激光辅助防喷器及使用方法
【专利摘要】本发明提供了一种高功率的激光辅助防喷器及使用方法。具体地，提供了用于利用位于防喷器内的高功率激光能量来切割存在于防喷器的孔内的管件的系统和组件，减少了这种管件会使防喷器得以抑制而密封井的风险。
【专利说明】激光辅助防喷器及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种防喷器，特别涉及一种用于海上勘探和生产诸如石油和天然气等碳氢化合物的海底防喷器。此外，本发明涉及与防喷器的机井控制组件有关联的高功率激光器的实施。由此，特别地，本发明涉及新型的激光辅助海底防喷器及使用这样的设备的方法，以管理并控制海上钻井活动。
[0002]如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“防喷器(blowout preventer)”、“BOP”和“BOP堆”应赋予其最广泛的可能性含义，包括:(i )定位在井眼表面例如海底处或附近的设备，其用于包容或管理与井眼有关联的压力或流量；(ii )用于包容或管理位于井眼中的与海底立管有关联的压力或流量的设备；(iii)具有任何数量和组合的闸、阀或弹性封隔器(elastomeric packers)以控制或管理井眼压力或流量的设备；(iv)海底BOP堆，该堆可以包含例如闸板剪切(ram shears)、杆闸板(pipe rams)、全封闸板(blind rams)和环形防喷器；以及(v )其它的这样类似组合和组装的流量和压力管理设备，以控制井眼压力、流量或两者，特别是控制或管理应急流量或压力情况。
[0003]如本文中所使用的，除非另有规定，否则“海上”和“海上钻井活动”及类似这样的术语以其最广泛的意义来使用，并将包括在任何水体之上或之中的钻井活动，所述水体无论是淡水或咸水，无论是人为或自然发生的，如河流、湖泊、运河、内陆海、大洋、大海、港湾和海湾，诸如墨西哥湾。如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“海上钻井平台(offshore drilling rig)”应赋予其尽可能最广泛的含义，并将包括固定塔、供应船、平台、驳船、自升式钻井平台(jack-ups)、浮式平台、钻井船、动态定位钻井船、半潜式钻井平台和动态定位半潜式钻井平台。如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“海底”应赋予其最广泛的可能性含义，并将包括地球的位于任何水体之下或底部的任何表面，所述水体无论是淡水或咸水，无论是人为或自然发生的。如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“井”和“井眼(borehole)”应赋予其尽可能最广泛的含义，并包括钻孔或以其它方式制成于地球的表面例如海底或海床中的任何孔，并将进一步包括勘探、生产、废弃、重新进入、重新工作和注入的井。如本文中所使用的，术语“立管(riser)”应赋予其最广泛的可能性含义，并包括针对诸如钻井、生产、修井、服务、井服务、干预和完成等活动的目的将位于水体的表面处、之上或上方的包括海上钻井平台、浮式生产储存和卸载(“FPS0”)船只以及浮式天然气储存和卸载(“FGS0”)船只的平台连接到位于海底处、之上或附近的结构的任何管件。
[0004]如本文中所使用的，术语“钻杆(drill pipe)”应赋予其最广泛的可能性含义，并包括用于钻井活动的所有形式的杆；指的是单个部分或单件的杆。如本文中所使用的，术语“钻杆的支架”、“钻杆支架”、“杆支架”、“支架(stand)”及相似类型的术语应赋予其最广泛的可能性含义，并包括通常由具有螺纹连接的接头连接如结合在一起的两个、三个或四个部分的钻杆。如本文中所使用的，术语“钻柱(drill string)”、“柱”、“钻杆的柱”、“杆的柱”及相似类型的术语应赋予其最广泛的定义，并将包括针对采用于井眼中的目的而结合在一起的一个或多个支架。由此，钻柱可以包括许多支架和数以百个部分的钻杆。[0005]如本文中所使用的，术语“管件(tubular)”应赋予其最广泛的可能性含义，并包括已经或可以在钻井行业中使用的钻杆、套管、立管、盘管、复合管、真空隔热油管(VIT)、生产油管和在其中具有至少一个通道的任何类似结构。如本文中所使用的，术语“接头(joint)”应赋予其最广泛的可能性含义，并包括用于将管件连接在一起的所有类型的设备、系统、方法、结构和部件，如带螺纹的杆接头和螺栓连接的凸缘。对于钻杆接头，接头部分通常具有比钻杆的其余部分更厚的壁。如本文中所使用的，管件的壁厚为管件内直径和管件外直径之间材料的厚度。
[0006]如本文中所使用的，除非另有规定，否则“高功率激光能量”意指具有至少约IkW(千瓦)功率的激光束。如本文中所使用的，除非另有规定，否则“很远的距离”意指至少约500m (米)。如本文中所使用的，术语“功率的大幅损耗”、“相当大的功率损耗”及类似这样的短语意指对选定波长而言大于约3.0dB/km (分贝/公里)的功率损失。如本文中所使用的，术语“相当大的功率传递”意指至少约50%的透过率。
【背景技术】
[0007]深水钻井
[0008]海上油气勘探和生产一直朝着越来越深的水域前进。如今，深度为5000ft、10，OOOft和更深深度处的钻井活动被计划并开展起来。例如，据RIGZONE、www.rigzone.com报道，有超过300台钻机位列大于1，OOOft (英尺)的钻井水深，而在这些钻机中有超过190台钻机位列大于5000ft的钻井水深，并且在这些钻机中有超过90台钻机位列
10,OOOft的钻井水深。当在这些深度、非常深的深度和超深的深度处钻井时，钻探装备要承受在大洋深度处出现的极端条件，包括海底处的巨大压力和低温。
[0009]此外，这些深水钻机能够推进可以处于10，000ft、20，000ft、30，000ft甚至海底
更深处的井眼。因此，诸如钻杆、套管、立管和BOP等钻探装备要承受相当大的力和极端条件。为了解决这些力和条件，例如钻杆、钻柱的钻探装备被设计成更强，更坚固耐用，并在许多情况下更重。另外，用于制造钻杆和套管的金属变得更有韧性。
[0010]通常情况下，借助一般性说明，在钻探海底井时，初始井眼制成于海床中，进而随后较小直径的井眼被钻制，以扩大井眼的总深度。由此，随着整体井眼变得越深，其直径变得越小；从而可以设想为孔的伸缩组件，其中最大直径的孔处于与地球表面最近的井眼的顶部。
[0011]由此，通过举例，海底钻井过程的起始阶段可总体说明如下。一旦钻井定位在要发生钻探的区域上方的水面上，则通过在地球中钻制36〃的孔至海底以下约200_300ft深度而制成初始井眼。30"套管插入到这个初始井眼中。该30"套管也可称为导体。30"导体可能会或可能不会凝成到合适的位置。在这个钻井操作期间，一般不使用立管，来自井眼的钻出物例如通过钻探活动从井眼中取出的泥土和其它材料将返回到海底。接着，26"直径的井眼钻制于30〃套管内，延伸的井眼深度达到约1，000-1，500ft。也可以在不使用立管的情况下进行该钻井操作。然后，20"套管插入到30"导体和26"井眼中。该20"套管凝成到合适的位置。20"套管具有与之固定的井口。(在其它操作中，可钻制额外的较小直径井眼，并将较小直径的套管插入到该井眼中，其中井口被固定到该较小直径套管。)然后，BOP固定到立管，并由立管下降到海底；其中BOP被固定到井口。从这点出发，井眼中的所有钻井活动都通过立管和BOP发生。
[0012]BOP连同其它装备和步骤一起用于控制并管理井中的压力和流量。一般情况下，BOP是若干机械设备的堆，其具有延伸通过这些设备的相连内部腔室。各BOP可以具有腔室，例如从约41/6〃到263/4〃范围内的孔直径。管件从海上钻井平台推进到立管之下，通过BOP腔室并进入井眼。例如钻井泥浆和钻出物的返回物从井眼中取出，并通过BOP腔室传送到立管之上，到达海上钻井平台。
[0013]BOP堆通常具有环形防喷器，这是可膨胀的封隔器，它的作用如同绕管件的巨大括约肌。当管件不存在时，一些环形防喷器也可以使用或者能够密封腔室。当被激活时，该封隔器密封在处于BOP腔室中的管件上，防止材料流过在管件外直径和BOP腔室的壁之间形成的环形空间。BOP堆通常还具有闸板防喷器。如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“闸板防喷器”应赋予其最广泛的定义，并将包括将管件夹、抓、持有、切割、切断、粉碎或以它们的组合方式置于BOP堆内的任何机械设备，诸如剪切闸板、全封闸板、可变闸板、可变杆闸板、全封剪切闸板、杆闸板、套管剪切闸板以及诸如Hydril的海德里压力控制紧凑型闸板、海德里压力控制常规型闸板、海德里压力控制快速测井(HYDRIL PRESSURE CONTROLQUICK-L0G)以及海德里压力控制岗哨修井(HYDRIL PRESSURE CONTROL SENTRY Workover)等防喷器、SHAFFER闸板防喷器和由Cameron制造的闸板防喷器。
