剪切激光器模塊及改造和使用的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率剪切激光器模塊，它可以很容易地包括在防噴器組中。剪切激光器模塊能夠向位于防噴器腔內(nèi)的管件輸送高功率激光能量，切割管件，從而減少管件會(huì)抑制防噴器密封井的能力的可能性。
【專利說明】剪切激光器模塊及改造和使用的方法
【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?。由此，特別地，本發(fā)明涉及用于海底防噴器組的新型剪切激光器模塊以及用這些剪切激光器模塊改造現(xiàn)有的防噴器組的方法，并使用這樣的設(shè)備來管理并控制海上鉆井活動(dòng)。
[0002]如本文中所使用的，除非另有說明，術(shù)語“防噴器”、“B0P”和“B0P組”應(yīng)賦予其最廣泛的可能性含義，并包括:(i )定位在井眼表面例如海底處或附近的設(shè)備，其用于容置或管理與井眼相關(guān)聯(lián)的壓力或流量；(ii )用于容置或管理位于井眼中的與海底立管相關(guān)聯(lián)的壓力或流量的設(shè)備；(iii)具有任何數(shù)量的閘、閥或彈性封隔器(elastomeric packers)和它們的組合以控制或管理井眼壓力或流量的設(shè)備；(iv)海底BOP組，該組可以包含例如閘板剪切(ram shears)、半封閘板(pipe rams)、全封閘板(blind rams)和環(huán)形防噴器；以及(V)流量和壓力管理設(shè)備的其它這種類似組合和組件，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，除非另有說明，“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，除非另有說明，術(shù)語“海上鉆井平臺(tái)(offshoredrilling 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，除非另有說明，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，除非另有說明，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，并包括將位于水體表面處、水體表面上或水體表面上方的、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、海底上或海底附近的結(jié)構(gòu)、用于諸如鉆井、生產(chǎn)、修井、服務(wù)、井服務(wù)、干預(yù)和完井等活動(dòng)的的任何管件。
[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)管段或單根管。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)鉆桿段。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)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)百個(gè)鉆桿段。[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，并包括用于或能夠用于鉆井行業(yè)中的鉆桿、套管、立管、盤管、復(fù)合管、生產(chǎn)油管、真空隔熱油管(VIT)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裝置、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，除非另有說明，“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，除非另有說明，“很的的距離”意指至少約500m (米)。如本文中所使用的，術(shù)語“功率的顯著損耗”、“顯著的功率損耗”及類似這樣的短語意指對(duì)選定波長而言大于約3.0dB/km (分貝/公里)的功率損失。如本文中所使用的，術(shù)語“顯著的功率傳遞”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)已經(jīng)朝著越來越深的水域前進(jìn)。如今，深度為5，000ft、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)定級(jí)為用于在大于1，OOOft (英尺)的水深中鉆井，而在這些鉆機(jī)中有超過190臺(tái)鉆機(jī)定級(jí)為用于在大于5，OOOft的水深中鉆井，并且在這些鉆機(jī)中有超過90臺(tái)鉆機(jī)定級(jí)為用于在10，OOOft的水深中鉆井。當(dāng)在這些深、非常深和超深的深度處鉆井時(shí)，鉆探裝備要承受在大洋該深度處出現(xiàn)的極端條件，包括海底處的巨大壓力和低溫。
[0009]此外，這些深水鉆探裝置能夠推進(jìn)可以處于10，000ft、20，000ft、30，OOOft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。為了應(yīng)對(duì)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，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，以延長井眼的總深度。由此，隨著整體井眼變得越深，其直徑變得越??；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，舉例來說，海底鉆井過程的起始階段可總體說明如下。一旦鉆井裝置定位在要發(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)凝置到位。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)，延伸的井眼的深度達(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"套管凝置到位。20"套管具有與之固定的井口。(在其它操作中，可鉆制額外的更小直徑井眼，并將更小直徑的套管插入到該井眼中，其中井口被固定到該更小直徑套管。)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連同其它裝備和過程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)械裝置的組，其具有延伸通過這些裝置的相連內(nèi)腔。管件從海上鉆井平臺(tái)沿立管推進(jìn)，通過BOP腔并進(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腔傳送向上到立管，而到達(dá)海上鉆井平臺(tái)。BOP組通常具有環(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)形防噴器也可以用于或者能夠密封腔。當(dāng)被啟動(dòng)時(shí)，該封隔器抵靠密封處于BOP腔中的管件，防止材料流過在管件外直徑和BOP腔的壁之間形成的環(huán)形空間。BOP組通常還具有半封閘板防噴器，并可具有一個(gè)以上的半封閘板防噴器。半封閘板防噴器通常是兩個(gè)半圓狀?yuàn)A緊裝置，其被驅(qū)動(dòng)抵靠位于BOP腔中的管件的外直徑。半封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腔壁之間的環(huán)形空間。全封閘板防噴器也可包含在BOP組中，當(dāng)不存在管件時(shí)，這些閘板可以密封腔。
[0013]半封閘板防噴器和環(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會(huì)回流，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，閘板和環(huán)形防噴器圍繞管件可能不能形成足夠強(qiáng)的密封來防止流過管件和BOP腔之間的環(huán)形空間。由此，BOP組包括機(jī)械剪切閘板組件。(如本文中所使用的，除非另有說明，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腔從而密封BOP腔。這些閘板旨在切穿BOP腔中的、將會(huì)潛在地阻礙剪切閘板完全密封BOP腔的任何管件。
