剪切激光器模块及改造和使用的方法
【专利摘要】本发明提供了一种高功率剪切激光器模块，它可以很容易地包括在防喷器组中。剪切激光器模块能够向位于防喷器腔内的管件输送高功率激光能量，切割管件，从而减少管件会抑制防喷器密封井的能力的可能性。
【专利说明】剪切激光器模块及改造和使用的方法
【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。由此，特别地，本发明涉及用于海底防喷器组的新型剪切激光器模块以及用这些剪切激光器模块改造现有的防喷器组的方法，并使用这样的设备来管理并控制海上钻井活动。
[0002]如本文中所使用的，除非另有说明，术语“防喷器”、“B0P”和“B0P组”应赋予其最广泛的可能性含义，并包括:(i )定位在井眼表面例如海底处或附近的设备，其用于容置或管理与井眼相关联的压力或流量；(ii )用于容置或管理位于井眼中的与海底立管相关联的压力或流量的设备；(iii)具有任何数量的闸、阀或弹性封隔器(elastomeric packers)和它们的组合以控制或管理井眼压力或流量的设备；(iv)海底BOP组，该组可以包含例如闸板剪切(ram shears)、半封闸板(pipe rams)、全封闸板(blind rams)和环形防喷器；以及(V)流量和压力管理设备的其它这种类似组合和组件，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，除非另有说明，“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，除非另有说明，术语“海上钻井平台(offshoredrilling 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，除非另有说明，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，除非另有说明，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，并包括将位于水体表面处、水体表面上或水体表面上方的、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、海底上或海底附近的结构、用于诸如钻井、生产、修井、服务、井服务、干预和完井等活动的的任何管件。
[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；指的是单个管段或单根管。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、三个或四个钻杆段。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百个钻杆段。[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，并包括用于或能够用于钻井行业中的钻杆、套管、立管、盘管、复合管、生产油管、真空隔热油管(VIT)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装置、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，除非另有说明，“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，除非另有说明，“很的的距离”意指至少约500m (米)。如本文中所使用的，术语“功率的显著损耗”、“显著的功率损耗”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“显著的功率传递”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已经朝着越来越深的水域前进。如今，深度为5，000ft、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台钻机定级为用于在大于1，OOOft (英尺)的水深中钻井，而在这些钻机中有超过190台钻机定级为用于在大于5，OOOft的水深中钻井，并且在这些钻机中有超过90台钻机定级为用于在10，OOOft的水深中钻井。当在这些深、非常深和超深的深度处钻井时，钻探装备要承受在大洋该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，这些深水钻探装置能够推进可以处于10，000ft、20，000ft、30，OOOft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。为了应对这些力和条件，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，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，以延长井眼的总深度。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，举例来说，海底钻井过程的起始阶段可总体说明如下。一旦钻井装置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置到位。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，延伸的井眼的深度达到约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"套管凝置到位。20"套管具有与之固定的井口。(在其它操作中，可钻制额外的更小直径井眼，并将更小直径的套管插入到该井眼中，其中井口被固定到该更小直径套管。)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连同其它装备和过程一起用于控制并管理井中的压力和流量。一般情况下，BOP是若干机械装置的组，其具有延伸通过这些装置的相连内腔。管件从海上钻井平台沿立管推进，通过BOP腔并进入井眼。例如钻井泥浆和钻出物的返回物从井眼中取出，并通过BOP腔传送向上到立管，而到达海上钻井平台。BOP组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用于或者能够密封腔。当被启动时，该封隔器抵靠密封处于BOP腔中的管件，防止材料流过在管件外直径和BOP腔的壁之间形成的环形空间。BOP组通常还具有半封闸板防喷器，并可具有一个以上的半封闸板防喷器。半封闸板防喷器通常是两个半圆状夹紧装置，其被驱动抵靠位于BOP腔中的管件的外直径。半封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腔壁之间的环形空间。全封闸板防喷器也可包含在BOP组中，当不存在管件时，这些闸板可以密封腔。
[0013]半封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会回流，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，闸板和环形防喷器围绕管件可能不能形成足够强的密封来防止流过管件和BOP腔之间的环形空间。由此，BOP组包括机械剪切闸板组件。(如本文中所使用的，除非另有说明，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腔从而密封BOP腔。这些闸板旨在切穿BOP腔中的、将会潜在地阻碍剪切闸板完全密封BOP腔的任何管件。
[0014]BOP组可以具有许多不同的构造和部件，这取决于在布设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(全封或半封)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组，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5，OOOpsi的额定工作压力；B0P组，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组，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。
