一种激光辅助地质钻机及其非淹没式施工工艺

1.本发明涉及地质超前勘探领域技术领域，尤其是涉及一种激光辅助地质钻机及其非淹没式施工工艺。


背景技术：

2.随着地下空间工程的蓬勃发展，钻机等破岩装备被广泛应用于实际工程中，然而，当钻机遭遇高磨蚀性硬岩、复合地层、破碎地层等复杂条件时，工程钻掘效率急剧下降，装备异常磨损、毁坏、卡机卡钻问题时有发生，甚至出现安全事故。在隧道和地下工程中，地质钻机的钻进效率低下，对于中硬度(单轴抗压强度大于60mpa)及以上岩石，每小时钻进一般不足3m，大量占据了正常施工时间，限制了超前水平钻探这一高精度预报方法的应用。
3.在众多新型辅助破岩方式中，激光技术具有低能高效、易于实现的优势，并且在石油工程领域已经有较为丰富的实践基础，被认为是一种极具潜力的辅助破岩方法。公开号为cn112523687a的发明专利公开了一种激光-机械钻井系统，钻井过程中，激光发生设备产生高能激光，通过光纤总成传入激光-机械井下钻具组合，经整形后作用在钻进面岩石上，实现激光-机械联合破岩功能，通过构建本激光-机械钻井系统，实现了将激光-机械联合破岩技术应用于油气钻井生产实践中的目的，从而降低了深层、超深层钻井过程中的钻压与扭矩，并降低了对钻井所用激光的功率要求。
4.但上述专利仍然存在以下技术问题：
5.(1)高能激光束辐照面积小，导致岩石热损伤区范围小；
6.(2)激光头镜组为精密的光学元件，在钻进过程中极易因钻具振动导致直接损坏或失效；
7.(3)高能激光在泥水环境中传输效率低，造成了能量的大量损耗。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种激光辅助地质钻机及其非淹没式施工工艺，以解决现有技术中高能激光束辐照面积小且激光头容易振动发生损坏的技术问题。
9.本发明提供一种激光辅助快速钻进的地质钻机，至少包括：激光器、光纤、激光头、激光偏移机构、磁浮机构、空间调整机构；所述高能激光由处于钻机外侧的激光器发生，通过位于钻杆内的光纤传输至激光头，钻杆安装在空间调整机构上，能进行钻孔位置和角度的调整，激光头置于激光偏移机构上，在其带动下实现激光头角度调整。激光偏移机构外侧缠绕线圈，在磁浮机构磁场斥力作用下悬空，减小了激光头的振动。最终高能激光束稳定、高效传输至掌子面，与机械刀具相配合进行钻进破岩。
10.作为一种可选方案，钻杆内部设有通气管道，光纤置于通气管道内部，一端连接激光器，另一端连接置于激光偏移机构内的激光头；激光由所述置于钻机外部的激光器发生，经光纤传输至激光头，并在激光头内部聚焦并形成高能激光束，最终稳定、高效地传输至掌子面，配合钻机的机械刀具实现高效快速破岩。
11.作为一种可选方案，所述钻头、钻杆通过螺纹连接，固定在钻机空间调整机构上。空间调整机构至少包括：电动机、z向导轨、x-z角度调整机构、x向导轨；在电动机带动下，钻机可以通过x向导轨和z向导轨实现钻杆x向和z向的直线运动，实现掌子面前方任意位置的水平钻孔。同时钻杆在x-z角度调整机构的带动下，也可实现钻具的倾角调整，最终实现任意位置、任意角度钻孔。
12.作为一种可选方案，所述激光偏移机构至少包括激光头保护罩、第一电动机、连杆组件；所述激光头保护罩一端连接通气管道，另一端设有输光口，第一电动机、连杆组件、激光头都安装在激光头保护罩内部。输光口处置有电磁挡片：
13.激光器工作时，电磁挡片打开，通气管道输出的高压气体进入激光头保护罩，再由输光口输出。此时高能激光穿过输光口并作用于掌子面。高压气体既可以防止岩渣飞溅损坏镜头，同时还能及时吹走岩屑防止渣片二次熔化造成能量损失。此时激光钻机使用高能激光破岩，对前方掌子面岩体造成预损伤。
