用于控制深水钻探的紧急情况的激光辅助系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种大功率激光立管防喷器系统和用于其操作的控制器。该系统利用与立管和防喷器关联的大功率激光切断机来提供整体操作，以迅速地削弱或者切断管状部而解决在深海钻探期间会出现的可能意外事故和紧急情况。
【专利说明】用于控制深水钻探的紧急情况的激光辅助系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于诸如油和天然气的碳氢化合物的海上勘探和生产的系统。由此，并且具体地，本发明涉及利用大功率激光切断机以迅速地帮助管理和控制海洋钻探紧急事件的新颖系统。
[0002]如在此使用的，除非另作规定，术语“防喷器”、“Β0Ρ”和“Β0Ρ堆叠”被赋予它们最宽泛的可能含义，并且包括:(i)定位在钻孔表面、例如海底处或附近的装置，该装置用以容纳或者管理与钻孔关联的压力或者流量；(ii)用于容纳或者管理钻孔中与立管关联的压力或者流量的装置；(iii)具有任意数量的闸板、阀门或者弹性栓塞或其组合用于控制或者管理井眼压力或者流量的装置；(iv)海底BOP堆叠，所述海底防喷器组可包含例如剪断闸板、管子闸板、全封闭防喷器闸板和环形防喷器；和(V)用以控制井眼压力、流量或者两者并且具体地用以控制或者管理紧急的流量或者压力情况的流量和压力管理装置的其它这种类似组合和组件。
[0003]如在此使用的，除非另作规定，“海上”和“海洋钻探活动”以及这种类似术语使用它们最宽泛的含义，并且将包括在任何水域上或中进行的钻井活动，所述水域可以是淡水或咸水、是人工的或者天然的，诸如，例如河流、湖泊、运河、内海、大洋、海洋、港湾和海湾，诸如墨西哥湾。如在此使用的，除非另作规定，术语“海上钻探钻机”被赋予其最宽泛的可能含义，并且将包括固定塔、供应船、平台、驳船、自升式平台、浮式平台、钻探船、动态定位的钻探船、半潜水船和动态定位的半潜水船。如在此使用的，除非另作规定，术语“海底”被赋予其最宽泛的可能含义，并且将包括位于任何水域之下或在其底部处的土地的任何表面，所述水域可以是淡水或者咸水、是人工的或者天然的。如在此使用的，除非另作规定，术语“井眼”和“钻孔”被赋予它们的最宽泛的可能含义，并且包括被钻孔或者以别的方式制成在土地表面、例如海底或者海床中的任何孔，并且将进一步包括勘探井、生产井、弃井、重用井、改造井和注入井。如在此使用的，术语“立管”被赋予其最宽泛的可能含义，并且将包括这样的任何管状部，该管状部将位于水域表面上或以上的平台，包括海上钻探钻机、浮式储油卸油(FPSO)船舶、浮式储气卸气(FGSO)船舶，连接到位于海底处、上或附近的结构，用于诸如钻探、生产、修井、维修、油井服务、调停和完井的活动的目的。
[0004]如在此使用的，术语“钻杆”被赋予其最宽泛的可能含义，并且包括用于钻井活动的所有形式的管子；并且指代单节或者单件的管子。如在此使用的，术语“钻杆的立根”、“钻杆立根”、“管子的立根”、“立根”和类似类型的术语被赋予它们的最宽泛的可能含义，并且包括典型地通过具有螺纹连接的接头相连的、例如被连接在一起的两节、三节或者四节钻杆。如在此使用的，术语“钻柱”、“管柱”、“钻杆的管柱”、“管子的管柱”和类似类型的术语将被赋予它们的最宽泛的限定，并且将包括连接在一起用于在钻孔中使用的目的的立根。由此，钻柱可包括许多立根和数百节的钻杆。
[0005]如在此使用的，术语“管状部”被赋予其最宽泛的可能含义，并且包括钻杆、套管、立管、盘管、复合管、生产油管、真空隔热油管(VIT)和其中具有至少一个在钻探工业使用或能够被使用的通道的任何类似的结构。如在此使用的，术语“接头”被赋予其最宽泛的可能含义，并且包括用以将管状部连结在一起的所有类型的装置、系统、方法、结构和部件，诸如，例如螺纹管接头和栓接凸缘。对于钻杆接头，接合部段典型具有比钻杆的其余部分更薄的壁。如在此使用的，管状部的壁厚是指在管状部的内径和管状部的外径之间的材料的厚度。
[0006]如在此使用的，除非另作规定，“大功率激光能”是指具有至少大约IkW (千瓦)的功率的激光束。如在此使用的，除非另作规定，“大距离”是指至少大约500m (米)。如在此使用的，术语“功率的显著损失”、“显著功率损失”和这样的类似短语是指对于选定波长的超过大约3.0dB/km (分贝/千米)的功率损失。如在此使用的，术语“显著功率传输”是指至少大约50%的透射率。
【背景技术】
[0007]深水钻探
[0008]海上碳氢化合物开发与生产已经移动到越来越深的水域。当今，5000ft、10000ft和甚至更大深度的钻井活动被预期和进行。例如，RIGZONE, www.rigzone.com已经报导了有330多台钻机设计用于在大于600ft (英尺)的水深的钻探，并且在这些钻机中，有190多台设计用于在大于5000ft的水深的钻探，并且在这些钻机中，有90多台设计用于在10000ft的水深的钻探。当在这些深处、非常深处以及超深处钻探时，钻探设备常遭受在海洋的深度中发现的极恶劣条件，包括海底处的大的压力和低温。
[0009]另外，这些深水钻探钻机能够推进位于海底以下10，000ft、20，000ft、30，OOOft
或者更深处的钻孔。照此，钻探设备，诸如钻杆、套管、立管和防喷器常遭受显著的力和极恶劣条件。为应对这些力和条件，钻探设备，例如立管、钻杆、和钻柱被设计为更坚固、更刚性并且在许多情形中更重。此外，用以制成钻杆和套管的金属变得更韧性。
[0010]典型地，并且一般来讲，在钻探水下油井时，初始钻孔被制成在海床中，然后，相继且更小直径的钻孔被钻进延伸过钻孔的总深度。由此，随着整个的钻孔变得更深，其直径变小；从而导致在钻孔的与土地表面最近的顶部处的能够想象到孔与最大直径孔的套管式组
口 O
[0011]由此，举例来说，海底钻孔过程的起始阶段可以大体上说明如下。一旦钻探钻机被定位在要进行钻探的区域的水面上，则在土地中至海底以下大约200_300ft的深度钻进36"的孔，从而制成初始钻孔。30"的套管被插入这一初始钻孔。这一 30"的套管也可以叫做导向套管。该30"的导向套管可以或者不可以被粘接到位。在该钻探作业期间，立管一般未被使用，并且来自钻孔的切屑，例如通过钻探活动从钻孔除去的泥土和其它材料返回到海底。接着，在所述30"的套管中钻制26"直径的钻孔，钻孔的深度被延伸至大约1，000-1, 500ft。该钻探作业也可在不使用立管的情况下进行。20"的套管然后被插入30"导向套管和26"钻孔。该20"套管被粘接到位。所述20"套管具有与之相固定的井头。(在其它操作中，可以钻制另外的更小直径的钻孔，并且更小直径的套管被插入该钻孔，井头被固定到该更小直径的套管。)BOP然后被固定到立管并且由立管降低到海底；其中BOP被固定到井头。从该点继续向前，大体上，钻孔中的所有钻探活动通过立管和BOP进行。
