CN109236179B - 一种激光辅助钻井试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光辅助钻井试验装置及其使用方法，属于石油开采技术领域，所述试验装置包括机械钻井机构、激光辅助组件和保护组件，所述机械钻井机构包括驱动组件和动作组件，所述动作组件沿着钻井的轴向设置，其末端连接有钻头，所述动作组件及钻头内部均留有空腔以形成直线式通道，所述钻头与工作面接触的一侧留有正对通道的夹缝，所述激光辅助组件输出的激光束及保护组件输出的压缩空气均依次经通道、夹缝输出至工作面处，本发明将激光辅助组件集成于机械钻井机构内部，结构新颖且紧凑，降低安装空间要求，激光束与钻头配合，提高了钻井效率和质量，降低了钻井难度，适合在钻井行业内推广应用。

Description

一种激光辅助钻井试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于石油开采技术领域，具体地说涉及一种激光辅助钻井试验装置及其使用方法。

背景技术

在石油勘探和开采中，对于深层油气田的开发需求逐渐增加，对钻井技术的要求也越来越高。自20世纪初旋转钻井取代传统的顿钻钻井，实现石油钻井第一次革新以来，钻井方式一直并无较大变革，仅是通过利用新材料和改进结构设计来提高钻头的性能，以提高钻遇坚硬岩石地层时的钻速，但旋转钻进方式依然是依靠高钻压、高扭矩、高转速来增大机械钻速。

随着激光束-机械钻井技术的提出，通过激光束对岩石冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性，再利用机械破岩，这就可以大大提高钻井破岩效率。这种方法不需要太大的激光束能量，可以大幅降低激光束能耗，同时又能显著提高破岩效率，降低钻井成本，满足现有的钻井工艺要求。激光束-机械钻井无疑是未来钻井发展的方向，较之常规钻井具有无可比拟的优势，有望给钻井带来一场革命。目前来说，激光束-机械钻井技术利用现有的机械钻井平台增加激光辅助系统来实现，其应用于实际的石油开采钻井还存在较大的技术难度，主要还是在实验室进行模拟实验。

发明内容

针对现有技术的种种不足，发明人对机械钻井机构的原有结构进行改进，并将激光辅助组件集成于机械钻井机构内部，提出一种结构紧凑且能实现高效钻井的激光辅助钻井试验装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光辅助钻井试验装置，包括：

机械钻井机构，其包括传动连接的驱动组件和动作组件，所述动作组件沿着钻井的轴向设置，其末端连接有钻头，所述动作组件及钻头内部均留有空腔以形成直线式通道，所述钻头与工作面接触的一侧留有正对通道的夹缝；

位于通道内的激光辅助组件，其用于输出激光束并将激光束沿着通道经夹缝传输至工作面处，所述激光束的光轴与通道的中心轴重合；

以及用于输出压缩空气的保护组件，其位于动作组件外侧且与动作组件相连通，压缩空气依次经通道、夹缝输出至工作面处。

进一步，所述动作组件包括均呈筒状结构的转轴和转筒，所述转轴的一端为自由端，其另一端与转筒固连，所述转筒的末端连接钻头，所述转轴的自由端内部设有窗口镜，其侧壁上设有入气口。

进一步，所述激光束的光斑直径为d，所述转轴的内径为d₁，所述转筒的内径为d₂，且d<d₁<d₂。

进一步，所述驱动组件包括电机、主动齿轮和减速箱，所述减速箱内设有从动齿轮，且从动齿轮套设在转轴的外围，所述主动齿轮位于电机的输出端，且其与从动齿轮相啮合。

进一步，所述激光辅助组件包括激光输出头和整形镜组，所述激光输出头位于转轴的自由端外侧，且其正对窗口镜设置，所述整形镜组位于转筒内部。

进一步，所述整形镜组通过压圈与转筒的内壁连接，且整形镜组与压圈之间留有供压缩空气流通的间隙。

进一步，所述整形镜组包括用于对激光束进行扩束的第一光学镜和用于对激光束进行聚焦的第二光学镜，所述第一光学镜和第二光学镜表面均镀有激光增透膜。

进一步，所述保护组件为气体滑环，所述气体滑环设于转轴的外围，且气体滑环与转轴通过入气口连通，所述气体滑环外接压缩空气源。

进一步，所述激光束为准直平行的连续激光或者脉冲激光。

另，本发明还提供一种激光辅助钻井试验装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：压缩空气从保护组件进入通道，然后从夹缝输出至工作面处；

