CN110094158A - 一种激光机械联合钻井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光机械联合钻井装置，它主要包括：潜油电动机、电缆、电刷滑环器、电动机主轴、钻铤、钻杆、激光发生器、光纤、激光头、一体筒下端、一体筒中端、一体筒上端、激光头保护罩、旋转壳、隔离管、单向阀、镜筒、凹镜片、平面镜片、钻头。电流通过电缆时激光发生器产生激光束，激光束沿周向分布。经过镜筒调整各光束的分布，再到达岩石表面呈圆形光斑。利用激光的热效应辅助钻头破岩，同时高压气流清理岩屑。本发明的激光机械联合破岩装置能改善纯机械破岩钻遇高研磨性的地层时效率低的情况。同时减少钻具的磨损，提高破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光机械联合钻井装置，用于强研磨性地层、难钻地层油气资源钻探开采等领域。
背景技术
随着在钻井深度增加，钻井难度越来越大，目前单纯的旋转钻井技术在钻进强研磨性地层时，机械钻速很低所导致的建井周期加长。同时钻头的冠顶易发生磨损损坏、切削齿易发生磨损和冲击损坏，需要频繁的起下钻。
研究表明，当高强度激光能量聚焦在导热系数很低的岩石上时,会导致局部岩石温度瞬间升高，产生的局部热应力可快速削弱岩石强度。若将激光引入到钻井中，可以有效降低钻头损坏提高钻井效率。
但目前受制于激光长距离传输损耗、高功率激光设备体积太大、高功率可入井工作激光器需要上千瓦电能的短板，因此开发一种地面电源为井下供电的激光辅助机械钻井的装置。
发明内容
为避免以上问题本发明提出了一种激光机械联合钻井装置：地面往井下通电缆给潜油电动机和激光发生器供电，潜油电动机为钻头提供动能激光发生器提供光能，激光加机械共同作用于岩石，高压气流吹走岩屑，保护镜片冷却破碎齿的温度。这种装置可以有效的提高钻探效率和减少钻头磨损。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种激光机械联合钻井装置，由潜油电动机、电缆、特制电缆-高压气通管、电刷滑环器、电动机主轴、钻铤、钻杆、激光发生器、光纤、激光头、激光头安装套、体筒下端、体筒中端、体筒上端、激光头保护罩、旋转壳、隔离管、单向阀、镜筒、凹镜片、平面镜片、钻头组成。钻铤内设置有高压气道与激光通道，隔离管防止激光头和镜筒粉尘污染。镜筒上的平台与体筒下端的凸台环向接触，实现镜筒的定位。体筒下端有外有螺纹与体筒中端的内螺纹配合固定，体筒下端的外螺纹为顺时针旋转。体筒上端和体筒中端是分段配合固定在钻铤内。体筒上端、体筒中端和体筒下端的轴向移动由钻头的平台和体筒上端的中心平面接触限制。激光头的数量与高压气道是数量一致，一束激光搭配一束高压气，光路在隔离管内高压气在隔离管外。高压气道内设置单向阀，单向阀安装在隔离管外并且在体筒中端内。激光头产生激光通过镜筒由镜筒上的凹镜片和平面镜片折射进入激光-高压气道到达岩石表面，高压气流吹走岩屑，保护镜片，冷却破碎齿的温度。激光发生器和潜油电动机由电缆提供电力，激光发生器的电缆设置在钻铤内跟随电动机主轴同向转动，电刷滑环安装在特制电缆-高压气通管和旋转壳内。电刷滑环与特制电缆-高压气通管固定，旋转壳与电动机主轴同角速度转动，特制电缆-高压气通管内的电缆无转动，钻铤内的电缆与电动机主轴同角速度转动。实现钻铤内的电缆无相对钻铤无转动。特制电缆-高压气通管和旋转壳有“Z”字形的间隙，避免特制电缆-高压气通管和旋转壳的相对转动，潜油电动机内密封。激光提前作用在主要破碎齿所对应的破碎区域，对岩石造成一定损伤作用，再利用钻头的切削齿机械破碎岩石。PDC钻头优选4束激光。A方向有两种实施方式第一种：4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。B方向有两种实施方式与B方向实施方式对应第一种：4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。
本发明具有以下优点：
本发明的激光机械联合钻井装置可以降低钻头在钻进强研磨性地层时钻头的磨损、增加机械钻速、避免了频繁的起下钻、延长钻头寿命、提高钻进效率。
附图说明
图1是本发明的纵剖结构示意图。
图中所示：1-钻头、2-激光-高压气道、3-镜筒、4-钻铤、5-隔离管、6-激光头安装套、7-激光发生器、8-潜油电动机、9-特制电缆-高压气通管、10-电缆、11-电动机主轴、12-激光头保护罩、13-激光道、14-高压气道、15-单向阀、16-突变段、17-电刷滑环器、18-光纤、19-激光头、20-主要切削齿、21-旋转壳、22-钻杆、23-体筒下端、24-体筒中端、25-凹镜片、26-平面镜片、27-体筒上端、28-激光发生器保护壳。
图2是本发明实施例中的局部放大纵向剖视结构示意图；
图3是本发明实施例中的局部放大纵向剖视结构示意图。
图中所示：用椭圆表示特制电缆-高压气通管(9)和旋转壳(21)有“Z”字形的间隙。
图4是本发明的A,B方向的横向剖视图。
图中所示：A方向有两种实施方式第一种：4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。
图中所示：图中B方向有两种实施方式与B方向实施方式对应第一种：
4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“中”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
