一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鉆井鉆頭領(lǐng)域，尤其是一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)初旋轉(zhuǎn)鉆井取代傳統(tǒng)的頓鉆鉆井、實(shí)現(xiàn)石油鉆井第一次革新以來，一直以來依靠大鉆壓、大扭矩和高轉(zhuǎn)速來提高機(jī)械鉆速，鉆井方式未有較大變革。如今新技術(shù)蓬勃發(fā)展帶來新型破巖方式的不斷出現(xiàn)，例如水射流裝置、電子束、空化射流、電氣弧、等離子體和激光器等。I960年5月，C.M.Maman發(fā)明了世界上第一臺毫瓦級紅寶石晶體激光器，之后幾十年，激光技術(shù)已在國防工程、信息通訊、材料加工、生物醫(yī)學(xué)、食品衛(wèi)生和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在石油鉆井工程領(lǐng)域仍是一片空白。
[0003]激光破巖概念來自于1968年麻省理工學(xué)院Moavenzadeh F.McGarry F.J.和加州大學(xué)Williamson R.B.等人在第43屆SPE/AME秋季年會上提出的利用激光能量破碎巖石和鉆井的設(shè)想。美國聯(lián)邦航空研究光切割巖石試驗(yàn)的結(jié)果表明，利用激光發(fā)出的高能聚焦輻射，可在各種堅(jiān)硬巖石上切割出深而細(xì)的切縫，但是目前激光技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用不多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用激光能量直接作用于巖層起到先期切割、輔助破巖、提高機(jī)械鉆速的激光輔助破巖的固定盤鉆頭。
[0005]本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體、泥漿通道、切削齒和刀翼組成，還包括光路通道和激光頭。光路通道以鉆頭本體軸線為中心以不同半徑環(huán)形分布安裝在鉆頭本體上，光路通道內(nèi)安裝有激光頭。
[0006]除此之外，光路通道與泥漿通道相互隔離，光路通道開在刀翼背側(cè)，開在刀翼背側(cè)的光路通道的激光頭指向?yàn)殂@頭徑向。
[0007]本發(fā)明的激光輔助破巖的固定齒鉆頭，兼具水力、機(jī)械、激光三個獨(dú)立破巖方式，水力破巖是以增加井底水功率為目的，如超高壓鉆井泵、運(yùn)用井底增壓器的超高壓噴射、利用各種噴嘴技術(shù)的脈沖射流等等；機(jī)械破巖就是以增加鉆頭機(jī)械能能量為目的井下動力工具，主要有增加鉆頭靜扭矩的渦輪鉆具、螺桿鉆具和電動鉆具，還有發(fā)展了幾十年的適合牙輪鉆頭的軸向沖擊鉆具。通過在旋轉(zhuǎn)的鉆頭上安裝一個或多個激光頭，由激光器發(fā)射的激光通過光纖傳輸照射在巖石上，破碎、熔化、汽化巖石，使巖石碎裂成小塊，直接由鉆井液清除，或是改變巖石特性，打破巖石內(nèi)部的顆粒聯(lián)接，削弱巖石，使巖石變得松散，孔隙度增大，可鉆性提高，避免鉆頭與堅(jiān)硬地層的直接接觸，降低鉆頭磨損，保護(hù)鉆頭，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省成本。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:鉆頭上的激光頭大于等于一個，安裝在鉆頭端面正中間的激光頭發(fā)出的激光固定照射巖層，安裝在刀翼上的激光頭隨著激光環(huán)道半徑的增大逐漸增多，隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動，刀翼上的激光頭發(fā)出的激光對巖層移動照射，兩者共同作用，先期切割巖石，在傳統(tǒng)機(jī)械+水力破巖的基礎(chǔ)增加了激光輔助破巖。這樣，鉆頭在破巖切削的同時，激光輔助破巖固定齒鉆頭利用激光頭發(fā)出的多束較小功率密度的激光對巖石進(jìn)行先期切割，破碎熔融巖石，改變巖石各種特性，破壞巖石整體強(qiáng)度，降低鉆頭破巖難度，有輔助破巖效果，可以保護(hù)鉆頭，延長鉆頭壽命，提高可鉆性差的高硬地層機(jī)械鉆速。
【附圖說明】
[0009]圖1為激光輔助破巖固定齒鉆頭頂部示意圖；
圖中標(biāo)記:1-鉆頭本體；2_光路通道；3_激光頭；4_泥漿通道；5_切削齒；6-刀翼；7-激光環(huán)道。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0011]實(shí)施例1