14.激光器停止工作时，电磁挡片关闭，通气管道停止传输高压气体，钻杆内部输出钻井液，钻机钻具旋转推进，对预损伤岩体进行机械破除。此时闭合的电磁挡片可以防止钻井液回流进入激光头保护罩，使激光头镜组受到污染，导致高能激光的传输效率降低。
15.作为一种可选方案，连杆组件一端与激光头相连，另一端与第一电动机相连。所述第一电动机旋转带动连杆组件摆动，进而实现了激光头的角度调整，解决了激光只能单点照射的工程技术难题。
16.作为一种可选方案，所述磁浮机构包括至少两个承力磁场块，两个所述承力磁场块分别设置与所述激光头保护罩的两侧，每一个所述承力磁场块的两侧均连接有限位磁场块以形成凹形结构，在所述激光头保护罩的外部缠绕有线圈以使得所述激光头保护罩构成电磁铁，在线圈通电时，所述激光头与所述磁浮机构的同名磁极相对，所述承力磁场块和限位磁场块可以是由永磁体构成，亦或者是由电磁体构成。
17.作为一种可选方案，外侧缠绕线圈的激光头保护罩构成电磁体，并置于磁浮机构内部，当线圈通电时，激光头保护罩与线圈产生磁场，且磁场方向与磁浮机构的磁场方向相对。
18.进一步的，两侧承力磁场块形成承力磁场，用于抵消激光头和激光偏移机构的横向重力，两侧的限位磁场块形成限位磁场，用于抵消激光头和激光偏移机构的纵向窜动力。在磁场斥力作用下激光头和激光偏移机构整体悬空并始终保持横向和纵向的相对位置固定，实现了激光头与钻头非直接接触，减小甚至避免了激光头的振动；
19.本发明第二方面提供了一种激光辅助快速钻进的非淹没式施工工艺及围岩判识-自动决策钻进模态的智能控制系统。
20.一种激光辅助快速钻进的非淹没式施工工艺，步骤一：钻机开始工作，空间调整机构调整钻孔位置和角度；
21.步骤二：线圈通电，激光头保护罩和线圈在电流作用下产生高能磁场，且与承力磁场块和限位磁场块的同名磁极相对，在磁场斥力作用下，激光头悬空并始终保持横向和纵向的相对位置固定；
22.步骤三：打开电磁挡片，第一电动机带动连杆组件摆动一定角度，进而调整激光头的角度，此时通气管道输出的高压气体(氮气、氧气等)进入激光头保护罩，再由输光口输
出；
23.步骤四：打开激光器并调节适当的激光参数进行激光破岩。激光对掌子面前方岩体进行预损伤照射，同时输出的高压气体(如氮气、氧气等)既可以及时吹走熔融岩屑，防止岩屑二次熔化吸收更多的能量降低钻孔效率，又可以防止空气中的灰尘、固体颗粒物等杂质吸附到光学镜头表面对激光头造成损伤；
24.步骤五：关闭激光器，通气管道停止输送高压气体，输光口处的电磁挡片闭合；
25.步骤六：钻杆内传输钻井液，用于机械刀具掘进时的刀具冷却和循环排渣；
26.步骤七：机械钻具旋转推进破除预损伤岩体；
27.步骤八：当预损伤的岩体被全部破除后，钻机停止旋转推进破岩，钻杆内停止输出钻井液；
28.步骤九：操作人员判断钻进距离是否达到要求，如达标则停机；如未达标则返回步骤二；
29.一种围岩判识-自动决策钻进模态的智能控制系统，上述一种激光辅助快速钻进的地质钻机还可以搭载围岩判识模块，所述判识模块能通过钻机钻进参数(推力、扭矩、钻进速度等)自动判别当前岩体强度和围岩等级，根据不同围岩等级智能决策钻进模态。
30.当围岩判识模块获取钻机钻进参数(推力、扭矩、钻进速度等)，判识前方钻进工况为i、ii级围岩时，此时纯机械破岩效率下降，钻头磨损严重，控制系统自动关闭机械钻进系统，同时开启激光系统进行大功率激光辅助破岩，照射一定时间后关闭激光系统，同时机械钻头旋转推进破除弱化岩体；当钻进工况为iii、iv级围岩时，此时前方岩体硬度适中，可以直接进行机械破岩，节省中间激光-机械换步时间；当钻进工况为v级围岩时，此时前方岩体为软弱岩体，智能控制系统控制钻机采用机械破岩方式，并自动提高激光钻机钻进速度，进而提高工程施工效率。
31.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
32.1、本发明充分考虑了现有的地质钻机在钻掘高强度硬岩时，常常出现的工程钻掘效率下降，装备异常磨损、毁坏、卡机卡钻等问题，提出了一种激光辅助快速钻进的地质钻机及钻进方法，极大地提高了工程施工效率，节约了现场施工的时间和经济成本；
33.2、本发明设计了一种激光偏移机构，通过第一电动机旋转带动连杆组件摆动，实现了激光头的角度调整，解决了激光在钻机搭载时只能单点照射的工程技术难题；
34.3、本发明设计了一种磁浮机构，外侧缠绕线圈的激光头保护罩构成电磁体，通过磁浮机构的磁场斥力悬空，实现了激光头与钻具的非直接接触，解决了钻进过程中激光头在强振动环境下的抗振难题；
35.4、本发明设计了一种激光辅助快速钻进的非淹没式施工工艺，首先高能激光辐射掌子面前方岩体造成预损伤以减小岩石强度，最后使用机械刀具对损伤面进行二次破岩。该工艺即能避免激光在钻井液介质中传输，导致出现传输效率大大折扣的问题，又可以保护激光头不受携带岩渣、岩屑的回流钻井液污染，极大地提高了工程钻进施工速率，提升了激光搭载的可靠性；
36.5、本发明设计了一种围岩判识-自动决策钻进模态的智能控制系统，能自动获取钻机钻进过程中的钻进参数，判识前方围岩等级并依此自动决策钻进模态，在现场施工过程中，同时兼顾了钻机钻进效率与钻进能耗成本，提高了施工效益。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明实施例1提供的激光辅助快速钻进的地质钻机整机结构示意图；
39.图2为本发明实施例1提供的联合钻具结构示意图；
40.图3为本发明实施例1提供的磁浮机构的结构示意图；
41.图4为本发明实施例1提供的磁浮机构的剖面图；
42.图5为本发明实施例2提供的围岩判识-自动决策钻进模态的智能控制系统示意图。
43.附图标记：
44.1、机座；2、激光器；3、光纤；4、钻杆；5、z向导轨；6、x-z角度调整机构；7、x向导轨；8、第二电动机；9、钻头；10、激光头；11、高能激光束；12、掌子面；13、线圈；14、通气管道；15、激光头保护罩；16、第一电动机；17、连杆组件；18、输光口；19、磁浮机构；20、电磁挡片；
45.91、钻头内壁；
46.191、承力磁场块；192、限位磁场块。
具体实施方式
47.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
48.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
49.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.实施例1：
53.如图1-3所示，本发明实施例1提供了一种激光辅助快速钻进的地质钻机，包括：钻机本体、激光器2、光纤3、激光头10、激光偏移机构、磁浮机构19、空间调整机构；所述高能激
光由钻机本体外部的激光器2发生，并通过位于钻杆4内的光纤3传输至激光头10。钻机本体安装在空间调整机构上，实现钻孔位置和角度调整。激光头10置于激光偏移机构上，进行激光头10角度调整，解决了在钻机搭载时高能激光只能单点照射的难题。激光偏移机构在磁浮机构19磁场斥力作用下悬空，实现了钻机本体与激光头10的非直接接触，减小了激光头10的振动。保证高能激光束11稳定、高效地传输至掌子面12，最终与机械刀具相配合进行钻进破岩。
54.如图1所示，所述钻头9和钻杆4通过螺纹连接组成钻机本体，并固定在钻机空间调整机构上。这里的空间调整机构的目的是实现钻杆4在x-z平面的空间移动，因此对空间调整机构的具体结构不作限制，能够实现钻机本体的钻进角度的调整即可，作为一种具体示例，空间调整机构至少包括：z向导轨5(横向)、x-z角度调整机构6(圆盘)、x向导轨7(纵向)、第二电动机8；具体而言，在第二电动机8带动下，钻杆4可以通过x向导轨7和z向导轨5实现x-z平面的空间移动，同时钻杆4在x-z角度调整机构6的带动下，最终实现掌子面12前方岩体的任意位置、任意角度钻孔。
55.如图2所示，钻杆4内部设有用于传输高压气体通气管道14，光纤3置于通气管道14内部，一端连接激光器2，另一端连接置于激光偏移机构内的激光头10。
56.偏移机构设置是为了对激光头10的照射角度进行调整，因此现有技术中任意一种能够实现激光头角度调整的机构均可，本发明实施例给出一种具体结构示例。
57.如图2所示，所述偏移机构至少包括激光头保护罩15、第一电动机16、连杆组件17。所述激光头保护罩15一端与通气管道14相连接并连通，另一端设有输光口18，输光口18处安装电磁挡片20，第一电动机16、连杆组件17、激光头10均安装在激光头保护罩15内部，连杆组件17可以是曲柄连杆组件，因为输光口18和通气管道14处于正相对的位置，因此第一电动机16的安装高度和激光头10之间存在高度差，曲柄连杆可以补足高度差，通过第一电动机16旋转带动曲柄连杆摆动，实现激光头10角度调整
58.连杆组件17一端与激光头10相连，另一端与第一电动机16相连，第一电动机16固定在激光保护罩上，所述第一电动机16旋转带动连杆组件17摆动，激光头10在连杆组件17的带动下，实现了角度的调整。
59.进一步的，激光偏移机构的工作模式可分为：
60.①
激光器2工作时，电磁挡片20打开，第一电动机16带动连杆组件17摆动，致使激光头10实现了角度调整，随即激光头10输出的高能激光束11穿过输光口18并作用于掌子面12。此时通气管道14输出的高压气体(氧气、氮气等)进入激光头保护罩15，再由输光口18输出。高压气体既可以防止岩渣飞溅损坏镜头，同时还能及时吹走岩屑防止渣片二次熔化造成能量损失。此时钻机依靠高能激光破岩，对掌子面12前方岩体造成预损伤。
61.②
激光器2停止工作时，电磁挡片20闭合，通气管道14停止输送高压气体，钻杆4内部输出钻井液，钻机旋转推进，对预损伤岩体进行机械破除。此时闭合的电磁挡片20可以防止钻井液回流进入激光头保护罩15，导致激光头10镜组受到污染，使得高能激光的传输效率降低。
62.如图2所示，所述磁浮机构19安装在钻头内壁91，缠绕线圈13的激光头保护罩15构成电磁体，并安装在磁浮机构19内部。当线圈13通电时，激光头保护罩15与线圈13共同产生电磁场，且与磁浮机构19的同名磁极相对。
63.如图3所示，磁浮机构19且至少包括至少两个承力磁场块191，两个所述承力磁场块191分别设置与所述激光头保护罩15的两侧，每一个所述承力磁场块191的两侧均连接有限位磁场块192以形成凹形结构，在所述激光头保护罩15的外部缠绕有线圈13以使得所述激光头保护罩15构成电磁铁，在线圈13通电时，所述激光头10与所述磁浮机构19的同名磁极相对，所述承力磁场块191和限位磁场块192可以是由永磁体构成，亦或者由电磁体构成。
