[发明专利]一种激光辅助破岩的固定齿钻头

说明书

技术领域

本发明涉及钻井钻头领域，尤其是一种激光辅助破岩的固定齿钻头。

背景技术

自20世纪初旋转钻井取代传统的顿钻钻井、实现石油钻井第一次革新以来，一直以来依靠大钻压、大扭矩和高转速来提高机械钻速，钻井方式未有较大变革。如今新技术蓬勃发展带来新型破岩方式的不断出现，例如水射流装置、电子束、空化射流、电气弧、等离子体和激光器等。1960年5月，C.M.Maman发明了世界上第一台毫瓦级红宝石晶体激光器，之后几十年，激光技术已在国防工程、信息通讯、材料加工、生物医学、食品卫生和交通运输等领域得到了广泛应用，但在石油钻井工程领域仍是一片空白。

激光破岩概念来自于1968年麻省理工学院Moavenzadeh F.McGarry F. J.和加州大学Williamson R.B.等人在第43届SPE/AIME秋季年会上提出的利用激光能量破碎岩石和钻井的设想。美国联邦航空研究光切割岩石试验的结果表明，利用激光发出的高能聚焦辐射，可在各种坚硬岩石上切割出深而细的切缝，但是目前激光技术在石油钻井中的应用不多。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足，提供一种利用激光能量直接作用于岩层起到先期切割、辅助破岩、提高机械钻速的激光辅助破岩的固定齿钻头。

本发明采用了以下技术方案：一种激光辅助破岩的固定齿钻头，主要由钻头本体、泥浆通道、切削齿和刀翼组成，还包括光路通道和激光头。光路通道以钻头本体轴线为中心以不同半径环形分布安装在钻头本体上，光路通道内安装有激光头。

除此之外，光路通道与泥浆通道相互隔离，光路通道开在刀翼背侧，开在刀翼背侧的光路通道的激光头指向为钻头径向。

本发明的激光辅助破岩的固定齿钻头，兼具水力、机械、激光三个独立破岩方式，水力破岩是以增加井底水功率为目的，如超高压钻井泵、运用井底增压器的超高压喷射、利用各种喷嘴技术的脉冲射流等等；机械破岩就是以增加钻头机械能能量为目的井下动力工具，主要有增加钻头静扭矩的涡轮钻具、螺杆钻具和电动钻具，还有发展了几十年的适合牙轮钻头的轴向冲击钻具。通过在旋转的钻头上安装一个或多个激光头，由激光器发射的激光通过光纤传输照射在岩石上，破碎、熔化、汽化岩石，使岩石碎裂成小块，直接由钻井液清除，或是改变岩石特性，打破岩石内部的颗粒联接，削弱岩石，使岩石变得松散，孔隙度增大，可钻性提高，避免钻头与坚硬地层的直接接触，降低钻头磨损，保护钻头，提高生产效率，节省成本。

本发明的有益效果是：钻头上的激光头大于等于一个，安装在钻头端面正中间的激光头发出的激光固定照射岩层，安装在刀翼上的激光头随着激光环道半径的增大逐渐增多，随着钻头的转动，刀翼上的激光头发出的激光对岩层移动照射，两者共同作用，先期切割岩石，在传统机械+水力破岩的基础增加了激光辅助破岩。这样，钻头在破岩切削的同时，激光辅助破岩固定齿钻头利用激光头发出的多束较小功率密度的激光对岩石进行先期切割，破碎熔融岩石，改变岩石各种特性，破坏岩石整体强度，降低钻头破岩难度，有辅助破岩效果，可以保护钻头，延长钻头寿命，提高可钻性差的高硬地层机械钻速。

附图说明

图1为激光辅助破岩固定齿钻头顶部示意图；

图中标记：1-钻头本体；2-光路通道；3-激光头；4-泥浆通道；5-切削齿；6-刀翼； 7- 激光环道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

一种激光辅助破岩的固定齿钻头，主要由钻头本体1和设置在钻头本体1上的泥浆通道4、切削齿5和刀翼6组成，在钻头本体1还设置有光路通道2，在光路通道2端部安装有激光头3。

实施例2

一种激光辅助破岩的固定齿钻头，主要由钻头本体1和设置在钻头本体1上的泥浆通道4、切削齿5和刀翼6组成，在钻头本体1还设置有光路通道2，在光路通道2端部安装有激光头3。所述光路通道2为多道，并以钻头本体1轴线为中心以不同半径环形分布安装在钻头本体1上。所述的光路通道2与泥浆通道4沿径向相互隔离分布。

典型实施例3

参见图1，激光辅助破岩固定齿钻头兼具水力、机械、激光三个独立破岩方式，有独立于泥浆通道4的光路通道2；光路通道2内装有激光头3；固定齿钻头采用三刀翼，钻头上留出尽量富余的空间分布光路通道2；钻头采用较大尺寸复合片，简洁包络设计；光路通道2的分布从钻头端面中心开始，沿着钻头本体1轴线为中心沿半径方向逐渐向外分布，安装在周围9个激光头自然形成三个圆，从钻头顶视图看为三个同心圆，我们称之为激光环道7。激光辅助破岩固定齿钻头采用激光环道7半径越大，光路通道2越多也就是激光头3越多的策略，这是因为随着激光环道半径的增大，激光移动照在岩石上停留的时间越短，因此通过增加激光头的分布重复照射变相延长照射时间，达到理想的辅助破岩效果。刀翼6上的光路通道2开在刀翼6背侧。激光辅助破岩固定齿钻头工作时，钻头本体1端面中心的光路通道2内安装的激光头3发出的激光对岩层固定照射，周围的分布在刀翼6上的其他激光头3发出的激光束随着钻头的运动对岩层移动照射，两者共同作用，先期切割岩石，降低岩层强度，改变岩石各种特性，有一定的辅助破岩效果，可以延长钻头寿命，减少起下钻次数，节省时间，提高可钻性差的高硬地层机械钻速。