专利名称：一种石油井下多束激光射孔装置的制作方法
技术领域：
本发明属于油井射孔完井技术领域，具体涉及一种石油井下多束激光射孔装置。
背景技术：
石油井下射孔技术属于一种油井完井技术，具体是指打通井管、水泥层和地层，建立地层与井管之间的流动通道。目前普遍使用子弹或聚能炸药等方法来进行石油井下射孔作业，但这些方法射孔深度浅、射孔方向不可控，且会对地层产生压实效应，从而导致地层的渗透性降低。这些问题一直影响着射孔完井作业，限制着油井产能的提升。而利用高功率激光进行石油井下射孔作业可以有效地解决上述问题，国内关于此技术的研究报道较少并且也没有一种可投入实际应用的石油井下激光射孔装置，国外就此技术相关报道如 US4199034 :Method and apparatus for perforating oil and gas wells，该专利介绍了一种石油井下激光射孔装置，该装置利用光纤将高能激光传输至井下，并通过光学元件改变激光方向，使其照射至待射孔地层。用此装置进行石油井下射孔作业可增加射孔通道的深度，而且可以通过调整光学元件精确地控制射孔方向。但是该装置中只有一组控制激光的光学元件，射孔效率不高。此外，利用该装置进行射孔作业时井下复杂的环境和射孔时产生的杂物都会对激光产生影响，降低了激光射孔作业效率，而US4199034中公开的技术方案中无清扫装置，不能有效的解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种利用高能激光进行射孔作业的石油井下多束激光射孔装置。为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术解决方案
一种石油井下多束激光射孔装置，包括激光源、高压气源和井下激光射孔单元，所述井下激光射孔单元包括外壳和至少两套单束激光控制单元，其中 所述至少两套单束激光控制单元均与激光源连接； 所述至少两套单束激光控制单元均与高压气源连接；
所述单束激光控制单元包括光纤、安装于外壳内的聚焦透镜、反射镜、反射镜转动控制架和设在外壳一侧壁上的第一透光窗以及气体清扫单元；
所述光纤一端经外壳与外壳内相通，另一端与激光源连接；所述聚焦透镜位于光纤下方；所述反射镜安装于反射镜转动控制架上并位于聚焦透镜下方，该反射镜为俯仰角可变动的反射镜，且俯仰角变动时反射镜面朝第一透光窗；
气体清扫单元包括高压气管、固定外壳、旋转外壳和旋转外壳控制器；所述高压气管一端经固定外壳与气体清扫单元内部相通，另一端与高压气源连接；所述固定外壳为一侧壁设有敞口的壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳上下滑动的旋转外壳，该旋转外壳上设有喷嘴，在与敞口所在一侧壁相对的固定外壳的另一侧壁上设有第二透光窗，该设有第二透光窗的一侧壁与外壳的设有第一透光窗的一侧壁相连接，且第二透光窗与喷嘴和第一透光窗相对；所述旋转外壳控制器安装于固定外壳上并与旋转外壳连接；
所述至少两套单束激光控制单元，各套单束激光控制单元均独立的控制一束激光，各束激光相互之间无影响。本发明装置的其他特点为 所述的聚焦透镜表面镀有激光增透膜层。所述的反射镜表面镀有激光高反射膜层。所述的第一透光窗上镀有激光增透膜层。所述气体清扫单元还包括一气体阀门，该气体阀门与高压气管连接并安装于固定外壳上。所述的第二透光窗上镀有激光增透膜层。所述气体清扫单元中的固定外壳的设有第二透光窗的一侧壁与外壳的设有第一透光窗的一侧壁为一体，第二透光窗与第一透光窗为一体。所述喷嘴设在旋转外壳的中心位置。所述喷嘴为锥形喷嘴。所述旋转外壳控制器包括伺服电机、传动杆和齿轮，且伺服电机、传动杆和齿轮依次连接，其中齿轮与旋转外壳的侧面相啮合。与现有技术相比，本发明具有如下优点