S2：驱动组件带动钻头旋转，位于钻头上的钻齿对工作面处的岩石进行切削；

S3：激光辅助组件输出激光束，激光束经夹缝输出并对工作面处的岩石进行预破碎；

S4：激光束与钻头相互配合完成激光辅助机械钻井实验。

本发明的有益效果是：

将激光辅助组件集成于机械钻井机构内部，结构新颖且紧凑，降低安装空间要求，经整形镜组进行光学整形的激光束与钻头配合，提高了钻井效率和质量，降低了钻井难度，适合在钻井行业内推广应用，同时，在钻井过程中向工作面冲入压缩空气，既能有效防止钻井过程中产生的粉尘和石渣对动作组件内部光学元件的损坏，又能带走钻井产生的石屑，起到排屑作用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是转轴结构示意图；

图3是整形镜组结构示意图。

附图中：1-电机、2-主动齿轮、3-从动齿轮、4-减速箱、5-转轴、6-转筒、7-钻头、8-第一钻齿、9-第二钻齿、10-激光传输光缆、11-激光输出头、12-激光束、13-固定筒、14-整形镜组、15-第一光学镜、16-第二光学镜、17-气体滑环、18-压缩空气、19-工作面、20-夹缝、21-窗口镜、22-入气口、23-压圈、24-间隙。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种激光辅助钻井试验装置，包括机械钻井机构、激光辅助组件和保护组件，其中，激光辅助组件用于输出激光束12，保护组件用于输出压缩空气18。

所述机械钻井机构包括传动连接的驱动组件和动作组件，所述动作组件沿着钻井的轴向设置，驱动组件可带动动作组件沿着钻井的径向旋转。所述驱动组件包括电机1、主动齿轮2和减速箱4，所述减速箱4内设有从动齿轮3，所述主动齿轮2位于电机1的输出端，且其与从动齿轮3相啮合。所述动作组件包括均呈筒状结构的转轴5和转筒6，所述转轴5的一端为自由端，其另一端与转筒6固连，也就是说，转轴5和转筒6内部均留有空腔。所述转筒6的末端连接钻头7，所述钻头7内部亦留有空腔，位于转轴5、转筒6和钻头7内部的空腔形成直线式的用于激光束12传输及压缩空气18流通的通道。同时，从动齿轮3套设在转轴5的外围，启动电机1，即可带动转轴5、转筒6和钻头7旋转，且转速为x，60转/分钟<x<1000转/分钟。如图2所示，所述转轴5的自由端内部设有窗口镜21，其侧壁上设有入气口22，窗口镜21既能透射激光束12，又能对通道进行密封。

所述钻头7与工作面19接触的一侧留有正对通道的夹缝20，激光束12及压缩空气18经夹缝20输出至工作面19，同时，钻头7上的钻齿由夹缝20划分为第一钻齿8和第二钻齿9，伴随着钻头7旋转，第一钻齿8和第二钻齿9对工作面19出的岩石进行切削。

所述激光辅助组件位于通道内，其包括激光输出头11和整形镜组14，所述激光输出头11位于转轴5的自由端外侧，且其正对窗口镜21设置，激光输出头11与激光传输光缆10连接，激光束12经过激光传输光缆10进行传输，然后经过激光输出头11输出，最后经窗口镜21进入通道内部，所述激光束12为准直平行的连续激光或者脉冲激光，其光轴与通道的中心轴重合，同时，所述激光束12的光斑直径为d，所述转轴5的内径为d₁，所述转筒6的内径为d₂，且d<d₁<d₂。此外，激光输出头11通过固定筒13固定于减速箱4的顶部。

所述整形镜组14位于转筒6内部，如图3所示，所述整形镜组14通过压圈23与转筒6的内壁连接，且整形镜组14的外围与压圈23之间留有供压缩空气18流通的间隙24。所述整形镜组14包括用于对激光束12进行扩束的第一光学镜15和用于对激光束12进行聚焦的第二光学镜16，所述第一光学镜15和第二光学镜16表面均镀有激光增透膜，本实施例中，第一光学镜15为凹透镜，第二光学镜16为凸透镜。