[0014]由此，BOP堆通常具有杆闸板防喷器，并可具有一个以上的杆闸板防喷器。杆闸板防喷器通常是两个半圈状夹紧设备，其被驱动抵着位于BOP腔室中的管件的外直径。杆闸板防喷器可以被看作两个巨大的手，它们夹紧在管件上并密封位于管件和BOP腔室壁之间的环形空间。全封闸板防喷器也可包含在BOP堆中，当不存在管件时，这些闸板可以密封腔室。
[0015]杆闸板防喷器和环形防喷器通常只能密封位于BOP中的管件和BOP腔室之间的环形空间；它们无法密封管件。由此，在紧急情况下，例如当发生“井涌”(突然向井眼中涌入气体、流体或压力)时，或者如果潜在的井喷情况出现，则来自高的井下压力的流可以回来，直通管件内部、管件和立管之间的环形空间，沿立管向上到达钻井平台。另外，在紧急情况下，杆闸板和环形防喷器在管件周围可能无法形成足够强的密封来防止流过管件和BOP腔室之间的环形空间。由此，BOP堆包括机械剪切闸板组件。(如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“剪切闸板(shear ram)”将包括全封剪切闸板、剪切密封闸板、剪切密封件闸板、剪切闸板以及旨在或者能够切割或剪切管件的任何闸板。)机械剪切闸板通常是针对紧急情况的最后一道防线，例如，井涌或潜在的井喷。机械剪切闸板的功能如同巨大的闸阀，其应当迅速关闭整个BOP腔室从而密封BOP腔室。这些闸板旨在切穿BOP腔室中的将会潜在地阻塞剪切闸板完全密封BOP腔室的任何管件。
[0016]BOP堆可以具有许多不同的构造和部件，这取决于在部署和使用期间预期的条件和危险。这些部件可包括例如环型防喷器、旋转头、具有一组(全封或杆)闸板的单个闸板防喷器、具有两组闸板的双闸板防喷器、具有三组闸板的三重闸板式防喷器以及具有用于节流和压井线的侧出口连接的闸芯(spool)。这些部件的现有构造的示例可以是:B0P堆，其具有71/16〃孔且由下往上为单个闸板、闸芯、单个闸板、单个闸板和环形防喷器，并且具有5000psi的额定工作压力；B0P堆，其具有135/8〃孔且由下往上为闸芯、单个闸板、单个闸板、单个闸板和环形防喷器，并且具有10，OOOpsi的额定工作压力；B0P堆，其具有183/4〃孔且由下往上为单个闸板、单个闸板、单个闸板、单个闸板、环形防喷器和环形防喷器，并且具有15，OOOpsi的额定工作压力。
[0017]BOP需要包容井中可能存在的压力，该压力可高达15，OOOpsi或以上。另外，需要能够迅速而可靠地切穿任何管件的剪切闸板，包括当出现紧急情况或希望切割BOP中管件并密封井的其它情况时可能存在于BOP中的钻铤、杆接头和底部钻具组合。随着管件的强度、厚度和韧性增加，特别是对于深的、非常深的和超深的水域钻井的管件而言，针对更强的、更强大的以及更好的剪切闸板的需求不断增加。针对这样的剪切闸板以及关于现有机械剪切闸板依赖的物理和工程原理的其它信息，这种长期存在的需求载于:West Engineering Services公司，“用于美国矿产管理服务的迷你剪切研究(Mini ShearStudy for U.S.Minerals Management Services)”(申请号 N0.2-1011-1003, 2002 年 12月)；West Engineering Services公司，“用于美国矿产管理服务的剪切闸板能力研究(Shear Ram Capabilities Study for U.S.Minerals Management Services)，，(申请号N0.3-4025-1001,2004 年 9 月)；以及 Barringer & Associates 公司，“所需的剪切闸板防喷器力(Shear Ram Blowout Preventer Forces Required)，，(2010 年 6 月 6 日，2010 年 8月8日修订)。
[0018]高功率激光光束输送
[0019]在共同
【发明者】Mark Zediker博士和在Littleton CO与他共事的Foro Energy公司的同事近期突破之前，有人认为，高功率激光能量在传送很远距离之后，功率没有大幅损耗是无法得到的。他们在高功率激光能量传送方面、特别是在功率水平大于5kW方面的突破被部分地载于新颖的和创新的教导中，其包含在美国专利申请出版物2010/0044106和2010/0215326，以及标题为“用于将激光能量传送过很远距离的光纤构造(Optical FiberConfigurations for Transmission of Laser Energy Over Great Distances)，，(2010 年7月21日提交)的Rinzler等人的待审美国专利申请序列号12/840,978。在一定程度上参考或涉及高功率激光能量传送以及用于完成这种传送的激光器、光纤和线缆结构的这三个美国专利申请公开通过引用并入本文。要注意的是，通过引用并入本文未提供任何权限来实践或使用这些申请发明或者可由此颁予的任何专利，并且不应据此授予或引起任何许可。
[0020]高功率激光器向BOP和立管的利用和应用载于美国专利申请序列N0.13/034，183,13/034, 017和13/034，037中，每个均于2011年2月24日提交，其全部公开内容通过引用并入本文。
【发明内容】
[0021]在钻井操作中，长期以来一直希望拥有能够迅速地、可靠地且以受控方式切断管件并密封或者以其它方式管理井的压力、流量或两者的B0P。由于管件的健壮性增加，特别是用于深海钻井中的管件的健壮性增加，所以这样的BOP的需求得以持续、增长并变得更加重要。除其它外，本发明通过提供本文教导的制造品、设备和工艺而解决了这个需求。
[0022]由此，本发明提供了一种防喷器堆，所述防喷器堆具有:闸板，所述闸板可从第一位置移动到第二位置；以及激光切割机，所述激光切割机用于发射限定射束路径的激光束，所述激光切割机相对于所述闸板定位并面向形成在所述堆内的腔室，其中所述射束路径进入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室内。
[0023]还提供了一种防喷器堆，所述防喷器堆包括闸板防喷器；所述堆限定腔室；以及激光切割机，其中所述激光切割机被定位成沿射束路径输送激光束。此外，所述闸板防喷器可以是剪切闸板组件，并且所述堆还可以包括:环形防喷器组件；杆闸板组件；以及环形防喷器组件，剪切闸板组件和杆闸板组件共用所述腔室，所述腔室具有一轴线。
[0024]更进一步地，提供了一种海底防喷器堆，在所述海底防喷器堆中，所述射束路径可指向所述腔室的轴线，可指向所述腔室，或者其中所述射束路径相交所述腔室的轴线。
[0025]另外，提供了一种防喷器，在所述防喷器中，激光切割机具有与所述腔室相邻定位的屏蔽件，其中所述激光切割机屏蔽件保护所述激光切割机免受BOP腔室中存在的条件的损坏，所述条件诸如压力、温度、移动通过所述腔室或在所述腔室内旋转的管件或线结构、钻出物、碳氢化合物以及钻井流体，所述激光切割机来自钻井流体，而不会明显地干扰管件通过所述腔室的运动。
[0026]仍进一步地，提供了一种防喷器，所述防喷器具有:激光切割机；闸板防喷器，所述闸板防喷器包括闸板；腔室，所述腔室位于堆内，用于使管件通过；所述激光切割机具有射束路径；所述闸板能够移动到所述腔室中；区域，所述区域位于所述腔室内，用于将所述闸板与管件接合；以及，所述射束路径定位在所述激光切割机之间并相交位于所述腔室中用于将所述闸板与管件接合的所述区域。
[0027]进一步地，提供了一种用于陆上、海上或既用于陆上又用于海上的防喷器，所述防喷器具有激光切割机；闸板防喷器，所述闸板防喷器具有闸板；腔室，所述腔室位于堆内，用于使管件通过；所述激光切割机具有射束路径；所述闸板能够移动到所述腔室中；区域，所述区域位于所述腔室内，用于将所述闸板与管件接合；以及，所述射束路径指向位于所述腔室内用于将所述闸板与所述管件接合的所述区域上方。
