CN113300221A - 一种井下光源 - Google Patents
一种井下光源 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113300221A CN113300221A CN202110566794.8A CN202110566794A CN113300221A CN 113300221 A CN113300221 A CN 113300221A CN 202110566794 A CN202110566794 A CN 202110566794A CN 113300221 A CN113300221 A CN 113300221A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- laser
- light source
- lasers
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 39
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 22
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 3
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 abstract description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/022—Mountings; Housings
- H01S5/02208—Mountings; Housings characterised by the shape of the housings
- H01S5/02212—Can-type, e.g. TO-CAN housings with emission along or parallel to symmetry axis
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
- H01S5/02423—Liquid cooling, e.g. a liquid cools a mount of the laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明涉及一种井下光源，属于激光破岩应用技术领域，包括光学模块、驱动模块和温控模块，光学模块包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器，驱动模块与子激光器一对一连接，所述光学模块和驱动模块封装于呈筒状结构的壳体内部，温控模块用于对光学模块和驱动模块进行换热和散热，本发明采用级联激光器提高了输出光束的输出功率，同时，温控模块采用两级温控结构，采用循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量转移至压缩机的散热片，散热片内注入冷却介质与循环介质进行换热，最终将热量排出，实现散热及精准控温的效果，此外，壳体设为筒状结构，结构紧凑，适应于井下作业环境。
Description
技术领域
本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种井下光源。
背景技术
地下储藏的丰富油气资源是支撑人类社会进步和发展的重要能量来源。随着长时间的开采，油气勘探开发目的层由中浅层向深层、超深层快速延伸，其所面临的硬度高、可钻性差、地质结构复杂等问题使传统钻井面临巨大挑战，突破现有钻井技术瓶颈，寻求新技术研发，实现更深深度、更复杂工况、更快效率的同时，降低成本，是石油和天然气行业一直以来追求的目标。
随着科技的进步和发展，很多破岩技术及装备应运而生，如水射流、激光、超声波破岩等技术。其中，利用高能激光束直接作用于岩石表面，使岩石表面局部受热而弱化、碎化直至熔融甚至达到汽化的状态，再利用机械破岩，显著提高了破岩效率。将激光器作为光源，一般采用将光源放置于井口地面，通过传能光纤光缆将激光束传输至井下，需要解决高功率激光的远距离传输光缆、不可中断的连续光缆对钻井系统带来的工程复杂化等问题。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种井下光源，将光源小型化并制成与井眼尺寸匹配的筒状结构，光源整体放入井下钻头后方，通过井下马达供电或者通过高压电缆从地面供电。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种井下光源，包括：
光学模块，其包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器；
驱动模块，其与子激光器一对一连接，且驱动模块通过开关电源与控制模块连接，所述光学模块和驱动模块封装于壳体内部，所述壳体设为筒状结构，且壳体尺寸与井眼尺寸匹配；
和温控模块，其位于壳体外部且与控制模块连接，所述温控模块采用两级温控结构，通过循环介质对光学模块和驱动模块产生的热量进行一次换热，通过冷却介质与循环介质进行二次换热，最终将热量排出。
进一步，当级联激光器组设置为1组时，子激光器之间通过第一光纤合束器进行合束形成第一合束激光，所述第一合束激光作为输出光束。
进一步，当级联激光器组至少设置为2组时，位于同组的子激光器之间通过第一光纤合束器进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组之间通过第二光纤合束器进行二次合束形成第二合束激光，所述第二合束激光作为输出光束。