所述保护组件位于动作组件外侧且与动作组件相连通，本实施例中，所述保护组件为气体滑环17，所述气体滑环17设于转轴5的外围，且气体滑环17与转轴5通过入气口22连通，所述气体滑环17外接压缩空气源，其顶部与减速箱4的底部连接，以增加稳定性，压缩空气18依次经气体滑环17、入气口22进入通道内部并沿着通道流通至间隙24处，最后经夹缝20输出至工作面19处。

所述激光辅助钻井试验装置的具体工作过程为：首先，压缩空气18从保护组件进入通道，然后从夹缝20输出至工作面19处；其次，驱动组件带动钻头7旋转，位于钻头7上的钻齿对工作面19处的岩石进行切削；最后，激光辅助组件输出激光束12，激光束12经夹缝20输出并对工作面19处的岩石进行预破碎，激光束12与钻头7相互配合完成激光辅助机械钻井实验。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

激光束12为连续激光，其功率为1000W，其光斑直径d＝10mm，转轴5转速为80转/分钟，转轴5的内径为d₁＝25mm，转筒6的内径为d₂＝70mm，整形镜组14到工作面19的距离为330mm，凹透镜焦长f₁＝-30mm，凸透镜焦长f₂＝300mm。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (5)

1.一种激光辅助钻井试验装置，其特征在于，包括：

机械钻井机构，其包括传动连接的驱动组件和动作组件，所述动作组件沿着钻井的轴向设置，其末端连接有钻头，所述动作组件及钻头内部均留有空腔以形成直线式的用于激光束传输及压缩空气流通的通道，所述钻头与工作面接触的一侧留有正对通道的夹缝，所述动作组件包括均呈筒状结构的转轴和转筒，所述转轴的一端为自由端，其另一端与转筒固连，所述转筒的末端连接钻头，所述转轴的自由端内部设有窗口镜，其侧壁上设有入气口；

位于通道内的激光辅助组件，其用于输出激光束并将激光束沿着通道经夹缝传输至工作面处，所述激光束的光轴与通道的中心轴重合，所述激光辅助组件包括激光输出头和整形镜组，所述激光输出头位于转轴的自由端外侧，且其正对窗口镜设置，所述整形镜组位于转筒内部，所述整形镜组通过压圈与转筒的内壁连接，且整形镜组与压圈之间留有供压缩空气流通的间隙，所述整形镜组包括用于对激光束进行扩束的第一光学镜和用于对激光束进行聚焦的第二光学镜，所述第一光学镜和第二光学镜表面均镀有激光增透膜；

以及用于输出压缩空气的保护组件，其位于动作组件外侧且与动作组件相连通，压缩空气依次经通道、夹缝输出至工作面处，在钻井过程中向工作面冲入压缩空气，既能有效防止钻井过程中产生的粉尘和石渣对动作组件内部光学元件的损坏，又能带走钻井产生的石屑，起到排屑作用，所述保护组件为气体滑环，所述气体滑环设于转轴的外围，且气体滑环与转轴通过入气口连通，所述气体滑环外接压缩空气源。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助钻井试验装置，其特征在于，所述激光束的光斑直径为d，所述转轴的内径为d₁，所述转筒的内径为d₂，且d<d₁<d₂。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助钻井试验装置，其特征在于，所述驱动组件包括电机、主动齿轮和减速箱，所述减速箱内设有从动齿轮，且从动齿轮套设在转轴的外围，所述主动齿轮位于电机的输出端，且其与从动齿轮相啮合。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种激光辅助钻井试验装置，其特征在于，所述激光束为准直平行的连续激光或者脉冲激光。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的激光辅助钻井试验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：压缩空气从保护组件进入通道，然后从夹缝输出至工作面处；

S2：驱动组件带动钻头旋转，位于钻头上的钻齿对工作面处的岩石进行切削；

S3：激光辅助组件输出激光束，激光束经夹缝输出并对工作面处的岩石进行预破碎；

S4：激光束与钻头相互配合完成激光辅助机械钻井实验。