專利名稱：一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具及其鉆進方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具及其鉆進方法，具體地說是一種利用激光破碎煤巖的鉆進鉆具及其鉆進方法。
背景技術：
隨著能源緊缺的加劇，煤層氣產(chǎn)業(yè)越來越受到世界各國的重視，煤層氣的抽采與利用也在逐年升高。然而傳統(tǒng)機械式鉆進方法已不足以滿足現(xiàn)代開發(fā)的需求。傳統(tǒng)機械式鉆進有以下不足鉆進效率低、控向性能差、鉆頭消耗大。所以提出煤層氣開采孔激光定向鉆進鉆具。而且已有實驗表明激光破巖具有可行性。本發(fā)明通過激光破碎煤巖的方法鉆井，提高了鉆進效率、控向性能，并減少了鉆頭的消耗
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決目前煤層氣水平開采孔鉆進效率低、鉆具的控向性能差，鉆頭的消耗大的問題，而提供一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具以及其鉆進方法。為實現(xiàn)本發(fā)明目的，采用的技術方案是提供一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，包括激光發(fā)射頭及其偏轉控制部件、偏轉執(zhí)行部件和電路部分；
所述的激光發(fā)射頭采用HIGHYAG系列產(chǎn)品；
所述的激光發(fā)射頭偏轉控制部件包含鉆桿管接頭、過渡管接頭、控制部分連接件C、軸承蓋A、光纖環(huán)A、軸承連接內(nèi)環(huán)CA、電池盒、電路板支承座、軸承連接內(nèi)環(huán)BB和集流環(huán)，所述的鉆桿管接頭與鉆桿用螺紋連接，鉆桿管接頭與過渡管接頭、外殼連接環(huán)E、外殼A、外殼連接環(huán)A、外殼B、外殼連接環(huán)B及外殼C采用螺紋順序連接；所述的控制部分連接件C與軸承連接內(nèi)環(huán)CA、控制部分底盤A、控制部分旋轉環(huán)、控制部分底盤B、軸承連接外環(huán)BB、集流環(huán)固定連接件、控制部分連接件A和軸承連接內(nèi)環(huán)CB也采用螺紋順序連接；所述的軸承蓋A固定于控制部分連接件C上，軸承蓋A中安裝有光纖環(huán)A，且用O型圈密封；所述的光纖環(huán)A固定住光纖，控制部分連接件C與光纖環(huán)A采用軸承BA連接，孔用軸承擋圈A安裝在控制部分連接件C中，固定住光纖環(huán)A ;所述的軸承連接內(nèi)環(huán)CA與外殼連接環(huán)A用軸承CA連接；所述的電池盒固定于控制部分底盤A與控制部分底盤B之間，偏重塊固定于控制部分旋轉環(huán)上；所述的電路板支承座固定于控制部分底盤A與控制部分底盤B之間，電路板支承座固定在電路板上，電路板支柱安裝在電路板支承座與電路板之間；所述的軸承連接內(nèi)環(huán)BB將光纖固定，軸承連接內(nèi)環(huán)即與軸承連接外環(huán)即用軸承即連接，孔用軸承擋圈B與孔用軸承擋圈C安裝于軸承連接外環(huán)BB中，用于固定軸承BB ;所述的集流環(huán)安裝于集流環(huán)固定連接件中，集流環(huán)用圓錐銷固定，軸承連接內(nèi)環(huán)CB與外殼連接環(huán)B用軸承CB連接，密封環(huán)A安裝于外殼連接環(huán)B與外殼連接環(huán)C之間；
