一种激光-机械扩孔钻头

1.本发明涉及的是石油天然气工程领域中的钻井扩孔装置，具体涉及的是一种激光-机械扩孔钻头，属于激光-机械联合破岩技术领域。


背景技术：

2.目前我国石油天然气等化石资源的年消耗量正在逐年剧增，然而易于开采的陆上浅层、中层油气资源已基本开采完毕，开发深层、超深层、难钻地层等油气资源已成为石油工业发展的必然趋势。在开采深层和超深层油气井时，套管层数越来越多，井的直径不断缩小，钻井效率也越来越低，这对固井、完井作业产生了诸多不利影响。扩孔是在井下采用特殊钻具，在原有井眼的基础上将井径扩大的一种工艺，在油气资源的开采过程中，扩孔对于固定井身结构是必不可少的步骤。通过井下扩孔技术，在不改变套管尺寸的情况下，可增加套管环空间隙，有利于提高固井质量。
3.目前，机械扩孔钻头在深层钻井作业中，不仅扩孔钻头磨损严重，扩孔效率低下，导致整体的原油产量低，此外扩孔井眼质量差，导致井身质量差。
4.基于机械扩孔钻头在井下作业时磨损严重，扩孔效率低，扩孔周期长，原油产量低等一系列问题，提出将机械扩孔破岩和激光破岩技术联合起来以期降低扩孔的难度，提高扩孔效率，实现激光-机械高效破岩的效果。激光破岩技术是目前石油钻井领域的一大热点，激光照射岩石时，由于激光的冲击力作用、热应力作用、温度作用能够使岩石产生热裂纹甚至发生热剥落，岩石的力学强度降低，进一步结合机械扩孔破岩方式，将大大提高扩孔效率。因此，如果能够将激光技术与机械扩孔技术相结合，实现高效扩孔，将具有非凡的意义。