[0015]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、杆接头和井下钻具组合。随着管件的强度、厚度和韧性增加，特别是深的、非常深的和超深的水域钻井的管件，对于更强的、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记载于:West Engineering Services公司，“用于美国矿产管理服务的迷你剪切研究(Mini Shear Study for U.S.Minerals ManagementServices)”(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 forU.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 PreventerForces Required)” (2010 年 6 月 6 日，2010 年 8 月 8 日修订)。
[0016]为了试图满足这些正在进行的且日益重要的需求，BOP已经变得更大、更重且更复杂。由此，已经提出了具有两个环形防喷器、两个剪切闸板和六个半封闸板的BOP组。这些BOP可重达数百吨，并高达50英尺高或更高。但是，对于较旧的钻井平台，BOP不断增加的尺寸和重量呈现出显著的问题。许多现有的海上平台不具备甲板空间、起重能力，或者出于其它原因，不具备处置和使用这些更大更复杂的BOP组的能力。
[0017]高功率激光束传送
[0018]在共同
【发明者】Mark Zediker博士和在位于Littleton CO的Foro Energy公司与他共事的同事作出的近期突破之前，有人认为，高功率激光能量在很大的距离传送而没有大幅功率损耗是无法得到的。他们在高功率激光能量传送方面，特别是在大于5kW功率水平，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RinzIer等人的待审美国专利申请序列号12/840,978中。这三个美国专利申请公开的内容，在参考或涉及高功率激光能量传送以及用于实现这种传送的激光器、光纤和线缆结构的程度上，通过引用并入本文。要指出的是，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。
[0019]高功率激光器之于BOP和立管的利用和应用载于美国专利申请序列N0.13/034，175,13/034, 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】
[0020]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予以密封或者以其它方式管理井的压力、流量或两者的B0P。由于管件的坚固性，特别是用于深海钻井的管件的坚固性增加，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。
[0021]由此，本文中提供了一种用于基于陆地操作、基于海上操作或两者的防喷器组，所述防喷器组具有闸板防喷器、环形防喷器和剪切激光器模块。防喷器还可以被构造成使得它的环形防喷器、闸板防喷器和剪切激光器模块具有共同的腔，所述腔具有腔轴线。所述防喷器组的剪切激光器模块还可以具有激光切割机，所述激光切割机具有从所述激光切割机延伸到共同的腔中的射束路径，并在某些情况下所述射束路径相交于所述腔轴线。
[0022]还提供了一种用于防喷器组中的剪切激光器模块，所述模块具有主体，所述主体具有第一连接器和第二连接器，各连接器适于连接到位于防喷器组中的部件，所述主体具有腔，用于使管件、管线结构或两者通过所述腔；以及位于所述主体中的激光切割机，所述激光切割机具有射束路径。以这种方式，所述射束路径可从所述激光切割机行进到所述腔中，并行进到可能位于所述腔中的任何管件。
[0023]更进一步地提出，所述剪切激光器模块和激光切割机可具有与所述腔相邻定位的屏蔽件，所述屏蔽件保护所述激光切割机免受防喷器腔中存在的条件的损坏，所述条件为诸如压力、温度、移动通过所述腔或在所述腔内旋转的管件或管线结构、钻出物、碳氢化合物以及钻井流体，而不会明显地干扰管件和其它结构或材料通过所述腔的运动。
[0024]再进一步地提出，所述闸板防喷器可以是剪切闸板，并且所述防喷器还可以具有第二环形防喷器、第二剪切闸板、第一半封闸板、第二半封闸板和第三半封闸板。
[0025]而且还提出，所述防喷器和激光剪切模块可以具有多个激光切割机，所述多个激光切割机可以包括第一激光切割机和第二激光切割机，其中所述第一激光切割机具有从所述第一激光切割机延伸到所述腔中的第一射束路径，其中所述第二激光切割机具有从所述第二激光切割机延伸到所述腔中的第二射束路径。另外，所述第一射束路径、所述第二射束路径或两个射束路径可以在所述腔内相交，可以指向所述腔轴线，并可以相交于所述腔轴线。此外，所述第一射束路径和第二射束路径可不在所述腔内相交，并且所述第一射束路径和第二射束路径可基本平行，所述第一射束路径和第二射束路径可与所述腔的中心轴线形成正常的角度，所述角度可以与轴线成钝角，可以与轴线成锐角，或者成直角。
[0026]进一步提供一种防喷器，其中存在第二环形防喷器、第二剪切闸板、第一半封闸板、第二半封闸板和第三半封闸板。
[0027]更进一步地提出，所述防喷器或激光剪切模块可具有第一激光切割机和第二激光切割机，所述第一激光切割机和第二激光切割机被构造成在激活时绕防喷器腔旋转，在激活期间至少部分地绕所述腔运行，并可定位在所述腔外侧或与所述腔相邻。
[0028]再进一步地，提供了 一种剪切激光器模块，所述剪切激光器模块具有与激光切割机光学关联的支持电缆以及与所述支持电缆机械关联的馈通组件。所述模块可定级于大于
5,OOOpsi的操作压力、大于10，OOOpsi的操作压力或大于15，OOOpsi的操作压力。
[0029]本发明还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，用于执行海底附近的活动，所述系统具有:立管，所述立管能够操作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激光器模块和闸板防喷器；剪切激光器模块，所述剪切激光器模块包括激光切割机；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传送高功率激光束。
[0030]再进一步地，提供了一种用剪切激光器模块改造现有防喷器(“B0P”)组以制成激光辅助BOP组的方法，所述方法具有以下活动:评估现有的BOP组；确定所述现有的BOP组不满足预期潜在用途的要求；以及通过将剪切激光器模块添加到所述现有BOP组来改造所述现有BOP组；从而改造的BOP组满足预期用途的要求。
[0031]更进一步地，提供了一种制作激光辅助BOP组的方法，其中获得了环形防喷器、闸板防喷器、剪切激光器模块，并且组装BOP组包括所述环形防喷器、所述闸板防喷器和所述剪切激光器模块。
[0032]另外，提供了一种通过使用激光辅助防喷器和立管来钻制海底井的方法，所述方法包括:使用立管将激光辅助防喷器从海上钻井平台(offshore drilling rig)下降到海底，其中所述立管具有内腔，并且其中所述激光辅助防喷器包括具有内腔的剪切激光器模块；将防喷器紧固到位于海底中的井眼，例如通过井口，从而所述井眼、剪切激光器模块腔和立管腔流体和机械连通；并且其中所述剪切激光器模块能够对存在于激光辅助防喷器腔中的管件进行激光切割。
[0033]而且，提供了一种通过使用激光辅助防喷器和立管来钻制海底井的方法，所述方法包括:使用具有内腔的立管将激光辅助防喷器从海上钻井平台下降到海底，所述激光辅助防喷器包括具有内腔的剪切激光器模块；将防喷器紧固到位于井眼上的井口，从而所述井眼、剪切激光器模块腔和立管腔流体和机械连通；以及，通过将管件从所述海上钻井平台下降通过所述立管腔、所述剪切激光器模块腔并进入所述井眼来推进井眼；其中所述剪切激光器模块能够对存在于激光辅助防喷器腔中的任何管件进行激光切割。
