CN207553968U - 一种固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种固定刀翼的超短脉冲激光‑机械钻头，主要由钻头本体、4个光束刀翼、4个切削刀翼、2个限深刀翼、光束通道、保径块组成，切削刀翼上含有切削齿，且相邻刀翼上的切削齿相互嵌套，光束刀翼与切削刀翼间存在较大夹角，以保证激光有足够的时间损伤岩石，限深刀翼上含有多个高度稍低于切削齿的限深齿，保径块上含有相互嵌套的多排保径齿，光束刀翼、切削刀翼、限深刀翼底部均平齐，限深刀翼与切削刀翼之间的钻头本体上开有两个与光束通道连通的流道。本实用新型通过超短脉冲激光对岩石的冲击和热破碎造成岩石的前期损伤破坏，大大降低岩石的强度，解决了现有石油钻头在深部复杂地层破岩钻进时钻井速度慢，钻头磨损严重等问题。

Description

一种固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头

技术领域

本实用新型涉及石油用钻头高效破岩领域，尤其是适用于深层、超深层和复杂难钻地层。

背景技术

我国大部分尚未开发的油气资源主要埋藏在深层、超深层和复杂难钻地层，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。然而，深部地层地质条件复杂、岩性致密、硬度高且研磨性强，导致机械钻速低，钻井周期长，成本居高不下。在油气勘探开发中，钻头是破岩的核心部件。钻头破岩技术水平直接影响油气资源开发效率和效益。目前在石油天然气勘探开发过程中，几乎所有的钻井都是靠机械破岩的方式来完成的，而单靠机械破岩不能满足深层、超深层和复杂难钻地层高效破岩和油气低成本开发的需要。在钻井大提速的背景下，日益增加的钻井难度与深度，使传统的钻井技术面临着巨大的挑战。激光技术作为一门新兴的科学技术，应用于石油钻井中，会给石油钻井技术带来重大突破，被视为21世纪革命性技术。超短脉冲激光-机械联合钻井高效破岩是通过超短脉冲激光对岩石的冲击和热破碎造成岩石的前期损伤破坏，大大降低岩石的强度，再利用机械钻头破碎岩石，这样既能极大提高钻井破岩效率，又不改变现有的钻井工艺，为实现高效破岩、提高钻井效率、降低钻井成本提供全新的方法。

发明内容

本实用新型的目的是：为了解决传统机械破岩技术存在的钻井速度慢，钻井周期长、钻井成本高等问题，特提供一种利用超短脉冲激光能量直接作用于岩石起到先期预破碎岩石作用，降低机械钻头破岩难度的固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头，由钻头本体、4个光束刀翼、4个切削刀翼、2个限深刀翼、光束通道、保径块组成。所述光束通道通过中心轴贯穿钻头底部直径，钻头本体中的光束通道截面为梯形，钻头底部的光束通道由4个光束刀翼围成，激光束接近光束通道但不接触光束通道，光束通道的形状和尺寸大小是基于激光束模式计算得到；光束通道还作为具有透射能力的流体通道，如氮气、空气等，这样可以保证光束通道通畅，同时流体还可以清除岩屑、清洗井底、冷却钻头；切削刀翼上含有切削齿，且相邻刀翼上的切削齿相互嵌套；光束刀翼与切削刀翼间存在较大夹角，以保证激光有足够的时间损伤岩石，过大的夹角会使得结构强度受到影响，夹角为90°至140°较为合适；限深刀翼上含有多个高度稍低于切削齿的限深齿；保径块上含有相互嵌套的多排保径齿；光束刀翼、切削刀翼、限深刀翼底部均平齐；限深刀翼与切削刀翼之间的钻头本体上开有两个与光束通道连通的流道。

本实用新型的有益效果：

1、钻头本体上有一个通过中心轴贯穿钻头底部直径的激光束通道，激光头发出的激光通过激光束通道照射岩石，随着钻头旋转，激光束随之旋转，因此激光束能够辐射到整个井底岩石表面；

