激光钻头和激光钻具.pdf

本实用新型提供了一种激光钻头和激光钻具，所述激光钻头包括钻头本体(3)，钻头本体(3)内含有摄像头(8)和多个激光头(1)，钻头本体(3)内还含有能够移动摄像头(8)和/或激光头(1)的调节架(7)，钻头本体(3)的头部含有与摄像头(8)和激光头(1)相对应的通孔。含有该激光钻头的激光钻具安装有井下夜视系统和井上控制系统，该钻井破岩方法解决了硬质岩层钻采效率低，井下不可实时观测等问题，大大提高了破岩效率，减少了钻具的损耗，节约了成本。

权利要求书
1.  一种激光钻头，其特征在于，所述激光钻头包括钻头本体(3)，钻头本体(3) 内含有摄像头(8)和多个激光头(1)，钻头本体(3)内还含有能够移动摄像头(8) 和/或激光头(1)的调节架(7)，钻头本体(3)的头部含有与摄像头(8)和激光头 (1)相对应的通孔。

2.  根据权利要求1所述的激光钻头，其特征在于，钻头本体(3)为PDC钻头， 钻头本体(3)的所述头部上含有多个切削齿，每两个相邻的所述切削齿之间均设有 至少一个激光头(1)。

3.  根据权利要求2所述的激光钻头，其特征在于，激光头(1)位于两个所述切 削齿之间的中空部位，激光头(1)的发射方向平行于钻头本体(3)的轴线方向。

4.  根据权利要求2所述的激光钻头，其特征在于，激光头(1)通过连杆(2) 与调节架(7)连接，调节架(7)能够驱动激光头(1)沿钻头本体(3)的轴线方向 往复移动。

5.  根据权利要求1所述的激光钻头，其特征在于，摄像头(8)位于钻头本体(3) 的轴线上，调节架(7)能够驱动摄像头(8)沿钻头本体(3)的轴线方向往复移动。

6.  根据权利要求1所述的激光钻头，其特征在于，摄像头(8)为用于拍摄所述 激光钻头钻进方向的夜视摄像头。

7.  根据权利要求1所述的激光钻头，其特征在于，在钻头本体(3)内，所述通 孔中含有用于保护摄像头(8)的镜头盖(9)和用于保护激光头(1)的快门(10)。

8.  一种激光钻具，其特征在于，所述激光钻具包括钻杆(14)，钻杆(14)的下 端含有权利要求1～7中任意一项权利要求所述的激光钻头，所述激光钻具还包括激 光控制单元(13)、显示屏(12)和调节架控制单元(11)，激光控制单元(13)通过 光缆(4)与激光头(1)连接，显示屏(12)通过信号传输线(5)与摄像头(8)连 接，调节架控制单元(11)通过控制线(6)与调节架(7)连接。

