激光輔助立管分離和使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率激光-立管防噴器裝置和用于與海底立管一起使用的激光模塊。所述激光模塊和激光-立管裝置使用高功率激光能量以快速地切割立管，所述立管允許海上鉆機快速地并以受控的方式從防噴器分離。
【專利說明】激光輔助立管分離和使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于碳?xì)浠衔锏暮Ｉ峡碧胶蜕a(chǎn)的立管，所述碳?xì)浠衔镏T如石油和天然氣。由此，并且具體地，本發(fā)明涉及新型激光模塊，其用于同立管一起使用以從海上鉆機、海底防噴器中任一個或兩者快速地分離所述立管。
【背景技術(shù)】
[0002]如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“防噴器”、“Β0Ρ”和“Β0Ρ組”被給予它們盡可能廣泛的含義，并且包括:(i)定位在或靠近例如海底的鉆孔表面的設(shè)備，其用于控制或管理與鉆孔關(guān)聯(lián)的壓強或流動；(ii)用于控制或管理在與海底立管關(guān)聯(lián)的鉆孔中的壓強或流動的設(shè)備；(iii)具有任意數(shù)量和組合的門、閥門或彈性封隔器的設(shè)備，其用于控制或管理鉆孔壓強或流動；(iv)海底BOP組，這個組可以包含，例如，閘板剪、管道閘板、全封閘板和環(huán)形防噴器；和，(V)其它這樣類似的流動和壓強管理設(shè)備的組合和裝置以控制鉆孔壓強、流動或兩者，并且特別是，控制或管理緊急流動或壓強的情況。
[0003]如本文所用，除非另有說明，“海上”和“海上鉆探活動”和類似這樣的術(shù)語在它們最廣泛的意義上使用并且能夠包括在任意水體上或在其中的鉆探活動，所述水體無論是淡水或咸水，無論是人造的或自然產(chǎn)生的，諸如例如河流、湖泊、運河、內(nèi)陸海、大洋、海洋、港灣和海灣(bays and gulfs)，諸如墨西哥灣。如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“海上鉆機”被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括固定塔、補給船(tenders)、平臺、駁船、自升式平臺(jack-ups)、浮式平臺、鉆探船、動態(tài)定位鉆探船、半潛式平臺和動態(tài)定位半潛式平臺。如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“海底”被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括在任何水體之下或在其底部的任何地球表面，所述水體無論淡水或咸水，無論人造的或自然產(chǎn)生的。如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“井”和“鉆孔”被給予它們盡可能廣泛的含義并且能夠包括以鉆孔或其他方式進入例如海底或海床的地球表面的任何孔，并且能夠進一步包括勘探、生產(chǎn)、廢棄、再進入、再加工和注入井。如本文所用，術(shù)語“立管”被給予它盡可能廣泛的含義，并且能夠包括連接在水體表面、在其上或在其上方的平臺到在海底、在其上或與其鄰近的結(jié)構(gòu)以施行諸如鉆探、生產(chǎn)、維修、服務(wù)、井服務(wù)、干預(yù)和完成的活動的任何管材，所述平臺包括海上鉆機、浮動產(chǎn)品儲存和卸載(FPSO)船和浮動氣體儲存和卸載(FGSO)船。
[0004]如本文所用，術(shù)語“鉆桿”被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括用于鉆探活動的任何形式的管子，并且指管子的單個段或塊。如本文所用，術(shù)語“鉆桿的立根”、“鉆桿立根”、“管立根”、“立根”和相似類型的術(shù)語被給予它盡可能廣泛的含義并且包括兩個、三個或四個已經(jīng)連接，例如接合在一起的，鉆桿節(jié)，所述連接通常通過具有螺紋連接的接頭。如本文所用，術(shù)語“鉆柱”、“柱”、“鉆桿柱”、“管道柱”和相似類型的術(shù)語被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括立根或連接在一起以使用于鉆孔的多個立根。由此，鉆柱可以包括多個立根和數(shù)百個鉆桿節(jié)。
[0005]如本文所用，術(shù)語“管材”被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括鉆桿、套管、立管、盤管、復(fù)合管、生產(chǎn)管、真空絕緣管(VIT)和用在或能夠用在鉆探工業(yè)的其中具有至少一個通道的任何類似結(jié)構(gòu)。如本文所用，術(shù)語“接頭”被給予它盡可能廣泛的含義并且包括用于連接管材到一起的任何類型的裝置、系統(tǒng)、方法、結(jié)構(gòu)和部件，諸如例如，螺紋管接頭和螺栓凸緣。對于鉆桿接頭，接頭部分通常具有比鉆桿的其他部分更厚的壁。如本文所用，管材壁的厚度是管材內(nèi)徑和管材外徑之間的材料的厚度。
[0006]如本文所用，除非另有說明，“高功率激光能量”指具有至少約IkW (千瓦)的功率的激光束。如本文所用，除非另有說明，“大距離”指至少約500m (米)。如本文所用，術(shù)語“功率的實質(zhì)性損耗”、“實質(zhì)性的功率損耗”和類似這樣的術(shù)語指對選定波長超過3.0dB/km(分貝/千米)的功率損耗。如本文所用，術(shù)語“實質(zhì)性的功率傳遞”指至少約50%的透過率。
[0007]相關(guān)技術(shù)的探討
[0008]深水鉆探
[0009]海上碳?xì)浠衔锟碧胶蜕a(chǎn)一直向著更深、更深的水域移動?，F(xiàn)今在5000ft、
10,OOOft和更大深度的鉆探活動在被計劃和執(zhí)行。例如，已經(jīng)由RIGZONE、www.rigzone.com報道有超過330臺鉆機額定用于在大于600ft (英尺)水深鉆探，并且這些鉆機中有超過190臺鉆機額定用于在大于5000ft水深鉆探，并且這些鉆機中有超過90臺鉆機額定用于10，OOOft水深鉆探。當(dāng)在這些深、非常深、超深的深度鉆探時，鉆探儀器承受在大洋深處的極端條件，包括在海底的巨大壓強和低溫。
[0010]另外，這些深水鉆機能夠推進可以是在海底以下10，000ft、20，000ft、30，OOOft
或更深的鉆孔。因此，鉆探儀器，諸如鉆桿、套管、立管和BOP承受巨大的力和極端條件。為了應(yīng)對這些力和條件，鉆探儀器，例如，立管、鉆桿和鉆柱，被設(shè)計成更強、更堅固、并在可能的情況下更重。此外，用于制造鉆桿和套管的金屬已經(jīng)變得更韌性。
[0011]典型地，并通過一般的示例，在鉆探海底的井中，初始的鉆孔做進海床，然后鉆探隨后的且更小直徑的鉆孔以延伸鉆孔的總深度。由此，隨著整體鉆孔變得更深，它的直徑變得更?。粡亩淇梢栽O(shè)想為孔的可伸縮裝置，所述裝置最大直徑的孔在鉆孔最接近地球表面的頂部。
[0012]由此，通過例子，海底鉆探過程的起始階段可以一般地解釋如下。一旦鉆機定位于鉆探要發(fā)生區(qū)域以上的水表面上，初始鉆孔是通過在海底下面的泥土(the earth)中鉆深度約200-300ft的36"孔而做出的。30"的套管插入這個初始鉆孔。這個30"的套管也可稱為引導(dǎo)管。該30"的引導(dǎo)管可能會或可能不會粘結(jié)到位。在這個鉆探操作過程中，通常不使用立管，而鉆屑從鉆孔中，例如，泥土和其他材料通過鉆探活動從鉆孔中移除，返回到海底。下一步，26"直徑的鉆孔在30"的套管內(nèi)鉆探，延伸鉆孔深度到約1000-1500ft。這個鉆探操作也可以不使用立管而進行。20"的套管然后插入30"的引導(dǎo)管和26"的鉆孔中。這個20"的套管粘結(jié)到位。該20"的套管具有固定到其上的井口。(在其他操作中，可能會鉆探額外更小直徑的鉆孔，有井口固定到其上的更小直徑的套管插入那個鉆孔中。)BOP然后固定到立管并通過立管降到海底；在那里該BOP固定到井口。從此時起向前，一般地，所有鉆孔內(nèi)的鉆探活動通過立管和BOP進行。
[0013]所述BOP，與其他設(shè)備和程序一起，用于控制和管理在井中的壓強和流動。一般地，BOP是幾個機械裝置組，其具有延伸通過這些裝置的連通的內(nèi)腔。BOP可以具有多個腔，例如，孔直徑范圍從約4 1/6"到26 3/4"。管材從海上鉆機沿立管向下，穿過BOP腔并進入鉆孔。返回物，例如鉆漿和鉆屑，從鉆孔移除并穿過BOP腔傳送，沿立管向上，并到海上鉆機。BOP組通常具有環(huán)形防噴器，這是一個可膨脹的封隔器，其作用類似圍繞管材的巨大的括約肌。當(dāng)不存在管材時，一些環(huán)形防噴器也可以用于或能夠密封關(guān)閉所述腔。當(dāng)激活時，這個封隔器抵靠著在BOP腔中的管材密封，防止材料流動穿過形成在管材外徑和BOP腔壁之間的環(huán)隙。所述BOP組還一般具有閘板防噴器。如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“閘板防噴器”被給予其最廣泛的定義并能夠包括任何夾住、抓住、保持、切、割、壓、或其組合在BOP組內(nèi)的管材的機械裝置，諸如剪切閘板、全封閘板、全封剪切閘板、管道閘板、可變閘板、可變管閘板、套管剪切閘板和防噴器諸如海德里公司(Hydril)的海德里壓力控制緊湊閘板、海德里壓力控制常規(guī)閘板、海德里壓力控制快速測井(QUICK-L0G)和海德里壓力控制崗哨維修(SENTRY Workover)、謝弗(SHAFFER)閘板防噴器和由卡梅倫公司(Cameron)制造的閘板防噴器。
[0014]由此，BOP組一般具有管道閘板防噴器并且可能具有多于一個的這些防噴器。管道閘板防噴器典型地是兩個類似半圓形的夾持裝置，其被驅(qū)使抵靠住在BOP腔中的管材外徑。管道閘板防噴器可以被視作夾住管材并密封關(guān)閉在管材與BOP腔壁之間環(huán)隙的兩個巨大的手。全封閘板防噴器也可以包含在BOP組內(nèi)，這些閘板可以在無管材存在時密封所述腔。
[0015]管道閘板防噴器和環(huán)形防噴器典型地僅能夠密封在BOP中的管材與BOP腔之間的環(huán)隙；它們不能密封關(guān)閉管材。由此，在緊急情況中，例如，當(dāng)“沖擊”(“kick”)(進入鉆孔的氣體、液體、或壓強的突然涌入)發(fā)生時，或如果可能的噴出情況出現(xiàn)時，從孔下壓強高的流可以回來通過管材的內(nèi)側(cè)、管材和立管之間的環(huán)隙、并沿立管向上到鉆機。另外，在緊急情況中，管道閘板和環(huán)形防噴器可能不能夠圍繞管材形成足夠強的密封以阻止流通過管材和BOP腔之間的環(huán)隙。由此，BOP組包括機械剪切閘板裝置。機械剪切閘板通常是對緊急情況的最后防線，所述緊急情況例如，沖擊或可能的噴出。(如本文所用，除非另有說明，術(shù)語“剪切閘板”能夠包括全封剪切閘板、剪切密封閘板(shear sealing rams)、剪切密封閘板(shear seal rams)、剪切閘板和其目的是或能夠切割或剪切管材的任意閘板。)機械剪切閘板作用類似巨型閘門閥，其應(yīng)該迅速關(guān)閉整個BOP腔以密封它。它們的目的是切割穿過在BOP腔內(nèi)可能會阻止剪切閘板完全密封BOP腔的任何管材。