2、激光束刀翼与切削刀翼之间存在一个较大夹角，这样能保证切削齿在横向上所作用的岩石都是激光束照射过的岩石；

3、限深刀翼上安装有高度稍低于切削齿的限深齿，这样能够防止切削齿的切削深度大于激光束作用岩石的深度，从而保证切削齿在纵向上所作用的岩石都是激光辐射过的岩石，同时也可以减少钻头的粘滑振动；

4、光束通道可以作为具有透射能力的流体通道，如氮气、空气，这样可以保证光束通道通畅，同时流体还可以清除岩屑、清洗井底、冷却钻头；

5、本实用新型是将先进的激光技术运用到成熟的机械钻井工艺上，不必改变现有的钻井工艺。该发明利用超短脉冲激光发出的激光束对整个井底岩石进行先期的冲击和热破碎，极大破坏了岩石的强度，大大降低了机械钻头的破岩难度，这样可以极大降低钻压和扭矩，有效的保护了钻头，延长了钻头寿命，同时也大幅度提高了复杂难钻地层的机械钻井速度，又不改变现有的钻井工艺，为实现高效破岩、提高钻井效率、降低钻井成本提供全新的方法。

附图说明

图1是固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头的三维图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中光束通道的截面图；

图中：1-切削刀翼，2-限深齿，3-限深刀翼，4-光束刀翼，5-切削齿，6-流道，7-保径块，8-保径齿，9-钻头本体，10-光束通道。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2、图3所示，本实用新型一种固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头，由钻头本体9、4个光束刀翼4、4个切削刀翼1、2个限深刀翼3、光束通道10、保径块8组成。所述光束通道10通过中心轴贯穿钻头底部直径，钻头本体9中的光束通道10截面为梯形，钻头底部的光束通道10由4个光束刀翼4围成，激光束接近光束通道10但不接触光束通道10，光束通道10的形状和尺寸大小是基于激光束模式计算得到；光束通道10还作为具有透射能力的流体通道，如氮气、空气等，这样可以保证光束通道10通畅，同时流体还可以清除岩屑、清洗井底、冷却钻头；切削刀翼1上含有切削齿5，且相邻刀翼上的切削齿5相互嵌套；光束刀翼4与切削刀翼1间存在较大夹角，以保证激光有足够的时间损伤岩石，过大的夹角会使得结构强度受到影响，夹角为90°至140°较为合适；限深刀翼3上含有多个高度稍低于切削齿5的限深齿2；保径块7上含有相互嵌套的多排保径齿8；光束刀翼4、切削刀翼1、限深刀翼3底部均平齐；限深刀翼3与切削刀翼1之间的钻头本体9上开有两个与光束通道10连通的流道6。

Claims (3)

1.一种固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头，主要由钻头本体(9)、4个光束刀翼(4)、4个切削刀翼(1)、2个限深刀翼(3)、光束通道(10)、保径块(7)组成，切削刀翼(1)上含有切削齿(5)，且相邻刀翼上的切削齿相互嵌套，光束刀翼(4)与切削刀翼(1)间存在较大夹角，以保证激光有足够的时间损伤岩石，限深刀翼(3)上含有多个高度稍低于切削齿的限深齿(2)；保径块(7)上含有相互嵌套的多排保径齿(8)，光束刀翼(4)、切削刀翼(1)、限深刀翼(3)底部均平齐，限深刀翼(3)与切削刀翼(1)之间的钻头本体(9)上开有两个与光束通道连通的流道(6)。

2.根据权利要求1中所述的固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头，其特征在于，激光为超短脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的固定刀翼的超短脉冲激光-机械钻头，其特征在于，钻头本体(9)中的光束通道截面为梯形，钻头底部的光束通道(10)由4个光束刀翼(4)围成，光束通道(10)可以作为具有透射能力的钻井介质流体通道。