技术实现要素：

5.针对上诉机械扩孔钻头在深层、超深层、难钻地层工作的时候，存在扩孔钻头磨损严重、扩孔效率低、原油产量低等问题，提出一种激光-机械扩孔钻头。本发明通过将激光装置与机械扩孔钻头相结合，使激光照射岩石实现把激光能量作用到岩石表面，致使岩石受到热冲击作用、热应力作用和温度作用而产生热裂纹甚至热剥落，削弱岩石强度，提高岩石的扩孔可钻性，再配合机械扩孔钻头的冲击作用和剪切作用破岩，加速岩石破碎，实现激光热作用与机械的力作用的耦合，极大提高扩孔破岩效率，提高扩孔钻头在岩层中的扩孔速度。
6.本发明采用下述的技术方案：
7.本发明一种激光-机械扩孔钻头，主要包括激光传输及调节系统、扩孔破岩系统、钻井介质循环系统、扩孔钻头壳体以及辅助零件。其特征在于：
8.所述激光传输及调节系统由电源及控制装置、激光发生器、光纤光缆、分隔器、螺栓、盖板、激光头、固定块、半边盖板、螺钉、镜组、分流器组成。激光发生部分采用井口组合，将激光装置在井外布置的方案，电源及控制系统控制电源传输功率大小，电能传输到激光
器后转化为激光束，激光束通过激光通道进入分流器，在分流器作用下分为所需的激光束数量，继续经过激光通道传输到达镜组，最后在镜组中整形成矩形激光。
9.所述破岩系统由四个均分分布的滑移扩张扩孔刀翼，滑轨a，滑轨b，回推弹簧，推杆，紧锁弹簧组成。滑移扩张扩孔刀翼下部设有凸起结构，凸起结构可嵌入滑轨a和滑轨b的凹槽内，滑移扩孔刀翼采用四刀翼均布。
10.所述钻井介质循环系统由塞板、中心弹簧、泥浆管道、泥浆通道和空腔组成。在需要扩孔时，从井上释放不溶于泥浆的直径为3mm的圆球，来控制内部压力的变化从而实现滑移扩张扩孔刀翼扩张的目的。
11.所述扩孔钻头壳体以及辅助零件包括法兰盘、壳体主体、连接套管、密封板、中心弹簧。法兰盘与壳体主体通过螺栓连接，法兰盘与分隔器通过过盈配合连接。
12.本发明的有益效果是：
13.(1)针对传统扩孔钻头效率低的问题，本发明设计了一种激光-机械扩孔钻头。所述的激光-机械扩孔钻头将激光作用与机械作用相结合，用激光辐射岩石表面使岩石发生热作用进而使岩石熔融、粉碎、汽化，再采用滑移扩张扩孔刀翼对岩石进行破坏，以达到提速增效的目的。
14.(2)与传统的机械扩孔钻头相比，本发明提出一种激光-机械扩孔钻头。该激光-机械扩孔钻头，可以在钻孔的同时对已钻孔径进行扩孔，即可以边钻孔边扩孔，极大提高了钻孔和扩孔的工作效率。
15.(3)与传统的机械扩孔钻头相比，本发明设计了一种能伸缩的滑移扩张扩孔刀翼，四个能伸缩的滑移扩张扩孔刀翼在圆柱形钻身的中部沿着圆柱形钻身每隔90
°
均匀分布，通过在激光-机械扩孔钻头内部设计的流道控制流道内部流体压力的变化进一步控制滑移扩张扩孔刀翼的伸缩。
附图说明
16.为了能更清楚地说明本发明的技术方案，下面特对本发明的附图做简单的介绍。
17.图1为本发明一种激光-机械扩孔钻头方案示意图；
18.图2为本发明一种激光-机械扩孔钻头的结构示意图；
19.图3为本发明一种激光-机械扩孔钻头起始状态原理图；
20.图4为本发明一种激光-机械扩孔钻头准备扩孔时示意图；
21.图5为本发明一种激光-机械扩孔钻头工作状态原理图；
22.图6为本发明一种激光-机械扩孔钻头激光装置结构示意图；
23.图7为本发明一种激光-机械扩孔钻头壳体机构结构示意图；
24.图8为本发明一种激光-机械扩孔钻头钻头的滑移扩张扩孔刀翼示意图；
25.附图中各标记表示如下：
26.1、激光传输及调节系统：101-电源及控制装置、102-激光发生器、103-光纤光缆、104-分隔器、105-螺栓c、106-盖板、107-激光头、108-固定块、109-半边盖板、110-螺钉b、111-镜组、112-分流器、；113-螺钉a、114-激光通道；
27.2、扩孔破岩系统：201-回推弹簧、202-滑轨a、203-滑轨b、204-滑移扩张扩孔刀翼、205-紧锁弹簧、206-推杆、207-钻头、208-钻杆、209-平板、210-紧锁凹槽、20401-刀齿、
20402-凸块a、20403-凸块b；
28.3、钻井介质循环系统：301-塞板、302-中心弹簧、303-泥浆管道、304-泥浆通道、305-空腔；
29.4、扩孔钻头壳体以及辅助零件：401-法兰盘、402-螺栓a、403-壳体主体、404-螺栓b、405-密封板、406-连接套管。
具体实施方式
30.为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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”、“头部”、“尾部”等仅用于表达相对的位置关系，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。
31.下面结合附图和实例对本发明进一步说明：
32.如图1所示，本发明将激光装置的电源及控制装置101和激光发生器102置于井外，通过光纤电缆103将激光传输至井下的镜组111与分流器112，再通过激光头107使激光作用于岩石，配合滑移扩张扩孔刀翼204破坏岩石完成扩孔工作。