64.进一步说明，承力磁场块191主要形成承力磁场，用于抵消激光头10和激光偏移机构的横向重力。限位磁场块192主要形成限位磁场，用于抵消激光头10和激光偏移机构的纵向窜动力。当钻机工作时，线圈13通电，激光头10和激光偏移机构在磁场的相互斥力作用下悬浮在空中，能始终保持横向和纵向的相对位置固定，进而减小了激光头10的横向和纵向振动。
65.如图4所示，本发明实施例中的钻机本体还可以搭载围岩判识-自动决策钻进模态的智能控制系统进行自动化工作，主要包括围岩判识模块和开关控制器，所述围岩判识模块能通过钻机钻进参数(推力、扭矩、钻进速度等)自动判别当前岩体强度和围岩等级，根据不同围岩等级控制开关控制器智能决策钻进模态。
66.当围岩判识模块获取钻机钻进参数(推力、扭矩、钻进速度等)，判识前方钻进工况为i、ii级围岩时，此时纯机械破岩效率下降，钻头9磨损严重，开关控制器关闭机械钻进系统，同时开启激光器2进行大功率激光辅助破岩，照射一定时间后关闭激光器2，同时机械钻头9旋转推进破除弱化岩体；当钻进工况为iii、iv级围岩时，此时前方岩体硬度适中，开关控制器控制钻机直接进行机械破岩，节省中间激光-机械换步时间；当钻进工况为v级围岩时，此时前方岩体为软弱岩体，开关控制器控制钻机采用机械破岩方式，并自动提高激光钻机钻进速度，进而提高工程施工效率。
67.实施例2：
68.本发明实施例2提供了一种激光辅助快速钻进的非淹没式施工工艺。
69.激光-机械同步钻进施工时，高能激光束11需在钻井液介质中传输，部分能量被钻井液吸收，这导致了激光的传输效率下降，严重影响了激光辅助破岩效率。本实施例2公开了一种激光辅助快速钻进的非淹没式施工工艺，通过分步式破岩方法，极大地减小了激光束在传输过程中的能量损耗，解决了激光高效传输的问题，提高了工程钻进速率。
70.具体的非淹没式施工工艺流程如下：
71.步骤一：钻机开始工作，空间调整机构调整钻孔位置和钻孔角度；
72.步骤二：线圈13通电，激光头保护罩15和线圈13组成电磁体，且与承力磁场块191和限位磁场块192的同名磁极相对。在磁场的相互斥力作用下激光头10悬浮在空中，并能始终保持横向和纵向的相对位置固定。实现了激光头10与钻杆4非直接接触，减小甚至避免了激光头10的振动；
73.步骤三：打开输光口18处的电磁挡片20，第一电动机16带动连杆组件17摆动，进而调整激光头10角度。此时通气管道14输出的高压气体(氧气、氮气等)进入激光头保护罩15，再由输光口18输出；
74.步骤四：打开激光器2并调节激光参数，激光头10输出的高能激光束11穿过输光口18并作用于掌子面12，对岩体进行预损伤。同时输出的高压气体(如氮气、氧气等)既可以及时吹走熔融岩屑，防止岩屑二次熔化吸收更多的能量降低钻孔效率，又可以防止空气中的
灰尘、固体颗粒物等杂质吸附到光学镜头表面对激光头造成损伤；
75.步骤五：当高能激光束11辐射适当时间后，关闭激光器2，通气管道14停止输送高压气体，关闭输光口18处的电磁挡片20；
76.步骤六：钻杆4内传输钻井液，用于机械刀具掘进时的刀具冷却和循环排渣；
77.步骤七：钻机的机械钻具开始旋转推进破除预损伤岩体；
78.步骤八：当掌子面12前方预损伤岩体被全部破除后，钻机停止旋转推进破岩，钻杆4内停止输送钻井液；
79.步骤九：操作人员判断钻进距离是否达标，是则停机；否则返回步骤三；
80.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。