[0028]再进一步地，提供了一种用于地上、海上或既用于陆上又用于海上的激光辅助防喷器，所述防喷器具有:环形防喷器；杆闸板组件；以及激光剪切闸板组件，所述激光剪切闸板组件具有:闸板，所述闸板可从第一位置移动到第二位置；以及激光切割机，所述激光切割机相对于所述闸板定位并面向在所述激光辅助防喷器内形成的腔室，其中所述激光切割机发射限定激光切割机射束路径的激光束，所述激光切割机射束路径进入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室内。作为海底防喷器，所述防喷器还可具有:剪切闸板组件和第二杆闸板组件；其中所述环形防喷器、激光剪切闸板组件、剪切闸板组件、杆闸板组件和第二杆闸板组件构成部件堆。
[0029]仍另外地，提供了一种激光辅助防喷器，其中所述激光切割机射束路径朝向所述腔室的中心轴线方向延伸，其中所述腔室具有垂直轴线，并且所述激光切割机射束路径与所述垂直轴线形成锐角，其中所述腔室具有垂直轴线，并且所述激光切割机射束路径与所述垂直轴线形成钝角，或者其中主体腔室具有垂直轴线，并且所述激光切割机射束路径与所述垂直轴线形成约90度角。
[0030]而且，还提供了一种激光辅助防喷器，其中所述激光切割机能够至少部分地绕所述腔室的轴线运行，并且发射所述激光束。所述切割机还可具有第二激光切割机。这些激光辅助防喷器可被构造成使得使用约1/2的轨道来完成管件的切口，使用约1/3的轨道来完成管件的切口，使用约1/4的轨道来完成管件的切口。[0031]此外，提供了一种激光辅助防喷器，其中所述激光切割机包含在闸板中。此外，所述闸板可具有行进路径，用于将所述闸板从所述第一位置移动到所述第二位置，所述激光切割机射束路径可横向于所述闸板的行进路径，或者所述激光切割机射束路径可平行于所述闸板的行进路径。
[0032]更进一步地，提供了一种激光辅助防喷器，所述激光辅助防喷器具有:多个激光切割机，其中每个激光切割机均发射限定射束路径的激光束，其中所述腔室基本上是圆形的；并且，所述多个激光切割机中的每个均相邻，但不位于所述腔室中，并且射束路径被构造成轮辐状构造。
[0033]再进一步地，提供了一种激光辅助防喷器，所述激光辅助防喷器具有:框架；与所述框架相关联的防喷器堆，所述防喷器堆具有:腔室，所述腔室形成在所述防喷器内，用于使管件通过；以及激光输送组件，所述激光输送组件在未激活时被定位在所述腔室外侧。
[0034]还提供了一种激光辅助海底防喷器钻井系统，所述系统具有:海底立管；防喷器堆，所述防喷器堆具有:腔室，所述腔室用于使管件通过所述防喷器堆，其中所述腔室与所述海底立管以机械方式连通，其中管件可以从所述海底立管以及向所述海底立管通入到所述腔室中，以推进出井眼；激光输送组件；剪切闸板组件，其中所述激光输送组件与所述剪切闸板组件以光学和机械方式关联；从而，在激活后，激光输送系统向位于防喷器腔室内的管件输送高功率激光束，导致切割所述管件，以减少所述管件会防止所述剪切闸板组件关闭的风险。关于所述激光辅助海底防喷器钻井系统，所述高功率激光束形成激光输送模式来切断位于所述防喷器腔室中的所述管件，其中所述高功率激光束形成激光输送模式来削弱位于所述防喷器腔室中的所述管件，或者其中所述高功率激光束形成激光输送模式来去除所述管件的两个离散区域。
[0035]再进一步地，提供了一种激光辅助海底防喷器钻井系统，所述系统具有:海底立管；防喷器堆；所述防喷器堆具有:腔室，所述腔室用于使管件通过，其中用于所述防喷器堆的所述腔室与所述海底立管流体连通；激光输送组件；以及剪切闸板组件，所述剪切闸板组件具有一对相对的剪切闸板，其中所述激光输送组件与所述剪切闸板组件关联。
[0036]而且，提供了一种具有激光辅助海底防喷器系统的海上钻井平台，所述激光辅助海底防喷器系统用于在紧急情况期间快速切割位于防喷器中的管件，所述激光系统具有:立管，所述立管能够操作地连接到海上钻井平台，并从海上钻井平台下降到海底处或接近海底的深度；防喷器，所述防喷器能够操作地连接到所述立管，并由所述立管从所述海上钻井平台下降到海底；高功率激光器，所述高功率激光器与激光切割机光通信；以及激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联，从而所述激光切割机能够下降到海底处或接近海底，并在激活后向位于所述防喷器内的管件输送高功率激光束。
[0037]另外，提供了一种具有激光辅助海底防喷器系统的海上钻井平台，所述激光辅助海底防喷器系统用于在紧急情况期间快速切割位于防喷器中的管件，所述激光系统具有:立管，所述立管定位在海底处或接近海底的深度，其中所述立管操作地连接到海上钻井平台；防喷器，所述防喷器定位在海底处或接近海底，其中所述防喷器操作地连接到所述立管；高功率激光器，所述高功率激光器与激光切割机光通信；以及激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联并定位在海底处或接近海底，从而在激活后所述激光切割机向位于所述防喷器内的管件输送高功率激光束。[0038]仍另外地，提供了一种具有激光辅助海底防喷器钻井系统的海上钻井平台，所述系统具有:立管，所述立管能够操作地连接到海上钻井平台，并从海上钻井平台下降到海底处或接近海底的深度；防喷器，所述防喷器能够操作地连接到所述立管，并由所述立管从所述海上钻井平台下降到海底；所述防喷器包括剪切闸板，所述剪切闸板能够与管件的位于所述防喷器内的区域以机械方式相互作用；所述剪切闸板与激光切割机关联；高功率激光器，所述高功率激光器与所述激光切割机光通信；以及激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联；从而所述激光切割机能够下降到海底处或接近海底，并且在激活后向位于所述防喷器内的所述管件输送高功率激光束，并向所述管件的与所述剪切闸板以机械方式相互作用的区域处或附近的区域输送高功率激光束。
[0039]进一步地，提供了一种能够在超过5000英尺的水下钻井的深水海上钻井平台，所述深水海上钻井平台具有与防喷器关联的激光输送组件以及用于快速切割位于防喷器堆中的管件的立管，所述海上钻井平台具有:提升装置以及至少为20kW功率的高功率激光器；至少5000英尺的立管部分，所述立管部分能够连接在一起并下降到海底处或接近海底的深度；防喷器，所述防喷器能够操作地连接到所述立管并下降到海底；高功率激光器与激光切割机光通信；所述激光切割机以光学机械的方式与所述防喷器关联；从而所述激光切割机能够下降到海底处或接近海底，并在激活后向位于所述防喷器内的管件输送高功率激光束，并向所述管件上的拟定切割的区域输送高功率激光束。并且进一步地，所述钻井平台可具有提升装置，所述提升装置包括井架、绞车和顶驱。
[0040]再进一步地，提供了一种海底防喷器堆，所述海底防喷器堆具有:闸板以及定位在所述堆内的激光切割机；所述激光切割机具有用于输送预定的激光束切割模式的装置；从而所述预定的激光束切割模式对应于管件的位于所述堆内的待去除的区域。
[0041]还提供了一种通过使用激光辅助防喷器和立管来钻探海底井的方法，所述方法包括:使用具有第二内部腔室的立管将具有第一内部腔室的激光辅助防喷器从海上钻井平台下降到海底，海底具有井眼；将所述防喷器紧固到所述井眼，从而所述井眼、所述第一内部腔室和所述第二内部腔室以流体和机械方式连通；以及通过将管件从所述海上钻井平台下降通过所述第二内部腔室、所述第一内部腔室并下降到所述井眼中来推进所述井眼；其中所述激光辅助防喷器能够执行对存在于所述第一内部腔室中的管件的激光切割。所述方法中使用的所述防喷器可以是激光辅助防喷器，所述激光辅助防喷器具有:框架；与所述框架关联的防喷器堆；所述防喷器堆包括用于使管件通过的第三腔室，所述第三腔室至少是所述第一腔室的一部分；以及所述防喷器堆包括激光输送组件，其中所述激光输送组件在未激活时被定位在所述第一腔室和第三腔室外侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是本发明的激光辅助海底BOP钻井系统的实施例的示意图。
[0043]图2是本发明的激光剪切闸板组件的实施例的局部剖切剖视图。
[0044]图3A是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的局部剖切剖视图。
[0045]图3B是沿图3A线4_4截取的图3A中激光剪切闸板组件的一部分闸板的详细剖视图。
[0046]图4A、4B、4C和4D是图3A中激光剪切闸板组件的实施例的横向剖视图。[0047]图5是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的横向剖视图。
[0048]图6是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的横向剖视图。
[0049]图7是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的局部剖切剖视图。