33.如图2和图6所示，所述分隔器104呈圆柱形其下部开有一个与激光头107尾部相同的凹槽，用于激光头107的定位，分隔器104有两个扇形通道接连分流器111，分隔器104下部与盖板a106通过螺栓c105连接，保证与激光通道连接成为一体。所述分流器111带有两个泥浆分流通道，且为激光出口通道留有射出激光的空间，为了保证分流器111的定位在其上部设计四个均匀分布的螺纹孔，所述分流器111下部与镜组110通过螺钉a113连接，保证两者成为一体。所述激光头107尾部设有凸起部分，凸起部分与分隔器104下部的凹槽通过嵌套连接，为了增加分隔器104的强度将分隔器104的头部设计得较尾部粗；所述镜组111尾部通过焊接两个固定块108与激光头107的头部连接，头部开有两个对称分布的激光口通道，激光从激光通道射出作用于岩石，激光通道采用矩形，能够增大激光的能量密度，使破岩效果更好，在镜组111尾部用侧边带四个螺纹孔的固定块108通过螺纹连接使激光头107和镜组111固定。所述盖板有两种，一种是盖板106是根据分隔器104的接合面，保证激光头107尾部能够盖住分隔器104里面，另一种是根据固定块108的接合面的带有两个螺纹孔的半边盖板109，设计两个与分隔器104安装后需要旋转30
°
之后才能连接螺栓的螺纹孔。
34.如图3和图8所示，所述的扩孔破岩系统回推弹簧201、滑轨a202、滑轨b203、滑移扩张扩孔刀翼204、紧锁弹簧205、推杆206、钻头207、208钻杆、平板209、紧锁凹槽210、刀齿20401、凸块a20402、凸块b20403。所述滑移扩张扩孔刀翼204与岩层接触面有一定的斜度，设计为20
°
，滑移扩张扩孔刀翼204上的刀齿20401设计成两排，保证其上下运动。凸块a20402具有轴向定位作用，保证滑移扩张扩孔刀翼204复位时有向下的拉力，凸块b20403与支撑件连接，起导向的作用，刀翼采用四刀翼均布来减少激光辅助破岩的影响。回推弹簧4上下两端各焊接一个平板209，滑轨a202的上部与回推弹簧201下部的平板焊接相连，滑轨b203的下部与推杆206通过焊接连接，两个滑轨通过焊接连接在一起。
35.如图7所示，所述的扩孔钻头壳体以及辅助零件包括法兰盘401、螺栓a402、壳体主体403、螺栓b404、密封板405、连接套管406。所述法兰盘与壳体主体通过螺栓a402接连，法兰盘401下部与分隔器104通过过盈配合连接。
36.进一步的，结合附图3、附图4和附图5对本发明的重要工作原理进一步补充：
37.如图3所示，为本发明的起始状态原理图。起始状态时，滑移扩张扩孔刀翼204没有扩张，井上泥浆泵再施加一定压强给泥浆，泥浆通过中间泥浆通道可以从底部钻头出口喷出。如图4所示，为本发明的准备扩孔时的原理图。
38.如图5所示，为本发明的工作状态原理图。需要扩孔时，在井上释放不溶于泥浆的直径为3mm的圆球，经泥浆通道到达塞板301的位置，小球因此将塞板301堵塞，在泥浆压力作用下，塞板301向右移动，经过泥浆管道303，泥浆通过泥浆管道303到达锁紧拉簧205向上挤压，塞板301再经过泥浆通道304，泥浆通过泥浆通道304到达空腔305，在液压的作用下推动推杆206向左滑动，因此也带动滑轨a202和滑轨b203向左运动，回推弹簧201也受挤压收缩，滑移扩张扩孔刀翼204受滑轨b203接触面的斜向上的压力和壳体主体403的定向支撑力下，向上滑动，直至最高位置，在滑轨b203向右过程中，锁紧凹槽210经过锁紧弹簧205的位置时，锁紧弹簧205在液压作用下向上拉伸，卡住紧锁凹槽210，进行锁紧，此时，空腔305达到最大空间，充满泥浆，并向外喷射泥浆。在液压的作用下，塞板301继续向右滑动至更大管径的泥浆通道位置，并保证中间管道的泥浆顺利通过。
39.扩孔破岩系统扩张后，井上控制台打开激光发生装置102，经光纤光缆103传输给激光头107，在经镜组111整形，向两边激光通道发射整形激光束，最后启动电机开始转动钻杆208。
40.扩孔结束时，先停止电源及控制装置101和激光发生器102，释放可溶解小球表面一定厚度的专用物质，塞板301的孔洞程流通状态，在中心弹簧302的作用下，塞板301开始复位，复位到起始状态时，泥浆管道303失去了额外的液压，锁紧弹簧205回拉，扩孔破岩系统不再锁紧，在回推弹簧201的作用下，推动滑轨a202向右滑动，因此滑轨b203和推杆206也向右滑动，滑移扩张扩孔刀翼204和滑轨是有轨连接，在滑轨b203向右滑动至斜面相接触时，滑移扩张扩孔刀翼204也开始向下移动至原位。
41.如图6所示，所述激光通道114尾部焊接两个定位块用于连接半边盖板109，镜组111尾部焊接两个定位块用于连接激光头107，镜组111与半边盖板109通过螺钉b110连接，镜组111前部有两个对称的激光出口通道；所述激光通道和镜组111尺寸较长，需要支撑稳定，在镜组111尾部用侧边带四个螺纹孔的固定块108通过螺纹连接使激光通道114和镜组固定。
42.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。