[0034]再另外地，提供了一种具有机械阀和激光切割机的海底树(subsea tree )，其中，所述机械阀可以是挡板阀或球阀。所述海底树还可具有:外壁，所述外壁被构造成与BOP腔壁相邻布置；内壁，所述内壁限定海底树内腔；并且所述内壁和外壁在它们之间限定出环形区域；其中所述激光切割机基本上容放在由所述内壁和外壁限定的环形空间内。更进一步地，射束路径可限定在与所述机械阀的区域相邻的区域和激光切割机之间。
[0035]进一步地，提供了一种通过使用高功率激光辅助技术在海底井上进行作业的方法，所述方法包括:将具有内腔的防喷器从海上钻井平台下降到海底；例如通过紧固到圣诞树，或者通过去除圣诞树并紧固到井口，将所述防喷器紧固到位于海底中的井眼，从而所述井眼和所述内腔流体和机械连通；将海底测试树定位在防喷器腔内，所述海底测试树具有内腔并包括激光切割机；以及将管件或管线结构从所述海上钻井平台下降通过所述海底测试树的内腔；其中所述海底测试树能够对存在于所述海底测试树内腔中的任何管件或管线结构进行激光切割。更进一步地，也可以使用具有能够切割海底树的激光剪切机模块的防喷器。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1示出了本发明的激光辅助BOP钻井系统的实施例。
[0037]图2是本领域已知的现有的BOP组的示意图。
[0038]图3是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的改进激光辅助BOP组的第一实施例的示意图。
[0039]图4是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的改进激光辅助BOP组的第二实施例的示意图。
[0040]图5是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的改进激光辅助BOP组的第三实施例的示意图。
[0041]图6是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的激光辅助BOP组的第一实施例的
示意图。
[0042]图7是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的激光辅助BOP组的第二实施例的
示意图。
[0043]图8示出了本发明的激光辅助BOP钻井系统的第二实施例。[0044]图9是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的激光辅助BOP组的第一实施例的
示意图。
[0045]图10是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的剪切激光器模块(“SLM”)的第一实施例的一部分的局部剖切截面视图。
[0046]图10AU0B和IOC是沿图10线B-B截取的图10的SLM的横向剖视图。
[0047]图11是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的SLM的第二实施例的一部分的局部剖切截面视图。
[0048]图12是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的SLM的第三实施例的一部分的局部剖切截面视图。
[0049]图13、图13A和图13B是本发明的激光束路径的示意图。
[0050]图14是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的SLM的第四实施例的横向剖视图。
[0051]图15是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的SLM的第五实施例的横向剖视图。
[0052]图16A是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的SLM的第六实施例的一部分的局部剖切截面视图。
[0053]图16B、16C和16D是沿图16线B-B截取的图16的SLM的横向剖视图。
[0054]图17是用于图1和8的BOP钻井系统的本发明的激光海底测试树的实施例的剖视图。
【具体实施方式】
[0055]一般地，本发明涉及剪切激光器模块，用于具有高功率激光束切割机的BOP组和各BOP组。这些BOP组用于管理井的条件，诸如压力、流量或两者。由此，举例来说，激光辅助海底BOP钻井系统的实施例不意性地不出在图1中。在该钻井系统的本实施例中，提供了动态定位(DP)的钻探船100，其具有钻台129、井架131、月池130 (如图中的剖切部分所看到的，示出了钻探船100的内部)以及用于操作的其它的钻井和钻探支持装备和设备，这些对于海上钻井领域是众所周知的，但在图中未示出。该钻井系统还具有激光辅助海底立管和BOP包(BOP package)150。虽然钻探船在本实施例中示出，但可以利用任何其它类型的海上钻井台、船只或平台。如此图所示，激光辅助海底立管和BOP包150布设成将钻探船100与在海底123下方延伸的井眼124连接。
[0056]激光辅助立管和BOP包150具有立管105和激光辅助BOP组108。立管105的上部，即立管在布设时最接近水面104的部分由附接至张紧环102的张紧器103连接到钻探船100。立管105的上半部分可具有分流器101和其它部件(在该图中未示出)，它们通常被采用并连同立管布设，并为海上钻井领域的技术人员所熟知。
[0057]立管105从钻探船100的月池130延伸，并连接到激光辅助BOP组108。立管105由通过立管联接部例如107连接在一起的立管部分例如106组成，并通过钻探船100的月池130下送。立管105的下部，即立管布设时最接近海底的部分借助立管-BOP连接器111连接到激光辅助BOP组108。立管-BOP连接器111与也可称为柔性连接部或球接头的柔性接头112关联。柔性接头112旨在适应钻探船100离开不位于激光辅助BOP组108正上方的位置的运动；从而适应立管105与激光辅助BOP组108成某一角度。
[0058]激光辅助BOP组的特征可体现为具有两个分组件:上分组件109，其可称为“下海洋立管包(LMRP);以及下分组件110，其可称为下BOP组或BOP自身。在本实施例中，上分组件109具有收容环形防喷器115的框架113。下分组件110具有收容环形防喷器116、剪切激光器模块(“SLM”)117、第一闸板防喷器118、第二闸板防喷器119和第三闸板防喷器120的框架114。如本文中所使用的，除非另有说明，否则术语“闸板防喷器”应赋予其最广泛的定义，并将包括对位于BOP组内的管件实施夹、抓、保持、切割、切断、粉碎或其组合的任何机械设备，诸如剪切闸板、全封闸板、全封剪切闸板、半封闸板、套管剪切闸板以及诸如Hydril公司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 CONTROL QUICK-L0G)以及海德里压力控制岗哨修井(HYDRILPRESSURE CONTROL SENTRY Workover)等闸板防喷器、SHAFFER 闸板防喷器和由 Cameron 公司制造的闸板防喷器。激光辅助BOP组108具有附接至井口 122的井口连接器121，井口122 附接至井眼(borehole) 124。
[0059]立管具有内腔，在图1中未示出，其与激光辅助BOP组中的内腔(在图1中未示出)流体和机械连通。由此，如所布设的那样，激光辅助立管和BOP包150提供了使钻探船100与井眼流体和机械连通的腔或通道。激光辅助BOP组框架113、114保护B0P，并可具有起重及处置设备、控制和连接模块以及在海底作业中使用的其它装备和设备，这些对本领域是已知的，但在图中未示出。组中的内腔从组的顶部(最接近水面104)通向其底部(最接近海底123)。该腔例如可以居于约为183/4"的直径，并具有腔壁。
[0060]通常，在深海钻井操作中，使用21〃立管和183/4〃B0P。术语“21〃立管”是上位的，且涵盖外直径范围大概为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〃或更大。但是，立管和各BOP可以在尺寸、类型和构造上有所变化。立管可以具有范围从约133/8〃至约24〃的外直径。BOP可以具有腔，例如，孔径范围从约41/6〃至263/4"。例如，立管可以是传统的管式立管、柔性管式立管、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。可以构想出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于特定立管或BOP的尺寸、类型或构造。
