激光輔助防噴器及使用方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率的激光輔助防噴器及使用方法。具體地，提供了用于利用位于防噴器內(nèi)的高功率激光能量來切割存在于防噴器的孔內(nèi)的管件的系統(tǒng)和組件，減少了這種管件會(huì)使防噴器得以抑制而密封井的風(fēng)險(xiǎn)。
【專利說明】激光輔助防噴器及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防噴器，特別涉及一種用于海上勘探和生產(chǎn)諸如石油和天然氣等碳?xì)浠衔锏暮５追绹娖?。此外，本發(fā)明涉及與防噴器的機(jī)井控制組件有關(guān)聯(lián)的高功率激光器的實(shí)施。由此，特別地，本發(fā)明涉及新型的激光輔助海底防噴器及使用這樣的設(shè)備的方法，以管理并控制海上鉆井活動(dòng)。
[0002]如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“防噴器(blowout preventer)”、“BOP”和“BOP堆”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，包括:(i )定位在井眼表面例如海底處或附近的設(shè)備，其用于包容或管理與井眼有關(guān)聯(lián)的壓力或流量；(ii )用于包容或管理位于井眼中的與海底立管有關(guān)聯(lián)的壓力或流量的設(shè)備；(iii)具有任何數(shù)量和組合的閘、閥或彈性封隔器(elastomeric packers)以控制或管理井眼壓力或流量的設(shè)備；(iv)海底BOP堆，該堆可以包含例如閘板剪切(ram shears)、桿閘板(pipe rams)、全封閘板(blind rams)和環(huán)形防噴器；以及(v )其它的這樣類似組合和組裝的流量和壓力管理設(shè)備，以控制井眼壓力、流量或兩者，特別是控制或管理應(yīng)急流量或壓力情況。
[0003]如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則“海上”和“海上鉆井活動(dòng)”及類似這樣的術(shù)語以其最廣泛的意義來使用，并將包括在任何水體之上或之中的鉆井活動(dòng)，所述水體無論是淡水或咸水，無論是人為或自然發(fā)生的，如河流、湖泊、運(yùn)河、內(nèi)陸海、大洋、大海、港灣和海灣，諸如墨西哥灣。如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“海上鉆井平臺(tái)(offshore drilling rig)”應(yīng)賦予其盡可能最廣泛的含義，并將包括固定塔、供應(yīng)船、平臺(tái)、駁船、自升式鉆井平臺(tái)(jack-ups)、浮式平臺(tái)、鉆井船、動(dòng)態(tài)定位鉆井船、半潛式鉆井平臺(tái)和動(dòng)態(tài)定位半潛式鉆井平臺(tái)。如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“海底”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并將包括地球的位于任何水體之下或底部的任何表面，所述水體無論是淡水或咸水，無論是人為或自然發(fā)生的。如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“井”和“井眼(borehole)”應(yīng)賦予其盡可能最廣泛的含義，并包括鉆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，并將進(jìn)一步包括勘探、生產(chǎn)、廢棄、重新進(jìn)入、重新工作和注入的井。如本文中所使用的，術(shù)語“立管(riser)”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括針對(duì)諸如鉆井、生產(chǎn)、修井、服務(wù)、井服務(wù)、干預(yù)和完成等活動(dòng)的目的將位于水體的表面處、之上或上方的包括海上鉆井平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存和卸載(“FPS0”)船只以及浮式天然氣儲(chǔ)存和卸載(“FGS0”)船只的平臺(tái)連接到位于海底處、之上或附近的結(jié)構(gòu)的任何管件。
[0004]如本文中所使用的，術(shù)語“鉆桿(drill pipe)”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括用于鉆井活動(dòng)的所有形式的桿；指的是單個(gè)部分或單件的桿。如本文中所使用的，術(shù)語“鉆桿的支架”、“鉆桿支架”、“桿支架”、“支架(stand)”及相似類型的術(shù)語應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括通常由具有螺紋連接的接頭連接如結(jié)合在一起的兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)部分的鉆桿。如本文中所使用的，術(shù)語“鉆柱(drill string)”、“柱”、“鉆桿的柱”、“桿的柱”及相似類型的術(shù)語應(yīng)賦予其最廣泛的定義，并將包括針對(duì)采用于井眼中的目的而結(jié)合在一起的一個(gè)或多個(gè)支架。由此，鉆柱可以包括許多支架和數(shù)以百個(gè)部分的鉆桿。[0005]如本文中所使用的，術(shù)語“管件(tubular)”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括已經(jīng)或可以在鉆井行業(yè)中使用的鉆桿、套管、立管、盤管、復(fù)合管、真空隔熱油管(VIT)、生產(chǎn)油管和在其中具有至少一個(gè)通道的任何類似結(jié)構(gòu)。如本文中所使用的，術(shù)語“接頭(joint)”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括用于將管件連接在一起的所有類型的設(shè)備、系統(tǒng)、方法、結(jié)構(gòu)和部件，如帶螺紋的桿接頭和螺栓連接的凸緣。對(duì)于鉆桿接頭，接頭部分通常具有比鉆桿的其余部分更厚的壁。如本文中所使用的，管件的壁厚為管件內(nèi)直徑和管件外直徑之間材料的厚度。
[0006]如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則“高功率激光能量”意指具有至少約IkW(千瓦)功率的激光束。如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則“很遠(yuǎn)的距離”意指至少約500m (米)。如本文中所使用的，術(shù)語“功率的大幅損耗”、“相當(dāng)大的功率損耗”及類似這樣的短語意指對(duì)選定波長(zhǎng)而言大于約3.0dB/km (分貝/公里)的功率損失。如本文中所使用的，術(shù)語“相當(dāng)大的功率傳遞”意指至少約50%的透過率。
【背景技術(shù)】
[0007]深水鉆井
[0008]海上油氣勘探和生產(chǎn)一直朝著越來越深的水域前進(jìn)。如今，深度為5000ft、10，OOOft和更深深度處的鉆井活動(dòng)被計(jì)劃并開展起來。例如，據(jù)RIGZONE、www.rigzone.com報(bào)道，有超過300臺(tái)鉆機(jī)位列大于1，OOOft (英尺)的鉆井水深，而在這些鉆機(jī)中有超過190臺(tái)鉆機(jī)位列大于5000ft的鉆井水深，并且在這些鉆機(jī)中有超過90臺(tái)鉆機(jī)位列
10,OOOft的鉆井水深。當(dāng)在這些深度、非常深的深度和超深的深度處鉆井時(shí)，鉆探裝備要承受在大洋深度處出現(xiàn)的極端條件，包括海底處的巨大壓力和低溫。
[0009]此外，這些深水鉆機(jī)能夠推進(jìn)可以處于10，000ft、20，000ft、30，000ft甚至海底
更深處的井眼。因此，諸如鉆桿、套管、立管和BOP等鉆探裝備要承受相當(dāng)大的力和極端條件。為了解決這些力和條件，例如鉆桿、鉆柱的鉆探裝備被設(shè)計(jì)成更強(qiáng)，更堅(jiān)固耐用，并在許多情況下更重。另外，用于制造鉆桿和套管的金屬變得更有韌性。
[0010]通常情況下，借助一般性說明，在鉆探海底井時(shí)，初始井眼制成于海床中，進(jìn)而隨后較小直徑的井眼被鉆制，以擴(kuò)大井眼的總深度。由此，隨著整體井眼變得越深，其直徑變得越小；從而可以設(shè)想為孔的伸縮組件，其中最大直徑的孔處于與地球表面最近的井眼的頂部。
[0011]由此，通過舉例，海底鉆井過程的起始階段可總體說明如下。一旦鉆井定位在要發(fā)生鉆探的區(qū)域上方的水面上，則通過在地球中鉆制36〃的孔至海底以下約200_300ft深度而制成初始井眼。30"套管插入到這個(gè)初始井眼中。該30"套管也可稱為導(dǎo)體。30"導(dǎo)體可能會(huì)或可能不會(huì)凝成到合適的位置。在這個(gè)鉆井操作期間，一般不使用立管，來自井眼的鉆出物例如通過鉆探活動(dòng)從井眼中取出的泥土和其它材料將返回到海底。接著，26"直徑的井眼鉆制于30〃套管內(nèi)，延伸的井眼深度達(dá)到約1，000-1，500ft。也可以在不使用立管的情況下進(jìn)行該鉆井操作。然后，20"套管插入到30"導(dǎo)體和26"井眼中。該20"套管凝成到合適的位置。20"套管具有與之固定的井口。(在其它操作中，可鉆制額外的較小直徑井眼，并將較小直徑的套管插入到該井眼中，其中井口被固定到該較小直徑套管。)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。從這點(diǎn)出發(fā)，井眼中的所有鉆井活動(dòng)都通過立管和BOP發(fā)生。
[0012]BOP連同其它裝備和步驟一起用于控制并管理井中的壓力和流量。一般情況下，BOP是若干機(jī)械設(shè)備的堆，其具有延伸通過這些設(shè)備的相連內(nèi)部腔室。各BOP可以具有腔室，例如從約41/6〃到263/4〃范圍內(nèi)的孔直徑。管件從海上鉆井平臺(tái)推進(jìn)到立管之下，通過BOP腔室并進(jìn)入井眼。例如鉆井泥漿和鉆出物的返回物從井眼中取出，并通過BOP腔室傳送到立管之上，到達(dá)海上鉆井平臺(tái)。
