[发明专利]一种激光-机械破岩试验装置

说明书

一种激光‑机械破岩试验装置，主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成；旋转系统主要由电机、减速器、钻杆、钻头组成，液压控制系统主要由液压缸、伸缩杆组成，光路及气路系统主要由激光头、激光头角度调节器、进气盘、光气混合筒组成，激光头角度调节器可对激光的发射角度进行调整，激光与气体混合于光气混合筒，最终作用于钻头底部，测试与数据处理系统主要由扭矩传感器、轮辐式压力传感器、位移传感器组成，支撑系统主要由底座、主立柱组成。本发明一种激光‑机械破岩试验装置能展开对激光‑机械破岩机理、高效协同参数匹配等试验的研究，对推动激光‑机械破岩技术的发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及油气钻探高效破岩技术领域，尤其涉及激光-机械破岩新技术领域。

背景技术

提升油气开发速度的关键是钻井提速，而钻井提速的关键在高效破岩技术和装备。目前，我国油气勘探开发的主战场逐步向深层、超深层、复杂难钻地层和非常规地层转移，钻井难度急剧增加，而现有的机械钻头在深层、超深层和复杂难钻地层中钻井时，破岩效率低、钻井速度慢、成本高，成为制约我国油气资源高效勘探开发的主要瓶颈之一。因此，迫切需要新的高效破岩钻井技术和装备，以大幅提高破岩效率，提升钻井速度，加快油气探勘开采步伐，降低钻井成本，增强我国在国际市场的竞争力。

目前，针对于在深层、超深层和复杂难钻地层中钻井效率低下的现状，国内外提出了许多新型破岩技术，例如：减震破岩、热力射流破岩、超声波破岩等技术，但都因为适用范围窄、效率低等问题导致这些技术并不能得到广泛的使用，而激光-机械破岩是一种全新的钻井概念，其原理是通过激光诱发岩石进行相变，使岩石产生微裂纹，大大降低岩石强度，提高岩石可钻性，从而为后续的机械旋转钻进提供有利的条件，激光-机械破岩技术可极大的提升机械破岩效率，适用范围广、效率高。

重视激光-机械破岩基础科学理论的研究，对促进我国钻探工程学科的发展具有十分重要的意义，如今的激光-机械破岩技术尚处于实验研究阶段，一个功能齐全、设计完善的试验装置对于此技术的研究的作用无疑是非常巨大的，因此为了对此技术进行深入理论与试验研究，本发明设计了一种激光-机械破岩试验装置。

发明内容

本发明的目的是设计出一种激光-机械破岩试验装置，展开对激光-机械破岩的破岩机理、破岩效率、高效协同参数匹配等试验的细致研究，对推动激光-机械破岩技术的发展具有重要意义。

本发明的技术方案是：

一种激光-机械破岩试验装置主要由旋转系统、液压控制系统、光路及气路系统、测试与数据处理系统、支撑系统组成：旋转系统主要由变频器1、电机2、减速器3、减速器输出轴4、动态扭矩传感器轴5、钻杆接头6、钻杆7、钻头8组成，其中，电机2可通过变频器1实现无级调速，电机2通过螺栓连接竖直固定在主横梁28上端，电机2输出轴连接减速器3，减速器3箱体通过螺栓连接固定在主横梁28下端，减速器输出轴4上端固定在主横梁28内，并和激光头12保持同心，进一步的，减速器输出轴4下端通过联轴器与动态扭矩传感器轴5相连接，动态扭矩传感器轴5下端嵌入到钻杆接头6内，钻杆接头6下端与钻杆7连接，钻杆7再与钻头8连接。

液压控制系统主要由液压缸9、伸缩杆10、液压缸连接头11组成，其中，液压缸9固定在上横梁27上，内部安装有可在液压缸9内伸缩的伸缩杆10，伸缩杆10下端与液压缸连接头11连接，伸缩杆10的上下移动可带动旋转系统进行钻进。

光路及气路系统主要由激光头12、激光头角度调节器13、进气盘14、激光导管15、光气混合筒16、光束整形镜组17组成，其中，激光头12安装在主横梁28上，激光头角度调节器13通过螺栓固定在主横梁28上，通过激光头角度调节器13可以控制激光头12的角度偏移，激光头12与减速器输出轴4同轴，减速器输出轴4设有通孔，进气盘14上端与扭矩传感器支撑壳19通过螺栓连接固定，进气盘14内部与钻杆接头6连接，进一步的，激光导管15与钻杆接头6同轴，下端与光气混合筒16连接，上端与动态扭矩传感器轴5连接，光束整形镜组17安装在光气混合筒16内。