[0061]在布设期间，激光辅助BOP组108附接至立管105，下送到海底123并紧固到井口122。井口 122定位并固定到已凝成于井眼124中的套管(未示出)。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进行。例如，这样的钻探活动将包括:从钻探船100将在其端部具有钻头的钻杆沿立管105的内腔下送，通过激光辅助BOP组108的腔并进入井眼124中。由此，钻杆将从水面104上的钻探船100延伸到井眼的底部，可能为水面104和海底123以下数万英尺。钻头将钻动井眼底部，同时钻井液沿钻杆的内部泵送并离开钻头。钻井液将向上携带例如由旋转钻头钻取的井眼材料的钻出物，通过位于井眼壁和钻杆外直径之间的环形空间，继续向上通过位于BOP腔壁和钻杆外直径之间的环形空间，并继续向上通过位于立管腔内直径和钻杆外直径之间的环形空间，直到钻井液和钻出物通常由屏蔽套(未示出)或在极端情况下由分流器101引导到钻探船100进行装卸或处理为止。由此，钻井液部分地通过激光辅助立管和BOP包150从钻探船100经由立管中的钻杆泵送到井眼的底部并返回到钻井船。
[0062]现在转到图8，其以示例示出了激光辅助海底BOP钻井系统850的实施例。在本实施例中，提供了一种激光辅助B0P800。激光辅助B0P800具有保护B0P、具有提升和处置设备(未示出)的框架801，控制和连接模块802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B0P800具有环形防喷器803、SLM853、激光剪切闸板组件804、第一半封闸板805和第二半封闸板806。这种防喷器和闸板的组件也可以称为激光辅助BOP组。所述组具有从其顶部825 (与水面824最近)到其底部826 (与海底808最近)贯穿它的腔或通路823。该通路823的直径例如可以约为183/4"。通路823具有通路或腔壁827。
[0063]激光辅助B0P800的顶部825由柔性接头815紧固到立管816。也可以被称为柔性连接器或球窝接头的柔性接头815允许立管816相对于激光辅助B0P800呈一角度，并由此适应立管816和在水面824上的钻探装置818的一些移动。立管816由立管张紧器817和海上钻井领域技术人员已知的、但在该图中未示出的其它装备连接到钻探装置。钻探装置818，在本示例中示出为半潜式的，但也可以是用于在水中或水上钻井的任何类型的平台或设备，具有月池819、钻台820、井架821以及用于操作的其它钻井及钻井支撑装备和设备，这些是海上钻井领域已知的，但在图中未示出。
[0064]如图8所示，在布设时，激光辅助B0P800附接至立管816，下降到海底808并紧固到井口 807。井口 807定位并固定到套管814，套管814已经通过水泥812凝成于井眼812和较大直径套管811中。较大直径套管811通过水泥810凝成于较大直径井眼809中。由此，举例来说，套管814可以是20〃套管，而井眼812可以是26〃直径的井眼；套管811可以是30〃套管，而井眼809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来进行。
[0065]在图1和8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海底，通常附接至井口，如钻探活动中所见。本发明的所述激光模块、激光切割机、激光组件和激光-BOP组件可应用到无论陆上还是海上的其它类型的立管、立管-BOP包和钻探活动。由此，它们的应用涉及钻井、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，以及其它本领域已知的结构或以后研发的结构。
[0066]在图2中，示出了先前存在的BOP组的示例。由此，示出了 BOP组200，从顶部219到底部220具有:具有连接器202、203的柔性接头201 ;具有连接器205、206的环形防喷器204 ;具有连接器208、209的剪切闸板207 ;具有连接器211、212的间隔器210 ;以及具有连接器215、216的半封闸板213和半封闸板214。各连接器例如202可以是海上钻井领域技术人员已知或使用的任何类型的连接器，如具有螺栓的凸缘，其满足BOP的压力要求。BOP组200中的每个部件例如剪切闸板207具有内腔或孔，其具有壁，当组装成BOP组时，形成具有壁218的内腔217 (如图中虚线)。
[0067]如本说明书上面所指出的，旧有的B0P，诸如图2所示现有的BOP组，在切割用于海上钻井的更新更重的管件，特别是用于深水、非常深水和超深水钻井的管件时，面临越来越困难的时刻。这些缺点可以通过用本发明的剪切激光器模块改造这些BOP加以克服。剪切激光器模块可以插入到现有的BOP组中。这些模块有能力向BOP组中的管件输送高功率激光能量，迅速切断管件。剪切激光器模块可构造成使得它们具有比半封闸板或剪切闸板更短的，且优选地显著短的高度(从顶部到底部的距离)。由此，通过向BOP组添加激光剪切模块，所述组的总体高度(从顶部到底部的距离)将不会显著增加。相比于向所述组添加另外的剪切闸板，具有激光剪切模块的BOP组的组高也将显著缩短。剪切激光器模块也可构造成比剪切闸板更轻，且优选地显著轻。由此，向所述组添加剪切激光器模块对组的总重量影响很小；而且，相比于向所述组添加另外的剪切闸板，对组的总重量的影响显著小。从剪切激光器模块输送的高功率激光能量将有能力以等于剪切闸板的可靠性和速率或者以比剪切闸板更好的可靠性和速率来切割以及切断在BOP中发现的管件。
[0068]转到图3，提供了改进的BOP组的示例。在图3中，通过在所述组的现有部件中的两个之间添加剪切激光器模块，已经对图2中的现有BOP组进行改造(来自图2的现有部件在图3中具有相同的标号)。由此，在图3中，提供了改型的激光辅助BOP组300，具有带有连接器302、303的剪切激光器模块301，并具有激光输送组件309(其包含在模块内，由此以虚线示出)。剪切激光器模块已经插入在现有的柔性接头201和现有的环形防喷器204之间并连接到现有的柔性接头201和现有的环形防喷器204。剪切激光器模块连接器302用以与柔性接头连接器203配接，并紧固到或被紧固到柔性接头连接器203 ;而剪切激光器模块连接器303用以与环形防喷器连接器205配接，并紧固到或被紧固到环形防喷器连接器205。
[0069]转到图4，提供了改型的BOP组的示例。在图4中，通过在所述组的现有的部件中的两个之间添加剪切激光器模块，使图2中的现有BOP组完成改型(来自图2的现有的部件在图4中具有相同的标号)。由此，在图4中，提供了改型激光辅助BOP组400，具有带有连接器402、403的剪切激光器模块401，并具有激光输送组件409 (其包含在模块内，由此以虚线示出)。剪切激光器模块已经插入到现有的环形防喷器204和现有的剪切闸板207之间并与二者连接。剪切激光器模块连接器402用以与环形防喷器连接器206配接，并紧固到环形防喷器连接器206 ;而剪切激光器模块连接器403用以与剪切闸板连接器208配接，并紧固到剪切闸板连接器208。
[0070]转到图5，提供了改型BOP组的示例。在图5中，通过在所述组的现有的部件中的两个之间添加剪切激光器模块，使图2中的现有的BOP组完成改型(来自图2的现有的部件在图4中具有相同的标号)。由此，在图5中，提供了改型激光辅助BOP组500，具有带有连接器502、503的剪切激光器模块501，并具有激光输送组件509 (其包含在模块内，由此以虚线示出)。剪切激光器模块已经插入到现有的剪切闸板207与现有的间隔器210和半封闸板213之间并与它们连接(间隔器210留存在改型的组500中。它在高度受限的情况下可以去除，并且它的去除连同剪切激光器模块的添加将不会对操作另外产生不利影响)。剪切激光器模块连接器502用以与剪切闸板连接器209配接，并紧固到剪切闸板连接器209 ；而剪切激光器模块连接器503用以与间隔器连接器211配接，并紧固到间隔器连接器211。