所述的激光發(fā)射頭偏轉執(zhí)行部件包含外殼連接環(huán)C、外殼D、內(nèi)齒輪、步進電機和光纖連接頭固定件，所述的外殼連接環(huán)C與外殼D、外殼連接環(huán)D和鉆頭頂環(huán)螺紋順序連接，所述的內(nèi)齒輪、內(nèi)齒輪連接件、軸承連接外環(huán)CC、步進電機連接底盤B、激光器部分旋轉環(huán)和軸承連接內(nèi)環(huán)CC也采用螺紋順序連接；所述的步進電機設有步進電機A和步進電機B，步進電機A用螺釘固定于軸承連接內(nèi)環(huán)CB上，步進電機A與齒輪軸用聯(lián)軸器A連接，齒輪軸與內(nèi)齒輪嚙合傳動，軸承連接外環(huán)CC與外殼連接環(huán)C用軸承CC連接，集流環(huán)同步連接件固定于內(nèi)齒輪連接件上，并與集流環(huán)連接，以保證集流環(huán)轉子與內(nèi)齒輪同步轉動，鉆頭頂部密封環(huán)安裝在外殼連接環(huán)D與鉆頭頂環(huán)之間；步進電機B固定于步進電機連接底盤B上,步進電機B與凸輪軸用聯(lián)軸器B連接；所述的光纖連接頭固定件設有光纖連接頭固定件A、光纖連接頭固定件B、光纖連接頭固定件C和光纖連接頭固定件D，其中光纖連接頭固定件A與光纖連接頭固定件B固定于激光發(fā)射頭的一端，活動桿固定于光纖連接頭固定件B上，并插入到凸輪軸的槽中，密封環(huán)B安裝于步進電機連接底盤B與外殼連接環(huán)D之間，外殼連接環(huán)D與軸承連接內(nèi)環(huán)CC用軸承⑶連接；所述的光纖連接頭固定件D固定在激光發(fā)射頭的另一端，光纖連接頭固定件D與旋轉小軸用軸承A連接，旋轉小軸安裝于光纖連接頭固定件C中，軸端蓋固定于光纖連接頭固定件C上，軸承蓋B固定于光纖連接頭固定件D上，光纖連接頭固定件C固定于激光器部分旋轉環(huán)上；
所述的電路部分安裝在電路板上，包括控制電路、鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接 收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路。本發(fā)明中所述的步進電機A選擇型號35BY48B04四相步進電機；步進電機B選擇型號42BY48HJ75四相減速步進電機。本發(fā)明中所述的控制電路設有一個微處理器電路，并由微處理器電路分別連接鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路；
所述的微處理器電路中采用了 MSP430F149單片機，還設置了開關SI、振蕩器Yl和振蕩器Y2，其中開關SI為復位鍵，MSP430F149中的低速時鐘是由LFXTl振蕩器Yl構成，工作模式是32768Hz低頻模式，Yl通過微處理器XIN和XOUT兩個引腳與微處理器連接，高速時鐘是由XT2振蕩器Y2構成，工作頻率8MHz，通過XT2IN和XT20UT引腳與微處理器連接；
所述的鉆具狀態(tài)檢測電路設有ZCC212N-TTL電子羅盤和SCA60C傾角傳感器，鉆具狀態(tài)檢測電路用于檢測鉆頭傾角和方位角；
所述的鉆進深度信號接收電路設有MAX3232芯片，MAX3232芯片的第10引腳T2IN、第9引腳R20UT分別與微處理器的第32引腳P3. 4、第33引腳P3. 5連接，其作為串口接收電路，將地面上的收集到的鉆進深度信號接收到微處理器中進行處理；
所述的步進電機驅動電路通過兩個相同的驅動電路分別驅動兩個步進電機，電路采用TLP521-4 和 L298N 芯片；
所述的電量檢測電路設有LM339芯片，用于檢測電源電量；
所述的電源穩(wěn)壓電路采用芯片7805和芯片1117將電壓穩(wěn)壓成3. 3V，采用芯片7812和芯片7805將電壓分別穩(wěn)壓在12V和5V。本發(fā)明還提供一種應用所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具的鉆進方法，具體操作步驟如下
⑴準備好所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，同時準備好與鉆具配套的鉆桿，所述的鉆桿是在鉆桿外殼上每隔5m設有一增厚鐵環(huán)；
⑵將鉆具下放到煤巖需要鉆井的位置，開始鉆進時，開啟輔助氣流泵，邊鉆進邊讓輔助氣流將巖屑帶走；
