本发明涉及激光定向钻进供气技术领域，尤其涉及一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置及方法。
背景技术：
激光在煤层气中钻进的时候需要辅助气体介质循环，及时充分地带走钻进时产生的岩屑。鉴于激光钻进技术受大功率激光器发展的影响，其应用于实践的具体技术手段均比较缺乏。在煤层气中进行激光定向钻进时，考虑到煤岩的独特属性，在钻进过程中循环介质不仅要能够及时排出岩屑，而且要防止钻进时产生的可燃气体的燃爆和煤岩的燃烧。单纯采取惰性气体或者非助燃气体循环均能达到阻燃和排屑效果，但它们的制作相对空气均复杂，且激光钻进中循环气体需求量大，供气系统成本大大提升。考虑到随着激光钻进的进行，钻场一度远离井口空气且钻进过程可燃气体未达到燃爆范围，此时可使用空气循环能够有效降低供气系统成本。
技术实现要素：
本发明提供了一种能够应用于激光在煤层中定向钻进的双气循环供气装置，还提供了一种煤层激光定向钻进双气循环的方法。
本发明提供一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，包括地面气体供应装置、气体传输装置、回收处理装置、检测装置和控制装置；所述气体供应装置，用于提供氮气和空气；所述气体传输装置，用于提供气体循环回路；所述回收处理装置，用于回收处理气体；所述检测装置，用于检测钻井数据及气体浓度；所述控制装置，用于控制所述气体循环回路的切换；
所述气体供应装置包括地面空气压缩机、制氮机、；所述气体传输装置包括气体输送立管、钻杆、防喷器、钻头和环空；所述气体回收处理装置包括降尘排屑管道、取样器、过滤装置和自动点火装置；所述检测装置包括原位监测模块和温度传感器；所述控制装置包括光纤、各气路阀门和状态接收及远程控制台，通过控制各气路阀门的开关来改变输入气体达到气体切换的目的；
所述气路阀门，包括：第一空气阀门和第二空气阀门，第一氮气阀门和第二氮气阀门、氮气回收阀门和排气阀门，第一增压机阀门，第一卸压阀门、第二卸压阀门和排气阀门；所述地面空气压缩机和所述制氮机的进气口之间通过第一气路管道连接；所述第一气路管道上设置有第一氮气阀门，以控制所述地面空气压缩机和所述制氮机之间的气体通断；第二气路管道的一端连接至所述第一气路管道的第一氮气阀门和空气压缩机之间，另一端连接至所述气体输送立管的一端；所述制氮机的出气口通过第三气路管道连接至所述第二气路管道，所述第三气路管道上设有第二氮气阀门；所述第二气路管道上设有第二空气阀门、第一增压机阀门、第一卸压阀门和第二卸压阀门；所述气体输送立管的另一端连接至吊装设备，吊装设备的另一端通过所述光纤连接至所述防喷器，所述防喷器通过光纤连接至钻头，；所述原位监测模块安装于钻头上；所述降尘排屑管道的两端分别连接至所述防喷器和所述过滤装置，且所述降尘排屑管道的中间连接有所述取样器；所述过滤装置和所述自动点火装置通过所述降尘排屑管道相连，且所述过滤装置和所述自动点火装置之间设有第二排气阀门；所述过滤装置和所述制氮机之间通过第四气路管道相连，所述第四气路管道上设有氮气回收阀门和第一排气阀门；
所述状态接收及远程控制台通过无线传输的方式分别与所述原位监测模块、所述温度传感器相连和各气路阀门连接。
进一步地，所述空气压缩机有两台，且通过第一空气阀门进行控制；当第一空气阀门处于开启状态时，两台空气压缩机均进行工作；当第一空气阀门处于关闭状态时，仅一台空气压缩机进行工作。
进一步地，所述气路阀门还包括：消音器阀门、第二增压机阀门、第三增压机阀门和第三卸压阀门；所述气体供应装置还包括增压机和卸压机；所述气体传输装置还包括消音器和设备卸压管；所述消音器阀门，一端连接至所述消音器，另一端连接至所述第二气路管道；所述第二增压机阀门，一端连接至所述增压机，另一端连接至所述第二气路管道；所述第三增压机阀门，一端连接至所述增压机，另一端连接至所述第二气路管道；所述第三卸压阀门，一端连接至所述卸压机，另一端连接至所述第二气路管道。