[0013]BOP堆通常具有環(huán)形防噴器，這是可膨脹的封隔器，它的作用如同繞管件的巨大括約肌。當(dāng)管件不存在時(shí)，一些環(huán)形防噴器也可以使用或者能夠密封腔室。當(dāng)被激活時(shí)，該封隔器密封在處于BOP腔室中的管件上，防止材料流過在管件外直徑和BOP腔室的壁之間形成的環(huán)形空間。BOP堆通常還具有閘板防噴器。如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“閘板防噴器”應(yīng)賦予其最廣泛的定義，并將包括將管件夾、抓、持有、切割、切斷、粉碎或以它們的組合方式置于BOP堆內(nèi)的任何機(jī)械設(shè)備，諸如剪切閘板、全封閘板、可變閘板、可變桿閘板、全封剪切閘板、桿閘板、套管剪切閘板以及諸如Hydril的海德里壓力控制緊湊型閘板、海德里壓力控制常規(guī)型閘板、海德里壓力控制快速測(cè)井(HYDRIL PRESSURE CONTROLQUICK-L0G)以及海德里壓力控制崗哨修井(HYDRIL PRESSURE CONTROL SENTRY Workover)等防噴器、SHAFFER閘板防噴器和由Cameron制造的閘板防噴器。
[0014]由此，BOP堆通常具有桿閘板防噴器，并可具有一個(gè)以上的桿閘板防噴器。桿閘板防噴器通常是兩個(gè)半圈狀?yuàn)A緊設(shè)備，其被驅(qū)動(dòng)抵著位于BOP腔室中的管件的外直徑。桿閘板防噴器可以被看作兩個(gè)巨大的手，它們夾緊在管件上并密封位于管件和BOP腔室壁之間的環(huán)形空間。全封閘板防噴器也可包含在BOP堆中，當(dāng)不存在管件時(shí)，這些閘板可以密封腔室。
[0015]桿閘板防噴器和環(huán)形防噴器通常只能密封位于BOP中的管件和BOP腔室之間的環(huán)形空間；它們無法密封管件。由此，在緊急情況下，例如當(dāng)發(fā)生“井涌”(突然向井眼中涌入氣體、流體或壓力)時(shí)，或者如果潛在的井噴情況出現(xiàn)，則來自高的井下壓力的流可以回來，直通管件內(nèi)部、管件和立管之間的環(huán)形空間，沿立管向上到達(dá)鉆井平臺(tái)。另外，在緊急情況下，桿閘板和環(huán)形防噴器在管件周圍可能無法形成足夠強(qiáng)的密封來防止流過管件和BOP腔室之間的環(huán)形空間。由此，BOP堆包括機(jī)械剪切閘板組件。(如本文中所使用的，除非另有規(guī)定，否則術(shù)語“剪切閘板(shear ram)”將包括全封剪切閘板、剪切密封閘板、剪切密封件閘板、剪切閘板以及旨在或者能夠切割或剪切管件的任何閘板。)機(jī)械剪切閘板通常是針對(duì)緊急情況的最后一道防線，例如，井涌或潛在的井噴。機(jī)械剪切閘板的功能如同巨大的閘閥，其應(yīng)當(dāng)迅速關(guān)閉整個(gè)BOP腔室從而密封BOP腔室。這些閘板旨在切穿BOP腔室中的將會(huì)潛在地阻塞剪切閘板完全密封BOP腔室的任何管件。
[0016]BOP堆可以具有許多不同的構(gòu)造和部件，這取決于在部署和使用期間預(yù)期的條件和危險(xiǎn)。這些部件可包括例如環(huán)型防噴器、旋轉(zhuǎn)頭、具有一組(全封或桿)閘板的單個(gè)閘板防噴器、具有兩組閘板的雙閘板防噴器、具有三組閘板的三重閘板式防噴器以及具有用于節(jié)流和壓井線的側(cè)出口連接的閘芯(spool)。這些部件的現(xiàn)有構(gòu)造的示例可以是:B0P堆，其具有71/16〃孔且由下往上為單個(gè)閘板、閘芯、單個(gè)閘板、單個(gè)閘板和環(huán)形防噴器，并且具有5000psi的額定工作壓力；B0P堆，其具有135/8〃孔且由下往上為閘芯、單個(gè)閘板、單個(gè)閘板、單個(gè)閘板和環(huán)形防噴器，并且具有10，OOOpsi的額定工作壓力；B0P堆，其具有183/4〃孔且由下往上為單個(gè)閘板、單個(gè)閘板、單個(gè)閘板、單個(gè)閘板、環(huán)形防噴器和環(huán)形防噴器，并且具有15，OOOpsi的額定工作壓力。
[0017]BOP需要包容井中可能存在的壓力，該壓力可高達(dá)15，OOOpsi或以上。另外，需要能夠迅速而可靠地切穿任何管件的剪切閘板，包括當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或希望切割BOP中管件并密封井的其它情況時(shí)可能存在于BOP中的鉆鋌、桿接頭和底部鉆具組合。隨著管件的強(qiáng)度、厚度和韌性增加，特別是對(duì)于深的、非常深的和超深的水域鉆井的管件而言，針對(duì)更強(qiáng)的、更強(qiáng)大的以及更好的剪切閘板的需求不斷增加。針對(duì)這樣的剪切閘板以及關(guān)于現(xiàn)有機(jī)械剪切閘板依賴的物理和工程原理的其它信息，這種長(zhǎng)期存在的需求載于:West Engineering Services公司，“用于美國(guó)礦產(chǎn)管理服務(wù)的迷你剪切研究(Mini ShearStudy for U.S.Minerals Management Services)”(申請(qǐng)?zhí)?N0.2-1011-1003, 2002 年 12月)；West Engineering Services公司，“用于美國(guó)礦產(chǎn)管理服務(wù)的剪切閘板能力研究(Shear Ram Capabilities Study for U.S.Minerals Management Services)，，(申請(qǐng)?zhí)朜0.3-4025-1001,2004 年 9 月)；以及 Barringer & Associates 公司，“所需的剪切閘板防噴器力(Shear Ram Blowout Preventer Forces Required)，，(2010 年 6 月 6 日，2010 年 8月8日修訂)。
[0018]高功率激光光束輸送
[0019]在共同
【發(fā)明者】Mark Zediker博士和在Littleton CO與他共事的Foro Energy公司的同事近期突破之前，有人認(rèn)為，高功率激光能量在傳送很遠(yuǎn)距離之后，功率沒有大幅損耗是無法得到的。他們?cè)诟吖β始す饽芰總魉头矫?、特別是在功率水平大于5kW方面的突破被部分地載于新穎的和創(chuàng)新的教導(dǎo)中，其包含在美國(guó)專利申請(qǐng)出版物2010/0044106和2010/0215326，以及標(biāo)題為“用于將激光能量傳送過很遠(yuǎn)距離的光纖構(gòu)造(Optical FiberConfigurations for Transmission of Laser Energy Over Great Distances)，，(2010 年7月21日提交)的Rinzler等人的待審美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840,978。在一定程度上參考或涉及高功率激光能量傳送以及用于完成這種傳送的激光器、光纖和線纜結(jié)構(gòu)的這三個(gè)美國(guó)專利申請(qǐng)公開通過引用并入本文。要注意的是，通過引用并入本文未提供任何權(quán)限來實(shí)踐或使用這些申請(qǐng)發(fā)明或者可由此頒予的任何專利，并且不應(yīng)據(jù)此授予或引起任何許可。
[0020]高功率激光器向BOP和立管的利用和應(yīng)用載于美國(guó)專利申請(qǐng)序列N0.13/034，183,13/034, 017和13/034，037中，每個(gè)均于2011年2月24日提交，其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]在鉆井操作中，長(zhǎng)期以來一直希望擁有能夠迅速地、可靠地且以受控方式切斷管件并密封或者以其它方式管理井的壓力、流量或兩者的B0P。由于管件的健壯性增加，特別是用于深海鉆井中的管件的健壯性增加，所以這樣的BOP的需求得以持續(xù)、增長(zhǎng)并變得更加重要。除其它外，本發(fā)明通過提供本文教導(dǎo)的制造品、設(shè)備和工藝而解決了這個(gè)需求。
[0022]由此，本發(fā)明提供了一種防噴器堆，所述防噴器堆具有:閘板，所述閘板可從第一位置移動(dòng)到第二位置；以及激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)用于發(fā)射限定射束路徑的激光束，所述激光切割機(jī)相對(duì)于所述閘板定位并面向形成在所述堆內(nèi)的腔室，其中所述射束路徑進(jìn)入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室內(nèi)。
[0023]還提供了一種防噴器堆，所述防噴器堆包括閘板防噴器；所述堆限定腔室；以及激光切割機(jī)，其中所述激光切割機(jī)被定位成沿射束路徑輸送激光束。此外，所述閘板防噴器可以是剪切閘板組件，并且所述堆還可以包括:環(huán)形防噴器組件；桿閘板組件；以及環(huán)形防噴器組件，剪切閘板組件和桿閘板組件共用所述腔室，所述腔室具有一軸線。
[0024]更進(jìn)一步地，提供了一種海底防噴器堆，在所述海底防噴器堆中，所述射束路徑可指向所述腔室的軸線，可指向所述腔室，或者其中所述射束路徑相交所述腔室的軸線。
[0025]另外，提供了一種防噴器，在所述防噴器中，激光切割機(jī)具有與所述腔室相鄰定位的屏蔽件，其中所述激光切割機(jī)屏蔽件保護(hù)所述激光切割機(jī)免受BOP腔室中存在的條件的損壞，所述條件諸如壓力、溫度、移動(dòng)通過所述腔室或在所述腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)的管件或線結(jié)構(gòu)、鉆出物、碳?xì)浠衔镆约般@井流體，所述激光切割機(jī)來自鉆井流體，而不會(huì)明顯地干擾管件通過所述腔室的運(yùn)動(dòng)。
[0026]仍進(jìn)一步地，提供了一種防噴器，所述防噴器具有:激光切割機(jī)；閘板防噴器，所述閘板防噴器包括閘板；腔室，所述腔室位于堆內(nèi)，用于使管件通過；所述激光切割機(jī)具有射束路徑；所述閘板能夠移動(dòng)到所述腔室中；區(qū)域，所述區(qū)域位于所述腔室內(nèi)，用于將所述閘板與管件接合；以及，所述射束路徑定位在所述激光切割機(jī)之間并相交位于所述腔室中用于將所述閘板與管件接合的所述區(qū)域。
[0027]進(jìn)一步地，提供了一種用于陸上、海上或既用于陸上又用于海上的防噴器，所述防噴器具有激光切割機(jī)；閘板防噴器，所述閘板防噴器具有閘板；腔室，所述腔室位于堆內(nèi)，用于使管件通過；所述激光切割機(jī)具有射束路徑；所述閘板能夠移動(dòng)到所述腔室中；區(qū)域，所述區(qū)域位于所述腔室內(nèi)，用于將所述閘板與管件接合；以及，所述射束路徑指向位于所述腔室內(nèi)用于將所述閘板與所述管件接合的所述區(qū)域上方。
[0028]再進(jìn)一步地，提供了一種用于地上、海上或既用于陸上又用于海上的激光輔助防噴器，所述防噴器具有:環(huán)形防噴器；桿閘板組件；以及激光剪切閘板組件，所述激光剪切閘板組件具有:閘板，所述閘板可從第一位置移動(dòng)到第二位置；以及激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)相對(duì)于所述閘板定位并面向在所述激光輔助防噴器內(nèi)形成的腔室，其中所述激光切割機(jī)發(fā)射限定激光切割機(jī)射束路徑的激光束，所述激光切割機(jī)射束路徑進(jìn)入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室內(nèi)。作為海底防噴器，所述防噴器還可具有:剪切閘板組件和第二桿閘板組件；其中所述環(huán)形防噴器、激光剪切閘板組件、剪切閘板組件、桿閘板組件和第二桿閘板組件構(gòu)成部件堆。
