CN111219189B - 一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法。本发明在传统金刚石钻头的刚性机械破岩手段上，辅助激光破岩手段，将飞秒激光聚焦于钻头前方，既不会降低钻头原有的机械强度，又在矿石与钻头接触之前先行利用激光辅助切割破岩，大大降低了矿石强度，减少金刚石钻头的损耗并提高了采矿效率，进一步降低开采成本；并且配备激光探头和电动调节架，并受控制系统统一控制，焦距可变、协同聚焦、共轴聚焦，很大程度上适应多种场合的采矿需求；同时采用飞秒激光，相对于普通连续飞秒激光峰值功率高出数十个数量级，同功率下破岩效果更好，无需采用高功率激光器，即降低了开采成本，也提高了激光破岩的效率。

Description

一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法

技术领域

本发明属于采矿装置领域，具体涉及一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法。

背景技术

钻井在石头勘探、矿场开采等工程中必不可少，金刚石钻头在现阶段的钻井钻头中被广泛使用。传统金刚石钻头受岩层影响较大，在刚度系数较大的岩层中作业时磨损严重，钻头易损坏。为此人们研究出水射流金刚石钻头，这虽提高了采矿的效率，但水射流采矿需要对整个循环系统增压，这可能对作业出现难以想象的危险。同时在深井高围压条件下，水动压急剧下降，能量利用率低。这一系列问题特高了采矿成本、限制了采矿效率。

自从1960年世界第一台红宝石激光器被发明以来，激光方面的研究飞速发展，飞秒激光器应运而生。区别于普通激光器，其产生的飞秒激光有着峰值功率高、定位精度高、热影响区域小等特点，现主要应用于医疗技术和精密加工等领域，在钻井采矿工程领域尚未得到广泛的应用。但世界各国已在此方面展开了研究，美国Phillipse公司用MIRACL激光器进行钻孔试验，激光束在1s内可穿透60mm厚的砂岩-页岩-砂岩夹层，其穿透速度比常规钻井速度高上百倍，但成本昂贵。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头及其采矿方法，提升采矿效率和金刚石钻头的使用寿命，从而降低采矿成本。

本发明的一个目的在于提出一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头。

本发明的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头包括：钻杆、钻头、钻井液通道、飞秒激光通道、高压气流通道、飞秒激光输出孔、控制电缆、防震层、飞秒激光器、传输光缆、激光探头、电动调节架、通光窗口、防护快门以及地面控制主机；其中，钻杆底端设置连接为一整体的钻头；在一体的钻杆和钻头内开设有钻井液通道，打通钻杆的顶面和钻头的底面，钻井液通道平行于中心轴；在一体的钻杆和钻头内开设有多条关于中心轴呈中心对称的飞秒激光通道，与每一条飞秒激光通道相对应，在每一条飞秒激光通道的内侧即靠近中心轴侧开设有一条高压气流通道，每一条飞秒激光通道和高压气流通道均打通钻杆的顶面但不打通钻头的底面；在每一条飞秒激光通道的底部朝向相应的高压气流通道处设置有通光窗口；从每一个通光窗口经相应的高压气流通道的底部至钻头的底面靠近中心轴处开设有连通的飞秒激光输出孔；在每一个飞秒激光输出孔的输出端设置有防护快门；在每一条飞秒激光通道的内壁覆盖防震层，在每一条飞秒激光通道的防震层内的顶部设置飞秒激光器；在每一条飞秒激光通道的防震层内的底部设置电动调节架，激光探头安装在电动调节架上，激光探头朝向通光窗口且方向与飞秒激光输出孔一致；飞秒激光器通过传输光缆连接至激光探头；飞秒激光器、传输光缆、激光探头和电动调节架构成飞秒激光系统，每一条飞秒激光通道内设置一套飞秒激光系统，从而形成多套关于中心轴呈中心对称的飞秒激光系统，飞秒激光系统的数量大于等于三路；飞秒激光器、电动调节架和防护快门通过控制电缆连接至地面控制主机；地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光，同时打开防护快门；多束飞秒激光分别通过各自的传输光缆传输至激光探头，地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置，从而控制飞秒激光的聚焦焦距；飞秒激光通过通光窗口，经飞秒激光输出孔，由防护快门出射，聚焦至钻头下的位置，焦点位于中心轴的延长线上，多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置；高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，对岩石的解离面进行先期的破坏，钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩，实现激光辅助破岩作业，从而降低钻头的损耗并提升采矿效率；在飞秒激光器运行的同时，高压气流经高压气流通道内部输出，通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑，并防止其进入输出孔内部堵塞孔道，确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置；同时根据需要，由钻井液通道向井道内注入钻井液，携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

