激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法
【專利摘要】本發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)內含有攝像頭(8)和多個激光頭(1)，鉆頭本體(3)內還含有能夠移動攝像頭(8)和/或激光頭(1)的調節架(7)，鉆頭本體(3)的頭部含有與攝像頭(8)和激光頭(1)相對應的通孔。含有該激光鉆頭的激光鉆具安裝有井下夜視系統和井上控制系統，該鉆井破巖方法解決了硬質巖層鉆采效率低，井下不可實時觀測等問題，大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節約了成本。
【專利說明】激光鉆頭、激光鉆具和鉆井破巖方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鉆井工程領域，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】
[0002]進入21世紀，經濟和社會的發展對油氣資源的需求進一步增加，而油氣生產卻受到后備儲量嚴重不足和開采難度不斷增大的嚴峻挑戰。由于油氣勘探開發不斷向深部地層發展，地質條件復雜、地層埋藏深、巖性致密、硬度高且研磨性強，導致機械鉆速低，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，已成為鉆井工程領域面臨的事關可持續發展的戰略任務。
[0003]鉆井工程是油氣藏開發中投資大、風險高的工程，它的費用占勘探開發成本的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濟效益。激光輔助機械鉆井技術的優勢主要體現在所需能量密度低，激光破碎巖石為后續機械鉆井提供有利條件。利用激光能量高、單色性、方向性強等優點，在深井中破碎硬質巖石，是輔助提高機械旋轉鉆井速度的重要途徑。因此，研宄高效破巖鉆井技術勢在必行。
[0004]美國菲利蒲石油公司用美軍II狀1激光器所作的評價激光器鉆進實驗表明，激光束等效鉆速可達50111作-60111作，而經凹面鏡改變II狀1激光器光的方向沿水平方向鉆進，等效鉆速達137.16111/11，用激光射孔，射孔深度可達61111。
[0005]20世紀60年代我國就開始了激光技術的研宄，雖未獲得成功，但積累了豐富經驗。1998年，中國科學院超短脈沖高功率激光技術研宄取得了巨大進展，為激光技術在石油鉆井中的應用打下了基礎。
[0006]近幾年國內雖有對激光鉆井領域的研宄，不過都沒有實現單獨控制每個激光頭的功率和位移，不能實現根據井下情況不同而調整激光離焦量，以達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行實時監控，這是新型鉆井技術急需解決的冋題。
【發明內容】
[0007]為了解決激光鉆頭破巖效率低的問題，本發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和井上控制系統，該鉆井破巖方法解決了硬質巖層鉆采效率低，井下不可實時觀測等問題，大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節約了成本。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種激光鉆頭，包括鉆頭本體，鉆頭本體內含有攝像頭和多個激光頭，鉆頭本體內還含有能夠移動攝像頭和/或激光頭的調節架，鉆頭本體的頭部含有與攝像頭和激光頭相對應的通孔。
[0009]鉆頭本體為鉆頭，鉆頭本體的所述頭部上含有多個切削齒，每兩個相鄰的所述切削齒之間均設有至少一個激光頭。
[0010]激光頭位于兩個所述切削齒之間的中空部位，激光頭的發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節架連接，調節架能夠驅動激光頭沿鉆頭本體的軸線方向往復移動。
[0012]攝像頭位于鉆頭本體的軸線上，調節架能夠驅動攝像頭沿鉆頭本體的軸線方向往復移動。
[0013]攝像頭為用于拍攝所述激光鉆頭鉆進方向的夜視攝像頭。
[0014]在鉆頭本體內，所述通孔中含有用于保護攝像頭的鏡頭蓋和用于保護激光頭的快門。
[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、顯示屏和調節架控制單元，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，調節架控制單元通過控制線與調節架連接。
[0016]激光控制單元能夠單獨的控制每一個激光頭的運行。
[0017]一種激光鉆具鉆井破巖方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1:向井內下入上述的激光鉆具的激光鉆頭；
[0019]步驟2:使鉆桿帶動鉆頭本體鉆進，當鉆進受阻時進行步驟3，否則鉆頭本體持續鉆進直至所需深度；
[0020]步驟3:鉆頭本體停止運轉，攝像頭啟動，根據顯示屏上顯示的巖石的形貌選擇激光頭的照射時間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調節架控制單元調整激光頭的離焦量，激光控制單元控制激光頭按照所選擇的照射時間、激光分布密度和功率發射激光束照射巖石的表面，僅改變巖石表面的溫度場和應力場并使巖石的表面產生裂紋，激光頭回到初始位置，返回至步驟2。