[0071]除了改型BOP组的前述示例之外，构想了其它的构造和布置。例如，现有的闸板剪切可用剪切激光器模块或多个剪切激光器模块替换，可添加剪切闸板和剪切激光器模块的组合，可添加剪切激光器闸板组件，可添加多个激光器模块，并且前述的各种组合可作为改进过程的一部分进行，以得到改型激光辅助BOP组。另外，更大的和更新的BOP组也可通过把剪切激光器模块添加到组部件中而获取益处。
[0072]但是，本说明书不限于现有的BOP的改型。本说明书还构想了激光辅助BOP组，而不论是由新的、翻新的或是现有的部件或材料构成。
[0073]转到图6，示出了激光辅助BOP组的实施例的示例。由此，示出了激光辅助BOP组600，其从顶部619到底部620具有:具有连接器602、603的柔性接头601 ;具有连接器605、606的环形防喷器604 ;具有连接器608、609的剪切闸板607 ;具有连接器622、623的剪切激光器组件621 (具有以虚线示出的激光输送组件624)以及具有连接器615、616的半封闸板613和半封闸板614。各连接器例如602可以是海上钻井领域技术人员已知或使用的任何类型的连接器，如带有螺栓的凸缘，其满足针对BOP的压力要求。在BOP组600中，每个部件例如剪切闸板607都具有内腔或孔，其具有壁，当组装成BOP组时形成具有壁618的内腔617 (在图中以虚线示出)。
[0074]在图7中，示出了激光辅助BOP组的示例。由此，示出了激光辅助BOP组700，其从顶部719到底部720具有:具有连接器702、703的柔性接头701 ;具有连接器705、706的环形防喷器704 ;具有连接器722、723的剪切激光器组件721 (具有以虚线示出的激光输送组件724);具有连接器708、709的剪切闸板707 ;具有连接器711、712的间隔器710 ;以及具有连接器715、716的半封闸板713、714。各连接器例如702可以是海上钻井领域技术人员已知或使用的任何类型的连接器，如用带有螺栓的凸缘，其满足针对BOP的压力要求。在BOP组700中，每个部件例如剪切闸板707都具有内腔或孔，其具有壁，当组装成BOP组时形成具有壁718的内腔717 (在图中以虚线示出)。
[0075]在图9中，示出了用于10，000英尺及以上的超深水操作的激光辅助BOP组的示例，但是该组在较浅的深度也可操作和使用。从组的顶部901到组的底部916罗列各部件，激光辅助BOP组900具有柔性接头903、环形防喷器904、剪切激光器模块905、环形防喷器906、剪切激光器模块907、剪切闸板908、剪切闸板909、剪切激光器模块910、间隔器911、半封闸板912、913和半封闸板914、915。这些部件各具有孔，并在组装在组中时，所述孔形成从所述组的顶部901延伸到底部916的腔(在此图中未示出)。剪切激光器模块具有激光输送组件(在此图中未示出)。各部件用任何类型的连接器连接在一起，所述连接器适于海上钻井并要满足海上钻井的要求，对本示例特别是要满足超深水海上钻井的要求。
[0076]本发明的激光辅助BOP组可用于控制并管理井中的压力和流量两者；而且可用于管理并控制紧急情况，诸如潜在的井喷。除剪切激光器模块之外，激光辅助BOP组可具有环形防喷器。环形防喷器可具有膨胀式封隔器(expandable packer)，其对BOP腔中的管件进行密封，防止材料流过在管件外直径和激光辅助BOP的内腔壁之间形成的环形空间。除了剪切激光器模块之外，激光辅助BOP组可具有闸板防喷器。闸板防喷器可以是例如:半封闸板，可具有两个半圆状夹紧装置，被驱动抵靠于BOP腔中的管件的外直径；全封闸板，当不存在管件时可以密封所述腔；或者它们可以是剪切闸板，可以切割管件并密封BOP腔；或者它们可以是激光剪切闸板组件。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，包括可能存在于BOP中的钻铤、管接头和井底钻具组合，其公开于2011年2月24日提交的美国专利申请序列号N0.13/034，175中。
[0077]激光辅助海底BOP钻井系统，特别是剪切激光器模块可利用单个高功率激光器，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。优选地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。高功率激光器例如可以是具有10kW、20kW、50kW或以上功率的光纤激光器或半导体激光器，其发射波长优选地处于大约1550nm (纳米)或1083nm范围的的激光束。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。激光器或多个激光器可设置在海上钻探装置上，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海底上的BOP，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卷筒中，当它们下送到海底时被解绕并附接至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。鉴于剪切激光器模块和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探装置上的高功率激光器并由高功率传送电缆连接到BOP ;以及具有至少一个位于海底上的BOP框架中或与之关联的激光器。
[0078]转到图11，示出了可用于激光辅助BOP组中的剪切激光器模块(“SLM”)的实施例的示例。SLM1100具有主体1101。主体1101具有第一连接器1105和第二连接器1106。内腔1104具有内腔壁1141。还提供了激光输送组件1109。激光输送组件1109位于主体1101中。激光输送组件1109可以是例如围绕或部分地围绕内腔1104的环形组件。该组件1109与至少一个高功率激光源光学关联。
[0079]转到图12，示出了可用于激光辅助BOP组中的剪切激光器模块(“SLM”)的实施例的示例。SLM1200具有主体1201。主体1201具有第一连接器1205和第二连接器1206。内腔1204具有内腔壁1241。还提供了激光输送组件1209。激光输送组件1209位于主体1201中。激光输送组件1209可以是例如围绕或部分地围绕内腔1204的环形组件。该组件1209与至少一个高功率激光源光学关联。SLM还具有馈通组件(feed-through assembly) 1113和导管1138，以传送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0080]图12的实施例还包含用于激光输送组件1209的屏蔽件1214。屏蔽件1214定位在主体1201内，使得其内表面或壁1215与腔壁1241平齐。以这种方式，屏蔽件在腔1204中不会形成任何凸缘或妨碍。屏蔽件可以保护激光输送组件1209免受钻井流体的影响。针对激光输送组件1209，屏蔽件也可管理压力，或有助于压力管理。屏蔽件还可保护激光输送组件1209免受诸如管件1202等管件在它们移动通过而进出腔1204时的影响。屏蔽件可由诸如钢或其它类型金属或其它材料等材料制成，所述材料既要足以强固以保护激光输送组件1209，又要在朝向管件1202发射激光束时由激光束迅速进行切割。屏蔽件还可以从激光束的射束路径去除。在此构造中，在激活激光输送组件1209时，屏蔽件将从射束路径移开。在可去除的屏蔽构造中，屏蔽件不必很容易地由激光束切割。SLM还具有馈通组件1213和导管1238，以传送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0081]在钻井和其它活动期间，管件通常位于BOP内腔内。环形空间形成在管件的外直径和内腔壁之间。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。当管件存在于腔中时，一旦激活SLM，则激光输送组件将高功率激光能量输送到位于腔中的管件。高功率激光能量完全切割管件，允许管件移离或掉离位于所述组中的闸板或环形防喷器，允许BOP迅速密封内部BOP腔，由此密封井，而不会受管件的任何干扰。
