一种旋转激光射流径向钻进装置及其方法

1.本发明涉及岩石钻进领域，具体而言涉及一种旋转激光射流径向钻进装置及其方法。


背景技术：

2.射流钻在地质资源开采与工程建设方面有广泛的应用，具有钻进发热量低、产生钻屑小、排屑效率高、破岩能力强等特点。而且射流介质低廉、易获得、可重复利用，有着经济、环保方面的优势。由于射流介质的流体特征，射流钻常用作于径向钻进。但是，工程实践与实验模拟的结果表明传统射流钻的破岩效率会受制于岩体的表面孔隙率，导致射流钻在致密岩体钻进中应用有限。相关实验表明，激光照射岩石能够有效提高岩石的孔隙率，降低岩石的强度。另一方面，旋转射流比起常规射流，具有额外的径向速度和切向速度，能够对岩体表面起切割作用，能起到增强破岩效率的作用。因此，将两者相结合能够提高在致密岩体中的钻进效率。但是实现激光和旋转射流的融合钻进，提高破岩效率，存在如何实现激光辅助破岩装置，如何实现径向钻进并排除传统转向装置对激光、射流介质传输的阻碍作用等技术问题。


技术实现要素：

3.为提高现有射流钻的钻进效率，实现钻具的径向钻进，解决现有技术问题，本发明实例提供一种旋转激光射流径向钻进装置，采用激光与旋转射流相结合的方式提高钻进效率。通过三段式转向器结构，实现钻具的转向，并减少激光、射流介质在钻具转向后传播的阻碍作用。技术方案如下：
4.一种旋转激光射流径向钻进装置，包括旋转激光射流钻(1)、柔性钻杆(2)、发电机(3)、射流介质储存容器(4)、加压泵(5)、卷盘(6)、钻架(7)、送进装置(8)、地面信号单元(9)；其特征在于：所述柔性钻杆(2)内设置有电缆与流体通道；柔性钻杆(2)起始端与卷盘(6)连接，并缠绕在卷盘(6) 上，柔性钻杆(2)末端与旋转激光射流钻(1)连接；所述卷盘(6)设有旋转电缆接头与旋转流体接头，旋转电缆接头与柔性钻杆(2)内的电缆相连接，旋转流体接头与柔性钻杆(2)内的流体通道相连接；所述发电机(3)与卷盘(6) 的旋转电缆接头相连接，提供电能；所述射流介质储存容器(4)、加压泵(5) 形成串联后与卷盘(6)的旋转流体接头相连接，提供高压射流介质；所述钻架 (7)上安装有送进装置(8)，柔性钻杆(2)通过送进装置(8)，送进装置(8) 为柔性钻杆(2)和旋转激光射流钻(1)提供钻进动力；所述地面控制装置(9) 与旋转激光射流钻(1)通过无线通讯方式连接，地面控制装置(9)将地面命令转为无线信号送达旋转激光射流钻(1)。
5.所述旋转激光射流钻(1)包括：钻进单元(1-1)、转向器(1-2)、遥控单元(1-3)；其特征在于：所述转向器(1-2)为筒状结构；所述钻进单元(1-1) 与遥控单元(1-3)设置在转向器(1-2)内；转向器(1-2)末端设置抱爪状限位；所述钻进单元(1-1)的起始端与转向器(1-2)的起始端通过转动副连接，转向器(1-2)的旋转轴线为旋转轴线a(1-2-4)；并在钻进
单元(1-1)与转向器(1-2)的连接处设置驱动装置(1-2-7)，驱动转动副旋转；所述遥控单元 (1-3)责接收地面控制信号，遥控单元(1-3)与柔性钻杆(2)内电缆相连接，并给钻进单元(1-1)与转向器(1-2)提供电能。
6.所述钻进单元(1-1)包括钻杆接头(1-1-1)、软管(1-1-2)、钻头接头 (1-1-3)、旋转射流钻头(1-1-4)、激光器(1-1-5)、光纤(1-1-6)、激光头(1-1-7)；其特征在于：所述钻杆接头(1-1-1)连接软管(1-1-2)与柔性钻杆(2)内的流体通道；所述钻头接头(1-1-3)连接软管(1-1-2)与旋转射流钻头(1-1-4)；所述激光器(1-1-5)固定在钻进单元(1-1)起始端，激光头(1-1-7)固定在钻进单元(1-1)末端，激光器(1-1-5)与激光头(1-1-7) 通过光纤(1-1-6)连接；所述激光头(1-1-7)与旋转射流钻头(1-1-4)设置在转向器(1-2)末端的抱爪状限位。
