[發明專利]一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭

無效

• 申請號: 201310510853.5
• 申請日: 2013-10-27
• 公開（公告）號: CN104563885A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 謝慧;周燕;羅熙;陳志禮
• 申請（專利權）人: 中國石油化工集團公司;中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
• 主分類號: E21B10/42
• 分類號: E21B10/42;E21B7/00
• 代理公司: 東營雙橋專利代理有限責任公司 37107
• 代理人: 侯華頌

技術領域

本發明涉及鉆井鉆頭領域，尤其是一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭。

背景技術

自20世紀初旋轉鉆井取代傳統的頓鉆鉆井、實現石油鉆井第一次革新以來，一直以來依靠大鉆壓、大扭矩和高轉速來提高機械鉆速，鉆井方式未有較大變革。如今新技術蓬勃發展帶來新型破巖方式的不斷出現，例如水射流裝置、電子束、空化射流、電氣弧、等離子體和激光器等。1960年5月，C.M.Maman發明了世界上第一臺毫瓦級紅寶石晶體激光器，之后幾十年，激光技術已在國防工程、信息通訊、材料加工、生物醫學、食品衛生和交通運輸等領域得到了廣泛應用，但在石油鉆井工程領域仍是一片空白。

激光破巖概念來自于1968年麻省理工學院Moavenzadeh?F.McGarry?F.?J.和加州大學Williamson?R.B.等人在第43屆SPE/AIME秋季年會上提出的利用激光能量破碎巖石和鉆井的設想。美國聯邦航空研究光切割巖石試驗的結果表明，利用激光發出的高能聚焦輻射，可在各種堅硬巖石上切割出深而細的切縫，但是目前激光技術在石油鉆井中的應用不多。

發明內容

本發明的目的針對現有技術的不足，提供一種利用激光能量直接作用于巖層起到先期切割、輔助破巖、提高機械鉆速的激光輔助破巖的固定齒鉆頭。

本發明采用了以下技術方案：一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體、泥漿通道、切削齒和刀翼組成，還包括光路通道和激光頭。光路通道以鉆頭本體軸線為中心以不同半徑環形分布安裝在鉆頭本體上，光路通道內安裝有激光頭。

除此之外，光路通道與泥漿通道相互隔離，光路通道開在刀翼背側，開在刀翼背側的光路通道的激光頭指向為鉆頭徑向。

本發明的激光輔助破巖的固定齒鉆頭，兼具水力、機械、激光三個獨立破巖方式，水力破巖是以增加井底水功率為目的，如超高壓鉆井泵、運用井底增壓器的超高壓噴射、利用各種噴嘴技術的脈沖射流等等；機械破巖就是以增加鉆頭機械能能量為目的井下動力工具，主要有增加鉆頭靜扭矩的渦輪鉆具、螺桿鉆具和電動鉆具，還有發展了幾十年的適合牙輪鉆頭的軸向沖擊鉆具。通過在旋轉的鉆頭上安裝一個或多個激光頭，由激光器發射的激光通過光纖傳輸照射在巖石上，破碎、熔化、汽化巖石，使巖石碎裂成小塊，直接由鉆井液清除，或是改變巖石特性，打破巖石內部的顆粒聯接，削弱巖石，使巖石變得松散，孔隙度增大，可鉆性提高，避免鉆頭與堅硬地層的直接接觸，降低鉆頭磨損，保護鉆頭，提高生產效率，節省成本。

本發明的有益效果是：鉆頭上的激光頭大于等于一個，安裝在鉆頭端面正中間的激光頭發出的激光固定照射巖層，安裝在刀翼上的激光頭隨著激光環道半徑的增大逐漸增多，隨著鉆頭的轉動，刀翼上的激光頭發出的激光對巖層移動照射，兩者共同作用，先期切割巖石，在傳統機械+水力破巖的基礎增加了激光輔助破巖。這樣，鉆頭在破巖切削的同時，激光輔助破巖固定齒鉆頭利用激光頭發出的多束較小功率密度的激光對巖石進行先期切割，破碎熔融巖石，改變巖石各種特性，破壞巖石整體強度，降低鉆頭破巖難度，有輔助破巖效果，可以保護鉆頭，延長鉆頭壽命，提高可鉆性差的高硬地層機械鉆速。

附圖說明

圖1為激光輔助破巖固定齒鉆頭頂部示意圖；

圖中標記：1-鉆頭本體；2-光路通道；3-激光頭；4-泥漿通道；5-切削齒；6-刀翼；?7-?激光環道。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

實施例1

一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體1和設置在鉆頭本體1上的泥漿通道4、切削齒5和刀翼6組成，在鉆頭本體1還設置有光路通道2，在光路通道2端部安裝有激光頭3。

實施例2

一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體1和設置在鉆頭本體1上的泥漿通道4、切削齒5和刀翼6組成，在鉆頭本體1還設置有光路通道2，在光路通道2端部安裝有激光頭3。所述光路通道2為多道，并以鉆頭本體1軸線為中心以不同半徑環形分布安裝在鉆頭本體1上。所述的光路通道2與泥漿通道4沿徑向相互隔離分布。

典型實施例3

參見圖1，激光輔助破巖固定齒鉆頭兼具水力、機械、激光三個獨立破巖方式，有獨立于泥漿通道4的光路通道2；光路通道2內裝有激光頭3；固定齒鉆頭采用三刀翼，鉆頭上留出盡量富余的空間分布光路通道2；鉆頭采用較大尺寸復合片，簡潔包絡設計；光路通道2的分布從鉆頭端面中心開始，沿著鉆頭本體1軸線為中心沿半徑方向逐漸向外分布，安裝在周圍9個激光頭自然形成三個圓，從鉆頭頂視圖看為三個同心圓，我們稱之為激光環道7。激光輔助破巖固定齒鉆頭采用激光環道7半徑越大，光路通道2越多也就是激光頭3越多的策略，這是因為隨著激光環道半徑的增大，激光移動照在巖石上停留的時間越短，因此通過增加激光頭的分布重復照射變相延長照射時間，達到理想的輔助破巖效果。刀翼6上的光路通道2開在刀翼6背側。激光輔助破巖固定齒鉆頭工作時，鉆頭本體1端面中心的光路通道2內安裝的激光頭3發出的激光對巖層固定照射，周圍的分布在刀翼6上的其他激光頭3發出的激光束隨著鉆頭的運動對巖層移動照射，兩者共同作用，先期切割巖石，降低巖層強度，改變巖石各種特性，有一定的輔助破巖效果，可以延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數，節省時間，提高可鉆性差的高硬地層機械鉆速。