[0029]仍另外地，提供了一種激光輔助防噴器，其中所述激光切割機(jī)射束路徑朝向所述腔室的中心軸線方向延伸，其中所述腔室具有垂直軸線，并且所述激光切割機(jī)射束路徑與所述垂直軸線形成銳角，其中所述腔室具有垂直軸線，并且所述激光切割機(jī)射束路徑與所述垂直軸線形成鈍角，或者其中主體腔室具有垂直軸線，并且所述激光切割機(jī)射束路徑與所述垂直軸線形成約90度角。
[0030]而且，還提供了一種激光輔助防噴器，其中所述激光切割機(jī)能夠至少部分地繞所述腔室的軸線運(yùn)行，并且發(fā)射所述激光束。所述切割機(jī)還可具有第二激光切割機(jī)。這些激光輔助防噴器可被構(gòu)造成使得使用約1/2的軌道來完成管件的切口，使用約1/3的軌道來完成管件的切口，使用約1/4的軌道來完成管件的切口。[0031]此外，提供了一種激光輔助防噴器，其中所述激光切割機(jī)包含在閘板中。此外，所述閘板可具有行進(jìn)路徑，用于將所述閘板從所述第一位置移動(dòng)到所述第二位置，所述激光切割機(jī)射束路徑可橫向于所述閘板的行進(jìn)路徑，或者所述激光切割機(jī)射束路徑可平行于所述閘板的行進(jìn)路徑。
[0032]更進(jìn)一步地，提供了一種激光輔助防噴器，所述激光輔助防噴器具有:多個(gè)激光切割機(jī)，其中每個(gè)激光切割機(jī)均發(fā)射限定射束路徑的激光束，其中所述腔室基本上是圓形的；并且，所述多個(gè)激光切割機(jī)中的每個(gè)均相鄰，但不位于所述腔室中，并且射束路徑被構(gòu)造成輪輻狀構(gòu)造。
[0033]再進(jìn)一步地，提供了一種激光輔助防噴器，所述激光輔助防噴器具有:框架；與所述框架相關(guān)聯(lián)的防噴器堆，所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室形成在所述防噴器內(nèi)，用于使管件通過；以及激光輸送組件，所述激光輸送組件在未激活時(shí)被定位在所述腔室外側(cè)。
[0034]還提供了一種激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有:海底立管；防噴器堆，所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室用于使管件通過所述防噴器堆，其中所述腔室與所述海底立管以機(jī)械方式連通，其中管件可以從所述海底立管以及向所述海底立管通入到所述腔室中，以推進(jìn)出井眼；激光輸送組件；剪切閘板組件，其中所述激光輸送組件與所述剪切閘板組件以光學(xué)和機(jī)械方式關(guān)聯(lián)；從而，在激活后，激光輸送系統(tǒng)向位于防噴器腔室內(nèi)的管件輸送高功率激光束，導(dǎo)致切割所述管件，以減少所述管件會(huì)防止所述剪切閘板組件關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于所述激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，所述高功率激光束形成激光輸送模式來切斷位于所述防噴器腔室中的所述管件，其中所述高功率激光束形成激光輸送模式來削弱位于所述防噴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輸送模式來去除所述管件的兩個(gè)離散區(qū)域。
[0035]再進(jìn)一步地，提供了一種激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有:海底立管；防噴器堆；所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室用于使管件通過，其中用于所述防噴器堆的所述腔室與所述海底立管流體連通；激光輸送組件；以及剪切閘板組件，所述剪切閘板組件具有一對(duì)相對(duì)的剪切閘板，其中所述激光輸送組件與所述剪切閘板組件關(guān)聯(lián)。
[0036]而且，提供了一種具有激光輔助海底防噴器系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)，所述激光輔助海底防噴器系統(tǒng)用于在緊急情況期間快速切割位于防噴器中的管件，所述激光系統(tǒng)具有:立管，所述立管能夠操作地連接到海上鉆井平臺(tái)，并從海上鉆井平臺(tái)下降到海底處或接近海底的深度；防噴器，所述防噴器能夠操作地連接到所述立管，并由所述立管從所述海上鉆井平臺(tái)下降到海底；高功率激光器，所述高功率激光器與激光切割機(jī)光通信；以及激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)，從而所述激光切割機(jī)能夠下降到海底處或接近海底，并在激活后向位于所述防噴器內(nèi)的管件輸送高功率激光束。
[0037]另外，提供了一種具有激光輔助海底防噴器系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)，所述激光輔助海底防噴器系統(tǒng)用于在緊急情況期間快速切割位于防噴器中的管件，所述激光系統(tǒng)具有:立管，所述立管定位在海底處或接近海底的深度，其中所述立管操作地連接到海上鉆井平臺(tái)；防噴器，所述防噴器定位在海底處或接近海底，其中所述防噴器操作地連接到所述立管；高功率激光器，所述高功率激光器與激光切割機(jī)光通信；以及激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)并定位在海底處或接近海底，從而在激活后所述激光切割機(jī)向位于所述防噴器內(nèi)的管件輸送高功率激光束。[0038]仍另外地，提供了一種具有激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)，所述系統(tǒng)具有:立管，所述立管能夠操作地連接到海上鉆井平臺(tái)，并從海上鉆井平臺(tái)下降到海底處或接近海底的深度；防噴器，所述防噴器能夠操作地連接到所述立管，并由所述立管從所述海上鉆井平臺(tái)下降到海底；所述防噴器包括剪切閘板，所述剪切閘板能夠與管件的位于所述防噴器內(nèi)的區(qū)域以機(jī)械方式相互作用；所述剪切閘板與激光切割機(jī)關(guān)聯(lián)；高功率激光器，所述高功率激光器與所述激光切割機(jī)光通信；以及激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)；從而所述激光切割機(jī)能夠下降到海底處或接近海底，并且在激活后向位于所述防噴器內(nèi)的所述管件輸送高功率激光束，并向所述管件的與所述剪切閘板以機(jī)械方式相互作用的區(qū)域處或附近的區(qū)域輸送高功率激光束。
[0039]進(jìn)一步地，提供了一種能夠在超過5000英尺的水下鉆井的深水海上鉆井平臺(tái)，所述深水海上鉆井平臺(tái)具有與防噴器關(guān)聯(lián)的激光輸送組件以及用于快速切割位于防噴器堆中的管件的立管，所述海上鉆井平臺(tái)具有:提升裝置以及至少為20kW功率的高功率激光器；至少5000英尺的立管部分，所述立管部分能夠連接在一起并下降到海底處或接近海底的深度；防噴器，所述防噴器能夠操作地連接到所述立管并下降到海底；高功率激光器與激光切割機(jī)光通信；所述激光切割機(jī)以光學(xué)機(jī)械的方式與所述防噴器關(guān)聯(lián)；從而所述激光切割機(jī)能夠下降到海底處或接近海底，并在激活后向位于所述防噴器內(nèi)的管件輸送高功率激光束，并向所述管件上的擬定切割的區(qū)域輸送高功率激光束。并且進(jìn)一步地，所述鉆井平臺(tái)可具有提升裝置，所述提升裝置包括井架、絞車和頂驅(qū)。
[0040]再進(jìn)一步地，提供了一種海底防噴器堆，所述海底防噴器堆具有:閘板以及定位在所述堆內(nèi)的激光切割機(jī)；所述激光切割機(jī)具有用于輸送預(yù)定的激光束切割模式的裝置；從而所述預(yù)定的激光束切割模式對(duì)應(yīng)于管件的位于所述堆內(nèi)的待去除的區(qū)域。
[0041]還提供了一種通過使用激光輔助防噴器和立管來鉆探海底井的方法，所述方法包括:使用具有第二內(nèi)部腔室的立管將具有第一內(nèi)部腔室的激光輔助防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底，海底具有井眼；將所述防噴器緊固到所述井眼，從而所述井眼、所述第一內(nèi)部腔室和所述第二內(nèi)部腔室以流體和機(jī)械方式連通；以及通過將管件從所述海上鉆井平臺(tái)下降通過所述第二內(nèi)部腔室、所述第一內(nèi)部腔室并下降到所述井眼中來推進(jìn)所述井眼；其中所述激光輔助防噴器能夠執(zhí)行對(duì)存在于所述第一內(nèi)部腔室中的管件的激光切割。所述方法中使用的所述防噴器可以是激光輔助防噴器，所述激光輔助防噴器具有:框架；與所述框架關(guān)聯(lián)的防噴器堆；所述防噴器堆包括用于使管件通過的第三腔室，所述第三腔室至少是所述第一腔室的一部分；以及所述防噴器堆包括激光輸送組件，其中所述激光輸送組件在未激活時(shí)被定位在所述第一腔室和第三腔室外側(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明的激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
[0043]圖2是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0044]圖3A是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0045]圖3B是沿圖3A線4_4截取的圖3A中激光剪切閘板組件的一部分閘板的詳細(xì)剖視圖。
[0046]圖4A、4B、4C和4D是圖3A中激光剪切閘板組件的實(shí)施例的橫向剖視圖。[0047]圖5是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的橫向剖視圖。
[0048]圖6是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的橫向剖視圖。
[0049]圖7是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0050]圖8是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0051]圖9是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0052]圖10A、10B和IOC是本發(fā)明激光剪切閘板的具有激光切割機(jī)的部分的視圖。
[0053]圖1lAUlB和IlC是本發(fā)明另一激光剪切閘板的具有激光切割機(jī)的部分的視圖。
[0054]圖12A、12B和12C是本發(fā)明另一激光剪切閘板的具有激光切割機(jī)的部分的視圖。
[0055]圖13A、13B和13C是本發(fā)明另一激光剪切閘板的具有激光切割機(jī)的部分的視圖。
[0056]圖14是本發(fā)明的具有激光切割機(jī)的一對(duì)相對(duì)激光剪切閘板的平面示意圖。
[0057]圖15是本發(fā)明的在一個(gè)閘板中具有激光切割機(jī)的一對(duì)相對(duì)激光剪切閘板的平面示意圖。
[0058]圖16、17、18、19、20和21是本發(fā)明的激光輸送模式的示意圖。
[0059]圖22A是本發(fā)明的激光剪切閘板組件的另一實(shí)施例的局部剖切剖視圖。
[0060]圖22B、22C和22D是沿圖22A線B-B截取的圖22A中激光剪切閘板組件的實(shí)施例的橫向剖視圖。
[0061]圖23至23B是本發(fā)明的激光束路徑的示意圖。
[0062]圖24是與管件相互作用的激光剪切閘板的示意圖。
[0063]圖25是管件和激光剪切閘板的示意圖。
[0064]圖26是管件和激光剪切閘板的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0065]一般情況下，本發(fā)明涉及一種具有高功率激光束切割機(jī)的B0P，高功率激光束切割機(jī)與機(jī)械閉合設(shè)備結(jié)合用以管理井的條件，諸如壓力、流量或兩者。由此，舉例來說，在圖中I中示意性地示于了激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)150的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，提供了一種激光輔助防噴器(BOP)IOO。激光輔助B0P100具有保護(hù)BOP的框架101，具有起重和裝卸設(shè)備(未示出)、控制和連接模塊102以及在海底操作所利用的其它裝備和設(shè)備，這些在海上鉆井領(lǐng)域是眾所周知的，但在圖中未示出。本示例的激光輔助B0P100具有環(huán)形防噴器103、具有激光輸送組件的激光剪切閘板組件104、第一桿閘板105和第二桿閘板106。這種防噴器和閘板的組件也可以稱為激光輔助BOP堆。所述堆具有從其頂部125 (與水面124最近)到其底部126 (與海底108最近)穿過它的腔室或通路123。該通路123的直徑例如可以約為183/4"。通路123將具有通路或腔室壁127。
[0066]通常情況下，在深海鉆井操作中，使用21〃立管和183/4〃B0P。術(shù)語“21〃立管”是通用的，且涵蓋一般外直徑范圍為21〃的立管，并將包括例如具有211/4〃外直徑的立管。21〃立管的壁厚范圍可以從約5/8〃至7/8〃或以上。但是，立管和BOP可以在大小、類型和構(gòu)造上有所變化。立管可以具有的外直徑范圍從約133/8〃至約24"。BOP可以具有腔室，例如,孔的直徑范圍從約41/6〃至263/4"。例如，立管可以是常規(guī)桿立管、柔性桿立管、復(fù)合管結(jié)構(gòu)、鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?“SCR”)、頂部張緊立管、混合立管和海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知的或后來研發(fā)的其它類型立管。應(yīng)構(gòu)想使用直徑更小和更大的立管、不同類型和構(gòu)造的立管、具有更小和更大直徑腔室的BOP以及不同類型和構(gòu)造的BOP ;而且，本說明書的教導(dǎo)和發(fā)明不限制或不限于特定立管或BOP的大小、類型或構(gòu)造。
[0067]激光輔助B0P100的頂部125由柔性接頭115緊固到立管116。也可以被稱為“柔性連接器或球窩接頭”的柔性接頭115允許立管116相對(duì)于激光輔助B0P100呈一角度，由此容納立管116和鉆井平臺(tái)118在水面124上的一些移動(dòng)。立管116由立管張緊器117和海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它裝備(但在該圖中未示出)連接到鉆井平臺(tái)118。在本示例中示出為半潛式鉆井平臺(tái)的鉆井平臺(tái)118具有月池119、鉆臺(tái)120、井架121以及用于操作的其它鉆井及鉆井支撐裝備和設(shè)備，這是海上鉆井領(lǐng)域已知的，但在圖中未示出。雖然本實(shí)施例中示出的是半潛式鉆井平臺(tái)，但任何類型的海上鉆井平臺(tái)、船只或平臺(tái)可被利用，由此可擁有激光輔助BOP鉆井系統(tǒng)。
[0068]如圖1所示，在部署時(shí)，激光輔助B0P100附接至立管116，下降到海底108并緊固到井口 107。井口 107定位并固定到套管114，套管114已經(jīng)通過水泥113凝成于井眼112和較大直徑套管111中。較大直徑套管111通過水泥110凝成于較大直徑井眼109中。由此，舉例來說，套管114可以是20〃套管，而井眼112可以是26〃直徑的井眼；套管111可以是30〃套管，而井眼109可以是36〃直徑的井眼。從這點(diǎn)出發(fā)，一般地，在井眼中的所有鉆探活動(dòng)都通過立管和BOP來發(fā)生。
[0069]一般情況下，舉例來說，在部署期間，激光輔助BOP (諸如圖1的實(shí)施例)附接至立管，由海上鉆井平臺(tái)下降到海底并緊固到井口。井口定位并固定到已凝成于井眼中的套管。從這點(diǎn)出發(fā)，一般地，在井眼中的所有鉆探活動(dòng)都通過立管和BOP來發(fā)生。例如，這樣的鉆探活動(dòng)將包括:從海上鉆井平臺(tái)將鉆桿柱(在其端部具有鉆頭)下降到立管的干擾腔室之下，通過激光輔助BOP的腔室并進(jìn)入井眼中。由此，鉆柱將從水面上的海上鉆井平臺(tái)延伸到井眼的底部，潛在地為水面和海底以下數(shù)萬英尺。鉆頭，將是對(duì)井眼底部旋轉(zhuǎn)，同時(shí)鉆井泥漿泵送到鉆桿的內(nèi)部之下并離開鉆頭。鉆井泥漿將攜帶例如由旋轉(zhuǎn)鉆頭取出的井眼材料等鉆出物，升至位于井眼壁和鉆柱外直徑之間的環(huán)形空間，持續(xù)向上通過位于BOP腔室壁和鉆柱外直徑之間的環(huán)形空間，并繼續(xù)向上通過位于立管腔室內(nèi)直徑和鉆柱外直徑之間的環(huán)形空間，直到鉆井泥漿和鉆出物大體由鐘形殼體或在極端情況下由分流器引導(dǎo)，以在海上鉆井平臺(tái)上進(jìn)一步處理或裝卸。由此，鉆井泥漿部分地由立管和激光輔助BOP從海上鉆井平臺(tái)通過立管中的鉆柱而泵送到井眼的底部，并返回到鉆井船。
[0070]本發(fā)明的激光輔助B0P、例如圖1的激光輔助B0P100可用于控制并管理井中的壓力和流量?jī)烧?；也可用于管理并控制緊急情況，諸如井涌或潛在的井噴。環(huán)形防噴器、例如圖1的環(huán)形防噴器103例如具有可膨脹的封隔器，其密封BOP腔室123中的管件，防止材料流過在管件外直徑和激光輔助B0P100的內(nèi)部腔室壁127之間形成的環(huán)形空間。閘板、例如圖1的桿閘板105和106兩者均可具有兩個(gè)半圈狀?yuàn)A緊設(shè)備，其被驅(qū)動(dòng)在處于BOP腔室123中的管件外直徑上；或者其中一個(gè)可以是全封閘板，當(dāng)沒有管件時(shí)其可以密封腔室。
[0071]激光輔助B0P、例如圖1的激光輔助B0P100可包括激光剪切閘板組件，例如激光剪切閘板組件104。激光剪切閘板組件可以是針對(duì)緊急情況例如井涌或潛在的井噴的最后一道防線。一般情況下，激光剪切閘板組件使用激光束來切割或削弱管件，包括鉆鋌、桿接頭和底部鉆具組合，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或者有利于切割BOP中的管件的其它情況時(shí)，底部鉆具組合可存在于BOP腔室123中，使得閘板可以迅速而可靠地關(guān)閉整個(gè)BOP腔室123，以密封它并由此密封井。激光BOP應(yīng)當(dāng)包容可能存在于井中的壓力，并且例如應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受住5，000ps1、10，000ps1、15，OOOpsi的壓力，可優(yōu)選地為用于深海鉆井的20，OOOpsi或以上。由此，激光輔助BOP將具有當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或其它情況時(shí)可靠地且迅速地密封井的能力，而不論存在于BOP中的管件的厚度和類型。
[0072]在圖1中，立管和BOP沿鉆井立管BOP包(drilling riser BOP package)的線構(gòu)造，其中BOP定位在海底處或接近，通常附接至如鉆探活動(dòng)中看到的井口。無論是在陸地還是海上，本發(fā)明的已存在激光模塊、激光切割機(jī)、激光組件和激光-BOP組合應(yīng)用到其它類型的立管、立管-BOP包和活動(dòng)。由此，它們已經(jīng)應(yīng)用在鉆井、修井、服務(wù)、測(cè)試、干預(yù)和完成有關(guān)的活動(dòng)中。它們還應(yīng)用于表面B0P，例如，其中BOP定位在水面上方，并且立管從BOP延伸至海底，在立管中進(jìn)行鉆井；其中立管是生產(chǎn)立管，而其它構(gòu)造為本領(lǐng)域已知或以后研發(fā)。
[0073]激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)可具有單個(gè)高功率激光器，可優(yōu)選地可具有兩個(gè)或三個(gè)高功率激光器，并且可具有若干個(gè)高功率激光器，例如六個(gè)或以上。最好是高功率固態(tài)激光器，特別是半導(dǎo)體激光器和光纖激光器，因?yàn)樗鼈兊膯?dòng)時(shí)間短，尤其是即時(shí)啟動(dòng)能力。高功率激光器例如是具有10kW、20kW、50kW或以上功率的光纖激光器或半導(dǎo)體激光器，其發(fā)射的激光束的波長(zhǎng)可優(yōu)選地處于大約1550nm (納米)或1083nm范圍。優(yōu)選激光器特別是諸如光纖激光器等固態(tài)激光器的示例載于美國(guó)專利申請(qǐng)出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840,978中。一個(gè)或多個(gè)激光器可位于海上鉆井平臺(tái)上，在水面上方，并借助高功率長(zhǎng)距離激光傳送電纜光學(xué)連接到處于海底上的B0P，其優(yōu)選示例載于美國(guó)專利申請(qǐng)出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840,978中。激光傳送電纜可以包含在閘芯中，當(dāng)它們下降到海底時(shí)被解開并附接至BOP和立管。激光器也可以包含在BOP框架中或與之關(guān)聯(lián)，不需要長(zhǎng)距離的高功率光纜來將激光束從水面?zhèn)魉偷胶５字隆ｈb于激光剪切閘板需要操作的極端條件以及在它們的操作中需要高可靠性，一個(gè)這樣構(gòu)造的激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)應(yīng)具有至少一個(gè)位于海上鉆井平臺(tái)上的高功率激光器，并由高功率傳送電纜連接到bop ;并應(yīng)具有至少一個(gè)激光器，位于海底上的BOP框架中或與之關(guān)聯(lián)。