(1)该射孔装置采用激光进行石油井下射孔作业，在射孔过程中不仅不会对地层产生压实效应，经激光烧蚀后周围岩石的渗透性反而会有所提高。(2)该射孔装置利用激光进行石油井下射孔作业时可以精确控制激光束，因而不会损坏井管。(3)该射孔装置采用激光进行石油井下射孔作业，可以连续不断的烧蚀射孔通道末端的岩石，极大增加了射孔深度。(4)通过反射镜转动控制架调整反射镜的俯仰角，精确地控制激光出射角度，可以实现按指定倾斜角度进行射孔作业。(5)由气体喷嘴连续不断的喷出高压气体，有效地起到清洁射孔通道的作用，极大提高了激光射孔作业效率。(6)该装置内有多组激光控制单元，可同时控制多束激光进行射孔作业，极大提高了激光射孔作业效率。
图1为本发明的结构示意图2为本发明的单束激光控制单元的结构示意图； 图3为图2的A向视图。以下结合实施例与附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例方式如图1至图3所示，本发明的装置包括激光源1、高压气源2和井下激光射孔单元 4，所述井下激光射孔单元4包括外壳6和至少两套单束激光控制单元，其中所述至少两套单束激光控制单元均与激光源1连接； 所述至少两套单束激光控制单元均与高压气源2连接；
所述单束激光控制单元包括光纤5、安装于外壳6内的聚焦透镜7、反射镜8、反射镜转动控制架9和设在外壳6 —侧壁上的第一透光窗10以及气体清扫单元；其中
光纤5 —端经外壳6与外壳6内相通，另一端与激光源1连接；所述聚焦透镜7位于光纤5下方；所述反射镜8安装于反射镜转动控制架9上并位于聚焦透镜7下方，该反射镜8 为可转动反射镜，且转动时反射镜8面朝第一透光窗10，即反射镜8的俯仰角可根据工作需要而变换，且变换时反射镜8面朝第一透光窗10 ；激光经光纤5、聚焦透镜7至反射镜8形成透射光线；激光经反射镜8至第一透光窗10形成折射光线；上述各个组合构件通过调整激光束的出射方向，以为准确而有效地控制射孔通道的倾斜角度；
气体清扫单元包括高压气管12、固定外壳14、旋转外壳15和旋转外壳控制器16 ；所述高压气管12 —端经固定外壳14与气体清扫单元内部相通，另一端与高压气源2相连接；所述固定外壳14为其中一侧壁设有敞口的壳体，即固定外壳14中的一侧壁上有开口，固定外壳14为半封闭式壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳14上下滑动的旋转外壳15，该旋转外壳15上设有喷嘴17，在与敞口所在侧壁相对的固定外壳14的另一侧壁上设有第二透光窗11，该设有第二透光窗11的一侧壁与外壳6的设有第一透光窗10的一侧壁相连接，且第二透光窗11与喷嘴17和第一透光窗10相对；激光经第一透光窗10、第二透光窗11和喷嘴17至射孔洞21形成出射光线；所述旋转外壳控制器16安装于固定外壳14上并与旋转外壳15相连接；该单元控制旋转外壳旋转，进而控制喷嘴出射气流的方向，在进行射孔作业时，需要同时调整反射镜8和喷嘴17的方向，以使激光束和高压气流同时对准待射孔方向，当高压气流与激光出射方向保持一致时，喷出的高压气体有效地起到清扫射孔通道、 辅助激光进行射孔作业的目的；
