激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法，所述激光鉆頭包括鉆頭本體(3)，鉆頭本體(3)內(nèi)含有攝像頭(8)和多個(gè)激光頭(1)，鉆頭本體(3)內(nèi)還含有能夠移動(dòng)攝像頭(8)和/或激光頭(1)的調(diào)節(jié)架(7)，鉆頭本體(3)的頭部含有與攝像頭(8)和激光頭(1)相對應(yīng)的通孔。含有該激光鉆頭的激光鉆具安裝有井下夜視系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)，該鉆井破巖方法解決了硬質(zhì)巖層鉆采效率低，井下不可實(shí)時(shí)觀測等問題，大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節(jié)約了成本。
【專利說明】激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鉆井工程領(lǐng)域，具體是一種激光鉆頭，還是一種含有該激光鉆頭的激光鉆具，更是一種使用該激光鉆具的鉆井破巖方法。

【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展對油氣資源的需求進(jìn)一步增加，而油氣生產(chǎn)卻受到后備儲量嚴(yán)重不足和開采難度不斷增大的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于油氣勘探開發(fā)不斷向深部地層發(fā)展，地質(zhì)條件復(fù)雜、地層埋藏深、巖性致密、硬度高且研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井周期長，成本居高不下。因此，提高鉆井效率、縮短鉆井周期、提高鉆井效益是目前鉆井工程界致力解決并研宄的重大科研課題，已成為鉆井工程領(lǐng)域面臨的事關(guān)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)。
[0003]鉆井工程是油氣藏開發(fā)中投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的工程，它的費(fèi)用占勘探開發(fā)成本的50%以上。破巖效率直接決定著鉆井速度和成本，更決定著鉆井工程的經(jīng)濟(jì)效益。激光輔助機(jī)械鉆井技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在所需能量密度低，激光破碎巖石為后續(xù)機(jī)械鉆井提供有利條件。利用激光能量高、單色性、方向性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在深井中破碎硬質(zhì)巖石，是輔助提高機(jī)械旋轉(zhuǎn)鉆井速度的重要途徑。因此，研宄高效破巖鉆井技術(shù)勢在必行。
[0004]美國菲利蒲石油公司用美軍II狀1激光器所作的評價(jià)激光器鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，激光束等效鉆速可達(dá)50111作-60111作，而經(jīng)凹面鏡改變II狀1激光器光的方向沿水平方向鉆進(jìn)，等效鉆速達(dá)137.16111/11，用激光射孔，射孔深度可達(dá)61111。
[0005]20世紀(jì)60年代我國就開始了激光技術(shù)的研宄，雖未獲得成功，但積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。1998年，中國科學(xué)院超短脈沖高功率激光技術(shù)研宄取得了巨大進(jìn)展，為激光技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
[0006]近幾年國內(nèi)雖有對激光鉆井領(lǐng)域的研宄，不過都沒有實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制每個(gè)激光頭的功率和位移，不能實(shí)現(xiàn)根據(jù)井下情況不同而調(diào)整激光離焦量，以達(dá)到最佳破巖效率的目的，破巖效率提高不明顯，而且無法對井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這是新型鉆井技術(shù)急需解決的冋題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決激光鉆頭破巖效率低的問題，本發(fā)明提供了一種激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法，含有該激光鉆頭的激光鉆具安裝有井下夜視系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)，該鉆井破巖方法解決了硬質(zhì)巖層鉆采效率低，井下不可實(shí)時(shí)觀測等問題，大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節(jié)約了成本。