CN112523687A - 一种激光-机械钻井系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井领域，尤其涉及一种激光‑机械钻井系统，主要由供电设备、压缩机、冷却装置、激光发生设备、光纤总成、卷筒、连续油管、注入头、激光‑机械井下钻具组合、供气管、井口装置、废物收集罐、除砂器、气体净化器、储气罐组成。钻井过程中，激光发生设备产生高能激光，通过光纤总成传入激光‑机械井下钻具组合，经整形后作用在钻进面岩石上，实现激光‑机械联合破岩功能。压缩机将气体送入激光‑机械井下钻具组合，驱动其旋转，井眼上返气体经过净化处理后返回储气罐，实现气体的循环使用。通过设计该激光‑机械钻井系统，提高了钻进速度，降低了钻压与扭矩，延长了钻具寿命。
Description
技术领域
本发明涉及油气钻井新方法、新技术领域，尤其涉及一种激光-机械钻井系统。
背景技术
随着我国油气勘探开发工作逐渐向深井、超深井发展，岩石可钻性变差。现有的传统机械钻井方式在深层、超深层等地层打不动，打得慢，钻头损坏严重，起下钻频繁，导致钻井成本急剧增加。虽然目前针对上述问题，研发了一些提速工具，但提速能力有限，不能满足高效、低成本钻井的需要。
激光-机械破岩联合破岩是一种利用激光对岩石产生冲击损伤和热损伤作用，使岩石软化并产生一定程度的损伤破坏，同时岩石的内应力得到一定释放，再通过机械钻头的冲击、刮切等机械复合作用，实现钻井高效破岩的一种新的钻井破岩前沿技术。相比常规破岩技术，该技术在提速、降低钻压和扭矩、延长钻具寿命、降低钻井成本有着无可比拟的优势。因此激光机械联合破岩技术有望满足钻井提速、安全生产和节能降耗等方面的多重需求，能为加快油气勘探开发速度，保障国家能源安全提供有力的新技术支撑，有望成为钻井工程领域主要发展方向之一。
为解决传统机械钻井方法在深层、超深层钻井过程中存在的打不动、打得慢、钻具磨损严重等问题，将激光-机械联合破岩技术应用于工程实践，设计出了一种激光-机械钻井系统。
发明内容
针对深井、超深井钻井过程中传统机械钻井方法打不动、打得慢、钻具磨损严重等问题，本发明提出了一种激光-机械钻井系统。
本发明采取的技术方案是：
一种激光-机械钻井系统，其特征在于：该装置主要由供电设备、压缩机、冷却装置、激光发生设备、光纤总成、卷筒、连续油管、注入头、激光-机械井下钻具组合、供气管、井口装置、废物收集罐、除砂器、气体净化器、储气罐组成。供电设备与压缩机、冷却装置和激光发生设备相连；压缩机入口接储气罐，出口接卷筒；冷却设备连接压缩机与激光发生设备；激光发生设备通过光纤总成接卷筒；井口装置回收管线接除砂器入口；除砂器排砂口接废物收集罐，其气体出口接气体净化器入口；气体净化器出口接储气罐入口。
所述供电设备为压缩机、冷却装置及激光发生设备提供电能。
所述压缩机工作时抽吸储气罐中的钻井用气，压缩气体由供气管排出，经卷筒进入连续油管，为激光-机械井下钻具组合提供旋转动力。
所述冷却装置工作过程中冷却压缩机与激光发生设备，保证压缩机和激光发生设备在钻井过程中能持续安全工作。
所述激光发生设备产生激光-机械联合破岩所需的高能激光，高能激光经光纤总成导出。
所述光纤总成包括光纤与保护鞘，光纤将激光发生设备产生的高能激光传入井下，供激光-机械联合破岩所用；保护鞘保护光纤不被损坏，并分隔光路与气路。
所述卷筒储存连续油管，卷筒轴上所设的光学滑环能将高能激光自卷筒外导入连续油管中的光纤总成中。
所述连续油管为激光-机械井下钻具组合提供压缩气体，连续油管末端连接激光-机械井下钻具组合。
所述注入头位于井口装置正上方，工作过程中夹紧连续油管，随着井眼的延伸不断将连续油管送入井眼中，并为激光-机械井下钻具组合提供钻压。