本发明采用多套关于中心轴呈中心对称的飞秒激光通道，每一条飞秒激光通道中设置一套飞秒激光系统，多光束协同聚焦，共轴共聚焦，这增加了激光辅助破岩的效率；并通过预先校准和调节，将所输出的飞秒激光全部聚焦于钻头前方同一位置，并通过程序设定，对多条飞秒激光通道内的飞秒激光系统采用统一控制，确保其设备共同受控制主机调控，进行协调操作，使得飞秒激光在不同角度，不同距离下均保持共轴共聚焦，确保激光辅助破岩的高效性和稳定性。

钻头采用金刚石钻头。

在一体的钻杆和钻头内开设有一条或多条钻井液通道，多条钻井液通道关于中心轴呈中心对称分布。

防震层的材料采用橡胶，用以减少采矿过程中的震动对飞秒激光系统的影响。

通光窗口包括透光通孔和透光材料，在透光通孔上密封设置透光材料，透光材料采用镀膜处理钢化玻璃，既可最大程度透过飞秒激光，也具有一定强度，可防止矿物碎屑进入飞秒激光通道损伤设备。

在飞秒激光输出孔的输出端设有防护快门，在飞秒激光系统不工作时关闭，同时不通入高压气流，减少损耗和成本。

地面控制主机通过飞秒激光器控制飞秒激光的输出功率。地面控制主机通过控制激光探头控制激光聚焦的长度，并控制电动调节架控制激光探头的位置，从而综合控制飞秒激光系统输出的飞秒激光的性能。飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10～100nm。

飞秒激光器的功率为100w～1000w，w为激光器功率单位瓦特。

防护快门采用触发式圆形电子快门，材质为发黑处理的不锈钢。

钻井液通道的内径为10～20cm；飞秒激光通道的内径10～20cm直径；高压气流通道的内径5～10cm直径。

飞秒激光输出孔的直径为10mm～50mm，倾斜角度θ为0＜θ≤5°。

本发明的另一个目的在于提出一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的采矿方法。

本发明的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的采矿方法，包括以下步骤：

1)地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光，同时打开防护快门；

2)多束飞秒激光分别通过传输光缆传输至激光探头，地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置，从而控制飞秒激光的聚焦焦距；飞秒激光通过通光窗口，

经飞秒激光输出孔，由防护快门出射，聚焦至钻头下的位置，焦点位于中心轴的延长线上，多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置；

3)高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，对岩石的解离面进行先期的破坏，钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩，实现激光辅助破岩作业，从而降低钻头的损耗并提升采矿效率；

4)在飞秒激光器运行的同时，高压气流经高压气流通道内部输出，通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑，并防止其进入输出孔内部堵塞孔道，确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置；

5)同时根据需要，由钻井液通道向井道内注入钻井液，携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

其中，在步骤2)中，飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10～100nm。

本发明的优点：

传统的金刚石钻头与岩石直接接触并破坏，磨损严重并且通过传统的破坏模式对岩石的解离面的破坏耗时耗力；本发明在传统金刚石钻头的刚性机械破岩手段上，辅助激光破岩手段，将飞秒激光聚焦于钻头前方，既不会降低钻头原有的机械强度，又在矿石与钻头接触之前先行利用激光辅助切割破岩，大大降低了矿石强度，减少金刚石钻头的损耗并提高了采矿效率，进一步降低开采成本。

配备激光探头和电动调节架，并受控制系统统一控制，焦距可变、协同聚焦、共轴聚焦，很大程度上适应多种场合的采矿需求；同时采用飞秒激光，相对于普通连续飞秒激光峰值功率高出数十个数量级，同功率下破岩效果更好，无需采用高功率激光器，即降低了开采成本，也提高了激光破岩的效率。

