CN111794683A - 一种分体式的激光钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分体式的激光钻头，属于激光‑机械联合钻井技术领域。主要由钻头胎体、刀翼模块、光缆保护套、激光输出元件组成。钻头胎体上部设有梯形刀翼槽，钻头胎体中心设有一、二、三、四级孔道和钻井液介质的循环流道。刀翼模块通过楔形结构以及螺栓连接方式安装在钻头胎体上端面。光缆保护套连接激光输出元件，保护光缆。激光输出元件输出激光光束，协同刀翼模块，联合作用岩石表面。本发明将激光钻头结构分体设计，加工方便，易于实现激光参数(光束形状、数量、功率)与钻头结构参数(刀翼形状、数量、排列、布齿)的耦合，便于研究激光‑机械联合钻井技术的高效协同规律，降低研究成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种分体式的激光钻头，具体的涉及用于深层、复杂难钻地层的石油钻井领域。
背景技术
目前，我国大部分尚未开发的油气资源主要埋藏在深层、复杂难钻地层，这些地层是油气工业未来最重要的发展领域之一，也是中国油气引领未来油气勘探开发最重要的战略现实领域。在油气勘探开发中，钻头是常规机械破岩方式的核心执行部件，目前几乎所有的钻井都是靠钻头以机械破岩的方式来完成的。然而，深部地层地质条件复杂、岩性致密、硬度高且研磨性强，常规钻头在上述条件下机械钻速普遍较低，单靠常规钻头机械破岩方式并不能满足深层、复杂难钻地层高效破岩的要求。
在钻井大提速的背景下，传统的钻井技术面临着巨大的挑战。激光-机械联合钻井技术作为一门新兴的科学技术，应用于石油钻井中，将会给石油钻井技术带来重大突破。研究发现，激光对岩石具有冲击力效应、温度效应和热应力效应，能够造成岩石的前期损伤破坏，改善岩石的可钻性，进一步结合机械破岩方式破碎岩石，将极大提高钻井效率。
然而，激光-机械联合钻井技术同传统的机械破岩技术一样，钻头作为激光-机械联合钻井的核心执行部件，是激光-机械联合钻井技术高效破岩的关键。联合钻井中，激光光学元件作为精密设备，抗振性低，光缆极易损坏。在不改变现有钻井工艺前提下，如何耦合激光参数与机械破岩参数，科学设计与制造钻头，提高激光光学元件的安全性与可靠性，实现联合钻井的高效协同，是当前激光-机械联合钻井技术研究应用的难点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的：为应对难钻地层中传统机械钻井技术存在的钻井速度慢，周期长、破岩效率低等问题，发展新型的激光-机械联合钻井技术，提出了一种分体式激光钻头，用以降低激光作用的工艺结构参数与钻头结构参数研究成本，科学耦合激光参数与机械破岩参数，提高激光光学元件的安全性与可靠性，实现联合钻井的协同高效破岩。
本发明采用下述的技术方案：
一种分体式的激光钻头，主要有钻头胎体、激光输出元件、光缆保护套、刀翼模块。其特征在于：
所述钻头胎体内部由下到上分别设有一、二、三、四级孔道，孔道直径由下至上，逐渐减小，为阶梯状结构。一级孔道预留为光缆保护套的安装孔道，内壁抛光处理，两者之间间隙配合。二级孔道直径大于激光输出元件直径，侧边设有多个均布的钻井液介质的循环流道，钻井液介质的循环流道与二、三、四级孔道组成并联结构。三级孔道内壁攻有与激光输出元件相配的密封螺纹。四级孔道设为光束通道，孔道直径大于激光输出元件输出的激光光束直径，孔道中部与钻井液介质的循环流道相贯，循环流道数目与四级阶梯型孔道数目相配，四级孔道数目与激光输出元件输出的光束数目相等。优选的，四级孔道数目为1个时，设在钻头胎体内部中心位置，四级孔道数目为n个时，钻头胎体中心位置设1个，其余n-1个四级孔道数目均布在钻头胎体内部。
