CN111827873A - 一种激光-机械螺杆钻具组合 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钻井领域，尤其涉及一种激光‑机械螺杆钻具组合，主要包括光纤总成、连续油管、上连接室、上连接杆、轴承室、轴承组、连接器、上柔性杆、螺杆室、螺杆、下柔性杆、下连接杆、下连接室、光学整形室、推力轴承和钻头。流体经连续油管、上柔性杆进入螺杆室，驱动螺杆室绕螺杆作行星运动，带动轴承室与钻头旋转，实现机械破岩功能，最后经钻头流出装置。激光经光纤总成传输至光学整形室，经整形后从钻头中射出，作用在钻进面上，实现激光‑机械联合破岩功能。该激光‑机械螺杆钻具组合实现了激光破岩技术与螺杆钻具的结合，拓宽了激光‑机械联合破岩技术的应用范围，降低了钻井成本，提高了钻井效率。

Description

一种激光-机械螺杆钻具组合
技术领域
本发明涉及钻井领域，尤其涉及一种激光-机械螺杆钻具组合。
背景技术
随着国民经济的不断发展，对油气资源的需求不断增加，由于如今中、浅层的油气资源已经得到了较为充分的开发，开发深层油气资源因此成为了一个必然的趋势。在开采深层油气资源的过程中，由于深层岩石具有密度大、岩性致密、硬度高、研磨性强的特点，传统的旋转机械破岩方式出现了打得慢、打不动、钻具损耗严重、破岩周期长等诸多问题。且随着钻井深度的不断加深，钻杆的长度也不断延伸，若仍然采用传统的转盘式驱动，就意为着要驱动更长的钻杆与钻头一起旋转，增加了钻井过程中的不确定性，降低了钻井的效率。以上存在的这些问题，增加了开采成本，极大地阻碍了开发利用深层油气资源的步伐。油气资源开采领域迫切需要新的高效破岩技术。
激光-机械联合破岩技术是采用高能激光对井底岩石照射，释放其内应力，使岩石产生局部微裂纹及表面气化现象，提高可钻性之后，再采用机械钻头钻进的一种能实现高效破岩的前沿技术。相较于传统的机械破岩技术，激光-机械联合破岩技术具有钻速显著提高、可钻坚硬岩石、改善井壁环境的作用。
螺杆钻具自上世纪50年代中期提出以来，由于其独特的工作机理与结构，已经在石油钻井和修井方面取得了广泛的应用，相较于其它钻井方式，其特别适用于定向井、大斜度井、大位移井等特殊性能井的构建。
将激光-机械联合破岩技术与螺杆钻具结合起来，有利于利用成熟的螺杆钻具技术拓展激光-机械破岩技术的应用范围。
发明内容
为了拓展激光-机械破岩技术的应用范围，提出一种激光-机械螺杆钻具组合。通过在螺杆内部开设光路与布置连续油管的方式，使一套激光-机械螺杆钻具组合既能实现机械钻进，又能实现将激光传输到钻头上实现激光-机械联合钻进的目的。同时能够保护光纤、光学镜组等光学元件不受损伤，保证激光-机械联合破岩进程的持续进行，降低设备的维护成本。
本发明采用的技术方案是：
一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：该装置主要由光纤总成、连续油管、上连接室、上连接杆、轴承室、轴承组、单向阀、连接器、上柔性杆、螺杆室、螺杆、下柔性杆、下连接杆、下连接室、光学整形室、推力轴承和钻头组成。
所述光纤总成由光纤、保护鞘、扶正装置与外管组成，其中光纤与保护鞘之间充满液体，起到缓冲、减震作用；扶正装置能保证光纤始终处于光纤总成中间位置；保护鞘与外管可采用不锈钢管制作。
所述上连接杆上部设有连接螺纹，与上连接室底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳连续油管的放置；底部侧面设有一对流体出口，并设有单向阀，能控制装置内流体的流向；底部设有内螺纹，与上柔性杆的顶部配合。
所述上柔性杆上部设有连接螺纹，与上连接杆底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成的放置；底部设有内螺纹，与螺杆上部的螺纹配合；上柔性杆的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室绕螺杆作行星运动。
所述螺杆上部设有连接螺纹，与上柔性杆底部配合；其上的传动螺纹头数比螺杆室内的传动螺纹头数少1，保证螺杆室能绕螺杆作行星运动；底部设有内螺纹，与下柔性杆上部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成的放置。
所述下柔杆上部设有连接螺纹，与螺杆底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成的放置；底部设有外螺纹，与下连接杆上部的螺纹配合；下柔性杆的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室绕螺杆作行星运动。
所述下连接杆上部设有连接螺纹，与连接室底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成的放置；底部设有内螺纹，与光学整形室的顶部配合。
