[发明专利]一种激光-机械联合破岩动力钻具

说明书

本发明涉及一种激光‑机械联合破岩动力钻具，主要由潜油电机、激光光束短节、激光头、光束整形镜组、激光钻头组成。潜油电机内部设有内通道、外通道，分别通入气体/清水以及泥浆；潜油电机下部设有转子法兰盘，连接激光光束短节。激光光束短节设有内通道、外通道，外通道传输泥浆，内通道传输气体/清水。进一步的，内通道设有激光头、光束整形镜组，在气体/清水的冷却以及清洗下，产生激光并整形为条状输出。激光钻头由潜油电机带动旋转，设有光束通道以及泥浆流道。本发明耦合激光机械联合破岩，通入气体/清水保证激光有效作用到岩石表面，进一步的，气体/清水协同泥浆共同清洗井底，为激光破岩技术用于泥浆钻井提供了方法。

技术领域

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。

发明内容

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；