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種激光鉆頭，包括鉆頭本體，鉆頭本體內(nèi)含有攝像頭和多個(gè)激光頭，鉆頭本體內(nèi)還含有能夠移動(dòng)攝像頭和/或激光頭的調(diào)節(jié)架，鉆頭本體的頭部含有與攝像頭和激光頭相對應(yīng)的通孔。
[0009]鉆頭本體為鉆頭，鉆頭本體的所述頭部上含有多個(gè)切削齒，每兩個(gè)相鄰的所述切削齒之間均設(shè)有至少一個(gè)激光頭。
[0010]激光頭位于兩個(gè)所述切削齒之間的中空部位，激光頭的發(fā)射方向平行于鉆頭本體的軸線方向。
[0011]激光頭通過連桿與調(diào)節(jié)架連接，調(diào)節(jié)架能夠驅(qū)動(dòng)激光頭沿鉆頭本體的軸線方向往復(fù)移動(dòng)。
[0012]攝像頭位于鉆頭本體的軸線上，調(diào)節(jié)架能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭沿鉆頭本體的軸線方向往復(fù)移動(dòng)。
[0013]攝像頭為用于拍攝所述激光鉆頭鉆進(jìn)方向的夜視攝像頭。
[0014]在鉆頭本體內(nèi)，所述通孔中含有用于保護(hù)攝像頭的鏡頭蓋和用于保護(hù)激光頭的快門。
[0015]一種激光鉆具，包括鉆桿，鉆桿的下端含有上述的激光鉆頭，所述激光鉆具還包括激光控制單元、顯示屏和調(diào)節(jié)架控制單元，激光控制單元通過光纜與激光頭連接，顯示屏通過信號傳輸線與攝像頭連接，調(diào)節(jié)架控制單元通過控制線與調(diào)節(jié)架連接。
[0016]激光控制單元能夠單獨(dú)的控制每一個(gè)激光頭的運(yùn)行。
[0017]一種激光鉆具鉆井破巖方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:向井內(nèi)下入上述的激光鉆具的激光鉆頭；
[0019]步驟2:使鉆桿帶動(dòng)鉆頭本體鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)受阻時(shí)進(jìn)行步驟3，否則鉆頭本體持續(xù)鉆進(jìn)直至所需深度；
[0020]步驟3:鉆頭本體停止運(yùn)轉(zhuǎn)，攝像頭啟動(dòng)，根據(jù)顯示屏上顯示的巖石的形貌選擇激光頭的照射時(shí)間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調(diào)節(jié)架控制單元調(diào)整激光頭的離焦量，激光控制單元控制激光頭按照所選擇的照射時(shí)間、激光分布密度和功率發(fā)射激光束照射巖石的表面，僅改變巖石表面的溫度場和應(yīng)力場并使巖石的表面產(chǎn)生裂紋，激光頭回到初始位置，返回至步驟2。
[0021]本發(fā)明的有益效果是，
[0022]1、采用激光照射巖石的方式削弱了巖石的強(qiáng)度，減少了鉆具的損耗，提高了破巖的效率。
[0023]2、從地表連續(xù)鉆進(jìn)至目的層，免去起下鉆柱、更換鉆頭、打撈卡鉆管段、注水泥的施工用時(shí)，并且鉆進(jìn)過程中，在井壁形成堅(jiān)固的陶質(zhì)層，從而免去了下金屬套管的時(shí)間。
[0024]3、地表到井底通過光纜和信號傳輸線連接，因此可運(yùn)用井下夜視攝像頭或其它形式傳感器迅速準(zhǔn)確地將井底信息傳到地面。
[0025]4、由于陶瓷井壁的存在，井內(nèi)流體不能滲入地層污染周圍環(huán)境或水源，形成的陶質(zhì)層井壁阻礙了地層流體流入井內(nèi)，在一定程度上防止了井噴。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0027]圖1為激光鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為激光鉆具的使用狀態(tài)示意圖。
[0029]圖中附圖標(biāo)記:1.激光頭，2.連桿，3.鉆頭本體，4.光纜，5.信號傳輸線，6.控制線，7.調(diào)節(jié)架，8.攝像頭，9.鏡頭蓋，10.快門，11.調(diào)節(jié)架控制單元，12.顯示屏，13.激光控制單元，14.鉆桿，15.巖石。