[0016]BOP組能夠具有很多不同的構(gòu)造，其取決于在部署和使用期間預(yù)計的條件和危險。這些部件可以包括，例如，環(huán)形類型防噴器、旋轉(zhuǎn)頭、有一套閘板(全封或管道)的單閘板防噴器、具有兩套閘板的雙閘板防噴器、具有三套閘板的三重閘板式防噴器和用于扼流和壓井線(choke and kill lines)的側(cè)出口連接的線軸。這些部件的現(xiàn)有構(gòu)造的例子能夠是:具有7 1/16"孔和從底部到頂部的單閘板、線軸、單閘板、單閘板和環(huán)形防噴器并且具有額定工作壓強5，OOOpsi的BOP組；具有13 5/8"孔和從底部到頂部的線軸、單閘板、單閘板、單閘板和環(huán)形防噴器并且具有額定工作壓強10，OOOpsi的BOP組；和，具有18 3/4"孔和從底部到頂部的單閘板、單閘板、單閘板、單閘板、環(huán)形防噴器和環(huán)形防噴器并且具有額定工作壓強15，OOOpsi的BOP組。
[0017]BOP需要控制出現(xiàn)在井中的壓強，這個壓強能夠高達15，OOOpsi或更大。另外，當(dāng)緊急情況或最好切割BOP中的管材并密封井的其它情況出現(xiàn)時，有對能夠快速地和可靠地切割穿過任何管材和可能出現(xiàn)在BOP中的底部孔裝置的剪切閘板的需要，所述管材包括鉆鋌、管道接頭。隨著管材并且特別是深、非常深和超深水鉆探的管材的強度、厚度和韌性的增加，已有對更強、更有效和更好的剪切閘板的不斷增長的需求。這種對這樣的剪切閘板以及關(guān)于現(xiàn)有機械剪切閘板下面的物理和工程原理的其它信息的長期需求載于:西部工程服務(wù)公司(West Engineering Services, Inc.), “為美國礦產(chǎn)管理局的迷你剪切研究”("Mini Shear Study for U.S.Minerals Management Services")(申請?zhí)?2-1011-1003，2002年12月);西部工程服務(wù)公司，“為美國礦產(chǎn)管理局的剪切閘板能力研究”("Shear RamCapabilities Study for U.S.Minerals Management Services")(申請?zhí)?3-4025-1001，2004年9月)；以及，巴林杰合伙公司(Barringer&Associates Inc.),“剪切閘板防噴器強制需要，，(" Shear Ram Blowout Preventer Forces Required" )(2010 年 6 月 6 日，2010年8月8日修訂)。
[0018]在滿足這些持續(xù)和日益重要的需求的嘗試中，BOP已經(jīng)變得更大、更重和更復(fù)雜。由此，已經(jīng)提出了具有兩個環(huán)形防噴器、兩個剪切閘板和六個管道閘板的BOP組。這些BOP能夠重達數(shù)百噸并且高度為50英尺或更高。但是，BOP的不斷增長的尺寸和重量對舊的鉆機呈現(xiàn)了重大的問題。很多現(xiàn)有的海上鉆機沒有甲板空間、起重能力，或由于其它原因，能力來處理和使用這些更大更復(fù)雜的BOP組。
[0019]如本文所用，術(shù)語“立管”被給予其盡可能廣泛的含義術(shù)語“立管”被給予它盡可能廣泛的含義并且能夠包括連接在水體表面、在其上或在其上方的平臺到在海底、在其上或與其鄰近的結(jié)構(gòu)為了諸如鉆探、生產(chǎn)、維修、服務(wù)、井服務(wù)、干預(yù)和完成的活動的任何管材，所述平臺包括海上鉆機、浮動產(chǎn)品儲存和卸載(FPSO)船和浮動氣體儲存和卸載(FGSO)船。
[0020]能夠包括海洋立管、海底立管和鉆探立管的立管本質(zhì)上是連接海上鉆機、船舶或平臺到鉆孔的大型管材。典型地立管連接到在水位上的鉆機并且連接到在海底的Β0Ρ。立管本質(zhì)上可以被視為是具有內(nèi)部腔的非常大的管道，通過所述內(nèi)部腔鉆井所需要的工具和材料從海上鉆機送下到在海底的鉆孔，而廢棄材料和工具帶出鉆孔并回升到海上鉆機。由此，立管作用類似通過可能數(shù)千英尺的水連接海上鉆機到井眼的臍帶。
[0021]立管能夠在尺寸、類型和構(gòu)造上變化。所有的立管具有中心或中心管，所述管能夠具有范圍從約133/8"到約24"的外徑并且能夠具有從約5/8"到約7/8"或更大的壁厚。立管是分節(jié)的，節(jié)的長度范圍從約49英尺到約82英尺，并且典型地用于超深水應(yīng)用時，立管節(jié)是約75英尺長。由此，為了具有從鉆機延伸到在海底的BOP的立管，立管節(jié)通過鉆機連接到一起并降低到海底。
[0022]每個立管節(jié)的端部具有立管聯(lián)接器，其使得立管節(jié)的大型中心管道能夠連接到一起。術(shù)語“立管聯(lián)接器”被給予其盡可能廣泛的含義并包括使用機械裝置的不同類型的聯(lián)接器，諸如，凸緣、螺栓、夾子、鮑恩(bowen)、潤滑、爪式、鑰匙、螺紋、銷子和其他本領(lǐng)域已知的或以后由本領(lǐng)域開發(fā)的聯(lián)接裝置。由此，通過舉例的方式，立管聯(lián)接器能夠包括凸緣式聯(lián)接器，其使用凸緣和螺栓；爪式聯(lián)接器，其使用在盒子中由致動螺釘驅(qū)使進入接合的爪；和鑰匙式聯(lián)接器，其使用旋轉(zhuǎn)進入鎖定接合的鑰匙機構(gòu)。凸緣式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGrayHMF0爪式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGray MR-1OE0鑰匙式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGrayMR-6H SE。
[0023]每一立管節(jié)還具有關(guān)聯(lián)與大型中心管的外部管道。這些管道附著到大型中心管的外側(cè)，沿著管或立管節(jié)的長度向下，并且具有與立管節(jié)連接器關(guān)聯(lián)的它們自己的連接器。典型地，這些管道能夠包括扼流線、壓井線、助力線、液壓線和可能的其他類型的線路或線纜。所述扼流、壓井、助力和液壓線能夠具有從約3"到6.5"或更大的內(nèi)徑(液壓線可以小到2.5")和從約1/2"到約I"或更大的壁厚。
[0024]可能必須從海上鉆機、船舶或平臺上分離立管的情況會出現(xiàn)。在一些這種情況中，例如，浮動鉆機的駛離(drive-off)，有可能有很少的或沒有時間完全地分離立管。在其它情況中，諸如天氣相關(guān)的情況，一旦獲得了足夠的天氣信息，可能沒有足夠的時間拉出立管串；由此迫使決定可能不必要地拉出立管。由此，并且特別地對深水、非常深水和超深水鉆探，已經(jīng)存在能夠快速地并且以最小損傷地從海上鉆機、BOP或兩者分離立管的需要。
[0025]高功率激光束輸送
[0026]在共同
【發(fā)明者】Dr.Mark Zediker和與他一起在科羅拉多州利特爾頓法羅能源公司(Foro Energy, Inc., Littleton CO)工作的那些人的近期的突破之前，人們相信高功率激光能量遠距離而沒有大量的功率損失的傳輸是不可得到的。他們在高功率激光能量傳輸中的突破，特別是能量水平大于約5kW，部分地闡述于包含在美國專利申請出版物2010/0044106和2010/0215326以及Rinzler等正在申請的美國專利申請序列號12/840，978標(biāo)題為“用于遠距離激光能量傳送的光纖”("Optical Fiber Configurationsfor Transmission of Laser Energy Over Great Distances")(提交于 2010 年 7 月 21日)內(nèi)的新穎和創(chuàng)新的技術(shù)中。這三個美國專利申請的公開，它們提到或涉及高功率激光能量傳送，和用于完成這樣的傳送的激光、光纖和光纜結(jié)構(gòu)的范圍，通過參考合并于此。需注意的是這個通過本文參考的合并沒有提供對這些申請的發(fā)明或由此產(chǎn)生的任何專利的實行或使用的任何權(quán)利，并且沒有授予或產(chǎn)生據(jù)此的任何許可。
[0027]高功率激光對BOP和立管的利用和應(yīng)用記載于美國專利申請序列號13/034，175、13/034, 183和13/034，037，各自提交于2011年2月24日，其每一個的全部公開通過引用
合并于此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]在海上鉆探操作中，長期以來一直希望具有分離立管的能力以給予海上鉆機從鉆井位置離開的能力。除其它事項外，本發(fā)明通過提供本文所教導(dǎo)的制造、設(shè)備和工藝的章程解決了這個需要。
[0029]由此，本文提供了激光-立管防噴器裝置，其用于可操作地可釋放地關(guān)聯(lián)在水體表面上的海上鉆機、船舶或平臺與在水體海底中的鉆孔，所述激光-立管防噴器裝置具有:具有第一端部和第二端部的立管節(jié)，其中第一端部具有第一聯(lián)接器而第二端部具有第二聯(lián)接器；可操作地關(guān)聯(lián)與立管節(jié)的激光模塊；和，構(gòu)造為可操作地關(guān)聯(lián)與立管節(jié)和鉆孔的防噴器；其中，當(dāng)激光-立管防噴器裝置被部署并可操作地關(guān)聯(lián)海上鉆機與在海底中的鉆孔時，激光模塊一發(fā)射激光束就可以在立管節(jié)上的預(yù)定位置完全地切割該立管節(jié)，從而從防噴器上釋放海上鉆機。
[0030]再者，提供了激光-立管防噴器裝置，其中第一聯(lián)接器選自下列組成的組:爪式立管聯(lián)接器、凸緣式立管聯(lián)接器、鑰匙式立管聯(lián)接器、夾式連接器、鮑恩連接器和螺紋連接器。其中第二聯(lián)接器選自下列組成的組:爪式立管聯(lián)接器、凸緣式立管聯(lián)接器、鑰匙式立管聯(lián)接器、夾式連接器、鮑恩連接器和螺紋連接器。其中第二聯(lián)接器是防噴器連接器，或者其中防噴器連接器是液壓的。[0031]另外，提供了激光-立管防噴器裝置，其中激光模塊具有用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，在其中光束路徑朝向第一聯(lián)接器定向，其中激光模塊具有用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，其中所述光束路徑朝向第二聯(lián)接器定向，其中激光模塊具有用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，在其中光束路徑朝向第一聯(lián)接器定向，和/或其中激光模塊具有用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，在其中光束路徑朝向第二聯(lián)接器定向。
