CN109162640A - 一种激光-水射流联合钻井装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光‑水射流联合钻井装置，它主要由钻杆、钻铤、钻头、光纤、清洁水管道、光纤保护管、光束整形装置、光束整形装置外壳、水导激光束通道、激光头、钻头流道组成。钻杆内设有光纤保护管和清洁水管道，将光纤、清洁水和钻井液分隔。钻铤内部设有光束整形装置和光束整形装置外壳。激光头发出激光，经过光束整形装置，同时清洁水在钻头中心V型截面通道汇聚，形成水导激光束从水导激光束通道射出，利用激光的热效应、清洁水的空化作用破岩，清洁水的喷射可以防止岩石碎屑进入到光束整形装置。钻井液通过井上泵的增压，从钻头流道喷射破岩。本发明通过多种方式对岩石进行破碎，降低钻头破岩难度，减少钻具的磨损，提高破岩效率。

Description

一种激光-水射流联合钻井装置
技术领域
本发明涉及一种激光-水射流联合钻井装置，用于油气资源与地热能钻探开采等领域。
背景技术
随着国内外油气勘探工作逐渐向深井、超深井转移，较硬的岩石与较低的钻进速度大大降低了钻井效率，增加了钻井成本。
当前石油钻井中使用最多的是牙轮钻头、PDC钻头以及复合钻头，常规PDC钻头在均质松软地层中钻进时，具有机械钻速快，寿命长，进尺多等特点，但到深部复杂地层的适应性较差，机械钻速虽高但不稳定，切削齿容易发生冲击损坏和高温磨损现象，造成钻头损坏，使用寿命短；而牙轮钻头的破岩方式造成它的破岩效率低，轴承寿命短等缺点。随着油气勘探工作逐渐向深井、超深井转移，岩石的可钻性变得越来越差，常规钻头都面临寿命短，效率低，起下钻频繁等问题。
激光破岩是近年来兴起的一项新技术，激光直接破岩的基本原理是，利用高能激光束使岩石基质材料局部快速加热，由固态瞬间相变到热熔和汽化状态，并形成气液固多相混合物，然后利用辅助工具带走。利用激光破岩的特定效应发展激光辅助机械破岩是目前激光钻井技术的发展方向。为解决在深井、超深井以及复杂地层时，频繁起下钻导致的较高的钻井成本与较低的钻井效率等问题，提出了一种激光-水射流联合钻井装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种激光-水射流联合钻井装置用于油气资源以及地热能钻探开采，解决在深井、超深井以及复杂地层时，频繁起下钻导致的较高的钻井成本与较低的钻井效率的问题。
本发明采用的技术方案是：
本发明一种激光-水射流联合钻井装置，主要由钻杆、钻铤、钻头、光纤、清洁水管道、光纤保护管、光束整形装置、光束整形装置外壳、水导激光束通道、激光头、钻头流道组成，钻杆内设有光纤保护管和清洁水管道，光纤保护管内设有光纤，清洁水在光纤保护管与清洁水管道之间的环形通道流动，钻井液在清洁水管道与钻杆之间的环形通道流动,通过设置光纤保护管和清洁水管道，实现不同液体的分离同时保护光纤。
钻头中心上半部分截面为V型，便于清洁水的汇聚，增加清洁水的压力。
钻头中心下半部分为水导激光束通道，用于激光与清洁水的结合形成水导激光束。
光束整形装置外壳安装在光束整形装置外侧，隔离清洁水，保护光束整形装置。
光束整形装置以及光束整形装置外壳固定在钻铤内部，便于激光的稳定传输。
当进行钻进作业时，机械钻头的钻进、激光产生的热载荷、清洁水的空化作用、高速水流喷射同时破坏岩石；清洁水一方面作为激光传输介质，另一方面可以结合水导激光束通道在空间上的限制防止钻井过程中产生的岩石碎屑进入光束整形装置。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.联合激光、高速水流、机械钻头破岩，所需的钻压更低从而降低钻具的磨损，产生更高的钻进速度，提高钻井效率；
2.通过在钻杆内部设置光纤保护管和清洁水管道，实现光纤、清洁水以及钻井液的分隔；
3.钻头中心截面为V型，便于清洁水的汇聚，增加清洁水的压力来防止岩石碎屑进入到光束整形装置；
4.清洁水作为激光传输介质，同时清洁水本身在激光的照射下，产生空化作用直接破岩；
5.清洁水的喷射结合水导激光束通道在空间上的限制可以防止岩石碎屑进入到光束整形装置里面，从而达到保护光束整形装置的作用，降低工具的维护要求。
附图说明
图1是本发明一种激光-水射流联合钻井装置的结构示意图。
图2是图1(A—A)剖视图。
图中：1.光纤，2.钻杆，3.清洁水管道，4.光纤保护管，5.钻铤，6.激光头，7.光束整形装置，8.光束整形装置外壳，9.钻头，10.水导激光束通道，11.钻头流道。
具体实施方式
下面结合附图和本实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种激光-水射流联合钻井装置，主要由钻杆2、钻铤5、钻头9、光纤1、清洁水管道3、光纤保护管4、光束整形装置7、光束整形装置外壳8、水导激光束通道10、激光头6、钻头流道11组成；钻杆2内设有光纤保护管4和清洁水管道3，光纤保护管4内设有光纤1，清洁水在光纤保护管4与清洁水管道3之间的环形通道流动，钻井液在清洁水管道3与钻杆2之间的环形通道流动,通过设置光纤保护管4和清洁水管道3，实现不同液体的分离同时保护光纤1。
光束整形装置外壳8安装在光束整形装置7外侧，隔离清洁水，保护光束整形装置7。
光束整形装置7以及光束整形装置外壳8固定在钻铤5内部，便于激光的稳定传输。
当进行钻进作业时，激光头6发出激光，经过光束整形装置7，清洁水在清洁水环形管道内高速流动，钻头9中心上半部分截面为V型，便于清洁水的汇聚，增加清洁水的压力。
钻头9中心下半部分为水导激光束通道10，用于激光与清洁水的结合形成水导激光束。形成的水导激光束在激光产生热能的同时，利用清洁水产生的空化作用共同破碎岩石。
钻井液在钻井液环形通道内高速流动，到达钻头9上方后，汇聚在钻头流道11口并从钻头流道11射出形成高速水流，冲击岩石表面，破坏岩石。
机械钻头的钻进、激光产生的热载荷、清洁水的空化作用、高速水流喷射同时破坏岩石；清洁水一方面作为激光传输介质，另一方面可以结合水导激光束通道10在空间上的限制防止钻井过程中产生的岩石碎屑进入光束整形装置7。