[0014]BOP組可以具有許多不同的構(gòu)造和部件，這取決于在布設(shè)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(全封或半封)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組，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5，OOOpsi的額定工作壓力；B0P組，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組，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。
[0015]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、桿接頭和井下鉆具組合。隨著管件的強(qiáng)度、厚度和韌性增加，特別是深的、非常深的和超深的水域鉆井的管件，對(duì)于更強(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記載于:West Engineering Services公司，“用于美國礦產(chǎn)管理服務(wù)的迷你剪切研究(Mini Shear Study for U.S.Minerals ManagementServices)”(申請(qǐng)?zhí)?N0.2-1011-1003,2002 年 12 月)；West Engineering Services 公司，“用于美國礦產(chǎn)管理服務(wù)的剪切閘板能力研究(Shear Ram Capabilities Study forU.S.Minerals Management Services)”(申請(qǐng)?zhí)?N0.3-4025-1001,2004 年 9 月)；以及Barringer & Associates 公司，“所需的剪切閘板防噴器力(Shear Ram Blowout PreventerForces Required)” (2010 年 6 月 6 日，2010 年 8 月 8 日修訂)。
[0016]為了試圖滿足這些正在進(jìn)行的且日益重要的需求，BOP已經(jīng)變得更大、更重且更復(fù)雜。由此，已經(jīng)提出了具有兩個(gè)環(huán)形防噴器、兩個(gè)剪切閘板和六個(gè)半封閘板的BOP組。這些BOP可重達(dá)數(shù)百噸，并高達(dá)50英尺高或更高。但是，對(duì)于較舊的鉆井平臺(tái)，BOP不斷增加的尺寸和重量呈現(xiàn)出顯著的問題。許多現(xiàn)有的海上平臺(tái)不具備甲板空間、起重能力，或者出于其它原因，不具備處置和使用這些更大更復(fù)雜的BOP組的能力。
[0017]高功率激光束傳送
[0018]在共同
【發(fā)明者】Mark Zediker博士和在位于Littleton CO的Foro Energy公司與他共事的同事作出的近期突破之前，有人認(rèn)為，高功率激光能量在很大的距離傳送而沒有大幅功率損耗是無法得到的。他們?cè)诟吖β始す饽芰總魉头矫?，特別是在大于5kW功率水平，部分地載于新穎的和創(chuàng)新的教導(dǎo)中，其包含在美國專利申請(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RinzIer等人的待審美國專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840,978中。這三個(gè)美國專利申請(qǐng)公開的內(nèi)容，在參考或涉及高功率激光能量傳送以及用于實(shí)現(xiàn)這種傳送的激光器、光纖和線纜結(jié)構(gòu)的程度上，通過引用并入本文。要指出的是，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。
[0019]高功率激光器之于BOP和立管的利用和應(yīng)用載于美國專利申請(qǐng)序列N0.13/034，175,13/034, 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】

[0020]在鉆井操作中，長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予以密封或者以其它方式管理井的壓力、流量或兩者的B0P。由于管件的堅(jiān)固性，特別是用于深海鉆井的管件的堅(jiān)固性增加，所以這樣的BOP的需求得以持續(xù)、增長并變得更加重要。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。
[0021]由此，本文中提供了一種用于基于陸地操作、基于海上操作或兩者的防噴器組，所述防噴器組具有閘板防噴器、環(huán)形防噴器和剪切激光器模塊。防噴器還可以被構(gòu)造成使得它的環(huán)形防噴器、閘板防噴器和剪切激光器模塊具有共同的腔，所述腔具有腔軸線。所述防噴器組的剪切激光器模塊還可以具有激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)具有從所述激光切割機(jī)延伸到共同的腔中的射束路徑，并在某些情況下所述射束路徑相交于所述腔軸線。
[0022]還提供了一種用于防噴器組中的剪切激光器模塊，所述模塊具有主體，所述主體具有第一連接器和第二連接器，各連接器適于連接到位于防噴器組中的部件，所述主體具有腔，用于使管件、管線結(jié)構(gòu)或兩者通過所述腔；以及位于所述主體中的激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)具有射束路徑。以這種方式，所述射束路徑可從所述激光切割機(jī)行進(jìn)到所述腔中，并行進(jìn)到可能位于所述腔中的任何管件。
[0023]更進(jìn)一步地提出，所述剪切激光器模塊和激光切割機(jī)可具有與所述腔相鄰定位的屏蔽件，所述屏蔽件保護(hù)所述激光切割機(jī)免受防噴器腔中存在的條件的損壞，所述條件為諸如壓力、溫度、移動(dòng)通過所述腔或在所述腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的管件或管線結(jié)構(gòu)、鉆出物、碳?xì)浠衔镆约般@井流體，而不會(huì)明顯地干擾管件和其它結(jié)構(gòu)或材料通過所述腔的運(yùn)動(dòng)。
[0024]再進(jìn)一步地提出，所述閘板防噴器可以是剪切閘板，并且所述防噴器還可以具有第二環(huán)形防噴器、第二剪切閘板、第一半封閘板、第二半封閘板和第三半封閘板。
[0025]而且還提出，所述防噴器和激光剪切模塊可以具有多個(gè)激光切割機(jī)，所述多個(gè)激光切割機(jī)可以包括第一激光切割機(jī)和第二激光切割機(jī)，其中所述第一激光切割機(jī)具有從所述第一激光切割機(jī)延伸到所述腔中的第一射束路徑，其中所述第二激光切割機(jī)具有從所述第二激光切割機(jī)延伸到所述腔中的第二射束路徑。另外，所述第一射束路徑、所述第二射束路徑或兩個(gè)射束路徑可以在所述腔內(nèi)相交，可以指向所述腔軸線，并可以相交于所述腔軸線。此外，所述第一射束路徑和第二射束路徑可不在所述腔內(nèi)相交，并且所述第一射束路徑和第二射束路徑可基本平行，所述第一射束路徑和第二射束路徑可與所述腔的中心軸線形成正常的角度，所述角度可以與軸線成鈍角，可以與軸線成銳角，或者成直角。
[0026]進(jìn)一步提供一種防噴器，其中存在第二環(huán)形防噴器、第二剪切閘板、第一半封閘板、第二半封閘板和第三半封閘板。
[0027]更進(jìn)一步地提出，所述防噴器或激光剪切模塊可具有第一激光切割機(jī)和第二激光切割機(jī)，所述第一激光切割機(jī)和第二激光切割機(jī)被構(gòu)造成在激活時(shí)繞防噴器腔旋轉(zhuǎn)，在激活期間至少部分地繞所述腔運(yùn)行，并可定位在所述腔外側(cè)或與所述腔相鄰。
[0028]再進(jìn)一步地，提供了 一種剪切激光器模塊，所述剪切激光器模塊具有與激光切割機(jī)光學(xué)關(guān)聯(lián)的支持電纜以及與所述支持電纜機(jī)械關(guān)聯(lián)的饋通組件。所述模塊可定級(jí)于大于
5,OOOpsi的操作壓力、大于10，OOOpsi的操作壓力或大于15，OOOpsi的操作壓力。
[0029]本發(fā)明還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)，用于執(zhí)行海底附近的活動(dòng)，所述系統(tǒng)具有:立管，所述立管能夠操作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激光器模塊和閘板防噴器；剪切激光器模塊，所述剪切激光器模塊包括激光切割機(jī)；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)的管件傳送高功率激光束。