所述光学整形室的上部设有连接螺纹，与下连接杆的底部配合；内部设有镜组安放室，用以放置光学镜组，实现激光束的整形；侧面设有散热脊；底部设有推力轴承室，实现与推力轴承的配合；底部通光孔与钻头上部通光孔对准；密封性能优良，能防止流体进入镜组安放室与通光孔。
所述钻头的上部设有螺纹，与下连接室的螺纹紧密配合；钻头内部设有流道，能使流体经流道流出装置，作用在钻进面上；钻头内部设有喇叭状通光槽，能使整形后的激光充分发散，作用在钻进面上。
本发明具有以下优点：
1.通过设计光纤总成及将上连接杆、上柔性杆、螺杆、下柔性杆、下连接杆设计为中空结构，实现了光路与流体通路的分离。
2.上连接杆底部侧面开设有流体出口，出口处设有单向阀，能够防止流体回流，控制流体流向。
3.在光纤总成中，光纤位于保护鞘中，保护鞘与光纤之间充满液体，保护鞘与外管之间设有扶正装置，能够保证光纤始终位于光纤总成中间位置且防止光纤因振动发生损坏。
4.光学整形室侧面设有散热脊，增大了散热面积，能避免光学镜组因过热导致损坏；底部通光孔与钻头上部通光孔对准，能将激光准确传入钻井面；密封性优良，能防止外界流体进入光学整形室导致光学镜组损坏。
5.本发明将传统螺杆钻具与激光钻井技术结合起来，拓宽了激光-机械联合破岩技术的应用范围，提高了钻井效率，降低了钻井成本。
附图说明
图1是本发明一种激光-机械螺杆钻具组合的主视图。
图2是光纤总成的断面图。
图3是螺杆室的断面图。
图4是钻头的仰视图。
图中：1.光纤总成，101.光纤，102.保护鞘，103.扶正装置，104.外管，2.连续油管，3.连接室，4.上连接杆，5.轴承室，6.轴承组，7.单向阀，8.连接器，9.上柔性杆，10.螺杆室，11.螺杆，12.下柔性杆，13.下连接杆，14.下连接室，15.光学整形室，1501.散热脊，1502.镜组安放室，16.推力轴承，17.钻头，1701.流道，1702.通光孔，1703.通光槽。
具体实施方式
下面结合附图与本实施例对本发明作进一步说明；
如图1所示，本发明作为一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：该装置主要由光纤总成1、连续油管2、上连接室3、上连接杆4、轴承室5、轴承组6、单向阀7、连接器8、上柔性杆9、螺杆室10、螺杆11、下柔性杆12、下连接杆13、下连接室14、光学整形室15、推力轴承16和钻头17组成。
如图2所示，所述光纤总成1由光纤101、保护鞘102、扶正装置103与外管104组成，其中光纤101与保护鞘102之间充满液体，起到缓冲、减震作用；扶正装置103能保证光纤101始终处于光纤总成中心附近；保护鞘102与外管104可采用不锈钢管制作。
所述上连接杆4上部设有连接螺纹，与上连接室3底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳连续油管2的放置；底部侧面设有一对流体出口，并设有单向阀7，能控制装置内流体的流向；底部设有内螺纹，与上柔性杆9的顶部配合。
所述上柔性杆9上部设有连接螺纹，与上连接杆4底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成1的放置；底部设有内螺纹，与螺杆11上部的螺纹配合；上柔性杆9的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室10绕螺杆11作行星运动。
如图1与图3所示，所述螺杆11上部设有连接螺纹，与上柔性杆9底部配合；其上的传动螺纹头数比螺杆室10内的传动螺纹头数少1，保证螺杆室10能绕螺杆11作行星运动；底部设有内螺纹，与下柔性杆12上部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成1的放置。
所述下柔性杆12上部设有连接螺纹，与螺杆11底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成1的放置；底部设有外螺纹，与下连接杆13上部的螺纹配合；下柔性杆12的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室10绕螺杆11作行星运动。
所述下连接杆13上部设有连接螺纹，与下柔性杆12底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成1的放置；底部设有内螺纹，与光学整形室15的顶部配合。
所述光学整形室15的上部设有螺纹，与下连接杆13的底部配合；内部设有镜组安放室1502，用以放置光学镜组，实现激光束的整形；侧面设有散热脊1501；底部设有推力轴承室，实现与推力轴承16的配合；底部通光孔与钻头17上部通光孔1702对准；密封性能优良，能防止流体进入镜组安放室1502与通光孔1702。
如图1与图4所示，所述钻头17的上部设有连接螺纹，与下连接室16的螺纹紧密配合；钻头17内部设有流道1701，能使流体经流道1701流出装置，作用在钻进面上；钻头17内部设有通光孔1702和喇叭状通光槽1703，能使经光学镜组处理后的激光作用经过钻头17，作用在钻进面上。