附图说明

图1为本发明的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的一个实施例的剖面图；

图2为本发明的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的一个实施例的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头包括：钻杆1、钻头2、钻井液通道14、飞秒激光通道、高压气流通道3、飞秒激光输出孔12、控制电缆4、防震层5、飞秒激光器6、传输光缆7、激光探头9、电动调节架10、通光窗口11、防护快门13以及地面控制主机；其中，钻杆1底端设置连接为一整体的钻头2；在一体的钻杆1和钻头2内开设有三条关于中心轴呈中心对称分布的钻井液通道14，打通钻杆1的顶面和钻头2的底面，钻井液通道14平行于中心轴；在一体的钻杆1和钻头2内开设有三条关于中心轴呈中心对称的飞秒激光通道，与每一条飞秒激光通道相对应，在每一条飞秒激光通道的内侧即靠近中心轴侧开设有一条高压气流通道3，每一条飞秒激光通道和高压气流通道3均打通钻杆1的顶面但不打通钻头2的底面；在每一条飞秒激光通道的底部朝向相应的高压气流通道3处设置有通光窗口11；从每一个通光窗口11经相应的高压气流通道3的底部至钻头2的底面靠近中心轴处开设有连通的飞秒激光输出孔12；在每一个飞秒激光输出孔12的输出端设置有防护快门13；在每一条飞秒激光通道的内壁覆盖防震层5，在每一条飞秒激光通道的防震层5内顶部设置飞秒激光器6；在每一条飞秒激光通道的防震层5内底部设置电动调节架10，激光探头9安装在电动调节架10上，激光探头9朝向通光窗口11且方向与飞秒激光输出孔12一致；飞秒激光器6通过传输光缆7连接至激光探头9；飞秒激光器6、传输光缆7、激光探头9和电动调节架10构成飞秒激光系统，每一条飞秒激光通道内设置一套飞秒激光系统，从而形成三套关于中心轴呈中心对称的飞秒激光系统；飞秒激光器6、电动调节架10和防护快门13通过控制电缆4连接至地面控制主机。

在本实施例中，钻头2采用金刚石钻头2；防震层5的材料采用橡胶；通光窗口11的透光材料镀膜处理钢化玻璃；飞秒激光器的功率为500w，防护快门采用触发式圆形电子快门。钻井液通道的内径为15cm；飞秒激光通道的内径15cm直径；高压气流通道的内径8cm直径。飞秒激光输出孔的直径为30mm，倾斜角度θ为3°

本实施例的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头2的采矿方法，包括以下步骤：

1)地面控制主机同步控制三个飞秒激光器6同时产生飞秒激光，同时打开防护快门13；

2)三束飞秒激光分别通过传输光缆7传输至激光探头9，地面控制主机通过控制电动调节架10控制激光探头9的位置，从而控制飞秒激光的聚焦焦距；飞秒激光通过通光窗口11，经飞秒激光输出孔12，由防护快门13出射，聚焦至钻头2下的位置，焦点位于中心轴的延长线上，三束飞秒激光共轴共聚焦至钻头2前的同一个位置；

3)高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，对岩石的解离面进行先期的破坏，实现激光辅助破岩作业，从而降低钻头2的损耗并提升采矿效率；

4)在飞秒激光器6运行的同时，高压气流8经高压气流通道3内部输出，通过高压气流清洁飞秒激光输出孔12外部附近的采矿作业时所产生的碎屑，并防止其进入输出孔内部堵塞孔道，确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置；