[0030]再進(jìn)一步地，提供了一種用剪切激光器模塊改造現(xiàn)有防噴器(“B0P”)組以制成激光輔助BOP組的方法，所述方法具有以下活動(dòng):評(píng)估現(xiàn)有的BOP組；確定所述現(xiàn)有的BOP組不滿足預(yù)期潛在用途的要求；以及通過將剪切激光器模塊添加到所述現(xiàn)有BOP組來改造所述現(xiàn)有BOP組；從而改造的BOP組滿足預(yù)期用途的要求。
[0031]更進(jìn)一步地，提供了一種制作激光輔助BOP組的方法，其中獲得了環(huán)形防噴器、閘板防噴器、剪切激光器模塊，并且組裝BOP組包括所述環(huán)形防噴器、所述閘板防噴器和所述剪切激光器模塊。
[0032]另外，提供了一種通過使用激光輔助防噴器和立管來鉆制海底井的方法，所述方法包括:使用立管將激光輔助防噴器從海上鉆井平臺(tái)(offshore drilling rig)下降到海底，其中所述立管具有內(nèi)腔，并且其中所述激光輔助防噴器包括具有內(nèi)腔的剪切激光器模塊；將防噴器緊固到位于海底中的井眼，例如通過井口，從而所述井眼、剪切激光器模塊腔和立管腔流體和機(jī)械連通；并且其中所述剪切激光器模塊能夠?qū)Υ嬖谟诩す廨o助防噴器腔中的管件進(jìn)行激光切割。
[0033]而且，提供了一種通過使用激光輔助防噴器和立管來鉆制海底井的方法，所述方法包括:使用具有內(nèi)腔的立管將激光輔助防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底，所述激光輔助防噴器包括具有內(nèi)腔的剪切激光器模塊；將防噴器緊固到位于井眼上的井口，從而所述井眼、剪切激光器模塊腔和立管腔流體和機(jī)械連通；以及，通過將管件從所述海上鉆井平臺(tái)下降通過所述立管腔、所述剪切激光器模塊腔并進(jìn)入所述井眼來推進(jìn)井眼；其中所述剪切激光器模塊能夠?qū)Υ嬖谟诩す廨o助防噴器腔中的任何管件進(jìn)行激光切割。
[0034]再另外地，提供了一種具有機(jī)械閥和激光切割機(jī)的海底樹(subsea tree )，其中，所述機(jī)械閥可以是擋板閥或球閥。所述海底樹還可具有:外壁，所述外壁被構(gòu)造成與BOP腔壁相鄰布置；內(nèi)壁，所述內(nèi)壁限定海底樹內(nèi)腔；并且所述內(nèi)壁和外壁在它們之間限定出環(huán)形區(qū)域；其中所述激光切割機(jī)基本上容放在由所述內(nèi)壁和外壁限定的環(huán)形空間內(nèi)。更進(jìn)一步地，射束路徑可限定在與所述機(jī)械閥的區(qū)域相鄰的區(qū)域和激光切割機(jī)之間。
[0035]進(jìn)一步地，提供了一種通過使用高功率激光輔助技術(shù)在海底井上進(jìn)行作業(yè)的方法，所述方法包括:將具有內(nèi)腔的防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底；例如通過緊固到圣誕樹，或者通過去除圣誕樹并緊固到井口，將所述防噴器緊固到位于海底中的井眼，從而所述井眼和所述內(nèi)腔流體和機(jī)械連通；將海底測試樹定位在防噴器腔內(nèi)，所述海底測試樹具有內(nèi)腔并包括激光切割機(jī)；以及將管件或管線結(jié)構(gòu)從所述海上鉆井平臺(tái)下降通過所述海底測試樹的內(nèi)腔；其中所述海底測試樹能夠?qū)Υ嬖谟谒龊５诇y試樹內(nèi)腔中的任何管件或管線結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光切割。更進(jìn)一步地，也可以使用具有能夠切割海底樹的激光剪切機(jī)模塊的防噴器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1示出了本發(fā)明的激光輔助BOP鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0037]圖2是本領(lǐng)域已知的現(xiàn)有的BOP組的示意圖。
[0038]圖3是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的改進(jìn)激光輔助BOP組的第一實(shí)施例的示意圖。
[0039]圖4是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的改進(jìn)激光輔助BOP組的第二實(shí)施例的示意圖。
[0040]圖5是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的改進(jìn)激光輔助BOP組的第三實(shí)施例的示意圖。
[0041]圖6是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的激光輔助BOP組的第一實(shí)施例的
示意圖。
[0042]圖7是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的激光輔助BOP組的第二實(shí)施例的
示意圖。
[0043]圖8示出了本發(fā)明的激光輔助BOP鉆井系統(tǒng)的第二實(shí)施例。[0044]圖9是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的激光輔助BOP組的第一實(shí)施例的
示意圖。
[0045]圖10是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的剪切激光器模塊(“SLM”)的第一實(shí)施例的一部分的局部剖切截面視圖。
[0046]圖10AU0B和IOC是沿圖10線B-B截取的圖10的SLM的橫向剖視圖。
[0047]圖11是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的SLM的第二實(shí)施例的一部分的局部剖切截面視圖。
[0048]圖12是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的SLM的第三實(shí)施例的一部分的局部剖切截面視圖。
[0049]圖13、圖13A和圖13B是本發(fā)明的激光束路徑的示意圖。
[0050]圖14是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的SLM的第四實(shí)施例的橫向剖視圖。
[0051]圖15是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的SLM的第五實(shí)施例的橫向剖視圖。
[0052]圖16A是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的SLM的第六實(shí)施例的一部分的局部剖切截面視圖。
[0053]圖16B、16C和16D是沿圖16線B-B截取的圖16的SLM的橫向剖視圖。
[0054]圖17是用于圖1和8的BOP鉆井系統(tǒng)的本發(fā)明的激光海底測試樹的實(shí)施例的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055]一般地，本發(fā)明涉及剪切激光器模塊，用于具有高功率激光束切割機(jī)的BOP組和各BOP組。這些BOP組用于管理井的條件，諸如壓力、流量或兩者。由此，舉例來說，激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)的實(shí)施例不意性地不出在圖1中。在該鉆井系統(tǒng)的本實(shí)施例中，提供了動(dòng)態(tài)定位(DP)的鉆探船100，其具有鉆臺(tái)129、井架131、月池130 (如圖中的剖切部分所看到的，示出了鉆探船100的內(nèi)部)以及用于操作的其它的鉆井和鉆探支持裝備和設(shè)備，這些對(duì)于海上鉆井領(lǐng)域是眾所周知的，但在圖中未示出。該鉆井系統(tǒng)還具有激光輔助海底立管和BOP包(BOP package)150。雖然鉆探船在本實(shí)施例中示出，但可以利用任何其它類型的海上鉆井臺(tái)、船只或平臺(tái)。如此圖所示，激光輔助海底立管和BOP包150布設(shè)成將鉆探船100與在海底123下方延伸的井眼124連接。
[0056]激光輔助立管和BOP包150具有立管105和激光輔助BOP組108。立管105的上部，即立管在布設(shè)時(shí)最接近水面104的部分由附接至張緊環(huán)102的張緊器103連接到鉆探船100。立管105的上半部分可具有分流器101和其它部件(在該圖中未示出)，它們通常被采用并連同立管布設(shè)，并為海上鉆井領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。