[0021]本發明的有益效果是，
[0022]1、采用激光照射巖石的方式削弱了巖石的強度，減少了鉆具的損耗，提高了破巖的效率。
[0023]2、從地表連續鉆進至目的層，免去起下鉆柱、更換鉆頭、打撈卡鉆管段、注水泥的施工用時，并且鉆進過程中，在井壁形成堅固的陶質層，從而免去了下金屬套管的時間。
[0024]3、地表到井底通過光纜和信號傳輸線連接，因此可運用井下夜視攝像頭或其它形式傳感器迅速準確地將井底信息傳到地面。
[0025]4、由于陶瓷井壁的存在，井內流體不能滲入地層污染周圍環境或水源，形成的陶質層井壁阻礙了地層流體流入井內，在一定程度上防止了井噴。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0027]圖1為激光鉆頭的結構示意圖。
[0028]圖2為激光鉆具的使用狀態示意圖。
[0029]圖中附圖標記: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.調節架，8.攝像頭，9.鏡頭蓋，10.快門，11.調節架控制單元，12.顯示屏，13.激光控制單元，14.鉆桿，15.巖石。
【具體實施方式】
[0030]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
[0031]一種激光鉆頭，包括鉆頭本體3，鉆頭本體3內含有攝像頭8和多個激光頭1，鉆頭本體3內還含有能夠移動攝像頭8和/或激光頭1的調節架7，鉆頭本體3的頭部含有與攝像頭8和激光頭1相對應的通孔，如圖1所示。
[0032]鉆頭本體3內含有安裝空腔，調節架7設置在該安裝空腔內，調節架7與鉆頭本體3內壁相接觸。設置調節架7后，調節架7能夠驅動攝像頭8和激光頭1沿鉆頭本體3的軸線方向(鉆頭本體3的鉆進方向)往復移動，調節攝像頭8的焦距和激光頭1的離焦量，從而解決了現有的鉆頭用于硬質巖層時鉆采效率低，井下不可實時觀測等問題。大大提高了破巖效率，減少了鉆具的損耗，節約了成本。
[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個切削齒，每兩個相鄰的所述切削齒之間均設有至少一個激光頭1，本實施例中，每兩個相鄰的所述切削齒之間均設有一個激光頭1，該激光鉆頭共含有6個柱狀的激光頭1，6個激光頭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相對應的通孔中。
[0034]具體的，激光頭1位于兩個所述切削齒之間的中空部位，激光頭1的發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的鉆進方向照射。激光頭1通過連桿2與調節架7固定連接，調節架7能夠驅動激光頭1沿鉆頭本體3的軸線方向往復移動。如圖1所示，每個激光頭1由連桿2連接，連桿2受調節架7控制，可隨調節架7同時移動；調節架7安裝在鉆頭本體3的內壁，可沿內壁上下滑動，同時帶動所有的激光頭1 一起上下移動，或者激光頭1與攝像頭8的運動是相對獨立的。如攝像頭8為現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8一個開啟的激勵信號攝像頭8便伸出，攝像頭控制單元通過信號傳輸線5再給攝像頭8一個關閉的激勵信號攝像頭8將縮回。
[0035]調節架7可以為現有的結構，如調節架7的邊緣含有行走輪和驅動電機，驅動電機能夠驅動行走輪轉動，驅動電機與調節架7固定連接，該行走輪的邊緣能夠伸出調節架7并與鉆頭本體3的內壁相接觸，驅動電機反正轉后驅動行走輪轉動從而帶動調節架7上下移動，從而帶動所有的激光頭1 一起上下移動，以調節激光頭1的離焦量。或調節架7也可以為液壓式的，調節架7包括液壓缸筒和活塞桿，連桿2與活塞桿固定連接，通過向液壓缸筒內加壓或減壓也可以控制激光頭1一起上下移動。
[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位于調節架7的中部，攝像頭8與調節架7固定連接，攝像頭8可隨調節架7上下移動，攝像頭8位于鉆頭本體3的軸線上調節架7能夠驅動攝像頭8沿鉆頭本體3的軸線方向往復移動，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方向的夜視攝像頭。
[0037]在鉆頭本體3內，所述通孔中含有用于保護攝像頭8的鏡頭蓋9和用于保護激光頭1的快門10。鏡頭蓋9應為耐高溫金屬材料制成，可對夜視攝像頭起到保護作用。鏡頭蓋9和快門10的結構基本相同均為現有結構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和調節架控制單元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，調節架控制單元11通過控制線6與調節架7連接，如圖2所示。
[0039]工作時，上述激光鉆頭位于地下，激光控制單元13、顯示屏12和調節架控制單元11位于地面，鉆桿14給鉆頭本體3傳遞動力，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傳遞到井上的顯示屏12中。在本實施例中，控制線6為電纜，調節架內含有上述的行走輪和驅動電機，控制線6與調節架控制單元11連接控制調節架7的位移，從而控制攝像頭8和/或激光頭1的上下移動。激光控制單元13能夠單獨的控制每一個激光頭1的運行。
