[發明專利]一種激光鉆井破巖裝置及方法

在審

• 申請號: 202010012936.1
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111058763A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 楊曉峰;簡權;周家恒;聶愛國;曲展慧;杜宇飛
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21B21/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種激光鉆井破巖裝置及方法。在石油天然氣勘探開發等領域中，其傳統鉆探的缺點是隨著鉆井深度的增加，鉆井難度也隨之變大，為解決鉆探的工作周期長、鉆進效率受鉆探設備和地層條件的限制，提供一種激光鉆井破巖裝置及方法。本發明利用鏡頭的左右移動和激光頭的自轉，解決激光破巖中高能光束只能單點照射問題；每節鉆桿設有獨立電纜和連接處設有電導片，解決鉆桿連接時電纜受到損壞的問題；同時鏡頭處添加自動感應清洗碰頭，解決了激光破巖中鏡頭受污不能及時清洗的問題。

技術領域

本發明涉及一種激光鉆井破巖裝置及方法，用于石油天然氣勘探開發等領域。

背景技術

地下儲藏的油氣資源極為豐富，是支撐人類能源消耗的來源。在當前油氣鉆探中主要運用的是機械碎巖法。這種方法的缺點是面對深層地層的超硬巖，鉆進效率低，鉆具磨損大，需要頻繁起下鉆。而且建井復雜，工作周期長。受到地層和設備條件的限制比較大。

有試驗資料表明，當高能激光束作用于巖石表面時，高能激光束的能量密度大于巖石的臨界密度，巖石即發生破壞。所以激光鉆井可以高效快速碎巖，尤其是對深層地層的超硬巖的探采效率極高。激光鉆井在鉆進效率、降低鉆具損耗等方面具有明顯的優勢。

但面臨激光作用下巖石熔融狀態不能及時排除，阻礙光束繼續照射，降低鉆進效率；而且激光高能光束作用面積小，碎巖效率慢；并且井下使用激光頭，需要克服在井下泥漿、熔巖等惡劣環境下，激光頭受污不能及時清理，需頻繁起下鉆等問題。因此，深井鉆進中，開發一種既能高效又能不需要頻繁起下鉆的激光鉆進方法及相關裝置非常必要。

發明內容

本發明為了解決以上問題，提供一種采用液排為主，氣排為輔的方法排屑；采用氣體—激光通道，使激光持續作用于巖面而非熔融混合物上；利用直線電機使鏡頭徑向左右移動及其激光頭自轉使激光能大面積照射；和加入感應式自主清洗噴頭的激光鉆井破巖裝置及方法。

本發明所采取的技術方案是：一種激光鉆井破巖裝置，主要包括水泵、供電箱、空壓機、鉆機卡盤、井口密封裝置、鉆桿、鉆頭、電纜、高壓氣體通道、高壓水流通道和泥漿輸出通道，激光發射器。鉆機卡盤與鉆桿連接，提供旋轉動力和推進力。鉆桿內設有電纜、水流通道、氣體通道。鉆桿采用螺紋連接，連接處設有圓環形導電片，使鉆桿連接時接通電纜。鉆頭內設有電纜、電纜通道、氣體通道、水流通道、激光發射器、光纖、光纖套管、氣體—激光通道、旋轉接頭、扇葉、激光頭。其鉆頭中水流通道和氣體—激光通道直通巖石表面，高壓水射和高壓氣流帶走巖屑，使泥漿從輸出通道帶回底面。供電箱為激光發射器提供電力。在激光高能光束熔化巖石的同時，高壓氣流吹走熔融混合物，使激光持續作用于巖面而非熔融混合物上，并且氣流并且起到冷卻破碎齒和激光頭的作用。光纖套管與激光頭用旋轉接頭連接，在激光頭中間部位裝有扇葉，激光頭處于氣體—激光通道，氣體—激光通道通氣時，氣流作用于扇葉，使激光頭自轉。在激光頭內設有滑軌、直線電機、鏡筒、鏡頭、鏡片、蓄水箱、注水孔、光敏傳感器、閥門、噴頭。直線電機由電纜通過光纖套管提供電力，直線電機使得鏡頭左右勻速移動。在鏡頭位置設有光敏傳感器，當鏡頭受污影響光束照射時，光敏傳感器接受光信號傳遞電信號到噴頭的閥門，控制噴頭對鏡片的沖洗。

一種激光鉆井破巖方法，所述一種激光鉆井破巖方法基于一種激光鉆井破巖裝置，其主要包括如下過程：供電箱(2)通過電纜(5)提供給激光發射器(13)和直線電機(12-7-3)提供電力，激光發射器(13)通過光纖(12-2)發射高能光束作用于巖面，在直線電機(12-7-3)使高能光束徑向運動的同時激光頭(12-7)自轉，使得高能光束大面積作用巖面；當高能激光束的能量密度大于巖石的臨界密度，巖石即發生破壞，同時鉆頭轉動進行破巖；在激光輔助鉆頭進行破巖的同時，水泵(1)提供的高壓水射將碎巖屑和泥漿通過泥漿輸出管道(14)帶回底面。當鏡片(12-7-8)受到污漬無法正常照射時，光敏傳感器(12-7-10)接收到光信號傳遞電信號給噴頭(12-7-7)的閥門(12-7-11)，噴頭(12-7-7)噴射水流清洗鏡面，使得激光持續高效地破巖。

本發明有益效果在于：