CN107620566B - 超声波激光钻井装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声波激光钻井装置,其特征在于,包括:冷却单元(1)、控制单元(2)、连通管(3)、过滤槽(11)、高功率脉冲激光器阵列(4)、超声波发生器(5)和超声波聚焦阵列(6),其中,连通管(3)内有电缆、高强度水管及回水管,连通管(3)内的电缆将控制单元(2)分别与在下面的外壳(12)内的高功率脉冲激光器阵列(4)、多个超声波发生器(5)、超声波聚焦阵列(6)和气泵(9)连接,连通管(3)内的高强度水管将冷却单元(1)分别与高功率脉冲激光器阵列(4)、超声波发生器(5)和超声波聚焦阵列(6)的冷却水循环系统相连接;本发明通过高功率脉冲激光装置发出的高脉冲能量,和超声波发生装置通过聚焦阵列,破坏岩石结构,达到破岩钻井,其效果很好。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开采及激光器应用领域,特别是涉及超声波激光钻井装置。
背景技术
石油天然气是现今世界的主要应用能源,是现代工业及生活最广泛应用的矿石能源,而石油天然气的开采更成为了其中的关键技术,旋转钻井技术是目前石油天然气勘探开发中广泛应用的钻井方式,随着地层岩层情况的复杂和钻井深度的增加,钻井成本会随之升高,同时钻井过程中各种地层岩层的结构不一样,当遇到坚硬地层岩层情况是,机械钻井往往不能胜任,同时还带来各种各样的问题。因此,现今急需一种高效的钻井方法,通过相关研究表明,通过超声波和激光通过作用,破岩钻井的效率和质量都远远优于传统破岩钻井工艺,具有广阔的发展和应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有钻井装置的不足,提供了一种超声波激光钻井装置,以克服现有钻井装置不能钻通坚硬地层岩层的问题。
一种超声波激光钻井装置,其特征在于,包括:冷却单元1、控制单元2、连通管3、过滤槽11、高功率脉冲激光器阵列4、超声波发生器5和超声波聚焦阵列6,其中,连通管3内有电缆、高强度水管及回水管,连通管3内的电缆将控制单元2分别与在下面的外壳12内的高功率脉冲激光器阵列4、多个超声波发生器5、超声波聚焦阵列6和气泵9连接,连通管3内的高强度水管将冷却单元1分别与高功率脉冲激光器阵列4、超声波发生器5和超声波聚焦阵列6的冷却水循环系统相连接,冷却后的水通过连通管3内的回水管再回到冷却单元1中,连通管3内的高强度水管还与蓄水槽8连接,气泵9管道的下端连接清洁器7,清洁器7的端口在最下面,用于吸收井下的泥砂,蓄水槽8的水与气泵9抽上来的泥砂、水混合后,一起回到过滤槽11,过滤槽11将砂水混合物进行分离、过滤,将过滤后的清洁水注入冷却单元(1);高功率脉冲激光器阵列4由多个高功率脉冲激光器组成环状阵列,多个超声波发生器5、超声波聚焦阵列6在高功率脉冲激光器阵列4内。
所述的高功率脉冲激光器阵列4的中间安装有成像装置10,成像装置10与控制单元2连接,由控制单元2供电。
所述的连通管3,其特征在于:连通管采用高强度双层套管结构,其中包含高强度、可拼接组合的电缆和水管结构,各结构之间相互独立,用套管包覆。
所述的高功率脉冲激光器阵列4,其特征在于:高功率脉冲激光器4为多台光纤脉冲激光器组成阵列,脉冲频率需为ms级别,能量密度>300W/cm2。
所述的高功率脉冲激光器阵列4,其特征在于:高功率脉冲激光器阵列4为均匀排布组成阵列,阵列整体形状为圆形,其围绕阵列圆心旋转。