7.优选地，所述激光器(1-1-5)与激光头(1-1-7)数量为三个，分别环绕设置在钻进单元(1-1)的起始端与末端。
8.优选地，所述旋转射流钻头(1-1-4)，其特征在于，所述旋转射流钻头(1-1-4) 从射流入口处依次设置有叶轮(1-1-4a)、收缩腔(1-1-4b)和喷嘴(1-1-4c)。
9.所述转向器(1-2)设置为三级转向管，依次为一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)，相邻两转向管之间通过转动副连接，并通过设置驱动装置(1-2-7)实现转向管之间相对旋转，驱动装置(1-2-7)由遥控单元(1-3)提供电能。所述转向器(1-2)的转向半径小于钻孔半径。
10.所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3) 相邻两转向管之间的连接面设置为倾斜面，使二级转向管(1-2-2)的转动轴线 b(1-2-5)、三级转向管(1-2-3)的转动轴线c(1-2-6)偏移；两个连接面的斜角大小相同、方向相反。
11.所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3) 相邻两转向管之间的连接面的轮廓设置为圆，保证旋转过程中的管体保持密封。
12.所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3) 相邻两转向管之间的连接处的管面轮廓为椭圆，椭圆的形状满足以下数学关系：椭圆的短轴与长轴的比值等于连接面斜角的余弦值。
13.所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3) 相邻两转向管之间的连接面平行于椭圆长轴。
14.优选地，一级转向管(1-2-1)为变截面管，前端管面轮廓为圆，后端管面轮廓为椭圆。
15.优选地，二级转向管(1-2-2)为等截面管，管面轮廓为椭圆。
16.优选地，三级转向管(1-2-3)为变截面管，前端管面轮廓为椭圆，后端管面轮廓为圆。
17.优选地，斜角取值范围为20
°
到70
°
。
18.本发明具有以下有益效果：
19.1.本发明采用激光照射岩体，使岩体产生热破裂，提高岩体孔隙率；再通过旋转射流对岩体进行破坏，破岩产生的碎屑由射流介质运移出工作范围，有效提高了钻进的效率。
20.2.本发明采用三级转向管，形成三对转动副，在偏转过程中管体保持密封。通过控
制三对转动副可实现有效、灵活的转向。转动过程中形成两个转角，对射流和激光的传输起到缓冲作用。
附图说明
21.图1为本发明的系统说明图；
22.图2为旋转激光射流钻的系统说明图；
23.图3为旋转激光射流钻转向的示意图；
24.图4为转向器的结构剖视图；
25.图5为转向器的结构的示意图；
26.图6为图5中1-1面、8-8面的剖视图；
27.图7为图5中2-2面、5-5面、7-7面的剖视图；
28.图8为图5中3-3面、6-6面的剖视图；
29.图9为钻进单元的结构剖视图；
30.图10为旋转射流钻头的结构示意图；
31.图11为旋转射流钻中叶轮的右视图。