5)同时由钻井液通道14向井道内注入钻井液，携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头包括：钻杆、钻头、钻井液通道、飞秒激光通道、高压气流通道、飞秒激光输出孔、控制电缆、防震层、飞秒激光器、传输光缆、激光探头、电动调节架、通光窗口、防护快门以及地面控制主机；其中，所述钻杆底端设置连接为一整体的钻头；在一体的钻杆和钻头内开设有钻井液通道，打通钻杆的顶面和钻头的底面，钻井液通道平行于中心轴；在一体的钻杆和钻头内开设有多条关于中心轴呈中心对称的飞秒激光通道，与每一条飞秒激光通道相对应，在每一条飞秒激光通道的内侧即靠近中心轴侧开设有一条高压气流通道，每一条飞秒激光通道和高压气流通道均打通钻杆的顶面但不打通钻头的底面；在每一条飞秒激光通道的底部朝向相应的高压气流通道处设置有通光窗口；从每一个通光窗口经相应的高压气流通道的底部至钻头的底面靠近中心轴处开设有连通的飞秒激光输出孔；在每一个飞秒激光输出孔的输出端设置有防护快门；在每一条飞秒激光通道的内壁覆盖防震层，在每一条飞秒激光通道的防震层内的顶部设置飞秒激光器；在每一条飞秒激光通道的防震层内的底部设置电动调节架，激光探头安装在电动调节架上，激光探头朝向通光窗口且方向与飞秒激光输出孔一致；飞秒激光器通过传输光缆连接至激光探头；所述飞秒激光器、传输光缆、激光探头和电动调节架构成飞秒激光系统，每一条飞秒激光通道内设置一套飞秒激光系统，从而形成多套关于中心轴呈中心对称的飞秒激光系统，飞秒激光系统的数量大于等于三路；所述飞秒激光器、电动调节架和防护快门通过控制电缆连接至地面控制主机；地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光，同时打开防护快门；多束飞秒激光分别通过各自的传输光缆传输至激光探头，地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置，从而控制飞秒激光的聚焦焦距；飞秒激光通过通光窗口，经飞秒激光输出孔，由防护快门出射，聚焦至钻头下的位置，焦点位于中心轴的延长线上，多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置；高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，对岩石的解离面进行先期的破坏，钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩，实现激光辅助破岩作业，从而降低钻头的损耗并提升采矿效率；在飞秒激光器运行的同时，高压气流经高压气流通道内部输出，通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑，并防止其进入输出孔内部堵塞孔道，确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置；同时根据需要，由钻井液通道向井道内注入钻井液，携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

2.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述防震层的材料采用橡胶。

3.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述通光窗口包括透光通孔和透光材料，在透光通孔上密封设置透光材料。

4.如权利要求3所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述透光材料采用镀膜处理钢化玻璃。

5.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10～100nm。

6.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述飞秒激光器的功率为100w～1000w。

7.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述钻井液通道的内径为10～20cm；飞秒激光通道的内径10～20cm直径；高压气流通道的内径5～10cm直径。

8.如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头，其特征在于，所述飞秒激光输出孔的直径为10mm～50mm，倾斜角度θ为0＜θ≤5°。

9.一种如权利要求1所述的飞秒激光刀与金刚石刀复合的采矿钻头的采矿方法，其特征在于，所述采矿方法包括以下步骤：

1)地面控制主机同步控制多个飞秒激光器同时产生飞秒激光，同时打开防护快门；

2)多束飞秒激光分别通过传输光缆传输至激光探头，地面控制主机通过控制电动调节架控制激光探头的位置，从而控制飞秒激光的聚焦焦距；飞秒激光通过通光窗口，经飞秒激光输出孔，由防护快门出射，聚焦至钻头下的位置，焦点位于中心轴的延长线上，多束飞秒激光共轴共聚焦至钻头前的同一个位置；

3)高能量密度且低热效应的飞秒激光作用于岩石表面，岩石局部迅速受热膨胀，导致局部热应力升高，当热应力高于岩石极限强度时，岩石就会发生热破碎，对岩石的解离面进行先期的破坏，钻头在已经破坏了解离面的岩石上进行破岩，实现激光辅助破岩作业，从而降低钻头的损耗并提升采矿效率；

4)在飞秒激光器运行的同时，高压气流经高压气流通道内部输出，通过高压气流清洁飞秒激光输出孔外部附近的采矿作业时所产生的碎屑，并防止其进入输出孔内部堵塞孔道，确保飞秒激光能充分聚焦作用于所需位置；

5)同时根据需要，由钻井液通道向井道内注入钻井液，携带岩屑、冷却润滑并平衡压力。

10.如权利要求9所述的采矿方法，其特征在于，在步骤2)中，飞秒激光的聚焦的焦点与钻头的底面之间的距离为10～100nm。

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