⑶鉆進時由深度信號接收電路通過HMC1021Z型磁阻傳感器，檢測在鉆桿外殼每隔5m設有的增厚鐵環(huán)的磁阻，判斷是否已鉆進5m，計算鉆進深度，當磁阻信號檢測到之后，通過連接在地面上硬件電路處理信號，信號由232-485轉換器輸出，經(jīng)鉆桿內(nèi)部，再由485-232轉換器，輸出到鉆頭頂部處鉆具內(nèi)的硬件電路上；每鉆進5m深度，微處理器接收到鉆具底部的觸發(fā)脈沖信號時，提示鉆進深度增加5m ;同時微處理器控制電子羅盤和傾角傳感器收集方位角、傾斜角信號進行處理，判斷是否與設定的值一致；
⑷當微處理器監(jiān)測到鉆進實際軌跡與設定軌跡不一致時，微處理器調(diào)整步進電機A，內(nèi)齒輪旋轉，帶動整個激光發(fā)射頭旋轉，到達指定位置，然后，微處理器調(diào)整步進電機B，凸輪旋轉，帶動激光發(fā)射頭偏轉，到達指定位置，一直到鉆頭偏轉完成；
(5)完成鉆頭偏轉后，微處理器調(diào)整步進電機B，凸輪旋轉到初始位置，然后，微處理器再調(diào)整步進電機A，內(nèi)齒輪旋轉到初始位置，等待實際軌跡和預定軌跡不一致的信號出現(xiàn)，如此循環(huán)調(diào)整，直到鉆進結束。 本發(fā)明的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具及其鉆進方法具有如下優(yōu)點
(1)鉆頭消耗小。機械式鉆頭磨損較大，而本發(fā)明采用非接觸式破巖方式鉆進，可有效的減少鉆頭消耗。(2)控向性能好。本發(fā)明的方法中根據(jù)要求，每隔5m或更短，將實際鉆孔軌跡與預設值比對糾偏，這樣糾偏更精確，控向更準確。⑶鉆進效率高。本發(fā)明的鉆具及其鉆進方法使用證明，激光鉆井鉆進效率是普通的機械式鉆進效率的10 100倍。


圖I為本發(fā)明煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具的整體結構示意圖。圖2為圖I的A-A向截面結構示意圖。圖3為本發(fā)明對鉆具鉆進的控制電路的深度信號接收電路圖。圖4為本發(fā)明對鉆具鉆進的的鉆進深度信號檢測與傳輸示意圖。圖5為本發(fā)明中采用的微處理器電路圖。圖6為本發(fā)明中控制電路的電子羅盤電路圖。圖7為本發(fā)明中控制電路的傾角傳感器電路圖。圖8為本發(fā)明中驅動步進電機A驅動電路圖。圖9為本發(fā)明中驅動步進電機B驅動電路圖。圖10為本發(fā)明中電量檢測電路。圖11為本發(fā)明中3. 3V穩(wěn)壓電路圖。圖12為本發(fā)明中12V和5V穩(wěn)壓電路圖。上述圖中1-鉆桿管接頭；2_過渡管接頭；3-0型圈；4-軸承蓋A;5-軸承BA;6-孔用軸承擋圈A ；7-光纖環(huán)A ；8-軸承連接內(nèi)環(huán)CA ；9-控制部分底盤A ;10_偏重塊；11-電路板支承座；12_電路板；13_電路板支柱；14_孔用軸承擋圈B ；15-軸承BB ;16_軸承連接外環(huán)BB ;17_集流環(huán)；18_控制部分連接件A ;19_軸承連接內(nèi)環(huán)CB ;20_步進電機A ；21-聯(lián)軸器A ；22-齒輪軸；23_內(nèi)齒輪；24_外殼連接環(huán)C ;25_外殼D ;26_光纖；27_光纖連接頭固定件A ;28-激光器部分旋轉環(huán)；29_密封環(huán)B ;30_激光發(fā)射頭；31_軸承連接內(nèi)環(huán)CC ；32-軸承CD ;33_鉆頭頂環(huán)；34_鉆頭頂部密封環(huán)；35_外殼連接環(huán)D ;36_光纖連接頭固定件C ；37-光纖連接頭固定件B ；38-活動桿；39_凸輪軸；40_聯(lián)軸器B ;41_步進電機B ；42-步進電機連接底盤B ；43-軸承CC ；44-軸承連接外環(huán)CC ;45_內(nèi)齒輪連接件；46_外殼C ;47_密封環(huán)A ;48_外殼連接環(huán)B ;49_軸承CB ;50_集流環(huán)同步連接件；51_集流環(huán)固定連接件；52_圓錐銷；53_孔用軸承擋圈C ；54-控制部分底盤B ;55_軸承連接內(nèi)環(huán)BB ;56_外殼B ；57-控制部分旋轉環(huán)；58_電池盒；59_軸承CA ；60-外殼連接環(huán)A ;61_外殼A ;62_控制部分連接件C ;63_外殼連接環(huán)E ;64_軸承蓋B ;65_光纖連接頭固定件D ;66_軸端蓋；67-旋轉小軸；68_軸承A。