进一步地，所述气体循环回路，包括氮气循环回路和空气循环回路；所述氮气循环回路，氮气流向具体包括：第一空气阀门、第一氮气阀门、第二氮气阀门、第一增压机阀门、排气阀门和氮气回收阀门处于开启状态，其它所有阀门处于关闭状态；所述空气压缩机将空气注入所述制氮机中；所述制氮机产生氮气经过所述气体输送立管、所述钻杆、所述防喷器和所述钻头注入钻场，保护钻进过程并最终携带岩屑从所述防喷器返出进入所述降尘排屑管道到达所述过滤装置，经所述降尘排屑管道和所述过滤装置之后的氮气经过氮气回收阀门再次进入所述制氮机中循环利用，而其它气体经排气阀门排出；
所述空气循环回路，包括第二空气阀门、和开启，其它所有阀门关闭，此时，所述空气压缩机直接将空气经过所述气体输送立管、所述钻杆、所述防喷器和所述钻头注入钻场，空气携带岩屑返出依次经过所述降尘排屑管道、所述过滤装置和阀门后进入所述自动点火装置，燃烧掉可燃气体后排出。
进一步地，所述状态接收及远程控制台接收所述原位监测模块和所述温度传感器分别传回的钻井数据和钻场温度信息；所述气路阀门控制氮气进入和空气进入钻场的气路。
进一步地，所述钻头，为专有激光钻进钻头；所述激光钻进钻头开有气体通道，循环气体经由所述立管、所述钻杆和所述气体通道进入钻场并携带岩屑，然后从环空回到地面进入所述气体回收处理装置中。
空气或氮气经所述增压机后成为高压气流；高压气流可通过所述设备卸压管进行卸压，用于防止因气压太高而造成的气路损坏。
所述气体供应装置，用于提供氮气和空气；所述气体传输装置，用于提供气体循环回路；所述回收处理装置，用于回收处理气体；所述检测装置，用于检测钻井数据及气体浓度；所述控制装置，用于控制所述气体循环回路的切换；
所述一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，双气循环供气原理包括以下步骤：
s101：所述控制装置打开氮气循环，关闭空气压缩机，以关闭空气循环；同时控制所述制氮机工作，产生氮气，通过所述氮气循环注入钻场；
s102：所述检测装置实时传回所述钻井数据和所述钻场温度信息数据，判断钻头钻进深度是否小于预设的安全钻进深度α且钻场可燃气体浓度小于预设值β？若是，则控制装置关闭制氮机以及氮气循环，开启空气压缩机，以开启空气循环，使空气通过空气循环注入钻井中并携岩返出；并跳转到步骤s103；若否，则所述控制装置关闭空气循环并开启所述制氮机，以开启氮气循环，向钻场中注入非助燃气体氮气保护钻进过程，并再次执行步骤s102；
s103：循环气体携带岩屑从环空返出后直接依次进入所述降尘排屑管道、所述过滤装置和所述自动点火装置，并将回收的氮气循环利用。
所述钻井数据包括，钻井深度和钻井内气体浓度；所述气体浓度包括硫化氢浓度、一氧化碳浓度和氧气浓度。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：实现了对钻进过程的监测，并通过阀门闭合来切换循环气体，控制过程简单；在保障安全的同时，也大大降低激光钻进成本；通过对返出气体的处理和回收，达到绿色经济环保的效果。
附图说明
图1是本发明煤层激光定向钻进双气循环供气装置示意图；
图2是本发明煤层激光定向钻进双气循环供气装置内钻头结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，包括地面气体供应装置、气体传输装置、回收处理装置、检测装置和控制装置；所述气体供应装置，用于提供氮气和空气；所述气体传输装置，用于提供气体循环回路；所述回收处理装置，用于回收处理气体；所述检测装置，用于检测钻井数据及气体浓度；所述控制装置，用于控制所述气体循环回路的切换；