[0012]BOP随同其他设备和步骤被用以控制和管理井眼中的压力和流量。大体上，BOP是具有从中通过的被连接的内腔的多个机械装置的堆叠。BOP能够具有空腔，例如从大约41/6"到26 3/4"范围中的孔径。管状部被从海上钻探钻机沿着立管推进、通过BOP空腔并且进入钻孔。返出物，例如钻探泥浆和切屑，被从钻孔除去，并且被通过BOP空腔传输、沿立管向上并被传输到海上钻探钻机。BOP堆叠典型地具有环形防喷器，其是在管状部周围类似大的括约肌工作的可扩张封隔器。在无管状部时，一些环形防喷器也可使用或者能够密封空腔。当起作用时，这一封隔器抵靠位于BOP空腔中的管状部密封，从而防止材料流过在管状部的外径和BOP空腔的壁之间形成的环带。BOP堆叠另外典型地具有闸板防喷器。如在此使用的，除非另作规定，术语“闸板防喷器”被赋予其最宽泛的限定，并且将包括这样的任何机械装置，该机械装置夹紧、抓取、保持、切割、切断、挤压或以上述的组合动作作用于BOP堆叠中的管状部，所述BOP堆叠诸如是剪切式闸板、全封闭防喷器闸板、全封闭剪切式闸板、管子闸板、可变闸板、可变管子闸板、套管剪切式闸板、和防喷器，诸如Hydril的HYDRILPRESSURE CONTROL COMPACT Ram、Hydril PRESSURE CONTROL Conventional Ram、HYDRILPRESSURE CONTROL QUICK-L0G、和 HYDRIL PRESSURE CONTROL SENTRY Workover、SHAFFER闸板防喷器以及由Cameron生产的闸板防喷器。
[0013]由此，BOP堆叠典型具有管子闸板防喷器并且可以具有这些防喷器中的一个以上的防喷器。管子闸板防喷器典型地是两个半圆状的夹紧装置，其被驱动抵靠位于BOP空腔中的管状部的外径。管子闸板防喷器能够被看作两个大手，该两个大手夹紧管状部并且密封位于管状部和BOP空腔壁之间的环带。全封闭闸板防喷器也可被包含在BOP堆叠中，在无管状部时，这些闸板能够密封空腔。
[0014]管子闸板防喷器和环形防喷器典型地仅能够密封位于管状部和BOP空腔壁之间的环带；它们不能密封管状部。由此，在紧急情况中，例如当发生“井涌”(气体、流体或者压力突然注入钻孔)时，或者如果出现可能的喷出情况时，因高井下压力形成的流量能够回流通过管状部的内部、位于管状部和立管之间的环带，并且沿立管向上到达钻探钻机。此外，在紧急情况中，管子闸板和环形防喷器可能无法形成围绕管状部的足够强的密封以阻止通过管状部和BOP空腔之间的环带的流量。由此，BOP堆叠包括机械剪切式闸板组件。对于紧急情况，例如井涌或者可能的喷出，机械剪切式闸板典型地是最后的防线。(如在此使用的，除非另作规定，术语“剪切式闸板”将包括全封闭式剪切闸板、剪切密封式闸板、剪切密封闸板、剪切式闸板和旨在或者能够切断或者剪切管状部的任何闸板。)机械剪切式闸板象大的闸式阀一样作用，其被认为迅速地横断BOP空腔闭合以密封BOP空腔。它们旨在切入位于BOP空腔中的可能阻碍剪切式闸板完全地密封BOP空腔的任何管状部。
[0015]取决于在部署和使用期间预期的条件和风险，BOP堆叠能够具有许多改变的构造。这些部件可包括例如环形类型的防喷器、旋转头、带有一组(全封闭或管子)闸板的单闸板防喷器、具有两组闸板的双闸板防喷器、具有三组闸板的三闸板式防喷器、和带有用于阻流及压井管线的侧向出口连接的卷筒。这些部件的现有构造的示例能够是:Β0Ρ堆叠，具有7 1/16"的钻孔和自下而上的单个闸板、卷筒、单个闸板、单个闸板和环形防喷器并且具有5，OOOpsi的额定工作压力；BOP堆叠，具有13 5/8"的钻孔和自下而上的四通、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；以及BOP堆叠，具有18 3/4"的钻孔和自下而上的单个闸板、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。(如在此使用的，术语“防喷器”在BOP堆叠的背景下将包括所有的闸板、剪切式闸板和环形防喷器，以及如用以限制、关断或者控制BOP钻孔内的流量的结构的任何其它机械阀门。
[0016]BOPs需要容纳可能存在于井眼中的压力，该压力可能大至15，OOOpsi或更大。此外，需要这样的剪切式闸板:当发生紧急情况或者其中希望切穿BOP中的管状部并且密封井眼的其它情况时，该剪切式闸板能够迅速地并且可靠地切入可能存在于BOP中的任何管状部，包括钻铤、管接头和井眼下部组件。由于管状部的不断增大的强度、厚度和韧性，并且具体地，由于深处、非常深处和超深处的湿式钻探的管状部，存在日益提高的对于更强、更有力且更好的剪切式闸板的需要。对于这种剪切式闸板以及关于现有机械剪切式闸板的物理学和工程学原理的信息的长期的持续需求，在以下文献有所阐述:WestEngineering Services, Inc推出的《美国矿物管理设施的微剪切研究(Mini Shear Studyfor U.S.Minerals Management Services)》(申请单号:2-1011-1003, 2002 年 12 月)；West Engineering Services, Inc推出的《美国矿物管理设施的剪切式闸板性能(ShearRam Capabilities Study for U.S.Minerals Management Services)))(申请单号:3-4025-1001, 2004年9月);和，Barringer&Associates Inc.推出的《剪切式闸板防喷器力需求(Shear Ram Blowout Preventer Forces Required)》(2010 年 6 月 6 日，于 2010 年 8月8日改版)。
[0017]在满足这些发展中的和不断增强的重要需求的努力中，BOPs变得更大、更重并且更复杂。由此，具有两个环形防喷器、两个剪切式闸板和六管子闸板的BOP堆叠已被提出。这些BOPs重达数百吨，并且竖立达50英尺高或者更高。但是，对于以前的钻探钻机，BOPs的一直增大的尺寸和重量引起显著的问题。许多现有的海洋钻井设备不具有甲板空间、起重能力，或者由于其它的原因，不具有操纵和使用这些更大更复杂的BOP堆叠的能力。
[0018]如在此使用的，术语“立管”被赋予其最宽泛的可能含义，并且将包括这样的任何管状部，该管状部将位于水域表面上或以上的平台，包括海上钻探钻机、浮式储油卸油(“FPS0”)船舶、浮式储气卸气(“FGS0”)船舶，连接到位于海底处、上或附近的结构，用于诸如钻探、生产、修井、维修、油井服务、调停和完井的活动的目的。
[0019]立管会包括船用立管、海底立管和钻探立管，并且将海上钻探钻机、船舶或者平台连接到钻孔的基本上大的管状部。典型地，立管被连接到水平面之上的钻机并且被连接到海底上的Β0Ρ。立管能够视为基本上很大的具有内腔的管子，钻井所需的工具和材料从海上钻探钻机通过所述内腔往下送至海底中的钻孔，并且废料和工具被送出钻孔并通过所述内腔送回到海上钻探钻机。由此，立管如同脐带芯缆那样工作，将海洋钻井设备通过可能数百英尺的水连接到井眼。
[0020]立管的尺寸、类型和构造能够变化。所有立管具有大的中央或者中心管，其能够具有在从大约13 3/8"至大约24"的范围内的外径并且能够具有从大约5/8"到7/8"或者更大的壁厚。各节立管的长度能够在从大约49英尺到大约82英尺的范围内，并且典型地对于超深水应用，是大约75英尺长。由此，为使立管从钻机延伸到海底上的Β0Ρ，立管节由钻机连接到一起并且被降低到海底。
