一种用于激光-机械破岩的光气混合筒装置的制作方法

本发明涉及一种用于激光-机械破岩的光气混合筒装置，用于油气资源钻探开采等领域。

背景技术：

随着国民经济的进一步发展，对油气资源的需求不断增加，由于如今中、浅层的油气资源已经得到了较为充分的开发，开发深层油气资源因此成为了一个必然的趋势。在开采深层油气资源的过程中，由于深层岩石具有密度大、岩性致密、硬度高、研磨性强的特点，传统的旋转机械破岩方式出现了打得慢、打不动、钻具损耗严重、破岩周期长等诸多问题，增加了开采成本，极大地阻碍了开发利用深层油气资源的步伐。油气资源开采领域迫切需要新的高效破岩技术。

激光破岩是自上世纪90年代以来兴起的，利用高能激光与岩石作用时岩石表面发生的破碎、熔化、气化的现象，并利用高速水流、气流清理钻屑，实现高速破岩的新技术。相较于传统的机械破岩，激光破岩具有钻速高、可钻坚硬岩石、改善井壁环境等独特的优势。

但目前的激光破岩技术尚不成熟，激光选型、激光传输与聚焦、清除钻屑、精密光学器件的保护、高功率激光器造价昂贵等问题制约了激光破岩技术的进一步发展。激光-机械联合破岩技术是利用激光对岩石冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性之后，再利用机械钻头破岩的一种新的能实现高效破岩的前沿技术。激光-机械联合破岩能够综合激光与机械破岩各自的优点，克服各自固有的缺陷。

在激光-机械联合破岩过程中，需要在装置中放置镜组，为激光-机械联合破岩提供合适的光斑形状；需要合理设计光路与气路，为激光-机械联合破岩输送激光与压缩气流。若光路气路有重合部分，将不可避免的导致压缩气流所携带的杂质与镜组接触，附着在镜面上，致使镜组产热急剧上升，最终烧毁镜组。为了满足激光-机械联合破岩的要求，必须在激光束到达镜组之前，将光路和气路分隔，避免镜组与压缩气流直接接触；必须要在激光束完成整形之后，实现激光与压缩气流的混合。而光气混合筒是实现激光-机械联合破岩过程中激光整形、激光与气流汇聚、保护镜组功能的核心部件。

技术实现要素：

为了满足激光-机械联合破岩的要求，提出一种用于激光-机械破岩的光气混合筒装置，通过将激光束与压缩空气分别处理之后再汇聚的方式，在一件装置中既实现激光束整形，又实现整型后的激光束与压缩空气合路，且精密光学镜组不受压缩空气中杂质损伤的目的。为激光-机械联合破岩设备提供稳定的激光束与气流，保证激光-机械联合破岩过程的正常进行，同时降低设备维护成本。

本发明采用的技术方案是：

一种用于激光-机械破岩的光气混合筒装置，其特征在于：该装置主要由通气孔，镜组安放室，固定螺纹孔，锥螺纹，扳手卡口，混合筒本体，连接螺纹孔，混合室以及扭矩传递槽组成；所述混合筒本体内设有通气孔；镜组安放室位于混合筒本体上部。

所述通气孔共4个，绕轴线均匀分布；且一对通气孔之间关于轴线呈v型分布；通气孔与混合室相贯通，一对通气孔之间的夹角优选为10°，通气孔的直径均相同。

所述镜组安放室位于混合筒本体上部，关于轴线对称，开口呈矩形，且四角各有一个固定螺纹孔，用于固定镜组；

所述镜组安放室由上到下共三阶结构，第一阶结构截面呈方形，四角各有一圆角，用以设置固定螺纹孔；第二阶结构截面呈方形，锐边倒圆角，用以放置镜组；第三阶结构截面呈圆形，与第二阶结构的过渡线倒钝。

所述混合筒本体上部与上方钻杆通过锥螺纹连接，下部与钻头通过连接螺纹孔中的斜置内六角螺栓连接；混合筒本体两侧有一对扳手卡口；混合筒本体底部设有矩形扭矩传递槽，与钻头上的凸台配合，矩形扭矩传递槽贯穿整个混合筒本体底部，与混合室下部开口垂直相交。

