一种激光钻井试验装置及试验方法与流程

1.本发明属于石油天然气、地质钻井工程领域，涉及一种激光钻井试验装置；
2.本发明还涉及一种激光钻井试验方法。


背景技术：

3.随着石油钻井工况不断复杂化和民用激光技术突飞猛进，激光破岩钻井技术极有可能是未来助推石油钻井跨越式发展的重要技术之一，该技术利用激光束的高能使岩石局部快速加热，产生气液固多相混合物，这将改善岩石可钻性，实现破岩提速。
4.目前，激光钻井理论研究所需试验试验装置尚不完备，激光钻井试验方法尚不系统性，难以保证激光钻井试验科学、安全的开展。现有的激光钻井试验装置仅可用于激光照射破岩，或机械钻头破岩独立单元试验。如分别采用现有的激光钻井试验装置或现有的钻头试验台架进行激光钻井试验，会导致激光破岩数据与机械钻井破岩数据分离，实时关联性不强，难以综合分析激光破岩时激光光热效应对岩石可钻性的影响和钻头切削岩石结构力作用的实际钻井工况产生指导意义。另一方面，常规钻头试验采用清水方式处理岩屑，这方式也会衰减甚至屏蔽激光照射能量，阻碍高能激光传播，污染激光镜组，甚至严重损坏激光镜组。因此，研究出一种能够科学的、安全的模拟井下激光钻井试验装置是推动激光钻井理论发展，提高激光钻井技术研究函待解决的问题。
5.目前激光钻井技术尚不成熟，需继续开展试验来研究激光钻进破岩机理和规律。为此，针对常规激光钻井试验装置在系统性、准确性和安全性方面的不足，提出一种全新的激光钻井试验装置，它主要涉及激光、机械、控制和和流体循环等系统组合，该装置能够系统地实时模拟纯激光、纯机械、激光与机械耦合等激光照射及钻头机械切削岩石的三种工况，并获取光-机联合作用下的具有良好光-机关联性的、准确的破岩试验数据，对后期分析激光钻进的影响因素以及激光钻井钻头结构优化提供基础数据和理论。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种激光钻井试验装置，利用该装置进行激光钻井试验采集到钻井参数的方法，为解决现有技术中激光数据和破岩参数不能同步获取、准确性低和安全性不足的问题。
7.本发明的另一个目的是提供一种激光钻井试验方法。
8.本发明所采用的的第一个技术方案是，一种激光钻井试验装置，包括试验操作台、激光钻井试验台架主体、激光钻井工具、岩石和冷却除尘设备；
9.试验操作台设置有操作面板，是集机械传动系统、液压系统、电控系统、流体清洁系统、数据采集处理系统、视频采集系统、激光控制系统、试验报告/文件包为一体，其中机械传动系统和液压系统连接激光钻井试验台架主体和激光钻井工具是电控系统连接并控制机械传动系统设备和液压系统设备，流体清洁系统连接激光钻井试验台架主体和冷却除尘设备；该装置操作控制简单、方便。
10.本发明的第一个技术方案的特点还在于：
11.其中激光钻井试验台架主体，包括台架本体、钻杆和旋转工作平台；其中，台架本体的上部连接钻杆，其中部扶正器，其下部设置的旋转工作平台为回转盘；钻杆的转动是由机械传动系统中的差速器连接无级调速电机拖动，钻杆的升降是由液压系统中液压泵的油缸伸缩控制，其转动的速度、扭矩、升降的行程和下降钻压等参数由数据采集处理系统的转速载荷传感器、扭矩载荷传感器、拉绳式位移传感器和钻压载荷传感器等测量；旋转工作平台的转动是通过机械传动系统中的涡轮涡杆连接的无级调速电机来拖动，转动速度参数由数据采集处理系统的载荷传感器测量；
12.其中激光钻井工具主要包括激光短节，激光钻头，连接接头，准光学镜组，高纯清洁设备，高能激光器，光纤，激光头，冷却机，高压纯氮气、氮气设备；激光钻井工具上段的连接接头以reg型连接钻杆，其下段的激光钻头与岩石接触；其中，激光短节分别连接激光钻头和reg型连接接头；激光短节内腔设置有准光学镜组、激光头和光纤，激光短节内腔固定准光学镜组，在准光学镜组上固定激光头；光纤的一端连接在激光头，其另一端连接在高能激光器和冷却机，由高纯清洁设备的氮气设备提供高压纯氮气的高纯清洁设备通过高压气管连接到激光短节内腔的清洁流道及相应腔壁上的进口；空压机设备通过高压气管连接激光短节内腔的冷却流道及相应腔壁上的进口；