9.  根据权利要求8所述的激光钻具，其特征在于，激光控制单元(13)能够单 独的控制每一个激光头(1)的运行。

说明书激光钻头和激光钻具
技术领域
本实用新型涉及钻井工程领域，具体是一种激光钻头，还是一种含有该激光钻头 的激光钻具。
背景技术
进入21世纪，经济和社会的发展对油气资源的需求进一步增加，而油气生产却 受到后备储量严重不足和开采难度不断增大的严峻挑战。由于油气勘探开发不断向深 部地层发展，地质条件复杂、地层埋藏深、岩性致密、硬度高且研磨性强，导致机械 钻速低，钻井周期长，成本居高不下。因此，提高钻井效率、缩短钻井周期、提高钻 井效益是目前钻井工程界致力解决并研究的重大科研课题，已成为钻井工程领域面临 的事关可持续发展的战略任务。
钻井工程是油气藏开发中投资大、风险高的工程，它的费用占勘探开发成本的 50％以上。破岩效率直接决定着钻井速度和成本，更决定着钻井工程的经济效益。激 光辅助机械钻井技术的优势主要体现在所需能量密度低，激光破碎岩石为后续机械钻 井提供有利条件。利用激光能量高、单色性、方向性强等优点，在深井中破碎硬质岩 石，是辅助提高机械旋转钻井速度的重要途径。因此，研究高效破岩钻井技术势在必 行。
美国菲利蒲石油公司用美军MIRACL激光器所作的评价激光器钻进实验表明，激 光束等效钻速可达50m/h-60m/h，而经凹面镜改变MIRACL激光器光的方向沿水平方 向钻进，等效钻速达137.16m/h，用激光射孔，射孔深度可达61m。
20世纪60年代我国就开始了激光技术的研究，虽未获得成功，但积累了丰富 经验。1998年，中国科学院超短脉冲高功率激光技术研究取得了巨大进展，为激光 技术在石油钻井中的应用打下了基础。
近几年国内虽有对激光钻井领域的研究，不过都没有实现单独控制每个激光头的 功率和位移，不能实现根据井下情况不同而调整激光离焦量，以达到最佳破岩效率的 目的，破岩效率提高不明显，而且无法对井下情况进行实时监控，这是新型钻井技术 急需解决的问题。
实用新型内容
为了解决激光钻头破岩效率低的问题，本实用新型提供了一种激光钻头和激光钻 具，含有该激光钻头的激光钻具安装有井下夜视系统和井上控制系统，该钻井破岩方 法解决了硬质岩层钻采效率低，井下不可实时观测等问题，大大提高了破岩效率，减 少了钻具的损耗，节约了成本。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光钻头，包括钻头本体， 钻头本体内含有摄像头和多个激光头，钻头本体内还含有能够移动摄像头和/或激光 头的调节架，钻头本体的头部含有与摄像头和激光头相对应的通孔。
钻头本体为PDC钻头，钻头本体的所述头部上含有多个切削齿，每两个相邻的所 述切削齿之间均设有至少一个激光头。
激光头位于两个所述切削齿之间的中空部位，激光头的发射方向平行于钻头本体 的轴线方向。
激光头通过连杆与调节架连接，调节架能够驱动激光头沿钻头本体的轴线方向往 复移动。
摄像头位于钻头本体的轴线上，调节架能够驱动摄像头沿钻头本体的轴线方向往 复移动。
摄像头为用于拍摄所述激光钻头钻进方向的夜视摄像头。
在钻头本体内，所述通孔中含有用于保护摄像头的镜头盖和用于保护激光头的快 门。
一种激光钻具，包括钻杆，钻杆的下端含有上述的激光钻头，所述激光钻具还包 括激光控制单元、显示屏和调节架控制单元，激光控制单元通过光缆与激光头连接， 显示屏通过信号传输线与摄像头连接，调节架控制单元通过控制线与调节架连接。
激光控制单元能够单独的控制每一个激光头的运行。
一种激光钻具钻井破岩方法，包括以下步骤：
步骤1：向井内下入上述的激光钻具的激光钻头；
步骤2：使钻杆带动钻头本体钻进，当钻进受阻时进行步骤3，否则钻头本体持 续钻进直至所需深度；
步骤3：钻头本体停止运转，摄像头启动，根据显示屏上显示的岩石的形貌选择 激光头的照射时间、激光分布密度、功率以及离焦量，通过调节架控制单元调整激光 头的离焦量，激光控制单元控制激光头按照所选择的照射时间、激光分布密度和功率 发射激光束照射岩石的表面，仅改变岩石表面的温度场和应力场并使岩石的表面产生 裂纹，激光头回到初始位置，返回至步骤2。
本实用新型的有益效果是，
1、采用激光照射岩石的方式削弱了岩石的强度，减少了钻具的损耗，提高了破 岩的效率。
2、从地表连续钻进至目的层，免去起下钻柱、更换钻头、打捞卡钻管段、注水 泥的施工用时，并且钻进过程中，在井壁形成坚固的陶质层，从而免去了下金属套管 的时间。
3、地表到井底通过光缆和信号传输线连接，因此可运用井下夜视摄像头或其它 形式传感器迅速准确地将井底信息传到地面。
4、由于陶瓷井壁的存在，井内流体不能渗入地层污染周围环境或水源，形成的 陶质层井壁阻碍了地层流体流入井内，在一定程度上防止了井喷。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用 新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。在附图中：
图1为激光钻头的结构示意图。
图2为激光钻具的使用状态示意图。
图中附图标记：1.激光头，2.连杆，3.钻头本体，4.光缆，5.信号传输线， 6.控制线，7.调节架，8.摄像头，9.镜头盖，10.快门，11.调节架控制单元， 12.显示屏，13.激光控制单元，14.钻杆，15.岩石。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
一种激光钻头，包括钻头本体3，钻头本体3内含有摄像头8和多个激光头1， 钻头本体3内还含有能够移动摄像头8和/或激光头1的调节架7，钻头本体3的头 部含有与摄像头8和激光头1相对应的通孔，如图1所示。
