一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置的制作方法

本发明属于破岩设备技术领域，具体涉及一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置。

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，由于长时间的开采，部分地区已探明的浅层地层中的油气资源已经得到了充分的开采，因此开发深层油气资源成为了一个必然的趋势。然而，在深井、超深井开发过程中由于地层致密、硬度高且研磨性强，传统机械钻井方式钻速低、钻头寿命短、钻井周期长、开采成本高，极大地阻碍了开发利用深层油气资源的步伐，因此研究高效破碎硬岩的方法具有重要意义。

近年来，激光技术从小功率激光器的岩石切割逐步发展到大功率激光器的钻井破岩阶段，利用高能激光与岩石发生热作用时岩石表面产生热碎裂、热熔化、热气化将岩石变成易于清除的碎屑或岩浆，利用气流或其他辅助工具将岩石的碎屑或岩浆清除。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。而激光-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破岩与机械破岩各自的优点，克服各自固有的缺陷，因此激光-机械联合破岩技术是目前激光钻井技术的主要发展方向。

在激光-机械联合破岩过程中，需要合理设计光路通道与气路通道，为激光-机械联合破岩输送激光光束与高速气流。若试验装置中的光学镜组暴露在空气中，将不可避免的导致高速气流所携带的粉尘以及破岩产生的碎屑与其接触，附着在镜面上，致使镜面热量急剧上升，最终烧毁镜组。为了满足激光-机械联合破岩的要求，必须让光学镜组处于密闭洁净的环境当中，避免镜组与高速气流及碎屑直接接触。为此，提出一种激光-机械破岩试验装置的光路传输技术方案，实现光路和气路的分离，使钻杆内部的光学镜组处于密闭洁净的环境中，可有效地保护试验装置中的光学镜组，降低试验工具的维护要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，通过钻杆内部设计的光路通道和气路通道，实现光路和气路的分离，提高了钻井效率。

本发明所采用的技术方案是，一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，包括激光发生器，激光发生器通过光纤连接激光头的顶端，激光头通过固定架固定，固定架底部通过法兰盘连接钻杆，钻杆内部中心处设有轴向贯通的激光光束通道，钻杆下部内固定有调节装置，调节装置内部固定有光束整形装置，钻杆底部与设有光路通道的钻头之间通过螺纹连接；钻杆上部内设有径向对称的两个轴向气流通道，钻杆中部和底部分别设有轴向对称的两个径向的通气口，位于中部的两个径向的通气口分别与轴向气流通道相通，位于同一侧的两个径向的通气口均通过竖直设置的通气管路连接，位于底部的两个径向的通气口与钻头内部光路通道相通。

本发明的特点还在于，

钻杆顶部两侧通过滚动轴承固定有通气装置。

钻杆顶端设有轴向对称的两个径向气流进气口，且两个径向气流进气口与所述通气装置的进气口相对。

调节装置与光束整形装置通过螺纹连接，调节装置能固定且能水平调节光束整形装置的位置，以使激光光束与光束整形装置中镜片的中心重合。

钻杆内部与光束整形装置相接处设有窗口镜。

本发明的有益效果是：

本发明的光路传输装置中，通过钻杆内部设计的光路通道和气路通道，实现光路和气路的分离，防止气流携带的粉尘和碎屑进入钻杆内部，使钻杆内部的光学镜组处于密闭洁净的环境中，可有效地保护试验装置中的光学镜组，降低试验工具的维护要求；另外，其所需的钻压更低从而降低钻具的磨损，提高钻头的寿命，产生更高的钻进速度，提高钻井效率。

附图说明

图1为本发明一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置的结构示意图；

图2为图1钻杆上部a-a方向的剖视图；

图3为图1钻杆中部b-b方向的剖视图。

图中：1.激光发生器，2.光纤，3.激光头，4.固定架，5.法兰盘，6.通气装置，7.钻杆，8.激光光束通道，9.轴向气流通道，10.窗口镜，11.通气管路，12.调节装置，13.光束整形装置，14.通气口，15.钻头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，如图1及图2所示，主要由激光发生器1、光纤2、激光头3、固定架4、法兰盘5、通气装置6、钻杆7、光束通道8、轴向气流通道9、窗口镜10、通气管路11、调节装置12、光束整形装置13、通气口14和钻头15组成。激光发生器1通过光纤2连接激光头3的顶端，激光头3底端固定有固定架4，设有调节螺杆的固定架4用来固定激光头3，固定架4底部通过法兰盘5连接钻杆7；