所述气体供应装置包括地面空气压缩机1、制氮机2、；所述气体传输装置包括气体输送立管8、钻杆10、防喷器11、钻头12和环空；所述气体回收处理装置包括降尘排屑管道14、取样器15、过滤装置16和自动点火装置17；所述检测装置包括原位监测模块13和温度传感器；所述控制装置包括光纤9、各气路阀门和状态接收及远程控制台18，通过控制各气路阀门的开关来改变输入气体达到气体切换的目的；
所述气路阀门，包括：第一空气阀门101和第二空气阀门102，第一氮气阀门201和第二氮气阀门202、氮气回收阀门203和第一排气阀门204，第一增压机阀门401，第一卸压阀门601、第二卸压阀门602和第二排气阀门1701；所述地面空气压缩机1和所述制氮机2的进气口之间通过第一气路管道连接；所述第一气路管道18上设置有第一氮气阀门201，以控制所述地面空气压缩机1和所述制氮机2之间的气体通断；第二气路管道19的一端连接至所述第一气路管道的第一氮气阀门201和空气压缩机1之间，另一端连接至所述气体输送立管8的一端；所述制氮机2的出气口通过第三气路管道20连接至所述第二气路管道19，所述第三气路管道20上设有第二氮气阀门202；所述第二气路管道19上设有第二空气阀门102、第一增压机阀门401、第一卸压阀门601和第二卸压阀门602；所述气体输送立管8的另一端连接至吊装设备5，吊装设备5的另一端通过所述光纤9连接至所述防喷器11，所述防喷器11通过光纤连接至钻头12，；所述原位监测模块13安装于钻头12上；所述降尘排屑管道14的两端分别连接至所述防喷器11和所述过滤装置16，且所述降尘排屑管道14的中间连接有所述取样器15；所述过滤装置16和所述自动点火装置17通过所述降尘排屑管道14相连，且所述过滤装置16和所述自动点火装置17之间设有第二排气阀门1701；所述过滤装置16和所述制氮机2之间通过第四气路管道23相连，所述第四气路管道21上设有氮气回收阀门203和第一排气阀门204；
所述状态接收及远程控制台18通过无线传输的方式分别与所述原位监测模块13、所述温度传感器相连和各气路阀门连接。
所述空气压缩机1有两台，且通过第一空气阀门101进行控制；当第一空气阀门101处于开启状态时，两台空气压缩机均进行工作；当第一空气阀门101处于关闭状态时，仅一台空气压缩机进行工作。
所述气路阀门还包括：消音器阀门301、第二增压机阀门402、第三增压机阀门403和第三卸压阀门603；所述气体供应装置还包括增压机4和卸压机7；所述气体传输装置还包括消音器3和设备卸压管6；所述消音器阀门301，一端连接至所述消音器3，另一端连接至所述第二气路管道19；所述第二增压机阀门402，一端连接至所述增压机4，另一端连接至所述第二气路管道19；所述第三增压机阀门403，一端连接至所述增压机4，另一端连接至所述第二气路管道19；所述第三卸压阀门603，一端连接至所述卸压机7，另一端连接至所述第二气路管道19。
所述气体循环回路，包括氮气循环回路和空气循环回路；所述氮气循环回路，氮气流向具体包括：第一空气阀门101、第一氮气阀门201、第二氮气阀门202、第一增压机阀门401、第一排气阀门204和氮气回收阀门203处于开启状态，其它所有阀门处于关闭状态；所述空气压缩机1将空气注入所述制氮机2中；所述制氮机2产生氮气经过所述气体输送立管8、所述钻杆10、所述防喷器11和所述钻头12注入钻场，保护钻进过程并最终携带岩屑从所述防喷器11返出进入所述降尘排屑管道14到达所述过滤装置16，经所述降尘排屑管道14和所述过滤装置16之后的氮气经过氮气回收阀门203再次进入所述制氮机2中循环利用，而其它气体经第一排气阀门204排出；
所述空气循环回路，包括第二空气阀门102、401和1701开启，其它所有阀门关闭，此时，所述空气压缩机1直接将空气经过所述气体输送立管8、所述钻杆10、所述防喷器11和所述钻头12注入钻场，空气携带岩屑返出依次经过所述降尘排屑管道14、所述过滤装置16和阀门1701后进入所述自动点火装置17，燃烧掉可燃气体后排出。
