[发明专利]一种激光钻井破岩装置及方法

说明书

本发明涉及一种激光钻井破岩装置及方法。在石油天然气勘探开发等领域中，其传统钻探的缺点是随着钻井深度的增加，钻井难度也随之变大，为解决钻探的工作周期长、钻进效率受钻探设备和地层条件的限制，提供一种激光钻井破岩装置及方法。本发明利用镜头的左右移动和激光头的自转，解决激光破岩中高能光束只能单点照射问题；每节钻杆设有独立电缆和连接处设有电导片，解决钻杆连接时电缆受到损坏的问题；同时镜头处添加自动感应清洗碰头，解决了激光破岩中镜头受污不能及时清洗的问题。

技术领域

本发明涉及一种激光钻井破岩装置及方法，用于石油天然气勘探开发等领域。

背景技术

地下储藏的油气资源极为丰富，是支撑人类能源消耗的来源。在当前油气钻探中主要运用的是机械碎岩法。这种方法的缺点是面对深层地层的超硬岩，钻进效率低，钻具磨损大，需要频繁起下钻。而且建井复杂，工作周期长。受到地层和设备条件的限制比较大。

有试验资料表明，当高能激光束作用于岩石表面时，高能激光束的能量密度大于岩石的临界密度，岩石即发生破坏。所以激光钻井可以高效快速碎岩，尤其是对深层地层的超硬岩的探采效率极高。激光钻井在钻进效率、降低钻具损耗等方面具有明显的优势。

但面临激光作用下岩石熔融状态不能及时排除，阻碍光束继续照射，降低钻进效率；而且激光高能光束作用面积小，碎岩效率慢；并且井下使用激光头，需要克服在井下泥浆、熔岩等恶劣环境下，激光头受污不能及时清理，需频繁起下钻等问题。因此，深井钻进中，开发一种既能高效又能不需要频繁起下钻的激光钻进方法及相关装置非常必要。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提供一种采用液排为主，气排为辅的方法排屑；采用气体—激光通道，使激光持续作用于岩面而非熔融混合物上；利用直线电机使镜头径向左右移动及其激光头自转使激光能大面积照射；和加入感应式自主清洗喷头的激光钻井破岩装置及方法。

本发明所采取的技术方案是：一种激光钻井破岩装置，主要包括水泵、供电箱、空压机、钻机卡盘、井口密封装置、钻杆、钻头、电缆、高压气体通道、高压水流通道和泥浆输出通道，激光发射器。钻机卡盘与钻杆连接，提供旋转动力和推进力。钻杆内设有电缆、水流通道、气体通道。钻杆采用螺纹连接，连接处设有圆环形导电片，使钻杆连接时接通电缆。钻头内设有电缆、电缆通道、气体通道、水流通道、激光发射器、光纤、光纤套管、气体—激光通道、旋转接头、扇叶、激光头。其钻头中水流通道和气体—激光通道直通岩石表面，高压水射和高压气流带走岩屑，使泥浆从输出通道带回底面。供电箱为激光发射器提供电力。在激光高能光束熔化岩石的同时，高压气流吹走熔融混合物，使激光持续作用于岩面而非熔融混合物上，并且气流并且起到冷却破碎齿和激光头的作用。光纤套管与激光头用旋转接头连接，在激光头中间部位装有扇叶，激光头处于气体—激光通道，气体—激光通道通气时，气流作用于扇叶，使激光头自转。在激光头内设有滑轨、直线电机、镜筒、镜头、镜片、蓄水箱、注水孔、光敏传感器、阀门、喷头。直线电机由电缆通过光纤套管提供电力，直线电机使得镜头左右匀速移动。在镜头位置设有光敏传感器，当镜头受污影响光束照射时，光敏传感器接受光信号传递电信号到喷头的阀门，控制喷头对镜片的冲洗。

一种激光钻井破岩方法，所述一种激光钻井破岩方法基于一种激光钻井破岩装置，其主要包括如下过程：供电箱(2)通过电缆(5)提供给激光发射器(13)和直线电机(12-7-3)提供电力，激光发射器(13)通过光纤(12-2)发射高能光束作用于岩面，在直线电机(12-7-3)使高能光束径向运动的同时激光头(12-7)自转，使得高能光束大面积作用岩面；当高能激光束的能量密度大于岩石的临界密度，岩石即发生破坏，同时钻头转动进行破岩；在激光辅助钻头进行破岩的同时，水泵(1)提供的高压水射将碎岩屑和泥浆通过泥浆输出管道(14)带回底面。当镜片(12-7-8)受到污渍无法正常照射时，光敏传感器(12-7-10)接收到光信号传递电信号给喷头(12-7-7)的阀门(12-7-11)，喷头(12-7-7)喷射水流清洗镜面，使得激光持续高效地破岩。

本发明有益效果在于：