[0021]每个立管节的端部具有立管联轴器以将立管节的大的中心管连接在一起。术语“立管联轴器”应该被赋予其最宽泛的可能含义，并且包括各种型式的联轴器，这些联轴器使用机械手段，诸如凸缘、螺栓、卡箝、bowen、润滑、卡爪、键、螺纹、销以及本领域已知的或者本领域以后要开发的其它连接手段。由此，举例来说，立管联合器将包括:使用凸缘和螺栓的凸缘型联轴器；使用位于轴套中由致动螺钉驱动接合的卡爪的卡爪型联轴器；和键型联轴器，其使用旋转形成锁定接合的键机构。凸缘型联轴器的例子可以是VetcoGray HMF。卡爪型联轴器的例子可以是VetcoGray MR-1OE0键型联轴器的例子可以是VetcoGrayMR-6H SE。
[0022]每个立管节还具有与大的中心管关联的外部管子。这些管子被附连到大的中心管外部、行进过管道或者立管节的长度，并且形成与立管节连接关联的它们自身的连接。典型地，这些管子将包括节流管线、压井管线、增压管线、液压管线并且可能地包括其它类型的管线或电缆。节流管线、压井管线、增压管线和液压管线能够具有从大约3"(液压管线可以小至大约2.5")至大约6.5"或以上的内径，并且具有从大约1/2"到大约I"以上的壁厚。
[0023]通常出现这样的情形，其中可能需要将立管从海上钻探钻机、船舶或者平台断开。在一些情况下，例如浮式钻机的驶离的情形中，可能几乎没有或没有时间来妥当地断开立管。在其它情况中，诸如与天气有关的情况中，在获得足够的天气资料时可能没有足够时间拉起立管柱，由此不得不决定可能不必要拉起立管。由此，并且具体地对于深处、非常深处和超深处的深水钻探，存在对于关于快速地且以最小损伤将立管从海上钻探钻机断开的需求。
[0024]在海洋钻探活动中，常出现危险的并且通常时间紧急的情况。这些情况能够快速地、意外地发生，并且要求及时的处理和补救措施。虽然这些海上紧急情况可能具有与陆上钻探紧急情况类似的井底原因，但海上作业的管理和控制更为困难和复杂。例如，在海上环境中，一般地更难以将井队人员疏散到离开钻探钻机的位置。另外从环境角度来讲，海上情况比在陆上发生的情况基本上更难以缓和与管理碳氢化合物的意外释放，诸如漏油的情形，或者喷出。在海上环境中，钻探钻机能够从井头背离数万英尺。而且，海上钻探钻机通过立管被固定到钻孔和可能位于钻孔中的任何管状部。这种管状部也可能阻碍、抑制、或者以别的方式阻止井控设备正常工作。这些管状部和立管能够起导管作用，使得危险的碳氢化合物及其他材料进入钻机的正中心并且将钻机及其人员暴露于极度的危险。
[0025]由此，存在对于能够迅速地且可靠地解决、辅助危险且紧急的海洋钻探情况的管理和缓和的系统的需求。随着海洋钻探活动已经向越来越深的水域的转移，这一需求变得越来越重要。一般而言，本领域尝试通过依赖于更重和更大件的设备来解决该需求；实质上是通过可描述为蛮干的手段来尝试满足这一需求。然而，这种蛮干法并未满足这一长期存在的且重要的需求。
[0026]大功率激光束输送
[0027]在发明人Dr.Mark Zediker和与其一起工作的人员在Foro Energy, Inc.,Littleton CO的近期重要成就之前，人们认为大功率激光能在大距离上的无显著功率损失的传输是不可获得的。他们关于大功率激光能、具体地大于大约5kW的能级的大功率激光能的传输的重要成就部分地在如下文献包含的新颖且创造性的教导中提出:美国专利申请公布2010/0044106和2010/0215326，以及2010年7月21日提交的Rinzler等人的、标题为《大距离激光能传输的光纤构造(Optical Fiber Configurations for transmission ofLaser Energy Over Great Distances)》的待决美国专利申请12/840，978。这三个美国专利申请的公开在其引用或涉及大功率激光能的传输和用于完成该传输的激光器、光纤和电缆结构的程度上通过引用被合并入本文。注意到，通过引用合并入本文并不提供实践或使用这些申请的发明或从这些申请颁发的任何专利的权力，并且也并不授予或者产生据此的任何许可。
【发明内容】
[0028]在近海钻井作业中，长期以一直希望能够迅速地并且以受控方式切入或者削弱从海上钻探钻机伸出到或伸入钻孔的管状部，以帮助控制和管理在深海钻探活动期间出现的紧急情况。本发明尤其通过提供本文教导的制造、装置和过程的章节解决了这一需求。
[0029]由此，本文提供了一种激光立管和防喷器系统，该激光立管和防喷器系统用于海上钻探钻机以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统具有:大功率激光器；与大功率激光器光学地关联的大功率束开关；立管；防喷器；与大功率束开关光学地关联的第一激光切断机和第二激光切断机；其中第一激光切断机定位在立管附近，据此第一激光切断机能够将第一大功率激光束指向立管的部件；其中第二激光切断机定位在防喷器中，据此第二激光切断机能够将第二大功率激光束指向防喷器内的管状部；和与激光器、束开关和防喷器进行数据和控制通信的控制网络，其中该控制网络允许激光器的激发和防喷器的致动。
[0030]此外，提供了一种系统，其中控制网络具有可编程序逻辑控制器；其中控制网络具有用户界面；其中控制网络包括存储器件，该存储器件具有用于执行第一激光切断机和第二激光切断机的预定激发序列和防喷器的致动的系列指令；其中控制网络包括多个控制器；其中大功率激光器具有至少大约IOkW的功率；其中所述大功率激光器具有至少大约20kff的功率；或者其中大功率激光器具有至少大约40kW的功率。
[0031]而且,提供了具有多个大功率激光器的系统；其中在任何给定时间，多个大功率激光器中的仅一个大功率激光器处于工作状态；或者具有第三激光切断机，其中第二或者第三激光切断机中的一个与防喷器的上部关联，并且第二或者第三激光切断机中的另一个与防喷器的下部关联。
[0032]此外，提供了一种激光立管和防喷器系统，该激光立管和防喷器系统用于海上钻探钻机以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统具有:第一大功率激光器和第二大功率激光器；立管；防喷器；第一激光切断机和第二激光切断机，第一激光切断机与第一大功率激光器光学地关联并且第二光学切断机与第二大功率激光器光学地关联；并且，其中第一激光切断机与立管关联，其中第二激光切断机与防喷器关联。
[0033]此外，提供了一种激光立管和防喷器系统，该激光立管和防喷器系统用于海上钻探钻机以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统具有:大功率激光器；大功率束开关，其与大功率激光器光学地且控制地关联；具有第一激光切断机的立管，据此第一激光切断机能够将第一大功率激光束指向立管的部件；包括第二激光切断机的防喷器，据此第二激光切断机能够将第二大功率激光束指向防喷器内的管状部；并且，第一和第二激光切断机与大功率激光器光学地关联。