[0050]图8是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的局部剖切剖视图。
[0051]图9是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的局部剖切剖视图。
[0052]图10A、10B和IOC是本发明激光剪切闸板的具有激光切割机的部分的视图。
[0053]图1lAUlB和IlC是本发明另一激光剪切闸板的具有激光切割机的部分的视图。
[0054]图12A、12B和12C是本发明另一激光剪切闸板的具有激光切割机的部分的视图。
[0055]图13A、13B和13C是本发明另一激光剪切闸板的具有激光切割机的部分的视图。
[0056]图14是本发明的具有激光切割机的一对相对激光剪切闸板的平面示意图。
[0057]图15是本发明的在一个闸板中具有激光切割机的一对相对激光剪切闸板的平面示意图。
[0058]图16、17、18、19、20和21是本发明的激光输送模式的示意图。
[0059]图22A是本发明的激光剪切闸板组件的另一实施例的局部剖切剖视图。
[0060]图22B、22C和22D是沿图22A线B-B截取的图22A中激光剪切闸板组件的实施例的横向剖视图。
[0061]图23至23B是本发明的激光束路径的示意图。
[0062]图24是与管件相互作用的激光剪切闸板的示意图。
[0063]图25是管件和激光剪切闸板的示意图。
[0064]图26是管件和激光剪切闸板的示意图。
【具体实施方式】
[0065]一般情况下，本发明涉及一种具有高功率激光束切割机的B0P，高功率激光束切割机与机械闭合设备结合用以管理井的条件，诸如压力、流量或两者。由此，举例来说，在图中I中示意性地示于了激光辅助海底BOP钻井系统150的实施例。在本实施例中，提供了一种激光辅助防喷器(BOP)IOO。激光辅助B0P100具有保护BOP的框架101，具有起重和装卸设备(未示出)、控制和连接模块102以及在海底操作所利用的其它装备和设备，这些在海上钻井领域是众所周知的，但在图中未示出。本示例的激光辅助B0P100具有环形防喷器103、具有激光输送组件的激光剪切闸板组件104、第一杆闸板105和第二杆闸板106。这种防喷器和闸板的组件也可以称为激光辅助BOP堆。所述堆具有从其顶部125 (与水面124最近)到其底部126 (与海底108最近)穿过它的腔室或通路123。该通路123的直径例如可以约为183/4"。通路123将具有通路或腔室壁127。
[0066]通常情况下，在深海钻井操作中，使用21〃立管和183/4〃B0P。术语“21〃立管”是通用的，且涵盖一般外直径范围为21〃的立管，并将包括例如具有211/4〃外直径的立管。21〃立管的壁厚范围可以从约5/8〃至7/8〃或以上。但是，立管和BOP可以在大小、类型和构造上有所变化。立管可以具有的外直径范围从约133/8〃至约24"。BOP可以具有腔室，例如,孔的直径范围从约41/6〃至263/4"。例如，立管可以是常规杆立管、柔性杆立管、复合管结构、钢悬链式立管(“SCR”)、顶部张紧立管、混合立管和海上钻井领域技术人员已知的或后来研发的其它类型立管。应构想使用直径更小和更大的立管、不同类型和构造的立管、具有更小和更大直径腔室的BOP以及不同类型和构造的BOP ;而且，本说明书的教导和发明不限制或不限于特定立管或BOP的大小、类型或构造。
[0067]激光辅助B0P100的顶部125由柔性接头115紧固到立管116。也可以被称为“柔性连接器或球窝接头”的柔性接头115允许立管116相对于激光辅助B0P100呈一角度，由此容纳立管116和钻井平台118在水面124上的一些移动。立管116由立管张紧器117和海上钻井领域技术人员已知的其它装备(但在该图中未示出)连接到钻井平台118。在本示例中示出为半潜式钻井平台的钻井平台118具有月池119、钻台120、井架121以及用于操作的其它钻井及钻井支撑装备和设备，这是海上钻井领域已知的，但在图中未示出。虽然本实施例中示出的是半潜式钻井平台，但任何类型的海上钻井平台、船只或平台可被利用，由此可拥有激光辅助BOP钻井系统。
[0068]如图1所示，在部署时，激光辅助B0P100附接至立管116，下降到海底108并紧固到井口 107。井口 107定位并固定到套管114，套管114已经通过水泥113凝成于井眼112和较大直径套管111中。较大直径套管111通过水泥110凝成于较大直径井眼109中。由此，举例来说，套管114可以是20〃套管，而井眼112可以是26〃直径的井眼；套管111可以是30〃套管，而井眼109可以是36〃直径的井眼。从这点出发，一般地，在井眼中的所有钻探活动都通过立管和BOP来发生。
[0069]一般情况下，举例来说，在部署期间，激光辅助BOP (诸如图1的实施例)附接至立管，由海上钻井平台下降到海底并紧固到井口。井口定位并固定到已凝成于井眼中的套管。从这点出发，一般地，在井眼中的所有钻探活动都通过立管和BOP来发生。例如，这样的钻探活动将包括:从海上钻井平台将钻杆柱(在其端部具有钻头)下降到立管的干扰腔室之下，通过激光辅助BOP的腔室并进入井眼中。由此，钻柱将从水面上的海上钻井平台延伸到井眼的底部，潜在地为水面和海底以下数万英尺。钻头，将是对井眼底部旋转，同时钻井泥浆泵送到钻杆的内部之下并离开钻头。钻井泥浆将携带例如由旋转钻头取出的井眼材料等钻出物，升至位于井眼壁和钻柱外直径之间的环形空间，持续向上通过位于BOP腔室壁和钻柱外直径之间的环形空间，并继续向上通过位于立管腔室内直径和钻柱外直径之间的环形空间，直到钻井泥浆和钻出物大体由钟形壳体或在极端情况下由分流器引导，以在海上钻井平台上进一步处理或装卸。由此，钻井泥浆部分地由立管和激光辅助BOP从海上钻井平台通过立管中的钻柱而泵送到井眼的底部，并返回到钻井船。
[0070]本发明的激光辅助B0P、例如图1的激光辅助B0P100可用于控制并管理井中的压力和流量两者；也可用于管理并控制紧急情况，诸如井涌或潜在的井喷。环形防喷器、例如图1的环形防喷器103例如具有可膨胀的封隔器，其密封BOP腔室123中的管件，防止材料流过在管件外直径和激光辅助B0P100的内部腔室壁127之间形成的环形空间。闸板、例如图1的杆闸板105和106两者均可具有两个半圈状夹紧设备，其被驱动在处于BOP腔室123中的管件外直径上；或者其中一个可以是全封闸板，当没有管件时其可以密封腔室。
[0071]激光辅助B0P、例如图1的激光辅助B0P100可包括激光剪切闸板组件，例如激光剪切闸板组件104。激光剪切闸板组件可以是针对紧急情况例如井涌或潜在的井喷的最后一道防线。一般情况下，激光剪切闸板组件使用激光束来切割或削弱管件，包括钻铤、杆接头和底部钻具组合，当出现紧急情况或者有利于切割BOP中的管件的其它情况时，底部钻具组合可存在于BOP腔室123中，使得闸板可以迅速而可靠地关闭整个BOP腔室123，以密封它并由此密封井。激光BOP应当包容可能存在于井中的压力，并且例如应当能够经受住5，000ps1、10，000ps1、15，OOOpsi的压力，可优选地为用于深海钻井的20，OOOpsi或以上。由此，激光辅助BOP将具有当出现紧急情况或其它情况时可靠地且迅速地密封井的能力，而不论存在于BOP中的管件的厚度和类型。
[0072]在图1中，立管和BOP沿钻井立管BOP包(drilling riser BOP package)的线构造，其中BOP定位在海底处或接近，通常附接至如钻探活动中看到的井口。无论是在陆地还是海上，本发明的已存在激光模块、激光切割机、激光组件和激光-BOP组合应用到其它类型的立管、立管-BOP包和活动。由此，它们已经应用在钻井、修井、服务、测试、干预和完成有关的活动中。它们还应用于表面B0P，例如，其中BOP定位在水面上方，并且立管从BOP延伸至海底，在立管中进行钻井；其中立管是生产立管，而其它构造为本领域已知或以后研发。
[0073]激光辅助海底BOP钻井系统可具有单个高功率激光器，可优选地可具有两个或三个高功率激光器，并且可具有若干个高功率激光器，例如六个或以上。最好是高功率固态激光器，特别是半导体激光器和光纤激光器，因为它们的启动时间短，尤其是即时启动能力。高功率激光器例如是具有10kW、20kW、50kW或以上功率的光纤激光器或半导体激光器，其发射的激光束的波长可优选地处于大约1550nm (纳米)或1083nm范围。优选激光器特别是诸如光纤激光器等固态激光器的示例载于美国专利申请出版物2010/0044106和2010/0215326以及待审的美国专利申请序列号12/840,978中。一个或多个激光器可位于海上钻井平台上，在水面上方，并借助高功率长距离激光传送电缆光学连接到处于海底上的B0P，其优选示例载于美国专利申请出版物2010/0044106和2010/0215326以及待审的美国专利申请序列号12/840,978中。激光传送电缆可以包含在闸芯中，当它们下降到海底时被解开并附接至BOP和立管。激光器也可以包含在BOP框架中或与之关联，不需要长距离的高功率光缆来将激光束从水面传送到海底之下。鉴于激光剪切闸板需要操作的极端条件以及在它们的操作中需要高可靠性，一个这样构造的激光辅助海底BOP钻井系统应具有至少一个位于海上钻井平台上的高功率激光器，并由高功率传送电缆连接到bop ;并应具有至少一个激光器，位于海底上的BOP框架中或与之关联。
[0074]转到图2，示出了可用于BOP堆中的激光剪切闸板组件的实施例的示例。激光剪切闸板组件200具有主体201。主体201具有下剪切闸板202 (更接近井口)和上剪切闸板203，它们在激活后由下活塞组件205和上活塞组件206压入到内部腔室204中。激活后，剪切闸板202、203的配合表面207、208彼此接合并密封内部腔室204，由此密封井。内部腔室204具有内部腔室壁227。还提供了激光输送组件209。激光输送组件209位于激光剪切闸板组件200的主体201中。激光输送组件209可以例如是围绕或部分地围绕内部腔室204的环形组件。该组件209位于剪切闸板202、203上方，即，位于进一步背离井口的那侦U。激光输送组件209与至少一个高功率激光源光学关联。
[0075]在钻井和其它活动期间，管件(图2中未示出)通常定位在内部腔室204内。环形空间形成在管件的外直径和内部腔室壁227之间。这些管件外直径的尺寸范围可以从约18〃降至几英寸，特别地，通常范围从约162/5 (16.04)"英寸至约5〃或以下。当管件存在于腔室204中时，一旦激活激光剪切闸板组件200，则激光输送组件209将高功率激光能量输送到位于腔室204中的管件。高功率激光能量完全切割管件，或最低限度地削弱了管件，以允许剪切闸板202、203迅速密封腔室204，如果管件完全被激光能量切断，则将任何剩余管件部分移出剪切闸板的路线；或者如果只是被激光削弱，则切断管件，并将被切断的管件部分移出剪切闸板的路线。由此，激光剪切闸板组件200保证剪切闸板表面207、208接合、密封，由此密封BOP腔室204和井。
[0076]虽然在图2的实施例的示例中示出了单个激光输送组件，但可采用多个激光输送组件、不同形状的组件以及处于不同位置的组件。此外，也可采用使激光输送组件位于剪切闸板下方即更接近井口一侧的构造，以及使激光输送组件位于剪切闸板或BOP堆的其它部分或模块上方、下方、内部或它们的组合的构造。激光能量切割、去除、削弱、结构弱化或大幅削弱内部腔室中的管件的能力使得能够潜在地使用单个剪切闸板，否则可能必须或需要两个剪切闸板；由此，在整体组装中减少了移动部件的数量，减轻了 BOP的重量，减少了 BOP的高度并减少了用于BOP的覆盖面积，以及其它益处。此外，向管件的精确和预定的激光能量输送模式的能力以及精确和预定地切入并切穿管子的能力提供了使剪切闸板切割并配合以匹配、互补方式构造的表面的能力，或者提供了以其它方式用激光能量输送模式更有效地工作的能力。由此，与激光能量输送模式匹配或量身定制的剪切闸板构造由本发明构想出。此外，精确和预定地切入并切穿管件的能力即使在紧急情况下也提供了切断管件而不是粉碎它的能力，以及提供了使管件的被切断端部拥有预定形状的能力，以协助稍后附接打捞工具来而从井眼回收被切断的管件。此外，切断管件而不是粉碎它的能力在被切断管件的下部提供了更大的面积，即，更大的开口，通过它，钻井泥浆或其它流体可以由与BOP堆相关联的压井线泵送到井中。
[0077]激光剪切闸板组件的主体可以是加工成容纳激光输送组件的单件，或者，它可以由以提供针对其拟定用途的足够强度、特别是经受住5，000pS1、10，000pS1、15，000pS1、20，OOOpsi和以上压力的方式固定在一起的多件制成。主体的包含激光输送组件的区域可被加工出来，或以其它方式制造成容纳激光输送组件，同时针对主体的拟定用途维持强度要求。激光剪切闸板组件的主体也可以是两个或更多个分离部件或模块，例如，一个部件或模块用于激光输送组件，另一个用于剪切闸板。这些模块可以由例如螺栓连接的凸缘或海上钻井领域技术人员已知的其它合适附接装置彼此附接。主体或构成主体的模块可具有一个通路、多个通路、多个通道或其它这样的结构，以将用于从激光源传送激光束的光纤电缆运送到主体中，并运送到激光输送组件以及与操作或监控激光输送组件及其切割操作有关的其它电缆。
[0078]图3A中，示出了可用于激光辅助BOP中的激光剪切闸板组件的实施例的示例。由此，示出了具有主体301的激光剪切闸板组件300。主体具有腔室304，该腔室具有中心轴线311 (虚线)和壁341。BOP腔室也具有垂直轴线，而在本实施例中，垂直轴线与中心轴线相同，这一般针对用于BOP的情况。(这些轴线的命名基于BOP的构造，并且相对于BOP结构本身，而不是BOP相对于地球表面的位置。由此，如果BOP例如被布置在其一侧，则BOP的垂直轴线将不会改变)。通常情况下，腔室311的中心轴线与井口腔室或开口的中心轴线同轴，管件通过该井口腔室或开口插入到井眼中。
[0079]主体301包含并支撑下剪切闸板302和上剪切闸板303，所述闸板具有与之相关联的活塞组件305和306。在操作中，活塞组件305、306驱动闸板302、303朝向中心轴线311，接合、切割并移动通过管件312，并且密封腔室304并由此密封井。主体301还具有馈通组件(feed-through assembly)313,用于管理压力并允许在操作激光切割机时可能需要的光纤电缆和其它电缆、管、电线和运送装置插入到主体301中。主体收容了上激光输送组件309和下激光输送组件310。
[0080]转到图3B，示出了图3A所示实施例的剪切闸板配合表面308、307的更详细视图。由此，上剪切闸板303的配合表面308具有上表面322、下表面323、面321、前缘319以及后缘320，该前缘介于下表面323和面321之间，该后缘介于上表面322和面321之间。下剪切闸板302的配合表面307具有上表面317、下表面318、面316、前缘314以及后缘315，该前缘介于上表面317和面316之间，该后缘介于面316和下表面318之间。
[0081]图4A至4D是沿线4-4截取的图3A和3B所示实施例的剖视图，并示出了激光剪切闸板组件300在切割管件312以及密封腔室304方面的操作顺序。在图4A至4D中，还示出了激光闸板组件300的上激光输送组件309的进一步细节。在本实施例中，下激光组件310可具有与上激光输送组件309类似的部件和构造。但是，下激光组件310可具有不同的构造，并具有更多或更少的激光切割机。
[0082]激光输送组件309具有四个激光切割机326、327、328和329。柔性支持电缆与每个激光切割机关联。由此，柔性支持电缆331与激光切割机326关联，柔性支持电缆332与激光切割机327关联，柔性支持电缆333与激光切割机328关联，而柔性支持电缆330与激光切割机329关联。柔性支持电缆位于通道339中，并进入馈通组件313。在馈通组件313的总体区域内，支持电缆从柔性过渡到半柔性，并可进一步包括在导管338中，以运送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。柔性支持电缆330、331、332和333具有额外的或另外的长度，其容纳激光切割机326、327、328和329绕311轴线且绕管件312的轨道。
[0083]图4A至4D示出激光剪切闸板组件300的激活顺序，以切断管件312并密封腔室304。在该示例中，图4A中示出了顺序的第一视图(例如，急射，这是因为顺序可优选地是连续的而不是交错的或渐进的)。由于被激活，四个激光切割机326、327、328和329分别射出激光束334、335、336和337。射束指向中心轴线311。因此，射束从BOP内、从腔室壁341外侧射出，并朝向BOP的中心轴线311行进。激光束撞击管件312，并开始切割，即，从管件312去除材料。如果将腔室304视为时钟面，则激光切割机326、327、328和329可以视为最初分别定位于12点钟、9点钟、6点钟和3点钟位置。激活后，激光切割机及其各自的激光束，开始绕中心轴线311和管件312运行。(在此构造中，激光切割机随着它们的运行亦将绕其自己的轴线旋转，由此，如果它们移动通过一个完整的轨道，则它们也已移动通过一个完整的旋转。)在本示例中，切割机和射束沿逆时针方向绕行，如图所示；但是，也可以使用顺时针旋转。由于射出激光束并发生沿轨道的绕行，所以剪切闸板303、302朝向彼此并朝向管件312驱动。
[0084]由此，如顺序的下一视图所看到的，见图4B，激光切割机326、327、328和329已旋转45度，沿射束路径334、335、336和337行进的激光束已切穿管件312圆周的4个1/8部(即，总共一半)。然后，图4C示出切割机已移动通过四分之一圈。由此，在图4C中，激光切割机，326、327、328和329已旋转四分之一圈，其中激光束334、335、336和337已切穿管件312。由此，切割机326可以视为已经从12点钟位置移动至9点钟位置，其中其它切割机同样已改变了它们各自的钟面位置。进一步示出了在接近并接合管件312时的上闸板的上表面322、后缘320、面321和前缘319，以及下闸板的上表面317和前缘314，以及激光束已切割的管件区域。
[0085]然后，图4D示出了顺序的最后视图，其中激光切割机已被停用并不再射出它们的激光束，且剪切闸板密封接合。腔室304被完全填充，并被剪切闸板303、302阻塞。如图4C中看到的，仅有上闸板303的上表面322、后缘320、面321和前缘319以及下闸板302的上表面317的一部分，上表面317的其它部分与闸板302的下表面323接合。
[0086]在切割操作期间，特别是针对旨在切断管件的圆形切口，可优选的是，管件不在垂直方向上移动。由此，在发射激光切割机之时或之前，杆闸板、环形防喷器或单独的保持设备应被激活，以防止在激光切割操作期间杆的垂直移动。
[0087]激光切割机的轨道运动速率取决于所使用切割机的数量、激光束在它撞击待切割管件的表面时的功率、待切割管件的厚度、以及激光切割管件的速率。轨道运动的速率应当足够低，以确保可以完成拟定的切表I]。
[0088]除了轨道切割机，激光束可以被扫描，例如以扇状图案移动。以这种方式，射束路径将沿待切割区域例如管件区域扫描，而切割机或至少切割机的基座仍处于固定位置。激光束的这种扫描可以例如通过关于固定点来回移动切割机(例如像摆动风扇的移动)来完成。它也可通过使例如激光扫描仪的光学器件包含在扫描射束路径的切割机内来完成，由此激光束呈风扇状图案。例如，旋转的多面反射镜或棱镜可以用作扫描仪。但是，应当注意的是，该扫描过程总体上可能效率较低，在本说明书中提供了其它切割方法。也可采用用于射束路径和激光束的另外扫描模式，以完成或解决特定的切割应用或在BOP腔室中的管件构造。
[0089]激光切割机的轨道运动或其它运动，可以通过本领域公知的机械、液压和电气-机械系统来完成。例如，切割机可以安装到步进电机，步进电机由位于BOP中的电池、来自表面的电缆或两者供电。步进电机还可具有与它们相关联的控制器，该控制器可以被构造为控制步进电机，以执行对应于特定切割步骤的特定运动。可以采用凸轮操作系统，以通过切割运动或周期来移动切割机。凸轮可以由电动马达、液压马达、液压活塞或与前述器件组合来驱动，以便在一个动力装置失效的情况下可优选地提供备用系统以移动切割机。齿轮箱、齿条齿轮组件或它们的组合可与电动马达、液压马达或活塞组件结合用于提供切割机移动。控制系统可一体到诸如步进电机控制组合等切割机动力装置，可成为BOP的一部分，如与其它控制系统包含在BOP上，或者它可位于平台上，或与前述器件组合。
[0090]所使用术语“已完成的”切割和类似这样的术语包括:将管件切断成为两部分，即，一直穿过壁并绕管件整个圆周的一个切口，以及在其中从管件去除足够材料以充分地削弱管件的多个切口，以确保剪切闸板密封接合。取决于激光剪切闸板组件的特定构造和BOP的拟定用途，已完成的切割可以是例如:将管件切断成为两个分离部分；绕管件外部去除一圈材料，从壁厚的约10%至约90% ;大量穿孔创建于壁中，但不贯通管件的壁；大量穿孔完全贯穿管件的壁；大量狭缝创建于壁中，但不贯通管件的壁；大量狭缝完全贯穿管件的壁；通过本说明书中所公开的射出模式来去除材料；或者，其它模式的材料去除和前述方式的组合。优选的是，完整的切口在不到一分钟内做出，更可优选的是，完整的切口在30秒或以下做出。
[0091]轨道运动的速率可以固定在针对最极端管件或管形组合完成切口所需要的速率，或是可变或预定的旋转速率，以匹配将在特定钻井操作期间存在于BOP中的特定管件或各类型管件。
[0092]在旋转激光输送组件中的激光切割机的数量越大，在相同量的时间内可以完成切口的轨道运动速率越慢。此外，增加激光切割机的数量会减少完成管件的切口的时间，而不必增加轨道速率。增加激光束的功率将使管件的切割更迅速，从而允许更快的轨道速率、更少的激光切割机、更短的时间来完成切口或它们的组合。
[0093]本发明实施例的示例和说明中使用的激光切割机可以是任何合适的设备，用于输送高功率激光能量。由此，可以采用用于使激光束聚焦的光学元件的任何构造。但是，进一步考虑到对流体和材料的光学效应的管理，其可位于管件和BOP内部腔室壁之间的环形空间内。
[0094]举例来说，这样的钻井流体可包括水、海水、盐水、盐溶液、钻井泥浆、氮气、惰性气体、柴油、薄雾、泡沫或烃类。也可能存在于由推进井眼或其它井下操作而取出或创建的这些钻井流体井眼钻出物(例如碎片)中。可以存在两相流体和三相流体，其将构成两种或三种不同类型材料的混合物。这些钻井流体可以干扰激光束切割管件的能力。这样的流体可能不传送、或可能仅部分地传送激光束，由此当激光束通过流体时干扰或降低激光束的功率。如果这些流体在流动，则这样的流动可进一步增加其非透过性。这些流体的非透过性和部分透过性可以由若干现象产生，包括但不限于:吸收、折射和散射。此外，非透过性和部分透过性可以并将可能依赖于激光束的波长。
[0095]在183/4〃B0P中，即，腔室或孔的直径约为183/4"，取决于位于腔室中的激光切割机的构造和管件的大小，激光束需要通过超过6"的钻井流体。在其它构造中，激光切割机可接近或非常接近、邻近待切割管件定位，并以维持此种接近的方式移动。在这些构造中，激光束在激光切割机和待切割管件之间行进的距离可维持在约2"内、小于约2"、小于约I"以及小于约1/2"，并维持在小于约3〃至小于约1/2〃以及小于约2〃至小于约1/2〃的范围内。
[0096]特别地，对于激光器具有比较长的行进距离、例如大于约1〃或2〃(但是这个距离可以或多或少地取决于激光功率、波长和钻井流体类型以及其它因素)的这些构造和实施例，有利的是，使这样的井眼流体的不利影响最小化，并基本上保证或确保:这样的流体不干扰激光束的传送；或者所使用激光功率足以克服传送激光束通过这样的流体可能发生的任何损失。为此，可以利用机械、压力和喷射型系统，以减少、最大限度减少或基本消除钻井流体在激光束上的影响。
[0097]例如，诸如封隔器和闸板等机械设备包括环形防喷器，可用于隔离要执行激光切割的区域，举例来说，钻井流体通过插入惰性气体、或诸如油或柴油燃料等透光流体而从该隔离区域去除。在此构造中使用流体具有的附加优点在于，它本质上是不可压缩的。而且，填充有透光流体(气体或液体)的机械通气管类(snorkel like)设备或管可在激光切割机和待切割管件之间延伸，或以其它方式布置在这之间的区域内。以这种方式，激光束通过通气管或管传送到管件。
[0098]高压气体的喷射可以使用激光切割机和激光束。可以使用高压气体射流来清除路径，或用于激光束的部分路径。该气体可以是惰性的，或者它可以是空气、氧气或加速激光切割的其它类型气体。所需的相对少量的氧气以及它通过激光、金属、氧气相互作用由燃烧管件所消耗的极速应当不存在火灾或危及钻井平台、表面装备、人员或海底部件。[0099]使用氧气、空气或使用非常高功率例如大于约IkW的激光束可以在切割区域内创建和维持等离子体泡沫或气泡，这可以部分地或完全地取代激光束路径中的钻井流体。
[0100]可变闸板防喷器可与氧气(或空气)和激光切割机结合使用。由此，单个可变闸板可用于抓取和密封位于BOP腔室中的管件。可变闸板将形成位于闸板内的小腔室，当接合在管件上时，该腔室将围绕管件。于是，该腔室可以通过使腔室通风将其压力下降到大气压或附近。在将包含在闸板内的激光切割机发射之前，氧气或空气(或其它气体或可透过液体)可以添加到腔室。以这种方式，可变闸板在其中将具有激光切割机，当与管件接合时形成隔离腔室，并提供了以最小的干扰从钻井流体中迅速切割管件的手段。如果希望更大的隔离腔室，或者如果需要另外的空间用于激光切割机，也可以使用两个可变闸板，一个在另一个之上。而且，虽然腔室可以通风到大气压力或附近，但可维持增加的压力，例如在它被切割时减少或减缓从管件内涌入任何钻井流体。
[0101] 具有单个液体流的高压激光液体射流可以使用激光切割机和激光束。针对激光束，用于喷射的液体应当是可透过的或者至少基本可透过的。在这种类型的射流激光束组合中，激光束可与射流同轴。但是，这种构造具有的缺点和问题在于，流体射流不充当波导管。该单个射流构造具有的另一缺点和问题在于，射流必须既提供力来保持钻井流体远离激光束，又要提供介质用于传送射束。