所述原位监测模块13用于监测钻井数据；所述温度传感器用于检测钻场温度信息；所述钻井数据包括，钻井深度和钻井内气体浓度；所述气体浓度包括硫化氢浓度、一氧化碳浓度和氧气浓度。
所述状态接收及远程控制台18接收所述原位监测模块13和所述温度传感器分别传回的钻井数据和钻场温度信息；所述气路阀门控制氮气进入和空气进入钻场的气路。
所述钻头12，为专有激光钻进钻头；所述激光钻进钻头开有气体通道，循环气体经由所述立管8、所述钻杆10和所述气体通道进入钻场并携带岩屑，然后从环空回到地面进入所述气体回收处理装置中。
空气或氮气经所述增压机4后成为高压气流；高压气流可通过所述设备卸压管6进行卸压，用于防止因气压太高而造成的气路损坏。
一种煤层激光定向钻进双气循环供气方法，应用于任意一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，具体包括：
s101：所述控制装置打开氮气循环，关闭空气压缩机，以关闭空气循环；同时控制所述制氮机工作，产生氮气，通过所述氮气循环注入钻场；
s102：所述检测装置实时传回所述钻井数据和所述钻场温度信息数据，判断钻头钻进深度是否小于预设的安全钻进深度α且钻场可燃气体浓度小于预设值β？若是，则控制装置关闭制氮机以及氮气循环，开启空气压缩机，以开启空气循环，使空气通过空气循环注入钻井中并携岩返出；并跳转到步骤s103；若否，则所述控制装置关闭空气循环并开启所述制氮机，以开启氮气循环，向钻场中注入非助燃气体氮气保护钻进过程，并再次执行步骤s102；
s103：循环气体携带岩屑从环空返出后直接依次进入所述降尘排屑管道、所述过滤装置和所述自动点火装置，并将回收的氮气循环利用。
在竖直钻井或者深层钻井时，循环气体的气压可能达不到需求，这时候可将循环气体(无论是氮气还是空气)通入增压机中，此时，阀门401关闭，402和403阀门开启。
若气体加压偏大，虽能更干净排净钻屑，但对设备要求提高，当气压过大时则会损坏设备，因此在气路中安装气体流量及压力记录仪(图中未视出)，实时监测气压。在气压超过允许值时可通过开启阀门601给设备泄压；钻井中气压过大时则可开启阀门1701对钻杆泄压，待气体流量或气压值恢复正常后关闭相应阀门，供气系统正常想钻场供气。
供气系统在气路上还设有其它辅助装置，如消音器3就是为了在泄压时减少噪声，在降尘管道14上开设有多个取样器15，是为了方便观测降尘管道的降尘效果。
参考图2，钻头12为根据供气系统需求而专门设计的激光钻头，光纤9接入激光能源并产生激光用于钻进，在钻头12圆周上开有8个气孔20，在钻头附近开有斜孔21，是为了将循环气体注入钻场并成功聚焦到激光烧蚀光斑处。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：实现了对钻进过程的监测，并通过阀门闭合来切换循环气体，控制过程简单；在保障安全的同时，也大大降低激光钻进成本；通过对返出气体的处理和回收，达到绿色经济环保的效果。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中各装置位于图中以及设备相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，包括地面气体供应装置、气体传输装置、回收处理装置、检测装置和控制装置；
所述气体供应装置包括地面空气压缩机(1)、制氮机(2)；所述气体传输装置包括气体输送立管(8)、钻杆(10)、防喷器(11)、钻头(12)和环空；所述气体回收处理装置包括降尘排屑管道(14)、取样器(15)、过滤装置(16)和自动点火装置(17)；所述检测装置包括原位监测模块(13)和温度传感器；所述控制装置包括光纤(9)、各气路阀门和状态接收及远程控制台(18)，通过控制各气路阀门的开关来改变输入气体达到气体切换的目的；