[0032]再者，提供了激光-立管防噴器裝置，在其中所述激光模塊相鄰于第一聯(lián)接器、所述激光模塊相鄰于第二聯(lián)接器、或所述激光模塊具有至少兩個激光切割器。
[0033]此外，提供了具有至少10個立管節(jié)的激光-立管防噴器裝置、所述裝置具有至少30個立管節(jié)、所述裝置具有至少60個立管節(jié)所述裝置、或所述裝置具有至少100個立管節(jié)。
[0034]還提供了激光-立管防噴器裝置，其包括立管節(jié)，其中立管節(jié)具有用于聯(lián)接的第一裝置和用于聯(lián)接的第二裝置；用于提供激光束以切割立管節(jié)的部件的裝置；和防噴器。
[0035]更進一步地，提供了激光-立管防噴器裝置，其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于聯(lián)接的第二裝置定向；其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于聯(lián)接的第一裝置定向；或者其中用于提供激光束的裝置可以是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于連接的裝置定向。
[0036]另外，提供了激光-立管防噴器裝置，其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于聯(lián)接的第一裝置定向；其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向第二用于聯(lián)接的裝置定向；其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于連接的第一裝置定向；其中用于提供激光束的裝置是用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑朝向用于連接的第二裝置定向。再者，提供了與海洋立管一起使用的激光模塊，所述激光模塊具有:構(gòu)造用于關(guān)聯(lián)與海洋立管的殼體，所述殼體限定內(nèi)部區(qū)域，由此海洋立管的至少一部分可以包含在該內(nèi)部區(qū)域內(nèi)；殼體具有第一激光切割器和第二激光切割器；所述第一和第二激光切割器是定位于殼體內(nèi)，并且第一和第二激光切割器各自具有激光釋放端；并且光束路徑從激光釋放端延伸到殼體的內(nèi)部區(qū)域。另外，殼體可以是有內(nèi)部區(qū)域的環(huán)形殼體，所述內(nèi)部區(qū)域包括殼體的環(huán)形部分，并且其中海洋立管具有中心管、外部管道和第一聯(lián)接器，并且其中環(huán)形殼體構(gòu)造為容納中心管、外部管道和所述聯(lián)接器。
[0037]另外，提供了快速釋放立管節(jié)，其具有:立管節(jié)，包括具有第一聯(lián)接器的第一端部、具有第二聯(lián)接器的第二端部和中心管；激光切割器；以及，在激光切割器和立管節(jié)之間延伸的激光路徑。
[0038]此外，提供了海上鉆機系統(tǒng)，其包括海上鉆機和快速釋放立管防噴器裝置，所述裝置具有:包括多個立管節(jié)的立管，其中所述多個立管節(jié)構(gòu)造為可操作地連接到海上鉆機并從海上鉆機降低到在或靠近海底的深度；防噴器，其構(gòu)造為可操作地連接到立管并通過立管從海上鉆機降低到海底；以及，具有激光模塊的立管；激光模塊，其包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，其中光束路徑從激光切割器朝向多個立管節(jié)中的一個定向；其中，當(dāng)該裝置被部署并可操作地關(guān)聯(lián)海上鉆機與在海底中的鉆孔時，激光模塊一發(fā)射激光束就可以在預(yù)定的位置上切割多個立管節(jié)中的一個立管節(jié)的至少一部分，從而提供了海上鉆機從防噴器上的快速釋放。
[0039]通過使用與立管節(jié)關(guān)聯(lián)的激光模塊鉆探海底井的方法，所述方法包括:使用包括多個立管節(jié)的立管從海上鉆機降低防噴器到海底，其中所述防噴器包括由該防噴器限定的防噴器腔，立管包括由該立管限定的立管腔；多個立管節(jié)中的一個具有與其關(guān)聯(lián)的激光模塊，其中所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，并且其中光束路徑從激光切割器朝向多個立管節(jié)中一個的部件定向；固定防噴器到限定鉆孔腔的鉆孔，由此，真空腔、防噴器腔和立管腔處于流體和機械聯(lián)通；以及，通過從海上鉆機降低管材向下穿過立管腔、防噴器腔并進入鉆孔而推進鉆孔；由此，鉆探操作通過在緊急情況下具有從激光模塊發(fā)射激光束以完全地切割在光束路徑中多個立管節(jié)的一個的部件的能力而被增強了，從而削弱所述立管并提供海上鉆機從鉆孔的受控分離。
[0040]再者，提供了通過使用與立管節(jié)關(guān)聯(lián)的激光模塊在海底井上進行鉆探、維修、干預(yù)、完成或服務(wù)活動的方法，所述方法包括:定位立管于水體表面和海底之間，所述立管包括由該立管限定的立管腔，其中立管與海底井和海上鉆機、船舶或平臺處于流體聯(lián)通；關(guān)聯(lián)激光模塊與立管，其中所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，并且其中光束路徑從激光切割器朝向立管節(jié)的部件定向；以及，通過推進結(jié)構(gòu)穿過立管腔而在井上進行活動；從而提供從激光模塊發(fā)射激光束以完全地切割在光束路徑中的立管節(jié)的能力，從而削弱了立管并提供了立管的受控分離。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明的激光-立管BOP裝置的實施例的透視圖。
[0042]圖2A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光模塊和立管節(jié)的實施例的部分剖視圖。
[0043]圖2B是圖2A的激光模塊和立管節(jié)的橫截面視圖。
[0044]圖2C是圖2A的C部分的放大視圖。
[0045]圖3A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光模塊和立管節(jié)的第二實施例的部分剖視圖。
[0046]圖3B是圖3A的激光模塊和立管節(jié)的橫截面視圖。
[0047]圖4A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光模塊和立管節(jié)的第三實施例的部分剖視圖。
[0048]圖4B是圖4A的激光模塊和立管節(jié)的橫截面視圖。
[0049]圖5A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光模塊和立管節(jié)的第四實施例的部分剖視圖。
[0050]圖5B是圖5A的激光模塊和立管節(jié)的橫截面視圖。
[0051]圖6A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光模塊和立管節(jié)的第五實施例的部分剖視圖。
[0052]圖6B是圖6A的激光模塊和立管節(jié)的橫截面視圖。
[0053]圖7A是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的本發(fā)明的激光立管節(jié)的實施例的透視圖。[0054]圖7B是圖7A的激光立管節(jié)的橫截面視圖。
[0055]圖8A、8B&8C是本發(fā)明的激光模塊第六實施例的橫截面視圖，其示出了同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的在其運行的階段的所述模塊。
[0056]圖9是同圖1的激光-立管BOP裝置一起使用的定位在立管節(jié)上的本發(fā)明的激光模塊的第七實施例的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0057]一般來說，本發(fā)明涉及諸如用于具有高功率激光束切割器的立管的激光模塊的激光裝置、激光立管節(jié)和利用這樣的模塊和節(jié)的激光-立管BOP裝置。由此，通過例子的方式，具有激光模塊的激光-立管BOP裝置的實施例示意性地示出在圖1中。在這個實施例中，提供了動態(tài)定位(DP)鉆探船100，其具有鉆臺101、在鉆臺以上的井架102和在鉆臺101以下的月池103 (如通過在示出鉆探船100內(nèi)部的圖中的剖面所看到的)以及用于操作的其它鉆探和鉆探支持裝備和設(shè)備，所述裝備和設(shè)備在海上鉆探領(lǐng)域已知，但未在圖中示出。鉆探船包括激光-立管裝置104。雖然在此實施例中示出了鉆探船，任何其它類型的海上鉆機、船舶或者包括FPS0、或GGSO的平臺都可能被利用并由此可以包括激光-立管BOP裝置104。如在此圖中示出的，激光-立管BOP裝置104被部署并連接鉆探船100與在海底123以下延伸的鉆孔124。
[0058]在圖1中，激光-立管BOP裝置構(gòu)造為沿著BOP在或靠近海底的鉆探立管BOP裝置的線路，典型地附著到井口，如在一些鉆探活動中所見到的。本發(fā)明的激光模塊、激光切割機激光裝置和激光-立管裝置具有對其它類型的立管、立管-BOP裝置和活動的應(yīng)用。由此，它們具有涉及到鉆探、維修、服務(wù)、測試、干預(yù)和完成活動的應(yīng)用。它們還具有對表面BOP的應(yīng)用，例如，其中BOP定位于水表面之上并且立管從所述BOP延伸到海底、其中BOP未被使用、其中鉆探在立管中進行、其中立管是生產(chǎn)立管和本領(lǐng)域已知或以后開發(fā)的其它構(gòu)造。
[0059]激光-立管BOP裝置104具有立管105和BOP組120。立管105的上部部分，即立管部署時靠近水的表面125的部分，通過附加到張力環(huán)127上的張緊器126而連接到鉆探船100。立管105的上部部分可以具有分流器128以及普遍地與立管一起使用和采用并被海上鉆探領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的其它部件(在此圖中未示出)。
[0060]立管105從鉆探船100的月池103延伸并且連接到BOP組120。立管105由立管節(jié)如107、109、111、113組成，所述立管節(jié)通過立管聯(lián)接器如106、108、110、112、114連接在一起并且降低穿過鉆探船100的月池103。由此，立管105也可以被稱為立管串。立管105的下部部分，即立管部署時最靠近海底的部分，通過立管-BOP連接器115連接到BOP組120。立管BOP連接器115關(guān)聯(lián)與柔性接頭116，其也可以被稱為柔性連接或球接頭。柔性接頭116意在容納鉆探船100從不在激光輔助BOP組120正上方的位置的運動；并由此容許立管105以一個角度進入BOP組120。
[0061]激光立管BOP裝置104具有與立管105關(guān)聯(lián)的靠近連接(由于模塊140而未示出)的激光模塊140。激光模塊140通過沿著光束路徑以激光束的形式傳遞高功率激光能量到立管裝置，諸如螺栓、爪、立管中心管、或其它結(jié)構(gòu)或裝置，能夠快速地切割材料以使得立管可以快速地從B0P120移除。如本說明書的各種示例性實施例所闡述的，激光模塊，諸如激光模塊140，具有一個激光切割器、兩個激光切割器或者可以具有幾個激光切割器。所述激光切割器能夠旋轉(zhuǎn)、移動、固定或者它們的組合。激光模塊可以定位在沿著立管從月池到海底的任何點，在立管中就希望具有類似快速分離的特征。由此，可設(shè)想激光模塊位于張力環(huán)127的略下方、柔性接頭116的略上方和沿著立管串105的點上，和前述的組合。激光模塊可以是立管節(jié)、立管聯(lián)接器的組成部分，它可以是其自身的獨立立管節(jié)，或者它可以是在立管節(jié)已經(jīng)連接在一起之后添加到立管的裝置。由此，一個、兩個、三個或幾個激光模塊可以用在激光-立管BOP裝置中。
[0062]BOP組可表征為具有兩個部件的裝置:上部件裝置117，其可以被稱為下層海洋立管裝置(LMRP)，和下部件裝置118，其可以被稱為下層BOP組或嚴(yán)格意義的Β0Ρ。在這個實施例中，上部件裝置117具有容納環(huán)形防噴器130的框架119。下部件裝置118具有容納環(huán)形防噴器131、第一閘板阻止部132、第二閘板阻止部133和第三閘板阻止部134的框架121。雖然未示出，BOP組也可以包含剪切激光模塊(“SLM”)、激光剪切閘板裝置或兩者。BOP組120具有附著到井口 136的井口連接器135，所述井口關(guān)聯(lián)與鉆孔124。
[0063]立管具有未在圖1中示出的內(nèi)部腔，其與BOP組中未在圖1中示出的內(nèi)部腔處于流體和機械聯(lián)通。由此，部署時，激光立管BOP裝置104提供使鉆探船100與鉆孔處于流體和機械聯(lián)通的腔或通道。BOP組框架119、121保護Β0Ρ，并且能夠具有起重及裝卸設(shè)備、控制和連接模塊、以及其它在海底操作中利用的裝備和設(shè)備，所述裝備和設(shè)備在海上鉆探領(lǐng)域是已知的，但未在圖中示出。在所述組中的內(nèi)部腔從該組的頂部(最靠近水125的表面)穿過該組到它的底部(最靠近海底123)。這個腔，例如，可以是約18 3/4"直徑并且具有腔壁。
[0064]典型地，在深海鉆探操作中使用21"立管和18 3/4" Β0Ρ。術(shù)語“21"立管”可以被認(rèn)為是通用的并涵蓋了其中大中心管具有在21"的一般范圍內(nèi)的外徑的立管，并且可以包括例如具有21 1/4"外徑的立管。21"立管中心管壁厚的范圍可以從約5/8"到約7/8"或更大。但是，立管和BOP可以在尺寸、類型和構(gòu)造上不同。立管可以具有范圍從約13 3/8"到約24"的外徑。立管可以是，例如，常規(guī)管道立管、柔性管道立管、復(fù)合管結(jié)構(gòu)、鋼質(zhì)懸鏈線立管(“SCR”)、頂部張力立管、混合立管、以及海上鉆探領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的或以后發(fā)展的其它類型的立管?？煽紤]使用更小和更大直徑的立管、不同類型和構(gòu)造的立管、具有更小和更大直徑的腔的Β0Ρ、以及不同類型和構(gòu)造的Β0Ρ;并且，本說明書的教導(dǎo)和發(fā)明不局限于或受限于特定立管或BOP的尺寸、類型或構(gòu)造。
[0065]在部署過程中，BOP組120附加到立管105，降低到海底123并固定到井口 136。井口 136定位并固定到殼體(未示出)，所述殼體已經(jīng)被粘結(jié)到鉆孔124。從此時起，一般地，鉆孔中所有的鉆探活動都通過立管和BOP進行。這樣的鉆探活動能夠包括,例如，從鉆探船100沿著立管的內(nèi)部腔向下降低在其端部具有鉆頭的鉆桿串，穿過BOP組120的腔并進入鉆孔124。由此，該鉆柱能夠從在水表面125上的鉆探船100延伸到鉆孔的底部，可能是水表面125和海底123以下幾萬英尺。鉆頭能夠相對鉆孔底部旋轉(zhuǎn)，而鉆探泥漿向下泵入鉆桿內(nèi)部并流出鉆頭。鉆探泥漿能夠攜帶鉆屑，如旋轉(zhuǎn)頭除去的鉆孔材料，沿在鉆孔壁和鉆柱外徑之間的環(huán)形空間向上，繼續(xù)向上穿過在BOP腔壁和鉆柱外徑之間的環(huán)隙，并繼續(xù)向上穿過在立管腔內(nèi)徑和鉆柱外徑之間的環(huán)隙，直到鉆探泥漿和鉆屑通常地通過鐘形殼體(未示出)，或在極端情況下通過分流器128，定向到鉆探船100以處理或加工。由此，鉆探泥漿從鉆探船100泵送穿過立管中的鉆柱到鉆孔底部并通過激光-立管BOP裝置104部分地返回到鉆探船。
[0066]立管的節(jié)一般垂直存儲在海上鉆機上。一旦鉆機已經(jīng)到達鉆探位置，立管和BOP裝置被部署到海底。在一般情況下，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到可以跟隨著不同的、變化的和詳細(xì)的步驟，作為部署B(yǎng)OP的第一步，BOP組被準(zhǔn)備并定位于鉆臺之下和旋轉(zhuǎn)臺之下。三腳架和常平架(spider and gimbal)也相對旋轉(zhuǎn)臺定位。附加到BOP的最下部的立管節(jié)移入井架然后由井架中的起重設(shè)備降低穿過三腳架，并向下到在鉆臺下方的BOP，其在此連接到BOP。所述立管和BOP然后降低到一點，在該點立管節(jié)的上部聯(lián)接器處于可以容易地連接到下一個立管節(jié)的高于鉆臺的高度。三腳架保持立管在這個位置。一旦連接已經(jīng)建立，然后降低兩個節(jié)和Β0Ρ，并重復(fù)這個過程直到已經(jīng)添加和降低了足夠的立管節(jié)使BOP能夠到達并降落(附力口)到在海底的井口上。
[0067]在這個過程中，如果激光模塊太大而不適合通過三腳架，其可以附加到在鉆臺以下的立管，或者，如果激光模塊適合通過三腳架，其可以附加到在鉆臺以上的立管。另外，如果激光模塊與立管節(jié)是一體的或者結(jié)合進立管節(jié)，那個節(jié)可以作為用來降低BOP到海底的立管節(jié)中的一個而添加到立管。
[0068]激光-立管BOP裝置，可以利用單一的高功率激光，而優(yōu)選地可以具有兩個或三個高功率激光，并且可以具有多個高功率激光，例如六個或更多。因為它們的短啟動時間和基本上瞬時開啟的能力，高功率固態(tài)激光器，特別是半導(dǎo)體激光器和光纖激光器是優(yōu)選的。高功率激光器例如可以是具有10kW、20kW、50kW或更高功率的光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，并且其發(fā)射波長優(yōu)選地在約1550nm (納米)，或1083nm范圍的激光束。優(yōu)選激光器的例子，并且特別是諸如光纖激光器的固態(tài)激光器，記載于美國專利申請公開2010/0044106和2010/0215326以及正在申請的美國專利申請序列號12/840,978中。該激光器，或多個激光器，可以定位在海上鉆機上，水表面以上，并且通過高功率遠距離激光傳輸線纜光學(xué)地連接到立管上的激光模塊，所述傳輸線纜的優(yōu)選例子記載于美國專利申請公開2010/0044106和2010/0215326以及正在申請的美國專利申請序列號12/840，978中。所述激光傳輸線纜可以包含在線軸上，并且在立管節(jié)降低到海底時展開并附著到立管節(jié)上。激光器，或多個激光器，還可以包含在或關(guān)聯(lián)與BOP框架，并且具有從BOP框架沿立管向上延伸到定位在立管上的激光模塊的光纜。由此，可能消除對用于從水表面向下傳輸激光束到海底的高功率光纜的遠距離的需要。鑒于激光模塊需要在其中運行的極端條件和對它們運行中的高可靠性的需要，激光-立管BOP裝置的一個這樣的構(gòu)造是具有至少一個定位在海上鉆機并通過高功率傳輸線纜連接到激光模塊的高功率激光器，并且是具有至少一個在海底BOP框架中或關(guān)聯(lián)與海底BOP框架并通過高功率傳輸線纜連接到激光模塊的高功率激光器。
[0069]在圖2A-C、3A-B、4A-B、5A-B和6A-B中，示出了關(guān)聯(lián)與具有諸如HMF聯(lián)接器的凸緣聯(lián)接器的激光模塊的示例性實施例。雖然示出了凸緣聯(lián)接器以用于說明的目的，所述教導(dǎo)和保護的范圍可以涵蓋所有類型的立管連接，其包括各種類型的聯(lián)接器，所述聯(lián)接器使用諸如凸緣、螺栓、夾子、鮑恩、潤滑、爪、鑰匙、螺紋、粗牙螺紋、銷子的機械裝置和本領(lǐng)域已知或以后發(fā)展的其它附著裝置。由此，通過舉例的方式，立管聯(lián)接器能夠包括凸緣式聯(lián)接器，其使用凸緣和螺栓；爪式，其使用在盒子中由致動螺釘驅(qū)使進入接合的爪；和鑰匙式，其使用旋轉(zhuǎn)進入鎖定接合的鑰匙機構(gòu)。凸緣式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGray HMF。爪式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGray MR-10E。鑰匙式聯(lián)接器的例子可以是VetcoGray MR-6H SE。激光能量優(yōu)選地定向到聯(lián)接器中的一個或多個區(qū)域或者這些區(qū)域的組合，所述區(qū)域中連接力是關(guān)鍵的、材料是最薄的、重要的結(jié)構(gòu)特征可被光束路徑到達。
[0070]在“A”圖中，以實線示出了立管凸緣并用虛線示出了相關(guān)的管和激光模塊?！癆”圖中還具有沿著“B”圖的A-A線的部分從視圖中刪去的剖視圖。在“B”圖中，示出了沿著兩個凸緣之間的橫向連接做出的凸緣和激光模塊的橫截面。
[0071]由此，轉(zhuǎn)到圖2A、2B和2C，提供了立管節(jié)中心管200，其具有附著在其下端的凸緣
201。立管節(jié)中心管203具有附著在其上端的凸緣202。(雖然未在這個圖中示出，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到立管節(jié)中心管200能夠具有附著在其上端的凸緣而且立管節(jié)中心管203能夠具有附著在其下端的凸緣。)凸緣201通過螺栓和螺母204、205、206、207、208、209連接到上部凸緣