[0082]虽然在图11和12的实施例的示例中示出了单个激光输送组件，但也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。相对于管件实现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和切穿管件的能力，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，以协助随后附接打捞工具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段提供了更大的面积，即更大的开口，通过它，钻井液或其它流体可以由与BOP组相关联的压井线泵送到井中。
[0083]SLM的主体可以是加工成容纳激光输送组件的单件，或者它可以由固定在一起的多件制成，固定方式需提供足够强度以满足其拟定用途、且特别是经受住5，OOOps1、10，OOOps1、15，OOOpsi,20, OOOpsi和以上的压力。主体的包含激光输送组件的区域可通过机械加工而成，或以其它方式制造而成以容纳激光输送组件，同时维持强度要求而满足主体的拟定用途。SLM的主体也可以是两个或更多个分离部件或部分，例如，一个部件用于上半部分，一个用于下半部分。这些部件可以通过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光缆传送到主体中并运送到激光输送组件，以及传送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。
[0084]转到图10和图10A-10C，示出了可用于激光辅助BOP组中的SLM的实施例的示例。由此，示出了具有主体1001的SLM1000。主体1001具有两个连接器1006、1005，用于连接到BOP组的其它组件，从而使SLM1000被纳入到BOP组中或成为其一部分。主体具有腔1004，该腔具有中心轴线(虚线)1011和壁1041。BOP腔1004也具有铅直轴线，而在本实施例中，铅直轴线与中心轴线1011相同，这对于BOP是一般情况。(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例如被侧放，则BOP的铅直轴线将不会改变)。通常，腔1011的中心轴线与井口腔或开口的中心轴线同轴，管件通过该井口腔或开口插入到井眼中。
[0085]主体1001包含激光输送组件1009。还示出了位于腔1004中的管件1012。主体1001还具有馈通组件1013，用于管理压力并允许操作激光切割机时可能需要的光纤电缆和其它电缆、管、电线和传送装置插入到主体1001中。馈通组件1013与导管1038连接，以传送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0086]图10A至10C示出了沿图10线B-B截取的图10的实施例的剖视图。图10A至10C还示出了在切割管件1012时SLM1000的操作顺序。在本实施例中，激光输送组件1009具有四个激光切割机1026、1027、1028和1029。柔性支持电缆与每个激光切割机关联。由此，柔性支持电缆1031与激光切割机1026关联，柔性支持电缆1032与激光切割机1027关联，柔性支持电缆1033与激光切割机1028关联，而柔性支持电缆1030与激光切割机1029关联。各柔性支持电缆位于通道1039中，并进入馈通组件1013。在馈通组件1013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1038中，以传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1030、1031、1032和1033具有额外的或另外的长度，其适应激光切割机1026、1027、1028和1029绕轴线1011且绕管件1012的运行。
[0087]图1OA至IOC示出了 SLM1000的激活顺序，以切断管件1012。在该示例中，图1OA中示出了顺序的第一视图(例如，一张快照，因为顺序优选地是连续的而不是交错的或步进的)。激活时，四个激光切割机1026、1027、1028和1029传播(其也可称为射出或发射激光，以从切割机输送或发射激光束)沿射束路径1050、1051、1052和1053行进的激光束。射束路径1050、1051、1052和1053从激光切割机1026、1027、1028和1029朝向中心轴线1011延伸，由此截射管件1012。射束指向中心轴线1011。因此，射束从BOP内、从腔壁1041外侧射出，并沿其各自的射束路径朝向BOP的中心轴线行进。激光束撞击管件1012并开始切害I]，即从管件1012去除材料。
[0088]如果将腔1004视为时钟面，则激光切割机1026、1027、1028和1029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1011和管件1012运行。(在此构造中，激光切割机在它们运行时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，则它们也将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。
[0089]由此，如顺序的下一视图图1OB所看到的，激光切割机1026、1027、1028和1029已旋转45度，沿射束路径1050、1051、1052和1053行进的激光束已切穿管件1012圆周的四个1/8部分(S卩，总共一半)。然后，图1OC示出切割机已移动通过四分之一圈。由此，切割机1026可以视为已经从12点钟位置移动至9点钟位置，其中其它切割机类似地已改变了它们各自的钟面位置。由此，通过移动通过四分之一圈，射束路径1050、1051、1052和1053已经越过管件1012的整个圆周，并且沿这些射束路径行进的激光束将切断管件。
[0090]在切割操作期间，特别是针对旨在切断管件的圆形切口，优选的是，管件不在铅直方向上移动。由此，在激光切割机发射之时或之前，半封闸板、环形防喷器或单独的保持设备应被驱动，以防止在激光切割操作期间管的铅直移动。单独的保持设备也可以包含在SLM中。
[0091]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，以确保可以完成预期的切割。
[0092]除了轨道运行的切割机，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的区域扫描，而切割机或至少切割机的基座保持处于固定位置。激光束的这种扫描可以例如通过围绕固定点来回移动切割机一例如像摆动风扇的运动那样一来实现。这也可通过使包含在切割机内的、例如激光扫描仪的光学器件扫描射束路径并因此使激光束呈扇状图案来实现。例如，旋转的多面镜或棱镜可以用作扫描仪。但是，应当指出的是，较之本说明书中提供的其它切割方法，该扫描过程总体上可能效率较低。用于射束路径和激光束的另外扫描模式也可采用，以实现或解决特定的切割应用或在BOP腔中的管件构造。
[0093]激光切割机的轨道运动或其它运动，可以通过本领域所知的机械、液压和电气-机械系统来实现。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，该控制器可以用以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来移动切割机实现切割运动或周期。凸轮可以由电动马达、液压马达、液压活塞或与前述器件的组合来驱动，以便在一个动力装置失效的情况下优选地提供备用系统来移动切割机。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。控制系统可集成到诸如步进电机控制组合等切割机动力装置，可以是BOP的一部分，如与其它控制系统包含在BOP上，或者它可位于钻探装置上，或是前述的组合。
[0094]所使用术语“已完成的”切割和类似这样的术语包括:将管件切断成为两段，即一直穿过壁并绕管件整个圆周进行的切割，以及其中从管件去除足够材料以充分地削弱管件从而确保剪切闸板密封接合的切割。取决于SLM、激光辅助BOP组以及BOP预期用途的特定构造，已完成的切割可以是例如:将管件切断成为两个分离的管段；绕管件外部去除一圈材料，从约10%壁厚至约90%壁厚；于壁上形成一定数量的孔，但不贯通管件的壁；完全贯穿管件的壁的一定数量的孔；于壁上形成一定数量的狭缝，但不贯通管件的壁；完全贯穿管件的壁的一定数量的狭缝；本说明书中所公开的射击散布图案形式的材料去除；或者材料去除的其它图案和前述的组合。优选的是，完整的切割在不到一分钟内做出，更优选的是，完整的切口在30秒或更少的时间内做出。
[0095]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割所需的速率，或转动速率是可变的活预定的，以匹配将在特定钻井操作期间存在于BOP中的特定管件或特定类型的管件。
[0096]在旋转激光输送组件中的激光切割机的数量越大，轨道运动的速率可以越慢，以在相同量的时间内完成切割。此外，增加激光切割机的数量减少了完成管件切割的时间，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割或它们的组合。
[0097]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、用于输送高功率激光能量的设备。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，进一步考虑是可位于管件和BOP内腔壁之间的环形空间内的流体和材料的光学影响的管理。
[0098]举例来说，这样的钻井流体可包括水、海水、盐水、盐溶液、钻井液、氮气、惰性气体、柴油、雾、泡沫或烃类。在这些钻井流体中也可能存在有由井眼推进或其它井下操作而取出或造成的井眼钻出物例如碎片。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，由此当激光束穿过它们时干扰或降低激光束的功率。如果这些流体在流动，则这样的流动会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是并将可能是依赖于激光束的波长。
[0099]在183/4〃B0P中，即腔具有的直径约为183/4"，取决于位于腔中的管件的尺寸和激光切割机的构造，激光束需要通过超过6"的钻井流体。在其它构造中，激光切割机会定位得接近或非常接近、邻近待切割管件，并以维持此种接近的方式移动。在这些构造中，激光束行进的激光切割机和待切割管件之间的距离会维持在约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。[0100]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〃(虽然这个距离会或多或少地取决于激光功率、波长和钻井液类型以及其它因素)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；或者使用足够的激光功率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对激光束的影响。
[0101]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，钻井流体举例来说通过注入惰性气体、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附加的优点，它基本上是不可压缩的。而且，填充有透光流体(气体或液体)的机械通气管类(snorkel like)装置或管可延伸在激光切割机和待切割管件之间，或以其它方式布置在激光切割机和待切割管件之间的区域内。以这种方式，激光束通过通气管或管传送到管件。
[0102]高压气体的射流可以与激光切割机和激光束结合使用。高压气体射流可以用来清除用于激光束的路径或部分路径。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由激光-金属-氧气相互作用通过管件燃烧使之消耗的快速消耗速率应当不存在对于钻探装置、表面装备、人员或海底部件的火灾或危险。
[0103]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造成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。
[0104]具有单个液体流的高压激光液体射流可以及结合激光切割机和激光束使用。用于射流的液体对于激光束应当是可透过的或者至少显著可透过的。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，流体射流不用作波导管。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，又要是用于传送射束的介质。
[0105]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，并由用作波导管的芯部射流传送。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。外环形射流用以保护内芯射流免受存在于BOP腔壁和管件之间的环形空间中的钻井流体的影响。芯部射流和第一环形射流应当由具有不同折射率的流体形成。在复合射流只有芯部和围绕该芯部的环形射流的情况下，构成芯部的流体的折射率应当大于构成环形射流的流体的折射率。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，激光束不会明显地(如果有的话)离开芯部射流并进入环形射流。
[0106]构成复合流体射流的各个射流的压力和速度可因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,优选地至约为70，OOOps1、至更大的压力。芯部射流和(各)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。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，OOOpsi，第二环形射流(其定位成与芯部和第三环形射流相邻)可以为60，OOOpsi，而第三(更靠外，定位成与第二环形射流相邻，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，且优选地速度范围从约lm/s (米/秒)至约50m/s、至约200m/s、至约300m/s及更大。射流首先形成的次序可以是:首先芯部射流，随后为环形圈；首先环形圈射流，随后为芯部；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，环形射流首先形成，后随以芯部射流。
[0107]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方面，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)范围的高功率激光束，芯部射流可以由具有约1.53折射率的油形成，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形成。由此，相应地，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。应当指出，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。
[0108]激光切割机具有排出端，激光束从该排出端传播。激光切割机还具有射束路径。射束路径由激光束预期占据、并从激光切割机的排出端延伸至待切割的材料或区域的路径定义。优选地，(各)射束路径可用以在用于剪切闸板的机械力、管件可能受到的张力或两者最大的区域处提供完整切割。以这种方式，减少或消除了不需要材料可能会留在闸板界面中而妨碍或抑制闸板密封的可能性。如本文中所描述的，其它的激光切割机布置、发射顺序、剪切布置或者它们的组合，也针对提供更大的保证使闸板进入密封接合状态这一问题。
[0109]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13中，示出了激光切割机1300的示意图，其中射束路径1301以各种角度离开切割机。当从激光切割机发射或射出时，激光束将沿射束路径行进。射束路径还相对于BOP腔铅直轴线(虚线)1311示出。如图13A和13B的放大视图所看到的，射束路径1301与铅直轴线1311形成的角度，以及从而沿该射束路径行进的激光束与铅直轴线1311形成的角度，可以是锐角1305或相对于轴线2311的离井口连接侧1310最远的部分呈钝角1306。也可以采用正交或90°角。图中所示的BOP井口连接侧1310作为本文所用角度确定的参考点。
