩屑吹起。
优选地，所述吸盘盖住井口，且吸盘下端设置有密封块，密封块与地面紧密接触，所述吸泵用于提供压力，将岩屑吸起并在通过所述吸盘和抗压管道后排出，所述吸盘的作用是防止岩屑飞溅，便于岩屑从抗压管道排出。
优选地，所述液氮通道位于所述液氮储存罐下方，且位于所述外置钻杆最外层，所述液氮通道将所述液氮储存罐与雾化喷嘴相连通，所述雾化喷嘴有四个，且绕外置钻杆一周呈均匀环形排布，液氮通过液氮通道从所述雾化喷嘴喷出，使岩浆迅速冷却，使其变成固体小颗粒。
优选地，所述液氮储存罐中有能控制其罐内压力大小的控压机构，所述钻头的三个钻翼内分别镶嵌有一个温度传感器，用于传送温度数据到所述液氮储存罐中的控压机构中，当温度增加时，液氮储存罐中的压力增大，使单位时间内流出的冷却液增加。
优选地，所述电线由所述保护层包裹，与所述内置钻杆上端的电线接口相连接，给所述井下马达和液氮储存罐中的控压机构供电，所述内置钻杆上端一部分与所述外置钻杆壁焊接，在外置钻杆与内置钻杆之间的焊接段内有三个均匀环绕的气体流通区域。
优选地，所述内置钻杆内，在所述井下马达下方有井下电源，用于给所述激光发射器供电。
优选地，所述锥型分光器中间有一个转换器，激光由一根纤维光缆传输，进入锥型分光器的转换器后被分为四股，再由四根纤维光缆分别传输，四根纤维光缆分别连接四个激光头，且每个激光头分别对应一个激光孔，钻头中有足够空间，能使激光从激光头发出后，能从各自对应的激光孔射出。
本发明的有益效果是：激光破岩装置中内置钻杆内有激光发射器，通过纤维光缆传输激光，在转换器中将纤维光缆一分为四，使激光能在四个激光头中射出，形成了激光作用区域，使得本发明的破岩效率更高。所述液氮储存罐中的液体通过雾化喷嘴后向井底喷出将岩屑和钻头迅速冷却，空气被所述空气压缩机压缩后，通过气体流通区域在所述外置钻杆底部快速喷出将岩屑吹向井口，再由吸泵将岩屑吸出，大大减少了岩屑的二次凝固。基于上述结构可见，相比现有的钻井设备而言，本发明利用激光破岩的方式可以大大提高钻井效率和质量，同时本发明无需频繁更换钻头，也节省了人力，不仅降低了钻井成本，还降低了钻井难度，适合在钻井行业上推广应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的工作示意图。
图3为焊接段的截面图。
图4为锥型分光器的结构示意图。
图5为钻头的结构示意图。
图：1-排屑机构，2-外置钻杆，3-内置钻杆，11-电源，12-电线，13-空气压缩机，131-进风口，14-吸盘，141-密封块，15-抗压管道，16-吸泵，21-螺接处，22-液氮储存罐，221-隔绝层，222-液氮通道，223-雾化喷嘴，23-保护层，24-外置钻杆壁，25-气体流通区域，31-井下电源，312-导线，32-激光发射器，33-纤维光缆，34-内置钻杆壁，35-锥型分光器，351-转换器，352-激光头，36-钻头，361-中央激光孔，362-侧激光孔，363-温度传感器，37-焊接段，371-内置钻杆上端，372-电线接口，373-焊接处，38-井下马达，4-钻井支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
一种用于钻井的激光破岩装置，其包括有排屑机构1、外置钻杆2和内置钻杆3。所述排屑机构1包括电源11、电线12、空气压缩机13、吸盘14、抗压管道15及吸泵16；所述外置钻杆2上有液氮储存罐22、雾化喷嘴223，所述外置钻杆2内有液氮通道222、电线12、保护层23和气体流通区域25，所述外置钻杆2不转动；所述内置钻杆3包括井下马达38、井下电源31、激光发射器32、纤维光缆33、锥型分光器35、激光头352、钻头36和激光孔(中央激光孔361和侧激光孔362)，所述井下马达38用于给所述内置钻杆3提供动力，使所述内置钻杆3转动，所述激光发射器32发射的激光通过所述纤维光缆33传输，所述锥型分光器35镶嵌在所述钻头36与钻杆的交界处，在所述锥型分光器35中，纤维光缆33被一分为四，被分后的每个纤维光缆33连接一个所述激光头352，激光从所述激光头352发出并从激光孔中射出，使岩石受热破碎。