[0074]轉(zhuǎn)到圖2，示出了可用于BOP堆中的激光剪切閘板組件的實(shí)施例的示例。激光剪切閘板組件200具有主體201。主體201具有下剪切閘板202 (更接近井口)和上剪切閘板203，它們?cè)诩せ詈笥上禄钊M件205和上活塞組件206壓入到內(nèi)部腔室204中。激活后，剪切閘板202、203的配合表面207、208彼此接合并密封內(nèi)部腔室204，由此密封井。內(nèi)部腔室204具有內(nèi)部腔室壁227。還提供了激光輸送組件209。激光輸送組件209位于激光剪切閘板組件200的主體201中。激光輸送組件209可以例如是圍繞或部分地圍繞內(nèi)部腔室204的環(huán)形組件。該組件209位于剪切閘板202、203上方，即，位于進(jìn)一步背離井口的那偵U。激光輸送組件209與至少一個(gè)高功率激光源光學(xué)關(guān)聯(lián)。
[0075]在鉆井和其它活動(dòng)期間，管件(圖2中未示出)通常定位在內(nèi)部腔室204內(nèi)。環(huán)形空間形成在管件的外直徑和內(nèi)部腔室壁227之間。這些管件外直徑的尺寸范圍可以從約18〃降至幾英寸，特別地，通常范圍從約162/5 (16.04)"英寸至約5〃或以下。當(dāng)管件存在于腔室204中時(shí)，一旦激活激光剪切閘板組件200，則激光輸送組件209將高功率激光能量輸送到位于腔室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，以允許剪切閘板202、203迅速密封腔室204，如果管件完全被激光能量切斷，則將任何剩余管件部分移出剪切閘板的路線；或者如果只是被激光削弱，則切斷管件，并將被切斷的管件部分移出剪切閘板的路線。由此，激光剪切閘板組件200保證剪切閘板表面207、208接合、密封，由此密封BOP腔室204和井。
[0076]雖然在圖2的實(shí)施例的示例中示出了單個(gè)激光輸送組件，但可采用多個(gè)激光輸送組件、不同形狀的組件以及處于不同位置的組件。此外，也可采用使激光輸送組件位于剪切閘板下方即更接近井口一側(cè)的構(gòu)造，以及使激光輸送組件位于剪切閘板或BOP堆的其它部分或模塊上方、下方、內(nèi)部或它們的組合的構(gòu)造。激光能量切割、去除、削弱、結(jié)構(gòu)弱化或大幅削弱內(nèi)部腔室中的管件的能力使得能夠潛在地使用單個(gè)剪切閘板，否則可能必須或需要兩個(gè)剪切閘板；由此，在整體組裝中減少了移動(dòng)部件的數(shù)量，減輕了 BOP的重量，減少了 BOP的高度并減少了用于BOP的覆蓋面積，以及其它益處。此外，向管件的精確和預(yù)定的激光能量輸送模式的能力以及精確和預(yù)定地切入并切穿管子的能力提供了使剪切閘板切割并配合以匹配、互補(bǔ)方式構(gòu)造的表面的能力，或者提供了以其它方式用激光能量輸送模式更有效地工作的能力。由此，與激光能量輸送模式匹配或量身定制的剪切閘板構(gòu)造由本發(fā)明構(gòu)想出。此外，精確和預(yù)定地切入并切穿管件的能力即使在緊急情況下也提供了切斷管件而不是粉碎它的能力，以及提供了使管件的被切斷端部擁有預(yù)定形狀的能力，以協(xié)助稍后附接打撈工具來而從井眼回收被切斷的管件。此外，切斷管件而不是粉碎它的能力在被切斷管件的下部提供了更大的面積，即，更大的開口，通過它，鉆井泥漿或其它流體可以由與BOP堆相關(guān)聯(lián)的壓井線泵送到井中。
[0077]激光剪切閘板組件的主體可以是加工成容納激光輸送組件的單件，或者，它可以由以提供針對(duì)其擬定用途的足夠強(qiáng)度、特別是經(jīng)受住5，000pS1、10，000pS1、15，000pS1、20，OOOpsi和以上壓力的方式固定在一起的多件制成。主體的包含激光輸送組件的區(qū)域可被加工出來，或以其它方式制造成容納激光輸送組件，同時(shí)針對(duì)主體的擬定用途維持強(qiáng)度要求。激光剪切閘板組件的主體也可以是兩個(gè)或更多個(gè)分離部件或模塊，例如，一個(gè)部件或模塊用于激光輸送組件，另一個(gè)用于剪切閘板。這些模塊可以由例如螺栓連接的凸緣或海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它合適附接裝置彼此附接。主體或構(gòu)成主體的模塊可具有一個(gè)通路、多個(gè)通路、多個(gè)通道或其它這樣的結(jié)構(gòu)，以將用于從激光源傳送激光束的光纖電纜運(yùn)送到主體中，并運(yùn)送到激光輸送組件以及與操作或監(jiān)控激光輸送組件及其切割操作有關(guān)的其它電纜。
[0078]圖3A中，示出了可用于激光輔助BOP中的激光剪切閘板組件的實(shí)施例的示例。由此，示出了具有主體301的激光剪切閘板組件300。主體具有腔室304，該腔室具有中心軸線311 (虛線)和壁341。BOP腔室也具有垂直軸線，而在本實(shí)施例中，垂直軸線與中心軸線相同，這一般針對(duì)用于BOP的情況。(這些軸線的命名基于BOP的構(gòu)造，并且相對(duì)于BOP結(jié)構(gòu)本身，而不是BOP相對(duì)于地球表面的位置。由此，如果BOP例如被布置在其一側(cè)，則BOP的垂直軸線將不會(huì)改變)。通常情況下，腔室311的中心軸線與井口腔室或開口的中心軸線同軸，管件通過該井口腔室或開口插入到井眼中。
[0079]主體301包含并支撐下剪切閘板302和上剪切閘板303，所述閘板具有與之相關(guān)聯(lián)的活塞組件305和306。在操作中，活塞組件305、306驅(qū)動(dòng)閘板302、303朝向中心軸線311，接合、切割并移動(dòng)通過管件312，并且密封腔室304并由此密封井。主體301還具有饋通組件(feed-through assembly)313,用于管理壓力并允許在操作激光切割機(jī)時(shí)可能需要的光纖電纜和其它電纜、管、電線和運(yùn)送裝置插入到主體301中。主體收容了上激光輸送組件309和下激光輸送組件310。
[0080]轉(zhuǎn)到圖3B，示出了圖3A所示實(shí)施例的剪切閘板配合表面308、307的更詳細(xì)視圖。由此，上剪切閘板303的配合表面308具有上表面322、下表面323、面321、前緣319以及后緣320，該前緣介于下表面323和面321之間，該后緣介于上表面322和面321之間。下剪切閘板302的配合表面307具有上表面317、下表面318、面316、前緣314以及后緣315，該前緣介于上表面317和面316之間，該后緣介于面316和下表面318之間。
[0081]圖4A至4D是沿線4-4截取的圖3A和3B所示實(shí)施例的剖視圖，并示出了激光剪切閘板組件300在切割管件312以及密封腔室304方面的操作順序。在圖4A至4D中，還示出了激光閘板組件300的上激光輸送組件309的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。在本實(shí)施例中，下激光組件310可具有與上激光輸送組件309類似的部件和構(gòu)造。但是，下激光組件310可具有不同的構(gòu)造，并具有更多或更少的激光切割機(jī)。
[0082]激光輸送組件309具有四個(gè)激光切割機(jī)326、327、328和329。柔性支持電纜與每個(gè)激光切割機(jī)關(guān)聯(lián)。由此，柔性支持電纜331與激光切割機(jī)326關(guān)聯(lián)，柔性支持電纜332與激光切割機(jī)327關(guān)聯(lián)，柔性支持電纜333與激光切割機(jī)328關(guān)聯(lián)，而柔性支持電纜330與激光切割機(jī)329關(guān)聯(lián)。柔性支持電纜位于通道339中，并進(jìn)入饋通組件313。在饋通組件313的總體區(qū)域內(nèi)，支持電纜從柔性過渡到半柔性，并可進(jìn)一步包括在導(dǎo)管338中，以運(yùn)送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。柔性支持電纜330、331、332和333具有額外的或另外的長(zhǎng)度，其容納激光切割機(jī)326、327、328和329繞311軸線且繞管件312的軌道。
[0083]圖4A至4D示出激光剪切閘板組件300的激活順序，以切斷管件312并密封腔室304。在該示例中，圖4A中示出了順序的第一視圖(例如，急射，這是因?yàn)轫樞蚩蓛?yōu)選地是連續(xù)的而不是交錯(cuò)的或漸進(jìn)的)。由于被激活，四個(gè)激光切割機(jī)326、327、328和329分別射出激光束334、335、336和337。射束指向中心軸線311。因此，射束從BOP內(nèi)、從腔室壁341外側(cè)射出，并朝向BOP的中心軸線311行進(jìn)。激光束撞擊管件312，并開始切割，即，從管件312去除材料。如果將腔室304視為時(shí)鐘面，則激光切割機(jī)326、327、328和329可以視為最初分別定位于12點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和3點(diǎn)鐘位置。激活后，激光切割機(jī)及其各自的激光束，開始繞中心軸線311和管件312運(yùn)行。(在此構(gòu)造中，激光切割機(jī)隨著它們的運(yùn)行亦將繞其自己的軸線旋轉(zhuǎn)，由此，如果它們移動(dòng)通過一個(gè)完整的軌道，則它們也已移動(dòng)通過一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)。)在本示例中，切割機(jī)和射束沿逆時(shí)針方向繞行，如圖所示；但是，也可以使用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于射出激光束并發(fā)生沿軌道的繞行，所以剪切閘板303、302朝向彼此并朝向管件312驅(qū)動(dòng)。