所述气路阀门，包括：第一空气阀门(101)和第二空气阀门(102)，第一氮气阀门(201)和第二氮气阀门(202)、氮气回收阀门(203)和第一排气阀门(204)，第一增压机阀门(401)，第一卸压阀门(601)、第二卸压阀门(602)和第二排气阀门(1701)；
所述地面空气压缩机(1)和所述制氮机(2)的进气口之间通过第一气路管道(18)连接；所述第一气路管道(18)上设置有第一氮气阀门(201)，以控制所述地面空气压缩机(1)和所述制氮机(2)之间的气体通断；第二气路管道(19)的一端连接至所述第一气路管道(18)的第一氮气阀门(201)和空气压缩机(1)之间，另一端连接至所述气体输送立管(8)的一端；所述制氮机(2)的出气口通过第三气路管道(20)连接至所述第二气路管道(19)，所述第三气路管道(20)上设有第二氮气阀门(202)；所述第二气路管道(19)上设有第二空气阀门(102)、第一增压机阀门(401)、第一卸压阀门(601)和第二卸压阀门(602)；所述气体输送立管(8)的另一端连接至吊装设备(5)，吊装设备(5)的另一端通过所述光纤(9)连接至所述防喷器(11)，所述防喷器(11)通过光纤连接至钻头(12)；所述原位监测模块(13)安装于钻头(12)上；所述降尘排屑管道(14)的两端分别连接至所述防喷器(11)和所述过滤装置(16)，且所述降尘排屑管道(14)的中间连接有所述取样器(15)；所述过滤装置(16)和所述自动点火装置(17)通过所述降尘排屑管道(14)相连，且所述过滤装置(16)和所述自动点火装置(17)之间设有阀门(1701)；所述过滤装置(16)和所述制氮机(2)之间通过第四气路管道(23)相连，所述第四气路管道(21)上设有氮气回收阀门(203)和第一排气阀门(204)；
所述状态接收及远程控制台(18)通过无线传输的方式分别与所述原位监测模块(13)、所述温度传感器相连和各气路阀门连接。
2.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述空气压缩机(1)有两台，且通过第一空气阀门(101)进行控制；当第一空气阀门(101)处于开启状态时，两台空气压缩机均进行工作；当第一空气阀门(101)处于关闭状态时，仅一台空气压缩机进行工作。
3.如权利要求1所述一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述气路阀门还包括：消音器阀门(301)、第二增压机阀门(402)、第三增压机阀门(403)和第三卸压阀门(603)；所述气体供应装置还包括增压机(4)和卸压机(7)；所述气体传输装置还包括消音器(3)和设备卸压管(6)；所述消音器阀门(301)，一端连接至所述消音器(3)，另一端连接至所述第二气路管道(19)；所述第二增压机阀门(402)，一端连接至所述增压机(4)，另一端连接至所述第二气路管道(19)；所述第三增压机阀门(403)，一端连接至所述增压机(4)，另一端连接至所述第二气路管道(19)；所述第三卸压阀门(603)，一端连接至所述卸压机(7)，另一端连接至所述第二气路管道(19)。
4.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述气体循环回路，包括氮气循环回路和空气循环回路；所述氮气循环回路，氮气流向具体包括：第一空气阀门(101)、第一氮气阀门(201)、第二氮气阀门(202)、第一增压机阀门(401)、第一排气阀门(204)和氮气回收阀门(203)处于开启状态，其它所有阀门处于关闭状态；所述空气压缩机(1)将空气注入所述制氮机(2)中；所述制氮机(2)产生氮气经过所述气体输送立管(8)、所述钻杆(10)、所述防喷器(11)和所述钻头(12)注入钻场，保护钻进过程并最终携带岩屑从所述防喷器(11)返出进入所述降尘排屑管道(14)到达所述过滤装置(16)，经所述降尘排屑管道(14)和所述过滤装置(16)之后的氮气经过氮气回收阀门(203)再次进入所述制氮机(2)中循环利用，而其它气体经第一排气阀门(204)排出；