具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳述。實施例I :本發(fā)明一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具的結構如圖1、2所示，鉆具包括激光發(fā)射頭及其偏轉控制部件、偏轉執(zhí)行部件和電路部分，激光發(fā)射頭采用HIGHYAG系列產(chǎn)品中的LLK-HP型號。所述的激光發(fā)射頭偏轉控制部件包含鉆桿管接頭I、過渡管接頭2、軸承蓋A4、光纖環(huán)A7、軸承連接內(nèi)環(huán)CA8、電池盒58、電路板支承座11、軸承連接內(nèi)環(huán)BB55和集流環(huán)17，所述的鉆桿管接頭I與鉆桿用螺紋連接，鉆桿管接頭I、過渡管接頭2、外殼連接環(huán)E63、外殼A61、外殼連接環(huán)A60、外殼B56、外殼連接環(huán)B48和外殼C46采用螺紋順序連接，控制部分連接件C62、軸承連接內(nèi)環(huán)CA8、控制部分底盤A9、控制部分旋轉環(huán)57、控制部分底盤B54、軸承連接外環(huán)BB16、集流環(huán)固定連接件51、控制部分連接件A18和軸承連接內(nèi)環(huán)CB19也采用螺紋順序連接，軸承蓋A4與控制部分連接件C62用螺釘連接，軸承蓋A4中安裝有光纖環(huán)A7，且用O型圈3密封，光纖環(huán)A7固定住光纖26，控制部分連接件C62與光纖環(huán)A7采用軸承BA5連接，孔用軸承擋圈A6安裝在控制部分連接件C62中，固定住光纖環(huán)A7，軸承連接內(nèi)環(huán)CA8與外殼連接環(huán)A60用軸承CA59連接，偏重塊10與控制部分旋轉環(huán)57螺釘連接，電池盒58與控制部分底盤A9螺釘連接，電池盒58與控制部分底盤B54螺釘連接，電路板支承座11與控制部分底盤A9螺栓連接，電路板支承座11與控制部分底盤B54螺栓連接，電路板支承座11與電路板12螺栓連接，電路板支柱13安裝在電路板支承座11與電路板12螺栓上，軸承連接內(nèi)環(huán)BB55中固定光纖26，軸承連接內(nèi)環(huán)BB55與軸承連接外環(huán)BB16用軸承BB15連接，孔用軸承擋圈B14與孔用軸承擋圈C53安裝于軸承連接外環(huán)BB16中，用于固定軸承BB15，集流環(huán)17安裝于集流環(huán)固定連接件51上，集流環(huán)17用圓錐銷52固定，軸承連接內(nèi)環(huán)CB19與外殼連接環(huán)B48用軸承CB49連接，密封環(huán)A47安裝于外殼連接環(huán)B48與外殼連接環(huán)C24之間。所述的激光發(fā)射頭偏轉執(zhí)行部件包含外殼連接環(huán)C24、外殼D25、內(nèi)齒輪23、步進電機A20、步進電機B41、光纖連接頭固定件A27、光纖連接頭固定件B37、光纖連接頭固定件C36和光纖連接頭固定件D65 ;所述的外殼連接環(huán)C24與外殼D25、外殼連接環(huán)D35、鉆頭頂環(huán)33螺紋順序連接，內(nèi)齒輪23、內(nèi)齒輪連接件45、軸承連接外環(huán)CC44、步進電機連接底盤B42、激光器部分旋轉環(huán)28和軸承連接內(nèi)環(huán)CC31也采用螺紋順序連接，步進電機A20用螺釘固定于軸承連接內(nèi)環(huán)CB19上，步進電機A20與齒輪軸22用聯(lián)軸器A21連接，齒輪軸22與內(nèi)齒輪23嚙合傳動，軸承連接外環(huán)CC44與外殼連接環(huán)C24用軸承CC43連接，集流環(huán)同步連接件50用螺釘固定于內(nèi)齒輪連接件45上，集流環(huán)同步連接件50插入到集流環(huán)17槽中，以保證集流環(huán)轉子與內(nèi)齒輪23同步轉動，鉆頭頂部密封環(huán)34安裝在外殼連接環(huán)D35與鉆頭頂環(huán)33之間，步進電機B41采用螺釘固定于步進電機連接底盤B42上,步進電機B41與凸輪軸39用聯(lián)軸器MO連接，光纖連接頭固定件A27與光纖連接頭固定件B37采用螺栓固定于激光發(fā)射頭30上，活動桿38用鉚釘固定于光纖連接頭固定件B37上，并插入到凸輪軸39的槽中，密封環(huán)B29安裝于步進電機連接底盤B42與外殼連接環(huán)D35之間，外殼連接環(huán)D35與軸承連接內(nèi)環(huán)CC31用軸承⑶32連接，激光發(fā)射頭30上有螺柱，光纖連接頭固定件D65用螺母固定在激光發(fā)射頭30上，光纖連接頭固定件D65與旋轉小軸67用軸承A68連接，旋轉小軸67安裝于光纖連接頭固定件C36中，軸端蓋66用螺釘固定于光纖連接頭固定件C36上，軸承蓋B64用螺栓固定于光纖連接頭固定件D65上，光纖連接頭固定件C36用螺釘固定于激光器部分旋轉環(huán)28上。
所述的電路部分安裝在電路板上，包括控制電路、鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路。本發(fā)明中步進電機A選擇型號35BY48B04四相步進電機；步進電機B選擇型號42BY48HJ75四相減速步進電機。本發(fā)明中的控制電路設有一個微處理器電路，并由微處理器電路分別連接鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路。參見圖3，本發(fā)明的所述的鉆進深度信號接收電路設有HMC1021Z型磁阻傳感器采集信號，采用485-232作為轉換器串口接收電路，采用MAX3232芯片將地面上的收集到的鉆進深度信號接收到微處理器中進行處理。所述的MAX3232芯片的第10引腳T2IN、第9引腳R20UT分別與微處理器的第32引腳P3. 4、第33引腳P3. 5連接，MAX3232芯片第15引腳GND及接口 DB9的第5引腳接地，MAX3232芯片第7引腳T20UT、第8引腳R2IN 口分別與接口 DB9第2、3引腳連接，MAX3232芯片第6引腳V-串聯(lián)一個電容后接地，MAX3232芯片的第4引腳C2+串聯(lián)一個電容后與第5引腳C2-相連，MAX3232芯片第I引腳Cl+串聯(lián)一個電容后與第3引腳Cl-相連，MAX3232芯片的第2引腳V+串聯(lián)一個電容后接3. 3V電源，MAX3232芯片的第16引腳VCC也接3. 3V電源。本發(fā)明的控制電路中鉆進深度信號接收電路，如圖4所示。每隔5m鉆桿外設有一增厚鐵環(huán)，根據(jù)強磁金屬的各向異性磁阻效應，采用HMC1021Z型磁阻傳感器，檢測磁阻，判斷是否已鉆進5m，由此計算鉆進深度。由于模擬量長距離輸出會出現(xiàn)嚴重衰減，故磁阻信號檢測到之后，在地面上再連接一個硬件電路，信號處理好之后，從232-485轉換器輸出，信號經(jīng)鉆桿內(nèi)部，再由485-232轉換器輸出，到達鉆頭頂部硬件電路上。參見圖5，為本發(fā)明的控制電路中微處理器電路，所述的微處理器電路中采用了 MSP430F149單片機，還設置了開關SI、振蕩器Yl和振蕩器Y2，其中開關SI為復位鍵，MSP430F149中的低速時鐘是由LFXTl振蕩器Yl構成，工作模式是32768Hz低頻模式，Yl通過微處理器第8引腳XIN和第9引腳XOUT與微處理器連接，高速時鐘是由XT2振蕩器Y2構成，工作頻率8MHz，通過第53引腳XT2IN和第52引腳XT20UT引腳與微處理器連接。參見圖6和圖7，本發(fā)明所述的鉆具狀態(tài)檢測電路設有ZCC212N-TTL電子羅盤和SCA60C傾角傳感器，ZCC212N-TTL的第2引腳TXD、第I引腳RXD分別與微處理器的第34引腳P3. 6、第35引腳P3. 7連接，SCA60C的第7引腳Vout 口與單片機的第59引腳P6. O 口連接。參見圖8和圖9，所述的步進電機驅動電路通過兩個相同的驅動電路驅動兩個步進電機，電路采用TLP521-4、L298N芯片，驅動步進電機A20的TLP521-4芯片的第2、4、6、8引腳分別與單片機的第47-44引腳P5. 3-P5. O連接，驅動步進電機B41的TLP521-4芯片的第2、4、6、8引腳分別與單片機的第43-40引腳P4. 7-P4. 4連接，兩個TLP521-4芯片的第