202。同樣關(guān)聯(lián)與立管節(jié)200、203并延伸穿過凸緣201、202的是扼流線210、升壓線211、壓井線212、液壓線213和空白(例如，凸緣中的開放未填充孔)214、215。凸緣201具有外表面216、配合表面235和臺肩面236。凸緣203具有外表面217、配合表面237和臺肩面238。當(dāng)凸緣201和202接合并連接時，表面235對著表面237接合而表面236對著表面238接合。激光切割器220、221、222、223、224、225分別地具有柔性支撐線纜226、227，、228、229、230、231。激光切割器光學(xué)關(guān)聯(lián)與至少一個高功率激光器。激光切割器包含在激光模塊218的殼體219內(nèi)。在這個實施例中，激光切割器靠近螺栓頭定位，參見例如激光切割器219和螺栓208，并且具有朝著螺栓定向的光束路徑。
[0072]轉(zhuǎn)到圖3A和3B，提供了立管節(jié)中心管300，其具有附著在其下端的凸緣301。立管節(jié)中心管303具有附著在其上端的凸緣302。(雖然未在這個圖中示出，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到立管節(jié)中心管300能夠具有附著在其上端的凸緣而且立管節(jié)中心管303能夠具有附著在其下端的凸緣。)凸緣301通過螺栓和螺母304、305、306、307、308、309連接到上部凸緣302。同樣關(guān)聯(lián)與立管節(jié)300、303并延伸穿過凸緣301、302的是扼流線310、升壓線311、壓井線312、液壓線313和空白(例如，凸緣中的開放未填充孔)314、315。凸緣301具有外表面316、配合表面335和臺肩面336。凸緣303具有外表面317、配合表面337和臺肩面338。當(dāng)凸緣301和302接合并連接時，表面335對著表面337接合而表面336對著表面338接合。激光切割器320、321、322、323、324、325、326、327、328、329每一個具有柔性支撐線纜(未示出)。激光切割器光學(xué)關(guān)聯(lián)與至少一個高功率激光器。激光切割器包含在激光模塊318的殼體319內(nèi)。在這個實施例中，激光切割器定位靠近螺栓頭，參見例如激光切割器334和螺栓308，并且靠近外部管道，參見例如激光切割器326和升壓線311。激光切割器具有朝著螺栓和外部管道定向的光束路徑。
[0073]轉(zhuǎn)到圖4A和4B，提供了立管節(jié)中心管400，其具有附著在其下端的凸緣401。立管節(jié)中心管403具有附著在其上端的凸緣402。(雖然未在這個圖中示出，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到立管節(jié)中心管400能夠具有附著在其上端的凸緣而且立管節(jié)中心管403能夠具有附著在其下端的凸緣。)凸緣401通過螺栓和螺母404、405、406、407、408、409連接到上部凸緣402。同樣關(guān)聯(lián)與立管節(jié)400、403并延伸穿過凸緣401、402的是扼流線410、升壓線411、壓井線412、液壓線413和空白(例如，凸緣中的開放未填充孔)414,4150凸緣401具有外表面416、配合表面435和臺肩面436。凸緣403具有外表面417、配合表面437和臺肩面438。當(dāng)凸緣401和402接合并連接時，表面435對著表面437接合而表面436對著表面438接合。激光切割器420、421、422每一個具有柔性支撐線纜(未示出)。激光切割器光學(xué)關(guān)聯(lián)與至少一個高功率激光器。激光切割器包含在激光模塊418的殼體419內(nèi)。在這個實施例中，激光切割器定位靠近兩個凸緣的連接，即外表面417、416和配合表面435、437會聚的環(huán)。由此，在這個實施例中，激光切割器定向進入凸緣，并且具有交叉于或沿著配合表面435、437接合而建立的環(huán)狀盤的光束路徑。
[0074]轉(zhuǎn)到圖5A和5B，提供了立管節(jié)中心管500，其具有附著在其下端的凸緣501。立管節(jié)中心管503具有附著在其上端的凸緣502。(雖然未在這個圖中示出，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到立管節(jié)中心管500能夠具有附著在其上端的凸緣而且立管節(jié)中心管503能夠具有附著在其下端的凸緣。)凸緣501通過螺栓和螺母504、505、506、507、508、509連接到上部凸緣502。同樣關(guān)聯(lián)與立管節(jié)500、503并延伸穿過凸緣501、502的是扼流線510、升壓線511、壓井線512、液壓線513和空白(例如，凸緣中的開放未填充孔)514,5150凸緣501具有外表面516、配合表面535和臺肩面536。凸緣503具有外表面517、配合表面537和臺肩面538。當(dāng)凸緣501和502接合并連接時，表面535對著表面537接合而表面536對著表面538接合。激光切割器520、521、522每一個具有柔性支撐線纜(未示出)。激光切割器光學(xué)關(guān)聯(lián)與至少一個高功率激光器。激光切割器包含在激光模塊518的殼體519內(nèi)。在這個實施例中，激光切割器定位靠近臺肩部536、538。以這個方式，激光器具有從激光切割器定向到臺肩部536、538彼此接合區(qū)域的光束路徑。另外，在這個實施例中，光束路徑定向穿過凸緣連接的最薄的區(qū)域，并由此為激光切割器呈現(xiàn)了最少量的需要移除的材料。
[0075]轉(zhuǎn)到圖6Α和6Β，提供了立管節(jié)中心管600，其具有附著在其下端的凸緣601。立管節(jié)中心管603具有附著在其上端的凸緣602。(雖然未在這個圖中示出，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到立管節(jié)中心管600能夠具有附著在其上端的凸緣而且立管節(jié)中心管603能夠具有附著在其下端的凸緣。)凸緣601通過螺栓和螺母604、605、606、607、608、609連接到上部凸緣602。同樣關(guān)聯(lián)與立管節(jié)600、603并延伸穿過凸緣601、602的是扼流線610、升壓線611、壓井線612、液壓線613和空白(例如，凸緣中的開放未填充孔)614、615。凸緣601具有外表面616、配合表面635和臺肩面636。凸緣603具有外表面617、配合表面637和臺肩面638。當(dāng)凸緣601和602接合并連接時，表面635對著表面637接合而表面636對著表面638接合。激光切割器620、621、622每一個具有柔性支撐線纜(未示出)。激光切割器光學(xué)關(guān)聯(lián)與至少一個高功率激光器。激光切割器包含在激光模塊618的殼體619內(nèi)。在這個實施例中，激光切割器靠近螺栓的螺母定位，參見例如激光切割器620和螺栓608上的螺母，并且具有朝著螺母定向的光束路徑。
[0076]用于激光模塊的殼體可以與凸緣中的一個是一體的。殼體可以是兩個部分，其每個部分與凸緣是一體的，并且由此，凸緣連接時殼體部分將會結(jié)合在一起。殼體可以向內(nèi)延伸，并且與中心管或者在凸緣上或者在凸緣下結(jié)合。當(dāng)殼體向內(nèi)延伸時，它可以構(gòu)造為保持水在光束路徑外，所述光束路徑在激光切割器和例如螺栓頭的被切割材料之間。但是，在這種殼體構(gòu)造的情況下，必須小心以使殼體以提供到螺栓和螺母的通路以及到外部管道的通道的方式裝配。所述殼體可以是開口環(huán)類型的構(gòu)造或者可以是分為兩個或更多的半圓形部分，此部分在凸緣已被連接到一起后圍繞凸緣連接在一起，或者圍繞中心管或立管連接在一起。
[0077]優(yōu)選地，在激活后，激光切割器將沿著它們各自的光束路徑傳播(通常也被稱為作為發(fā)射或射出激光以創(chuàng)建激光束)它們各自的激光束。切割器然后會繞著立管旋轉(zhuǎn)使光束路徑切割另外的材料。例如在圖4A-B的實施例中，激光切割器必須旋轉(zhuǎn)約比完整轉(zhuǎn)動的1/3多一點以切透立管接頭連接的整個圓周。可以利用非旋轉(zhuǎn)的激光切割器，但是，在這樣的情況下，為保證立管的快速、干凈和受控的切割，應(yīng)使用更大數(shù)量的切割器，諸如每一個螺栓具有激光切割器的圖3A-B的實施例。高功率激光能量束的傳遞會切割，或者以其它方式，移除在光束路徑中的材料。由此，高功率激光能量，例如，能夠切割保持兩個立管凸緣在一起的螺栓；并且分離或切斷通過那些螺栓保持在一起的兩個立管節(jié)。
[0078]雖然未在圖中示出，本說明書的激光模塊和教導(dǎo)可使用于目前存在的任何類型的立管聯(lián)接器，其包括爪式聯(lián)接器和旋轉(zhuǎn)鑰匙式聯(lián)接器，以及還有待發(fā)展的將來的立管聯(lián)接系統(tǒng)，和本文的教導(dǎo)可能會引起的立管聯(lián)接系統(tǒng)。
[0079]圖7A和7B示出了激光立管分離部分的實施例。圖7B是激光立管分離部分沿著圖7A中的線B-B作出的橫截面視圖。提供了立管節(jié)700。立管節(jié)700具有中心管703，其在它的端部具有上部聯(lián)接器701和下部聯(lián)接器702。這些聯(lián)接器可以是鉆探領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何類型的立管聯(lián)接器，并且能夠包括凸緣式、爪式和旋轉(zhuǎn)鑰匙式聯(lián)接器。立管節(jié)700具有與之相關(guān)的四個外部管道，壓井線704、扼流線705、升壓線706和液壓線707。立管節(jié)700具有激光模塊708，其具有殼體709。外部管道構(gòu)造為繞過激光殼體，例如在激光殼體外部。由此，激光切割器710、711可以靠近立管節(jié)700的中心管703。激光切割器具有送入饋通裝置714并進入導(dǎo)管715的柔性支撐線纜712、713，其用于連接到高功率激光能量源和可以利用在激光切割器的操作或監(jiān)控中的其他材料。柔性支撐線纜具有額外的松弛或長度以容許激光切割器710、711繞著中心管703圓周的旋轉(zhuǎn)。在圖7A和7B的實施例中，所述切割器必須移動約1/2的旋轉(zhuǎn)以切斷中心管材703。
[0080]在圖9中提供了激光立管模塊以附加到立管的中間部分，用于在遠離立管聯(lián)接器的部分切斷該立管。由此，在圖9中示出了立管900的一部分，其在遠離聯(lián)接器沿著立管的位置(未在這個圖中示出)。立管節(jié)900具有中心管903以及壓井和扼流線，例如，904、906。立管節(jié)900具有激光模塊909，其具有激光切割器，例如，911、912和913。所述模塊和激光切割器以該激光切割器會切割扼流和壓井線，和優(yōu)選地切割中心管外部的所有線路，以及中心管的方式定位。這個模塊中的切割器可以旋轉(zhuǎn)，以風(fēng)扇運動方式移動。可以采用更多和更少的切割器。所述模塊可以固定到立管節(jié)、在部署過程附加到立管節(jié)、或在部署之后通過ROV (“遠程操作車輛”)附加到立管節(jié)、或者它可以是一體的或可拆卸的。