所述混合室呈喇叭型，下部开口呈矩形，锐边倒钝。

本发明具有以下优点：

1.通过在混合筒内部设置通气孔、镜组安放室与混合室，实现激光束与压缩空气的分隔与汇聚。

2.通气孔共4个，关于轴线均匀分布，且一对通气孔之间关于轴线呈v型分布，便于压缩空气的汇聚。通气孔连接混合室，出口位于镜组安放室之下，避免了压缩空气中的杂质污染镜组。

3.镜组安放室从上到下分为三阶结构，能稳定的安放镜组。镜组安放室内锐边作倒圆角处理，便于放置镜组，避免了应力集中，延长了光气混合筒的使用寿命。

4.混合筒本体上部使用锥螺纹与钻杆连接，下部使用斜置内六角螺栓与钻头连接，实现了连接时矩形激光束与钻头出光槽的精准对齐。

5.混合筒本体底部设有矩形扭矩传递槽，能够确保传递较大扭矩。

6.该装置能保证激光-机械联合破岩过程的正常进行，将为激光-机械联合破岩技术的工程化应用提供支撑。

附图说明

图1、图2是本发明一种用于激光-机械破岩装置的光气混合筒的三维图；

图3是图1的主视图；

图4是图1的侧视图；

图5是图1的仰视图；

图中：1.通气孔，2.镜组安放室，21.第一阶结构，22.第二阶结构，23.第三阶结构，3.固定螺纹孔，4.锥螺纹，5.扳手卡口，6.混合筒本体，7.连接螺纹孔，8.混合室，9.扭矩传递槽。

具体实施方式

下面结合附图和本实施例对本发明作进一步说明；

如图1、图2、图3、图4所示，本发明作为一种用于激光-机械破岩的光气混合筒装置，主要由通气孔1，镜组安放室2，固定螺纹孔3，锥螺纹4，扳手卡口5，混合筒本体6，连接螺纹孔7，混合室8，扭矩传递槽9组成；其特征在于：所述混合筒本体6内设有通气孔1；镜组安放室2位于混合筒本体6上部。

所述通气孔1共4个，绕轴线均匀分布；且一对通气孔1之间关于轴线呈v型分布，通气孔1与混合室8相贯通，一对通气孔1之间的夹角优选为10°，通气孔1的直径均相同。

所述镜组安放室2位于混合筒本体6上部，关于轴线对称，开口呈矩形，且四角各有一个固定螺纹孔3，用于固定镜组。

所述镜组安放室2由上到下共三阶结构，第一阶结构21截面呈方形，四角各有一圆角，用以设置固定螺纹孔3；第二阶结构22截面呈方形，锐边倒圆角，用以放置镜组；第三阶结构23截面呈圆形，与第二阶结构22的过渡线倒钝；

所述混合筒本体6上部用锥螺纹4与上部钻杆连接，下部与钻头通过连接螺纹孔7中的斜置内六角螺栓连接；混合筒本体6两侧有一对扳手卡口5。混合筒本体6底部设有一矩形扭矩传递槽9，与钻头上的凸台配合，矩形扭矩传递槽9贯穿整个混合筒本体6底部，与混合室8下部开口垂直相交。

所述混合室8呈喇叭型，下部开口呈矩形，锐边倒钝。

本发明作为一种用于激光—机械破岩装置的光气混合筒，其工作原理是：

当进行钻进作业时，放置在镜组安放室2内的光学镜组将传来的圆形激光束整形为矩形激光束，输入混合室8中，与经通气孔1进入的压缩空气在混合室8汇聚，传入下方组件。

当进行钻进作业时，从上部钻杆传来的扭矩能够传递到混合筒本体6下部的扭矩传递槽9，扭矩传递槽9通过钻头上部的凸台将扭矩传递到钻头上，带动钻头旋转。

当进行钻进作业时，从钻头通光槽中射出的矩形激光束，跟随钻头一起旋转，作用整个井底岩石表面，实现激光-机械联合高效破岩。