[0040]一種激光鉆具鉆井破巖方法，包括以下步驟:
[0041]步驟1:向井內下入上述的激光鉆具的激光鉆頭，
[0042]步驟2:使鉆桿14帶動鉆頭本體3鉆進，當鉆進受阻時進行步驟3，否則鉆頭本體3持續鉆進直至所需深度；
[0043]步驟3:鉆頭本體3停止運轉，鏡頭蓋9打開，攝像頭8啟動，通過信號傳輸線5將可視信號反饋到顯示屏12上，井上工作人員根據顯示屏12上顯示的巖石15的形貌選擇激光頭1的照射時間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調節架控制單元11控制調節架7使激光頭1上下移動從而調整激光頭1的離焦量，激光控制單元13通過光纜4向每個激光頭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間、激光分布密度和功率發射激光束照射巖石15的表面，僅改變巖石15表面的溫度場和應力場使巖石15的表面的溫度場和應力場不均勾從而產生微裂紋，削弱巖石15強度，以加速巖石15破碎，為進一步的機械旋轉破巖創造有利條件，經激光頭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關閉以保護激光頭1不受損傷，調節架控制單元11控制調節架7恢復原位，即激光頭1回到初始位置，同時關閉夜視攝像頭8和鏡頭蓋9，然后，返回至步驟2 (鉆桿14帶動鉆頭本體3繼續鉆進)。
[0044]待到再次遇到堅硬成分巖石時重復步驟3，完成高效破巖。需要說明的是:本發明所述的多激光頭1照射巖石其主要貢獻不是高溫熔化、汽化作用，而是通過改變巖石表面的溫度場和應力場使其表面的溫度場和應力場不均勻從而產生微裂紋，削弱巖石強度，加速巖石破碎，為進一步的機械旋轉破巖創造有利條件，提高硬質巖層的鉆進速度。
[0045]以上所述，僅為本發明的具體實施例，不能以其限定發明實施的范圍，所以其等同組件的置換，或依本發明專利保護范圍所作的等同變化與修飾，都應仍屬于本專利涵蓋的范疇。另外，本發明中的技術特征與技術特征之間、技術特征與技術方案之間、技術方案與技術方案之間均可以自由組合使用。
【權利要求】
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)內含有攝像頭(8)和多個激光頭(I)，鉆頭本體(3)內還含有能夠移動攝像頭(8)和/或激光頭(I)的調節架(7)，鉆頭本體(3)的頭部含有與攝像頭(8)和激光頭(I)相對應的通孔。
2.根據權利要求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切削齒，每兩個相鄰的所述切削齒之間均設有至少一個激光頭⑴。
3.根據權利要求2所述的激光鉆頭，其特征在于，激光頭(I)位于兩個所述切削齒之間的中空部位，激光頭(I)的發射方向平行于鉆頭本體(3)的軸線方向。
4.根據權利要求2所述的激光鉆頭，其特征在于，激光頭(I)通過連桿(2)與調節架(7)連接，調節架(7)能夠驅動激光頭⑴沿鉆頭本體(3)的軸線方向往復移動。
5.根據權利要求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，調節架(7)能夠驅動攝像頭(8)沿鉆頭本體(3)的軸線方向往復移動。
6.根據權利要求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方向的夜視攝像頭。
7.根據權利要求1所述的激光鉆頭，其特征在于，在鉆頭本體(3)內，所述通孔中含有用于保護攝像頭(8)的鏡頭蓋(9)和用于保護激光頭(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)的下端含有權利要求1?7中任意一項權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)和調節架控制單元(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，調節架控制單元(11)通過控制線(6)與調節架(7)連接。
9.根據權利要求8所述的激光鉆具，其特征在于，激光控制單元(13)能夠單獨的控制每一個激光頭(I)的運行。
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:向井內下入權利要求8或9所述的激光鉆具的激光鉆頭； 步驟2:使鉆桿(14)帶動鉆頭本體(3)鉆進，當鉆進受阻時進行步驟3，否則鉆頭本體(3)持續鉆進直至所需深度； 步驟3:鉆頭本體(3)停止運轉，攝像頭(8)啟動，根據顯示屏(12)上顯示的巖石(15)的形貌選擇激光頭(I)的照射時間、激光分布密度、功率以及離焦量，通過調節架控制單元(II)調整激光頭(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間、激光分布密度和功率發射激光束照射巖石(15)的表面，僅改變巖石(15)表面的溫度場和應力場并使巖石(15)的表面產生裂紋，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 優先權日:2014年12月12日
【發明者】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