所述内置钻杆3内有激光发射器32，通过纤维光缆33传输激光，在转换器351中将纤维光缆33一分为四，使激光能在四个激光头352中射出，形成了激光作用区域，使得本发明的破岩效率更高。液氮储存罐22中的液体通过雾化喷嘴223后向井底喷出，将岩屑和钻头36迅速冷却，空气被空气压缩机13压缩后通过气体流通区域25，在外置钻杆2底部快速喷出将岩屑吹向井口，再由吸泵16将岩屑吸出，大大减少了岩屑的二次凝固。基于上述结构可见，相比现有的钻井设备而言，本发明利用激光破岩的方式可以大大提高钻井效率和质量，同时本发明无需频繁更换钻头36，也节省了人力，不仅降低了钻井成本，还降低了钻井难度，适合在钻井行业上推广应用。
本实例中，所述用于钻井的激光装置设置有与之相适的钻井支架4。
本实例中，所述外置钻杆2在空气压缩机13及其以下部分是中空的，中空部分为气体流通区域25，所述空气压缩机13固定在外置钻杆表面，所述空气压缩机13侧面有进风口131，所述进风口131与气体流通区域25连通，气体被所述空气压缩机13压缩后通过所述气体流通区域25从外置钻杆2底端喷出，将岩屑吹起。
本实例中，所述吸盘14盖住井口，且吸盘14下端设置有密封块141，密封块141与地面紧密接触，所述吸泵16用于提供压力，将岩屑吸起并在通过所述吸盘14和所述抗压管道15后排出，所述吸盘14的作用是防止岩屑飞溅，便于岩屑从抗压管道15排出。
本实例中，所述液氮通道222位于所述液氮储存罐22下方，所述液氮通道222将所述液氮储存罐22与雾化喷嘴223相连通，所述雾化喷嘴223有四个，且绕外置钻杆2一周呈均匀环形排布，液氮通过液氮通道222从雾化喷嘴223喷出，使岩浆迅速冷却，使其变成固体小颗粒。
本实例中，为了增加液氮储存量，所述液氮储存罐22绕外置钻2杆一周，且相邻液氮储存罐22连通。
本实例中，所述液氮储存罐22中有能控制其罐内压力大小的控压机构，所述钻头36的三个侧翼内分别镶嵌有一个温度传感器363(所述温度传感器363不与激光孔相交)，用于传送温度数据到所述液氮储存罐22中的控压机构中，当温度增加时，液氮储存罐22中的压力增大，使单位时间内流出的冷却液增加。
本实例中，所述电线12由保护层23包裹，给所述井下马达38和所述液氮储存罐22中的控压机构供电，所述内置钻杆3上端一部分与所述外置钻杆壁24焊接，在外置钻杆2与内置钻杆3之间的焊接段内有三个均匀环绕的气体流通区域25。
本实例中，所述内置钻杆3内，位于所述井下马达38下方有井下电源31，用于给所述激光发射器32供电。
本实例中，所述激光孔352分为一个在钻头36中央的中央激光孔361，和三个分布在钻翼斜面上的侧激光孔362，侧激光孔362射出的激光与钻翼斜面垂直。
本实例中，所述锥型分光器35中间有一个转换器351，激光由一根纤维光缆33传输，进入锥型分光器35的转换器351后被分为四股，再由四根纤维光缆33分别传输，四根纤维光缆33分别连接四个激光头352，且每个激光头352分别对应一个激光孔，钻头36中有足够空间，能使激光从激光头352发出后，能从各自对应的激光孔射出。
本激光破岩装置，其工作方式包括以下步骤：
S1：准备步骤：在内置钻杆3中装上井下电源31，装接好钻杆，在液氮储存罐22中加入钻进工作所需要循环液后将吸盘14、抗压管道15和吸泵16依次连接好；
S2：钻进步骤:开启地面电源11，井下马达38开始转动，同时激光发射器32发射激光；
S3：排屑步骤：井下马达38转动同时空气压缩机13开始压缩空气并注入到外置钻杆2的气体流通区域25中，从外置钻杆2末端喷出，将岩屑吹起，此时吸泵16开始工作，将岩屑吸离井内。
本实例中，在S3步骤中，当钻头36中的温度传感器363接收到的温度超过900℃时，液氮储存罐22中的控压机构使罐内压力增加，使液氮从雾化喷嘴喷出，使岩屑快速冷却为固体小颗粒，方便排出，且温度传感器接收到的温度越高，液氮喷出量越大。
本实例中，S2步骤和S3步骤同时进行。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1：钻杆内的激光发射器产生激光，激光通过纤维光缆传输至钻头并射出形成激光作用区域，激光使岩石受热破碎；
在步骤1工作的同时，向井底喷射雾化的液氮将岩屑和钻头迅速冷却，也使岩浆迅速冷却，使其变成固体小颗粒；同时向井底通入压缩空气将岩屑吹向井口，再由吸泵将岩屑吸出；
所述用于钻井的激光破岩方法通过一种用于钻井的激光破岩装置来实现，所述用于钻井的激光破岩装置包括排屑机构(1)、外置钻杆(2)、内置钻杆(3)以及钻井支架(4)；