[0034]再另外，提供了一种具有激光立管和防喷器系统的海上钻探钻机，该激光立管和防喷器系统用以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统具有:与大功率束开关光学地关联的大功率激光器；包括多个立管节的立管，其中所述多个立管节构造用于从海上钻探钻机降低到在海底处或附近的深度并且可操作地连接到述海上钻探钻机；防喷器，其构造用于可操作地连接到立管并且由立管从海上钻探钻机降低到海底；和所述多个立管节中的一个包括第一激光切断机，第一激光切断机用于发出第一激光束限定第一束路径，其中第一束路径被指向立管节；防喷器包括第二激光切断机，所述第二激光切断机用于发出第二激光束限定第二束路径，其中所述第二束路径被指向所述防喷器限定的空腔；和控制系统；其中，当立管和防喷器被部署并且可操作地联接海上钻探钻机和海底中的钻孔，控制系统构造成控制第一和第二激光切断机的激发。再另外，这一系统能够构造成控制防喷器的致动。
[0035]另外，提供了通过使用激光立管和防喷器系统连同海上钻探钻机对水下油井执行钻孔、修井、调停、完井或者维修的方法，用以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述方法包括:使用包括多个立管节的立管将防喷器从海上钻探钻机、船舶或者平台降低到海底；其中防喷器包括:防喷器限定的防喷器空腔；和用于发出限定第一束路径的第一激光束的第一激光切断机，其中第一束路径被指向防喷器空腔；其中立管包括:立管限定的立管空腔；和用于发出限定第二束路径的第二激光束的第二激光切断机，其中第二束路径被指向立管的部件；将大功率激光器可操作地连接到控制系统中；将防喷器固定到钻孔，据此钻孔空腔和立管空腔流体连通并且机构连通；并且通过将结构从海上钻探钻机向下通过立管空腔、防喷器空腔并且降低到钻孔中，对钻孔执行操作；并且其中控制系统构造成激发大功率激光器。另外，所述结构可以选自由管状部、钢缆、盘管和钢丝构成的组。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1和IA是本发明的系统的实施方式的透视图；
[0037]图2是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的实施方式的局部剖切横截面图。
[0038]图3A是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的局部剖切横截面图。
[0039]图3B是图3A的激光剪切式闸板组件的一部分的详细横截面图。
[0040]图4A、4B、4C和4D是图3A的激光剪切式闸板组件的实施方式的横向横截面图。
[0041]图5是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的横向横截面图。
[0042]图6是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的横向横截面图。
[0043]图7是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的局部剖切横截面图。
[0044]图8是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的局部剖切横截面图。
[0045]图9是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光剪切式闸板组件的另一实施方式的局部剖切横截面图。
[0046]图10A、10B和IOC是与图1和IA的系统一起使用的本发明的具有激光切断机的激光剪切式闸板的实施方式的部段的图。[0047]图1lAUlB和IlC是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的具有激光切断机的激光剪切式闸板的另一实施方式的部段的图。
[0048]图12A、12B和12C是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的具有激光切断机的激光剪切式闸板的另一实施方式的部段的图。
[0049]图13A、13B和13C是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的具有激光切断机的激光剪切式闸板的另一实施方式的部段的图。
[0050]图14是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的具有激光切断机的一对对置激光剪切式闸板的实施方式的示意性平面图。
[0051]图15是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的闸板之一中的具有激光切断机的一对对置激光剪切式闸板的另一实施方式的示意性平面图。
[0052]图16是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光辅助BOP堆叠的实施方式的示意图。
[0053]图17是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光辅助BOP堆叠的另一实施方式的示意图。
[0054]图18是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光辅助BOP堆叠的另一实施方式的图解。
[0055]图19是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的剪切式激光器模块(“SLM”)的实施方式的部段的局部剖切横截面图。
[0056]图20是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的SLM的另一实施方式的部段的局部剖切横截面图。
[0057]图21是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的SLM的另一实施方式的部段的局部剖切横截面图。
[0058]图21A、21B和21C是沿着线B-B截取的图21中的SLM的横向横截面图。
[0059]图22、22A和22B是本发明的激光束路径的示意图。
[0060]图23A是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光器模块和立管节的实施方式的局部剖面图。
[0061]图23B是图23A中的激光器模块和立管节的横向横截面图。
[0062]图23C是图23A的部段C的放大图。
[0063]图24A是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光器模块和立管节的另一实施方式的局部剖面图。
[0064]图24B是图24A中的激光器模块和立管节的横向横截面图。
[0065]图25A是与图1和IA中的系统一起使用的本发明的激光立管节的实施方式的透视图。
[0066]图25B是图25A中的激光立管节的横向横截面图。
【具体实施方式】