32.图1-11中：1为旋转激光射流钻；1-1为钻进单元；1-1-1为钻头接头；1-1-2 为软管；1-1-3为钻头接头；1-1-4为旋转射流钻头；1-1-4a为叶轮；1-1-4b 为收缩腔；1-1-4c为喷嘴；1-1-5为激光器；1-1-6为光纤；1-1-7为激光头； 1-2为转向器；1-2-1为一级转向管；1-2-2为二级转向管；1-2-3为三级转向管； 1-2-4为转动轴线a；1-2-5为转动轴线b；1-2-6为转动轴线c；1-2-7为驱动装置；1-3为遥控单元；2为柔性钻杆；3为发电机；4为射流介质储存容器；5 为加压泵；6为卷盘；7为钻架；8为送进装置；9为地面信号单元；a为椭圆短轴；b为椭圆长轴；θ为倾斜面斜角。
具体实施方式
33.下面结合附图，对本发明的技术方案进一步具体的说明。
34.参照图1，一种旋转激光射流径向钻进装置，主要包括旋转激光射流钻(1)、柔性钻杆(2)、发电机(3)、射流介质储存容器(4)、加压泵(5)、卷盘(6)、钻架(7)、送进装置(8)、地面信号单元(9)；柔性钻杆(2)为两层结构，夹层内为电缆及固定填充物，通过螺纹与旋转激光射流钻(1)连接，柔性钻杆 (2)起始端与卷盘(6)连接，并缠绕在卷盘(6)上；卷盘(6)设有旋转电缆接头与旋转流体接头，旋转电缆接头与柔性钻杆(2)内的电缆相连接，旋转流体接头与柔性钻杆(2)内的流体通道相连接；射流介质储存容器(4)、加压泵 (5)形成串联后通过卷盘(6)的旋转流体接头相连接，提供高压射流介质；发电机(3)通过卷盘(6)的旋转电缆接头连接，提供电能；钻架(7)上安装有送进装置(8)，送进装置(8)为柔性钻杆(2)和旋转激光射流钻(1)提供钻进动力；地面控制装置(9)与旋转激光射流钻(1)通过无线通讯方式连接，地面控制装置(9)将地面命令转为无线信号送达旋转激光射流钻(1)。
35.参照图2，旋转激光射流钻(1)包括钻进单元(1-1)、转向器(1-2)、遥控单元(1-3)；所述遥控单元(1-3)责接收地面控制信号，遥控单元(1-3) 与柔性钻杆(2)内电缆相连接，并给钻进单元(1-1)与转向器(1-2)提供电能。
36.参照图3-9，所述转向器(1-2)设置为三级转向管，依次为一级转向管 (1-2-1)、二
级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)，相邻两转向管之间通过转动副连接，并通过设置驱动装置(1-2-7)实现转向管之间相对旋转，驱动装置(1-2-7) 由遥控单元(1-3)提供电能；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)相邻两转向管之间的连接面设置为倾斜面，使二级转向管 (1-2-2)的转动轴线b(1-2-5)、三级转向管(1-2-3)的转动轴线c(1-2-6) 偏移；两个连接面的斜角大小相同、方向相反；斜角取值范围为：20
°
到70
°
；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)相邻两转向管之间的连接面的轮廓设置为圆，保证旋转过程中的管体保持密封；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)相邻两转向管之间的连接处的管面轮廓为椭圆，椭圆的形状满足以下数学关系：椭圆的短轴a与长轴b的比值等于连接面斜角θ的余弦值；所述一级转向管(1-2-1)、二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)相邻两转向管之间的连接面在空间上与椭圆长轴b平行。
37.参照图5-8，一级转向管(1-2-1)为变截面管，后端连接面设置为倾斜面，与径向成斜角θ，前端管面轮廓(1-1面)如图6所示，后端管面轮廓(2-2面) 如图7所示，后端连接面轮廓(3-3面)为图8所示。
38.所述二级转向管(1-2-2)为等截面管，管面轮廓(5-5面)如图7所示，前、后两端设置斜角为θ的倾斜面，且斜角方向相反。