所述排屑机构(1)包括电源(11)、电线(12)、空气压缩机(13)、吸盘(14)、抗压管道(15)及吸泵(16)；所述外置钻杆(2)上有液氮储存罐(22)、雾化喷嘴(223)；所述外置钻杆(2)内有液氮通道(222)、电线(12)、保护层(23)和气体流通区域(25)，所述外置钻杆(2)不转动；所述内置钻杆(3)包括井下马达(38)、井下电源(31)、激光发射器(32)、纤维光缆(33)、锥型分光器(35)、激光头(352)、钻头(36)和激光孔(包含一个中央激光孔(361)和三个侧激光孔(362)，中央激光孔(361)在钻头(36)的中央，侧激光孔(362)射出的激光与钻翼斜面垂直)；所述井下马达(38)用于给所述内置钻杆(3)提供动力，使所述内置钻杆(3)转动；所述激光发射器(32)发射的激光通过所述纤维光缆(33)传输，所述锥型分光器(35)镶嵌在所述钻头(36)与钻杆的交界处，在所述锥型分光器(35)中，纤维光缆(33)被一分为四，被分后的每个纤维光缆(33)连接于一个所述激光头(352)，激光从所述激光头(352)发出并从激光孔中射出，使岩石受热破碎；
所述外置钻杆(2)在空气压缩机(13)及其以下部分是中空的，中空部分为气体流通区域(25)，所述空气压缩机(13)固定在外置钻杆表面，所述空气压缩机(13)侧面有进风口(131)，所述进风口(131)与气体流通区域(25)连通，气体被所述空气压缩机(13)压缩后通过所述气体流通区域(25)从外置钻杆(2)底端喷出，将岩屑吹起；
所述液氮通道(222)位于所述液氮储存罐(22)下方，所述液氮储存罐(22)绕外置钻杆(2)一周，液氮储存罐(22)中有能控制其罐内压力大小的控压机构，且相邻液氮储存罐(22)连通；所述液氮通道(222)将所述液氮储存罐(22)与雾化喷嘴(223)相连通，所述雾化喷嘴(223)有四个，且绕外置钻杆(2)一周呈均匀环形排布，液氮通过液氮通道(222)从雾化喷嘴(223)喷出，使岩浆迅速冷却，使其变成固体小颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，所述吸盘(14)盖住井口，且吸盘(14)下端设置有密封块(141)，密封块(141)与地面紧密接触，所述吸泵(16)用于提供压力，将岩屑吸起并在通过所述吸盘(14)和所述抗压管道(15)后排出，所述吸盘(14)的作用是防止岩屑飞溅，便于岩屑从抗压管道(15)排出。
3.根据权利要求1所述的一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，所述钻头(36)的三个侧翼内分别镶嵌有一个温度传感器(363)，所述温度传感器(363)不与激光孔相交，用于传送温度数据到所述液氮储存罐(22)中的控压机构中，当温度增加时，液氮储存罐(22)中的压力增大，使单位时间内流出的冷却液增加。
4.根据权利要求1所述的一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，所述电线(12)由保护层(23)包裹，给所述井下马达(38)和所述液氮储存罐(22)中的控压机构供电，所述内置钻杆(3)上端一部分与外置钻杆壁(24)焊接，在外置钻杆(2)与内置钻杆(3)之间的焊接段内有三个均匀环绕的气体流通区域(25)。
5.根据权利要求1所述的一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，所述内置钻杆(3)内，位于所述井下马达(38)下方有井下电源(31)，用于给所述激光发射器(32)供电。
6.根据权利要求1所述的一种用于钻井的激光破岩方法，其特征在于，所述锥型分光器(35)中间有一个转换器(351)，激光由一根纤维光缆(33)传输，进入锥型分光器(35)的转换器(351)后被分为四股，再由四根纤维光缆(33)分别传输，四根纤维光缆(33)分别连接四个激光头(352)，且每个激光头(352)分别对应一个激光孔，钻头(36)中有足够空间，能使激光从激光头(352)发出后，能从各自对应的激光孔射出。
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