所述至少两套单束激光控制单元，各套单束激光控制单元均独立的控制一束激光，各束激光相互之间无影响，即各套单束激光控制单元形成的透射光线、折射光线和出射光线均不相同。为了减少激光能量损耗，所述的聚焦透镜7表面镀有激光增透膜层。为了减少激光能量损耗，所述的反射镜8表面镀有激光高反射膜层。为了减少激光能量损耗，所述的第一透光窗10上镀有激光增透膜层。所述气体清扫单元还包括一气体阀门13，该气体阀门13与高压气管12连接并安装于固定外壳14上。为了减少激光能量损耗，所述的第二透光窗11上镀有激光增透膜层。为节省材料，保证整个装置的整体性，所述气体清扫单元中的固定外壳14的设有第二透光窗11的一侧壁与外壳6的设有第一透光窗10的一侧壁为一体，第二透光窗11与第一透光窗10为一体。为了有效地清洁射孔通道，所述喷嘴17设在旋转外壳15的中心位置。为了有效地清洁射孔通道，所述喷嘴17为锥形喷嘴。所述旋转外壳控制器16包括伺服电机18、传动杆19和齿轮20，且伺服电机18、传动杆19和齿轮20依次连接，其中齿轮20与旋转外壳15的侧面相啮合。所述反射镜转动控制架9包括电机和传动装置，该电机与传动装置连接，其中传动装置与反射镜8连接调控反射镜8的俯仰角度以准确而方便地控制激光出射方向。本发明的石油井下多束激光射孔装置，其具体工作过程为首先，将井下激光射孔单元悬吊至待射孔地层；接着调整井下激光射孔单元中的各个单束激光控制单元，使高能激光和高压气流指向射孔方向；最终激光射孔单元控制高能激光束完成石油井下射孔作业。本发明的装置可通过一地面操作控制台控制，各反射镜转动控制架9中的电机和各旋转外壳控制器16中的伺服电机均与该地面操作控制台连接，根据作业要求，通过地面操作控制台调控各反射镜8的俯仰角和各旋转外壳15的上下滑动。同时各气体阀门13也与该地面操作控制台连接，通过地面操作控制台调控高压气体的开关和流量。每套单束激光控制单元的工作原理及过程为仪器到目标地层后调整反射镜8和喷嘴17的方向使它们同时指向待射孔方向并保持一致，高能激光束由光纤5射出，经聚焦透镜7聚焦、反射镜8反射，再通过第一透光窗10、第二透光窗11和喷嘴17射出。在高能激光射出时，气体清扫单元的喷嘴17连续不断的喷出保护气流，为激光提供一清洁的入射通道并把射孔产生的杂物带出射孔洞，高能激光束先后射穿井管壁、水泥层和地层，从而达到建立地层与井管之间流动通道的目的。这种新型石油井下多束激光射孔装置同时控制多束高能激光进行石油井下射孔作业，射孔效率高，并且射孔深度深、射孔方向灵活可控、增加了地层渗透性，显著提高了油井产能。以下是发明人给出的具体实施例，该实施例是为了进一步理解本发明，本发明不限于该实施例。实施例
参考图1至图3，本实施例的装置包括激光源1、高压气源2和井下激光射孔单元4，所述井下激光射孔单元4包括外壳6和四套单束激光控制单元，其中
激光源1和高压气源2位于地面上，这样一方面避免其内部设备免受井下复杂环境的影响，另一方面消除了井管尺寸对设备大小、体积的限制。所用激光源1为一台高功率全固态激光器；
四套单束激光控制单元均经外壳6与激光源1连接； 四套单束激光控制单元均与高压气源2连接；
四套单束激光控制单元分别为一号单束激光控制单元、二号单束激光控制单元、三号单束激光控制单元、四号单束激光控制单元；
所述每套单束激光控制单元均包括光纤5、安装于外壳6内的聚焦透镜7、反射镜8、反射镜转动控制架9和设在外壳6 —侧壁上的第一透光窗10以及气体清扫单元；每套单束激光控制单元中的各个部件相对安装方式均为
其中反射镜转动控制架9安装于外壳5底，反射镜转动控制架9中安装有电机和传动装置，传动装置与反射镜8连接控制反射镜8转动，根据工作需要改变反射镜8的俯仰角； 光纤5 —端从激光控制单元的外壳6顶端与外壳6内相通，另一端与激光源1相连接；聚焦透镜7位于光纤5下方，起到聚焦光束的作用；反射镜8安装于反射镜转动控制架9上并位于聚焦透镜7下方，反射镜8可绕反射镜转动控制架9顶端变动俯仰角，以实现在大角度范围内进行射孔作业，并且反射镜8的俯仰角变动时镜面朝着第一透光窗10 ；激光束经反射镜8反射经第一透光窗10射出，照射在待射孔地层上；激光经光纤5、聚焦透镜7至反射镜8形成透射光线；激光经反射镜8至第一透光窗10形成折射光线；为减少激光能量损耗， 聚焦透镜7表面和第一透光窗10上均镀有激光增透膜层，反射镜8表面镀有激光高反射膜层；