[0102]复合流体激光射流可用作激光切割机。复合流体射流具有由环形外射流围绕的内芯射流。激光束由光学器件引导到芯部射流中，并由芯部射流传送，其充当波导管。单个环形射流可以围绕芯部，或者可以采用多个嵌套的环形射流。因此，复合流体射流具有芯部射流。该芯部射流由第一环形射流围绕。该第一环形射流也可以由第二环形射流围绕；而第二环形射流可以由第三环形射流围绕，第三环形射流可以由另外的环形射流围绕。外环形射流的功能是保护内芯射流免受在BOP腔室壁和管件之间环形空间中存在的钻井流体的影响。芯部射流和第一环形射流应当由具有不同折射率的流体制成。在复合射流只有芯部和围绕该芯部的环形射流的情况下，由芯部组成的流体的折射率应当大于由环形射流组成的流体的折射率。以这种方式，折射率的差异使复合流体射流的芯部充当波导管，保持激光束包含在芯部射流内，并在芯部射流中传送激光束。此外，在该构造中，激光束(如果有的话)不会明显地离开芯部射流并进入环形射流。
[0103]组成复合流体射流的各种射流的压力和速度可以依赖于应用和使用环境而有所不同。由此，举例来说，压力范围可以从约3000psi至约4000psi至约30，OOOpsi,可优选地约为70，OOOpsi至更大的压力。芯部射流和(一个或多个)环形射流可以压力相同或压力不同，芯部射流可以压力更高或环形射流可以压力更高。可优选地，芯部射流的压力高于环形射流。举例来说，在多射流构造中，芯部射流可以为70，000?81，第二环形射流(这是与芯部和第三环形射流相邻定位)可以为60，OOOpsi，而第三(在外部，与第二环形射流相邻定位，并与工作环境介质接触)环形射流可以为50，OOOpsi。射流的速度可以相同或不同。由此，芯部射流的速度可以大于环形射流的速度，环形射流的速度可以大于芯部射流的速度，而多个环形射流的速度可以不同或相同。芯部射流和环形射流的速度可以选择，使得芯部射流不接触钻井流体，或使这样的接触最小化。射流的速度范围可以从相对缓慢到非常快，可优选的速度范围从约lm/s (米/秒)至约50m/s、约200m/s、约300m/s及以上。首先形成射流的次序可以是:芯部射流第一其次为环形圈，环形圈射流第一其次为芯部，或者同时形成芯部射流和环形圈。为了最大限度地减少或消除芯部与钻井流体的相互作用，环形射流首先创建，其次为芯部射流。
[0104]在选择用于形成射流的流体以及确定用于流体的折射率的差异量时，激光束的波长和激光束的功率是应当考虑的因素。由此，例如对于波长在1080nm(纳米)范围内的高功率激光束，芯部射流可以由具有约1.53折射率的油制成，而环形射流可以由具有从约1.33至约1.525的折射率的油水混合物制成。由此，分别地，用于该构造的芯部射流将具有从约0.95至约0.12的NA (数值孔径)。这种复合流体激光射流的进一步的细节、说明和示例含在2010年8月31日提交的Zediker等人的美国临时专利申请序列N0.61/378,910中，标题为“波导激光射流及使用方法(Waveguide Laser Jet and Methods of Use)”,其全部公开内容通过引用并入本文。应当注意的是，所述通过引用并入本文未提供任何权限来实践或使用所述申请的发明或者可由此颁予的任何专利，并且不应据此授予或引起任何许可。
[0105]除了使用高功率激光束来切割管件，可在BOP堆中利用其它形式的定向能或手段来提供对管件的切割。这样的定向能手段将包括等离子切割机、电弧切割机、大功率水射流和颗粒水射流。但是，这些手段中的每个相比于高功率激光能量都具有缺点。特别地，相比其它手段，高功率激光能量具有更大的控制力度、可靠性，并基本上潜在地对BOP系统部件的损害更小。不过，使用这些其它的不太理想的手段应由本发明在本文中构想为定向能手段，以切割位于BOP腔室内的管件。
[0106]激光束接触管件的角度可由激光切割机内的光学器件确定，或者它可由激光切割机本身的角度或位置确定。在图23中，示出了激光切割机2300的示意图，其中光路2301以各种角度离开切割机。当激光束传播时，例如发射或从激光切割机射出，激光束将沿射束路径行进。相对于BOP腔室垂直轴线(虚线)2311进一步示出了射束路径。如图23A和23B的放大视图所看到的，相对于轴线2311的离井口连接侧2310最远的部分，射束路径2301与垂直轴线2311形成的角度以及由此沿该射束路径行进的激光束与垂直轴线2311形成的角度可以是锐角2305或钝角2306。也可以利用法线或90°角。图中所示的BOP井口连接侧2310作为用于本文所用的角度确定的参考点。
[0107]激光切割机具有排出端，激光束从该排出端传播。激光切割机还具有光路。射束路径由激光束拟占据的路径限定，并从激光切割机的排出端延伸至待切割的材料或区域；且潜在地超出。
[0108]在射束路径(激光束沿该射束路径行进)和BOP垂直轴线之间的角度，总体对应于射束路径和激光束将撞击存在于BOP腔室中的管件时的角度。但是，最好使用基于BOP以确定角度的参考点，因为管件可能移位，或者在有接头或损坏管件的情况下，存在的表面具有与BOP腔室中心轴线不平行的变化平面。
[0109]因为在激光束和BOP垂直轴线之间形成的角度可以变化并可以预先确定，所以激光切割机的位置，或者更具体地激光束离开切割机的点并不一定要与待切割区域正交。由此，激光切割机位置或射束发射角可以使得激光束从以下处行进:待切割区域的上方，这将导致在激光束和BOP垂直轴线之间形成锐角；与待切割区域同一水平，这将导致在激光束和BOP垂直轴线之间形成90°角；或待切割区域下方，这将导致在激光束和BOP腔室垂直轴线之间形成钝角。以这种方式，可以评估和改进闸板的形状、闸板的表面、闸板施加的力和由激光切割的区域的位置之间的关系，以针对特定应用来优化这些因素的关系。[0110]预先确定激光束与BOP垂直轴线所形成角度的能力提供了为被切断管件的端部拥有具体和预定形状的能力。由此，如果激光束来自切割区域的上方，则在被切断管件的下段的上端可以切出向内的锥形。如果激光束来自待切断区域的下方，则在被切断管件的下段的上端可以切出向外的锥形。如果激光束来自切割区域的相同水平，则在被切断管件的端部将不会切出锥形。用于被切断的下管件的这些各种端部形状也许利于将各种类型的打捞工具附接至该管件，以在以后的某个时间点从井里取出它。
[0111]在本发明的构造中利用的激光切割机的数量可以是单个切割机、两个切割机、三个切割机，直至并包括12个或12个以上的切割机。如上面所讨论的，切割机的数量取决于若干因素，而用于任何特定构造和最终用途的切割机的最佳数量可基于最终用途的要求以及本说明书中提供的公开内容和教导来确定。
[0112]基于公布数据的激光功率、能量密度和切割速率的示例载于表1中。
[0113]表1
[0114]
【权利要求】
1.一种防喷器堆，所述防喷器堆包括: 闸板，所述闸板可从第一位置移动到第二位置；以及 激光切割机，所述激光切割机用于发射限定射束路径的激光束，所述激光切割机相对于所述闸板定位并面向形成在所述堆内的腔室，其中所述射束路径进入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室内。
2.如权利要求1所述的防喷器堆，还包括闸板防喷器，其中所述闸板防喷器是剪切闸板组件，并且所述堆还包括: a.环形防喷器组件； b.杆闸板组件；以及 c.环形防喷器组件，剪切闸板组件和杆闸板组件共用所述腔室，所述腔室具有一轴线。
3.如权利要求2所述的防喷器堆，其中，所述射束路径相交所述腔室的轴线。
4.如权利要求2所述的防喷器，包括与所述腔室相邻定位的激光切割机屏蔽件，其中所述激光切割机屏蔽件保护所述激光切割机免受损坏，而不会明显地干扰管件通过所述腔室的运动。
5.一种防喷器，所述防喷器包括: a.激光切割机； b.闸板防喷器，所述闸板防喷器包括一对相对的闸板； c.腔室，所述腔室位于堆内，用于使管件通过； d.所述激光切割机具有射束路径； e.所述闸板能够移动到所述腔室中； f.位于所述腔室内的区域，用于将所述闸板与管件接合；以及 g.所述射束路径定位在所述激光切割机和位于所述腔室内用于将所述闸板与所述管件接合的所述区域之间。
6.一种激光辅助防喷器，所述激光辅助防喷器包括: a.环形防喷器； b.杆闸板组件；以及 c.激光剪切闸板组件，所述激光剪切闸板组件包括: 1.闸板，所述闸板可从第一位置移动到第二位置；以及 i1.激光切割机，所述激光切割机相对于所述闸板定位并面向在所述激光辅助防喷器内形成的腔室，其中所述激光切割机发射限定激光切割机射束路径的激光束，所述激光切割机射束路径进入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室内。