[0067]总体上，本发明涉及能够输送受控的、精确的并且预定的激光能以解决在海洋钻探活动期间的危险且紧急情况的多个激光束输送系统。由此，举例来说，图1示出了具有激光束输送系统的海上钻探钻机的实施方式。在该实施方式中，提供动态定位(DP)的钻探船100，钻探船100具有钻台101、位于钻台之上的井架102和位于钻台101下方的船阱103(见图中的剖切部，示出了钻探船100的内部)以及海洋钻探领域已知但中图未出的其它钻探及钻探配套设备和装置。钻探船包括立管104和BOP堆叠105。虽然本实施方式中示出了钻探船，也可以利用任何其它类型的海上钻探钻机、船舶或者平台，包括FPSOs或者GGSOs。
[0068]立管104被部署并且将钻探船100与延伸到海底123以下的钻孔124相连。立管104的上部，即立管部署时距离水面125最近的部分通过与张拉环127附连的拉紧器126被连接到钻探船100。立管104的上部部段可以具有转向器128和与立管共同使用和布置的且对于海洋钻探领域中的技术人员熟知的其它部件(图中未示出)。
[0069]立管104从钻探船100的船阱103延伸并且连接到BOP堆叠105。立管104由通过立管联轴器、例如立管联轴器106、108、110连接在一起的立管节、例如立管节107、109组成，并且被通过钻探船100的船阱103降低。由此，立管104也可称为立管柱。立管104的下部，即立管部署时距离海底最近的部分经由立管-BOP连接器115被连接到BOP堆叠105。立管-BOP连接器115与挠性接头116关联，挠性接头116也可称为挠曲连接或者球窝接头。挠性接头116旨在允许钻探船100从未位于激光辅助BOP堆叠105正上方的位置移动；并且由此允许立管104以某一角度进入BOP堆叠105。
[0070]BOP堆叠105的特征在于具有两个部分组件:上部组件117，其可以称为低位海下立管总成(LMRP);和下部组件118，其可以称为低位BOP堆叠或者BOP支座。BOP堆叠105具有井头连接器135，井头连接器135连接到井头136，井头136被附接到钻孔124。BOP堆叠105的LMRPl 17可以具有安放例如环形防喷器的框架。B0P105的下部组件118可以具有安放环形防喷器、激光剪切式闸板组件、剪切式激光器模块(“SLM”)和闸板防喷器的框架。
[0071]在部署期间，BOP堆叠105被附接到立管104，降低到海底123并且被固定到井头136。井头136被定位和固定到已被粘接到钻孔124中的套管(未示出)。从该点继续向前，一般地，钻孔中的所有钻探活动通过立管和BOP进行。这种钻探活动将包括，例如将端部处具有钻头的钻杆的管柱从钻探船100沿着立管104的内腔、通过BOP堆叠105的空腔降低到钻孔124中。由此，钻柱将从水面125上的钻探船100伸展到钻孔底部，可能位于水面125和海底123以下数万英尺。钻头将抵靠钻孔底部旋转，同时钻探泥浆被沿着钻杆内部泵送出钻头。钻探泥浆将载运切屑、例如由旋转的的钻头除去的井眼物质沿着在井壁和钻柱的外径之间的环带向上、继续向上通过在BOP空腔壁和钻柱的外径之间的环带、并且继续向上通过在立管空腔的内径和钻柱的外径之间的环带，直到钻探泥浆和切屑一般地由钟形外壳(未示出)引导到、或者在极端情况下由转向器128引导到钻探船100，用于运送或者处理。由此，钻探泥浆被从钻探船100通过立管中的钻柱泵送到钻孔底部，并且部分地通过立管104和B0P105返回到钻探船。
[0072]立管的各部段典型地沿竖向收纳在海上钻探钻机上。一旦钻探钻机已经到达钻探位置，则立管和BOP总成被部署到海底。一般地，认为可以遵循不同的、改变的并且更详细的步骤，作为部署BOP的第一步骤，BOP堆叠被制备且定位在钻台下方和转台下方。三脚架和万向支架也被关于转台定位。立管的与BOP附连的最下部段被移动到井架中，并且由井架中的起重设备通过三脚架降低并且向下降低到钻台以下，在此被连接到Β0Ρ。立管和BOP然后降低至其中立管节的上联轴器位于钻台之上的高度，在此其能够准备连接到立管的下一部段。三脚架将立管保持在这一位置。一旦已经形成连接，两个部段和BOP则被降低，并且重复这一过程直到足够的部段已被添加并且被降低以允许BOP到达并着陆在(附连到)海底处的井头。
[0073]在这一过程中，激光切断机能够被附连到立管，并且如果它们太大而不能通过三脚架装配，则位于钻台以下，或者如果它们能够通过三脚架装配，则位于钻台以上。此外，在BOP的装配期间，激光切断机能够被附连或被布置在如组装的堆叠中。激光切断机也能够容纳在堆叠中和容纳在立管节中，由此在立管和BOP的部署期间不需要额外的装配时间或者固定切断机的时间。大功率电缆优选地将被附连到立管上的外部机架或者组件并由其保持。优选地，电缆在立管节降低到水中之前被固定到船阱中的立管。以这一方式，随着BOP和立管降低到海底，大功率电缆能够被从卷筒中放出。在每一端上带有大功率激光器联接器的大功率电缆可以在外部安装在每个立管节上，该方式与阻流及压井管线固定到立管节的方式相同。以这一方式，从最上的立管节到激光器的最终光学连接能够在钻台以下并且在立管和BOP已经着陆在井头上之后形成。
[0074]立管具有内腔(图1中未示出)，该内腔与BOP堆叠中的内腔(图1中未示出)流体且机械连通。由此，随着部署，立管104和B0P105提供了空腔或者通道以允许钻探船与钻孔124流体并且机械地连通。BOP堆叠框架保护Β0Ρ，并且可以具有海洋钻探领域已知但图中未示出的升降和操作装置、控制和连接模块、及海底作业中使用的其它设备和装置。堆叠中的内腔从堆叠的顶部(距离水面125最近)穿过到达堆叠的底部(距离海底123最近)。
[0075]在图1所示的示例性实施方式中，立管是21"的立管，并且BOP是183/4" Β0Ρ。术语“21"立管和”18 3/4" BOP能够被认为是一般的，并且涵盖其中大的中心管具有在21"的大体范围内的外径的立管和其中中央空腔或者内径在18 3/4"的大体范围内的BOPs。预期使用更小和更大直径的立管、不同类型和构造的立管、具有更小或更大直径的空腔的BOPs和不同类型和构造的BOPs，并且，本说明书的教导和发明不局限于具体立管或者BOP的大小、类似或构造或受其限制。
[0076]在图1中，立管和BOP总成沿着钻探立管BOP总成的管线配置，其中BOP定位在海底处或附近，典型地被附连到井头，如例如在一些钻井活动中看到的。本发明的现有系统、激光器模块、激光切断机激光器组件和激光器-立管组件可以应用于其它类型的立管、立管-BOP总成和活动。由此，它们具有与钻探、修井、维护、测试、调停和完井活动有关的应用。它们还应用于地表防喷器，例如其中BOP定位在水面以上并且立管从BOP延伸到海底，其中不采用Β0Ρ，钻探在立管中完成，其中立管生产立管，并且应用于本领域已知或者新近开发的其它构造。
[0077]图1中所示的且在图1A中更详细地看到的实施方式中的激光束输送系统具有激光器室140。激光器室140包含40kW光纤激光器141、大功率束开关142、冷却器143和激光系统控制器145，激光系统控制器145具有操作员接口 146。还示出了钻探船100的位于钻台101以下的甲板137和钻探船100的位于甲板137以下的另一甲板138。另外示出了用于钻台101和井架102的支撑139。
