阅读说明：本技术 一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头 (Laser-mechanical drill bit for efficient rock breaking by combining laser and machine ) 是由 黄志强 梁耀文 邓嵘 陈科 张文琳 翟预立 雷雨薇 唐克好 于 2021-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头,它主要由钻头体和固定切削结构组成；所述固定切削结构由延伸自钻头本体的刀翼以及固结在刀翼上的切削齿和保径齿组成；所述刀翼和钻头体为一体式机械加工成形；所述钻头体内部设有贯通的燕尾槽状的激光通道,连接端设有两个对称的凸台和四个斜螺纹孔,并设有环形密封槽,可以有效的防止气体泄漏,保证钻进过程中的清洁和携岩效果；本发明能够保证激光光束的定位精度,使整形后的线形激光光束精确地辐照在岩石表面指定位置,随钻头对岩石进行旋转辐照,保证激光光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉,以实现激光-机械联合高效破岩。(The invention relates to a laser-mechanical drill bit for efficiently breaking rock by combining laser and machinery, which mainly comprises a drill bit body and a fixed cutting structure; the fixed cutting structure consists of a blade extending from the drill bit body, and cutting teeth and gauge protection teeth fixedly connected on the blade; the blade and the bit body are machined and formed integrally; a through dovetail groove-shaped laser channel is arranged in the drill bit body, two symmetrical bosses and four inclined threaded holes are arranged at the connecting end, and an annular sealing groove is formed, so that gas leakage can be effectively prevented, and the cleaning and rock carrying effects in the drilling process are ensured; the invention can ensure the positioning precision of the laser beam, so that the shaped linear laser beam is accurately irradiated at the designated position on the surface of the rock, the drill bit performs rotary irradiation on the rock, and the laser beam is ensured not to interfere with the inside of the drill bit in the drilling process, thereby realizing the high-efficiency rock breaking by laser-mechanical combination.)

一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头

技术领域

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本发明涉及钻井工程装备领域，尤其涉及一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头。

背景技术

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随着国民经济的进一步发展，对油气资源的需求不断增加，由于长时间的开采，部分地区已探明的浅层中的油气资源已经得到了充分的开采，因此开发深层油气资源成为了一个必然的趋势。然而，在深井、超深井开发过程中由于地层致密、硬度高且研磨性强，传统机械钻井方式钻速低、钻头寿命短、钻井周期长、开采成本高，极大地阻碍了开发利用深层油气资源的步伐，因此研究高效破碎硬岩的方法具有重要意义。

近年来，激光技术从小功率激光器的岩石切割逐步发展到大功率激光器的钻井破岩阶段，利用高能激光与岩石发生热作用时岩石表面产生热碎裂、热熔化、热气化将岩石变成易于清除的碎屑或岩浆，利用气流或其他辅助工具将岩石的碎屑或岩浆清除。相较于传统的机械破岩，激光破岩具有钻速高、可钻坚硬岩石、改善井壁环境等独特的优势。而激光-机械联合破岩技术是利用激光对岩石冲击损伤和热损伤，对岩石产生预破碎，使岩石的内应力得到一定的释放，降低岩石的强度，改善岩石的可钻性之后，再利用机械钻头破岩的一种新的能实现高效破岩的前沿技术。激光-机械联合破岩能够综合激光破岩与机械破岩各自的优点，克服各自固有的缺陷，因此激光-机械联合破岩技术是目前激光钻井技术的主要发展方向。

在激光-机械联合破岩过程中，通过光束整形装置整形后的线形光束辐照在岩石表面指定位置，跟随钻头一起对岩石进行旋转辐照，要求钻头内部有足够的激光辐照空间且保证钻头与上部钻柱连接定位精度，使整形后的线形光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉。为此，提出一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头，以实现激光-机械联合高效破岩。

发明内容

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本发明的目的是为了实现激光-机械联合高效破岩，提出一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头，实现光学器件和切削结构耦合，保证钻头与上部钻柱连接定位精度，使整形后的线形光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉，具有较强的实用价值。

本发明实现其目的所采用的技术方案是：

本发明一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头，由钻头体和固定切削结构组成；所述固定切削结构由延伸自钻头本体的刀翼以及焊接在刀翼上的切削齿和保径齿组成；所述刀翼和钻头体为一体式机械加工成形，相邻刀翼之间形成有排屑槽；所述钻头体上刀翼个数大于等于三；

所述钻头体内部设有贯通的燕尾槽状的激光通道，整形后的线形激光光束通过激光通道辐照在岩石表面指定位置，随钻头旋转；所述钻头体上激光通道个数大于等于一；所述激光通道横截面形状包括椭圆形、四边形以及多边形或它们的组合形体；

所述钻头体连接端设有两个对称的凸台和四个斜螺纹孔，可以固定钻头体和传递扭矩，并保证激光通道的定位精度，使整形后的激光光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉；

所述钻头体连接端设有环形密封槽，可以有效的防止气体泄漏，保证钻进过程中的清洁冷却和携岩效果。

本发明的有益效果是：

激光-机械钻头的激光通道、定位凸台和斜螺纹连接能够保证激光光束的定位精度，使整形后的线形光束精确地辐照在岩石表面指定位置，随钻头对岩石进行旋转辐照，保证激光光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉，实现激光-机械联合高效破岩，与常规破岩方式相比可提速20％以上，大幅提升破岩效率，降低破岩成本，将对钻井领域带来革命性的变革。

附图说明

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图1为本发明一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头的立体图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2(A-A)方向的剖视图；

图4为三个主刀翼和三个副刀翼的刀翼分布图；

图5为两个主刀翼和四个副刀翼且主刀翼协同激光的刀翼分布图；

图6为两个主刀翼和四个副刀翼且副刀翼协同激光的刀翼分布图。

图中：1.钻头体，2.气体通道，3.凸台，4.斜螺纹孔，5.环形密封槽，6.激光通道，7.刀翼，8.保径齿和9.切削齿。

具体实施方式

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下面结合附图和本实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种用于激光-机械联合高效破岩的激光-机械钻头，由钻头体1、气体通道 2、凸台 3、斜螺纹孔 4、环形密封槽 5、激光通道 6、刀翼7、保径齿8和切削齿9组成；所述保径齿8和切削齿9焊接在刀翼7上；所述刀翼7延伸自钻头体1且与钻头体1为一体式机械加工成形，相邻刀翼7之间形成有排屑槽；所述钻头体1上刀翼7个数大于等于三；

所述钻头体1内部设有贯通的燕尾槽状的激光通道6，整形后的线形激光光束通过激光通道6辐照在岩石表面指定位置，随钻头旋转；所述钻头体1上激光通道6个数大于等于一；所述激光通道6横截面形状包括椭圆形、四边形以及多边形或它们的组合形体；

所述钻头体1连接端设有两个对称的凸台3和四个斜螺纹孔4，固定钻头体1且传递扭矩，并保证激光通道6的定位精度，使整形后的激光光束在钻进过程中不与钻头内部发生干涉；

所述钻头体1连接端设有环形密封槽5，可以有效的防止气体泄漏，保证钻进过程中的清洁冷却和携岩效果；

作为优选，如图1-3所示，所述刀翼7个数为六个；所述激光通道6个数为一个，且横截面形状为四边形；

作为优选，如图4所示，所述刀翼7包括三个主刀翼和三个副刀翼，且主刀翼和副刀翼共同协同激光；

作为优选，如图5所示，所述刀翼7包括两个主刀翼和四个副刀翼，且主刀翼协同激光；

作为优选，如图6所示，所述刀翼7包括两个主刀翼和四个副刀翼，且副刀翼协同激光。