[0084]由此，如順序的下一視圖所看到的，見圖4B，激光切割機(jī)326、327、328和329已旋轉(zhuǎn)45度，沿射束路徑334、335、336和337行進(jìn)的激光束已切穿管件312圓周的4個(gè)1/8部(即，總共一半)。然后，圖4C示出切割機(jī)已移動(dòng)通過四分之一圈。由此，在圖4C中，激光切割機(jī)，326、327、328和329已旋轉(zhuǎn)四分之一圈，其中激光束334、335、336和337已切穿管件312。由此，切割機(jī)326可以視為已經(jīng)從12點(diǎn)鐘位置移動(dòng)至9點(diǎn)鐘位置，其中其它切割機(jī)同樣已改變了它們各自的鐘面位置。進(jìn)一步示出了在接近并接合管件312時(shí)的上閘板的上表面322、后緣320、面321和前緣319，以及下閘板的上表面317和前緣314，以及激光束已切割的管件區(qū)域。
[0085]然后，圖4D示出了順序的最后視圖，其中激光切割機(jī)已被停用并不再射出它們的激光束，且剪切閘板密封接合。腔室304被完全填充，并被剪切閘板303、302阻塞。如圖4C中看到的，僅有上閘板303的上表面322、后緣320、面321和前緣319以及下閘板302的上表面317的一部分，上表面317的其它部分與閘板302的下表面323接合。
[0086]在切割操作期間，特別是針對(duì)旨在切斷管件的圓形切口，可優(yōu)選的是，管件不在垂直方向上移動(dòng)。由此，在發(fā)射激光切割機(jī)之時(shí)或之前，桿閘板、環(huán)形防噴器或單獨(dú)的保持設(shè)備應(yīng)被激活，以防止在激光切割操作期間桿的垂直移動(dòng)。
[0087]激光切割機(jī)的軌道運(yùn)動(dòng)速率取決于所使用切割機(jī)的數(shù)量、激光束在它撞擊待切割管件的表面時(shí)的功率、待切割管件的厚度、以及激光切割管件的速率。軌道運(yùn)動(dòng)的速率應(yīng)當(dāng)足夠低，以確?？梢酝瓿蓴M定的切表I]。
[0088]除了軌道切割機(jī)，激光束可以被掃描，例如以扇狀圖案移動(dòng)。以這種方式，射束路徑將沿待切割區(qū)域例如管件區(qū)域掃描，而切割機(jī)或至少切割機(jī)的基座仍處于固定位置。激光束的這種掃描可以例如通過關(guān)于固定點(diǎn)來回移動(dòng)切割機(jī)(例如像擺動(dòng)風(fēng)扇的移動(dòng))來完成。它也可通過使例如激光掃描儀的光學(xué)器件包含在掃描射束路徑的切割機(jī)內(nèi)來完成，由此激光束呈風(fēng)扇狀圖案。例如，旋轉(zhuǎn)的多面反射鏡或棱鏡可以用作掃描儀。但是，應(yīng)當(dāng)注意的是，該掃描過程總體上可能效率較低，在本說明書中提供了其它切割方法。也可采用用于射束路徑和激光束的另外掃描模式，以完成或解決特定的切割應(yīng)用或在BOP腔室中的管件構(gòu)造。
[0089]激光切割機(jī)的軌道運(yùn)動(dòng)或其它運(yùn)動(dòng)，可以通過本領(lǐng)域公知的機(jī)械、液壓和電氣-機(jī)械系統(tǒng)來完成。例如，切割機(jī)可以安裝到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)由位于BOP中的電池、來自表面的電纜或兩者供電。步進(jìn)電機(jī)還可具有與它們相關(guān)聯(lián)的控制器，該控制器可以被構(gòu)造為控制步進(jìn)電機(jī)，以執(zhí)行對(duì)應(yīng)于特定切割步驟的特定運(yùn)動(dòng)。可以采用凸輪操作系統(tǒng)，以通過切割運(yùn)動(dòng)或周期來移動(dòng)切割機(jī)。凸輪可以由電動(dòng)馬達(dá)、液壓馬達(dá)、液壓活塞或與前述器件組合來驅(qū)動(dòng)，以便在一個(gè)動(dòng)力裝置失效的情況下可優(yōu)選地提供備用系統(tǒng)以移動(dòng)切割機(jī)。齒輪箱、齒條齒輪組件或它們的組合可與電動(dòng)馬達(dá)、液壓馬達(dá)或活塞組件結(jié)合用于提供切割機(jī)移動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)可一體到諸如步進(jìn)電機(jī)控制組合等切割機(jī)動(dòng)力裝置，可成為BOP的一部分，如與其它控制系統(tǒng)包含在BOP上，或者它可位于平臺(tái)上，或與前述器件組合。
[0090]所使用術(shù)語“已完成的”切割和類似這樣的術(shù)語包括:將管件切斷成為兩部分，即，一直穿過壁并繞管件整個(gè)圓周的一個(gè)切口，以及在其中從管件去除足夠材料以充分地削弱管件的多個(gè)切口，以確保剪切閘板密封接合。取決于激光剪切閘板組件的特定構(gòu)造和BOP的擬定用途，已完成的切割可以是例如:將管件切斷成為兩個(gè)分離部分；繞管件外部去除一圈材料，從壁厚的約10%至約90% ;大量穿孔創(chuàng)建于壁中，但不貫通管件的壁；大量穿孔完全貫穿管件的壁；大量狹縫創(chuàng)建于壁中，但不貫通管件的壁；大量狹縫完全貫穿管件的壁；通過本說明書中所公開的射出模式來去除材料；或者，其它模式的材料去除和前述方式的組合。優(yōu)選的是，完整的切口在不到一分鐘內(nèi)做出，更可優(yōu)選的是，完整的切口在30秒或以下做出。
[0091]軌道運(yùn)動(dòng)的速率可以固定在針對(duì)最極端管件或管形組合完成切口所需要的速率，或是可變或預(yù)定的旋轉(zhuǎn)速率，以匹配將在特定鉆井操作期間存在于BOP中的特定管件或各類型管件。
[0092]在旋轉(zhuǎn)激光輸送組件中的激光切割機(jī)的數(shù)量越大，在相同量的時(shí)間內(nèi)可以完成切口的軌道運(yùn)動(dòng)速率越慢。此外，增加激光切割機(jī)的數(shù)量會(huì)減少完成管件的切口的時(shí)間，而不必增加軌道速率。增加激光束的功率將使管件的切割更迅速，從而允許更快的軌道速率、更少的激光切割機(jī)、更短的時(shí)間來完成切口或它們的組合。
[0093]本發(fā)明實(shí)施例的示例和說明中使用的激光切割機(jī)可以是任何合適的設(shè)備，用于輸送高功率激光能量。由此，可以采用用于使激光束聚焦的光學(xué)元件的任何構(gòu)造。但是，進(jìn)一步考慮到對(duì)流體和材料的光學(xué)效應(yīng)的管理，其可位于管件和BOP內(nèi)部腔室壁之間的環(huán)形空間內(nèi)。
[0094]舉例來說，這樣的鉆井流體可包括水、海水、鹽水、鹽溶液、鉆井泥漿、氮?dú)?、惰性氣體、柴油、薄霧、泡沫或烴類。也可能存在于由推進(jìn)井眼或其它井下操作而取出或創(chuàng)建的這些鉆井流體井眼鉆出物(例如碎片)中?？梢源嬖趦上嗔黧w和三相流體，其將構(gòu)成兩種或三種不同類型材料的混合物。這些鉆井流體可以干擾激光束切割管件的能力。這樣的流體可能不傳送、或可能僅部分地傳送激光束，由此當(dāng)激光束通過流體時(shí)干擾或降低激光束的功率。如果這些流體在流動(dòng)，則這樣的流動(dòng)可進(jìn)一步增加其非透過性。這些流體的非透過性和部分透過性可以由若干現(xiàn)象產(chǎn)生，包括但不限于:吸收、折射和散射。此外，非透過性和部分透過性可以并將可能依賴于激光束的波長(zhǎng)。
[0095]在183/4〃B0P中，即，腔室或孔的直徑約為183/4"，取決于位于腔室中的激光切割機(jī)的構(gòu)造和管件的大小，激光束需要通過超過6"的鉆井流體。在其它構(gòu)造中，激光切割機(jī)可接近或非常接近、鄰近待切割管件定位，并以維持此種接近的方式移動(dòng)。在這些構(gòu)造中，激光束在激光切割機(jī)和待切割管件之間行進(jìn)的距離可維持在約2"內(nèi)、小于約2"、小于約I"以及小于約1/2"，并維持在小于約3〃至小于約1/2〃以及小于約2〃至小于約1/2〃的范圍內(nèi)。
[0096]特別地，對(duì)于激光器具有比較長(zhǎng)的行進(jìn)距離、例如大于約1〃或2〃(但是這個(gè)距離可以或多或少地取決于激光功率、波長(zhǎng)和鉆井流體類型以及其它因素)的這些構(gòu)造和實(shí)施例，有利的是，使這樣的井眼流體的不利影響最小化，并基本上保證或確保:這樣的流體不干擾激光束的傳送；或者所使用激光功率足以克服傳送激光束通過這樣的流體可能發(fā)生的任何損失。為此，可以利用機(jī)械、壓力和噴射型系統(tǒng)，以減少、最大限度減少或基本消除鉆井流體在激光束上的影響。
[0097]例如，諸如封隔器和閘板等機(jī)械設(shè)備包括環(huán)形防噴器，可用于隔離要執(zhí)行激光切割的區(qū)域，舉例來說，鉆井流體通過插入惰性氣體、或諸如油或柴油燃料等透光流體而從該隔離區(qū)域去除。在此構(gòu)造中使用流體具有的附加優(yōu)點(diǎn)在于，它本質(zhì)上是不可壓縮的。而且，填充有透光流體(氣體或液體)的機(jī)械通氣管類(snorkel like)設(shè)備或管可在激光切割機(jī)和待切割管件之間延伸，或以其它方式布置在這之間的區(qū)域內(nèi)。以這種方式，激光束通過通氣管或管傳送到管件。
[0098]高壓氣體的噴射可以使用激光切割機(jī)和激光束?？梢允褂酶邏簹怏w射流來清除路徑，或用于激光束的部分路徑。該氣體可以是惰性的，或者它可以是空氣、氧氣或加速激光切割的其它類型氣體。所需的相對(duì)少量的氧氣以及它通過激光、金屬、氧氣相互作用由燃燒管件所消耗的極速應(yīng)當(dāng)不存在火災(zāi)或危及鉆井平臺(tái)、表面裝備、人員或海底部件。[0099]使用氧氣、空氣或使用非常高功率例如大于約IkW的激光束可以在切割區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建和維持等離子體泡沫或氣泡，這可以部分地或完全地取代激光束路徑中的鉆井流體。
[0100]可變閘板防噴器可與氧氣(或空氣)和激光切割機(jī)結(jié)合使用。由此，單個(gè)可變閘板可用于抓取和密封位于BOP腔室中的管件。可變閘板將形成位于閘板內(nèi)的小腔室，當(dāng)接合在管件上時(shí)，該腔室將圍繞管件。于是，該腔室可以通過使腔室通風(fēng)將其壓力下降到大氣壓或附近。在將包含在閘板內(nèi)的激光切割機(jī)發(fā)射之前，氧氣或空氣(或其它氣體或可透過液體)可以添加到腔室。以這種方式，可變閘板在其中將具有激光切割機(jī)，當(dāng)與管件接合時(shí)形成隔離腔室，并提供了以最小的干擾從鉆井流體中迅速切割管件的手段。如果希望更大的隔離腔室，或者如果需要另外的空間用于激光切割機(jī)，也可以使用兩個(gè)可變閘板，一個(gè)在另一個(gè)之上。而且，雖然腔室可以通風(fēng)到大氣壓力或附近，但可維持增加的壓力，例如在它被切割時(shí)減少或減緩從管件內(nèi)涌入任何鉆井流體。
[0101] 具有單個(gè)液體流的高壓激光液體射流可以使用激光切割機(jī)和激光束。針對(duì)激光束，用于噴射的液體應(yīng)當(dāng)是可透過的或者至少基本可透過的。在這種類型的射流激光束組合中，激光束可與射流同軸。但是，這種構(gòu)造具有的缺點(diǎn)和問題在于，流體射流不充當(dāng)波導(dǎo)管。該單個(gè)射流構(gòu)造具有的另一缺點(diǎn)和問題在于，射流必須既提供力來保持鉆井流體遠(yuǎn)離激光束，又要提供介質(zhì)用于傳送射束。