9、11、13、15引腳均分別與L298N的第12、10、7、5引腳IN4-IN1連接；
參見圖10，所述的電量檢測電路設有LM339芯片，用于檢測電源電量；
參見圖11和圖12，所述的電源穩(wěn)壓電路采用芯片7805和芯片1117將電壓穩(wěn)壓成3. 3V，采用芯片7812和芯片7805將電壓分別穩(wěn)壓在12V和5V。 實施例2 :本發(fā)明的一種應用本發(fā)明實施例I所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具的鉆進方法，具體有如下步驟
⑴準備好所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，同時準備好與鉆具配套的鉆桿，所述的鉆桿是在鉆桿外殼上每隔5m設有一增厚鐵環(huán)；
⑵將鉆具下放到煤巖需要鉆井的位置，開始鉆進時，開啟輔助氣流泵，邊鉆進邊讓輔助氣流將巖屑帶走；
⑶鉆進時由深度信號接收電路通過HMC1021Z型磁阻傳感器，檢測在鉆桿外殼每隔5m所設的增厚鐵環(huán)的磁阻，判斷是否已鉆進5m，計算鉆進深度。當磁阻信號檢測到之后，通過連接在地面上硬件電路處理信號，信號由232-485轉換器輸出，經(jīng)鉆桿內(nèi)部，再由485-232轉換器，輸出到鉆頭頂部硬件電路上；每鉆進5 m深度，微處理器接收到鉆具底部的觸發(fā)脈沖信號時，提示鉆進深度增加5m ;同時微處理器控制電子羅盤和傾角傳感器收集方位角、傾斜角信號進行處理，判斷是否與設定的值一致；
⑷當微處理器監(jiān)測到鉆進實際軌跡與設定軌跡不一致時，微處理器自動調(diào)整步進電機A20，內(nèi)齒輪23旋轉，帶動整個激光發(fā)射頭30旋轉，即內(nèi)齒輪控制激光發(fā)射頭的整體轉動，調(diào)整到達指定位置后，微處理器調(diào)整步進電機B41，凸輪旋轉，帶動激光發(fā)射頭30偏轉，即凸輪控制激光發(fā)射頭的偏向，到達指定位置，一直到鉆頭偏轉完成；
(5)完成鉆頭偏轉后，微處理器自動調(diào)整步進電機B41，凸輪旋轉到初始位置，然后，微處理器再調(diào)整步進電機A20，內(nèi)齒輪23旋轉到初始位置，等待實際軌跡和預定軌跡不一致的信號出現(xiàn)，如此循環(huán)調(diào)整，直到鉆進結束。本發(fā)明的鉆具經(jīng)使用證明，鉆頭消耗小。機械式鉆頭磨損較大，而本發(fā)明采用非接觸式破巖方式定向鉆進，有效的減少鉆頭消耗。采用本發(fā)明的鉆具及鉆進方法通過每隔5m將實際鉆孔軌跡與預設值比對自動糾偏，糾偏更精確，控向性能好，控向更準確；同時鉆進效率高，激光鉆井鉆進效率是普通的機械式鉆進效率的10 100倍。
權利要求
1.一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，其特征在于包括激光發(fā)射頭及其偏轉控制部件、偏轉執(zhí)行部件和電路部分； 所述的激光發(fā)射頭采用HIGHYAG系列產(chǎn)品； 所述的激光發(fā)射頭偏轉控制部件包含鉆桿管接頭、過渡管接頭、控制部分連接件C、軸承蓋A、光纖環(huán)A、軸承連接內(nèi)環(huán)CA、電池盒、電路板支承座、軸承連接內(nèi)環(huán)BB和集流環(huán)，所述的鉆桿管接頭與鉆桿用螺紋連接，鉆桿管接頭與過渡管接頭、外殼連接環(huán)E、外殼A、外殼連接環(huán)A、外殼B、外殼連接環(huán)B及外殼C采用螺紋順序連接；所述的控制部分連接件C與軸承連接內(nèi)環(huán)CA、控制部分底盤A、控制部分旋轉環(huán)、控制部分底盤B、軸承連接外環(huán)BB、集流環(huán)固定連接件、控制部分連接件A和軸承連接內(nèi)環(huán)CB也采用螺紋順序連接；所述的軸承蓋A固定于控制部分連接件C上，軸承蓋A中安裝有光纖環(huán)A，且用O型圈密封；所述的光纖環(huán)A固定住光纖，控制部分連接件C與光纖環(huán)A采用軸承BA連接，孔用軸承擋圈A安裝在控制部分連接件C中，固定住光纖環(huán)A ;所述的軸承連接內(nèi)環(huán)CA與外殼連接環(huán)A用軸承CA連接；所述的電池盒固定于控制部分底盤A與控制部分底盤B之間，偏重塊固定于控制部分旋轉環(huán)上；所述的電路板支承座固定于控制部分底盤A與控制部分底盤B之間，電路板支承座固定在電路板上，電路板支柱安裝在電路板支承座與電路板之間；所述的軸承連接內(nèi)環(huán)BB將光纖固定，軸承連接內(nèi)環(huán)即與軸承連接外環(huán)即用軸承即連接，孔用軸承擋圈B與孔用軸承擋圈C安裝于軸承連接外環(huán)BB中，用于固定軸承BB ;所述的集流環(huán)安裝于集流環(huán)固定連接件中，集流環(huán)用圓錐銷固定，軸承連接內(nèi)環(huán)CB與外殼連接環(huán)B用軸承CB連接，密封環(huán)A安裝于外殼連接環(huán)B與外殼連接環(huán)C之間； 所述的激光發(fā)射頭偏轉執(zhí)行部件包含外殼連接環(huán)C、外殼D、內(nèi)齒輪、步進電機和光纖連接頭固定件，所述的外殼連接環(huán)C與外殼D、外殼連接環(huán)D和鉆頭頂環(huán)螺紋順序連接，所述的內(nèi)齒輪、內(nèi)齒輪連接件、軸承連接外環(huán)CC、步進電機連接底盤B、激光器部分旋轉環(huán)和軸承連接內(nèi)環(huán)CC也采用螺紋順序連接；所述的步進電機設有步進電機A和步進電機B，步進電機A用螺釘固定于軸承連接內(nèi)環(huán)CB上，步進電機A與齒輪軸用聯(lián)軸器A連接，齒輪軸與內(nèi)齒輪嚙合傳動，軸承連接外環(huán)CC與外殼連接環(huán)C用軸承CC連接，集流環(huán)同步連接件固定于內(nèi)齒輪連接件上，并與集流環(huán)連接，以保證集流環(huán)轉子與內(nèi)齒輪同步轉動，鉆頭頂部密封環(huán)安裝在外殼連接環(huán)D與鉆頭頂環(huán)之間；步進電機B固定于步進電機連接底盤B上,步進電機B與凸輪軸用聯(lián)軸器B連接；所述的光纖連接頭固定件設有光纖連接頭固定件A、光纖連接頭固定件B、光纖連接頭固定件C和光纖連接頭固定件D，其中光纖連接頭固定件A與光纖連接頭固定件B固定于激光發(fā)射頭的一端，活動桿固定于光纖連接頭固定件B上，并插入到凸輪軸的槽中，密封環(huán)B安裝于步進電機連接底盤B與外殼連接環(huán)D之間，外殼連接環(huán)D與軸承連接內(nèi)環(huán)CC用軸承⑶連接；所述的光纖連接頭固定件D固定在激光發(fā)射頭的另一端，光纖連接頭固定件D與旋轉小軸用軸承A連接，旋轉小軸安裝于光纖連接頭固定件C中，軸端蓋固定于光纖連接頭固定件C上，軸承蓋B固定于光纖連接頭固定件D上，光纖連接頭固定件C固定于激光器部分旋轉環(huán)上； 所述的電路部分安裝在電路板上，包括控制電路、鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，其特征在于所述的步進電機A選擇型號35BY48B04四相步進電機；步進電機B選擇型號42BY48HJ75四相減速步進電機。