所述激光-机械井下钻具组合主要由光学镜组、激光-机械钻头与螺杆钻具组成。激光-机械井下钻具组合中设有光学镜组，能将激光束整形成所需的光斑形状，在钻井过程随着激光-机械钻头的旋转，作用在井底岩石上，削弱井底岩石的强度；螺杆钻具被压缩气体驱动，带动激光-机械钻头旋转，不断破坏井底岩石，延伸井眼长度。从激光-机械钻头流出的压缩气体携带岩屑离开井底，保证钻井的持续进行，同时也起冷却、清洁激光-机械钻头的作用。
所述供气管将压缩气体从压缩机输送至卷筒。
所述井口装置放置于井口，控制井口压力，保障钻井过程的安全进行，并将井眼上返气体引入除砂器中。
所述废物收集罐收集除砂器排出的固相废物，便于集中处理。
所述除砂器被设计用来对井眼上返气体进行初步净化。
所述气体净化器被设计用来对井眼上返气体进行进一步的净化。
所述储气罐用于储存钻井用气，同时也起着减小钻井过程中气体脉动的作用；钻井用气优选氮气、二氧化碳等惰性气体。
本发明具有的优点是：
1.通过设计光纤总成，实现了光路与气路的分离，保障了高能激光与钻井用气供应的持续性。
2.通过在存储连续油管的卷筒上设计光学滑环，实现了顺利的将高能激光送入连续油管中的目的。
附图说明
图1是激光-机械钻井系统的结构示意图。
图2是钻井过程中，连续油管的断面图。
图中：
1.废物收集罐，2.除砂器，3.气体净化器，4.储气罐，5.压缩机，6.冷却装置，7.供电设备，8.激光发生设备，9.光纤总成，901保护鞘，902光纤，10.供气管，11.卷筒，1101.光学滑环，12.连续油管，13.注入头，14.井口装置，15.激光-机械井下钻具组合，1501光学镜组，1502激光-机械钻头，1503螺杆钻具。
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，一种激光-机械钻井系统，其特征在于：该装置主要由供电设备7、压缩机5、冷却装置6、激光发生设备8、光纤总成9、卷筒11、连续油管12、注入头13、激光-机械井下钻具组合15、供气管10、井口装置14、废物收集罐1、除砂器2、气体净化器3、储气罐4组成。供电设备7与压缩机5、冷却装置6和激光发生设备8相连；压缩机5入口接储气罐4，出口接卷筒11；冷却设备6连接压缩机5与激光发生设备8；激光发生设备8通过光纤总成9接卷筒11；井口装置14回收管线接除砂器2入口；除砂器2排砂口接废物收集罐1，其气体出口接气体净化器3入口；气体净化器3出口接储气罐入口4。
如图1和图2所示，所述的光纤总成9包括保护鞘901与光纤902；所述的卷筒11的轴上设有光学滑环1101；所述的激光-机械井下钻具组合15包括光学镜组1501、激光-机械钻头1502和螺杆钻具1503。
所述供电设备7为压缩机5、冷却装置6及激光发生设备8提供电能。
所述压缩机5工作时抽吸储气罐4中的钻井用气，压缩气体由供气管10排出，经卷筒11进入连续油管12，为激光-机械井下钻具组合15提供旋转动力。
所述冷却装置6工作过程中冷却压缩机5与激光发生设备8，保证压缩机5和激光发生设备8在钻井过程中能持续安全工作。
所述激光发生设备8产生激光-机械联合破岩所需的高能激光，高能激光经光纤总成9导出。
所述光纤总成9包括光纤902与保护鞘901，光纤902将激光发生设备8产生的高能激光传入井下，供激光-机械联合破岩所用；保护鞘901保护光纤不被损坏，并分隔光路与气路。
所述卷筒11储存连续油管12，卷筒轴上所设的光学滑环1101能将高能激光自卷筒11外导入连续油管12中的光纤总成9中。
所述连续油管12为激光-机械井下钻具组合15提供压缩气体，连续油管12末端连接激光-机械井下钻具组合15。
所述注入头13位于井口装置14正上方，工作过程中夹紧连续油管12，随着井眼的延伸不断将连续油管12送入井眼中，并为激光-机械井下钻具组合15提供钻压。