[0102]復(fù)合流體激光射流可用作激光切割機(jī)。復(fù)合流體射流具有由環(huán)形外射流圍繞的內(nèi)芯射流。激光束由光學(xué)器件引導(dǎo)到芯部射流中，并由芯部射流傳送，其充當(dāng)波導(dǎo)管。單個(gè)環(huán)形射流可以圍繞芯部，或者可以采用多個(gè)嵌套的環(huán)形射流。因此，復(fù)合流體射流具有芯部射流。該芯部射流由第一環(huán)形射流圍繞。該第一環(huán)形射流也可以由第二環(huán)形射流圍繞；而第二環(huán)形射流可以由第三環(huán)形射流圍繞，第三環(huán)形射流可以由另外的環(huán)形射流圍繞。外環(huán)形射流的功能是保護(hù)內(nèi)芯射流免受在BOP腔室壁和管件之間環(huán)形空間中存在的鉆井流體的影響。芯部射流和第一環(huán)形射流應(yīng)當(dāng)由具有不同折射率的流體制成。在復(fù)合射流只有芯部和圍繞該芯部的環(huán)形射流的情況下，由芯部組成的流體的折射率應(yīng)當(dāng)大于由環(huán)形射流組成的流體的折射率。以這種方式，折射率的差異使復(fù)合流體射流的芯部充當(dāng)波導(dǎo)管，保持激光束包含在芯部射流內(nèi)，并在芯部射流中傳送激光束。此外，在該構(gòu)造中，激光束(如果有的話)不會(huì)明顯地離開芯部射流并進(jìn)入環(huán)形射流。
[0103]組成復(fù)合流體射流的各種射流的壓力和速度可以依賴于應(yīng)用和使用環(huán)境而有所不同。由此，舉例來說，壓力范圍可以從約3000psi至約4000psi至約30，OOOpsi,可優(yōu)選地約為70，OOOpsi至更大的壓力。芯部射流和(一個(gè)或多個(gè))環(huán)形射流可以壓力相同或壓力不同，芯部射流可以壓力更高或環(huán)形射流可以壓力更高?？蓛?yōu)選地，芯部射流的壓力高于環(huán)形射流。舉例來說，在多射流構(gòu)造中，芯部射流可以為70，000?81，第二環(huán)形射流(這是與芯部和第三環(huán)形射流相鄰定位)可以為60，OOOpsi，而第三(在外部，與第二環(huán)形射流相鄰定位，并與工作環(huán)境介質(zhì)接觸)環(huán)形射流可以為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環(huán)形射流的速度，環(huán)形射流的速度可以大于芯部射流的速度，而多個(gè)環(huán)形射流的速度可以不同或相同。芯部射流和環(huán)形射流的速度可以選擇，使得芯部射流不接觸鉆井流體，或使這樣的接觸最小化。射流的速度范圍可以從相對(duì)緩慢到非?？?，可優(yōu)選的速度范圍從約lm/s (米/秒)至約50m/s、約200m/s、約300m/s及以上。首先形成射流的次序可以是:芯部射流第一其次為環(huán)形圈，環(huán)形圈射流第一其次為芯部，或者同時(shí)形成芯部射流和環(huán)形圈。為了最大限度地減少或消除芯部與鉆井流體的相互作用，環(huán)形射流首先創(chuàng)建，其次為芯部射流。
[0104]在選擇用于形成射流的流體以及確定用于流體的折射率的差異量時(shí)，激光束的波長(zhǎng)和激光束的功率是應(yīng)當(dāng)考慮的因素。由此，例如對(duì)于波長(zhǎng)在1080nm(納米)范圍內(nèi)的高功率激光束，芯部射流可以由具有約1.53折射率的油制成，而環(huán)形射流可以由具有從約1.33至約1.525的折射率的油水混合物制成。由此，分別地，用于該構(gòu)造的芯部射流將具有從約0.95至約0.12的NA (數(shù)值孔徑)。這種復(fù)合流體激光射流的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)、說明和示例含在2010年8月31日提交的Zediker等人的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列N0.61/378,910中，標(biāo)題為“波導(dǎo)激光射流及使用方法(Waveguide Laser Jet and Methods of Use)”,其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。應(yīng)當(dāng)注意的是，所述通過引用并入本文未提供任何權(quán)限來實(shí)踐或使用所述申請(qǐng)的發(fā)明或者可由此頒予的任何專利，并且不應(yīng)據(jù)此授予或引起任何許可。
[0105]除了使用高功率激光束來切割管件，可在BOP堆中利用其它形式的定向能或手段來提供對(duì)管件的切割。這樣的定向能手段將包括等離子切割機(jī)、電弧切割機(jī)、大功率水射流和顆粒水射流。但是，這些手段中的每個(gè)相比于高功率激光能量都具有缺點(diǎn)。特別地，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，并基本上潛在地對(duì)BOP系統(tǒng)部件的損害更小。不過，使用這些其它的不太理想的手段應(yīng)由本發(fā)明在本文中構(gòu)想為定向能手段，以切割位于BOP腔室內(nèi)的管件。
[0106]激光束接觸管件的角度可由激光切割機(jī)內(nèi)的光學(xué)器件確定，或者它可由激光切割機(jī)本身的角度或位置確定。在圖23中，示出了激光切割機(jī)2300的示意圖，其中光路2301以各種角度離開切割機(jī)。當(dāng)激光束傳播時(shí)，例如發(fā)射或從激光切割機(jī)射出，激光束將沿射束路徑行進(jìn)。相對(duì)于BOP腔室垂直軸線(虛線)2311進(jìn)一步示出了射束路徑。如圖23A和23B的放大視圖所看到的，相對(duì)于軸線2311的離井口連接側(cè)2310最遠(yuǎn)的部分，射束路徑2301與垂直軸線2311形成的角度以及由此沿該射束路徑行進(jìn)的激光束與垂直軸線2311形成的角度可以是銳角2305或鈍角2306。也可以利用法線或90°角。圖中所示的BOP井口連接側(cè)2310作為用于本文所用的角度確定的參考點(diǎn)。
[0107]激光切割機(jī)具有排出端，激光束從該排出端傳播。激光切割機(jī)還具有光路。射束路徑由激光束擬占據(jù)的路徑限定，并從激光切割機(jī)的排出端延伸至待切割的材料或區(qū)域；且潛在地超出。
[0108]在射束路徑(激光束沿該射束路徑行進(jìn))和BOP垂直軸線之間的角度，總體對(duì)應(yīng)于射束路徑和激光束將撞擊存在于BOP腔室中的管件時(shí)的角度。但是，最好使用基于BOP以確定角度的參考點(diǎn)，因?yàn)楣芗赡芤莆?，或者在有接頭或損壞管件的情況下，存在的表面具有與BOP腔室中心軸線不平行的變化平面。
[0109]因?yàn)樵诩す馐虰OP垂直軸線之間形成的角度可以變化并可以預(yù)先確定，所以激光切割機(jī)的位置，或者更具體地激光束離開切割機(jī)的點(diǎn)并不一定要與待切割區(qū)域正交。由此，激光切割機(jī)位置或射束發(fā)射角可以使得激光束從以下處行進(jìn):待切割區(qū)域的上方，這將導(dǎo)致在激光束和BOP垂直軸線之間形成銳角；與待切割區(qū)域同一水平，這將導(dǎo)致在激光束和BOP垂直軸線之間形成90°角；或待切割區(qū)域下方，這將導(dǎo)致在激光束和BOP腔室垂直軸線之間形成鈍角。以這種方式，可以評(píng)估和改進(jìn)閘板的形狀、閘板的表面、閘板施加的力和由激光切割的區(qū)域的位置之間的關(guān)系，以針對(duì)特定應(yīng)用來優(yōu)化這些因素的關(guān)系。[0110]預(yù)先確定激光束與BOP垂直軸線所形成角度的能力提供了為被切斷管件的端部擁有具體和預(yù)定形狀的能力。由此，如果激光束來自切割區(qū)域的上方，則在被切斷管件的下段的上端可以切出向內(nèi)的錐形。如果激光束來自待切斷區(qū)域的下方，則在被切斷管件的下段的上端可以切出向外的錐形。如果激光束來自切割區(qū)域的相同水平，則在被切斷管件的端部將不會(huì)切出錐形。用于被切斷的下管件的這些各種端部形狀也許利于將各種類型的打撈工具附接至該管件，以在以后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)從井里取出它。
[0111]在本發(fā)明的構(gòu)造中利用的激光切割機(jī)的數(shù)量可以是單個(gè)切割機(jī)、兩個(gè)切割機(jī)、三個(gè)切割機(jī)，直至并包括12個(gè)或12個(gè)以上的切割機(jī)。如上面所討論的，切割機(jī)的數(shù)量取決于若干因素，而用于任何特定構(gòu)造和最終用途的切割機(jī)的最佳數(shù)量可基于最終用途的要求以及本說明書中提供的公開內(nèi)容和教導(dǎo)來確定。
[0112]基于公布數(shù)據(jù)的激光功率、能量密度和切割速率的示例載于表1中。
[0113]表1
[0114]
【權(quán)利要求】
1.一種防噴器堆，所述防噴器堆包括: 閘板，所述閘板可從第一位置移動(dòng)到第二位置；以及 激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)用于發(fā)射限定射束路徑的激光束，所述激光切割機(jī)相對(duì)于所述閘板定位并面向形成在所述堆內(nèi)的腔室，其中所述射束路徑進(jìn)入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的防噴器堆，還包括閘板防噴器，其中所述閘板防噴器是剪切閘板組件，并且所述堆還包括: a.環(huán)形防噴器組件； b.桿閘板組件；以及 c.環(huán)形防噴器組件，剪切閘板組件和桿閘板組件共用所述腔室，所述腔室具有一軸線。
3.如權(quán)利要求2所述的防噴器堆，其中，所述射束路徑相交所述腔室的軸線。
4.如權(quán)利要求2所述的防噴器，包括與所述腔室相鄰定位的激光切割機(jī)屏蔽件，其中所述激光切割機(jī)屏蔽件保護(hù)所述激光切割機(jī)免受損壞，而不會(huì)明顯地干擾管件通過所述腔室的運(yùn)動(dòng)。
5.一種防噴器，所述防噴器包括: a.激光切割機(jī)； b.閘板防噴器，所述閘板防噴器包括一對(duì)相對(duì)的閘板； c.腔室，所述腔室位于堆內(nèi)，用于使管件通過； d.所述激光切割機(jī)具有射束路徑； e.所述閘板能夠移動(dòng)到所述腔室中； f.位于所述腔室內(nèi)的區(qū)域，用于將所述閘板與管件接合；以及 g.所述射束路徑定位在所述激光切割機(jī)和位于所述腔室內(nèi)用于將所述閘板與所述管件接合的所述區(qū)域之間。