一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體I和設(shè)置在鉆頭本體I上的泥漿通道4、切削齒5和刀翼6組成，在鉆頭本體I還設(shè)置有光路通道2，在光路通道2端部安裝有激光頭3。
[0012]實(shí)施例2
一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體I和設(shè)置在鉆頭本體I上的泥漿通道4、切削齒5和刀翼6組成，在鉆頭本體I還設(shè)置有光路通道2，在光路通道2端部安裝有激光頭3。所述光路通道2為多道，并以鉆頭本體I軸線為中心以不同半徑環(huán)形分布安裝在鉆頭本體I上。所述的光路通道2與泥漿通道4沿徑向相互隔離分布。
[0013]典型實(shí)施例3
參見圖1，激光輔助破巖固定齒鉆頭兼具水力、機(jī)械、激光三個獨(dú)立破巖方式，有獨(dú)立于泥漿通道4的光路通道2 ;光路通道2內(nèi)裝有激光頭3 ;固定齒鉆頭采用三刀翼，鉆頭上留出盡量富余的空間分布光路通道2 ;鉆頭采用較大尺寸復(fù)合片，簡潔包絡(luò)設(shè)計(jì)；光路通道2的分布從鉆頭端面中心開始，沿著鉆頭本體I軸線為中心沿半徑方向逐漸向外分布，安裝在周圍9個激光頭自然形成三個圓，從鉆頭頂視圖看為三個同心圓，我們稱之為激光環(huán)道7。激光輔助破巖固定齒鉆頭采用激光環(huán)道7半徑越大，光路通道2越多也就是激光頭3越多的策略，這是因?yàn)殡S著激光環(huán)道半徑的增大，激光移動照在巖石上停留的時間越短，因此通過增加激光頭的分布重復(fù)照射變相延長照射時間，達(dá)到理想的輔助破巖效果。刀翼6上的光路通道2開在刀翼6背側(cè)。激光輔助破巖固定齒鉆頭工作時,鉆頭本體I端面中心的光路通道2內(nèi)安裝的激光頭3發(fā)出的激光對巖層固定照射，周圍的分布在刀翼6上的其他激光頭3發(fā)出的激光束隨著鉆頭的運(yùn)動對巖層移動照射，兩者共同作用，先期切割巖石，降低巖層強(qiáng)度，改變巖石各種特性，有一定的輔助破巖效果，可以延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數(shù)，節(jié)省時間，提聞可鉆性差的聞硬地層機(jī)械鉆速。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體(I)和設(shè)置在鉆頭本體(I)上的泥漿通道(4)、切削齒(5)和刀翼(6)組成，其特征在于:在鉆頭本體(I)還設(shè)置有光路通道(2),在光路通道(2)端部安裝有激光頭(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輔助破巖的固定齒鉆頭，其特征在于:所述光路通道(2)為多道，并以鉆頭本體(I)軸線為中心以不同半徑環(huán)形分布安裝在鉆頭本體(I)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助破巖的固定齒鉆頭，其特征在于:所述的光路通道(2)與泥漿通道(4)沿徑向相互隔離分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2、3所述的激光輔助破巖的固定齒鉆頭，其特征在于:還有部分光路通道(2 )開在刀翼(6 )背側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭,其特征在于:開在刀翼(6)背側(cè)的光路通道(2)的激光頭(3)指向?yàn)殂@頭徑向。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光輔助破巖的固定齒鉆頭，主要由鉆頭本體、光路通道、激光頭、泥漿通道、切削齒和刀翼組成。在鉆頭本體還設(shè)置有光路通道，在光路通道端部安裝有激光頭。鉆頭兼具水力、機(jī)械、激光三個獨(dú)立破巖方式，在傳統(tǒng)機(jī)械+水力破巖的基礎(chǔ)上增加了激光輔助破巖，有獨(dú)立于泥漿通道的光路通道。通過安裝在激光通道內(nèi)的激光頭發(fā)出的激光照射巖層，破碎、熔化或汽化巖石，先于鉆頭切割，降低鉆頭切削難度，起到保護(hù)鉆頭，延長鉆頭使用壽命，提高難鉆地層機(jī)械鉆速的目的。
【IPC分類】E21B7-00, E21B10-42
【公開號】CN104563885
【申請?zhí)枴緾N201310510853
【發(fā)明人】謝慧, 周燕, 羅熙, 陳志禮
【申請人】中國石油化工集團(tuán)公司, 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月27日