进一步，所述输出光束通过QBH光缆输出，再经过准直模块输出平行光束。
进一步，所述级联激光器组中包含发射指示红光的激光器，即输出光束中包含指示红光。
进一步，所述子激光器为光纤耦合半导体激光器，以满足井下光源对高电光效率、紧凑结构及较低光束质量的要求。
进一步，所述壳体内设有冷却板，且光学模块和驱动模块分别位于冷却板的不同侧面。
进一步，所述壳体上设有供输出光束透射输出的光学窗口，且光学窗口采用尖晶石制成。
进一步，所述温控模块包括相连通的高压泵和压缩机，所述高压泵与冷却板连通并向冷却板内通入循环介质，对光学模块和驱动模块进行一次换热，循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量转移至压缩机的散热片，且散热片内注入冷却介质并与循环介质进行二次换热，最终将热量排出，实现散热效果，即高压泵、压缩机和冷却板组成自循环系统，同时，温控模块采用两级温控结构。
进一步，所述冷却板内设有与控制模块连接的温湿度传感器和水流检测传感器。
进一步，所述控制模块通过控制线与电脑终端连接。
进一步，所述开关电源、控制模块与电源模块连接，所述电源模块、温控模块均与外界电源连接，所述外界电源为井下马达或地面电源。
本发明的有益效果是：
1、采用级联激光器提高了输出光束的输出功率，拓展了级联激光器的应用范围，同时，采用光纤耦合半导体激光器以满足井下光源对高电光效率、紧凑结构及较低光束质量的要求。
2、温控模块采用两级温控结构，采用循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量转移至压缩机的散热片，散热片内注入冷却介质与循环介质进行换热，最终将热量排出，实现散热及精准控温的效果。
3、壳体设为筒状结构，结构紧凑，适应于井下作业环境。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是光学模块和驱动模块的结构示意图；
图3是级联激光器另一种实施方式的结构示意图。
附图中：1-壳体、2-外界电源、3-温控模块、4-QBH光缆、5-冷却板、6-子激光器、7-第一光纤合束器、8-驱动模块、9-开关电源、10-控制模块、11-高压泵、12-压缩机、13-控制线、14-供电线、15-级联激光器组、16-第二光纤合束器。
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和图2所示，一种井下光源，包括光学模块、驱动模块8和温控模块3，其中，光学模块和驱动模块8均封装于壳体1内部，所述壳体1设为密封的筒状结构，其表面设有光学窗口，且壳体1尺寸与井眼尺寸匹配，以适用于井下环境。
具体的，所述光学模块包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器6。也就是说，通过调整级联激光器组以及子激光器6的数量，可以得到1kW级、10kW级甚至100kW级功率的输出光束。
当级联激光器组设置为1组时，子激光器6之间通过第一光纤合束器7进行合束形成第一合束激光，所述第一合束激光作为输出光束。当级联激光器组至少设置为2组时，位于同组的子激光器之间通过第一光纤合束器7进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组之间通过第二光纤合束器进行二次合束形成第二合束激光，所述第二合束激光作为输出光束。同时，所述级联激光器组中包含发射指示红光的激光器，即输出光束中包含指示红光，同样，指示红光亦经过第一光纤合束器7合束至输出光束中。同时，所述输出光束通过QBH光缆4输出，再经过准直模块输出平行光束。为了满足井下光源对高电光效率、紧凑结构及较低光束质量的要求，所述子激光器6优选为光纤耦合半导体激光器。
所述驱动模块8与子激光器6一对一连接，且驱动模块8通过开关电源9与控制模块10连接。其中，开关电源9为驱动模块8供电，控制模块10采用TCP/IP控制协议，控制激光输出、状态监测和安全连锁控制。所述壳体1内设有冷却板5，且光学模块和驱动模块8分别位于冷却板5的不同侧面。所述壳体1上设有供输出光束透射输出的光学窗口，且光学窗口采用尖晶石制成。
所述温控模块3位于壳体1外部且与控制模块10连接，用于对光学模块和驱动模块8进行换热和散热。具体的，所述温控模块3包括相连通的高压泵11和压缩机12，所述高压泵11与冷却板5连通并向冷却板5内通入循环介质，对光学模块和驱动模块8进行一次换热，循环介质将光学模块和驱动模块8产生的热量转移至压缩机12的散热片，且散热片内注入冷却介质并与循环介质进行二次换热，最终将热量排出，实现散热效果，即高压泵11、压缩机12和冷却板5组成自循环系统，同时，温控模块3采用两级温控结构。所述冷却板5内设有与控制模块10连接的温湿度传感器和水流检测传感器。所述控制模块10通过控制线13与电脑终端连接，通过RS232串口进行出光、停光、功率调节操作。所述开关电源9、控制模块10与电源模块连接，所述电源模块通过供电线14与外界电源2连接。相对应的，驱动模块8、开关电源9、控制模块10与电源模块位于冷却板5的相同侧面，壳体1上设有供电线接口、控制线接口和冷却接口。同时，温控模块3亦与外界电源2连接，所述外界电源2为井下马达或地面电源。