[0081]圖2A，2B和2C的激光切割器224將被用作示例，應(yīng)理解的是本文公開和描述的其他激光切割器可以具有相似的構(gòu)造。由此，轉(zhuǎn)到圖2C，其是圖2A的一部分的放大視圖，示出了激光切割器224的激光釋放端250。從激光切割器224傳播的激光束會跟隨的光束路徑251在激光釋放端250和將要切割的立管節(jié)部件之間延伸，所述將要切割的立管節(jié)部件在這個示例中是螺栓208。殼體219具有構(gòu)造為或以其他方式適合接觸、關(guān)聯(lián)與或接合將被激光切割的立管部件。殼體219具有遠離內(nèi)部區(qū)域252的外部區(qū)域253。一般地說，殼體內(nèi)部區(qū)域?qū)⒆罱咏⒐芏鴼んw外部區(qū)域?qū)⒆钸h離立管。
[0082]需要在外部管道上具有快速分離閥門或裝置以在立管中心管、外部管道、螺栓或保持立管節(jié)在一起的其它裝置，或它們?nèi)勘磺袛鄷r，便利于它們的分離和關(guān)閉或關(guān)斷。這些用于外部管的分離裝置應(yīng)以如果激光模塊被激活并切斷立管或是削弱立管時，防止它們攜帶的材料溢漏的方式定位使得快速分離稱為可能。[0083]激光模塊可以包含防護罩從而為激光切割器提供對水、壓強或立管在其中部署的其它海底環(huán)境條件的或多或少的保護。防護罩可以是殼體的部分或它可以是單獨的部件。它可以有助于激光模塊壓強的管理，或貢獻于激光模塊的壓強管理。防護罩可以由諸如鋼或其它類型的金屬或者既足夠堅固以保護激光切割器又可以通過激光束在其發(fā)射時快速切表I]的其它材料的材料制成。所述防護罩還能夠從激光束的光束路徑上移開。在這種構(gòu)造中，激光模塊激活后，防護罩會從光束路徑上移開。在可移動防護罩構(gòu)造中，防護罩不必是容易地被激光束切割的。
[0084]雖然對于單個立管節(jié)顯示了單個激光模塊，多個激光模塊、不同形狀的模塊和在不同位置的模塊可以被采用。更進一步，各自具有其自己的激光模塊的多個立管節(jié)可以用于在海上鉆機和BOP之間的不同位置的立管中。產(chǎn)生精確和預(yù)定的激光能量到立管的傳輸模式的能力和做出在立管中并穿過立管的精確和預(yù)定的切割的能力，提供了即使在緊急情況下切斷立管而不壓碎它并且以對立管最小的損壞而這樣做的能力。
[0085]激光模塊可以是機加工以容納激光切割器的單體，或者它可以由多個部分安裝在一起制成，安裝的方式為其擬定用途提供充分的強度，并且特別是承受1，OOOpsi,
2,OOOpsi,4, 500ps1、5，OOOpsi和更大的壓強。該模塊需要能夠在BOP定位的深度會出現(xiàn)的壓強下運行，由此例如在1，000ft,5, OOOftUO, OOOft和可能更大的深度下。殼體包含激光切割器的區(qū)域可以是加工出來的，或者是裝配出來的以容納激光切割器，同時為主體的擬定用途保持足夠的強度要求。激光模塊的殼體也可以是兩個或更多的單獨的部件或零件，例如用于上半部分的一個部件和用于下半部分的一個部件，或者用于繞著立管連接的環(huán)狀部分的多一個部件。這些部件可以通過例如螺栓凸緣、或海上鉆探領(lǐng)域的一個技術(shù)人員已知的其它合適連接裝置而彼此連接。激光模塊或殼體可以具有通路、多個通路、通道或其它這樣的結(jié)構(gòu)以傳送用于從激光源傳輸激光束進入殼體和激光切割器的光纖光纜，以及與激光傳輸裝置的運行或監(jiān)控和它的切割操作相關(guān)的其它線纜。
[0086]圖8A至SC示出了激光模塊實施例的橫截面視圖。這些圖還示出了激光模塊800的在切割例如立管聯(lián)接器812時的操作順序。在這個實施例中，激光模塊800具有四個激光切割器826、827、828和829。柔性支撐線纜與每個激光切割器關(guān)聯(lián)。由此，柔性支撐線纜831與激光切割器826關(guān)聯(lián)，柔性支撐線纜832與激光切割器827關(guān)聯(lián)，柔性支撐線纜833與激光切割器828關(guān)聯(lián)，而柔性支撐線纜830與激光切割器829關(guān)聯(lián)。柔性支撐線纜位于通道839中并進入饋通裝置813。在饋通裝置813的一般區(qū)域，支撐線纜從柔性轉(zhuǎn)變成半柔性，并可以進一步包括在導(dǎo)管838中以用于到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源的傳送。柔性支撐線纜830、831、832和833具有額外的或附加的長度，所述長度容納激光切割器826、827、828和829圍繞軸811和圍繞立管聯(lián)接器812的運轉(zhuǎn)。
[0087]圖8A至SC示出了激光模塊800切割立管聯(lián)接器812的啟動順序。在這個例子中，所述順序的第一個視圖(例如，快照，因為所述順序優(yōu)選地是連續(xù)的而非跳動的或分步的)示出在圖8A中。當(dāng)激活時，四個激光切割器826、827、828和829發(fā)射沿著光束路徑850、851,852和853傳播的激光束。光束路徑850、851、852和853從激光切割器826、827、828和829朝著中心軸811延伸并由此與立管聯(lián)接器812相交。所述光束朝著立管聯(lián)接器812的中心軸811定向。因此，所述光束從模塊內(nèi)部和立管外部發(fā)射并沿它們各自的光束路徑朝著立管聯(lián)接器的中心軸傳播。激光光束沖擊立管聯(lián)接器812并開始切割，即從立管聯(lián)接器812移除材料。
[0088]如果立管聯(lián)接器812被視作鐘表盤，激光切割器826、827、828和829可以被視作最初分別地位于12點鐘、9點鐘、6點鐘和3點鐘。激活后，激光切割器和它們各自的激光束開始繞著中心軸811和立管聯(lián)接器812運轉(zhuǎn)。(在這種構(gòu)造中，激光切割器在運轉(zhuǎn)時也會繞著它們自己的軸旋轉(zhuǎn)，并由此，如果它們移動經(jīng)過一個完整的軌道，它們也會已經(jīng)移動經(jīng)過一個完整的轉(zhuǎn)動。)在本示例中，如圖中所觀察到的，切割器和光束以逆時針方向運轉(zhuǎn)；但是，也可以使用順時針的轉(zhuǎn)動。
[0089]由此，如在所述順序的下一視圖圖8B中所看到的，激光切割器826、827、828和829已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 45度，同時沿著光束路徑850、851、852和853傳播的激光束已經(jīng)切穿了立管聯(lián)接器812的圓周的四個1/8部分(B卩，總共一半)。圖SC然后顯示切割器已經(jīng)移動經(jīng)過了四分之一圈。由此，切割器826可以被視為已經(jīng)從12點鐘位置移動到9點鐘位置，同時其它切割器已經(jīng)類似地改變了它們各自的鐘表面位置。由此，通過移動經(jīng)過四分之一圈，光束路徑850、851、852和853將已經(jīng)越過了立管聯(lián)接器812的整個圓周而沿著這些光束路徑的激光束將切斷該立管聯(lián)接器。
[0090]激光切割器的軌道運動的速率取決于使用的切割器的數(shù)量、激光束在沖擊將要切割的材料時的功率、它們的厚度和激光切割所述材料的速率。軌道運動的速度應(yīng)該足夠慢以確保擬定的切割能夠完成。除了轉(zhuǎn)圈的切割器，激光束可以掃描，例如以類似風(fēng)扇的模式移動。在這種方式中，光束路徑能夠沿著例如管狀區(qū)域的將要切割的區(qū)域掃描，而切割器或至少切割器的底部保持在固定的位置。這種激光束的掃描可以例如通過繞著固定點來回移動切割器實現(xiàn)，所述運動類似搖擺風(fēng)扇的運動。它也可以通過具有包含在切割器內(nèi)以類似風(fēng)扇的模式掃描光束路徑和由此的激光束例如激光掃描器的光學(xué)器件實現(xiàn)。例如，旋轉(zhuǎn)的多面鏡或棱鏡(prim疑為prism)可以用作掃描器。但是，應(yīng)注意的是掃描過程一般來說可能比本說明書提供的其它切割方法效率更低。用于光束路徑和激光束的另外的掃描模式許多也可以用來完成或處理特定的切割應(yīng)用或BOP腔中的管狀構(gòu)造。
[0091]激光切割器的軌道或其它運動可以通過本領(lǐng)域已知的機械、液壓和機電系統(tǒng)完成。例如，切割器可以安裝到步進電機上，所述步進電機的供電是通過BOP內(nèi)的電池、從表面來的電纜或兩者兼而有之。步進電機可以進一步具有與其關(guān)聯(lián)的控制器，這個控制器可以構(gòu)造為控制步進電機執(zhí)行對應(yīng)于特定切割步驟的動作。凸輪操作系統(tǒng)也可以用來移動切割器經(jīng)過切割運動或循環(huán)。所述凸輪可以通過電動馬達、液壓馬達、液壓活塞、或前述的組合來驅(qū)動，以在一種運動裝置失敗的情況下，優(yōu)選地提供一種移動切割器的備份系統(tǒng)。齒輪箱，齒條齒輪裝置或它們的組合可以結(jié)合電動馬達、液壓馬達或活塞裝置用于提供切割器的運動?？刂葡到y(tǒng)可以是集成于切割器運動裝置，諸如步進電機控制組合，可以是BOP的部件，諸如與其它控制系統(tǒng)包含在BOP上，或者它可以是在鉆機上，或者是前述的組合。
[0092]術(shù)語“完全的”切割和類似這樣的術(shù)語的使用，包括切斷立管成兩部分，即完全穿過壁并繞立管中心管整個圓周的切割，以及，在其中足夠的材料被從立管移除以充分地削弱立管，從而保證鉆機從BOP受控的和快速的釋放或分離可以發(fā)生的切割。取決于具體的構(gòu)造和立管-BOP裝置的擬定用途，完全的切割可以是，例如:切斷立管成兩個單獨的部分；切斷立管中心管成兩個單獨的部分；切斷立管中心管和至少一個或更多的外部管道成單獨的部分；繞著立管外部部分移除環(huán)狀材料，從約10%到約90%的壁厚；一些在壁上創(chuàng)建的穿孔，但不會延伸穿透立管壁；一些完全穿透立管壁的穿孔；一些在壁上創(chuàng)建的狹縫，但不會延伸穿透立管壁；一些完全穿透立管壁的狹縫；通過本說明書公開的構(gòu)造移除的材料；切割用于連接立管節(jié)在一起的裝置；使用任一種前述類型的材料移除，削弱用于連接立管節(jié)在一起的裝置；或其它模式的材料移除和前述的組合。優(yōu)選的是所述完全的切割在不到一分鐘內(nèi)做成，并且更加優(yōu)選的是所述完全切割在30秒或更短內(nèi)做成。
[0093]在旋轉(zhuǎn)激光模塊中的激光切割器數(shù)量越大，在同樣的時間量下完成切割的軌道運動速率可以越慢。另外，增加激光切割器的數(shù)量減少完成立管切割的時間，而不必增加軌道速率。增加激光束的功率將使管材能夠更快地切割，并由此允許更快的運轉(zhuǎn)速率、更少的激光切割器、更短的時間以完成切割，或它們的組合。