6.一種激光輔助防噴器，所述激光輔助防噴器包括: a.環(huán)形防噴器； b.桿閘板組件；以及 c.激光剪切閘板組件，所述激光剪切閘板組件包括: 1.閘板，所述閘板可從第一位置移動(dòng)到第二位置；以及 i1.激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)相對(duì)于所述閘板定位并面向在所述激光輔助防噴器內(nèi)形成的腔室，其中所述激光切割機(jī)發(fā)射限定激光切割機(jī)射束路徑的激光束，所述激光切割機(jī)射束路徑進(jìn)入到所述腔室中，并且所述第二位置位于所述腔室內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的激光輔助防噴器，其中，所述防噴器是海底防噴器，所述海底防噴器包括:剪切閘板組件和第二桿閘板組件；其中所述環(huán)形防噴器、激光剪切閘板組件、剪切閘板組件、桿閘板組件和第二桿閘板組件構(gòu)成部件堆。
8.如權(quán)利要求6所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光切割機(jī)射束路徑朝向所述腔室的中心軸線方向延伸。
9.如權(quán)利要求6所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光切割機(jī)能夠至少部分地繞所述腔室的軸線運(yùn)行，并且發(fā)射所述激光束。
10.如權(quán)利要求9所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光輔助防噴器使用約1/2的軌道來完成管件的切口。
11.如權(quán)利要求9所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光輔助防噴器使用約1/3的軌道來完成管件的切口。
12.如權(quán)利要求9所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光輔助防噴器使用約1/4的軌道來完成管件的切口。
13.如權(quán)利要求6所述的激光輔助防噴器，包括:第二切割機(jī)，所述第二切割機(jī)發(fā)射限定第二激光切割機(jī)射束路徑的第二激光束，其中所述腔室基本上是圓形的；并且，所述激光切割機(jī)和第二激光切割機(jī)中的每個(gè)均相鄰，但不位于所述腔室中，并且所述激光切割機(jī)射束路徑和弟二激光切IllJ機(jī)射束路徑被構(gòu)造成輪福狀構(gòu)造。
14.一種激光輔助防噴器，所述激光輔助防噴器包括: a.框架； b.與所述框架相關(guān)聯(lián)的防噴器堆，所述防噴器堆包括: 1. 腔室，所述腔室形成在所述防噴器內(nèi)，用于使管件通過；以及 i1.激光輸送組件，所述激光輸送組件在未激活時(shí)被定位在所述腔室外側(cè)。
15.如權(quán)利要求14所述的激光輔助防噴器，其中，所述激光輸送組件包括: a.激光切割機(jī),所述激光切割機(jī)具有相關(guān)聯(lián)的射束路徑； b.所述激光切割機(jī)與剪切閘板一體；以及 c.所述射束路徑被引導(dǎo)到所述腔室中。
16.如權(quán)利要求14所述的激光輔助防噴器，其中，用于使管件通過的所述腔室具有垂直軸線，并且所述激光輸送組件包括: a.第一激光切割機(jī)，所述第一激光切割機(jī)具有指向所述腔室的第一射束路徑； b.第二激光切割機(jī)，所述第二激光切割機(jī)具有指向所述腔室的第二射束路徑； c.第一激光切割機(jī)或第二激光切割機(jī)中的至少一個(gè)被包含在剪切閘板中；以及 d.第一射束路徑或第二射束路徑中的至少一個(gè)指向所述垂直軸線。
17.—種激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: a.海底立管； b.防噴器堆，所述防噴器堆包括: 1.腔室，所述腔室用于使管件通過所述防噴器堆，其中所述腔室與所述海底立管以機(jī)械方式連通，其中管件可以從所述海底立管以及向所述海底立管通入到所述腔室中，以推進(jìn)出井眼； ii?激光輸送組件； ii1.剪切閘板組件，其中所述激光輸送組件與所述剪切閘板組件以光學(xué)和機(jī)械方式關(guān)聯(lián)； c.從而，在激活后，激光輸送系統(tǒng)向位于防噴器腔室內(nèi)的管件輸送高功率激光束，導(dǎo)致切割所述管件，以減少所述管件會(huì)防止所述剪切閘板組件關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。
18.如權(quán)利要求17所述的激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，其中，所述高功率激光束形成激光輸送模式來切斷位于所述防噴器腔室中的所述管件。
19.如權(quán)利要求17所述的激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，其中，所述高功率激光束形成激光輸送模式來削弱位于所述防噴器腔室中的所述管件。
20.如權(quán)利要求17所述的激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)，其中，所述高功率激光束形成激光輸送模式來去除所述管件的兩個(gè)離散區(qū)域。
21.一種激光剪切閘板組件，所述激光剪切閘板組件包括: a.主體； b.所述主體限定出具有垂直軸線的腔室，從而所述腔室能夠接受管件，以推進(jìn)或從井眼去除所述管件； c.具有第一活塞組件的第一剪切閘板，從而在激活所述第一活塞組件時(shí)，所述第一活塞組件能夠?qū)⑺龅谝患羟虚l板移動(dòng)到所述主體的腔室中； d.具有第二活塞組件的第二剪切閘板，從而在激活所述第二活塞組件時(shí)，所述第二活塞組件能夠?qū)⑺龅诙羟虚l板移動(dòng)到所述主體的腔室中；以及 e.激光輸送組件，從而在激活時(shí)，所述激光輸送組件能夠?qū)⒓す馐鴤鞑サ剿銮皇抑小?br> 22.如權(quán)利要求21所述的激光剪切閘板組件，其中，所述激光輸送組件包括用于向所述管件輸送預(yù)定的激光束模式的裝置。
23.一種具有激光輔助海底防噴器系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)，所述激光輔助海底防噴器系統(tǒng)用于在緊急情況期間快速切割位于防噴器中的管件，所述激光系統(tǒng)包括: a.立管，所述立管能夠操作地連接到海上鉆井平臺(tái)，并從海上鉆井平臺(tái)下降到海底處或接近海底的深度； b.防噴器，所述防噴器能夠操作地連接到所述立管，并由所述立管從所述海上鉆井平臺(tái)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約15kW的功率，與激光切割機(jī)光通信；以及 d.激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)，從而所述激光切割機(jī)能夠下降到海底處或接近海底，并在激活后向位于所述防噴器內(nèi)的管件輸送高功率激光束。
24.一種具有激光輔助海底防噴器系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)，所述激光輔助海底防噴器系統(tǒng)用于在緊急情況期間快速切割位于防噴器中的管件，所述激光系統(tǒng)包括: a.立管，所述立管定位在海底處或接近海底的深度，其中所述立管操作地連接到海上鉆井平臺(tái)； b.防噴器，所述防噴器定位在海底處或接近海底，其中所述防噴器操作地連接到所述立管； c.高功率激光器，所述高功率激光器與激光切割機(jī)光通信；以及 d.激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)并定位在海底處或接近海底，從而在激活后，所述激光切割機(jī)向位于所述防噴器內(nèi)的管件輸送高功率激光束。
25.一種具有激光輔助海底防噴器鉆井系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)， 所述系統(tǒng)包括: a.立管，所述立管能夠操作地連接到海上鉆井平臺(tái)，并從海上鉆井平臺(tái)下降到海底處或接近海底的深度； b.防噴器，所述防噴器能夠操作地連接到所述立管，并由所述立管從所述海上鉆井平臺(tái)下降到海底； c.所述防噴器包括剪切閘板，所述剪切閘板能夠與管件的位于所述防噴器內(nèi)的區(qū)域以機(jī)械方式相互作用； d.所述剪切閘板與激光切割機(jī)關(guān)聯(lián)； e.高功率激光束源，所述高功率激光束源具有至少約5kW的功率，與所述激光切割機(jī)光通信；以及 f.激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)與所述防噴器和立管操作地關(guān)聯(lián)；從而所述激光切割機(jī)能夠下降到海底處或接近海底，并且在激活后向位于所述防噴器內(nèi)的所述管件輸送高功率激光束，并向所述管件的與所述剪切閘板以機(jī)械方式相互作用的區(qū)域處或附近的區(qū)域輸送高功率激光束。
26.一種海底防噴器堆，所述海底防噴器堆包括:閘板以及定位在所述堆內(nèi)的激光切割機(jī)；所述激光切割機(jī)具有用于輸送預(yù)定的激光束切割模式的裝置；從而所述預(yù)定的激光束切割模式對(duì)應(yīng)于管件的位于所述堆內(nèi)的待去除的區(qū)域。
27.一種通過使用激光輔助防噴器和立管來鉆探海底井的方法，所述方法包括: a.使用具有第二內(nèi)部腔室的立管將具有第一內(nèi)部腔室的激光輔助防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底，海底具有井眼； b.將所述防噴器緊固到所述井眼，從而所述井眼、所述第一內(nèi)部腔室和所述第二內(nèi)部腔室以流體和機(jī)械方式連通；以及 c.通過將管件從所述海上鉆井平臺(tái)下降通過所述第二內(nèi)部腔室、所述第一內(nèi)部腔室并下降到所述井眼中來推進(jìn)所述井眼； d.其中，所述激光輔助防噴器能夠執(zhí)行對(duì)存在于所述第一內(nèi)部腔室中的管件的激光切`割。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述激光輔助防噴器包括: a.框架； b.與所述框架關(guān)聯(lián)的防噴器堆； c.所述防噴器堆包括用于使管件通過的第三腔室，所述第三腔室至少是所述第一腔室的一部分；以及 d.所述防噴器堆包括激光輸送組件，其中所述激光輸送組件在未激活時(shí)被定位在所述第一腔室和第三腔室外側(cè)。
【文檔編號(hào)】E21B33/06GK103492668SQ201280019899
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月24日
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