【具體實(shí)施方式】
[0030]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0031]一種激光鉆頭，包括鉆頭本體3，鉆頭本體3內(nèi)含有攝像頭8和多個(gè)激光頭1，鉆頭本體3內(nèi)還含有能夠移動(dòng)攝像頭8和/或激光頭1的調(diào)節(jié)架7，鉆頭本體3的頭部含有與攝像頭8和激光頭1相對應(yīng)的通孔，如圖1所示。
[0032]鉆頭本體3內(nèi)含有安裝空腔，調(diào)節(jié)架7設(shè)置在該安裝空腔內(nèi)，調(diào)節(jié)架7與鉆頭本體3內(nèi)壁相接觸。設(shè)置調(diào)節(jié)架7后，調(diào)節(jié)架7能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭8和激光頭1沿鉆頭本體3的軸線方向(鉆頭本體3的鉆進(jìn)方向)往復(fù)移動(dòng)，調(diào)節(jié)攝像頭8的焦距和激光頭1的離焦量，從而解決了現(xiàn)有的鉆頭用于硬質(zhì)巖層時(shí)鉆采效率低，井下不可實(shí)時(shí)觀測等問題。大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節(jié)約了成本。
[0033]鉆頭本體3為鉆頭，鉆頭本體3的所述頭部(圖1中的下端)上含有6個(gè)切削齒，每兩個(gè)相鄰的所述切削齒之間均設(shè)有至少一個(gè)激光頭1，本實(shí)施例中，每兩個(gè)相鄰的所述切削齒之間均設(shè)有一個(gè)激光頭1，該激光鉆頭共含有6個(gè)柱狀的激光頭1，6個(gè)激光頭1沿鉆頭本體3的周向均勻分布，激光頭1的上端設(shè)置在所述安裝空腔中，激光頭1的下端插接于所述與激光頭1相對應(yīng)的通孔中。
[0034]具體的，激光頭1位于兩個(gè)所述切削齒之間的中空部位，激光頭1的發(fā)射方向平行于鉆頭本體3的軸線方向，即激光頭1能夠朝鉆頭本體3的鉆進(jìn)方向照射。激光頭1通過連桿2與調(diào)節(jié)架7固定連接，調(diào)節(jié)架7能夠驅(qū)動(dòng)激光頭1沿鉆頭本體3的軸線方向往復(fù)移動(dòng)。如圖1所示，每個(gè)激光頭1由連桿2連接，連桿2受調(diào)節(jié)架7控制，可隨調(diào)節(jié)架7同時(shí)移動(dòng)；調(diào)節(jié)架7安裝在鉆頭本體3的內(nèi)壁，可沿內(nèi)壁上下滑動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)所有的激光頭1 一起上下移動(dòng)，或者激光頭1與攝像頭8的運(yùn)動(dòng)是相對獨(dú)立的。如攝像頭8為現(xiàn)有的可能夠伸縮攝像頭，攝像頭8還連接有攝像頭控制單元，攝像頭控制單元通過信號傳輸線5與攝像頭8連接，攝像頭控制單元通過信號傳輸線5給攝像頭8一個(gè)開啟的激勵(lì)信號攝像頭8便伸出，攝像頭控制單元通過信號傳輸線5再給攝像頭8一個(gè)關(guān)閉的激勵(lì)信號攝像頭8將縮回。
[0035]調(diào)節(jié)架7可以為現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，如調(diào)節(jié)架7的邊緣含有行走輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與調(diào)節(jié)架7固定連接，該行走輪的邊緣能夠伸出調(diào)節(jié)架7并與鉆頭本體3的內(nèi)壁相接觸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反正轉(zhuǎn)后驅(qū)動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)調(diào)節(jié)架7上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)所有的激光頭1 一起上下移動(dòng)，以調(diào)節(jié)激光頭1的離焦量?；蛘{(diào)節(jié)架7也可以為液壓式的，調(diào)節(jié)架7包括液壓缸筒和活塞桿，連桿2與活塞桿固定連接，通過向液壓缸筒內(nèi)加壓或減壓也可以控制激光頭1一起上下移動(dòng)。
[0036]攝像頭8位于鉆頭本體3的軸線上，即如圖1所示，攝像頭8位于調(diào)節(jié)架7的中部，攝像頭8與調(diào)節(jié)架7固定連接，攝像頭8可隨調(diào)節(jié)架7上下移動(dòng)，攝像頭8位于鉆頭本體3的軸線上調(diào)節(jié)架7能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭8沿鉆頭本體3的軸線方向往復(fù)移動(dòng)，攝像頭8用于觀察井下巖石形貌，攝像頭8為用于拍攝所述激光鉆頭鉆進(jìn)方向的夜視攝像頭。
[0037]在鉆頭本體3內(nèi)，所述通孔中含有用于保護(hù)攝像頭8的鏡頭蓋9和用于保護(hù)激光頭1的快門10。鏡頭蓋9應(yīng)為耐高溫金屬材料制成，可對夜視攝像頭起到保護(hù)作用。鏡頭蓋9和快門10的結(jié)構(gòu)基本相同均為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)打開方式也基本相同。
[0038]一種激光鉆具，包括鉆桿14，鉆桿14的下端固定有述的激光鉆頭，所述激光鉆具還包括激光控制單元13、顯示屏12和調(diào)節(jié)架控制單元11，激光控制單元13通過光纜4與激光頭1連接，顯示屏12通過信號傳輸線5與攝像頭8連接，調(diào)節(jié)架控制單元11通過控制線6與調(diào)節(jié)架7連接，如圖2所示。
[0039]工作時(shí)，上述激光鉆頭位于地下，激光控制單元13、顯示屏12和調(diào)節(jié)架控制單元11位于地面，鉆桿14給鉆頭本體3傳遞動(dòng)力，光纜4的作用為給激光頭1輸送能量。信號傳輸線5作用將夜視攝像頭的畫面?zhèn)鬟f到井上的顯示屏12中。在本實(shí)施例中，控制線6為電纜，調(diào)節(jié)架內(nèi)含有上述的行走輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制線6與調(diào)節(jié)架控制單元11連接控制調(diào)節(jié)架7的位移，從而控制攝像頭8和/或激光頭1的上下移動(dòng)。激光控制單元13能夠單獨(dú)的控制每一個(gè)激光頭1的運(yùn)行。
[0040]一種激光鉆具鉆井破巖方法，包括以下步驟:
[0041]步驟1:向井內(nèi)下入上述的激光鉆具的激光鉆頭，
[0042]步驟2:使鉆桿14帶動(dòng)鉆頭本體3鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)受阻時(shí)進(jìn)行步驟3，否則鉆頭本體3持續(xù)鉆進(jìn)直至所需深度；
[0043]步驟3:鉆頭本體3停止運(yùn)轉(zhuǎn)，鏡頭蓋9打開，攝像頭8啟動(dòng)，通過信號傳輸線5將可視信號反饋到顯示屏12上，井上工作人員根據(jù)顯示屏12上顯示的巖石15的形貌選擇激光頭1的照射時(shí)間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調(diào)節(jié)架控制單元11控制調(diào)節(jié)架7使激光頭1上下移動(dòng)從而調(diào)整激光頭1的離焦量，激光控制單元13通過光纜4向每個(gè)激光頭1傳送能量，快門10打開，激光控制單元13控制激光頭1按照所選擇的照射時(shí)間、激光分布密度和功率發(fā)射激光束照射巖石15的表面，僅改變巖石15表面的溫度場和應(yīng)力場使巖石15的表面的溫度場和應(yīng)力場不均勾從而產(chǎn)生微裂紋，削弱巖石15強(qiáng)度，以加速巖石15破碎，為進(jìn)一步的機(jī)械旋轉(zhuǎn)破巖創(chuàng)造有利條件，經(jīng)激光頭1照射后，激光控制單元13停止對激光頭1提供能量，快門10關(guān)閉以保護(hù)激光頭1不受損傷，調(diào)節(jié)架控制單元11控制調(diào)節(jié)架7恢復(fù)原位，即激光頭1回到初始位置，同時(shí)關(guān)閉夜視攝像頭8和鏡頭蓋9，然后，返回至步驟2 (鉆桿14帶動(dòng)鉆頭本體3繼續(xù)鉆進(jìn))。
[0044]待到再次遇到堅(jiān)硬成分巖石時(shí)重復(fù)步驟3，完成高效破巖。需要說明的是:本發(fā)明所述的多激光頭1照射巖石其主要貢獻(xiàn)不是高溫熔化、汽化作用，而是通過改變巖石表面的溫度場和應(yīng)力場使其表面的溫度場和應(yīng)力場不均勻從而產(chǎn)生微裂紋，削弱巖石強(qiáng)度，加速巖石破碎，為進(jìn)一步的機(jī)械旋轉(zhuǎn)破巖創(chuàng)造有利條件，提高硬質(zhì)巖層的鉆進(jìn)速度。
[0045]以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，不能以其限定發(fā)明實(shí)施的范圍，所以其等同組件的置換，或依本發(fā)明專利保護(hù)范圍所作的等同變化與修飾，都應(yīng)仍屬于本專利涵蓋的范疇。另外，本發(fā)明中的技術(shù)特征與技術(shù)特征之間、技術(shù)特征與技術(shù)方案之間、技術(shù)方案與技術(shù)方案之間均可以自由組合使用。