[0078]激光系统控制器145\冷却器143\激光器141和束开关142经显示为虚线144的由网络、电缆、光纤或其它类型的工厂、海事或者工业数据和控制信号通信手段通信。如虚线147所示的，控制器145经由网络、电缆、光纤或其它类型的工厂、海事或者工业数据和控制信号通信手段与BOP控制系统和海上钻探钻机中的可能的其它系统(本图中未示出)通信。控制器145与大功率激光器电缆149的第一卷筒、大功率激光器电缆150的第二卷筒和大功率激光器电缆151的第三卷筒连通(如上所述)。大功率激光器光纤152、153、154分别地将束开关142连接到卷筒149、150、151。大功率光纤152、153、154进入卷筒149、150、151，并且被布置成经由光学滑环155、156、157与卷筒149、150、151上的大功率电缆158、159、160光学地且旋转地关联。大功率电缆158、159、160可以由支撑161支撑并且由保持器162保持到立管104。
[0079]虽然图中未示出，电缆158、159、160应该具有适应在BOP和钻台101之间因浮式海洋钻机、诸如钻探船100的竖向运动(起伏)而发生的立管长度的改变的手段。立管长度的改变通过立管-伸缩节(图中未示出)来适应。由此，能够采用额外的电缆长度，并且卷筒可以基于可变的受控驱动，以维持正确的电缆长度和张力。
[0080]大功率电缆158、159、160跟随立管一直到三个激光切断机:第一激光切断机165，其与立管104关联并且被设置成帮助立管的快速断开；第二激光切断机166，其与B0P105的空腔关联并且被设置成帮助BOP空腔内的任意管状部的快速断开；和第三激光切断机167，其被容纳在剪切式闸板内，并且被设置成帮助剪切式闸板迅速地切断位于闸板路径中的任意管状部并且密封BOP钻孔。
[0081]虽然示出了三个激光切断机，但可以采用更多或更少的激光切断机。另外，激光切断机相对于立管-BOP总成部件的位置可以改变，并且还可以依赖立管-BOP总成中采用的具体部件而变化。本系统的优点在于，它的部件能够适合于与具体的BOP或者立管-BOP总成构造相匹配。本发明的另一优点在于，预选的激光器激发和防喷器致动顺序能够适合于与这些构造以及可以使用这些构造的应用相匹配。
[0082]激光器室、例如140可以模块化，亦即，所述室可以是独立性单元，诸如已经装有电气、通信和光学配件的用于发运的容器。在本示例中，另外优选的是容器具有内置在或者以别的方式整合在所述室中的环境控制结构，例如，加热器和空调器。激光器室能够是整合到海上钻探钻机的结构，或者它能够是模块化部件和整体式部件的组合。假如激光器设备和操作员被充分地保护以不受海上环境状况和运行情况影响，并且激光系统易于能够被整合到海上钻探钻机的其它系统中或者与之成一体，则任何的这种结构将是足够的，并且能够采用任何的布置，包括位于从海上钻探钻机分离的单独激光器船上。
[0083]控制器、例如145可以是任何类型的处理器、计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)或者具有存储器和处理器的类似计算装置；可以被、或者被用于工业、海事或者工厂自动化和控制。在该系统中，控制器优选地应该与海上钻探钻机的设备、具体地，BOP控制系统进行数据和控制通信。虽然图中显示为单独的室，但激光系统控制器、例如145能够与BOP控制器或者海上钻探钻机的另一控制器或者控制系统成为一体或者相同。
[0084]激光系统控制器也可以与井底感测和监控设备、钻台感测和监控设备以及泥浆返回感测和监控设备通信、成为一体或者与之关联。以这一方式，激光系统与BOP控制系统和海上钻探钻机上的其它系统成为一体，或者优选地，完全地整合到其中。另外，该控制器可以是包括BOP控制系统、用于井下条件的监视器和传感器、钻探系统控制器和监视器和海上钻探钻机的其它系统的控制网络的一部分。由此，在可能的紧急情况中，或者在现有的紧急情况中，激光切断机和BOP优选地能够被从BOP控制面板、激光器室、钻探操作台或者海上钻探钻机中的其它场所控制。这一全集中控制系统网络还可以具有预定的激光器激发、防喷器致动和压井、节流和升压泵送和控制步骤，所述步骤能够在预定指令被发送到或者进入到网络中被自动地激活和运行。另外，网络在检测到指定组的状态时可以开始预定指令发送，所述预定指令导致预定的激光器点火、防喷器致动、以及切断和节流和次序。
[0085]本发明的激光系统可以利用单个大功率激光器，并且优选地也可以具有两三个大功率激光器，并且可以具有多个大功率激光器，例如六个或更多。大功率固态激光器、具体地半导体激光器和光纤激光器是优选的，因为它们的短的启动时间和基本上即时工作的性能。大功率激光器例如可以是这样的光纤激光器或者半导体激光器:其具有10kW、20kW、50kW或更大的功率，并且发出的激光束的波长优选地在大约1550nm (纳米)或者1083nm的范围内。优选激光器，具体地固态激光器，诸如光纤激光器的示例在美国专利申请公布2010/0044106和2010/0215326以及待决美国专利申请12/840，978中提出。激光器可以位于海上钻探钻机上、位于水面之上、以及经由大功率长距离激光传输电缆光学地连接到立管上的激光器模块，其优先示例在美国专利申请公布2010/0044106和2010/0215326以及待决美国专利申请12/840，978中提出。激光传输电缆可以被容纳在卷筒上，并且随着立管节降低到海底而被退绕并附连到立管节。激光器也可被容纳在BOP框架中或与之关联，并且具有从BOP框架沿着立管向上伸展至位于立管上的激光器模块的光缆。在激光器未位于海上钻探钻机上的情形中，需要额外注意使得这些远程激光器被整合到控制系统或者网络中。由将激光器布置在海底上或者海底附近，存在不需要长距离的大功率光缆以将激光束从水面向上传输到海底的可能性。考虑到其中激光器模块需要操作以及对它们的操作的高可靠性的需求的极端条件，激光器-立管BOP总成的一个这种构造是:使至少一个大功率激光器布置在海上钻探钻机上并且通过大功率传输电缆连接到激光器模块，并且使至少一个激光器位于海底上的BOP框架中或与之关联并且通过大功率传输电缆连接到激光器模块。
[0086]本发明的激光系统中使用的激光切断机可以是用于输送大功率激光能的任何合适装置。由此，能够采用用于使激光束达到高能量并聚焦的任何构造的光学元件。然而，另外的重要性在于流体光学作用的管理，例如海水、来自被切断的节流管线、切断的压井管线或者切断的立管中心管的泥浆或者其它材料、或者来自被切断的液压管线的液压流体，其中被切断的液压管线可以位于束路径内在激光切断机和要切断的物体，诸如管状部、立管、联轴器、中心管、外管、螺柱、螺母或者其它要切断的结构之间。
[0087]这些流体能够包括，例如水、海水、咸水、盐水、钻探泥浆、氮气、惰性气体、柴油、霭、泡沫或者碳氢化合物。在这些钻井泥浆中还会可能存在由于钻孔或者其它井下作业的推进而除去的或者形成的钻孔切屑，例如碎片。会存在两相流体和三相流体，这些流体构成由两种或三种不同类型的材料组成的混合物。这些立管流体能够防碍激光束切断管状部或者要切断的其它结构的能力。当激光束穿过这些流体时，这种流体可能无法传输或者仅可以部分地传输激光束，并且由此防碍或者降低激光束的功率。如果这些流体在流动，则这种流量可以进一步增大它们的不透射性。这些流体的不透射性和部分透射性能够因多种现象而产生，包括但不限于，吸收作用、折射作用和散射。另外，所述不透射性和局部透射性能够是并且可能将是取决于激光束的波长。
[0088]取决于激光切断机、立管以及BOP总成的构造，激光束可能需要穿过大约8"的立管流体。在其它构造中，激光切断机可以定位成接近或者非常接近要切断的结构，并且以保持该接近的方式移动。在这些构造中，激光束在激光切断机和要切断的结构之间的行进距离可以维持在大约2"、小于大约2"、小于大约I"以及小于大约1/2"内，并且维持在小于大约3"至小于大约1/2"、及小于大约2"到小于大约1/2"的范围内。
[0089]具体地，对于其中激光器具有相对长的行进距离，例如大于大约I"或者2"(虽然这一距离可能大体上取决于激光功率、波长以及钻井泥浆类型、以及其它因素)的那些构造和实施方式，有利的是将这种立管流体的不利影响减到最小并且基本上保证或者保证这种流体不会防碍激光束的传输，或者使用足够的激光功率以克服因将激光束传输通过这种流体而可能发生的任何损失。为此，机械系统、压力系统以及喷气式系统可用以降低、最小化或者基本上消除钻井泥浆对于激光束的影响。
[0090]例如，机械装置可用以将要执行激光切断的区域与从隔离区域移除的立管流体隔离开，举例来说通过导入惰性气体或者透光流体诸如油或者柴油机燃油来实现。流体在这一构造中的使用具有附加的优点，即其是基本上不能压缩的。另外，填充有透光流体(气体或者液体)的机械通气管类装置或者管道可以在激光切断机和要切断的结构之间伸展或者以别的方式被布置在位于激光切断机和要切断的结构之间的区域中。以这一方式，激光束通过通气管或者管道传输到所述结构。
[0091]高压气体的射流可以与激光切断机和激光束一起使用。高压气体射流可用以清除激光束的路径、或者部分路径。气体可以是惰性的，或者其可以是空气、氧气或者促进激光切断的其它类型的气体。所需的较小量的氧气以及通过激光-金属-氧气相互作用由管状部的烧割消耗氧气的快速速率不应对钻探钻机、水面设备、员工、或者海底部件引起火灾隐患或者风险。
[0092]氧气、空气的使用，或者具有非常大功率的激光束的使用,例如大于大约lkW，能够在切断区域中生成并保持等离子体泡或者气体泡，这能够部分地或者完全地排出激光束路径中的钻井泥衆。
[0093]具有单个液流的高压激光液体射流可以与激光切断机和激光束一起使用。用于射流的液体对于激光束应该是透射的，或者是至少基本上透射的。在这一类型的射流激光束组合中，激光束可以与射流共轴。然而，这一构造的缺陷和问题在于流体射流并不起波导的作用。该单射流构造的另外的缺陷和问题在于，射流必须提供两种能力:使钻井泥浆离开激光束，以及成为透射光束的介质。
[0094]组合的液体激光器射流可以用作激光切断机。组合的流体射流具有由环形的外射流包围的芯部内射流。激光束由光学器件引导到芯部射流中，并且由作用为波导的芯部射流透射。单个环状喷射流能够包围芯部，或者能够采用多个成组的环状喷射流。照此，组合的流体射流具有芯部射流。这一芯部射流由第一环状喷射流包围。这一第一环状喷射流也能够由第二环状喷射流包围；以及第二环状喷射流能够由第三环状喷射流包围，第三环状喷射流能够由附加的环状喷射流包围。外环状喷射流作用以保护芯部内射流不受存在于激光切断机和要切断的结构之间的环带中的钻井流体的影响。芯部射流以及第一环状喷射流应该由具有不同折射率的流体形成。在其中组合射流仅具有芯部射流和围绕芯部的环状射流的情形中，形成芯部的流体的折射率应该大于形成环状射流的流体的折射率。以这种方法，折射率的差异允许组合的流体射流中的芯部作用为波导，以保持包含在芯部射流中的激光束并且在芯部射流中透射激光束。另外，在这一构造中，激光束并不明显地，即使有的话，离开芯部射流和进入环状射流。[0095]形成组合的流体射流的各种射流的压力和速度能够取决于应用和使用环境而改变。由此，举例来说，压力能够从大约3000ps1、到大约4000ps1、到大约30，000ps1、到优选地大约70，OOOps1、到更大压力的范围内变化。芯部射流和环状射流可以具有相同的压力，或者不同的压力，芯部射流可以具有更高的压力或者环状喷射流可以具有更高的压力。优选地，芯部射流比环状射流的压力高。举例来说，在多射流构造中，芯部射流能够是70，OOOpsi，第二环状射流(定位成与芯部射流和第三环状射流相邻)能够是60，OOOpsi，并且第三环状射流(外射流，其定位成与第二环状射流相邻并且与工作环境介质接触)能够是50, OOOpsi0射流的速度能够相同或不同。由此，芯部的速度能够大于环状射流的速度，环状射流的速度能够大于芯部射流的速度，并且多个环状喷射流的速度能够不同或者相同。芯部射流和环状射流的速度能够选择成使得芯部射流并不接触钻井泥浆，或者这种接触被最小化。射流速度能够从相对慢到非常快的范围内变化，并且优选地从大约lm/s (米/秒)至大约50m/s、到大约200m/s、到大约300m/s和更大的范围内变化,最先形成射流的顺序能够是首先形成芯部射流，之后形成环形圈射流，芯部射流首先跟随环形圈射流，或者芯部射流和环形圈射流同时形成。为最小化或者消除芯部与钻井泥浆的相互作用，环状射流首先被形成，之后形成芯部射流。
[0096]在选择形成射流的流体和确定流体折射率的差异量时，激光束的波长和激光束的功率是应该考虑的因素。由此，例如，对于具有在1080nm (纳米)范围内的波长的大功率激光束，芯部射流能够由具有大约1.53的折射率的油形成，而环状射流能够由具有大约1.33至大约1.525的折射率的油水混合物形成。由此，用于这一构造的芯部射流将相应地具有从大约0.95到大约0.12的NA (数值孔径)。这种组合的流体激光射流的进一步细节、描述和示例列出在Zediker等人的在2010年8月31日提交的、标题为“波导激光器射流和使用方法(Waveguide Laser Jet and Methods of Use)”的临时美国专利申请 61/378，910 中，该申请的整个公开通过引用合并于此。注意到，所述通过引用合并入本文并不提供实践或使用这些申请的发明或从所述申请颁发的任何专利的权力，并且也并不授予或者产生据此的任何许可。
[0097]除使用大功率激光束切断管状部之外，在BOP堆叠中可使用其它形式的定向能量或手段来提供同样效果。这种定向能量装置将包括等离子体切断机、电弧切断机、大功率喷水器和粒子喷水器。然而，这些装置中的每种装置与大功率激光能相比具有缺陷。具体地，大功率激光能具有更大的可控性、可靠性，并且比这些其它装置对于BOP系统部件的损伤基本上可能性更弱。然而，这些其它略不理想的装置的使用在本文中由本发明构思为定向能量装置，来切断BOP空腔内的管状部。
[0098]激光束接触要切断的结构的角度可以由激光切断机内的光学器件确定，或者其可以通过激光切断机本身的角度或者定位来确定。有利于或者基于立管、外部管、联轴器或者其组合的构造的各种角度可被使用。
[0099]本发明的构造中使用的激光切断机的数目能够是单个切断机、两个切断机、三个切断机以及直到并且包括12个或更多个切断机。如上所述，切断机的数目依赖于多个因素，并且对于任何具体的构造和最终用途的最佳切断机数目可以基于最终用途需求和本说明书中提供的公开和教导来确定。切断机另外可以定位成使得它们各自的激光束路径是平行的，或者至少在立管的中心轴线内不相交。[0100][0098]以公布数据为基础，在表1中列出了激光功率、通量和切割速率的示例。
