CN111535748A - 一种具有负压吸入功能的激光钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负压吸入功能的激光钻头，包括钻头体，钻头体内设置有激光系统、流体循环系统；钻头体上设置有多个刀翼，相邻两个刀翼之间形成排屑槽；排屑槽上开设有与激光系统相连通的激光出口、与流体循环系统相连通的水眼、排水口；激光出口、水眼分别位于两个相邻的排屑槽上；排水口位于刀翼上。利用钻头所带激光照射岩石并削弱岩石强度使岩石产生微裂纹，从而使钻头切削齿机械旋转破岩更易、更快；激光钻头具有的负压吸入功能，有助于井底破碎的岩屑及时运移，避免重复破碎，为激光照射提供洁净的井底环境，达到提高钻头破岩效率、延长钻头的使用寿命的作用。
Description
技术领域
本发明属于破岩工具技术领域，涉及一种具有负压吸入功能的激光钻头。
背景技术
随着勘探开发的不断深入，常用的PDC钻头和牙轮钻头在钻遇地质结构复杂，硬度高，研磨性强，可钻性差等难啃的“硬骨头”地层时，存在切削齿耐磨性差、易崩，钻头机械钻速慢、进尺低等问题，给钻井持续提速带来严峻挑战。
激光-机械联合破岩技术是一种全新的钻井破岩前沿技术，是通过激光照射把激光能量作用到岩石表面，致使岩石的温度场和应力场发生改变从而产生微裂纹，削弱岩石强度，再配合机械冲击或刮切破岩，加速岩石破碎，提高钻头在硬质岩层中的钻进速度。
钻井作业中钻遇围压高、塑性强的地层时，岩石难以破碎；高压钻井液直接作用在井底面上将进一步增大岩石塑性，并压持井底岩屑。破碎的岩屑在井底受高压钻井液压持后不能被及时携带走，而是不断重复破碎，导致井底不干净，造成钻头打滑或无进尺；在激光-机械联合破岩时可能会污染激光头、衰减激光，严重时导致激光器件烧毁或报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有负压吸入功能的激光钻头，解决现有技术中存在的破碎岩屑在井底受高压钻井液压持后不能及时被携带走的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种具有负压吸入功能的激光钻头，包括钻头体，钻头体内设置有激光系统、流体循环系统；钻头体上设置有多个刀翼，相邻两个刀翼之间形成排屑槽；排屑槽上开设有与激光系统相连通的激光出口、与流体循环系统相连通的水眼、排水口；激光出口、水眼分别位于两个相邻的排屑槽上；排水口位于刀翼上。
本发明的特点还在于：
激光系统包括通道，通道与激光出口连通，通道内设置有依次连接的光纤I、光纤滑环、光纤II、激光准直系统、激光头、保护镜；保护镜位于激光出口端。
流体循环系统包括主循环系统、负压循环系统及清洁冷却系统；主循环系统与排水口连通；负压循环系统一端与水眼连通，另一端与主循环系统连通；清洁冷却系统一端与激光系统连通，另一端与主循环系统连通。
主循环系统包括沿钻头体中心轴线设置的中心流道，中心流道依次连接的分支流道、排出流道，排出流道出口端与排水口连通。
负压循环系统包括与水眼数量相适配的吸入流道，吸入流道一端连通水眼，另一端与排出流道连通。
清洁冷却系统包括清洁流道，清洁流道内沿水流方向依次设置的过滤器、喷头；清洁流道，一端与中心流道连通，另一端与通道出口端连通。
本发明的有益效果是：
本发明的一种具有负压吸入功能的激光钻头，利用钻头所带激光照射岩石并削弱岩石强度使岩石产生微裂纹，从而使钻头切削齿机械旋转破岩更易、更快；激光钻头具有的负压吸入功能，有助于井底破碎的岩屑及时运移，避免重复破碎，为激光照射提供洁净的井底环境，达到提高钻头破岩效率、延长钻头的使用寿命的作用。
附图说明
图1是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头的结构示意图；
图2是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头的剖视图；
图3是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内流体循环系统的结构示意图；
图4是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内激光系统的结构示意图；
图5是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内主循环系统的结构示意图；
图6是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内负压循环系统的结构示意图；
图7是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内清洁冷却系统的结构示意图；