本实施例中，级联激光器组共设有1组，同时，级联激光器组包括6个子激光器6和1个发射指示红光的激光器。采用6路270W光纤耦合半导体激光器和1路指示红光通过7*1第一光纤合束器7，合束后功率约1.5kW，再由QBH光缆4输出，再经过准直模块后输出20mm平行光束。同时，由驱动模块8提供电流驱动，通过控制模块10进行激光输出控制、状态监测和安全连锁控制，通过冷却板5对光学模块和驱动模块8进行散热和温度控制。此外，冷却板5采用双通道结构，循环介质为循环水，其流量为20L/min，入口水温为55℃，壳体1内部平均温度为60.7℃，出口水温为56.4℃。
实施例二：
如图3所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
本实施例中，级联激光器组15共设有3组，同时，每组级联激光器组15包括5个子激光器6和1个发射指示红光的激光器。位于同组的子激光器6之间通过第一光纤合束器7进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组15之间通过第二光纤合束器16进行二次合束形成第二合束激光，所述第二合束激光作为输出光束透过光学窗口输出。
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 (10)
1.一种井下光源，其特征在于，包括：
光学模块，其包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器；
驱动模块，其与子激光器一对一连接，且驱动模块通过开关电源与控制模块连接，所述光学模块和驱动模块封装于壳体内部，所述壳体设为筒状结构，且壳体尺寸与井眼尺寸匹配；
和温控模块，其位于壳体外部且与控制模块连接，所述温控模块采用两级温控结构，通过循环介质对光学模块和驱动模块产生的热量进行一次换热，通过冷却介质与循环介质进行二次换热，最终将热量排出。
2.根据权利要求1所述的一种井下光源，其特征在于，所述壳体内设有冷却板，且光学模块和驱动模块分别位于冷却板的不同侧面。
3.根据权利要求2所述的一种井下光源，其特征在于，所述温控模块包括相连通的高压泵和压缩机，所述高压泵与冷却板连通并向冷却板内通入循环介质，对光学模块和驱动模块进行一次换热，循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量转移至压缩机的散热片，且散热片内注入冷却介质并与循环介质进行二次换热，实现散热效果。
4.根据权利要求3所述的一种井下光源，其特征在于，当级联激光器组设置为1组时，子激光器之间通过第一光纤合束器进行合束形成第一合束激光，所述第一合束激光作为输出光束。
5.根据权利要求3所述的一种井下光源，其特征在于，当级联激光器组至少设置为2组时，位于同组的子激光器之间通过第一光纤合束器进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组之间通过第二光纤合束器进行二次合束形成第二合束激光，所述第二合束激光作为输出光束。
6.根据权利要求4或5所述的一种井下光源，其特征在于，所述输出光束通过QBH光缆输出，再经过准直模块输出平行光束。
7.根据权利要求6所述的一种井下光源，其特征在于，所述壳体上设有供输出光束透射输出的光学窗口，且光学窗口采用尖晶石制成。
8.根据权利要求7所述的一种井下光源，其特征在于，所述子激光器为光纤耦合半导体激光器。
9.根据权利要求8所述的一种井下光源，其特征在于，所述冷却板内设有与控制模块连接的温湿度传感器和水流检测传感器。
10.根据权利要求9所述的一种井下光源，其特征在于，所述级联激光器组中包含发射指示红光的激光器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110566794.8A CN113300221A (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 一种井下光源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110566794.8A CN113300221A (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 一种井下光源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113300221A true CN113300221A (zh) | 2021-08-24 |
Family
ID=77324445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110566794.8A Pending CN113300221A (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 一种井下光源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113300221A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130000906A1 (en) * | 2009-06-29 | 2013-01-03 | Halliburton Energy Services, Inc. | Wellbore laser operations |
| CN106089031A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-09 | 中国石油大学(华东) | 井下涡轮动力激光钻井工具 |