13.其中冷却除尘设备包括空压机，吸尘机。其中，提供高压清洁空气的空压机通过高压气管连接激光短节内腔的冷却流道、激光钻头喷嘴；吸尘机的吸尘罩是通过吸管连接吸尘机，安放在岩石的待破碎面上。
14.本发明所采用的第二个技术方案是，一种激光钻井试验方法，采用上述一种激光钻井试验装置进行钻进试验，其具体方法是将机械传动、液压传动、电气控制、流体清洁、数据采集处理、视频采集和激光控制等集成在试验台架主体上成为一体化试验装置；试验时，试验装置中的机械传动系统驱动旋转工作平台及固定在工作平台上的岩石一起旋转，同时试验装置里液压系统的液缸作用于钻杆，钻杆带动激光钻井工具一起下降至与岩石接触，同时钻杆将钻压传递至激光钻头上使其切削齿吃入起剪切作用；另外激光发生器产生的激光束通过光纤传输到激光短节的激光头射出，穿过激光光学镜组后调节激光光束的形状和偏转角度，使激光照射在岩石上，与机械钻头共同作用，起到加快破碎带强研磨性页岩硬地层岩石的作用。激光破岩试验中，由空压设备提供高压水作为系统清洁介质，将高压水通过钻杆、连接接头、激光短节、激光钻头的流道和喷嘴，最后喷射在待破碎岩石表面，对钻头的切削齿进行冷却并及时携带走已破碎的岩屑；同法，如果采用高压空气作介质后，最后通过吸尘机的吸尘罩吸走岩石上的灰尘；在同时激光钻头钻进过程中，数据采集处理系统和视频采集系统也在对激光破岩进行数据采集和视频录入，形成数据文件包并生成试验报告。
15.本发明的有益效果是：
16.本发明的一种激光钻井试验装置提供了可同时实现激光破岩、机械破岩的激光钻井试验装置，获得激光钻井时光-机耦合作用下的钻井试验数据，保证了激光破岩试验的科学性、安全性及数据的准确性；
17.本发明的一种激光钻井试验方法利用激光钻井试验装置，提供了一套规范的激光钻井的试验方法，通过数据采集系统、视频采集系统能够得到了激光钻井试验的实时的多维度数据结果，保证了数据的准确性、完整性及试验的安全性。
附图说明
18.图1是本发明一的种激光钻井试验装置的结构示意图；
19.图2是本发明的一种激光钻井试验方法的原理图；
20.图3是本发明一种激光钻井试验方法的数据采集处理系统图。
21.图中，1.试验操作台，101.操作面板，102.机械传动系统，103.液压系统，104.电控系统，105.流体清洁系统，106.数据采集处理系统，106-1.时间，106-2.钻压，106-3.转速，106-4.扭矩，106-5.荷载，106-6.进尺，106-7.泵压，106-8.温度，107.视频采集系统，视频107-1，108.激光控制系统，108-1.激光路数，108-2.激光功率，109.试验报告/文件包，2.激光钻井试验台架主体，201.台架本体，202.钻杆，203.旋转工作平台，3.激光钻井工具，301.激光短节，302.激光钻头，303.连接接头，304准光学镜组，305.高纯清洁设备，306.高能激光器，307.光纤，308.激光头，309.冷却机，310.高压纯氮气，311.氮气设备，4.岩石，5.清洁系统，501.空压机，502.吸尘机。
具体实施方式
22.下面结合附图，对本发明具体实施方式进行详细说明。
23.如图1所示，本发明提供了一种激光钻井试验装置，包括试验操作台1，激光钻井试验台架主体2，激光钻井工具3，岩石4和冷却除尘设备5；
24.试验操作台设置有操作面板101，是集机械传动系统102、液压系统103、电控系统104、流体清洁系统105、数据采集处理系统106、视频采集系统107、激光控制系统108、试验报告/文件包109为一体；试验操作台1连接激光钻井试验台架主体2、激光钻井工具3和冷却除尘设备5；机械传动系统102和液压系统103连接激光钻井试验台架主体2和激光钻井工具3是电控系统104连接并控制机械传动系统设备和液压系统设备，流体清洁系统105连接激光钻井试验台架主体2和冷却除尘设备5。所以试验操作台1操作控制简单方便；