Claims (5)

1.一种激光-水射流联合钻井装置，主要由钻杆(2)、钻铤(5)、钻头(9)、光纤(1)、清洁水管道(3)、光纤保护管(4)、光束整形装置(7)、光束整形装置外壳(8)、水导激光束通道(10)、激光头(6)、钻头流道(11)组成，其特征在于：所述钻杆(2)内设有光纤保护管(4)和清洁水管道(3)，光纤保护管(4)内设有光纤(1)，清洁水在光纤保护管(4)与清洁水管道(3)之间的环形通道流动，钻井液在清洁水管道(3)与钻杆(2)之间的环形通道流动,通过设置光纤保护管(4)和清洁水管道(3)，实现不同液体的分离同时保护光纤(1)。
2.根据权利要求1所述的一种激光-水射流联合钻井装置，其特征在于：所述钻头(9)中心上半部分截面为V型，便于清洁水的汇聚。
3.根据权利要求1所述的一种激光-水射流联合钻井装置，其特征在于：钻头(9)中心下半部分为水导激光束通道(10)，激光与清洁水在此结合形成水导激光束射出。
4.根据权利要求1所述的一种激光-水射流联合钻井装置，其特征在于：所述光束整形装置外壳(8)安装在光束整形装置(7)外侧，隔离清洁水，保护光束整形装置(7)。
5.根据权利要求1所述的一种激光-水射流联合钻井装置，其特征在于：所述光束整形装置(7)以及光束整形装置外壳(8)固定在钻铤(5)内部，便于激光的稳定传输。
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