| CN212412427U (zh) * | 2020-07-08 | 2021-01-26 | 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 | 一种高功率半导体激光器 |
| CN212626516U (zh) * | 2020-06-23 | 2021-02-26 | 无锡锐科光纤激光技术有限责任公司 | 万瓦级光纤输出半导体激光器 |
-
2021
- 2021-05-24 CN CN202110566794.8A patent/CN113300221A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130000906A1 (en) * | 2009-06-29 | 2013-01-03 | Halliburton Energy Services, Inc. | Wellbore laser operations |
| CN106089031A (zh) * | 2016-08-12 | 2016-11-09 | 中国石油大学(华东) | 井下涡轮动力激光钻井工具 |
| CN212626516U (zh) * | 2020-06-23 | 2021-02-26 | 无锡锐科光纤激光技术有限责任公司 | 万瓦级光纤输出半导体激光器 |
| CN212412427U (zh) * | 2020-07-08 | 2021-01-26 | 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 | 一种高功率半导体激光器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李适民等: "《激光器件原理与设计》", 31 July 1998 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2018214180A1 (zh) | 一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘 | |
| US9677338B2 (en) | Device for laser drilling | |
| US10648334B2 (en) | Laser-assisted tunnel boring machine and rock fragmenting method therefor | |
| US8393410B2 (en) | Millimeter-wave drilling system | |
| CN109763832A (zh) | 一种用于硬岩的微波辅助破岩tbm刀盘 | |
| CN204804691U (zh) | 一种毫米波辅助钻井装置 | |
| US20100224408A1 (en) | Equipment for excavation of deep boreholes in geological formation and the manner of energy and material transport in the boreholes | |
| CN106761796A (zh) | 一种用于岩爆防治的tbm上微波应力释放装置及应用 | |
| BRPI0806638B1 (pt) | processo de perfuração a laser | |
| US10323460B2 (en) | Visible diode laser systems, apparatus and methods of use | |
| CN108487914A (zh) | 一种激光辅助破岩设备 | |
| CN106230134A (zh) | 一种新型无人机激光无系统线能量传输 | |
| WO2022127090A1 (zh) | 一种微波破岩钻井装置 | |
| CN113236126B (zh) | 一种井下光源钻井系统 | |
| CN108412507A (zh) | 一种新型激光辅助破岩tbm结构 | |
| CN113356876B (zh) | 一种破岩用刀盘和一种隧道掘进机及其使用方法 | |
| CN113300221A (zh) | 一种井下光源 | |
| CN111219189B (zh) | 一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法 | |
| Bazargan et al. | Utilisation of lasers in petroleum drilling industry | |
| CN111911080A (zh) | 一种激光-机械联合破岩动力钻具 | |
| WO2014089544A2 (en) | High power lasers, wavelength conversions, and matching wavelengths use environments | |
| CN112593855B (zh) | 一种基于二维光学元件整形的复合激光破岩装置及方法 | |
| CN112554894A (zh) | 一种基于复合激光射孔的激光盾构机及其使用方法 | |
| CN113300220A (zh) | 一种级联激光器及其在激光钻井中作为井下光源的应用 | |
| CN105261918A (zh) | 一种自动切换散热方式的泵浦耦合器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210824 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |