一种井下光源钻井系统

摘要

本发明公开了一种井下光源钻井系统，其包括外界电源、传输电缆、设置于井下用于向井下工作面发射激光束的井下光源、沿激光束发射方向依次设置的激光钻铤和激光钻头，所述外界电源通过传输电缆与井下光源、激光钻铤及激光钻头连接。本发明中的井下光源采用半导体激光器光纤耦合并合束，满足井下光源钻井小型化及高效率的要求，同时解决了光源小型化及复杂井下环境适应性的问题，通过随钻测量设备和井控系统提高激光钻井的信息化及智能化，同时配置钻井配套，为激光钻井提供辅助气流及岩屑输运，保证激光钻井的顺利进行。

权利要求

1.一种井下光源钻井系统，其特征在于，包括外界电源、传输电缆、设置于井下用于向井下工作面发射激光束的井下光源、沿激光束发射方向依次设置的激光钻铤和激光钻头，所述外界电源通过传输电缆与井下光源、激光钻铤及激光钻头连接；

所述井下光源包括：

光学模块，其包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器；

驱动模块，其与子激光器一对一连接，且驱动模块通过开关电源与控制模块连接，所述光学模块和驱动模块封装于壳体内部，所述壳体设为筒状结构，且壳体尺寸与井眼尺寸匹配，所述壳体内设有冷却板，且光学模块和驱动模块分别位于冷却板的不同侧面；

和温控模块，其位于壳体外部且与控制模块连接，所述温控模块采用两级温控结构，其包括相连通的高压泵和压缩机，高压泵与冷却板连通并向冷却板内通入循环介质，对光学模块和驱动模块进行一次换热，循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量转移至压缩机的散热片，且散热片内注入冷却介质并与循环介质进行二次换热，最终将热量排出。

2.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，位于同组的子激光器之间通过第一光纤合束器进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组之间通过第二光纤合束器进行二次合束形成第二合束激光，所述第二合束激光作为输出光束。

3.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述激光钻头包括钻头本体，所述钻头本体内设置有与井下光源对应的光路、与光路连通的气路及传感测量模块，沿钻头本体内光路上设置有光束整形镜组及光束运动控制镜组，所述钻头本体端部设置有用于光学防护的窗口。

4.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述激光钻铤上连接有用于实现激光钻铤及激光钻头移动的机器人。

5.根据权利要求3所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述井下光源钻井系统还包括钻井配套，所述钻井配套包括与气路连通用于向气路供气的压缩空气气源及岩屑输运系统、高压供电系统及用于与地面通信的通信系统，所述压缩空气气源通过管路与激光钻头和激光钻铤连通，所述高压供电系统与外界电源连接。

6.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述井下光源钻井系统还包括连接于激光钻头上的随钻测量设备，所述随钻测量设备包括图像可视系统及井眼测量装置。

7.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述井下光源钻井系统还包括井控系统，所述井控系统包括井喷控制模块及井眼轨迹控制模块，所述井喷控制模块及井眼轨迹控制模块分别与激光钻头连接。

8.根据权利要求1所述的井下光源钻井系统，其特征在于，所述外界电源为井下马达或地面电源。

说明书

一种井下光源钻井系统

技术领域

[0001] 本发明属于激光破岩应用技术领域，具体地说涉及一种井下光源钻井系统。

背景技术

[0002] 地下储藏的丰富油气资源是支撑人类社会进步和发展的重要能量来源。随着长时间的开采，油气勘探开发目的层由中浅层向深层、超深层快速延伸，其所面临的硬度高、可
钻性差、地质结构复杂等问题使传统钻井面临巨大挑战，突破现有钻井技术瓶颈，寻求新技
术研发，实现更深深度、更复杂工况、更快效率的同时，降低成本，是石油和天然气行业一直
以来追求的目标。