[0101][0099]表格 I
[0102]
【权利要求】
1.一种激光立管和防喷器系统，所述激光立管和防喷器系统用于海上钻探钻机、船舶或者平台以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统包括: a.大功率激光器； b.与所述大功率激光器光学地关联的大功率束开关； c.立管； d.防喷器； e.与所述大功率束开关光学地关联的第一激光切断机和第二激光切断机； f.其中所述第一激光切断机定位成与所述立管相邻， 据此所述第一激光切断机能够将第一大功率激光束指向所述立管的部件； g.其中所述第二激光切断机定位在所述防喷器中，据此所述第二激光切断机能够将第二大功率激光束指向所述防喷器内的管状部；和 h.与所述激光器、所述束开关和所述防喷器进行数据和控制通信的控制网络，其中所述控制网络允许所述激光器的激发和所述防喷器的致动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制网络包括存储器件，所述存储器件包括一系列指令，用于执行所述第一激光切断机和所述第二激光切断机的预定激发序列和所述防喷器的致动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约IOkW的功率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约20kW的功率。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约40kW的功率。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，还包括第二大功率激光器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中在任何给定时间，大功率激光器和所述第二大功率激光器中的仅一个处于工作状态。
8.一种激光立管和防喷器系统，所述激光立管和防喷器系统用以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统包括: a.第一大功率激光器和第二大功率激光器； b.立管； c.防喷器； d.第一激光切断机和第二激光切断机，所述第一激光切断机与所述第一大功率激光器光学地关联，并且第二光学切断机与所述第二大功率激光器光学地关联；并且 e.其中所述第一激光切断机与所述立管关联，其中所述第二激光切断机与所述防喷器关联。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，还包括第三激光切断机，其中所述第二或者第三激光切断机中的一个与所述防喷器的上部关联，并且所述第二或者第三激光切断机中的另一个与所述防喷器的下部关联。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一大功率激光器具有至少大约20kW的功率。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一大功率激光器具有至少大约40kW的功率。
12.一种激光立管和防喷器系统，所述激光立管和防喷器系统用以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统包括: a.大功率激光器； b.与所述大功率激光器光学地关联并且控制关联的大功率束开关； c.包括第一激光切断机的立管，据此所述第一激光切断机能够将第一大功率激光束指向所述立管的部件； d.包括第二激光切断机的防喷器，据此所述第二激光切断机能够将第二大功率激光器指向所述防喷器内的管状部；和 e.所述第一激光切断机和所述第二激光切断机与所述大功率激光器光学地关联。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约IOkW的功率。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约20kW的功率。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述大功率激光器具有至少大约40kW的功率。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，还包括第二大功率激光器。
17.—种海上钻探钻机、船舶或者平台，具有激光立管和防喷器系统以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述激光立管防喷器系统包括: a.与大功率束开关光学地关联的大功率激光器； b.包括多个立管节的立管，其中所述多个立管节构造为用于从所述海上钻探钻机降低到在海底处或附近的深度并且可操作地连接到所述海上钻探钻机； c.防喷器，所述防喷器构造为用于可操作地连接到所述立管并且由所述立管从所述海上钻探钻机降低到海底；并且 d.所述多个立管节中的一个包括第一激光切断机，所述第一激光切断机用于发出限定第一束路径的第一激光束，其中所述第一束路径被指向所述多个立管节中的所述一个； e.所述防喷器包括第二激光切断机，所述第二激光切断机用于发出限定第二束路径的第二激光束，其中所述第二束路径被指向所述防喷器限定的空腔；并且 f.控制系统； g.其中，当所述立管和防喷器被部署并且可操作地联接所述海上钻探钻机和海底中的钻孔，所述控制系统构造成控制所述第一和第二激光切断机的激发。
18.根据权利要求17所述的激光立管和防喷器系统，其中所述控制系统构造成控制所述防喷器的致动。
19.通过使用激光立管和防喷器系统连同海上钻探钻机对水下油井执行钻孔、修井、调停、完井或者维修的方法，用以控制和管理可能的意外事故和紧急情况，所述方法包括: a.使用包括多个立管节的立管将防喷器从海上钻探钻机、船舶或者平台降低到海底； b.其中所述防喷器包括:由所述防喷器限定的防喷器空腔；和第一激光切断机，所述第一激光切断机用于发出限定第一束路径的第一激光束，其中所述第一束路径被指向所述防喷器空腔； c.其中所述立管包括:由所述立管限定的立管空腔；和第二激光切断机，所述第二激光切断机用于发出限定第二束路径的第二激光束，其中第二束路径被指向所述立管的部件； d.将大功率激光器可操作地连接到控制系统； e.将所述防喷器固定到钻孔，据此所述钻孔空腔和所述立管空腔流体连通并且机构连通；并且 f.通过将结构从所述海上钻探钻机向下通过所述立管空腔、所述防喷器空腔并且降低到所述钻孔中，对所述钻孔执行操作；并且 g.其中，所述控制系统构造成激发所述第一和第二激光切断机。
20.根据权 利要求19所述的方法，其中所述结构选自由管状部、钢缆、盘管和钢丝构成的组。
【文档编号】E21B33/038GK103492667SQ201280019934
【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 申请人:福罗能源股份有限公司, 雪佛龙美国股份有限公司