所述激光-机械井下钻具组合15主要由光学镜组1501、激光-机械钻头1502与螺杆钻具1503组成。激光-机械井下钻具组合15中设有光学镜组1501，能将激光束整形成所需的光斑形状，在钻井过程随着激光-机械钻头1502的旋转，作用在井底岩石上，削弱井底岩石的强度；螺杆钻具1503被压缩气体驱动，带动激光-机械钻头1502旋转，不断破坏井底岩石，延伸井眼长度。从激光-机械钻头1502流出的压缩气体携带岩屑离开井底，保证钻井的持续进行，同时也起冷却、清洁激光-机械钻头1502的作用。
所述供气管10将压缩气体从压缩机5输送至卷筒11。
所述井口装置14放置于井口，控制井口压力，保障钻井过程的安全进行，并将井眼上返气体引入除砂器2中。
所述废物收集罐1收集除砂器2排出的固相废物，便于集中处理。
所述除砂器2被设计用来对井眼上返气体进行初步净化。
所述气体净化器3被设计用来对井眼上返气体进行进一步的净化。
所述储气罐4用于储存钻井用气，同时也起着减小钻井过程中气体脉动的作用；钻井用气优选氮气、二氧化碳等惰性气体。
本发明作为一种激光-机械钻井系统，其工作原理是：
当进行钻井作业时，供电设备7为压缩机5、冷却装置6和激光发生设备8供电。
激光发生设备8产生高能激光，经光纤总成9和卷筒11轴中的光学滑环1101，进入连续油管12，传入激光-机械井下钻具组合15，经光学镜组1501整形后形成所需的光斑形状，随激光-机械钻头1502的旋转，作用在钻进面岩石上，削弱钻进面岩石的强度。
压缩机5从储气罐4中抽吸气体，提高气体压力，将压缩气体经供气管10和卷筒11，送入连续油管12中；再经连续油管12送入激光-机械井下钻具组合15，驱动螺杆钻具1503带动激光-机械钻头1502旋转；井眼上返气体携带岩屑，经井口装置14离开井眼，经除砂器2与气体净化器3除去其中的杂质，分离出的固相废物排入废物收集罐1中；净化完全的气体经气体净化器3返回储气罐4，循环使用。
随着激光-机械钻头1502的旋转，钻进面岩石的强度被削弱，经激光-机械钻头1502刀翼的刮削、剪切作用形成钻屑，钻屑被压缩气体携带，离开井底，使得井眼不断延伸，实现激光-机械联合破岩的目的。
冷却装置6在钻井过程中冷却压缩机5和激光发生设备7，保证两设备能持续安全工作。
注入头13为激光-机械井下钻具组合15提供钻压，并随着井眼的延伸不断将连续油管12送入井眼中。
井口装置14用于控制井口压力，保障钻井过程的安全进行，并将井眼上返气体引入除砂器2中。
Claims (3)
1.如图1所示，一种激光-机械钻井系统，其特征在于：该装置主要由供电设备(7)、压缩机(5)、冷却装置(6)、激光发生设备(8)、光纤总成(9)、卷筒(11)、连续油管(12)、注入头(13)、激光-机械井下钻具组合(15)、供气管(10)、井口装置(14)、废物收集罐(1)、除砂器(2)、气体净化器(3)、储气罐(4)组成；供电设备(7)与压缩机(5)、冷却装置(6)和激光发生设备(8)相连；压缩机(5)入口接储气罐(4)，出口接卷筒(11)；冷却设备(6)连接压缩机(5)与激光发生设备(8)；激光发生设备(8)通过光纤总成(9)接卷筒(11)；井口装置(14)回收管线接除砂器(2)入口；除砂器(2)排砂口接废物收集罐(1)，其气体出口接气体净化器(3)入口；气体净化器(3)出口接储气罐入口(4)。
2.根据权利要求1所述的一种激光-机械钻井系统，其特征在于：所述的光纤总成(9)包括保护鞘(901)与光纤(902)，光纤(902)将高能激光传入井下，供激光-机械联合破岩所用；保护鞘(901)保护光纤不被损坏，并分隔光路与气路。
3.根据权利要求1所述的一种激光-机械钻井系统，其特征在于：所述的卷筒(11)储存连续油管(12)，轴上设有光学滑环(1101)，能将高能激光顺利导入连续油管(12)中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |