CN111379523A - 一种激光钻井装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是激光钻井装置，这种激光钻井装置包括地面部分和地下部分，在地面之下的井筒中，联通的导管由地面向下延伸到井筒内并达到井筒的底部，导管内安装随钻测量导向仪器和激光器，电缆向下伸入到井筒内并分别与随钻测量导向仪器和激光器连接，导管与井筒之间的环形空腔内安装有稳定器；地面井口处安装有套管头，导管穿过套管头连接到气体压缩增压站的出气孔，形成进气通道；井筒通过表层套管与套管头连接，套管头与另外的导管连接，该导管经除砂器、除尘器、液气分离器后连接到气体压缩增压站的进气孔，形成排尘净化增压的循环通道。本发明钻速快，节省钻井周期，提高钻井效益。
Description
一、技术领域：
本发明涉及的是在石油天然气工程领域中的钻井装置，具体涉及的是利用高能激光瞬间融化深部地层岩石的激光钻井装置。
二、背景技术：
深部地层钻井和地面岩石钻孔技术，主要是通过硬质材料破碎软质材料来实现的，这种破岩技术通常被称为常规机械钻井技术。岩石破碎技术主要是通过破岩工具的旋转、冲击、剪切等运动方式展开。这些破岩方法在破碎地层岩石并获得一定机械钻速的过程中，会发生工具的自身磨损，造成大量的工具消耗。在1000m以下的深部地层，尤其是遇到特殊的高研磨、高可钻性地层，工具的消耗量十分巨大。工具成本往往会占钻井成本的10%以上。当前，我国基础工业发展十分迅速，对石油天然气资源需求量逐年增加。这进一步促进石油勘探开发向3000m以下的深部地层发展，而对于塔里木、准葛尔、土哈和柴达木等西部地区，钻井深度多在4000米以上。在这些深部地层钻井，工具成本增加十分明显，往往达到总钻井成本的20%以上。
三、发明内容：
本发明的目的是提供激光钻井装置，它用于解决常规钻井机械技术钻速低下，钻井工具耗损严重，成本高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种激光钻井装置包括地面部分和地下部分，在地面之下的井筒中，联通的导管由地面向下延伸到井筒内并达到井筒的底部，导管内安装随钻测量导向仪器和激光器，电缆向下伸入到井筒内并分别与随钻测量导向仪器和激光器连接，导管与井筒之间的环形空腔内安装有稳定器；地面井口处安装有套管头，导管穿过套管头连接到气体压缩增压站的出气孔，形成进气通道；井筒通过表层套管与套管头连接，套管头与另外的导管连接，该导管经除砂器、除尘器、液气分离器后连接到气体压缩增压站的进气孔，形成排尘净化增压的循环通道。
上述方案中除砂器为振动筛，用于除掉上返气体中的石英沙粒等大颗粒固相物质。
上述方案中除尘器为离心机，用于分离上返气体中如灰尘等小颗粒的固相物质。
上述方案中回收站为方形、圆形储物装置，用于盛载分离出来的固相、液相物质。
上述方案中气体压缩增压站由空气压缩机组和增压机组构成，用于给二氧化碳、氮气气源提供高压压力。
上述方案中地面上的导管为金属管柱，用于循环高压气体及上返气体。
上述方案中井筒中的导管为连续管或钻杆，也可以是耐高温，且具有一定强度和柔度的其他材料管柱，用于将高压气体传输到远离激光器的位置，并将井底融化烧毁的岩石携带到地面，在高压不可燃气体的冷却作用下，远离井底进入到环空空间的熔岩或高温粉尘迅速冷却，并形成固相颗粒等，并携带到地面。
有益效果：
1、本发明激光钻井装置钻速快，节省钻井周期，提高钻井效益。
激光钻井过程中，用高能激光将地层岩石融化或烧毁，其破岩速度是常规钻井速度的10~100倍，当前深部地层常规压力钻井机械钻速十分慢，且钻头使用量大，起下钻工序频繁，钻井周期长，其主要原因是受地应力、地层压力及常规钻井技术特点的影响，而使用激光钻井则没有这些局限，所以可大大提高钻井速度，缩短钻井周期，减少钻井成本。
2、激光钻井为无机械寿命钻井，不需要钻头等消耗部件，降低钻井成本。
当前常规钻井，主要使用钻头等硬质材料来破碎软质地层，来实现钻井目的。这些破岩方法在破碎地层岩石并获得一定机械钻速的过程中，会发生工具的自身磨损，造成大量的工具消耗。在激光钻井过程中，不需要激光器等破岩元件与地层直接接触，而是使用高能激光融化或烧毁地层岩石，不存在破岩主体磨损等问题。
3、激光钻井在井壁上形成类琉璃的或陶瓷釉面的坚硬的井壁，有效防止井下复杂现象的发生几率，节省下套管层次等钻井设备使用。
当高能激光融化或烧毁地层岩石后，井筒中熔岩和粉尘被高压高速气体携带走后，冷却后的井壁会形成具有一定厚度的类琉璃的或陶瓷釉面的坚硬的井壁。这种井壁具有很高的稳定性，解决了常规钻井的井壁稳定问题，不需要下套管，而且也不会发生卡钻、钻井液压裂地层等井下事故，所以可大大降低成本和提高钻速。
四、附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
1井筒 2导管 3除砂器 4除尘器 5气体压缩增压站 6电站 7电缆 8套管头 9导管 10稳定器 11随钻测量导向仪器 12激光器 13回收站 14液气分离器。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，这种激光钻井装置包括地面部分和地下部分，地下部分主要是安装在井筒内的钻井装置，地面部分是为地下钻井装置供电、提供高压气体及对井底熔岩或粉尘进行处理的装置。如图1所示，在地面之上井口中安装套管头8，用于保持井筒1内部封闭，以便实现气体循环。在井筒1的地表深度下一根套管，套管为常规套管，长度100-200m左右。导管2向下伸入到井筒1内并延伸到井筒1的底部，该导管2为连续管或钻杆，也可以是耐高温，且具有一定强度和柔度的其他材料管柱，用于将高压气体传输到远离激光器12的位置，并将井底融化烧毁的岩石携带到地面，在高压不可燃气体的冷却作用下，远离井底熔岩或高温粉尘迅速冷却，形成固相颗粒等，并携带到地面。导管2安装随钻测量导向仪器11和激光器12，电缆7向下伸入到井筒1内并分别与随钻测量导向仪器11和激光器12连接，导管2与井筒1之间的环形空腔内安装有稳定器10，稳定器10为金属或耐高温材料（如陶瓷等），用于使导管2保持在井筒1中心。电缆7连接到电站6，电站6为激光设备提供必要的电源能量。
地面井口处安装有套管头8，井筒内的导管2连接到套管头8并穿过套管头8后，与地面上的导管9连接成一体，地面上的导管9连接到气体压缩增压站5的出气孔，形成进气通道，该导管9为金属管柱，用于循环高压气体，来自气体压缩增压站5的高压气体从该导管9进入井筒1内的导管2，将井底融化烧毁的岩石或高温粉尘迅速冷却，并形成固相颗粒等，并经井筒1与导管2之间的环形空间携带到地面。
井筒1与套管头8连接，套管头8又与另外的导管连接，该导管经除砂器3、除尘器4、液气分离器14后连接到气体压缩增压站5的进气孔，形成排尘净化循环通道，被气体携带到地面的冷却后的碎岩及粉尘经除砂器3、除尘器4、液气分离器14后，被分离出去，干净的气体再次进入气体压缩增压站5被压缩增压进行下一个循环。套管头8为常规套管头，用于连接四通。
本发明中除砂器3为振动筛，用于除掉上返气体中的石英沙粒等大颗粒固相物质。除尘器4为离心机，用于分离上返气体中小颗粒的固相物质。气体压缩增压站5由空气压缩机组和高压泵站组成，用于给分离气体和二氧化碳、氮气气源提供高压压力。
本发明中随钻测量导向仪器11为随钻测量系统，用于确定井筒1当前的井斜、方位参数，并控制井底设备的井斜、方位等参数，随钻测量导向仪器11为公知技术，它包括井上部分和井下仪器测量部分，井下仪器测量部分下入到井内与导管相连的定向短节之内，电缆与井下仪器连接，给电缆通电即可测量井筒1当前的井斜、方位等参数。激光器12为一个或多个大功率激光发射装置组成，用于将电能转化为高能激光，用于融化地层岩石。
本发明还设计有回收站13，回收站13分别与除砂器3、除尘器4连接，回收站13为方形、圆形储物装置，用于盛载分离出来的固相、液相物质。
一口井的钻井过程从确定井位到钻井，按其顺序可分为三个阶段，即地质勘查、井身结构设计和钻进过程。上述激光钻井装置的钻井方法：
1）石油勘探和开发过程是由许多不同性质、不同任务的阶段组成的。在不同的阶段中，钻井的目的和任务也不一样。首先要了解井位的区域地质概况，地理及环境资料等。
2）根据临井资料，确定地层、油气水及岩性矿物、物性等资料。对具有高压油气水层的开发区块，建议避免使用激光钻井工艺，而改用常规钻井工艺。由于激光钻井井筒1内压力较低，钻遇高压油气水层时，易产生井涌、井喷等复杂的井下事故。
3）根据地质资料，设计当前井的井身结构及确定实现的钻井目的。
4）根据井的深浅、设备的类型及设计要求来平整场地，安装钻井设备。
5）应用激光钻井装置进行一开钻进。当钻进深度达到200m左右时，停止钻进，上提井下钻具，下表层套管，固水泥，安装井口装置。
6）下放井下钻具，开始二开钻进，根据井身结构控制导向仪器，实现钻直井和定向井。
7）在钻进过程中，如遇到高压油气水层，出现溢流等情况，立即停止钻进，并根据常规钻井的关井程序进行相应关井操作，并处理。
8）对高压油气水层下套管进行封堵及固井工序，并继续钻进，直到实现钻井目的。
Claims (7)
1.一种激光钻井装置，其特征在于：这种激光钻井装置包括地面部分和地下部分，在地面之下的井筒（1）中，联通的导管（2）向下伸入到井筒（1）内并延伸到井筒（1）的底部，导管（2）内安装随钻测量导向仪器（11）和激光器（12），电缆（7）向下伸入到井筒（1）内并分别与随钻测量导向仪器（11）和激光器（12）连接，导管（2）与井筒（1）之间的环形空腔内安装有稳定器（10），地面井口处安装有套管头（8），导管（2）穿过套管头（8）连接到气体压缩增压站（5）的出气孔，形成进气通道；井筒（1）通过表层套管与套管头（8）连接，套管头（8）与另外的导管连接，该导管经除砂器（3）、除尘器（4）、液气分离器（14）后连接到气体压缩增压站（5）的进气孔，形成排尘净化循环通道。
2.根据权利要求1所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的除砂器（3）为振动筛。
3.根据权利要求1所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的除尘器（4）为离心机。
4.根据权利要求1所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的气体压缩增压站（5）由空气压缩机组和高压泵站组成。
5.根据权利要求1所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的地面上的导管为金属管柱。
6.根据权利要求1所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的井筒（1）中的导管（2）为连续管或钻杆，也可以是耐高温，且具有一定强度和柔度的管柱。
7.根据权利要求2或3所述的激光钻井装置，其特征在于：所述的除砂器（3）、除尘器（4）分别与回收站（13）连接，回收站（13）为方形或圆形储物装置。
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