图8是本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头内主循环系统的冠顶图。
图中，1.钻头体，2.激光系统，201.通道，202.光纤I，203.光纤滑环，204.光纤II，205.激光准直系统，206.激光头，207.保护镜，3.流体循环系统，310.主循环系统，311.中心流道，312.分支流道，313.排出流道，320.负压循环系统，321.吸入流道，322.吸入口，330.清洁冷却系统，331.清洁流道，332.过滤器，333.喷头，4.刀翼，5.排屑槽，6.激光出口，7.水眼，8.排水口，9.井底岩石，10.环空。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头，如图1所示，包括钻头体1，钻头体1内设置有激光系统2、流体循环系统3。钻头体1上设置有多个刀翼4，相邻两个刀翼4之间形成排屑槽5。刀翼4伸出钻头体1，使钻头体1与井底岩石9之间形成环空10。工作时，排屑槽5和环空10内充满破碎岩屑。如图2及图3所示，排屑槽5上开设有与激光系统2相连通的激光出口6、与流体循环系统3相连通的水眼7、排水口8，激光出口6、水眼7分别位于两个相邻的排屑槽5上，排水口8位于刀翼4上。
如图4所示，激光系统2包括一个或多个通道201，通道201与激光出口6连通，通道201内设置的依次连接的光纤I202、光纤滑环203、光纤II204、激光准直系统205、激光头206、保护镜207。保护镜207位于激光出口6端。
流体循环系统3包括主循环系统310、负压循环系统320及清洁冷却系统330。主循环系统310与排水口8连通；负压循环系统320一端与水眼7连通，另一端与主循环系统310连通；清洁冷却系统330一端与激光系统2连通，另一端与主循环系统310连通。
如图5所示，主循环系统310包括沿钻头体1中心轴线设置的中心流道311，及与中心流道311依次连接的分支流道312、排出流道313。分支流道312和排出流道313呈L型。排出流道313分布在刀翼4内部且排出流道313出口端连通排水口8，刀翼4的保径段除能够保径外，还能在钻头体1上将排出流道313和排屑槽5完全分开。钻杆内大部分流体介质依次通过中心流道311、分支流道312、环空10返回地面流动循环。
如图6所示，负压循环系统320包括与水眼7数量相适配的吸入流道321，与吸入流道321一端连通的水眼7，与吸入流道321另一端及排出流道313连通吸入口322。在钻头尾部井筒环空10内少量流体介质经过排屑槽5，进入水眼7、吸入流道321、吸入口322、排出流道313、环空105循环流动。
如图7所示，清洁冷却系统330包括与中心流道311连通的清洁流道331，清洁流道331内沿水流方向依次设置的过滤器332、喷头333。清洁流道331靠近喷头333端与通道201出口端连通。钻杆内的流体介质通过中心流道311，依次进入清洁流道331入口、过滤器332、清洁流道331、喷头333流动。
如图8所示，本实施例中，按钻头工作旋转方向为正方向，依次对刀翼4包含的6个刀翼编号为No.1-No.6，编号为No.1带切削齿9的刀翼4与编号为No.6的刀翼4之间围成排屑槽5空间，组成负压循环320的一部分；另外，编号为No.1带切削齿9的刀翼4与编号为No.2的刀翼4之间形成排屑槽5空间，是激光系统2和清洁冷却系统330的组成部分。
本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头的使用方法如下：
步骤1；调试激光。通过对激光的激光放大器和激光的光学组件调整，对通道201内激光头206的照射时间、激光分布密度、功率以及离焦量等参数进行调试。
步骤2：激光钻头开始钻进,进行井底造型。
步骤3：钻进过程中，激光能量通过光纤I202传递到光纤滑环203进行动、静态耦合转换后，由光纤II204传出，再提供给激光准直系统205调整，然后通过已启动的激光头206射出激光，穿过已打开的保护镜207，通过激光出口6射出，直接照射在待破碎井底岩石9表面，照射到的井底岩石9急剧升温，造成井底岩石9表面的温度场和应力场急剧变化，产生微裂纹，削弱井底岩石91强度，有助于下一步机械旋转式的切削齿9破碎井底岩石9。
步骤4：钻进过程中，钻头体1在钻杆传递给钻头扭矩和钻压作用下转动，带动刀翼4上的切削齿9刮切、破碎井底的井底岩石9，产生破碎岩屑。
步骤5：在主循环系统310中，流体介质经过钻杆内腔输送到中心流道311，采用分流方式进入分支流道312，高速经过吸入流道321入口时(同时在吸入流道321内产生负压)，带上混有破碎岩屑的流体介质，进入排出流道313，并经排出口排出，喷射在钻头体1的周围，破碎后的岩屑随流体介质通过井筒环空10返回地面。