超声波发生器5的输出功率为0~60kW,频率为5~35kHz。
所述的超声波聚焦阵列6,采用超声波聚焦阵列采用电子聚焦方式,空间合束的方式,将多个超声波发生器5的超声波能量聚焦于同一区域。
有益效果:
本发明通过高功率脉冲激光装置发出的高脉冲能量,和超声波发生装置通过聚焦阵列,破坏岩石结构,达到破岩钻井,其效果很好。
附图说明
图1、为超声波激光钻井装置示意图;
图2、为超声波激光钻井装置主要功能部件示意图。
其中,1为冷却单元,2为控制单元,3为连通管,4为高功率脉冲激光器阵列,5为超声波发生器,6为超声波聚焦阵列,7为清洁器,8为蓄水槽,9为气泵,10为实时成像系统,11为过滤器,12为外壳。
具体实施方式
一种超声波激光钻井装置,其特征在于,包括:冷却单元1、控制单元2、连通管3、过滤槽11、高功率脉冲激光器阵列4、超声波发生器5和超声波聚焦阵列6,其中,连通管3内有电缆、高强度水管及回水管,连通管3内的电缆将控制单元2分别与在下面的外壳12内的高功率脉冲激光器阵列4、多个超声波发生器5、超声波聚焦阵列6和气泵9连接,连通管3内的高强度水管将冷却单元1分别与高功率脉冲激光器阵列4、超声波发生器5和超声波聚焦阵列6的冷却水循环系统相连接,冷却后的水通过连通管3内的回水管再回到冷却单元1中,连通管3内的高强度水管还与蓄水槽8连接,气泵9管道的下端连接清洁器7,清洁器7的端口在最下面,用于吸收井下的泥砂,蓄水槽8的水与气泵9抽上来的泥砂、水混合后,一起回到过滤槽11,过滤槽11将砂水混合物进行分离、过滤,将过滤后的清洁水注入冷却单元1);高功率脉冲激光器阵列4由多个高功率脉冲激光器组成环状阵列,多个超声波发生器5、超声波聚焦阵列6在高功率脉冲激光器阵列4内。
所述的高功率脉冲激光器阵列4的中间安装有成像装置10,成像装置10与控制单元2连接,由控制单元2供电。
所述的连通管3,其特征在于:连通管采用高强度双层套管结构,其中包含高强度、可拼接组合的电缆和水管结构,各结构之间相互独立,用套管包覆。
所述的高功率脉冲激光器阵列4,其特征在于:高功率脉冲激光器4为多台光纤脉冲激光器组成阵列,脉冲频率需为ms级别,能量密度>300W/cm2。
所述的高功率脉冲激光器阵列4,其特征在于:高功率脉冲激光器阵列4为均匀排布组成阵列,阵列整体形状为圆形,其围绕阵列圆心旋转。
超声波发生器5的输出功率为0~60kW,频率为5~35kHz。
所述的超声波聚焦阵列6,采用超声波聚焦阵列采用电子聚焦方式,空间合束的方式,将多个超声波发生器5的超声波能量聚焦于同一区域。
超声波激光钻井装置,其特征在于:包括冷却单元1用于为超声波激光钻井装置提供水冷及清洁用水,控制单元2用于控制超声波激光钻井装置各组成部分,连通管3包含电缆及高强度水管,用于连接超声波激光钻井装置的电气部分和用水部分,高功率脉冲激光器阵列4用于对岩石的粉碎,超声波发生器5包括多个超声波发生装置用于产生超声波,超声波聚焦阵列6包括多个超声波聚焦系统,用于使产生的超声波聚焦投射在固定的粉碎区域,清洁器7用于清除岩石粉碎后产生的砂、尘等,蓄水槽8用于混合清洁器7吸来的砂、尘,与水混合后,导出,气泵9用于产生吸力,达到清洁砂、尘的目的,成像系统10用于监测岩石钻井情况,过滤槽11用于将吸来的砂、尘和水的混合物进行分离,过滤,并注入冷却单元1中,循环使用,外壳12。
冷却单元1供给超声波激光钻井装置的冷却用水以及蓄水槽8所需用水;
控制单元2供给超声波激光钻井装置各个部件电力传输及控制。
连通管采用高强度双层套管结构,其中包含高强度、可拼接组合的电缆和水管结构,各结构之间相互独立,用套管包覆。
高功率脉冲激光器(4)为多台光纤脉冲激光器组成阵列,脉冲频率需为ms级别,能量密度>300W/cm2;
激光器阵列为均匀排布组成阵列,阵列整体形状为圆形,可围绕阵列圆心旋转;
输出功率为0~60kW,频率为5~35kHz,同时包含超声波聚焦阵列(6)。
超声波聚焦阵列采用电子聚焦方式,空间合束的方式,将多个超声波发生器5的超声波能量聚焦于同一区域。
蓄水槽中包含单项阀门,一边为清水,一边为混合砂、尘后的水,采用大功率气泵抽取清洁器7中的砂、尘。
通过集成超声波和激光技术,将两者的单一作用整合为一个相辅相成的综合作用效果,提高钻井效率。
本发明所涉及的技术解决原理:
通过高功率脉冲激光装置发出的高脉冲能量,通过旋转及多台光纤脉冲激光器组成的阵列,在极短的时间内,高功率脉冲激光多次作用于岩石表面,在岩石表面产生热量聚集,使岩石表面局部骤然高温,对岩石进行热冲击,岩石受热产生微裂隙并扩张,相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并导致岩石破碎,这种变化使岩石粉碎,破坏了岩石内部整体结构,超声波发生装置通过聚焦阵列的合成,将多束超声波能量,整合投射在相应钻井区域,岩石表面受反射波作用,表面受压破裂,同时一部分超声波能量穿透至岩石中的裂痕,在界面处产生张力波,当张力波强度大于岩石扩张强度时,岩石破裂,进而高功率脉冲激光更易对破裂后的岩石,再加上超声波的振动能量,周而复始的作用,破坏岩石结构,达到破岩钻井的效果。
所述的超声波激光钻井装置集成了高功率脉冲激光4、超声波发生器5;
所述的冷却单元1供给超声波激光钻井装置的冷却用水以及蓄水槽8所需用水;
所述的控制单元2用于超声波激光钻井装置各个部件的电力传输及控制;
所述的连通管3采用高强度双层套管结构,其中包含高强度、可拼接组合的电缆和水管结构,各结构之间相互独立,用套管包覆;
所述的高功率脉冲激光器阵列4采用多台光纤脉冲激光器,均匀排列组成圆形,阵列可以围绕圆心进行旋转,光纤脉冲激光器脉冲频率需为ms级别,,能量密度>300W/cm2。
所述的超声波发生器5输出功率为0~60kW,频率为5~35kHz,且超声波发生器配备超声波聚焦阵列6;
所述的超声波聚焦阵列6采用电子聚焦方式,空间合束的方式,将多个超声波发生器5的超声波能量聚焦。
所述的蓄水槽8包含单项阀门,一边为清水,一边为混合砂、尘后的水,采用大功率气泵抽取清洁器7中的砂、尘。
所述的清洁器7采用大功率气泵抽气,将钻井产生的砂、尘,通过气流导入至蓄水槽8中。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:集成了离子刻蚀技术和石墨熔融方法,通过离子刻蚀技术对光纤进行整体形状的加工及对光纤表面进行定点定型定量的刻蚀加工,使光纤整体形状改变同时光纤外表面布满特定形状的微型导光槽,加工出的包层功率滤除部分可以避免因加工应力、机械损伤,加工污染带来的隐患,同时保留了材料整体的均匀性和完整性,利用材料自身的物化性质,提高包层功率滤除器在高功率、高温情况下的稳定性和安全性。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为超声波激光钻井装置的示意图,如图所示,本发明可以通过超声波和激光技术的结合,通过超声波振动能量和激光热能的反复循环作用,从而破坏岩石的内部结构,达到破岩钻井的效果。