气体清扫单元包括高压气管12、气体阀门13、固定外壳14、旋转外壳15和旋转外壳控制器16 ；气体阀门13安装于高压气管12和固定外壳14之间，即与高压气管12连接并且固定于固定外壳14上；高压气管12 —端与高压气源2相连，高压气管12另一端、气体阀门 13、固定外壳14顶端依次连接，高压气体经高压气管12、气体阀门13和固定外壳14顶端进入气体清扫单元内；固定外壳14为一侧壁设有敞口的壳体，进一步说，该固定外壳14有一具有开口的侧壁，在敞口处安装有可相对于固定外壳14沿纵向上下滑动的旋转外壳15，该旋转外壳15中心位置处设有喷嘴17，且该喷嘴17为锥形喷嘴，在与敞口所在侧壁相对的固定外壳14的另一侧壁上设有第二透光窗11，该设有第二透光窗11的一侧壁与外壳的设有第一透光窗10的一侧壁处相锚接，当然还可以焊接，且第二透光窗11同时与喷嘴17和第一透光窗10相对，为减少激光能量损耗，第二透光窗11上镀有激光增透膜层；旋转外壳控制器16安装于固定外壳14底部并与旋转外壳15相连接，该旋转外壳控制器16内部安装有伺服电机18、传动杆19和齿轮20，且伺服电机18、传动杆19和齿轮20依次连接，其中齿轮20与旋转外壳15的侧面相啮合控制旋转外壳15在竖直方向上滑动，并且在转动过程中始终保持高压气体喷射方向与激光出射方向相一致；激光经第一透光窗10、第二透光窗11 和喷嘴17至井壁形成出射光线；工作过程中，由旋转外壳上的喷嘴喷出的高压气体一方面把井下的液体排开，为激光射孔提供清洁的通道，另一方面将激光射孔产生的杂物带出射孔洞，这样避免了激光与液体和杂物作用，提高射孔效率；
该实施例中的四套单束激光控制单元，各套单束激光控制单元的光纤5在外壳6上的安装位置不同，相应地各单元的聚焦透镜7、反射镜8、反射镜旋转控制架9在外壳6中的安装位置也不同，进一步相应地，各单元的气体清扫单元在外壳6外侧安装的位置也不同最终表现为各套单束激光控制单元形成的透射光线、折射光线和出射光线均不相同，即各套单束激光控制单元独立的控制各束激光，各束激光的出射方向灵活可控，且各束激光相互之间无影响。 本实施例的装置通过一地面操作控制台控制，各反射镜转动控制架9中的电机和各旋转外壳控制器16中的伺服电机均与该地面操作控制台连接，根据作业要求，通过地面操作控制台调控各反射镜8的俯仰角和各旋转外壳15的上下滑动。同时各气体阀门13也与该地面操作控制台连接，通过地面操作控制台调控高压气体的开关和流量。
权利要求
1.一种石油井下多束激光射孔装置，包括激光源(1)、高压气源(2)和井下激光射孔单元(4)，其特征在于，所述井下激光射孔单元(4)包括外壳(6)和至少两套单束激光控制单元，其中所述至少两套单束激光控制单元均与激光源(1)连接；所述至少两套单束激光控制单元均与高压气源(2)连接；所述单束激光控制单元包括光纤(5)、安装于外壳(6)内的聚焦透镜(7)、反射镜(8)、 反射镜转动控制架(9)和设在外壳(6) —侧壁上的第一透光窗(10)以及气体清扫单元；其中所述光纤(5)—端经外壳(6)与外壳(6)内相通，另一端与激光源(1)连接；所述聚焦透镜(7)位于光纤(5)下方；所述反射镜(8)安装于反射镜转动控制架(9)上并位于聚焦透镜(7)下方，该反射镜(8)为俯仰角可变动的反射镜，且俯仰角变动时反射镜(8)面朝第一透光窗(10)；气体清扫单元包括高压气管(12)、固定外壳(14)、旋转外壳(15)和旋转外壳控制器 (16)；所述高压气管(12) 一端经固定外壳(14)与气体清扫单元内部相通，另一端与高压气源(2)连接；所述固定外壳(14)为一侧壁设有敞口的壳体，在敞口处安装有可相对于固定外壳(14)上下滑动的旋转外壳(15)，该旋转外壳(15)上设有喷嘴(17)，在与敞口所在一侧壁相对的固定外壳(14)的另一侧壁上设有第二透光窗(11)，该设有第二透光窗(11)的一侧壁与外壳(6)的设有第一透光窗(10)的一侧壁连接，且第二透光窗(11)与喷嘴(17)和第一透光窗(10)相对；所述旋转外壳控制器(16)安装于固定外壳(14)上并与旋转外壳(15) 连接；所述至少两套单束激光控制单元，各套单束激光控制单元均独立的控制一束激光，各束激光相互之间无影响。
2.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述的聚焦透镜(7) 表面镀有激光增透膜层。
3.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述的反射镜(8)表面镀有激光高反射膜层。
4.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述的第一透光窗(10)上镀有激光增透膜层。
5.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述气体清扫单元还包括一气体阀门(13)，该气体阀门(13)与高压气管(12)连接并安装于固定外壳(14)上。
6.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述的第二透光窗(11)上镀有激光增透膜层。
7.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述气体清扫单元中的固定外壳(14)的设有第二透光窗(11)的一侧壁与外壳(6)的设有第一透光窗(10)的一侧壁为一体，第二透光窗(11)与第一透光窗(10)为一体。
8.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述喷嘴(17)设在旋转外壳(15)的中心位置。
9.如权利要求1或8所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述喷嘴(17) 为锥形喷嘴。
10.如权利要求1所述的石油井下多束激光射孔装置，其特征在于，所述旋转外壳控制器(16)包括伺服电机(18)、传动杆(19)和齿轮(20)，且伺服电机(18)、传动杆(19)和齿轮 (20)依次连接，其中齿轮(20)与旋转外壳(15)的侧面相啮合。
全文摘要
本发明属于油井射孔完井技术领域，具体公开了一种石油井下多束激光射孔装置。该装置主要包括激光源、高压气源和井下激光射孔单元，井下激光射孔单元包括至少两套单束激光控制单元，该至少两套单束激光控制单元均与激光源连接，并且均与高压气源连接，其中激光源为井下激光射孔单元输入高能激光，至少两套单束激光控制单元控制多束激光在石油井下进行射孔作业，同时控制高压气源输出的高压气体清扫除去干扰激光射孔作业的杂物。本发明同时控制多束高能激光进行石油井下射孔作业，射孔效率高，并且射孔深度深、射孔方向灵活可控、增加了地层渗透性，显著提高了油井产能。
文档编号E21B43/116GK102155197SQ20111003447
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者任兆玉, 张云博, 白晋涛, 许冠军, 陆宝乐, 陈浩伟 申请人:西北大学