一種井下雷射輔助破巖的鑽具的製作方法
2023-06-04 20:08:56 4
專利名稱：一種井下雷射輔助破巖的鑽具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及鑽井工具領域，尤其是一種井下雷射輔助破巖的鑽具。
背景技術：
自20世紀初旋轉鑽井取代傳統的頓鑽鑽井，實現石油鑽井第一次革新以來，鑽井方式一直並無較大變革，僅是通過利用新材料和改進設計來提高鑽頭的性能，以提高鑽遇堅硬巖石地層時的鑽速，但旋轉鑽進方式依然是依靠高鑽壓、高扭矩、高轉速來增大機械鑽速。雷射鑽井的破巖機理是利用高能雷射破碎、熔化和蒸發巖石。雷射鑽井無疑是未來鑽井發展的方向，較之常規鑽井具有無可比擬的優勢，有望給鑽井帶來一場革命。但目前雷射鑽井仍處於室內試驗階段，要投入商業化應用，還有很多技術或其它問題需要解決。2010年美國天然氣工藝研究院發布專利「LASER ASSISTANTED DRILLING」提出一種與機械鑽進結合的雷射輔助鑽井技術及裝備(US20100078414);美國Argonne實驗室的 「METHODS OF USING A LASER TO SPALL AND DRILL HOLES IN ROCKS」提出一種利用雷射在巖石上切割和鑽孔的方法與裝備(US7416258);「WELLB0RE LASER OPERATIONS」提供鑽井、完井井眼雷射操作的一種方法與裝備系統(US20100326659 )。2007年以前，我國先後完成了「雷射破巖機理與射孔技術的研究」、「雷射射孔破巖的儲層物性研究」和「雷射破巖的排屑機理與溫度場特性研究」，研究表明:高能雷射束穿透泥質砂巖和頁巖試樣的室內試驗速度可高達105 115 m/h，巖石受雷射作用後，熱影響區附近的巖石存在著宏觀裂紋發育現象，其孔隙度增加，滲透率提高4倍左右。同時，巖石有變脆的趨勢，其強度極限降低，彈性模量減小。另外巖石受雷射作用後，熱影響區附近的巖石表面出現緻密的釉化層，同時也會有微裂紋產生。當雷射能量以矩形脈衝的形式注入時，光斑作用區的平均溫度增加，其汽化核加大，被蒸發的巖石量增加。但是作為將雷射直接應用於鑽井的鑽具還處於空白。
發明內容本實用新型的目的在於將現有的雷射技術和鑽井技術有效結合，提供一種可提高高硬地層的機械鑽速的井下雷射輔助破巖的鑽具。本實用新型採用了以下技術方案:一種井下雷射輔助破巖的鑽具，包括鑽頭、鑽杆，鑽頭和鑽杆內分別設有相互貫通的噴嘴和泥漿通道，噴嘴的外圍鑽頭體內封裝1-5個雷射頭，在鑽頭體內與每個雷射頭對應開設光纖通道。上述方案進一步包括:在鑽杆與泥漿通道之間的環形空間內設置供電模塊與雷射發生模塊，雷射發生模塊與雷射頭由光纖連接。在鑽杆與泥漿通道之間的環形空間內設置，光纖通道內的光纖連接雷射頭後引出鑽杆，並與地面雷射發生模塊和供電模塊連接。供電模塊與雷射發生模塊通過接口模塊連接，雷射發生模塊與光纖之間採用光纖接口連接。本實用新型的有益效果是:雷射頭直接安裝在鑽頭上，鑽頭在破巖切削的同時，雷射同時對巖層進行熔化破巖，改變巖石特性的同時，有一定的主動破巖效果，可以提高可鑽性差的高硬地層機械鑽速。
圖1為兩種雷射輔助破巖的鑽具的組合結構示意圖；圖中標記:1_供電模塊；2_雷射發生模塊；3_專用鑽頭；4-鑽杆；5_泥漿通道；6-光纖通道；7-接口模塊；8-光纖接口；9-光纖；10-噴嘴；11-雷射頭。圖中供電模塊I和雷射發生模塊2分別為地面設置和鑽杆內設置兩種狀態。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進一步的詳細說明。井下雷射輔助破巖的鑽具包括供電模塊1、雷射發生模塊2和專用鑽頭3組成，供電模塊I聯接雷射發生模塊2，鑽杆4與專用鑽頭3內部均設有光纖通道6，內部安裝有光纖9，雷射發生模塊2通過光纖9聯接雷射頭11。參見圖1，供電模塊I與雷射發生模塊2是雷射輔助破巖鑽頭的能量來源，可布置在地面(圖1中右上角標註部分)，也可以直接安裝於井下鑽杆4中。雷射發生模塊2作為雷射源，其輸出通過光纖與雷射頭11相連。地面布置供電模塊I與雷射發生模塊2時,在雷射頭11與雷射發生模塊2之間有光纖9需要穿過鑽杆4中布置的較長的光路通道6，將雷射能量傳遞到專用鑽頭3上安裝的雷射頭11。若將供電模塊I與雷射發生模塊2通過接口模塊7連接並安裝於井下即鑽杆4中，經由光纖通道6內部的光纖9將雷射能量傳遞至專用鑽頭3上安裝的雷射頭11。鑽具4內部帶有泥漿通道5，泥漿經過泥漿通道5流向專用鑽頭3上安裝的噴嘴10，形成具有一定流速的泥漿射流，與雷射頭11發射的雷射共同作用，輔助鑽頭破巖。上述實施例圍繞在在旋轉鑽井體系工況下的一種井下雷射輔助破巖的鑽具。基於本實用新型所給出的技術方案也可以採用的其它形式實現。
權利要求1.一種井下雷射輔助破巖的鑽具，包括鑽頭、鑽杆，鑽頭和鑽杆內分別設有相互貫通的噴嘴和泥漿通道，其特徵在於:噴嘴的外圍鑽頭體內封裝1-5個雷射頭，在鑽頭體內與每個雷射頭對應開設光纖通道。
2.根據權利要求1所述的井下雷射輔助破巖的鑽具，其特徵在於:在鑽杆與泥漿通道之間的環形空間內設置供電模塊與雷射發生模塊，雷射發生模塊與雷射頭由光纖連接。
3.根據權利要求1所述的井下雷射輔助破巖的鑽具，其特徵在於:在鑽杆與泥漿通道之間的環形空間內設置，光纖通道內的光纖連接雷射頭後引出鑽杆，並與地面雷射發生模塊和供電模塊連接。
4.根據權利要求2或3所述的井下雷射輔助破巖的鑽具，其特徵在於:供電模塊與雷射發生模塊通過接口模塊 連接，雷射發生模塊與光纖之間採用光纖接口連接。
專利摘要本實用新型涉及鑽井工具領域的一種井下雷射輔助破巖的鑽具，包括鑽頭、鑽杆，鑽頭和鑽杆內分別設有相互貫通的噴嘴和泥漿通道，噴嘴的外圍鑽頭體內封裝1-5個雷射頭，在鑽頭體內與每個雷射頭對應開設光纖通道。本實用新型的有益效果是雷射頭直接安裝在鑽頭上，鑽頭在破巖切削的同時，雷射同時對巖層進行熔化破巖，改變巖石特性的同時，有一定的主動破巖效果，可以提高可鑽性差的高硬地層機械鑽速。
文檔編號E21B7/15GK203081295SQ20122073529
公開日2013年7月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者謝慧, 周燕, 羅熙, 陳志禮, 李亞偉 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團勝利石油管理局鑽井工藝研究院