图2为超声波激光钻井装置主要功能部件示意图,其中高功率脉冲激光器阵列4由多个光纤脉冲激光器组成,围绕圆心均匀排列成圆形,超声波发生器5及超声波聚焦阵列6在其内圈,均匀排列,共同组成了超声波激光钻井的关键功能部件。
选定待钻的岩石表面,打开高功率脉冲激光器4对待破岩钻井区域进行激光照射,使破岩钻井区域表面热量聚集。
开启超声波发生装置5,通过超声波聚焦阵列6的聚焦作用,使多束超声波能量聚集在破岩钻井区域。
同时开启清洁器7及气泵9,通过气泵的吸力,将破岩钻井区域产生的砂、尘清除,保持清洁同时减少工作环境对于激光和超声波的影响。
破岩钻井产生的砂、尘经过蓄水槽8中的水的混合,将其导出至过滤器11。
当超声波激光装置工作时,高功率脉冲激光能量作用于岩石表面,使岩石表面聚集高能量,从而融化或者因为温度差而碎裂,再通过超声波能量的聚焦投射,使岩石中的结构碎裂进一步扩大,通过反复循环及综合作用,使岩石粉碎,进而清除。
本发明公开了一种采用超声波和激光连合进行破岩的超声波激光钻井装置,属于石油天然气开采及激光应用领域,包括冷却单元1,控制单元2,连通管3,高功率脉冲激光器阵列4,超声波发生器5,超声波聚焦阵列6,清洁器7,蓄水槽8,气泵9,实时成像系统10,过滤器11,外壳12。与传统设备相比,本发明能投提供一种集成超声波和激光粉碎岩石进行钻井钻孔的装置,实现对深层岩石的高效破坏粉碎,通过超声波聚焦将超声波能和高功率脉冲激光投射在待粉碎破除的区域,超声波的振动和高功率激光脉冲同时作用于岩石,高功率脉冲激光在岩石表面产生局部高温,岩石受热产生微裂隙并扩张,相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并导致岩石破碎,这种热冲击提高了岩石孔隙度、渗透率,并降低岩石强度,高温产生微裂缝,使胶结物汽化,分解为小块,同时超声波一部分作用于岩石表面形成反射波,使岩石表面受压破裂,另一部分穿透岩石在缝隙、裂缝等界面出反射形成张力波,从而引起碎裂,进而高能量脉冲激光更易于将小块岩石加热,融化,粉碎,超声波也更易对小块岩石产生作用,使之碎裂。这种方法通过超声波和激光的综合作用,将大块岩石变为小块岩石,进而变为更小的岩石结构,达到快速粉碎的效果,开挖断面形状可控,静态破岩噪声小,对岩石扰动小,有效提高了钻井的效率和质量。通过高功率脉冲激光装置发出的高脉冲能量,通过旋转及多台光纤脉冲激光器组成的阵列,在极短的时间内,高功率脉冲激光多次作用于岩石表面,在岩石表面产生热量聚集,使岩石表面局部骤然高温,对岩石进行热冲击,岩石受热产生微裂隙并扩张,相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并导致岩石破碎,这种变化使岩石粉碎,破坏了岩石内部整体结构,超声波发生装置通过聚焦阵列的合成,将多束超声波能量,整合投射在相应钻井区域,岩石表面受反射波作用,表面受压破裂,同时一部分超声波能量穿透至岩石中的裂痕,在界面处产生张力波,当张力波强度大于岩石扩张强度时,岩石破裂,进而高功率脉冲激光更易对破裂后的岩石,再加上超声波的振动能量,周而复始的作用,破坏岩石结构,达到破岩钻井的效果。
本发明公开了一种采用超声波和激光连合进行破岩的超声波激光钻井装置,属于石油天然气开采及激光应用领域,包括冷却单元1,控制单元2,连通管3,高功率脉冲激光器阵列4,超声波发生器5,超声波聚焦阵列6,清洁器7,蓄水槽8,气泵9,实时成像系统10,过滤器11,外壳12。与传统设备相比,本发明能投提供一种集成超声波和激光粉碎岩石进行钻井钻孔的装置,实现对深层岩石的高效破坏粉碎,通过超声波聚焦将超声波能和高功率脉冲激光投射在待粉碎破除的区域,超声波的振动和高功率激光脉冲同时作用于岩石,高功率脉冲激光在岩石表面产生局部高温,岩石受热产生微裂隙并扩张,相变而引起颗粒分离,气体与水在空穴中扩张并导致岩石破碎,这种热冲击提高了岩石孔隙度、渗透率,并降低岩石强度,高温产生微裂缝,使胶结物汽化,分解为小块,同时超声波一部分作用于岩石表面形成反射波,使岩石表面受压破裂,另一部分穿透岩石在缝隙、裂缝等界面出反射形成张力波,从而引起碎裂,进而高能量脉冲激光更易于将小块岩石加热,融化,粉碎,超声波也更易对小块岩石产生作用,使之碎裂。这种方法通过超声波和激光的综合作用,将大块岩石变为小块岩石,进而变为更小的岩石结构,达到快速粉碎的效果,开挖断面形状可控,静态破岩噪声小,对岩石扰动小,有效提高了钻井的效率和质量。
Claims (6)
1.一种超声波激光钻井装置,其特征在于,包括:冷却单元(1)、控制单元(2)、连通管(3)、过滤槽(11)、高功率脉冲激光器阵列(4)、超声波发生器(5)和超声波聚焦阵列(6),其中,高功率脉冲激光器阵列(4)为多台光纤脉冲激光器组成阵列,脉冲频率需为ms级别,能量密度>300W/cm2,连通管(3)内有电缆、高强度水管及回水管,连通管(3)内的电缆将控制单元(2)分别与在下面的外壳(12)内的高功率脉冲激光器阵列(4)、多个超声波发生器(5)、超声波聚焦阵列(6)和气泵(9)连接,连通管(3)内的高强度水管将冷却单元(1)分别与高功率脉冲激光器阵列(4)、超声波发生器(5)和超声波聚焦阵列(6)的冷却水循环系统相连接,冷却后的水通过连通管(3)内的回水管再回到冷却单元(1)中,连通管(3)内的高强度水管还与蓄水槽(8)连接,气泵(9)管道的下端连接清洁器(7),清洁器(7)的端口在最下面,用于吸收井下的泥砂,蓄水槽(8)的水与气泵(9)抽上来的泥砂、水混合后,一起回到过滤槽(11),过滤槽(11)将砂水混合物进行分离、过滤,将过滤后的清洁水注入冷却单元(1);高功率脉冲激光器阵列(4)由多个高功率脉冲激光器组成环状阵列,多个超声波发生器(5)、超声波聚焦阵列(6)在高功率脉冲激光器阵列(4)内。
2.根据权利要求1所述的一种超声波激光钻井装置,其特征在于,所述的高功率脉冲激光器阵列(4)的中间安装有成像装置(10),成像装置(10)与控制单元(2)连接,由控制单元(2)供电。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声波激光钻井装置,其特征在于,所述的连通管(3)包含高强度、可拼接组合的电缆和水管结构,各结构之间相互独立,并采用高强度双层套管结构将高强度、可拼接组合的电缆和水管结构包覆起来。
4.根据权利要求1或2所述的一种超声波激光钻井装置,其特征在于,所述的高功率脉冲激光器阵列(4)为均匀排布组成阵列,阵列整体形状为圆形,其围绕阵列圆心旋转。
5.根据权利要求1所述的一种超声波激光钻井装置,其特征在于,超声波发生器(5)的输出功率为0~60kW,频率为5~35kHz。
6.根据权利要求1所述的一种超声波激光钻井装置,其特征在于,所述的超声波聚焦阵列(6)采用电子聚焦方式,空间合束的方式,将多个超声波发生器(5)的超声波能量聚焦于同一区域。
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