[0057]立管105從鉆探船100的月池130延伸，并連接到激光輔助BOP組108。立管105由通過立管聯(lián)接部例如107連接在一起的立管部分例如106組成，并通過鉆探船100的月池130下送。立管105的下部，即立管布設(shè)時(shí)最接近海底的部分借助立管-BOP連接器111連接到激光輔助BOP組108。立管-BOP連接器111與也可稱為柔性連接部或球接頭的柔性接頭112關(guān)聯(lián)。柔性接頭112旨在適應(yīng)鉆探船100離開不位于激光輔助BOP組108正上方的位置的運(yùn)動(dòng)；從而適應(yīng)立管105與激光輔助BOP組108成某一角度。
[0058]激光輔助BOP組的特征可體現(xiàn)為具有兩個(gè)分組件:上分組件109，其可稱為“下海洋立管包(LMRP);以及下分組件110，其可稱為下BOP組或BOP自身。在本實(shí)施例中，上分組件109具有收容環(huán)形防噴器115的框架113。下分組件110具有收容環(huán)形防噴器116、剪切激光器模塊(“SLM”)117、第一閘板防噴器118、第二閘板防噴器119和第三閘板防噴器120的框架114。如本文中所使用的，除非另有說明，否則術(shù)語“閘板防噴器”應(yīng)賦予其最廣泛的定義，并將包括對(duì)位于BOP組內(nèi)的管件實(shí)施夾、抓、保持、切割、切斷、粉碎或其組合的任何機(jī)械設(shè)備，諸如剪切閘板、全封閘板、全封剪切閘板、半封閘板、套管剪切閘板以及諸如Hydril公司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井(HYDRIL PRESSURE CONTROL QUICK-L0G)以及海德里壓力控制崗哨修井(HYDRILPRESSURE CONTROL SENTRY Workover)等閘板防噴器、SHAFFER 閘板防噴器和由 Cameron 公司制造的閘板防噴器。激光輔助BOP組108具有附接至井口 122的井口連接器121，井口122 附接至井眼(borehole) 124。
[0059]立管具有內(nèi)腔，在圖1中未示出，其與激光輔助BOP組中的內(nèi)腔(在圖1中未示出)流體和機(jī)械連通。由此，如所布設(shè)的那樣，激光輔助立管和BOP包150提供了使鉆探船100與井眼流體和機(jī)械連通的腔或通道。激光輔助BOP組框架113、114保護(hù)B0P，并可具有起重及處置設(shè)備、控制和連接模塊以及在海底作業(yè)中使用的其它裝備和設(shè)備，這些對(duì)本領(lǐng)域是已知的，但在圖中未示出。組中的內(nèi)腔從組的頂部(最接近水面104)通向其底部(最接近海底123)。該腔例如可以居于約為183/4"的直徑，并具有腔壁。
[0060]通常，在深海鉆井操作中，使用21〃立管和183/4〃B0P。術(shù)語“21〃立管”是上位的，且涵蓋外直徑范圍大概為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〃或更大。但是，立管和各BOP可以在尺寸、類型和構(gòu)造上有所變化。立管可以具有范圍從約133/8〃至約24〃的外直徑。BOP可以具有腔，例如，孔徑范圍從約41/6〃至263/4"。例如，立管可以是傳統(tǒng)的管式立管、柔性管式立管、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?？梢詷?gòu)想出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)明不限于特定立管或BOP的尺寸、類型或構(gòu)造。
[0061]在布設(shè)期間，激光輔助BOP組108附接至立管105，下送到海底123并緊固到井口122。井口 122定位并固定到已凝成于井眼124中的套管(未示出)。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進(jìn)行。例如，這樣的鉆探活動(dòng)將包括:從鉆探船100將在其端部具有鉆頭的鉆桿沿立管105的內(nèi)腔下送，通過激光輔助BOP組108的腔并進(jìn)入井眼124中。由此，鉆桿將從水面104上的鉆探船100延伸到井眼的底部，可能為水面104和海底123以下數(shù)萬英尺。鉆頭將鉆動(dòng)井眼底部，同時(shí)鉆井液沿鉆桿的內(nèi)部泵送并離開鉆頭。鉆井液將向上攜帶例如由旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆取的井眼材料的鉆出物，通過位于井眼壁和鉆桿外直徑之間的環(huán)形空間，繼續(xù)向上通過位于BOP腔壁和鉆桿外直徑之間的環(huán)形空間，并繼續(xù)向上通過位于立管腔內(nèi)直徑和鉆桿外直徑之間的環(huán)形空間，直到鉆井液和鉆出物通常由屏蔽套(未示出)或在極端情況下由分流器101引導(dǎo)到鉆探船100進(jìn)行裝卸或處理為止。由此，鉆井液部分地通過激光輔助立管和BOP包150從鉆探船100經(jīng)由立管中的鉆桿泵送到井眼的底部并返回到鉆井船。
[0062]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖8，其以示例示出了激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)850的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，提供了一種激光輔助B0P800。激光輔助B0P800具有保護(hù)B0P、具有提升和處置設(shè)備(未示出)的框架801，控制和連接模塊802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B0P800具有環(huán)形防噴器803、SLM853、激光剪切閘板組件804、第一半封閘板805和第二半封閘板806。這種防噴器和閘板的組件也可以稱為激光輔助BOP組。所述組具有從其頂部825 (與水面824最近)到其底部826 (與海底808最近)貫穿它的腔或通路823。該通路823的直徑例如可以約為183/4"。通路823具有通路或腔壁827。
[0063]激光輔助B0P800的頂部825由柔性接頭815緊固到立管816。也可以被稱為柔性連接器或球窩接頭的柔性接頭815允許立管816相對(duì)于激光輔助B0P800呈一角度，并由此適應(yīng)立管816和在水面824上的鉆探裝置818的一些移動(dòng)。立管816由立管張緊器817和海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知的、但在該圖中未示出的其它裝備連接到鉆探裝置。鉆探裝置818，在本示例中示出為半潛式的，但也可以是用于在水中或水上鉆井的任何類型的平臺(tái)或設(shè)備，具有月池819、鉆臺(tái)820、井架821以及用于操作的其它鉆井及鉆井支撐裝備和設(shè)備，這些是海上鉆井領(lǐng)域已知的，但在圖中未示出。
[0064]如圖8所示，在布設(shè)時(shí)，激光輔助B0P800附接至立管816，下降到海底808并緊固到井口 807。井口 807定位并固定到套管814，套管814已經(jīng)通過水泥812凝成于井眼812和較大直徑套管811中。較大直徑套管811通過水泥810凝成于較大直徑井眼809中。由此，舉例來說，套管814可以是20〃套管，而井眼812可以是26〃直徑的井眼；套管811可以是30〃套管，而井眼809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來進(jìn)行。
[0065]在圖1和8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海底，通常附接至井口，如鉆探活動(dòng)中所見。本發(fā)明的所述激光模塊、激光切割機(jī)、激光組件和激光-BOP組件可應(yīng)用到無論陸上還是海上的其它類型的立管、立管-BOP包和鉆探活動(dòng)。由此，它們的應(yīng)用涉及鉆井、修井、服務(wù)、測試、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，以及其它本領(lǐng)域已知的結(jié)構(gòu)或以后研發(fā)的結(jié)構(gòu)。
[0066]在圖2中，示出了先前存在的BOP組的示例。由此，示出了 BOP組200，從頂部219到底部220具有:具有連接器202、203的柔性接頭201 ;具有連接器205、206的環(huán)形防噴器204 ;具有連接器208、209的剪切閘板207 ;具有連接器211、212的間隔器210 ;以及具有連接器215、216的半封閘板213和半封閘板214。各連接器例如202可以是海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知或使用的任何類型的連接器，如具有螺栓的凸緣，其滿足BOP的壓力要求。BOP組200中的每個(gè)部件例如剪切閘板207具有內(nèi)腔或孔，其具有壁，當(dāng)組裝成BOP組時(shí)，形成具有壁218的內(nèi)腔217 (如圖中虛線)。
