一种激光-机械联合破岩动力钻具的制作方法

本发明涉及一种激光-机械联合破岩动力钻具，具体涉及用于深层、复杂难钻地层的石油钻井领域。

背景技术：

我国作为能源需求大国，油气勘探开发的主战场已逐步向深层、复杂难钻地层转移，钻井难度成倍增长，就当前看来，常规的旋转钻井依靠高钻压、高扭矩、高转速的方式增大机械钻速，已难以满足我国绿色环保、安全高效的破岩指标和油气低成本开发的需要。

激光钻井技术是近年来兴起的一项新技术，研究表明：利用激光光束直接作用岩石,将对岩石造成破坏和损伤作用，岩石的强度将会降低，可钻性会得到改善，若进一步结合机械方法破碎岩石，在复杂难钻地层可以提高钻井速度，节约钻井成本。激光钻井结合机械钻井方式，是目前激光钻井技术的发展方向。

在石油钻井领域，泥浆钻井能够有效平衡钻压、防止井塌、拟制井漏，是较为安全的钻井方式，是当前钻探的主流方向。激光联合机械钻井能够降低破岩难度，减少钻头磨损，节约破岩能源，是较为高效的破岩方式，是未来钻探的发展方向。因此，若能将未来新型的激光联合机械钻井运用到当前的泥浆钻井条件中，一同实现钻探的安全与高效，将具有十分重要的意义。

然而，泥浆钻井过程中，激光光学元件作为精密仪器，如何适用于井下高温、高污染的工况环境；激光光束如何克服泥浆，有效作用井底表面；机械破岩工具又如何配套激光光学元件耦合设计，是当前研究的难点。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种激光-机械联合破岩动力钻具。考虑将潜油电机置于井下，通过潜油电机带动钻头旋转破碎岩石的方式替代传统的转盘钻井，以有效保证线缆的输送，降低钻井的振动。进一步的，考虑将清水/气体作为激光光束的传输介质，和泥浆分通道隔离，共同清洗井底，以保证激光光学元件的洁净，为激光破岩技术用于泥浆钻井提供了新方法。

本发明立足于当前的泥浆钻井，将机械破岩工具配套激光光学元件，进行结构的耦合设计，对于发展激光-机械联合钻井技术，实现泥浆钻井的安全高效，具有重要的意义。

本发明采用下述的技术方案：

一种激光-机械联合破岩动力钻具，主要由潜油电机(1)、激光光束短节(2)、激光头(7)、光束整形镜组(8)、激光钻头(3)组成；其特征在于：所述潜油电机(1)上部设有螺纹接头(11)，螺纹接头(11)端面设有密封凹槽(12)，可用金属密封以实现清水/气体与泥浆的隔离；潜油电机(1)内部设有两个通道，内通道(4)中空，贯穿潜油电机(1)中心，外通道(5)截面设为两个扇形；潜油电机(1)下部设有转子法兰盘(6)，转子法兰盘(6)连接在潜油电机(1)的内通道(4)内，连接部分设有角接触轴承(13)，保证转子法兰盘(6)的旋转运动；进一步的，转子法兰盘(6)内部设有两个通道，内通道(4)中空，外通道(5)截面设为4个扇形，转子法兰盘(6)外端设有6个均布的螺栓孔(14)，连接固定激光光束短节(2)。

所述激光光束短节(2)上端设有6个螺栓孔(14)，与转子法兰盘(6)的螺栓孔(14)相配，激光光束短节(2)上端面设有密封凹槽(12)，与转子法兰盘(6)的密封凹槽(12)相配；激光光束短节(2)内部设有内、外两个通道，与转子法兰盘(6)的内、外通道相配；其中，激光光束短节(2)的外通道(5)截面设为2个扇形，用于传输泥浆；激光光束短节(2)的内通道(4)中空，设为阶梯状，保证激光光束短节(2)的内通道(4)上端直径小于下端直径；

进一步的，内通道(4)上端放入光缆(17)，内通道(4)下端内壁设有细螺纹(15)，用于固定安放激光头(7)与光束整形镜组(8)；进一步的，激光光束短节(2)下端设有螺纹母扣(16)，用于连接激光钻头(3)，实现激光光束短节(2)与激光钻头(3)的同步转动。

所述激光头(7)上部设有光缆(17)，使激光头(7)产生圆形激光束，激光头(7)下部的外径等于光束整形镜组(8)的内壁直径，进一步的，激光头(7)下部的外壁攻有细螺纹(15)，与光束整形镜组(8)内壁的细螺纹(15)相配。

所述光束整形镜组(8)为短筒状，其内壁以及外壁均设有细螺纹(15)，其中，内壁的细螺纹(15)与激光头(7)下部的细螺纹(15)相配；外壁的细螺纹(15)与激光光束短节(2)下端的细螺纹(15)相配；进一步的，光束整形镜组(8)的细螺纹(15)之间，设有3个均布的扇形通孔(18)，便于气体/清水由内通道(4)向下传输；进一步的，光束整形镜组(8)内部设有整形镜片(19)，将激光头(7)发出的圆形激光束整形为条状。

所述激光钻头(3)中心设有台阶槽(20)，其中，台阶槽(20)上端大，下端小，用于容纳光束整形镜组(8)；台阶槽(20)的上端面设有密封凹槽(12)，台阶槽(20)的底面连通光束通道(9)；其中，光束通道(9)呈梯形开口，贯穿激光钻头(3)，能够让激光光束、气体/清水从光束通道(9)射出；进一步的，激光钻头(3)的外部设有泥浆流道(10)，最终，泥浆从激光钻头(3)的喷嘴(21)喷出，与气体/清水一起混合。

本发明的有益效果是：

1.通过将潜油电机(1)置于井下，内部设有两个通道，内通道(4)中空，外通道(5)截面设为两个扇形，有助于实现清水/气体与泥浆隔离输送。潜油电机(1)通过转子法兰盘(6)带动激光光束短节(2)、激光钻头(3)同步旋转，破碎岩石，这种方式降低了钻井振动，有效保证光缆(17)的输送。

2.激光光束短节(2)内部设有内、外两个通道，其中，设置激光头(7)与光束整形镜组(8)固定安放在内通道(4)内，气体/清水在内通道(4)流通，有助于激光头(7)的冷却以及整形镜片(19)的整洁。

3.激光头(7)发出圆形激光束，利用光束整形镜组(8)将圆形激光束整形为条状，借助气体/清水介质对激光光束进行传输保护，保证激光光束作用到井底表面，增加了激光光束的作用区域和损伤效果；进一步，气体/清水配合泥浆的方式清洗井底，增强了携岩效果。

4.一种激光-机械联合破岩动力钻具将机械破岩工具与激光光学元件结构配套设计，使气体/清水和泥浆两种介质能够隔离与传输，为激光破岩技术用于泥浆钻井提供了新方法。

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。

图1为本发明一种激光-机械联合破岩动力钻具结构示意图；

图2为本发明潜油电机结构示意图；

图3为本发明图2的截面图；

图4为本发明激光光束短节、光束整形镜组、激光头的装配示意图；

图5为本发明激光头、光束整形镜组的装配示意图；

图6为本发明激光钻头结构示意图。

图中所示：1-潜油电机，2-激光光束短节，3-激光钻头，4-内通道，5-外通道，6-转子法兰盘，7-激光头，8-光束整形镜组，9-光束通道，10-泥浆流道，11-螺纹接头，12-密封凹槽，13-角接触轴承，14-螺栓孔，15-细螺纹，16-螺纹母扣，17-光缆，18-扇形通孔，19-整形镜片，20-台阶槽，21-喷嘴，22-切削齿。

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：

图1、图2、图3所示，一种激光-机械联合破岩动力钻具，主要由潜油电机(1)、激光光束短节(2)、激光头(7)、光束整形镜组(8)、激光钻头(3)组成；其特征在于：所述潜油电机(1)上部设有螺纹接头(11)，螺纹接头(11)的配合端面设有密封凹槽(12)，可用金属密封以实现清水/气体与泥浆的隔离；潜油电机(1)内部设有两个通道，其中，内通道(4)中空，贯穿潜油电机(1)中心，用于输送清水/气体，外通道(5)截面设为两个扇形，用于传输泥浆；潜油电机(1)下部设有转子法兰盘(6)，转子法兰盘(6)连接在潜油电机(1)的内通道(4)内，连接部分设有角接触轴承(13)，保证转子法兰盘(6)的旋转运动；进一步的，转子法兰盘(6)内部设有两个通道，内通道(4)中空，用于输送清水/气体；外通道(5)截面设为4个扇形，保证转子法兰盘(6)与潜油电机(1)上部相对转动过程中，有效输送泥浆；进一步的，转子法兰盘(6)外端设有6个均布的螺栓孔(14)，连接固定激光光束短节(2)。

图4所示，所述激光光束短节(2)上端设有与转子法兰盘(6)相配的螺栓孔(14)，激光光束短节(2)上端面设有密封凹槽(12)，与转子法兰盘(6)的密封凹槽(12)相配；激光光束短节(2)内部设有内、外两个通道，与转子法兰盘(6)的内、外通道相配；其中，激光光束短节(2)的外通道(5)截面设为两个扇形，用于传输泥浆；激光光束短节(2)的内通道(4)中空，设为阶梯状，保证激光光束短节(2)的内通道(4)上端直径小于下端直径；其中，内通道(4)上端放入光缆(17)，内通道(4)下端内壁设有细螺纹(15)，用于固定安放激光头(7)与光束整形镜组(8)；进一步的，激光光束短节(2)下端设有螺纹母扣(16)，用于连接激光钻头(3)，实现激光光束短节(2)与激光钻头(3)的同步转动。

图5所示，所述激光头(7)上部设有光缆(17)，使激光头(7)产生圆形激光束，激光头(7)下部的外径等于光束整形镜组(8)的内壁直径，进一步的，激光头(7)下部的外壁攻有细螺纹(15)，与光束整形镜组(8)内壁的细螺纹(15)相配；所述光束整形镜组(8)为短筒状，其内壁以及外壁均设有细螺纹(15)，其中，内壁的细螺纹(15)与激光头(7)下部的细螺纹(15)相配；外壁的细螺纹(15)与激光光束短节(2)内通道(4)下端的细螺纹(15)相配；进一步的，光束整形镜组(8)的细螺纹(15)之间，设有3个均布的扇形通孔(18)，便于气体/清水由内通道(4)向下传输；进一步的，光束整形镜组(8)内部设有整形镜片(19)，将激光头(7)发出的圆形激光束整形为条状。进一步，参照图1，激光光束通过激光钻头(3)的光束通道(9)，借助气体/清水的流动与透明特性，能够突破井底泥浆的阻碍，最终与气体/清水一起，作用至井底岩石表面，对岩石造成破坏和损伤作用。

图6所示，所述激光钻头(3)中心设有台阶槽(20)，其中，台阶槽(20)上端大，下端小，用于容纳光束整形镜组(8)，参照图1，确保台阶槽(20)的侧面与底面与光束整形镜组(8)外表面不接触，助于流通的气体/清水对整形镜片(19)有效清洗，形成保护涡旋；进一步的，激光钻头(3)的台阶槽(20)的上端面设有密封凹槽(12)，可用金属密封以实现清水/气体与泥浆的隔离；激光钻头(3)的台阶槽(20)的底面连通光束通道(9)，其中，光束通道(9)呈梯形开口，贯穿激光钻头(3)，能够让激光光束、气体/清水从光束通道(9)射出，给激光创造一个能够有效传输到岩石表面的环境；进一步的，激光钻头(3)的内部设有泥浆流道(10)，最终，泥浆从激光钻头(3)的喷嘴(21)喷出，与气体/清水一起混合，增强携岩效果，返回地面。

进一步的，结合附图，对本发明工作原理，作进一步补充：

一种激光-机械联合破岩动力钻具，正常钻进过程中，气体/清水协同电缆、光缆与泥浆由地面隔离传输到地下；其中，气体/清水混合电缆、光缆(17)，进入潜油电机(1)的内通道(4)，电缆给潜油电机(1)供电，使潜油电机(1)的转子法兰盘(6)机械转动；同时，光缆(17)末端连接激光光束短节(2)的激光头(7)，使激光头(7)发出圆形激光，圆形激光经过光束整形镜组(8)，将激光光束整形为条状。

进一步，研究发现，特殊波段频率的激光光束在气体/清水中，能够有效传输，借助气体/清水的流动与透明特性，激光光束经过激光钻头(3)的光束通道(9)，能够有效作用到井底岩石表面，对岩石造成损伤作用与破坏。

进一步的，潜油电机(1)的转子法兰盘(6)旋转，带动与之法兰连接的激光光束短节(2)，激光光束短节(2)带动激光头(7)、光束整形镜组(8)和激光钻头(3)同步旋转。至此，整形后的条状激光将跟随激光钻头(3)同步旋转，对岩石表面造成损伤和破坏。随后，切削齿(22)对激光辐照区域进行进一步的旋转刮切作用，以实现泥浆环境下的激光-机械联合钻井。

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。