[0110]射束路径(沿该射束路径行进的激光束)和BOP铅直轴线之间的角度，基本上对应于射束路径和激光束撞击存在于BOP腔中的管件的角度。但是，优选地使用基于BOP以确定角度的参考点，因为管件可能移位，或者在接头或损坏管件的情况下，呈现的表面具有与BOP腔中心轴线不平行的变化平面。
[0111]由于激光束和BOP铅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如此而使得激光束:从待切割区域的上方行进，这将导致在激光束和BOP铅直轴线之间形成锐角；从与待切割区域相同的高度行进，这将导致在激光束和BOP铅直轴线之间形成90°角；或从待切割区域下方行进，这将导致在激光束和BOP腔铅直轴线之间形成钝角。以这种方式，闸板的形状、闸板的表面、闸板施加的力和有待由激光切割的区域的部位之间的关系可以进行评估和改进以针对特定应用来最优化这些因素的关系。
[0112]预先确定激光束与BOP铅直轴线形成的角度的能力使得可以使切断的管件的端部拥有具体和预定形状。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割区域的下方，则在被切断管件的下段的上端可以切出向外的锥形。如果激光束来自与切割区域的相同的高度，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。
[0113]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，直至包括12个或更多的切割机。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。
[0114]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。
[0115]表1
[0116]
【权利要求】
1.一种防喷器组，包括:闸板防喷器；环形防喷器和剪切激光器模块。
2.如权利要求1所述的防喷器组，其中，所述防喷器是海底防喷器，并且其中所述环形防喷器、闸板防喷器和剪切激光器模块具有共同的腔，所述共同的腔具有腔轴线。
3.如权利要求2所述的防喷器组，其中，所述剪切激光器模块包括激光切割机，所述激光切割机具有从所述激光切割机延伸到所述共同的腔中的射束路径。
4.如权利要求3所述的防喷器组，其中，所述剪切激光器模块包括与所述共同的腔相邻设置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所述共同的腔中存在的条件的影响，而不会明显地干扰管件通过所述共同的腔的运动。
5.如权利要求1所述的防喷器组，其中，所述闸板防喷器是剪切闸板，并且其中所述防喷器组包括:第二环形防喷器、第二剪切闸板、第一半封闸板、第二半封闸板和第三半封闸板。
6.一种用于防喷器组中的剪切激光器模块，所述模块包括: a.主体，所述主体具有第一连接器和第二连接器，所述第一连接器和第二连接器适于连接于位于防喷器组中的部件； b.所述主体具有腔，用于使管件通过；以及 c.位于所述主体中并具有射束路径的激光切割机； d.其中，所述射束路径从所述激光切割机行进到所述腔中，并行进到可能位于所述腔中的任何管件。
7.如权利要求6所述的剪`切激光器模块，其中，包括激光切割机屏蔽件。
8.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，包括第二激光切割机。
9.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，所述激光切割机被构造成在所述主体内绕所述腔运行。
10.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，包括与所述腔相邻设置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钻井流体的影响，而不会明显地干扰管件通过所述腔的运动。
11.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，包括:与所述激光切割机光学关联的支持电缆以及与所述支持电缆机械关联的馈通组件。
12.如权利要求11所述的剪切激光器模块，其中，所述模块定级为大于10，OOOpsi的操作压力。
13.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，包括第二激光切割机，其中所述激光切割机射束路径构成第一射束路径，其中所述第二激光切割机具有从所述第二激光切割机延伸到所述腔中的第二射束路径。
14.如权利要求13所述的剪切激光器模块，其中，所述第一射束路径和第二射束路径在所述腔内相交。
15.如权利要求13所述的剪切激光器模块，其中，所述第一射束路径和第二射束路径指向所述腔轴线。
16.如权利要求13所述的剪切激光器模块，其中，所述腔具有腔轴线，并且所述第一射束路径和第二射束路径相交所述腔轴线。
17.如权利要求13所述的剪切激光器模块，其中，所述第一射束路径和第二射束路径不在所述腔内相交。
18.如权利要求13所述的剪切激光器模块，其中，所述第一射束路径和第二射束路径基本上是平行的。
19.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，所述腔具有腔轴线，并且射束路径与所述轴线形成直角。
20.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，所述腔具有腔轴线，并且射束路径与所述轴线形成钝角。
21.如权利要求6所述的剪切激光器模块，其中，所述腔具有腔轴线，并且射束路径与所述轴线形成锐角。
22.如权利要求10所述的剪切激光器模块，其中，所述激光切割机用以在激活期间至少部分地绕所述腔运行。
23.一种用剪切激光器模块改造现有防喷器(“BOP”)组以制作激光辅助BOP组的方法，所述方法包括: a.评估现有的BOP组； b.确定所述现有BOP组不满足对于预期潜在用途的要求；以及 c.通过将剪切激光器模块添加到所述现有BOP组来改造所述现有BOP组，从而改造的BOP组满足预期用途的要求。
24.一种制作激光辅助防喷器(“B0P”)组的方法，所述方法包括:` a.获得环形防喷器； b.获得闸板防喷器； c.获得剪切激光器模块； d.组装包括所述环形防喷器、所述闸板防喷器和所述剪切激光器模块的BOP组。
25.一种通过使用激光辅助防喷器和立管来钻制海底井的方法，所述方法包括: a.使用立管将激光辅助防喷器从海上钻井平台下降到海底，其中所述立管具有内腔，并且其中所述激光辅助防喷器包括具有内腔的剪切激光器模块； b.将防喷器紧固到位于海底中的井眼，从而所述井眼、剪切激光器模块腔和立管腔处于流体和机械连通；以及 c.其中，所述剪切激光器模块能够对存在于激光辅助防喷器腔中的管件进行激光切割。
26.一种海底树，所述海底树包括:机械阀和激光切割机。
27.如权利要求26所述的海底树，包括: a.外壁，所述外壁用以与防喷器腔壁相邻布置； b.内壁，所述内壁限定海底树内腔；以及 c.所述内壁和外壁在它们之间限定出环形区域； d.其中，所述激光切割机基本上容放在由所述内壁和外壁限定的环形空间内。
28.一种通过使用高功率激光辅助技术在海底井上执行作业的方法，所述方法包括: a.将具有内腔的防喷器从海上钻井平台下降到海底； b.将所述防喷器紧固到位于海底中的井眼，从而所述井眼和所述内腔处于流体和机械连通；C.将海底测试树定位在所述内腔内，所述海底测试树具有内腔并包括激光切割机；以及 d.将管件或管线结构从所述海上钻井平台下降通过所述海底测试树的内腔； e.其中，所述海 底测试树能够对存在于所述海底测试树腔中的任何管件或管线结构进行激光切割。
【文档编号】E21B33/06GK103492669SQ201280020047
【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, C.C.林兹勒 申请人:福罗能源股份有限公司, 雪佛龙美国股份有限公司