【權(quán)利要求】
1.一種激光鉆頭，其特征在于，所述激光鉆頭包括鉆頭本體(3)，鉆頭本體(3)內(nèi)含有攝像頭(8)和多個(gè)激光頭(I)，鉆頭本體(3)內(nèi)還含有能夠移動(dòng)攝像頭(8)和/或激光頭(I)的調(diào)節(jié)架(7)，鉆頭本體(3)的頭部含有與攝像頭(8)和激光頭(I)相對應(yīng)的通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鉆頭，其特征在于，鉆頭本體(3)為PDC鉆頭，鉆頭本體(3)的所述頭部上含有多個(gè)切削齒，每兩個(gè)相鄰的所述切削齒之間均設(shè)有至少一個(gè)激光頭⑴。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光鉆頭，其特征在于，激光頭(I)位于兩個(gè)所述切削齒之間的中空部位，激光頭(I)的發(fā)射方向平行于鉆頭本體(3)的軸線方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光鉆頭，其特征在于，激光頭(I)通過連桿(2)與調(diào)節(jié)架(7)連接，調(diào)節(jié)架(7)能夠驅(qū)動(dòng)激光頭⑴沿鉆頭本體(3)的軸線方向往復(fù)移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鉆頭，其特征在于，攝像頭(8)位于鉆頭本體(3)的軸線上，調(diào)節(jié)架(7)能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭(8)沿鉆頭本體(3)的軸線方向往復(fù)移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鉆頭，其特征在于，攝像頭(8)為用于拍攝所述激光鉆頭鉆進(jìn)方向的夜視攝像頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光鉆頭，其特征在于，在鉆頭本體(3)內(nèi)，所述通孔中含有用于保護(hù)攝像頭(8)的鏡頭蓋(9)和用于保護(hù)激光頭(I)的快門(10)。
8.—種激光鉆具，其特征在于，所述激光鉆具包括鉆桿(14)，鉆桿(14)的下端含有權(quán)利要求1?7中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光鉆頭，所述激光鉆具還包括激光控制單元(13)、顯示屏(12)和調(diào)節(jié)架控制單元(11)，激光控制單元(13)通過光纜⑷與激光頭(I)連接，顯示屏(12)通過信號傳輸線(5)與攝像頭(8)連接，調(diào)節(jié)架控制單元(11)通過控制線(6)與調(diào)節(jié)架(7)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光鉆具，其特征在于，激光控制單元(13)能夠單獨(dú)的控制每一個(gè)激光頭(I)的運(yùn)行。
10.一種激光鉆具鉆井破巖方法，其特征在于，激光鉆具鉆井破巖方法包括以下步驟: 步驟1:向井內(nèi)下入權(quán)利要求8或9所述的激光鉆具的激光鉆頭； 步驟2:使鉆桿(14)帶動(dòng)鉆頭本體(3)鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)受阻時(shí)進(jìn)行步驟3，否則鉆頭本體(3)持續(xù)鉆進(jìn)直至所需深度； 步驟3:鉆頭本體(3)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，攝像頭(8)啟動(dòng)，根據(jù)顯示屏(12)上顯示的巖石(15)的形貌選擇激光頭(I)的照射時(shí)間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調(diào)節(jié)架控制單元(II)調(diào)整激光頭(I)的離焦量，激光控制單元(13)控制激光頭(I)按照所選擇的照射時(shí)間、激光分布密度和功率發(fā)射激光束照射巖石(15)的表面，僅改變巖石(15)表面的溫度場和應(yīng)力場并使巖石(15)的表面產(chǎn)生裂紋，激光頭(I)回到初始位置，返回至步驟2。
【文檔編號】E21B7/00GK104499943SQ201410769021
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】韓彬, 張世一, 王勇, 李美艷, 李璐 申請人:中國石油天然氣股份有限公司