[0067]如本說明書上面所指出的，舊有的B0P，諸如圖2所示現(xiàn)有的BOP組，在切割用于海上鉆井的更新更重的管件，特別是用于深水、非常深水和超深水鉆井的管件時(shí)，面臨越來越困難的時(shí)刻。這些缺點(diǎn)可以通過用本發(fā)明的剪切激光器模塊改造這些BOP加以克服。剪切激光器模塊可以插入到現(xiàn)有的BOP組中。這些模塊有能力向BOP組中的管件輸送高功率激光能量，迅速切斷管件。剪切激光器模塊可構(gòu)造成使得它們具有比半封閘板或剪切閘板更短的，且優(yōu)選地顯著短的高度(從頂部到底部的距離)。由此，通過向BOP組添加激光剪切模塊，所述組的總體高度(從頂部到底部的距離)將不會(huì)顯著增加。相比于向所述組添加另外的剪切閘板，具有激光剪切模塊的BOP組的組高也將顯著縮短。剪切激光器模塊也可構(gòu)造成比剪切閘板更輕，且優(yōu)選地顯著輕。由此，向所述組添加剪切激光器模塊對(duì)組的總重量影響很?。欢?，相比于向所述組添加另外的剪切閘板，對(duì)組的總重量的影響顯著小。從剪切激光器模塊輸送的高功率激光能量將有能力以等于剪切閘板的可靠性和速率或者以比剪切閘板更好的可靠性和速率來切割以及切斷在BOP中發(fā)現(xiàn)的管件。
[0068]轉(zhuǎn)到圖3，提供了改進(jìn)的BOP組的示例。在圖3中，通過在所述組的現(xiàn)有部件中的兩個(gè)之間添加剪切激光器模塊，已經(jīng)對(duì)圖2中的現(xiàn)有BOP組進(jìn)行改造(來自圖2的現(xiàn)有部件在圖3中具有相同的標(biāo)號(hào))。由此，在圖3中，提供了改型的激光輔助BOP組300，具有帶有連接器302、303的剪切激光器模塊301，并具有激光輸送組件309(其包含在模塊內(nèi)，由此以虛線示出)。剪切激光器模塊已經(jīng)插入在現(xiàn)有的柔性接頭201和現(xiàn)有的環(huán)形防噴器204之間并連接到現(xiàn)有的柔性接頭201和現(xiàn)有的環(huán)形防噴器204。剪切激光器模塊連接器302用以與柔性接頭連接器203配接，并緊固到或被緊固到柔性接頭連接器203 ;而剪切激光器模塊連接器303用以與環(huán)形防噴器連接器205配接，并緊固到或被緊固到環(huán)形防噴器連接器205。
[0069]轉(zhuǎn)到圖4，提供了改型的BOP組的示例。在圖4中，通過在所述組的現(xiàn)有的部件中的兩個(gè)之間添加剪切激光器模塊，使圖2中的現(xiàn)有BOP組完成改型(來自圖2的現(xiàn)有的部件在圖4中具有相同的標(biāo)號(hào))。由此，在圖4中，提供了改型激光輔助BOP組400，具有帶有連接器402、403的剪切激光器模塊401，并具有激光輸送組件409 (其包含在模塊內(nèi)，由此以虛線示出)。剪切激光器模塊已經(jīng)插入到現(xiàn)有的環(huán)形防噴器204和現(xiàn)有的剪切閘板207之間并與二者連接。剪切激光器模塊連接器402用以與環(huán)形防噴器連接器206配接，并緊固到環(huán)形防噴器連接器206 ;而剪切激光器模塊連接器403用以與剪切閘板連接器208配接，并緊固到剪切閘板連接器208。
[0070]轉(zhuǎn)到圖5，提供了改型BOP組的示例。在圖5中，通過在所述組的現(xiàn)有的部件中的兩個(gè)之間添加剪切激光器模塊，使圖2中的現(xiàn)有的BOP組完成改型(來自圖2的現(xiàn)有的部件在圖4中具有相同的標(biāo)號(hào))。由此，在圖5中，提供了改型激光輔助BOP組500，具有帶有連接器502、503的剪切激光器模塊501，并具有激光輸送組件509 (其包含在模塊內(nèi)，由此以虛線示出)。剪切激光器模塊已經(jīng)插入到現(xiàn)有的剪切閘板207與現(xiàn)有的間隔器210和半封閘板213之間并與它們連接(間隔器210留存在改型的組500中。它在高度受限的情況下可以去除，并且它的去除連同剪切激光器模塊的添加將不會(huì)對(duì)操作另外產(chǎn)生不利影響)。剪切激光器模塊連接器502用以與剪切閘板連接器209配接，并緊固到剪切閘板連接器209 ；而剪切激光器模塊連接器503用以與間隔器連接器211配接，并緊固到間隔器連接器211。
[0071]除了改型BOP組的前述示例之外，構(gòu)想了其它的構(gòu)造和布置。例如，現(xiàn)有的閘板剪切可用剪切激光器模塊或多個(gè)剪切激光器模塊替換，可添加剪切閘板和剪切激光器模塊的組合，可添加剪切激光器閘板組件，可添加多個(gè)激光器模塊，并且前述的各種組合可作為改進(jìn)過程的一部分進(jìn)行，以得到改型激光輔助BOP組。另外，更大的和更新的BOP組也可通過把剪切激光器模塊添加到組部件中而獲取益處。
[0072]但是，本說明書不限于現(xiàn)有的BOP的改型。本說明書還構(gòu)想了激光輔助BOP組，而不論是由新的、翻新的或是現(xiàn)有的部件或材料構(gòu)成。
[0073]轉(zhuǎn)到圖6，示出了激光輔助BOP組的實(shí)施例的示例。由此，示出了激光輔助BOP組600，其從頂部619到底部620具有:具有連接器602、603的柔性接頭601 ;具有連接器605、606的環(huán)形防噴器604 ;具有連接器608、609的剪切閘板607 ;具有連接器622、623的剪切激光器組件621 (具有以虛線示出的激光輸送組件624)以及具有連接器615、616的半封閘板613和半封閘板614。各連接器例如602可以是海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知或使用的任何類型的連接器，如帶有螺栓的凸緣，其滿足針對(duì)BOP的壓力要求。在BOP組600中，每個(gè)部件例如剪切閘板607都具有內(nèi)腔或孔，其具有壁，當(dāng)組裝成BOP組時(shí)形成具有壁618的內(nèi)腔617 (在圖中以虛線示出)。
[0074]在圖7中，示出了激光輔助BOP組的示例。由此，示出了激光輔助BOP組700，其從頂部719到底部720具有:具有連接器702、703的柔性接頭701 ;具有連接器705、706的環(huán)形防噴器704 ;具有連接器722、723的剪切激光器組件721 (具有以虛線示出的激光輸送組件724);具有連接器708、709的剪切閘板707 ;具有連接器711、712的間隔器710 ;以及具有連接器715、716的半封閘板713、714。各連接器例如702可以是海上鉆井領(lǐng)域技術(shù)人員已知或使用的任何類型的連接器，如用帶有螺栓的凸緣，其滿足針對(duì)BOP的壓力要求。在BOP組700中，每個(gè)部件例如剪切閘板707都具有內(nèi)腔或孔，其具有壁，當(dāng)組裝成BOP組時(shí)形成具有壁718的內(nèi)腔717 (在圖中以虛線示出)。
[0075]在圖9中，示出了用于10，000英尺及以上的超深水操作的激光輔助BOP組的示例，但是該組在較淺的深度也可操作和使用。從組的頂部901到組的底部916羅列各部件，激光輔助BOP組900具有柔性接頭903、環(huán)形防噴器904、剪切激光器模塊905、環(huán)形防噴器906、剪切激光器模塊907、剪切閘板908、剪切閘板909、剪切激光器模塊910、間隔器911、半封閘板912、913和半封閘板914、915。這些部件各具有孔，并在組裝在組中時(shí)，所述孔形成從所述組的頂部901延伸到底部916的腔(在此圖中未示出)。剪切激光器模塊具有激光輸送組件(在此圖中未示出)。各部件用任何類型的連接器連接在一起，所述連接器適于海上鉆井并要滿足海上鉆井的要求，對(duì)本示例特別是要滿足超深水海上鉆井的要求。
[0076]本發(fā)明的激光輔助BOP組可用于控制并管理井中的壓力和流量兩者；而且可用于管理并控制緊急情況，諸如潛在的井噴。除剪切激光器模塊之外，激光輔助BOP組可具有環(huán)形防噴器。環(huán)形防噴器可具有膨脹式封隔器(expandable packer)，其對(duì)BOP腔中的管件進(jìn)行密封，防止材料流過在管件外直徑和激光輔助BOP的內(nèi)腔壁之間形成的環(huán)形空間。除了剪切激光器模塊之外，激光輔助BOP組可具有閘板防噴器。閘板防噴器可以是例如:半封閘板，可具有兩個(gè)半圓狀?yuàn)A緊裝置，被驅(qū)動(dòng)抵靠于BOP腔中的管件的外直徑；全封閘板，當(dāng)不存在管件時(shí)可以密封所述腔；或者它們可以是剪切閘板，可以切割管件并密封BOP腔；或者它們可以是激光剪切閘板組件。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，包括可能存在于BOP中的鉆鋌、管接頭和井底鉆具組合，其公開于2011年2月24日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)N0.13/034，175中。