[0003] 随着科技的进步和发展，很多破岩技术及装备应运而生，如水射流、激光、超声波破岩等技术。其中，利用高能激光束直接作用于岩石表面，使岩石表面局部受热而弱化、碎
化直至熔融甚至达到汽化的状态，再利用机械破岩，显著提高了破岩效率。激光钻井通常采
用两种技术方案，一种技术方案为将激光器作为光源，并将光源放置于井口地面，通过传能
光纤光缆将激光束传输至井下，需要解决高功率激光的远距离传输光缆、不可中断的连续
光缆对钻井系统带来的工程复杂化等问题。另外一种方案为将激光器系统小型化做成井眼
大小筒状结构，整体放入井下钻头后方，通过井下马达供电或者高压电缆从地面供电。这将
面临光源小型化及复杂井下环境适应性等问题。

[0004] 因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

[0005] 针对现有技术的种种不足，现提出一种井下光源钻井系统，以解决井下光源小型化及复杂井下环境适应性等问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种井下光源钻井系统，其包括外界电源、传输电缆、设置于井下用于向井下工作面发射激光束的井下光源、沿激光束发射方向依次设置的激光钻铤和激光钻头，所述外界
电源通过传输电缆与井下光源、激光钻铤及激光钻头连接。

[0008] 进一步地，所述井下光源包括：

[0009] 光学模块，其包括级联激光器，所述级联激光器至少包括一组级联激光器组，且级联激光器组至少包括两个子激光器；

[0010] 驱动模块，其与子激光器一对一连接，且驱动模块通过开关电源与控制模块连接，所述光学模块和驱动模块封装于壳体内部，所述壳体设为筒状结构，且壳体尺寸与井眼尺
寸匹配；

[0011] 和温控模块，其位于壳体外部且与控制模块连接，所述温控模块采用两级温控结构，通过循环介质对光学模块和驱动模块产生的热量进行一次换热，通过冷却介质与循环
介质进行二次换热，最终将热量排出。

[0012] 进一步地，位于同组的子激光器之间通过第一光纤合束器进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组之间通过第二光纤合束器进行二次合束形成第二合束激光，所
述第二合束激光作为输出光束。

[0013] 进一步地，所述激光钻头包括钻头本体，所述钻头本体内设置有与井下光源对应的光路、与光路连通的气路及传感测量模块，沿钻头本体内光路上设置有光束整形镜组及
光束运动控制镜组，所述钻头本体端部设置有用于光学防护的窗口。

[0014] 进一步地，所述激光钻铤上连接有用于实现激光钻铤及激光钻头移动的机器人。

[0015] 进一步地，所述井下光源钻井系统还包括钻井配套，所述钻井配套包括与气路连通用于向气路供气的压缩空气气源及岩屑输运系统、高压供电系统及用于与地面通信的通
信系统，所述压缩空气气源通过管路与激光钻头和激光钻铤连通，所述高压供电系统与外
界电源连接。

[0016] 进一步地，所述井下光源钻井系统还包括连接于激光钻头上的随钻测量设备，所述随钻测量设备包括图像可视系统及井眼测量装置。

[0017] 进一步地，所述井下光源钻井系统还包括井控系统，所述井控系统包括井喷控制模块及井眼轨迹控制模块，所述井喷控制模块及井眼轨迹控制模块分别与激光钻头连接。

[0018] 优选的，所述外界电源为井下马达或地面电源。

[0019] 有益效果

[0020] 本发明提出的井下光源钻井系统，相比于现有技术具有如下有益效果：

[0021] (1)井下光源采用半导体激光器光纤耦合并合束，满足井下光源钻井小型化及高效率的要求，同时解决了光源小型化及复杂井下环境适应性的问题。

[0022] (2)通过采用级联激光器提高了输出光束的输出功率，拓展了级联激光器的应用范围，同时，温控模块采用两级温控结构，采用循环介质将光学模块和驱动模块产生的热量
转移至压缩机的散热片，散热片内注入冷却介质与循环介质进行换热，最终将热量排出，实
现散热及精准控温的效果，此外，壳体设为筒状结构，结构紧凑，适应于井下作业环境。