同时，在负压循环320中，钻头体1尾部环空10中的少量流体介质进入排屑槽5，与排屑槽5里破碎的岩屑混合在一起，在负压作用下被水眼7吸入，进入吸入流道321，流出吸入口322后与排出流道313内的流体介质混合并被携带走，从排出流道313排出口进入环空10，返到地面。
在清洁系统330中，流体介质经过钻杆内腔输送到中心流道311，采用分流方式通过清洁流道331入口进入过滤器332过滤，再进入清洁流道331，对激光头206和保护镜207进行冷却和激光载体，由喷头333喷出，进入排屑槽5空间中。
通过以上方式，本发明一种具有负压吸入功能的激光钻头，使钻头所带激光照射在岩石上，削弱岩石强度并使岩石产生微裂纹，从而使钻头切削齿机械旋转破岩更易、更快；激光钻头具有负压吸入功能，有助于井底破碎的岩屑及时运移，避免重复破碎，为激光照射提供洁净的井底环境，达到提高钻头破岩效率、延长钻头的使用寿命的作用。
Claims (6)
1.一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，包括钻头体(1)，所述钻头体(1)内设置有激光系统(2)、流体循环系统(3)；所述钻头体(1)上设置有多个刀翼(4)，相邻两个刀翼(4)之间形成排屑槽(5)；所述排屑槽(5)上开设有与激光系统(2)相连通的激光出口(6)、与流体循环系统(3)相连通的水眼(7)、排水口(8)；所述激光出口(6)、水眼(7)分别位于两个相邻的排屑槽(5)上；所述排水口(8)位于刀翼(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，所述激光系统(2)包括通道(201)，所述通道(201)与激光出口(6)连通，所述通道(201)内设置有依次连接的光纤I(202)、光纤滑环(203)、光纤II(204)、激光准直系统(205)、激光头(206)、保护镜(207)；所述保护镜(207)位于激光出口(6)端。
3.根据权利要求2所述的一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，所述流体循环系统(3)包括主循环系统(310)、负压循环系统(320)及清洁冷却系统(330)；所述主循环系统(310)与排水口(8)连通；所述负压循环系统(320)一端与水眼(7)连通，另一端与主循环系统(310)连通；所述清洁冷却系统(330)一端与激光系统(2)连通，另一端与主循环系统(310)连通。
4.根据权利要求3所述的一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，所述主循环系统(310)包括沿钻头体(1)中心轴线设置的中心流道(311)，所述中心流道(311)依次连接的分支流道(312)、排出流道(313)，所述排出流道(313)出口端与排水口(8)连通。
5.根据权利要求4所述的一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，所述负压循环系统(320)包括与水眼(7)数量相适配的吸入流道(321)，所述吸入流道(321)一端连通水眼(7)，另一端与排出流道(313)连通。
6.根据权利要求3所述的一种具有负压吸入功能的激光钻头，其特征在于，所述清洁冷却系统(330)包括清洁流道(331)，清洁流道(331)内沿水流方向依次设置的过滤器(332)、喷头(333)；所述清洁流道(331)，一端与中心流道(311)连通，另一端与通道(201)出口端连通。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201009 Address after: Baoji City, Shaanxi Province, 721002 Dongfeng Road, Jintai District No. 2 Applicant after: BAOJI OILFIELD MACHINERY Co.,Ltd. Applicant after: CHINA NATIONAL PETROLEUM Corp. Applicant after: CNPC national oil and gas drilling equipment Engineering Technology Research Center Co.,Ltd. Address before: Baoji City, Shaanxi Province, 721002 Dongfeng Road, Jintai District No. 2 Applicant before: Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200814 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |