CN111173444A - 一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方位可控激光‑机械耦合破岩钻头；属石油钻井配套工具的技术领域。该破岩钻头，包括钻头本体和连续管管缆；钻头本体为空体，钻头本体内通过紧固螺钉安装有空心套，空心套内通过滚动轴承呈安装有激光头，连续管管缆的一端与井口设备连接，连续管管缆的另一端延伸至激光头内。本发明结构紧凑、操作平稳、能够实现可在直井钻井时提高钻进速度，可控制方位进行定向钻井；解决了现有激光钻井装置对井口设备要求较大，需要井口设备提供稳定可持续的电能作为钻井动力，不适用于一些井口平台偏远，运输不便场合的问题。

Description

一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头
技术领域
本发明涉及一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头；属石油钻井配套工具的技术领域。
背景技术
在石油天然气资源勘探开发过程中，钻井作业有着举足轻重的地位，是证实和摸清含油气构造，获取地质资料，开采油气资源的重要手段。石油工业是高风险的资金密集型、科技密集型行业，而钻井费用占整个石油勘探开发费用的60%～80%，所以一种新的钻井方法以及装置对整个钻井工程乃至石油工业都有着重要的影响。
目前国内外激光钻井中，其关于钻头方面的制造和改进，主要结构为固定激光装置和钻头的组合或单一的激光钻井装置，固定激光装置和钻头的组合在钻井时仍需采用传统的设备进行定向钻井，该方法需要采用传统钻井工具来进行定向钻井，而使用工具的同时会延长钻井周期，增大钻井成本；且单一的激光钻井装置对井口设备要求较大，需要井口设备提供稳定可持续的电能作为钻井动力，不适用于一些井口平台偏远，运输不便的场合，因此，急需研发一种激光-机械耦合破岩钻头。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种结构紧凑、操作平稳、能在直井钻井时提高钻进速度，且可控制方位进行定向钻井的方位可控激光-机械耦合破岩钻头
本发明的技术方案是：
一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，包括钻头本体和连续管管缆；其特征在于：钻头本体为空体，钻头本体内通过紧固螺钉安装有空心套，空心套内通过滚动轴承安装有激光头，连续管管缆的一端与井口设备连接，连续管管缆的另一端延伸至激光头内。
所述的空心套的一端端口通过固定螺钉安装有端盖；激光头的一端通过空心套的另一端端口延伸至空心套外端。
所述的激光头由装配套、准直镜、束光镜构成，装配套为变径管状体，装配套的大径段内呈间隔状安装有准直镜和束光镜；准直镜和束光镜分别为凸透镜。
所述的端盖内表面设置有凸台，凸台配合装配套的变径台肩实现滚动轴承的轴向定位。
所述的延伸至空心套外端激光头的装配套上安装有空心轴电机，空心轴电机电机通过导线与连续管管缆连接，空心轴电机一侧的装配套端口安装有支撑套。
所述的支撑套内通过支撑架活动安装有连动套，连动套一端端口通过安装环安装有聚焦镜，连动套另一端端口固装有方位调节环。
所述的连动套与方位调节环活动接触连接，方位调节环外侧的端面为螺旋坡面。
所述的方位调节环上装有环形齿套，环形齿套与空心轴电机连接。
所述的支撑套的端口上装有密封透镜
所述的密封透镜一侧的钻头本体上设置有透光孔。
本发明的有益效果在于：
本发明结构紧凑、操作平稳、能够实现可在直井钻井时提高钻进速度，可控制方位进行定向钻井；解决了现有激光钻井装置对井口设备要求较大，需要井口设备提供稳定可持续的电能作为钻井动力，不适用于一些井口平台偏远，运输不便场合的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的A处放大示意图，
图3为连动套装配的截面示意图；
图4为本发明的工作状态示意图。
图中：1、钻头本体，2、连续管管缆，3、空心套，4、端盖，5、滚动轴承，6、装配套，7、准直镜，8、束光镜，9、井口设备，10、空心轴电机，11、导线，12、支撑套，13、支撑架，14、连动套，15、聚焦镜，16、方位调节环，17、环形齿套，18、密封透镜，19、透光孔，20、动力钻具；21、内支撑圈，22、外支撑圈，23、连接销。
具体实施方式
该方位可控激光-机械耦合破岩钻头包括钻头本体1和连续管管缆2；钻头本体1为空体，钻头本体1内通过紧固螺钉安装有空心套3，空心套3的一端端口通过固定螺钉安装有端盖4；以对空心套3内部形成密封；空心套3内通过对称设置的滚动轴承5呈安装有激光头。激光头由装配套6、准直镜7、束光镜8构成，装配套6为变径管状体，端盖4内表面设置有凸台，凸台配合装配套6的变径台肩实现滚动轴承5的轴向定位。
装配套6的大径段内呈间隔状安装有准直镜7和束光镜8；准直镜7和束光镜8分别为凸透镜。连续管管缆2的一端与井口设备9连接，连续管管缆2的另一端穿过端盖4延伸至激光头的装配套6内，连续管管缆2与端盖4之间设置有密封环。
激光头的装配套6一端通过空心套3的另一端端口延伸至空心套3外端。延伸至空心套3外端激光头的装配套6上安装有空心轴电机10，空心轴电机10内的旋转空轴一端设置有凸缘，凸缘内表面设置有轮齿；空心轴电机10通过导线11与连续管管缆2连接，以为空心轴电机10提供工作电源。
空心轴电机10一侧的装配套6端口安装有支撑套12。支撑套12与空心轴电机10的壳体螺纹连接。支撑套12内通过支撑架13活动安装有连动套14，支撑架13由内支撑圈21、外支撑圈22和连接销23构成，连动套14套装在内支撑圈21内，连动套14与内支撑圈21之间通过左右状对称设置的连接销23相互活动连接；内支撑圈2套装在外支撑圈22内，内支撑圈2与外支撑圈22之间通过上下状对称设置的连接销23相互活动连接。连动套14一端端口通过安装环安装有聚焦镜15。
连动套14另一端端口固装有方位调节环16。方位调节环16上装有环形齿套17，环形齿套17通过外齿与空心轴电机10的轮齿啮合连接。连动套14与方位调节环16活动接触连接，工作中，空心轴电机10通过环形齿套1带动方位调节环16转动。支撑套12的端口上装有密封透镜18；以对支撑套12端口形成密封；密封透镜18一侧的钻头本体1上设置有透光孔19。
该耦合破岩钻头通过端盖4、密封环、支撑套12和密封透镜18对空心套3形成密封，工作时，动力钻具20带动钻头本体1旋转，井口设备9生成激光经由连续管管缆2传送到钻头的激光头。激光经激光头的准直镜7、束光镜8和聚焦镜15聚焦并经透光孔19作用于岩石上，由此可有效提高钻进速度；当需要调节钻井方位时，井口的人员可以通过井口设备9控制该耦合破岩钻头内的空心轴电机10工作，空心轴电机10带动环形齿套17转动，进而控制方位调节环16转动相应的角度，由于方位调节环16外侧（与连动套14的接触面）的端面为螺旋坡面（或设置圆弧凸起），方位调节环16周向转动时，方位调节环16上的圆弧凸起沿连动套14的端口圆周表面滑动；由此可推动连动套14以支撑架13为支撑点轴向旋转摆动，进而可推动连动套14端口的聚焦镜15偏转一定角度，由此可使激光在井眼内偏心作用于岩石上；从而在激光和该破岩钻头的耦合作用下，使得岩石在聚焦方向更易破坏，岩石在激光聚焦方向和反方向上由于岩石可钻的差异性，即可控制钻头的方位偏转，由此实现偏心钻进。
该破岩钻头结构紧凑、操作平稳通过动力钻具103带动该钻头旋转，井口设备9生成的激光经透光孔19作用于岩石上，由此可有效提高钻进速度；当需要调节钻井方位时，通过聚焦镜15偏转一定角度，使激光在井眼内偏心作用于岩石上；实现偏心钻进。解决了现有激光装置和钻头的组合在钻井时仍需采用传统的设备进行定向钻井，以及采用传统钻井工具来进行定向钻井，而使用工具的同时会延长钻井周期，增大钻井成本的问题。本发明通过使激光在井眼内偏心作用于岩石上；一方面通过激光降低了岩石的硬度，提供岩石的可钻性；另一方面岩石强度降低后钻头牙齿破岩所需要的能量降低，实现了激光-机械耦合破岩。更为重要的是该钻头破岩钻进时方位可调节，在定向钻井中具有积极的意义。