钻头本体3内含有安装空腔，调节架7设置在该安装空腔内，调节架7与钻头本 体3内壁相接触。设置调节架7后，调节架7能够驱动摄像头8和激光头1沿钻头本 体3的轴线方向(钻头本体3的钻进方向)往复移动，调节摄像头8的焦距和激光头 1的离焦量，从而解决了现有的钻头用于硬质岩层时钻采效率低，井下不可实时观测 等问题。大大提高了破岩效率，减少了钻具的损耗，节约了成本。
钻头本体3为PDC钻头，钻头本体3的所述头部(图1中的下端)上含有6个切 削齿，每两个相邻的所述切削齿之间均设有至少一个激光头1，本实施例中，每两个 相邻的所述切削齿之间均设有一个激光头1，该激光钻头共含有6个柱状的激光头1， 6个激光头1沿钻头本体3的周向均匀分布，激光头1的上端设置在所述安装空腔中， 激光头1的下端插接于所述与激光头1相对应的通孔中。
具体的，激光头1位于两个所述切削齿之间的中空部位，激光头1的发射方向平 行于钻头本体3的轴线方向，即激光头1能够朝钻头本体3的钻进方向照射。激光头 1通过连杆2与调节架7固定连接，调节架7能够驱动激光头1沿钻头本体3的轴线 方向往复移动。如图1所示，每个激光头1由连杆2连接，连杆2受调节架7控制， 可随调节架7同时移动；调节架7安装在钻头本体3的内壁，可沿内壁上下滑动，同 时带动所有的激光头1一起上下移动，或者激光头1与摄像头8的运动是相对独立的。 如摄像头8为现有的可能够伸缩摄像头，摄像头8还连接有摄像头控制单元，摄像头 控制单元通过信号传输线5与摄像头8连接，摄像头控制单元通过信号传输线5给摄 像头8一个开启的激励信号摄像头8便伸出，摄像头控制单元通过信号传输线5再给 摄像头8一个关闭的激励信号摄像头8将缩回。
调节架7可以为现有的结构，如调节架7的边缘含有行走轮和驱动电机，驱动电 机能够驱动行走轮转动，驱动电机与调节架7固定连接，该行走轮的边缘能够伸出调 节架7并与钻头本体3的内壁相接触，驱动电机反正转后驱动行走轮转动从而带动调 节架7上下移动，从而带动所有的激光头1一起上下移动，以调节激光头1的离焦量。 或调节架7也可以为液压式的，调节架7包括液压缸筒和活塞杆，连杆2与活塞杆固 定连接，通过向液压缸筒内加压或减压也可以控制激光头1一起上下移动。
摄像头8位于钻头本体3的轴线上，即如图1所示，摄像头8位于调节架7的中 部，摄像头8与调节架7固定连接，摄像头8可随调节架7上下移动，摄像头8位于 钻头本体3的轴线上调节架7能够驱动摄像头8沿钻头本体3的轴线方向往复移动， 摄像头8用于观察井下岩石形貌，摄像头8为用于拍摄所述激光钻头钻进方向的夜视 摄像头。
在钻头本体3内，所述通孔中含有用于保护摄像头8的镜头盖9和用于保护激光 头1的快门10。镜头盖9应为耐高温金属材料制成，可对夜视摄像头起到保护作用。 镜头盖9和快门10的结构基本相同均为现有结构打开方式也基本相同。
一种激光钻具，包括钻杆14，钻杆14的下端固定有述的激光钻头，所述激光钻 具还包括激光控制单元13、显示屏12和调节架控制单元11，激光控制单元13通过 光缆4与激光头1连接，显示屏12通过信号传输线5与摄像头8连接，调节架控制 单元11通过控制线6与调节架7连接，如图2所示。
工作时，上述激光钻头位于地下，激光控制单元13、显示屏12和调节架控制单 元11位于地面，钻杆14给钻头本体3传递动力，光缆4的作用为给激光头1输送能 量。信号传输线5作用将夜视摄像头的画面传递到井上的显示屏12中。在本实施例 中，控制线6为电缆，调节架内含有上述的行走轮和驱动电机，控制线6与调节架控 制单元11连接控制调节架7的位移，从而控制摄像头8和/或激光头1的上下移动。 激光控制单元13能够单独的控制每一个激光头1的运行。
一种激光钻具钻井破岩方法，包括以下步骤：
步骤1：向井内下入上述的激光钻具的激光钻头，
步骤2：使钻杆14带动钻头本体3钻进，当钻进受阻时进行步骤3，否则钻头本 体3持续钻进直至所需深度；
步骤3：钻头本体3停止运转，镜头盖9打开，摄像头8启动，通过信号传输线 5将可视信号反馈到显示屏12上，井上工作人员根据显示屏12上显示的岩石15的 形貌选择激光头1的照射时间、激光分布密度、功率以及离焦量，通过调节架控制单 元11控制调节架7使激光头1上下移动从而调整激光头1的离焦量，激光控制单元 13通过光缆4向每个激光头1传送能量，快门10打开，激光控制单元13控制激光 头1按照所选择的照射时间、激光分布密度和功率发射激光束照射岩石15的表面， 仅改变岩石15表面的温度场和应力场使岩石15的表面的温度场和应力场不均匀从而 产生微裂纹，削弱岩石15强度，以加速岩石15破碎，为进一步的机械旋转破岩创造 有利条件，经激光头1照射后，激光控制单元13停止对激光头1提供能量，快门10 关闭以保护激光头1不受损伤，调节架控制单元11控制调节架7恢复原位，即激光 头1回到初始位置，同时关闭夜视摄像头8和镜头盖9，然后，返回至步骤2(钻杆 14带动钻头本体3继续钻进)。
待到再次遇到坚硬成分岩石时重复步骤3，完成高效破岩。需要说明的是：本实 用新型所述的多激光头1照射岩石其主要贡献不是高温熔化、汽化作用，而是通过改 变岩石表面的温度场和应力场使其表面的温度场和应力场不均匀从而产生微裂纹，削 弱岩石强度，加速岩石破碎，为进一步的机械旋转破岩创造有利条件，提高硬质岩层 的钻进速度。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，不能以其限定实用新型实施的范围， 所以其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应 仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本实用新型中的技术特征与技术特征之间、技术特 征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。