所述空气循环回路，包括第二空气阀门(102)、(401)和(1701)开启，其它所有阀门关闭，此时，所述空气压缩机(1)直接将空气经过所述气体输送立管(8)、所述钻杆(10)、所述防喷器(11)和所述钻头(12)注入钻场，空气携带岩屑返出依次经过所述降尘排屑管道(14)、所述过滤装置(16)和阀门(1701)后进入所述自动点火装置(17)，燃烧掉可燃气体后排出。
5.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述状态接收及远程控制台(18)接收所述原位监测模块(13)和所述温度传感器分别传回的钻井数据和钻场温度信息；所述气路阀门控制氮气进入和空气进入钻场的气路。
6.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述钻头(12)，为专有激光钻进钻头；所述激光钻进钻头开有气体通道，循环气体经由所述立管(8)、所述钻杆(10)和所述气体通道进入钻场并携带岩屑，然后从环空回到地面进入所述气体回收处理装置中。
7.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：空气或氮气经所述增压机(4)后成为高压气流；高压气流可通过所述设备卸压管(6)进行卸压，用于防止因气压太高而造成的气路损坏。
8.如权利要求1所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述气体供应装置，用于提供氮气和空气；所述气体传输装置，用于提供气体循环回路；所述回收处理装置，用于回收处理气体；所述检测装置，用于检测钻井数据及气体浓度；所述控制装置，用于控制所述气体循环回路的切换；
所述一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，双气循环供气原理包括以下步骤：
s101：所述控制装置打开氮气循环，关闭空气压缩机，以关闭空气循环；同时控制所述制氮机工作，产生氮气，通过所述氮气循环注入钻场；
s102：所述检测装置实时传回所述钻井数据和所述钻场温度信息数据，判断钻头钻进深度是否小于预设的安全钻进深度α且钻场可燃气体浓度小于预设值β？若是，则控制装置关闭制氮机以及氮气循环，开启空气压缩机，以开启空气循环，使空气通过空气循环注入钻井中并携岩返出；并跳转到步骤s103；若否，则所述控制装置关闭空气循环并开启所述制氮机，以开启氮气循环，向钻场中注入非助燃气体氮气保护钻进过程，并再次执行步骤s102；
s103：循环气体携带岩屑从环空返出后直接依次进入所述降尘排屑管道、所述过滤装置和所述自动点火装置，并将回收的氮气循环利用。
9.如权利要求8所述的一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，其特征在于：所述钻井数据包括，钻井深度和钻井内气体浓度；所述气体浓度包括硫化氢浓度、一氧化碳浓度和氧气浓度。
技术总结
本发明提供一种煤层激光定向钻进双气循环供气装置，包括气体供应装置：空气压缩机、制氮机；气体传输装置：气体输送立管、钻杆、防喷器、钻头和环空；气体回收处理装置：降尘排屑管道、取样器、过滤装置和自动点火装置；检测装置：原位监测模块和温度传感器；控制装置：光纤、各气路阀门和状态接收及远程控制台；本发明的有益效果是：实现了对钻进过程的监测，并通过阀门闭合来切换循环气体，控制过程简单；在保障安全的同时，也大大降低激光钻进成本；通过对返出气体的处理和回收，达到绿色经济环保的效果。
技术研发人员：文国军;吴玲玲;王玉丹;官东林;罗耀坤
受保护的技术使用者：中国地质大学(武汉)
技术研发日：.09.09
技术公布日：.01.14