所述的钻头胎体上部设有梯形刀翼槽，梯形刀翼槽数目均布，优选为4个，梯形刀翼槽侧面设有螺栓孔，用于安装固定刀翼模块。
所述激光输出元件形状设为圆柱状，圆柱状外表面攻有与三级孔道相配的密封螺纹，激光输出元件下部设为阶梯状，连接光缆，攻有与光缆保护套相配的螺纹。
所述光缆保护套由外壳、加强筋、光缆通道组成。外壳下部为柱面结构，与一级孔道间隙配合。外壳中部设为锥形结构，锥形结构中间位置设有钻井液介质窗口。外壳上部设有与激光输出元件配套的密封螺纹。光缆保护套的光缆通道内部中空，保护光缆。光缆通道与外壳之间设有加强筋，用于连接并固定外壳与光缆通道。
所述刀翼模块由牙齿、刀翼本体组成。刀翼本体下部设为楔形结构，楔形结构可快速嵌入钻头胎体的梯形刀翼槽内，刀翼本体外部设有与钻头胎体外表面相配合的螺栓孔，刀翼本体上部设有与钻头胎体上端面相配合的螺栓孔，牙齿疏密相间排列在刀翼本体上部的布齿面上。优选的，刀翼模块的数目为4个，与钻头胎体上端面设有的梯形刀翼槽数目相配。
本发明的有益效果是：
(1)一种分体式的激光钻头由钻头胎体、刀翼模块、激光输出元件、光缆保护套组成，在不改变现有钻井工艺前提下，实现了激光作用的工艺结构参数(激光输出元件安装孔道结构、光束通道形状、数量等)与钻头结构参数(流道结构、刀翼形状、刀翼数量)的耦合设计，发展了新型的激光-机械联合钻井技术。
(2)钻头胎体采用分体式结构设计，在钻头胎体加工制造中，易于加工机床的夹持与固定，有助于保证钻头胎体内部阶梯型孔道的精度，降低制造难度。钻头胎体内部设置钻井液介质的循环流道与二、三、四级孔道组成并联结构，循环流道相贯于二、四级通道，保证了激光光束由光束通道作用到岩石表面。
(3)刀翼模块采用分体式结构设计，易于布齿与加工。通过螺栓与楔形结构将刀翼模块组合固定在钻头胎体上，方便更换，易于刀翼结构参数(刀翼形状、刀翼数量)的优化，降低研究成本。
(4)激光输出元件直接通过螺纹连接固定于钻头胎体内部，通过光缆保护套固定光缆，随钻头一起旋转，避免激光的传输损耗，增加了激光输出元件的可靠性，保证了激光输出元件的稳定工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为当光束数目为1个时本发明的结构示意图；
图2为当光束数目为多个时本发明的结构示意图；
图3为当光束数目为1个时钻头胎体的结构示意图；
图4为当光束数目为n个时钻头胎体的结构示意图；
图5为本发明激光输出元件的结构示意图；
图6为本发明的光缆保护套的结构示意图；
图7为本发明刀翼模块的结构示意图；
图中所示：
其中，1-钻头胎体，2-激光输出元件，3-光缆保护套，4-刀翼模块，5-螺栓，6-钻头胎体上端面，7-螺栓孔，8-梯形刀翼槽，9-四级孔道，10-三级孔道，11-二级孔道，12一级孔道，13-密封螺纹a，14-循环流道，15-激光光束，16-激光输出元件下部，17-密封螺纹b，18-光缆,19-外壳，20-加强筋，21-光缆通道，22-外壳下部，23-外壳中部，24-钻井液介质窗口，25-外壳上部，26-牙齿，27-刀翼本体，28-刀翼本体下部，29-刀翼本体外部，30-刀翼本体上部，31-钻井液介质。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。基于所描述的本发明的实施例，本公开中使用的“上部”、“下部”、“外部”、“内部”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