本发明作为一种激光-机械螺杆钻具组合，其工作原理是：
当进行钻进作业时，从上方加注的流体经连续油管2依次经过上连接室3、上连接杆4、螺杆室10与下连接室16，最后经钻头17内设的流道1701流出装置，作用在钻进面上。
当流体经过螺杆室10时，流体推动螺杆室10，使螺杆室10绕螺杆11作行星运动，经连接器8带动轴承室5、下连接室16与钻头17旋转，实现机械破岩功能。
当进行钻进作业时，从上方传来的激光被光纤总成1中的光纤101传递到光学整形室15，被光学整形室15中的光学镜组整形为矩形光斑，经通光孔1702传入钻头17，最终经通光槽1703作用在钻进作用面上，实现激光-机械联合破岩。

Claims (9)

1.一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：该装置主要由光纤总成(1)、连续油管(2)、上连接室(3)、上连接杆(4)、轴承室(5)、轴承组(6)、单向阀(7)、连接器(8)、上柔性杆(9)、螺杆室(10)、螺杆(11)、下柔性杆(12)、下连接杆(13)、下连接室(14)、光学整形室(15)、推力轴承(16)和钻头(17)组成。
2.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述光纤总成(1)由光纤(101)、保护鞘(102)、扶正装置(103)与外管(104)组成，其中光纤(101)与保护鞘(102)之间充满液体，起到缓冲、减震作用；扶正装置(103)能保证光纤(101)始终处于光纤总成中心附近；保护鞘(102)与外管(104)可采用不锈钢管制作。
3.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述上连接杆(4)上部设有连接螺纹，与上连接室(3)底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳连续油管(2)的放置；底部侧面设有一对流体出口，并设有单向阀(7)，能控制装置内流体的流向；底部设有内螺纹，与上柔性杆(9)的顶部配合。
4.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述上柔性杆(9)上部设有连接螺纹，与上连接杆(4)底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成(1)的放置；底部设有内螺纹，与螺杆(11)上部的螺纹配合；上柔性杆(9)的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室(10)绕螺杆(11)作行星运动。
5.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述螺杆(11)上部设有连接螺纹，与上柔性杆(9)底部配合；其上的传动螺纹头数比螺杆室(10)内的传动螺纹头数少1，保证螺杆室(10)能绕螺杆(11)作行星运动；底部设有内螺纹，与下柔性杆(12)上部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成(1)的放置。
6.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述下柔性杆(12)上部设有连接螺纹，与螺杆(11)底部配合，内部中空，能够容纳光纤总成(1)的放置；底部设有外螺纹，与下连接杆(13)上部的螺纹配合；下柔性杆(12)的中心线与激光-机械螺杆钻具组合的中心线有一偏心距，能保证螺杆室(10)绕螺杆(11)作行星运动。
7.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述下连接杆(13)上部设有连接螺纹，与下柔性杆(12)底部的螺纹配合；内部中空，能够容纳光纤总成(1)的放置；底部设有内螺纹，与光学整形室(15)的顶部配合。
8.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述光学整形室(15)的上部设有螺纹，与下连接杆(13)的底部配合；内部设有镜组安放室，用以放置光学镜组，实现激光束的整形；侧面设有散热脊(1501)；底部设有推力轴承室，实现与推力轴承(16)的配合；底部通光孔与钻头(17)上部通光孔(1702)对准；密封性能优良，能防止流体进入镜组安放室(1502)与通光孔(1702)。
9.根据权利要求1所述的一种激光-机械螺杆钻具组合，其特征在于：所述钻头(17)的上部设有连接螺纹，与下连接室(16)的螺纹紧密配合；钻头(17)内部设有流道(1701)，能使流体经流道流出装置，作用在钻进面上；钻头(17)内部设有通光孔(1702)和喇叭状通光槽(1703)，能使经光学镜组处理后的激光作用经过钻头(17)，作用在钻进岩石表面上。
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