以下参照附图及具体实施例对本发明的一种激光机械联合钻井装置做进一步说明。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1所示，钻铤4内留有安装体筒下端23、体筒中端24、体筒上端27的定位面，高压气在体筒内设置的环形通道里流动。激光发生器7、光纤18与镜筒3安装在激光发生器保护壳28、隔离管5上，隔离管5外安装单向阀15。激光发生器保护壳28、隔离管5和镜筒3设计为整体，将其安装在体筒下端23、体筒中端24、体筒上端27内。并由体筒下端23旋紧在体筒中端24上。在把体筒放置在钻铤4内固定并连接电缆10。将钻铤4接在电动机主轴11的接口上，同时电缆10连接电刷滑环器17，电刷滑环器17固定在特制电缆-高压气通管9的凸台面上。电刷滑环17与特制电缆-高压气通管9固定，旋转壳21与电动机主轴11同角速度转动，特制电缆-高压气通管内9的电缆10无转动，钻铤4内的电缆10与电动机主轴11同角速度转动。实现钻铤内的电缆10无相对钻铤4无转动。特制电缆-高压气通管9和旋转壳21有“Z”字形的间隙，避免特制电缆-高压气通管9和旋转壳21的相对转动，潜油电动机8内密封。高压气从钻杆22内孔进入旋转壳21和特制电缆-高压气通管9组成的环形空间，高压气是由特制电缆-高压气通管9和电刷滑环器17固定的凸台内设计的孔流入，为电刷滑环器17降温，同时也为潜油电动机8降温。钻铤4内的激光发生器7、激光头19产生的内能传递到体筒下端23、体筒中端24、体筒上端27的外壁由钻铤4内的高压气带走，钻铤4内的高压气是从电动机主轴11内孔传入，经体筒下端23、体筒中端24内的定位凸台内的孔流动。激光提前作用在主要破碎齿所对应的破碎区域，对岩石造成一定损伤作用，再利用钻头的主要破碎齿机械破碎岩石。PDC钻头优选4束激光。图4是本发明的A,B方向的横向剖视图,图中所示：
A方向有两种实施方式第一种：4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。图中B方向有两种实施方式与B方向实施方式对应第一种：4个气孔和4个激光通孔。第二种：6个气孔和6个激光通孔。潜油电动机8内充满变压器油，电动机主轴11位于潜油电动机8位于发动机和钻铤4间，它将潜油电动机8的扭矩通过电动机主轴11、钻铤4传递给钻头1。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种激光机械联合钻井装置，主要由潜油电动机(8)、电缆(10)、特制电缆-高压气通管(9)、电刷滑环器(17)、电动机主轴(11)、钻铤(4)、钻杆(22)、激光发生器(7)、光纤(18)、激光头(19)、激光头安装套(6)、体筒下端(23)、体筒中端(24)、体筒上端(27)、激光头保护罩(12)、旋转壳(21)、隔离管(5)、单向阀(15)、镜筒(3)、凹镜片(25)、平面镜片(26)、钻头(1)组成；其特征在于：钻铤(4)内设置有高压气道(14)与激光通道(8)，隔离管(5)设计在激光头(19)和镜筒(3)外，钻头内的激光-高压气道(2)有突变段(16)。
2.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：镜筒(3)上的平台与体筒下端(27)的凸台环向接触，体筒下端(27)有外有螺纹与体筒中端(24)的内螺纹配合固定，体筒下端(27)的外螺纹为顺时针旋转。
3.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：体筒上端(23)和体筒中端(24)是分段配合固定在钻铤(4)内，体筒上端(23)、体筒中端(24)和体筒下端(27)的轴向位移由钻头的平台和体筒上端(23)的中心平面限制。
4.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：激光头(19)的数量与高压气道(14)是数量一致，一束激光搭配一束高压气，光路在隔离管(5)内高压气在隔离管(5)外，高压气道(14)内设置单向阀(15)，单向阀(15)安装在隔离管(5)外并且在体筒中端(24)内。
5.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：激光头(19)产生激光通过镜筒(3)由镜筒(3)上的凹镜片(25)和平面镜片(26)折射进入激光-高压气道(2)，同时高压气体与激光到达岩石表面。
6.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：激光发生器(7)和潜油电动机(8)由电缆(10)提供电力，激光发生器(7)的电缆设置在钻铤(4)内跟随电动机主轴(11)同向转动，电刷滑环(17)安装在特制电缆-高压气通管(9)和旋转壳(21)内。电刷滑环(17)与特制电缆-高压气通管(9)固定，旋转壳(21)与电动机主轴(11)同角速度转动，特制电缆-高压气通管(9)内的电缆(10)无转动，钻铤(4)内的电缆(10)与电动机主轴(11)同角速度转动。
7.根据权利要求6所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：特制电缆-高压气通管(9)和旋转壳(21)有“Z”字形的间隙，避免特制电缆-高压气通管(9)和旋转壳(21)的相对转动，潜油电动机(8)内密封。
8.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：激光提前作用在主要破碎齿(20)所对应的破碎区域；PDC钻头优选4束激光。
9.根据权利要求1所述的一种激光机械联合钻井装置，其特征在于：高压气从钻杆(22)内孔进入旋转壳(21)和特制电缆-高压气通管(9)组成的环形空间，高压气是由特制电缆-高压气通管(9)和电刷滑环器(17)固定的凸台内设计的孔流入；钻铤(4)内的激光发生器(7)、激光头(19)产生的内能传递到体筒下端(23)、体筒中端(24)、体筒上端(27)的外壁由钻铤(4)内的高压气带走，钻铤(4)内的高压气是从电动机主轴(11)内孔传入，经体筒下端(23)、体筒中端(24)内的定位凸台内的孔流动。
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