[0023] (3)通过随钻测量设备和井控系统提高激光钻井的信息化及智能化。

[0024] (4)通过配置钻井配套，为激光钻井提供辅助气流及岩屑输运，保证激光钻井的顺利进行。

[0025] (5)沿钻头本体内光路上设置有光束整形镜组及光束运动控制镜组，实现激光光束的路径控制。

[0026] (6)通过激光钻铤向激光钻头提供钻进的压力并为激光钻头提供刚性导向，保证激光钻头沿钻进路径钻进。

附图说明

[0027] 图1是本发明实施例1中井下光源钻井系统的部分结构示意图。

[0028] 图2是本发明实施例1中井下光源的结构示意图；

[0029] 图3是本发明实施例1中光学模块和驱动模块的结构示意图；

[0030] 图4是本发明实施例2中级联激光器的结构示意图。

[0031] 附图中：100、地面电源；200、传输电缆；300、井下光源；301、壳体；302、温控模块；303、QBH光缆；304、冷却板；305、子激光器；306、第一光纤合束器；307、驱动模块；308、开关
电源；309、控制模块；310、高压泵；311、压缩机；312、控制线；313、供电线；314、级联激光器
组；315、第二光纤合束器；400、激光钻铤；500、激光钻头。

具体实施方式

[0032] 为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范
围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，
因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

[0033] 实施例1

[0034] 一种井下光源钻井系统，如图1所示，其包括外界电源、传输电缆200、设置于井下用于向井下工作面发射激光束的井下光源300、沿激光束发射方向依次设置的激光钻铤400
和激光钻头500，该外界电源通过传输电缆200与井下光源300、激光钻铤400及激光钻头500
连接。

[0035] 根据井下光源小型化及高效率的要求，井下光源300采用半导体激光器光纤耦合并合束的方式，具体的，如图2和图3所示，井下光源300包括光学模块、驱动模块307和温控
模块302，其中，光学模块和驱动模块307均封装于壳体301内部，壳体301设为密封的筒状结
构，其表面设有光学窗口，且壳体3011尺寸与井眼尺寸匹配，以适用于井下环境。光学模块
包括级联激光器，级联激光器至少包括一组级联激光器组314，且级联激光器组314至少包
括两个子激光器305。也就是说，通过调整级联激光器组314以及子激光器305的数量，可以
得到1kW级、10kW级甚至100kW级功率的输出光束。当级联激光器组314设置为1组时，子激光
器305之间通过第一光纤合束器306进行合束形成第一合束激光，第一合束激光作为输出光
束。当级联激光器组314至少设置为2组时，位于同组的子激光器305之间通过第一光纤合束
器306进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组314之间通过第二光纤合束器315
进行二次合束形成第二合束激光，第二合束激光作为输出光束。同时，级联激光器组314中
包含发射指示红光的激光器，即输出光束中包含指示红光，同样，指示红光亦经过第一光纤
合束器3067合束至输出光束中。同时，输出光束通过QBH光缆303输出，再经过准直模块输出
平行光束。为了满足井下光源300对高电光效率、紧凑结构及较低光束质量的要求，子激光
器305优选为光纤耦合半导体激光器。驱动模块307与子激光器305一对一连接，且驱动模块
307通过开关电源308与控制模块309连接。其中，开关电源308为驱动模块307供电，控制模
块309采用TCP/IP控制协议，控制激光输出、状态监测和安全连锁控制。壳体301内设有冷却
板304，且光学模块和驱动模块307分别位于冷却板304的不同侧面。壳体301上设有供输出
光束透射输出的光学窗口，且光学窗口采用尖晶石制成。温控模块302位于壳体301外部且
与控制模块309连接，用于对光学模块和驱动模块307进行换热和散热。具体的，温控模块
302包括相连通的高压泵310和压缩机311，高压泵310与冷却板304连通并向冷却板304内通
入循环介质，对光学模块和驱动模块307进行一次换热，循环介质将光学模块和驱动模块
307产生的热量转移至压缩机311的散热片，且散热片内注入冷却介质并与循环介质进行二
次换热，最终将热量排出，实现散热效果，即高压泵310、压缩机311和冷却板304组成自循环
系统，同时，温控模块302采用两级温控结构。冷却板304内设有与控制模块309连接的温湿
度传感器和水流检测传感器。控制模块309通过控制线312与电脑终端连接，通过RS232串口
进行出光、停光、功率调节操作。开关电源308、控制模块309与电源模块连接，电源模块通过
供电线313与外界电源连接。相对应的，驱动模块307、开关电源308、控制模块309与电源模
块位于冷却板304的相同侧面，壳体3011上设有供电线313接口、控制线312接口和冷却接
口。同时，温控模块302亦与外界电源连接。本实施例中，级联激光器组314共设有1组，同时，
级联激光器组314包括6个子激光器305和1个发射指示红光的激光器。采用6路270W光纤耦
合半导体激光器和1路指示红光通过7*1第一光纤合束器306，合束后功率约1.5kW，再由QBH
光缆303输出，再经过准直模块后输出20mm平行光束。同时，由驱动模块307提供电流驱动，
通过控制模块309进行激光输出控制、状态监测和安全连锁控制，通过冷却板304对光学模
块和驱动模块307进行散热和温度控制。此外，冷却板304采用双通道结构，循环介质为循环
水，其流量为20L/min，入口水温为55℃，壳体301内部平均温度为60.7℃，出口水温为56.4
℃。