25.激光钻井试验台架主体2包括台架本体201，钻杆202，旋转工作平台203；台架本体201的上部连接钻杆202，其中部扶正器，其下部设置旋转工作平台203为转盘，钻杆202的转动是由机械传动系统102中的差速器连接无级调速电机拖动，钻杆202的升降是由液压系统103中液压泵的油缸伸缩控制，其转动的速度、扭矩、升降的行程和下降钻压等参数由数据采集处理系统106的转速载荷传感器、扭矩载荷传感器、拉绳式位移传感器和钻压载荷传感器等测量；旋转工作平台203的转动是通过机械传动系统102中的涡轮涡杆连接的无级调速电机来拖动，转动的速度参数由数据采集处理系统的载荷传感器测量；
26.激光钻井工具主要包括激光短节301，激光钻头302，连接接头303，准光学镜组304，高纯清洁设备305，高能激光器306，光纤307，激光头308，冷却机309，高压纯氮气310，氮气设备311。激光钻井工具3上段的连接接头303以4 1/2reg螺纹连接钻杆202，其下段的激光钻头302与岩石4接触。其中，激光短节以reg型螺纹连接激光钻头302和连接接头303；激光短节内301腔设置有准光学镜组304、激光头308和光纤307，激光短节301内腔固定准光学镜组304，在准光学镜组304上固定激光头308；光纤307的一端连接在激光头308，另一端连接在高能激光器306和冷却机309，由高纯清洁设备的氮气设备311提供高压纯氮气的高纯清洁设备通过高压气管连接到激光短节301内腔的清洁流道及相应腔壁上的进口；空压机设备通过高压气管连接激光短节301内腔的冷却流道及相应腔壁上的进口。
27.冷却除尘设备5包括空压机501，吸尘机502；其中提供高压清洁空气的空压机501通过高压气管连接激光短节301内腔的冷却流道、激光钻头302喷嘴；吸尘机502的吸尘罩是通过吸管连接吸尘机，安放在岩石4的待破碎面上。
28.本发明还提供了一种激光钻井试验方法，如图2所示，采用上述一种激光钻井试验装置，具体按照如下步骤操作：
29.步骤1，启动；首先启动流体清洁系统105和冷却除尘设备5，确保各路流体通道的畅通，正常循环，起到清洁激光头、冷却钻头、及时携带走破碎岩屑、吸走岩尘的作用；然后分别启动机械传动系统102和液压系统103的电机，调整传动和液压来控制钻杆202的旋转和向下钻进；最后启动高能激光发生器306和冷却机309，开启的激光发射器306，使激光光束经光纤307传输、准光学镜组304整形、偏向后照射到旋转工作平台203上的岩石4；
30.步骤2，如图3所示，参数设置；根据试验方案里内容要求，输入模拟钻井参数值，分组调整激光钻头302与待破碎岩石4面之间距离至规定的位移值；分别设置工作时间106-1、钻井参数、流体压力106-7、激光器光路数106-10及每路功率106-11各个参数；
31.步骤3，控制、测试；是针对研磨性强页岩硬地层岩石4的岩性，在激光照射和切削齿吃入共同作用下，缓慢调节由低到高的钻压106-2、由慢到快的转速106-3和高能激光发生器306总功率等参数值，经过操作优化后测试出时间106-1和进尺106-6，换算得到的机械钻速为最大值时，为加快岩石破碎的最佳效果，即最佳的钻井参数；
32.步骤4，提钻，快升钻杆202，使激光钻头302脱离岩石4；
33.步骤5，关闭，与启动顺序相反；首先，关闭高能激光发生器306，然后，钻压106-2压力调零后关闭液压系统103，转速106-3调零后关闭机械传动系统102，停止旋转工作台203；其次，确保携带岩石4的岩屑和吸走岩石4的岩尘后，关闭高纯清洁设备305、空压机501和吸尘机502；