如图1所示，为光束数目为1时本发明的结构示意图，图2所示，为光束数目为n个时本发明的结构示意图。图1、图2所示，一种分体式的激光钻头，主要有钻头胎体1、激光输出元件2、光缆保护套3、刀翼模块4组成，螺栓5用于钻头胎体1与刀翼模块4的连接与固定。
如图3所示，为光束数目为1时钻头胎体1的结构示意图，图4所示为光束数目为n个时钻头胎体1的结构示意图。如图3、图4所示，所述钻头胎体1内部由下到上分别设有一、二、三、四级孔道，孔道直径由下至上，逐渐减小，为阶梯状结构。一级孔道12预留为光缆保护套3的安装孔道，孔道内壁抛光处理，两者之间间隙配合。二级孔道11直径大于激光输出元件2直径，连接光缆保护套3与激光输出元件2，孔道侧边设有多个均布的钻井液介质31的循环流道14。三级孔道10设为激光输出元件2的安装孔道，安装孔道攻有与激光输出元件2相配的密封螺纹a13，固定激光输出元件2。四级孔道9设为光束通道，大于激光输出元件2输出的激光光束15直径，孔道中部与钻井液介质31的循环流道14相贯，循环流道14数目与四级孔道9数目相配，四级孔道9数目与激光输出元件2输出的激光光束15数目相配，保证激光光束15由四级孔道9作用到岩石表面。图3所述，激光光束15数目为1个时，对应四级孔道9数目为1个，设在钻头胎体内部中心位置，图4所述，激光光束15数目为n个时,对应四级孔道9数目为n个时，钻头胎体中心位置设1个，其余n-1个四级孔道均布在钻头胎体内部。钻井液介质31的循环流道14与二、三、四级孔道形成并联结构，保证钻井液介质31输出到四级孔道9内，进一步确保激光光束15由四级孔道9作用到岩石表面。
如图3、图4所示，所述的钻头胎体1上部设有梯形刀翼槽8，梯形刀翼槽8数目均布，优选为4个，梯形刀翼槽8侧面设有螺栓孔7，用于安装固定刀翼模块4。
如图5所示，所述激光输出元件2输出激光光束15，形状设为圆柱状，圆柱状外表面攻有与三级孔道10相配的密封螺纹a13，激光输出元件下部16设为阶梯状，连接光缆18，攻有与光缆保护套3相配的密封螺纹b17。
如图6所示,所述光缆保护套3由外壳19、加强筋20、光缆通道21组成。外壳下部22为柱面结构，与一级孔道12间隙配合。外壳中部23设为锥形结构，保证光缆保护套3与钻头胎体1中心同轴，同时，避免激光输出元件安装时的过度旋进。同时，外壳中部23设有钻井液介质窗口24，钻井液介质进入光缆保护套3，经钻井液介质窗口24进入钻头胎体1的循环流道14。外壳上部25设有密封螺纹b17，通过螺纹方式连接激光输出元件2。加强筋20用于连接并固定外壳19与光缆通道21。光缆通道21内部中空，用于保护光缆18，避免损坏。
如图7所示，所述刀翼模块4由牙齿26、刀翼本体27组成。刀翼本体27结构分为刀翼本体下部28，刀翼本体外部29，刀翼本体上部30。刀翼本体下部28设为楔形结构，楔形结构可快速嵌入钻头胎体1的梯形刀翼槽8内，刀翼本体外部29设有与钻头胎体1外表面相配合的螺栓孔7，刀翼本体上部30设有与钻头胎体上端面6相配合的螺栓孔7，牙齿26作为切削元件，疏密相间排列在刀翼本体上部30的布齿面上。优选的，刀翼模块4的数目为4个，与钻头胎体上端面6设有的梯形刀翼槽8数目相配。
进一步的，结合图1，对本发明的组装过程作进一步补充：
一种分体式的激光钻头，所述的刀翼模块4通过楔形结构嵌入钻头胎体1的梯形刀翼槽8内，进一步通过螺栓连接，固定刀翼模块4与钻头胎体1。进一步的，激光输出元件2与光缆保护套3通过螺纹方式连接，将光缆18置于光缆保护套3的光缆通道21内。随后，通过激光输出元件2的密封螺纹a13,将激光输出元件2与光缆保护套3一同固定在钻头胎体1内。其中，光缆保护套3的外壳中部23设为锥形结构，避免了激光输出元件2过度旋进旋入三级孔道10内，损坏激光输出元件2。
进一步的，结合图2，对本发明的工作原理作进一步补充：
正常钻进过程中，一种分体式的激光钻头绕轴线中心旋转。相应的，激光输出元件2、光缆保护套3、刀翼模块4跟着钻头胎体1一同旋转，刀翼模块4的牙齿26作为切削元件，以刮切方式破碎岩石，形成岩屑。进一步的，所述钻井液介质31进入光缆保护套3，经外壳中部23的钻井液介质窗口24进入循环流道14，一部分钻井液介质31进一步进入到光束通道中。与此同时，钻进过程中，光缆18给激光输出元件2提供能量，输出激光光束15。最终，激光光束15混合钻井液介质31，将一同由钻头胎体1射出，作用到岩石表面，对岩石造成损伤。钻井液介质31携带岩屑，冷却激光钻头。一种分体式的激光钻头由钻头胎体1、刀翼模块4、激光输出元件2、光缆保护套3组成，满足现有的钻井工艺。激光钻头采用分体式结构设计，方便更换，亦可用于激光参数结构(激光输出元件安装孔道结构、光束通道形状、数量等)与钻头结构参数(流道结构、刀翼形状、刀翼数量)的研究工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种分体式的激光钻头，主要有钻头胎体1、激光输出元件2、光缆保护套3、刀翼模块4组成，其特征在于：所述钻头胎体1内部由下到上分别设有一、二、三、四级孔道，孔道直径由下至上，逐渐减小，为阶梯状结构；一级孔道12内壁抛光处理；二级孔道11直径大于激光输出元件2直径，孔道侧边设有均布的钻井液介质31的循环流道14入口；三级孔道10设有与激光输出元件2相配的密封螺纹a13；四级孔道9直径大于激光输出元件2输出的激光光束15直径，孔道中部与钻井液介质31的循环流道14出口相贯；进一步的，钻井液介质31的循环流道14与二、三、四级孔道组成并联结构，循环流道14数目与四级孔道9数目相对应，四级孔道9数目与激光输出元件2输出的激光光束15数目相等。
2.根据权利要求1所述的一种分体式的激光钻头，其特征在于：所述激光输出元件2输出激光光束15，形状设为圆柱状，圆柱状外表面攻有与三级孔道10相配的密封螺纹a13；激光输出元件下部16设为阶梯状，连接光缆18，攻有与光缆保护套3相配的密封螺纹b17。
3.根据权利要求1所述的一种分体式的激光钻头，其特征在于：所述光缆保护套3由外壳19、加强筋20、光缆通道21组成，外壳下部22为柱面结构，与一级孔道12间隙配合；外壳中部23设为锥形结构，锥形结构中部设有钻井液介质窗口24；外壳上部25设有密封螺纹b17；光缆通道21内部中空，保护光缆18；光缆通道21与外壳19之间设有加强筋20，用于连接并固定外壳19与光缆通道21。
4.根据权利要求1所述的一种分体式的激光钻头，其特征在于：所述刀翼模块4由牙齿26、刀翼本体27组成，刀翼本体下部28设为与梯形刀翼槽8相配合的楔形结构，刀翼本体外部29设有与钻头胎体1外表面相配合的螺栓孔7，刀翼本体上部30设有与钻头胎体上端面6相配合的螺栓孔7；优选的，刀翼模块4的数目为4个，与钻头胎体上端面6设有的梯形刀翼槽8数目相配。
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