[0094]用于本發(fā)明實施例的示例和附圖中的激光切割器可以是任何適合于高功率激光能量傳遞的設(shè)備。由此，可以采用任何用于使激光束達到極點和聚焦激光束的光學(xué)元件。但是，進一步的考慮是立管流體光學(xué)效應(yīng)的管理，所述流體例如立管外部的海水或水、從切割扼流線、切割壓井線或切割立管中心管而來的泥漿或其它材料、或從切割液壓線而來的液壓流體，所述流體可以位于在激光切割器和立管、聯(lián)接器、中心管道、外部管道、螺栓、螺母或?qū)⒁懈畹钠渌Y(jié)構(gòu)之間的光束路徑內(nèi)。
[0095]通過舉例的方式，這樣的立管流體可以包括水、海水、鹽水、鹵水、鉆漿、氮氣、惰性氣體、柴油、霧、泡沫、或碳?xì)浠衔?。很可能也能夠出現(xiàn)在這些鉆井流體中的是例如碎片的鉆孔鉆屑，所述鉆屑移除于，或生成于，鉆孔的推進或其它井下操作?？梢源嬖趦上嗔黧w和三相流體，其可以相當(dāng)于兩種或三種不同類型材料的混合物。這些立管流體能夠干擾激光束切割管材的能力。這樣的流體可能不傳輸或可能僅部分地傳輸激光束，并由此在激光束穿過它們時干擾或減低激光束的功率。如果這些流體是流動的，這樣的流動可能進一步增加它們的非透射性。這些流體的非透射性和部分透射性可以產(chǎn)生于數(shù)個現(xiàn)象，包括但不局限于，吸收、折射和散射。另外，非透射性和部分透射性可以是，并很可能是，取決于激光束的波長。
[0096]在21"立管中，取決于激光切割器的構(gòu)造和立管聯(lián)接器的尺寸，激光束可能需要通過超過8"的立管流體(例如，從HMF凸緣外表面到立管節(jié)中心管內(nèi)表面的距離)。在其它的構(gòu)型中，激光切割器可以定位為接近或非常接近將要切割的結(jié)構(gòu)并且以保持這種接近的方式移動。在這些構(gòu)造中，激光束在激光切割器和將要切割的結(jié)構(gòu)之間傳播的距離可以保持在約2"內(nèi)、小于約2"、小于約I"和小于約1/2"，并且保持在小于約3"到小于約1/2"和小于約2"到小于約1/2"的范圍內(nèi)。
[0097]特別地，對于那些激光有例如大于I "或2 "相對長的距離(雖然這個距離可能是或多或少取決于激光功率、波長、鉆井流體類型，以及其它因素)要傳播的構(gòu)造和實施例，有利的是最小化這樣的立管流體的有害效應(yīng)，并基本上保持，或確保，這樣的流體不會干擾激光束的傳輸，或者使用足夠的激光功率以克服從穿過這樣的流體傳輸激光束可能會發(fā)生的任何損失。為此目的，機械型、壓強型和噴射型系統(tǒng)可以用來減輕、最小化或充分地消除鉆井流體對激光束的影響。
[0098]例如，機械設(shè)備可以用來隔離激光切割將要執(zhí)行的區(qū)域，然后立管流體可以從這個隔離區(qū)域移除，以舉例的方式，通過插入惰性氣體或諸如油或柴油的光學(xué)傳輸流體。流體在這種構(gòu)造中的使用具有其基本上不可壓縮的額外的好處。另外，充滿光學(xué)傳輸流體(氣體或液體)的類似通氣管的機械設(shè)備或者管可以延伸于或者放置于激光切割器和將要切割的結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域。激光束以這種方式傳輸通過通氣管或管到所述結(jié)構(gòu)。
[0099]高壓氣體射流可以同激光切割器和激光束一起使用。高壓氣體射流可以用于為激光束清理路徑或部分的路徑。該氣體可以是惰性氣體，或者它可以是空氣、氧氣、或加速激光切割的其它類型的氣體。相對小的氧氣需要量，和它將通過激光-金屬-氧氣反應(yīng)被管材燃燒消耗的較快的速率，應(yīng)該不存在對鉆機、表面設(shè)備、人員、或海底部件的火災(zāi)隱患或風(fēng)險。
[0100]氧氣、空氣的使用或非常高功率激光束的使用，例如大于lkw，能夠在切割區(qū)域產(chǎn)生和維持等離子泡沫或氣體泡沫，其可能部分地或完全地取代在激光束路徑中的鉆井流體。
[0101]具有單液體流的高壓液體射流可以同激光切割器和激光束一起使用。用于射流的液體對激光束應(yīng)當(dāng)是透射性的或至少基本上是透射性的。在這種類型的射流激光束組合中，激光束可以與射流同軸。但是，這種構(gòu)造具有射流部不作為波導(dǎo)的不足和問題。這種單射流構(gòu)造的另一不足和問題是射流必須同時提供保持鉆井流體遠離激光束的力又作為傳輸光束的介質(zhì)。
[0102]復(fù)合流體激光射流可以用作激光切割器。所述復(fù)合流體射流具有被環(huán)形外部射流環(huán)繞的內(nèi)部核心射流。激光束通過光學(xué)器件定向進入核心射流并通過核心射流傳輸，所述核心射流起波導(dǎo)的作用。單個環(huán)形射流可以環(huán)繞核心，或者可以采用多個嵌套的環(huán)形射流。這樣，復(fù)合流體射流具有核心射流。這個核心射流被第一環(huán)形射流環(huán)繞。這個第一環(huán)形射流也可以被第二環(huán)形射流環(huán)繞；而第二環(huán)形射流可以被第三環(huán)形射流環(huán)繞，其可以被另外的環(huán)形射流環(huán)繞。所述外部環(huán)形射流作用為保護內(nèi)部核心射流防止出現(xiàn)在激光切割器和將要切割的結(jié)構(gòu)之間的環(huán)隙中的鉆井流體。核心射流和第一環(huán)形射流應(yīng)當(dāng)由具有不同折射率的流體制成。在復(fù)活射流僅具有核心射流和環(huán)繞核心射流的環(huán)形射流的情況下，組成核心射流的流體的折射率應(yīng)當(dāng)大于組成環(huán)形射流的流體的折射率。以這種方式,折射率的不同使復(fù)活流體射流的核心能夠起波導(dǎo)的作用，保持激光束包含在核心射流內(nèi)，并在核心射流中傳輸激光束。另外，在這種構(gòu)造中，激光束不會明顯，如果有的話，離開核心射流并進入環(huán)形射流。
[0103]組成復(fù)合流體射流的各種射流的壓強和速度可以依賴應(yīng)用和使用環(huán)境而變化。由此，通過舉例的方式，壓強的范圍可以從約3000psi到約4000ps1、約30，OOOps1、優(yōu)選地約70，000ps1、到更大的壓強。核心射流和環(huán)形射流可能是相同的壓強，或者可能是不同的壓強，核心射流可能是更高的壓強或者環(huán)形射流可能是更高的壓強。優(yōu)選地，核心射流相比環(huán)形射流是更高的壓強。通過舉例的方式，在多重射流構(gòu)造下，核心射流可以是70，OOOpsi，第二環(huán)形射流(其定位成鄰近核心和第三環(huán)形射流)可以是60，OOOpsi而第三(外側(cè)，其定位成鄰近第二環(huán)形射流并接觸工作環(huán)境介質(zhì))環(huán)形射流可以是50，OOOpsi。射流的速度可以是相同的或不同的。由此，核心射流的速度可以大于環(huán)形射流的速度，環(huán)形射流的速度可以大于核心射流的速度而多個環(huán)形射流的速度可以是不同或相同的。核心射流和環(huán)形射流的速度可以被選擇使得核心射流不接觸鉆井流體，或這樣的接觸被最小化。射流的速度范圍可以從相對慢到非?？觳⑶覂?yōu)選地范圍從約lm/s (米/秒)到約50m/s、約200m/s、約300m/s和更大。第一次形成射流的順序可以是首先是核心射流隨后是環(huán)形圈、首先是環(huán)形圈射流隨后是核心、或者核心射流和環(huán)形圈是同時形成的。為了最小化，或者消除，核心與鉆井流體的相互作用，環(huán)形射流是首先產(chǎn)生的隨后是核心射流。
[0104]在用于形成射流的流體的選擇中和在流體折射率不同的量的確定中，激光束的波長和激光束的功率是應(yīng)被考慮的因素。由此，例如對具有在1080nm (納米)范圍的波長的高功率激光束，核心射流可以由具有約1.53的折射率的油制造，而環(huán)形射流可以由具有從約1.33到約1.525的折射率的油和水的混合物制造，由此，用于這種構(gòu)造的環(huán)形射流能夠分別地具有從約0.95到約0.12的NA (數(shù)值孔徑)。這樣的復(fù)合流體激光射流的進一步的細(xì)節(jié)、描述和例子包含在Zediker等的臨時美國專利申請，序列號61/378，910，標(biāo)題為“波導(dǎo)激光射流和使用方法(Waveguide Laser Jet and Methods of Use)”,提交于2010年8月31日，其全部公開內(nèi)容通過引用合并于此。應(yīng)注意的是，所述通過本文參考的合并沒有提供對這些申請的發(fā)明或由此產(chǎn)生的任何專利的實行或使用的任何權(quán)利，并且沒有授予或產(chǎn)生據(jù)此的任何許可。
[0105]激光束接觸將要切割的結(jié)構(gòu)的角度可以是被在激光切割器內(nèi)的光學(xué)器件決定，或者它可以是被激光切割器自己的角度或定位決定?？梢允褂糜欣诨蛘呋诹⒐?、外部管道、聯(lián)接器、或其組合的構(gòu)造的角度。
[0106]在本發(fā)明的構(gòu)造中使用的激光切割器的數(shù)量可以是單個切割器、兩個切割器、三個切割器和直到并包括12個或更多的切割器。如上面討論的，激光切割器的數(shù)量取決于數(shù)個因素并且對任何特定構(gòu)造和最終用途的切割器最優(yōu)數(shù)量可以基于最終用途的需求以及在這個說明書中提供的公開和教導(dǎo)確定。切割器還可以定位成使得它們各自的激光束路徑是平行的，或者至少在立管中心軸之內(nèi)是不相交的。
[0107]激光功率、通量和切割速率的例子基于發(fā)表的數(shù)據(jù)記載于表1。
[0108]表1
[0109]`
類型厚度激光功率光斑大小激光通量氣體切割速率
(mm)(瓦特) (微米) (MW/cc2)(m/min)
低碳鋼 15 5,000300__TA__^__1-8
不銹鋼 15 5,000 300300 丨 N2 | 16
[0110]用于激光切割器的柔性支撐線纜為執(zhí)行切割操作提供了所需的激光能量和其它材料。雖然對每個激光切割器顯示為單個線纜，可以使用多個線纜。由此，例如，在激光切割器采用復(fù)合流體激光射流的情況下，所述柔性支撐線纜可以包括高功率光纖、用于核心射流流體的第一線路和用于環(huán)形射流流體的第二線路。這些線路可以組合成單個線纜或者它們可以保持獨立。另外，例如，如果利用了采用氧氣射流的激光切割器，切割器會需要高功率光纖和氧氣線路。這些線路可以組合成單個線纜或它們可以保持獨立如多個線纜。所述線路和光纖應(yīng)當(dāng)覆蓋在柔性保護層或外護套中以保護它們免受立管流體、海底環(huán)境和激光切割器的運動，而同時保持足夠的柔性以適應(yīng)激光切割器的軌道運動。隨著支撐線纜靠近饋通裝置，其柔性降低而可以采用更加堅固的裝置來保護它們。例如，光纖可以放置于金屬管中。在裝配激光模塊和立管、搬運立管或模塊、部署立管的過程中以及從海底環(huán)境條件中，遠離饋通裝置的導(dǎo)管可以為支撐線纜添加額外的保護。