34.步骤6，记录、整理测试数据；数据采集处理系统106生成时间106-1、钻压106-2、转速106-3、扭矩106-4、载荷106-5、进尺106-6、泵压106-7、温度106-8等检测数据；视频采集系统107录入视频107-1；激光控制系统108生成激光路数108-1和激光功率108-2数据；测量岩石井底尺寸；各个参数测试数据汇聚整理，形成试验报告/文件包109；
35.步骤7，根据试验方案，重复上述试验步骤，分别进行纯激光破岩或纯机械破岩的方式钻进试验，可获得钻井试验测试的对比数据。
36.通过以上操作步骤，实现了激光钻井试验，得到激光钻井试验测试数据，有效解决了激光钻井试验参数测试的难题。钻遇钻进效率低和钻井效果差的页岩气复杂地层时，为能够提速提效的激光钻井新方法提供试验支撑。该试验装置操作简单方便，可以反复使用，可有效降低钻井试验成本。

技术特征：
1.一种激光钻井试验装置，其特征在于，包括试验操作台(1)，激光钻井试验台架主体(2)，激光钻井工具(3)和冷却除尘设备(5)，试验操作台(1)分别连接激光钻井试验台架主体(2)、激光钻井工具(3)和冷却除尘设备(5)。2.根据权利要求1所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，所述试验操作台(1)设置有操作面板(101)，操作面板(101)集机械传动系统(102)、液压系统(103)、电控系统(104)、流体清洁系统(105)、数据采集处理系统(106)、视频采集系统(107)、激光控制系统(108)、试验报告/文件包(109)为一体，机械传动系统(102)和液压系统(103)分别连接激光钻井试验台架主体(2)和激光钻井工具(3)，流体清洁系统(105)连接激光钻井试验台架主体(2)和冷却除尘设备(5)。3.根据权利要求2所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，所述激光钻井试验台架主体(2)包括台架本体(201)、钻杆(202)和旋转工作平台(203)；台架本体(201)的上部连接钻杆(202)，台架本体(201)中部设有扶正器，台架本体(201)下部连接旋转工作平台(203)，钻杆(202)分别连接机械传动系统(102)和液压系统(103)。4.根据权利要求3所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，所述机械传动系统(102)通过差速器连接有无级调速电机，无级调速电机连接钻杆(202)，驱动钻杆(202)的转动；机械传动系统(102)通涡轮涡杆连接无级调速电机，蜗轮蜗杆连接旋转工作平台(203)；数据采集处理系统(106)用于采集钻杆(202)和旋转工作平台(203)的转动参数。5.根据权利要求1或3所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，所述激光钻井工具(3)包括激光短节(301)，激光钻头(302)，连接接头(303)，准光学镜组(304)，高纯清洁设备(305)，高能激光器(306)，光纤(307)，激光头(308)，冷却机(309)，高压纯氮气(310)，氮气设备(311)；连接接头(303)位于激光钻井工具(3)的上段，连接接头(303)以41/2reg螺纹连接钻杆(202)，激光钻井工具(3)下段设激光钻头(302)与岩石(4)接触；激光短节(301)以reg型螺纹连接激光钻头(302)和连接接头(303)；激光短节(301)内腔设置有准光学镜组(304)、激光头(308)和光纤(307)，激光短节(301)内腔固定准光学镜组(304)，准光学镜组(304)上固定激光头(308)；光纤(307)的一端连接在激光头(308)上，光纤(307)另一端连接高能激光器(306)和冷却机(309)，高纯清洁设备(305)通过氮气设备(311)连接激光短节(301)内腔的清洁流道及相应腔壁上的进口；冷却除尘设备(5)通过高压气管连接激光短节内腔的冷却流道及相应腔壁上的进口。