39.所述三级转向管(1-2-3)为变截面管，前端连接面设置倾斜面，与径向成斜角θ，前端连接面轮廓(6-6截面)如图8所示，前端管面轮廓(7-7截面) 如图7所示，后端管面轮廓(8-8截面)为图6所示。
40.参照图5-8，图中θ、a、b满足关系：cosθ＝a/b；使各连接面轮廓为圆。
41.参照图3，说明转向器(1-2)偏转的工作原理；通过设置具有斜角的旋转面，使二级转向管(1-2-2)的转动轴线b(1-2-5)、三级转向管(1-2-3)的转动轴线c(1-2-6)偏移，在旋转时改变转向管轴线方向，从而使转向器(1-2) 整体转向，并带动内部钻进单元(1-1)转向；一级转向管(1-2-1)的转动对转向器(1-2)整体起平转作用；二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)的转动对转向器(1-2)整体起偏转作用；根据运动学分析，转向器(1-2)的最大偏转角大小为四倍斜角。
42.所述钻进单元(1-1)参照图10-11，包括：钻头接头(1-1-1)、软管(1-1-2)、钻头接头(1-1-3)、旋转射流钻头(1-1-4)、激光器(1-1-5)、光纤(1-1-6)、激光头(1-1-7)；钻杆接头(1-1-1)连接软管(1-1-2)与柔性钻杆(2)，钻头接头(1-1-3)连接软管(1-1-2)与旋转射流钻头(1-1-4)；激光器(1-1-5)
43.所述钻进单元(1-1)的工作原理：激光器(1-1-5)产生激光，激光通过光纤(1-1-6)传输到激光头(1-1-7)后照射到岩体表面，使岩体内部产生热应力，造成断裂损伤微裂纹，提高岩体表面孔隙率；柔性钻杆(2)的射流介质经钻头接头(1-1-1)、软管(1-1-2)、钻头接头(1-1-3)进入旋转射流钻头(1-1-4)；进入旋转射流钻头(1-1-4)后，流经叶轮(1-1-4a)获得径向速度和切向速度，形成旋转射流；流经收缩腔获(1-1-4b)得高压，从喷嘴(1-1-4c)射出，作用于岩体；旋转射流的破岩效果如下：1.高压射流进入岩体的断裂损伤微裂纹，水压力作用于岩体内部，产生水力劈裂；2.高压射流的冲击力作用在岩体表面，产生冲击破坏；3.旋转射流带有的径向速度与切向速度作用于岩体表面，产生切割破坏。
44.一种旋转激光射流径向钻进装置，其主要包括如下工作步骤：
45.步骤1，参照图2、3，钻具为转向的起始状态；遥控单元(1-3)通过柔性钻杆(2)接收电能，并接收地面信号单元(9)发射的无线信号；启动驱动装置(1-2-7)使二级转向管(1-2-2)、三级转向管(1-2-3)转动，并带动内部钻进单元(1-1)转向。如有平转需要，可控制驱动装置(1-2-7)使一级转向管(1-2-1) 转动。
46.步骤2，完成转向后，遥控单元(1-3)启动激光器(1-1-5)产生激光；激光通过光纤(1-1-6)传输到激光头(1-1-7)；激光从激光头(1-1-7)射出作用在岩体表面，使岩体内部产生热应力，导致岩体裂隙的发育，增大岩体表面孔隙率。
47.步骤3，激光作用完成后，射流介质从射流介质储存容器(4)、加压泵流 (5)出后形成高压流体，高压流体从柔性钻杆(2)通过钻杆接头(1-1-1)进入钻进单元(1-1)，经过软管(1-1-2)和钻头接头(1-1-3)后进入旋转射流钻头(1-1-4)；射流介质进入旋转射流钻头(1-1-4)后，流经叶轮(1-1-4a) 获得径向速度和切向速度，形成旋转射流；射流经过收缩腔(1-1-4b)获得高压；然后从喷嘴(1-1-4c)射出，通过冲击、水力劈裂和切削作用破坏岩体；送进装置(8)提供向下推力，持续向下钻进。