[发明专利]激光钻头、激光钻具和钻井破岩方法

说明书

技术领域

本发明涉及钻井工程领域，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，更是一种使用该激光钻具的钻井破岩方法。

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。

发明内容

为了解决激光钻头破岩效率低的问题，本发明提供了一种激光钻头、激光钻具和钻井破岩方法，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。

本发明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。

本发明的有益效果是，

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。