[發(fā)明專利]一種分體式的激光鉆頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010740797.4
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111794683B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃志強(qiáng);陳科;鄧嶸;張文琳;翟預(yù)立;梁耀文
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: E21B10/00
• 分類號: E21B10/00;E21B10/60;E21B10/43
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄;廖祥文

本發(fā)明公開了一種分體式的激光鉆頭，屬于激光?機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)領(lǐng)域。主要由鉆頭胎體、刀翼模塊、光纜保護(hù)套、激光輸出元件組成。鉆頭胎體上部設(shè)有梯形刀翼槽，鉆頭胎體中心設(shè)有一、二、三、四級孔道和鉆井液介質(zhì)的循環(huán)流道。刀翼模塊通過楔形結(jié)構(gòu)以及螺栓連接方式安裝在鉆頭胎體上端面。光纜保護(hù)套連接激光輸出元件，保護(hù)光纜。激光輸出元件輸出激光光束，協(xié)同刀翼模塊，聯(lián)合作用巖石表面。本發(fā)明將激光鉆頭結(jié)構(gòu)分體設(shè)計，加工方便，易于實現(xiàn)激光參數(shù)(光束形狀、數(shù)量、功率)與鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)(刀翼形狀、數(shù)量、排列、布齒)的耦合，便于研究激光?機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)的高效協(xié)同規(guī)律，降低研究成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種分體式的激光鉆頭，具體的涉及用于深層、復(fù)雜難鉆地層的石油鉆井領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，我國大部分尚未開發(fā)的油氣資源主要埋藏在深層、復(fù)雜難鉆地層，這些地層是油氣工業(yè)未來最重要的發(fā)展領(lǐng)域之一，也是中國油氣引領(lǐng)未來油氣勘探開發(fā)最重要的戰(zhàn)略現(xiàn)實領(lǐng)域。在油氣勘探開發(fā)中，鉆頭是常規(guī)機(jī)械破巖方式的核心執(zhí)行部件，目前幾乎所有的鉆井都是靠鉆頭以機(jī)械破巖的方式來完成的。然而，深部地層地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性致密、硬度高且研磨性強(qiáng)，常規(guī)鉆頭在上述條件下機(jī)械鉆速普遍較低，單靠常規(guī)鉆頭機(jī)械破巖方式并不能滿足深層、復(fù)雜難鉆地層高效破巖的要求。

在鉆井大提速的背景下，傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)作為一門新興的科學(xué)技術(shù)，應(yīng)用于石油鉆井中，將會給石油鉆井技術(shù)帶來重大突破。研究發(fā)現(xiàn)，激光對巖石具有沖擊力效應(yīng)、溫度效應(yīng)和熱應(yīng)力效應(yīng)，能夠造成巖石的前期損傷破壞，改善巖石的可鉆性，進(jìn)一步結(jié)合機(jī)械破巖方式破碎巖石，將極大提高鉆井效率。

然而，激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)同傳統(tǒng)的機(jī)械破巖技術(shù)一樣，鉆頭作為激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井的核心執(zhí)行部件，是激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)高效破巖的關(guān)鍵。聯(lián)合鉆井中，激光光學(xué)元件作為精密設(shè)備，抗振性低，光纜極易損壞。在不改變現(xiàn)有鉆井工藝前提下，如何耦合激光參數(shù)與機(jī)械破巖參數(shù)，科學(xué)設(shè)計與制造鉆頭，提高激光光學(xué)元件的安全性與可靠性，實現(xiàn)聯(lián)合鉆井的高效協(xié)同，是當(dāng)前激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)研究應(yīng)用的難點。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的：為應(yīng)對難鉆地層中傳統(tǒng)機(jī)械鉆井技術(shù)存在的鉆井速度慢，周期長、破巖效率低等問題，發(fā)展新型的激光-機(jī)械聯(lián)合鉆井技術(shù)，提出了一種分體式激光鉆頭，用以降低激光作用的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)與鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)研究成本，科學(xué)耦合激光參數(shù)與機(jī)械破巖參數(shù)，提高激光光學(xué)元件的安全性與可靠性，實現(xiàn)聯(lián)合鉆井的協(xié)同高效破巖。

本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案：

一種分體式的激光鉆頭，主要有鉆頭胎體、激光輸出元件、光纜保護(hù)套、刀翼模塊。其特征在于：

所述鉆頭胎體內(nèi)部由下到上分別設(shè)有一、二、三、四級孔道，孔道直徑由下至上，逐漸減小，為階梯狀結(jié)構(gòu)。一級孔道預(yù)留為光纜保護(hù)套的安裝孔道，內(nèi)壁拋光處理，兩者之間間隙配合。二級孔道直徑大于激光輸出元件直徑，側(cè)邊設(shè)有多個均布的鉆井液介質(zhì)的循環(huán)流道，鉆井液介質(zhì)的循環(huán)流道與二、三、四級孔道組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。三級孔道內(nèi)壁攻有與激光輸出元件相配的密封螺紋。四級孔道設(shè)為光束通道，孔道直徑大于激光輸出元件輸出的激光光束直徑，孔道中部與鉆井液介質(zhì)的循環(huán)流道相貫，循環(huán)流道數(shù)目與四級階梯型孔道數(shù)目相配，四級孔道數(shù)目與激光輸出元件輸出的光束數(shù)目相等。優(yōu)選的，四級孔道數(shù)目為1個時，設(shè)在鉆頭胎體內(nèi)部中心位置，四級孔道數(shù)目為n個時，鉆頭胎體中心位置設(shè)1個，其余n-1個四級孔道數(shù)目均布在鉆頭胎體內(nèi)部。

所述的鉆頭胎體上部設(shè)有梯形刀翼槽，梯形刀翼槽數(shù)目均布，優(yōu)選為4個，梯形刀翼槽側(cè)面設(shè)有螺栓孔，用于安裝固定刀翼模塊。

所述激光輸出元件形狀設(shè)為圓柱狀，圓柱狀外表面攻有與三級孔道相配的密封螺紋，激光輸出元件下部設(shè)為階梯狀，連接光纜，攻有與光纜保護(hù)套相配的螺紋。