7.如权利要求6所述的激光辅助防喷器，其中，所述防喷器是海底防喷器，所述海底防喷器包括:剪切闸板组件和第二杆闸板组件；其中所述环形防喷器、激光剪切闸板组件、剪切闸板组件、杆闸板组件和第二杆闸板组件构成部件堆。
8.如权利要求6所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光切割机射束路径朝向所述腔室的中心轴线方向延伸。
9.如权利要求6所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光切割机能够至少部分地绕所述腔室的轴线运行，并且发射所述激光束。
10.如权利要求9所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光辅助防喷器使用约1/2的轨道来完成管件的切口。
11.如权利要求9所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光辅助防喷器使用约1/3的轨道来完成管件的切口。
12.如权利要求9所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光辅助防喷器使用约1/4的轨道来完成管件的切口。
13.如权利要求6所述的激光辅助防喷器，包括:第二切割机，所述第二切割机发射限定第二激光切割机射束路径的第二激光束，其中所述腔室基本上是圆形的；并且，所述激光切割机和第二激光切割机中的每个均相邻，但不位于所述腔室中，并且所述激光切割机射束路径和弟二激光切IllJ机射束路径被构造成轮福状构造。
14.一种激光辅助防喷器，所述激光辅助防喷器包括: a.框架； b.与所述框架相关联的防喷器堆，所述防喷器堆包括: 1. 腔室，所述腔室形成在所述防喷器内，用于使管件通过；以及 i1.激光输送组件，所述激光输送组件在未激活时被定位在所述腔室外侧。
15.如权利要求14所述的激光辅助防喷器，其中，所述激光输送组件包括: a.激光切割机,所述激光切割机具有相关联的射束路径； b.所述激光切割机与剪切闸板一体；以及 c.所述射束路径被引导到所述腔室中。
16.如权利要求14所述的激光辅助防喷器，其中，用于使管件通过的所述腔室具有垂直轴线，并且所述激光输送组件包括: a.第一激光切割机，所述第一激光切割机具有指向所述腔室的第一射束路径； b.第二激光切割机，所述第二激光切割机具有指向所述腔室的第二射束路径； c.第一激光切割机或第二激光切割机中的至少一个被包含在剪切闸板中；以及 d.第一射束路径或第二射束路径中的至少一个指向所述垂直轴线。
17.—种激光辅助海底防喷器钻井系统，所述系统包括: a.海底立管； b.防喷器堆，所述防喷器堆包括: 1.腔室，所述腔室用于使管件通过所述防喷器堆，其中所述腔室与所述海底立管以机械方式连通，其中管件可以从所述海底立管以及向所述海底立管通入到所述腔室中，以推进出井眼； ii?激光输送组件； ii1.剪切闸板组件，其中所述激光输送组件与所述剪切闸板组件以光学和机械方式关联； c.从而，在激活后，激光输送系统向位于防喷器腔室内的管件输送高功率激光束，导致切割所述管件，以减少所述管件会防止所述剪切闸板组件关闭的风险。
18.如权利要求17所述的激光辅助海底防喷器钻井系统，其中，所述高功率激光束形成激光输送模式来切断位于所述防喷器腔室中的所述管件。
19.如权利要求17所述的激光辅助海底防喷器钻井系统，其中，所述高功率激光束形成激光输送模式来削弱位于所述防喷器腔室中的所述管件。
20.如权利要求17所述的激光辅助海底防喷器钻井系统，其中，所述高功率激光束形成激光输送模式来去除所述管件的两个离散区域。
21.一种激光剪切闸板组件，所述激光剪切闸板组件包括: a.主体； b.所述主体限定出具有垂直轴线的腔室，从而所述腔室能够接受管件，以推进或从井眼去除所述管件； c.具有第一活塞组件的第一剪切闸板，从而在激活所述第一活塞组件时，所述第一活塞组件能够将所述第一剪切闸板移动到所述主体的腔室中； d.具有第二活塞组件的第二剪切闸板，从而在激活所述第二活塞组件时，所述第二活塞组件能够将所述第二剪切闸板移动到所述主体的腔室中；以及 e.激光输送组件，从而在激活时，所述激光输送组件能够将激光束传播到所述腔室中。
22.如权利要求21所述的激光剪切闸板组件，其中，所述激光输送组件包括用于向所述管件输送预定的激光束模式的装置。
23.一种具有激光辅助海底防喷器系统的海上钻井平台，所述激光辅助海底防喷器系统用于在紧急情况期间快速切割位于防喷器中的管件，所述激光系统包括: a.立管，所述立管能够操作地连接到海上钻井平台，并从海上钻井平台下降到海底处或接近海底的深度； b.防喷器，所述防喷器能够操作地连接到所述立管，并由所述立管从所述海上钻井平台下降到海底； c.高功率激光束源，所述高功率激光束源具有至少约15kW的功率，与激光切割机光通信；以及 d.激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联，从而所述激光切割机能够下降到海底处或接近海底，并在激活后向位于所述防喷器内的管件输送高功率激光束。
24.一种具有激光辅助海底防喷器系统的海上钻井平台，所述激光辅助海底防喷器系统用于在紧急情况期间快速切割位于防喷器中的管件，所述激光系统包括: a.立管，所述立管定位在海底处或接近海底的深度，其中所述立管操作地连接到海上钻井平台； b.防喷器，所述防喷器定位在海底处或接近海底，其中所述防喷器操作地连接到所述立管； c.高功率激光器，所述高功率激光器与激光切割机光通信；以及 d.激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联并定位在海底处或接近海底，从而在激活后，所述激光切割机向位于所述防喷器内的管件输送高功率激光束。
25.一种具有激光辅助海底防喷器钻井系统的海上钻井平台， 所述系统包括: a.立管，所述立管能够操作地连接到海上钻井平台，并从海上钻井平台下降到海底处或接近海底的深度； b.防喷器，所述防喷器能够操作地连接到所述立管，并由所述立管从所述海上钻井平台下降到海底； c.所述防喷器包括剪切闸板，所述剪切闸板能够与管件的位于所述防喷器内的区域以机械方式相互作用； d.所述剪切闸板与激光切割机关联； e.高功率激光束源，所述高功率激光束源具有至少约5kW的功率，与所述激光切割机光通信；以及 f.激光切割机，所述激光切割机与所述防喷器和立管操作地关联；从而所述激光切割机能够下降到海底处或接近海底，并且在激活后向位于所述防喷器内的所述管件输送高功率激光束，并向所述管件的与所述剪切闸板以机械方式相互作用的区域处或附近的区域输送高功率激光束。
26.一种海底防喷器堆，所述海底防喷器堆包括:闸板以及定位在所述堆内的激光切割机；所述激光切割机具有用于输送预定的激光束切割模式的装置；从而所述预定的激光束切割模式对应于管件的位于所述堆内的待去除的区域。
27.一种通过使用激光辅助防喷器和立管来钻探海底井的方法，所述方法包括: a.使用具有第二内部腔室的立管将具有第一内部腔室的激光辅助防喷器从海上钻井平台下降到海底，海底具有井眼； b.将所述防喷器紧固到所述井眼，从而所述井眼、所述第一内部腔室和所述第二内部腔室以流体和机械方式连通；以及 c.通过将管件从所述海上钻井平台下降通过所述第二内部腔室、所述第一内部腔室并下降到所述井眼中来推进所述井眼； d.其中，所述激光辅助防喷器能够执行对存在于所述第一内部腔室中的管件的激光切`割。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述激光辅助防喷器包括: a.框架； b.与所述框架关联的防喷器堆； c.所述防喷器堆包括用于使管件通过的第三腔室，所述第三腔室至少是所述第一腔室的一部分；以及 d.所述防喷器堆包括激光输送组件，其中所述激光输送组件在未激活时被定位在所述第一腔室和第三腔室外侧。
【文档编号】E21B33/06GK103492668SQ201280019899
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年2月24日 优先权日:2011年2月24日
【发明者】M.S.泽迪克, H.A.伯杰龙, P.V.克拉克, J.F.莫克斯利, P.D.多伊奇, L.D.安德伍德, C.C.林兹勒, R.A.德维特, S.K.克拉查拉姆, D.L.格拉布 申请人:福罗能源股份有限公司, 雪佛龙美国股份有限公司