钻杆7内部中心处设有轴向贯通的激光光束通道8，如图3所示，钻杆7下部内固定有调节装置12，调节装置12内部通过螺纹连接光束整形装置13，可以固定并且水平调节光束整形装置13的位置，保证激光光束与光束整形装置13中镜片的中心重合；调节装置12和光束整形装置13为两个可调螺纹结构；钻杆7底部与设有光路通道的钻头15之间通过螺纹连接；激光光束通道8穿过光束整形装置13通入钻头15中；

钻杆7内部与光束整形装置13相接处设有窗口镜10；钻杆7顶端设有轴向对称的两个径向气流进气口，且与安装在钻杆7顶端的通气装置6的进气口相对，钻杆7上部内设有径向对称的两个轴向气流通道9，轴向气流通道9顶部与通气装置6焊接在一起；

钻杆7中部和底部分别设有轴向对称的两个径向的通气口14，位于中部的两个径向的通气口14分别与轴向气流通道9相通，位于同一侧的两个径向的通气口14均通过竖直设置的通气管路11连接，位于底部的两个径向的通气口14与钻头15内部光路通道相通；

本发明一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其具体工作原理是：

在进行破岩试验时，位于整个装置顶端的激光头3发出的激光光束经过钻杆7内部的光束通道8进入光束整形装置13中，经过光束整形装置13整形后沿钻头15内部通道照射在岩石表面，整形后激光光束的形状为钻头半径长度的矩形光斑或者为钻头直径长度的矩形光斑；高速气流由钻杆7顶端进气口进入钻杆内部，经过杆壁内部轴向气流通道9和通气管路11进入钻头15内部通道，高速气流起到携带岩屑的作用，整个装置的光路和气路完全分隔开，内部的光学镜组处于密闭洁净的环境中不与高速气流直接接触，避免内部的光学镜组被烧毁，降低试验工具的维护要求。

技术特征：

1.一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其特征在于，包括激光发生器(1)，所述激光发生器(1)通过光纤(2)连接激光头(3)的顶端，所述激光头(3)底端固定有固定架(4)，所述固定架(4)底部通过法兰盘(5)连接钻杆(7)，所述钻杆(7)内部中心处设有轴向贯通的激光光束通道(8)，所述钻杆(7)下部内固定有调节装置(12)，所述调节装置(12)内部固定有光束整形装置(13)，所述钻杆(7)底部与设有光路通道的钻头(15)之间通过螺纹连接；所述钻杆(7)上部内设有径向对称的两个轴向气流通道(9)，所述钻杆(7)中部和底部分别设有轴向对称的两个径向的通气口(14)，位于中部的两个所述径向的通气口(14)分别与轴向气流通道(9)相通，位于同一侧的两个所述径向的通气口(14)均通过竖直设置的通气管路(11)连接，位于底部的两个所述径向的通气口(14)与钻头(15)内部光路通道相通。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其特征在于，所述钻杆(7)顶部两侧通过滚动轴承固定有通气装置(6)。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其特征在于，所述钻杆(7)顶端设有轴向对称的两个径向气流进气口，且两个径向气流进气口与所述通气装置(6)的进气口相对。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其特征在于，所述调节装置(12)与光束整形装置(13)通过螺纹连接，所述调节装置(12)能固定且能水平调节光束整形装置(13)的位置，以使激光光束与光束整形装置(13)中镜片的中心重合。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光-机械破岩试验的光路传输装置，其特征在于，所述钻杆(7)内部与光束整形装置(13)相接处设有窗口镜(10)。

技术总结
本发明公开了一种用于激光‑机械破岩试验的光路传输装置，包括激光发生器和激光头，激光头通过固定架固定，固定架通过法兰盘连接钻杆，钻杆内部中心处设有轴向贯通的激光光束通道，钻杆下部内通过调节装置固定有光束整形装置，钻杆底部与钻头之间通过螺纹连接；钻杆上部内设有两个轴向气流通道，钻杆中部和底部分别设有两个通气口，位于中部的两个通气口分别与轴向气流通道相通，位于同一侧的两个通气口通过通气管路连接，位于底部的两个通气口与钻头内部光路通道相通。本发明的光路传输装置，通过钻杆内部设计光路通道和气路通道，实现光路和气路的分离，防止气流携带的粉尘和碎屑进入钻杆内部，可有效地保护试验装置中的光学镜组。

技术研发人员：左永强;王德贵;闫静;阎永宏;王霞
受保护的技术使用者：中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司;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：2020.09.02
技术公布日：2020.11.24