[0036] 激光钻头500包括钻头本体，钻头本体内设置有与井下光源300对应的光路、与光路连通的气路及传感测量模块，沿钻头本体内光路上设置有光束整形镜组及光束运动控制
镜组，钻头本体端部设置有用于光学防护的窗口。

[0037] 激光钻铤400向激光钻头500提供钻进的压力并为激光钻头500提供刚性导向的作用，该激光钻铤400整体结构为圆柱式钻铤，其直径与井眼直径相同。激光钻铤400上连接有
用于实现激光钻铤400及激光钻头500移动的机器人，通过机器人驱动激光钻铤400运行进
而带动激光钻铤400上的激光钻头500运行。

[0038] 井下光源钻井系统还包括钻井配套，钻井配套包括与气路连通用于向气路供气的压缩空气气源及岩屑输运系统、高压供电系统及用于与地面通信的通信系统，压缩空气气
源通过管路与激光钻头500和激光钻铤400连通，高压供电系统与外界电源连接，通过钻井
配套进一步保证了激光钻井过程的顺利进行。

[0039] 井下光源钻井系统还包括连接于激光钻头500上的随钻测量设备，随钻测量设备包括图像可视系统及井眼测量装置，其中井眼测量装置包括一个或者多个传感器装置，该
传感器装置选自正交加速计、磁力计、陀螺仪和微电机陀螺仪传感器或者他们的任意组合。
通过图像可视系统及井眼测量装置使激光钻井更加信息化及智能化。

[0040] 该井下光源钻井系统还包括井控系统，井控系统包括井喷控制模块309及井眼轨迹控制模块309，井喷控制模块309及井眼轨迹控制模块309分别与激光钻头500连接。通过
井喷控制模块309避免了由于井内压力过大导致设备损坏情况的发生。通过井眼控制模块
309实时控制井眼，保证井眼轨迹质量，通过与激光钻头500的配合可实现边控制井眼边钻
进，有利于减少下钻次数，提高经济效益。

[0041] 优选的，外界电源为井下马达或地面电源100。

[0042] 本实施例中，外界电源为地面电源100。具体的，该地面电源100为发电机。

[0043] 实施例2：

[0044] 如图4所示，本实施例与实施例1相同的部分不再赘述，不同的是：

[0045] 本实施例中，级联激光器组314共设有3组，同时，每组级联激光器组314包括5个子激光器305和1个发射指示红光的激光器。位于同组的子激光器305之间通过第一光纤合束
器306进行一次合束形成第一合束激光，且级联激光器组314之间通过第二光纤合束器315
进行二次合束形成第二合束激光，第二合束激光作为输出光束。

[0046] 以上已将本发明做一详细说明，以上，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。