[0077]激光輔助海底BOP鉆井系統(tǒng)，特別是剪切激光器模塊可利用單個(gè)高功率激光器，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。優(yōu)選地是高功率固態(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。高功率激光器例如可以是具有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)射波長優(yōu)選地處于大約1550nm (納米)或1083nm范圍的的激光束。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專利申請(qǐng)出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840, 978中。激光器或多個(gè)激光器可設(shè)置在海上鉆探裝置上，在水面上方，并借助高功率長距離激光傳送電纜光學(xué)連接到海底上的BOP，其優(yōu)選示例載于美國專利申請(qǐng)出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)12/840,978中。激光傳送電纜可以包含在卷筒中，當(dāng)它們下送到海底時(shí)被解繞并附接至BOP和立管。激光器也可以包含在BOP框架中或與之關(guān)聯(lián)，不需要長距離的高功率光纜來將激光束從水面?zhèn)魉偷胶５?。鑒于剪切激光器模塊和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)位于海上鉆探裝置上的高功率激光器并由高功率傳送電纜連接到BOP ;以及具有至少一個(gè)位于海底上的BOP框架中或與之關(guān)聯(lián)的激光器。
[0078]轉(zhuǎn)到圖11，示出了可用于激光輔助BOP組中的剪切激光器模塊(“SLM”)的實(shí)施例的示例。SLM1100具有主體1101。主體1101具有第一連接器1105和第二連接器1106。內(nèi)腔1104具有內(nèi)腔壁1141。還提供了激光輸送組件1109。激光輸送組件1109位于主體1101中。激光輸送組件1109可以是例如圍繞或部分地圍繞內(nèi)腔1104的環(huán)形組件。該組件1109與至少一個(gè)高功率激光源光學(xué)關(guān)聯(lián)。
[0079]轉(zhuǎn)到圖12，示出了可用于激光輔助BOP組中的剪切激光器模塊(“SLM”)的實(shí)施例的示例。SLM1200具有主體1201。主體1201具有第一連接器1205和第二連接器1206。內(nèi)腔1204具有內(nèi)腔壁1241。還提供了激光輸送組件1209。激光輸送組件1209位于主體1201中。激光輸送組件1209可以是例如圍繞或部分地圍繞內(nèi)腔1204的環(huán)形組件。該組件1209與至少一個(gè)高功率激光源光學(xué)關(guān)聯(lián)。SLM還具有饋通組件(feed-through assembly) 1113和導(dǎo)管1138，以傳送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0080]圖12的實(shí)施例還包含用于激光輸送組件1209的屏蔽件1214。屏蔽件1214定位在主體1201內(nèi)，使得其內(nèi)表面或壁1215與腔壁1241平齊。以這種方式，屏蔽件在腔1204中不會(huì)形成任何凸緣或妨礙。屏蔽件可以保護(hù)激光輸送組件1209免受鉆井流體的影響。針對(duì)激光輸送組件1209，屏蔽件也可管理壓力，或有助于壓力管理。屏蔽件還可保護(hù)激光輸送組件1209免受諸如管件1202等管件在它們移動(dòng)通過而進(jìn)出腔1204時(shí)的影響。屏蔽件可由諸如鋼或其它類型金屬或其它材料等材料制成，所述材料既要足以強(qiáng)固以保護(hù)激光輸送組件1209，又要在朝向管件1202發(fā)射激光束時(shí)由激光束迅速進(jìn)行切割。屏蔽件還可以從激光束的射束路徑去除。在此構(gòu)造中，在激活激光輸送組件1209時(shí)，屏蔽件將從射束路徑移開。在可去除的屏蔽構(gòu)造中，屏蔽件不必很容易地由激光束切割。SLM還具有饋通組件1213和導(dǎo)管1238，以傳送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0081]在鉆井和其它活動(dòng)期間，管件通常位于BOP內(nèi)腔內(nèi)。環(huán)形空間形成在管件的外直徑和內(nèi)腔壁之間。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)管件存在于腔中時(shí)，一旦激活SLM，則激光輸送組件將高功率激光能量輸送到位于腔中的管件。高功率激光能量完全切割管件，允許管件移離或掉離位于所述組中的閘板或環(huán)形防噴器，允許BOP迅速密封內(nèi)部BOP腔，由此密封井，而不會(huì)受管件的任何干擾。
[0082]雖然在圖11和12的實(shí)施例的示例中示出了單個(gè)激光輸送組件，但也可采用多個(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。相對(duì)于管件實(shí)現(xiàn)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)定地切入和切穿管件的能力，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)助隨后附接打撈工具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段提供了更大的面積，即更大的開口，通過它，鉆井液或其它流體可以由與BOP組相關(guān)聯(lián)的壓井線泵送到井中。
[0083]SLM的主體可以是加工成容納激光輸送組件的單件，或者它可以由固定在一起的多件制成，固定方式需提供足夠強(qiáng)度以滿足其擬定用途、且特別是經(jīng)受住5，OOOps1、10，OOOps1、15，OOOpsi,20, OOOpsi和以上的壓力。主體的包含激光輸送組件的區(qū)域可通過機(jī)械加工而成，或以其它方式制造而成以容納激光輸送組件，同時(shí)維持強(qiáng)度要求而滿足主體的擬定用途。SLM的主體也可以是兩個(gè)或更多個(gè)分離部件或部分，例如，一個(gè)部件用于上半部分，一個(gè)用于下半部分。這些部件可以通過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光纜傳送到主體中并運(yùn)送到激光輸送組件，以及傳送與操作或監(jiān)控激光輸送組件及其切割操作有關(guān)的其它電纜。
[0084]轉(zhuǎn)到圖10和圖10A-10C，示出了可用于激光輔助BOP組中的SLM的實(shí)施例的示例。由此，示出了具有主體1001的SLM1000。主體1001具有兩個(gè)連接器1006、1005，用于連接到BOP組的其它組件，從而使SLM1000被納入到BOP組中或成為其一部分。主體具有腔1004，該腔具有中心軸線(虛線)1011和壁1041。BOP腔1004也具有鉛直軸線，而在本實(shí)施例中，鉛直軸線與中心軸線1011相同，這對(duì)于BOP是一般情況。(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例如被側(cè)放，則BOP的鉛直軸線將不會(huì)改變)。通常，腔1011的中心軸線與井口腔或開口的中心軸線同軸，管件通過該井口腔或開口插入到井眼中。
[0085]主體1001包含激光輸送組件1009。還示出了位于腔1004中的管件1012。主體1001還具有饋通組件1013，用于管理壓力并允許操作激光切割機(jī)時(shí)可能需要的光纖電纜和其它電纜、管、電線和傳送裝置插入到主體1001中。饋通組件1013與導(dǎo)管1038連接，以傳送到高功率激光器或用于切割操作的其它材料源。
[0086]圖10A至10C示出了沿圖10線B-B截取的圖10的實(shí)施例的剖視圖。圖10A至10C還示出了在切割管件1012時(shí)SLM1000的操作順序。在本實(shí)施例中，激光輸送組件1009具有四個(gè)激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029。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1031與激光切割機(jī)1026關(guān)聯(lián)，柔性支持電纜1032與激光切割機(jī)1027關(guān)聯(lián)，柔性支持電纜1033與激光切割機(jī)1028關(guān)聯(lián)，而柔性支持電纜1030與激光切割機(jī)1029關(guān)聯(lián)。各柔性支持電纜位于通道1039中，并進(jìn)入饋通組件1013。在饋通組件1013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1038中，以傳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1030、1031、1032和1033具有額外的或另外的長度，其適應(yīng)激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029繞軸線1011且繞管件1012的運(yùn)行。