Claims (10)

1.一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，包括钻头本体（1）和连续管管缆（2）；其特征在于：钻头本体（1）为空体，钻头本体（1）内通过紧固螺钉安装有空心套（3），空心套（3）内通过滚动轴承（5）安装有激光头，连续管管缆（2）的一端与井口设备（9）连接，连续管管缆（2）的另一端延伸至激光头内。
2.根据权利要求1所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的空心套（3）的一端端口通过固定螺钉安装有端盖（4）；激光头的一端通过空心套（3）的另一端端口延伸至空心套（3）外端。
3.根据权利要求2所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的激光头由装配套（6）、准直镜（7）、束光镜（8）构成，装配套（6）为变径管状体，装配套（6）的大径段内呈间隔状安装有准直镜（7）和束光镜（8）；准直镜（7）和束光镜（8）分别为凸透镜。
4.根据权利要求2所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的端盖（4）内表面设置有凸台，凸台配合装配套（6）的变径台肩实现滚动轴承（5）的轴向定位。
5.根据权利要求2所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的延伸至空心套外端激光头的装配套（6）上安装有空心轴电机（10），空心轴电机（10）通过导线（11）与连续管管缆（2）连接，空心轴电机（10）一侧的装配套（6）端口安装有支撑套（12）。
6.根据权利要求5所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的支撑套（12）内通过支撑架（13）活动安装有连动套（14），连动套（14）一端端口通过安装环安装有聚焦镜（15），连动套（14）另一端端口固装有方位调节环（16）。
7.根据权利要求6所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的连动套（14）与方位调节环（16）活动接触连接，方位调节环（16）外侧的端面为螺旋坡面。
8.根据权利要求7所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的方位调节环（16）上装有环形齿套（17），环形齿套（17）与空心轴电机（10）连接。
9.根据权利要求5所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的支撑套（12）的端口上装有密封透镜（18）。
10.根据权利要求9所述的一种方位可控激光-机械耦合破岩钻头，其特征在于：所述的密封透镜（18）一侧的钻头本体（1）上设置有透光孔（20）。
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