技术特征：
1.一种激光-机械扩孔钻头，其特征在于，主要包括激光传输及调节系统1、扩孔破岩系统2、钻井介质循环系统3、扩孔钻头壳体及辅助零件4；所述激光传输及调节系统由电源及控制装置101、激光发生器102、光纤光缆103、分隔器104、螺栓c105、盖板106、激光头107、固定块108、半边盖板109、螺钉b110、镜组111、分流器112、螺钉a113组成；所述分隔器104有两个扇形通道连接分流器111，分隔器104下部与盖板a106通过螺栓c105连接，保证与激光通道114连接成为一体；所述分流器111带来两个泥浆分流通道，且为激光出口通道留出激光的空间，分流器111的上部设计四个均匀分布的螺纹孔来保证其定位；所述激光头107尾部设有凸起部分，凸起部分与分隔器104下部的凹槽通过嵌套连接；所述镜组111尾部通过焊接两个固定块108与激光头107的头部连接，镜组111头部开有两个对称分布的激光通道，镜组111尾部用侧边带四个螺纹孔的固定块108通过螺纹连接使激光头107和镜组111固定；激光通道114尾部焊接两个定位块用于连接半边盖板109，镜组111与半边盖板109通过螺钉b110连接，镜组111前部有两个对称的激光出口通道；所述激光通道和镜组111尺寸较长，需要支撑稳定，在镜组111尾部用侧边带四个螺纹孔的固定块108通过螺纹连接使激光通道114和镜组111固定。2.根据权利要求1所述的一种激光-机械扩孔钻头，其特征在于：所述扩孔破岩系统2中的滑移扩张扩孔刀翼204上的刀齿20401设计成两排，沿着圆柱形钻身每隔90
°
均匀分布四个能伸缩的滑移扩张扩孔刀翼204；凸块a20402具有轴向定位作用，保证滑移扩张扩孔刀翼204复位时有向下的拉力，凸块b20403具有导向作用；回推弹簧4上下两端各焊接一个平板209，滑轨a202的上部与回推弹簧201下部的平板焊接相连，滑轨b203的下部与推杆206通过焊接连接，两个滑轨通过焊接连接在一起。

技术总结
本发明公开一种激光-机械扩孔钻头，属于激光-机械联合钻井技术领域。主要由扩孔破岩系统、激光传输及调节系统、钻井介质循环系统、扩孔钻头壳体以及辅助零件组成。本发明通过改变泥浆通道的压力变化来控制滑移扩张扩孔刀翼的收缩与伸展。激光传输及调节装置能将井上产生的激光传输到井底作用于岩石表面，激光的热冲击作用、热应力作用和温度作用能够使岩石产生热裂纹甚至热剥落，削弱岩石的强度，提高岩石的扩孔可钻性，再配合机械扩孔钻头的冲击作用和剪切作用破岩，加速岩石破碎，实现激光热作用与机械的力作用的耦合。本发明将激光破岩与机械扩孔钻头联合，能够提高扩孔破岩效率，增加原油产量。增加原油产量。增加原油产量。


技术研发人员：李琴 陈宇坤 陈科 张峰 夏世杰 黄志强 马亚超 傅世奇 唐克好 付凯
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/6