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，其特征在于所述的控制電路設有一個微處理器電路，并由微處理器電路分別連接鉆具狀態(tài)檢測電路、鉆進深度信號接收電路、步進電機驅動電路、電量檢測電路和電源穩(wěn)壓電路； 所述的微處理器電路中采用了 MSP430F149單片機，還設置了開關SI、振蕩器Yl和振蕩器Y2，其中開關SI為復位鍵，MSP430F149中的低速時鐘是由LFXTl振蕩器Yl構成，工作模式是32768Hz低頻模式，Yl通過微處理器XIN和XOUT兩個引腳與微處理器連接，高速時鐘是由XT2振蕩器Y2構成，工作頻率8MHz，通過XT2IN和XT20UT引腳與微處理器連接； 所述的鉆具狀態(tài)檢測電路設有ZCC212N-TTL電子羅盤和SCA60C傾角傳感器，鉆具狀態(tài)檢測電路用于檢測鉆頭傾角和方位角； 所述的鉆進深度信號接收電路設有MAX3232芯片，MAX3232芯片的第10引腳T2IN、第9引腳R20UT分別與微處理器的第32引腳P3. 4、第33引腳P3. 5連接，其作為串口接收電路，將地面上的收集到的鉆進深度信號接收到微處理器中進行處理； 所述的步進電機驅動電路通過兩個相同的驅動電路分別驅動兩個步進電機，電路采用TLP521-4 和 L298N 芯片； 所述的電量檢測電路設有LM339芯片，用于檢測電源電量； 所述的電源穩(wěn)壓電路采用芯片7805和芯片1117將電壓穩(wěn)壓成3. 3V，采用芯片7812和芯片7805將電壓分別穩(wěn)壓在12V和5V。
4.一種應用權利要求I所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具的鉆進方法，其特征在于具體操作步驟如下 ⑴準備好所述的煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具，同時準備好與鉆具配套的鉆桿，所述的鉆桿是在鉆桿外殼上每隔5m設有一增厚鐵環(huán)； ⑵將鉆具下放到煤巖需要鉆井的位置，開始鉆進時，開啟輔助氣流泵，邊鉆進邊讓輔助氣流將巖屑帶走； ⑶鉆進時由深度信號接收電路通過HMC1021Z型磁阻傳感器，檢測在鉆桿外殼每隔5m設有的增厚鐵環(huán)的磁阻，判斷是否已鉆進5m，計算鉆進深度，當磁阻信號檢測到之后，通過連接在地面上硬件電路處理信號，信號由232-485轉換器輸出，經(jīng)鉆桿內(nèi)部，再由485-232轉換器，輸出到鉆頭頂部處鉆具內(nèi)的硬件電路上；每鉆進5m深度，微處理器接收到鉆具底部的觸發(fā)脈沖信號時，提示鉆進深度增加5m ;同時微處理器控制電子羅盤和傾角傳感器收集方位角、傾斜角信號進行處理，判斷是否與設定的值一致； ⑷當微處理器監(jiān)測到鉆進實際軌跡與設定軌跡不一致時，微處理器調(diào)整步進電機A，內(nèi)齒輪旋轉，帶動整個激光發(fā)射頭旋轉，到達指定位置，然后，微處理器調(diào)整步進電機B，凸輪旋轉，帶動激光發(fā)射頭偏轉，到達指定位置，一直到鉆頭偏轉完成； (5)完成鉆頭偏轉后，微處理器調(diào)整步進電機B，凸輪旋轉到初始位置，然后，微處理器再調(diào)整步進電機A，內(nèi)齒輪旋轉到初始位置，等待實際軌跡和預定軌跡不一致的信號出現(xiàn)，如此循環(huán)調(diào)整，直到鉆進結束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤層氣水平開采孔激光定向鉆進鉆具及其鉆進方法。鉆進方法即利用高能激光束使煤巖局部快速加熱，煤巖因內(nèi)應力過大而破碎，再由高速輔助氣流將煤巖巖屑攜走排除。鉆具包括激光發(fā)射頭及其偏轉控制部件和偏轉執(zhí)行部件。激光發(fā)射頭偏轉控制部件由電池盒、電路板等組成，激光發(fā)射頭偏轉執(zhí)行部件含有凸輪、齒輪。凸輪控制激光發(fā)射頭的偏向，齒輪控制激光發(fā)射頭的整體轉動。本方法是將鉆具下放到準備鉆進的鉆孔內(nèi)，利用激光破巖的原理鉆井，同時進行數(shù)據(jù)采集、存儲和處理，通過調(diào)整步進電機，控制激光發(fā)射頭的偏轉，進行自動定向糾偏鉆進。本鉆具和鉆進方法是針對煤層氣水平開采孔的定向鉆進，其鉆進效率更高，控向性更好，鉆頭消耗更少。
文檔編號E21B7/04GK102808580SQ20121028347
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者文國軍, 楊玲芝, 王玉丹, 張鵬, 韓磊, 白江浩 申請人:中國地質大學(武漢)