[0087]圖1OA至IOC示出了 SLM1000的激活順序，以切斷管件1012。在該示例中，圖1OA中示出了順序的第一視圖(例如，一張快照，因?yàn)轫樞騼?yōu)選地是連續(xù)的而不是交錯(cuò)的或步進(jìn)的)。激活時(shí)，四個(gè)激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029傳播(其也可稱為射出或發(fā)射激光，以從切割機(jī)輸送或發(fā)射激光束)沿射束路徑1050、1051、1052和1053行進(jìn)的激光束。射束路徑1050、1051、1052和1053從激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029朝向中心軸線1011延伸，由此截射管件1012。射束指向中心軸線1011。因此，射束從BOP內(nèi)、從腔壁1041外側(cè)射出，并沿其各自的射束路徑朝向BOP的中心軸線行進(jìn)。激光束撞擊管件1012并開始切害I]，即從管件1012去除材料。
[0088]如果將腔1004視為時(shí)鐘面，則激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029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1011和管件1012運(yùn)行。(在此構(gòu)造中，激光切割機(jī)在它們運(yùn)行時(shí)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，則它們也將已移動(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)。
[0089]由此，如順序的下一視圖圖1OB所看到的，激光切割機(jī)1026、1027、1028和1029已旋轉(zhuǎn)45度，沿射束路徑1050、1051、1052和1053行進(jìn)的激光束已切穿管件1012圓周的四個(gè)1/8部分(S卩，總共一半)。然后，圖1OC示出切割機(jī)已移動(dòng)通過四分之一圈。由此，切割機(jī)1026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)類似地已改變了它們各自的鐘面位置。由此，通過移動(dòng)通過四分之一圈，射束路徑1050、1051、1052和1053已經(jīng)越過管件1012的整個(gè)圓周，并且沿這些射束路徑行進(jìn)的激光束將切斷管件。
[0090]在切割操作期間，特別是針對(duì)旨在切斷管件的圓形切口，優(yōu)選的是，管件不在鉛直方向上移動(dòng)。由此，在激光切割機(jī)發(fā)射之時(shí)或之前，半封閘板、環(huán)形防噴器或單獨(dú)的保持設(shè)備應(yīng)被驅(qū)動(dòng)，以防止在激光切割操作期間管的鉛直移動(dòng)。單獨(dú)的保持設(shè)備也可以包含在SLM中。
[0091]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?？梢酝瓿深A(yù)期的切割。
[0092]除了軌道運(yùn)行的切割機(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)域例如管件的區(qū)域掃描，而切割機(jī)或至少切割機(jī)的基座保持處于固定位置。激光束的這種掃描可以例如通過圍繞固定點(diǎn)來回移動(dòng)切割機(jī)一例如像擺動(dòng)風(fēng)扇的運(yùn)動(dòng)那樣一來實(shí)現(xiàn)。這也可通過使包含在切割機(jī)內(nèi)的、例如激光掃描儀的光學(xué)器件掃描射束路徑并因此使激光束呈扇狀圖案來實(shí)現(xiàn)。例如，旋轉(zhuǎn)的多面鏡或棱鏡可以用作掃描儀。但是，應(yīng)當(dāng)指出的是，較之本說明書中提供的其它切割方法，該掃描過程總體上可能效率較低。用于射束路徑和激光束的另外掃描模式也可采用，以實(shí)現(xiàn)或解決特定的切割應(yīng)用或在BOP腔中的管件構(gòu)造。
[0093]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)域所知的機(jī)械、液壓和電氣-機(jī)械系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。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，該控制器可以用以控制步進(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)來移動(dòng)切割機(jī)實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動(dòng)或周期。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的組合來驅(qū)動(dòng)，以便在一個(gè)動(dòng)力裝置失效的情況下優(yōu)選地提供備用系統(tǒng)來移動(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)可集成到諸如步進(jìn)電機(jī)控制組合等切割機(jī)動(dòng)力裝置，可以是BOP的一部分，如與其它控制系統(tǒng)包含在BOP上，或者它可位于鉆探裝置上，或是前述的組合。
[0094]所使用術(shù)語“已完成的”切割和類似這樣的術(shù)語包括:將管件切斷成為兩段，即一直穿過壁并繞管件整個(gè)圓周進(jìn)行的切割，以及其中從管件去除足夠材料以充分地削弱管件從而確保剪切閘板密封接合的切割。取決于SLM、激光輔助BOP組以及BOP預(yù)期用途的特定構(gòu)造，已完成的切割可以是例如:將管件切斷成為兩個(gè)分離的管段；繞管件外部去除一圈材料，從約10%壁厚至約90%壁厚；于壁上形成一定數(shù)量的孔，但不貫通管件的壁；完全貫穿管件的壁的一定數(shù)量的孔；于壁上形成一定數(shù)量的狹縫，但不貫通管件的壁；完全貫穿管件的壁的一定數(shù)量的狹縫；本說明書中所公開的射擊散布圖案形式的材料去除；或者材料去除的其它圖案和前述的組合。優(yōu)選的是，完整的切割在不到一分鐘內(nèi)做出，更優(yōu)選的是，完整的切口在30秒或更少的時(shí)間內(nèi)做出。
[0095]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割所需的速率，或轉(zhuǎn)動(dòng)速率是可變的活預(yù)定的，以匹配將在特定鉆井操作期間存在于BOP中的特定管件或特定類型的管件。
[0096]在旋轉(zhuǎn)激光輸送組件中的激光切割機(jī)的數(shù)量越大，軌道運(yùn)動(dòng)的速率可以越慢，以在相同量的時(shí)間內(nèi)完成切割。此外，增加激光切割機(jī)的數(shù)量減少了完成管件切割的時(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)間來完成切割或它們的組合。
[0097]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、用于輸送高功率激光能量的設(shè)備。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)一步考慮是可位于管件和BOP內(nèi)腔壁之間的環(huán)形空間內(nèi)的流體和材料的光學(xué)影響的管理。
[0098]舉例來說，這樣的鉆井流體可包括水、海水、鹽水、鹽溶液、鉆井液、氮?dú)?、惰性氣體、柴油、霧、泡沫或烴類。在這些鉆井流體中也可能存在有由井眼推進(jìn)或其它井下操作而取出或造成的井眼鉆出物例如碎片?？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)激光束穿過它們時(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)會(huì)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是并將可能是依賴于激光束的波長。