6.根据权利要求5所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，所述冷却除尘设备(5)包括空压机(501)和吸尘机(502)；空压机(501)通过高压气管连接激光短节(301)内腔的冷却流道和激光钻头(302)喷嘴；吸尘机(502)位于在岩石(4)的待破碎面上。7.一种激光钻井试验方法，采用权利要求1～6所述的一种激光钻井试验装置，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，启动；首先启动流体清洁系统(105)和冷却除尘设备(5)，清洁激光头、冷却钻头、及时携带走破碎岩屑、吸走岩尘的作用；然后分别启动机械传动系统(102)和液压系统(103)的电机，调整传动和液压来控制钻杆(202)的旋转和向下钻进；最后启动高能激光发生器(306)和冷却机(309)，开启的激光发射器(306)，使激光光束经光纤(307)传输、准光学镜组(304)整形、偏向后照射到旋转工作平台(203)上的岩石(4)；
步骤2，参数设置；根据试验方案里内容要求，输入模拟钻井参数值，分组调整激光钻头(302)与待破碎岩石(4)面之间距离至规定的位移值；分别设置工作时间(106-1)、钻井参数、流体压力(106-7)、激光器光路数(106-10)及每路功率(106-11)各个参数；步骤3，控制、测试；针对研磨性强页岩硬地层岩石(4)的岩性，在激光照射和切削齿吃入共同作用下，缓慢调节由低到高的钻压(106-2)、由慢到快的转速(106-3)和高能激光发生器(306)总功率参数值，经过操作优化后测试出时间(106-1)和进尺(106-6)，换算得到的机械钻速为最大值时，为加快岩石破碎的最佳效果，即最佳的钻井参数；步骤4，提钻，快升钻杆(202)，使激光钻头(302)脱离岩石(4)；步骤5，关闭，与启动顺序相反；首先关闭高能激光发生器(306)，然后钻压(106-2)压力调零后关闭液压系统(103)，转速(106-3)调零关闭机械传动系统(102)，停止旋转工作台(203)；其次，确保携带岩石(4)的岩屑和吸走岩石(4)的岩尘后，关闭高纯清洁设备(305)、空压机(501)和吸尘机(502)；步骤6，记录、整理测试数据；数据采集处理系统(106)生成时间(106-1)、钻压(106-2)、转速(106-3)、扭矩(106-4)、载荷(106-5)、进尺(106-6)、泵压(106-7)、温度(106-8)检测数据；视频采集系统(107)录入视频(107-1)；激光控制系统(108)生成激光路数(108-1)和激光功率(108-2)数据；测量岩石井底尺寸；各个参数测试数据汇聚整理，形成试验报告/文件包(109)；步骤7，根据试验方案，重复上述试验步骤，分别进行纯激光破岩或纯机械破岩的方式钻进试验，可获得钻井试验测试的对比数据。

技术总结
本发明公开了一种激光钻井试验装置，包括试验操作台、激光钻井试验台架主体、激光钻井工具、岩石、冷却除尘设备部分；本发明还公开了一种激光钻井试验方法，本试验方法是基于试验装置模拟激光钻头钻进过程中测试出钻井参数，是利用激光钻头的光束照射加热岩石，降低岩石可钻性，激光钻头的切削齿刮切或冲击岩石，使接触岩石破碎形成岩屑的破岩方法；本试验装置结构简单操作方便，专用于钻进破岩试验。本试验方法原理简单、实用，能方便获取影响岩石破碎功率的各种参数的试验数据。碎功率的各种参数的试验数据。碎功率的各种参数的试验数据。


技术研发人员：闫静 王德贵 左永强 王霞 邓荣 惠坤亮 吴小雄
受保护的技术使用者：宝鸡石油机械有限责任公司 中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2023/7/13