[0111]優(yōu)選的是饋通裝置、導(dǎo)管、支撐線纜、激光切割器和與激光切割器的操作相關(guān)的其它海底部件，應(yīng)當(dāng)建造為滿足預(yù)定用途的壓強需求。如果其不能滿足對特定用途的壓強需求，或者需要冗余保護，激光切割器的相關(guān)部件可以包含在或包圍于滿足所述需求的結(jié)構(gòu)。對深水和極深水用途，激光切割器的相關(guān)部件應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地能夠在2，OOOpsi,4, 500ps1、5，OOOpsi或更大的壓強下操作。對滿足這些壓強需求有用的所述材料、配件、裝置對海上鉆探領(lǐng)域、相關(guān)的海底遠程操作車輛(ROV)領(lǐng)域和高功率激光領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員是已知的。
[0112]本發(fā)明可以以在本文具體公開的那些以外的形式中體現(xiàn)，而不脫離其精神或基本特征。所描述的實施例都被認(rèn)為是在所有方面僅是說明性的而不是限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種激光-立管防噴器裝置，其用于可操作地釋放地關(guān)聯(lián)在水體表面上的海上鉆機、船舶或平臺與在水體海底中的鉆孔，所述激光-立管防噴器裝置包括: a.立管節(jié)，其包括第一和第二端部，其中第一端部具有第一聯(lián)接器而第二端部具有第二聯(lián)接器； b.激光模塊，其可操作地關(guān)聯(lián)立管節(jié)；和， c.防噴器，其構(gòu)造為可操作地關(guān)聯(lián)立管節(jié)和鉆孔； d.其中，當(dāng)激光-立管防噴器裝置被部署和可操作地關(guān)聯(lián)具有海底鉆孔的海上鉆機時，發(fā)射激光束的激光模塊可以在立管節(jié)上的預(yù)定位置完全地切割立管節(jié)，從而從防噴器上釋放海上鉆機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-立管防噴器裝置，其中，所述第一聯(lián)接器選自下列組成的組中:爪式連接器、凸緣連接器、鑰匙式連接器、夾式連接器、鮑恩連接器和螺紋連接器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-立管防噴器裝置，其中，所述第二聯(lián)接器是防噴器連接器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光-立管防噴器裝置，其中，所述防噴器連接器是液壓的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-立管防噴器裝置，其中，所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，其中，光束路徑朝向第一聯(lián)接器定向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-立管防噴器裝置，其中，所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，其中，光束路徑朝向第二聯(lián)接器定向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-立管防噴器裝置，還包括29個附加的立管節(jié)。
8.一種激光-立管防噴器裝置，包括:立管節(jié)，所述立管節(jié)包含用于聯(lián)接的第一裝置和用于聯(lián)接的第二裝置；用于提供激光束以切割立管節(jié)的部件的裝置；和防噴器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于聯(lián)接的第一裝置是爪式立管聯(lián)接器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于提供激光束的裝置包括用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中，光束路徑朝向用于聯(lián)接的第一裝置定向。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于聯(lián)接的第一裝置是凸緣式立管聯(lián)接器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于提供激光束的裝置包括用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中，光束路徑朝向用于聯(lián)接的第一裝置定向。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于聯(lián)接的第一裝置是鑰匙式立管聯(lián)接器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光-立管防噴器裝置，其中，用于提供激光束的裝置包括用于發(fā)射具有光束路徑的激光束的激光切割器，其中，光束路徑朝向用于聯(lián)接的第二裝置定向。
15.一種用于與海洋立管一起使用的激光模塊，所述激光模塊包括: a.殼體，所述殼體構(gòu)造為與海洋立管關(guān)聯(lián)，所述殼體限定內(nèi)部區(qū)域，由此所述海洋立管的至少一部分可以包含在內(nèi)部區(qū)域內(nèi)；b.殼體，其具有第一激光切割器和第二激光切割器； c.所述第一激光切割器和第二激光切割器，其位于殼體內(nèi)并且所述第一激光切割器和第二激光切割器中的每一個都具有激光釋放端； d.第一光束路徑，其從第一激光切割器的激光釋放端延伸到殼體的內(nèi)部區(qū)域；和 e.第二光束路徑，其從第二激光切割器的激光釋放端延伸到殼體的內(nèi)部區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光模塊，其中，所述殼體包括環(huán)形殼體，所述環(huán)形殼體具有包含殼體的環(huán)狀空間的內(nèi)部區(qū)域，并且其中，海洋立管包括中心管、外部管道和聯(lián)接器，并且其中，環(huán)形殼體構(gòu)造為容納所述中心管、外部管道和聯(lián)接器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光模塊，其中，所述第一光束路徑朝向部分的內(nèi)部區(qū)域定向，所述部分構(gòu)造成適合于鄰近海洋立管的中心管放置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光模塊，其中，所述第一光束路徑朝向部分的內(nèi)部區(qū)域定向，所述部分構(gòu)造成適合于鄰近海洋立管的外部管道放置。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光模塊，其中，所述第一光束路徑朝向部分的內(nèi)部區(qū)域定向，所述部分構(gòu)造成適合于鄰近海洋立管的聯(lián)接器放置。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光模塊，其中，所述第一和第二激光切割器構(gòu)造在所述殼體內(nèi)以在殼體內(nèi)移動，由此，第一和第二激光切割器在殼體與所述海洋立管關(guān)聯(lián)時具有至少部分地繞海洋立管運轉(zhuǎn)的能力。
21.一種快速釋放立管節(jié)，包括: a.立管節(jié)，其包括具有第一聯(lián)接器的第一端部、具有第二聯(lián)接器的第二端部和中心管; b.激光切割器；和， c.光束路徑，其在激光切割器和立管節(jié)之間延伸。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的快速釋放立管節(jié)，其中，所述第一聯(lián)接器包括栓子并且光束路徑朝向所述栓子定向。
23.—種海上鉆機系統(tǒng),包括: 海上鉆機；和 快速釋放立管防噴器裝置，所述裝置包括: a.立管，其包括多個立管節(jié)，其中，所述多個立管節(jié)構(gòu)造用于從海上鉆機降低并可操作地連接海上鉆機至位于或靠近海底的深度。 b.防噴器，其構(gòu)造為可操作地連接到立管并被立管從海上鉆機降低到海底；和 c.立管，其包括激光模塊； d.激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，其中，所述光束路徑從所述激光切割器朝向多個立管節(jié)的一個定向； e.其中，當(dāng)所述裝置被部署和可操作地關(guān)聯(lián)具有海底鉆孔的海上鉆機時，發(fā)射激光束的激光模塊可以在預(yù)定的位置完全地切割所述多個立管節(jié)的一個的至少一部分，從而提供海上鉆機從防噴器上的快速釋放。
24.一種通過使用與立管節(jié)關(guān)聯(lián)的激光模塊而鉆探海底井的方法，所述方法包括: a.使用包括多個立管節(jié)的立管從海上鉆機降低防噴器到海底，其中，所述防噴器包含由防噴器限定的防噴器腔，立管包含由立管限定的立管腔；b.多個立管節(jié)中的一個具有與之關(guān)聯(lián)的激光模塊，其中，所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，并且其中，所述光束路徑從所述激光切割器朝向所述多個立管節(jié)的一個的部件定向； C.固定防噴器到限定鉆孔腔的鉆孔，由此所述鉆孔腔、防噴器腔和立管腔處于流體和機械聯(lián)通；和 d.通過從海上鉆機降低管材向下穿過立管腔、防噴器腔并進入鉆孔而推進鉆孔； e.由此，通過在緊急情況下具有從激光模塊發(fā)射激光束以完全地切割在光束路徑中的所述多個立管節(jié)的一個的部件，從而削弱所述立管的能力，鉆探操作被增強了。
25.一種通過使用與立管節(jié)關(guān)聯(lián)的激光模塊而在海底井上進行鉆探、維修、干預(yù)、完成或服務(wù)活動的方法，所述方法包括: a.在水體表面和海底之間定位立管，所述立管包括由立管限定的立管腔，其中所述立管與海底井和海上鉆機、船舶或平臺處于流體連通； b.使得激光模塊與所述立管關(guān)聯(lián)，其中，所述激光模塊包括用于發(fā)射限定光束路徑的激光束的激光切割器，并且其中，所述光束路徑從所述激光切割器朝向所述立管的部件定向；和 c.通過推進結(jié)構(gòu)使其穿過立管腔而在井上進行活動； d.提供從激光模塊發(fā)射激光束以完全地切割在光束路徑中的立管，從而削弱立管的能力并提供立管的受控分離。`
【文檔編號】E21B33/06GK103502564SQ201280019473
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月24日
【發(fā)明者】M.S.澤迪克, H.A.伯杰龍, P.V.克拉克, B.O.費爾克洛斯, J.F.莫克斯利, P.D.多伊奇, C.C.林茲勒 申請人:福羅能源股份有限公司, 雪佛龍美國股份有限公司