[0099]在183/4〃B0P中，即腔具有的直徑約為183/4"，取決于位于腔中的管件的尺寸和激光切割機(jī)的構(gòu)造，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)會(huì)定位得接近或非常接近、鄰近待切割管件，并以維持此種接近的方式移動(dòng)。在這些構(gòu)造中，激光束行進(jìn)的激光切割機(jī)和待切割管件之間的距離會(huì)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)。[0100]特別地，對(duì)于激光器具有比較長的行進(jìn)距離、例如大于約1〃或2〃(雖然這個(gè)距離會(huì)或多或少地取決于激光功率、波長和鉆井液類型以及其它因素)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；或者使用足夠的激光功率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對(duì)激光束的影響。
[0101]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，鉆井流體舉例來說通過注入惰性氣體、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)造中使用流體具有附加的優(yōu)點(diǎn)，它基本上是不可壓縮的。而且，填充有透光流體(氣體或液體)的機(jī)械通氣管類(snorkel like)裝置或管可延伸在激光切割機(jī)和待切割管件之間，或以其它方式布置在激光切割機(jī)和待切割管件之間的區(qū)域內(nèi)。以這種方式，激光束通過通氣管或管傳送到管件。
[0102]高壓氣體的射流可以與激光切割機(jī)和激光束結(jié)合使用。高壓氣體射流可以用來清除用于激光束的路徑或部分路徑。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)少量的氧氣以及由激光-金屬-氧氣相互作用通過管件燃燒使之消耗的快速消耗速率應(yīng)當(dāng)不存在對(duì)于鉆探裝置、表面裝備、人員或海底部件的火災(zāi)或危險(xiǎn)。
[0103]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)造成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。
[0104]具有單個(gè)液體流的高壓激光液體射流可以及結(jié)合激光切割機(jī)和激光束使用。用于射流的液體對(duì)于激光束應(yīng)當(dāng)是可透過的或者至少顯著可透過的。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，流體射流不用作波導(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，又要是用于傳送射束的介質(zhì)。
[0105]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，并由用作波導(dǎo)管的芯部射流傳送。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)形射流用以保護(hù)內(nèi)芯射流免受存在于BOP腔壁和管件之間的環(huán)形空間中的鉆井流體的影響。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形成。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，構(gòu)成芯部的流體的折射率應(yīng)當(dāng)大于構(gòu)成環(huán)形射流的流體的折射率。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，激光束不會(huì)明顯地(如果有的話)離開芯部射流并進(jìn)入環(huán)形射流。
[0106]構(gòu)成復(fù)合流體射流的各個(gè)射流的壓力和速度可因應(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,優(yōu)選地至約為70，OOOps1、至更大的壓力。芯部射流和(各)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。優(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，OOOpsi，第二環(huán)形射流(其定位成與芯部和第三環(huán)形射流相鄰)可以為60，OOOpsi，而第三(更靠外，定位成與第二環(huán)形射流相鄰，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)緩慢到非常快，且優(yōu)選地速度范圍從約lm/s (米/秒)至約50m/s、至約200m/s、至約300m/s及更大。射流首先形成的次序可以是:首先芯部射流，隨后為環(huán)形圈；首先環(huán)形圈射流，隨后為芯部；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)形射流首先形成，后隨以芯部射流。
[0107]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方面，激光束的波長和激光束的功率是應(yīng)當(dāng)考慮的因素。由此，例如對(duì)于波長在1080nm(納米)范圍的高功率激光束，芯部射流可以由具有約1.53折射率的油形成，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形成。由此，相應(yīng)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)指出，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。
[0108]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)還具有射束路徑。射束路徑由激光束預(yù)期占據(jù)、并從激光切割機(jī)的排出端延伸至待切割的材料或區(qū)域的路徑定義。優(yōu)選地，(各)射束路徑可用以在用于剪切閘板的機(jī)械力、管件可能受到的張力或兩者最大的區(qū)域處提供完整切割。以這種方式，減少或消除了不需要材料可能會(huì)留在閘板界面中而妨礙或抑制閘板密封的可能性。如本文中所描述的，其它的激光切割機(jī)布置、發(fā)射順序、剪切布置或者它們的組合，也針對(duì)提供更大的保證使閘板進(jìn)入密封接合狀態(tài)這一問題。
[0109]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13中，示出了激光切割機(jī)1300的示意圖，其中射束路徑1301以各種角度離開切割機(jī)。當(dāng)從激光切割機(jī)發(fā)射或射出時(shí)，激光束將沿射束路徑行進(jìn)。射束路徑還相對(duì)于BOP腔鉛直軸線(虛線)1311示出。如圖13A和13B的放大視圖所看到的，射束路徑1301與鉛直軸線1311形成的角度，以及從而沿該射束路徑行進(jìn)的激光束與鉛直軸線1311形成的角度，可以是銳角1305或相對(duì)于軸線2311的離井口連接側(cè)1310最遠(yuǎn)的部分呈鈍角1306。也可以采用正交或90°角。圖中所示的BOP井口連接側(cè)1310作為本文所用角度確定的參考點(diǎn)。
[0110]射束路徑(沿該射束路徑行進(jìn)的激光束)和BOP鉛直軸線之間的角度，基本上對(duì)應(yīng)于射束路徑和激光束撞擊存在于BOP腔中的管件的角度。但是，優(yōu)選地使用基于BOP以確定角度的參考點(diǎn)，因?yàn)楣芗赡芤莆?，或者在接頭或損壞管件的情況下，呈現(xiàn)的表面具有與BOP腔中心軸線不平行的變化平面。
[0111]由于激光束和BOP鉛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)射角可以如此而使得激光束:從待切割區(qū)域的上方行進(jìn)，這將導(dǎo)致在激光束和BOP鉛直軸線之間形成銳角；從與待切割區(qū)域相同的高度行進(jìn)，這將導(dǎo)致在激光束和BOP鉛直軸線之間形成90°角；或從待切割區(qū)域下方行進(jìn)，這將導(dǎo)致在激光束和BOP腔鉛直軸線之間形成鈍角。以這種方式，閘板的形狀、閘板的表面、閘板施加的力和有待由激光切割的區(qū)域的部位之間的關(guān)系可以進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)以針對(duì)特定應(yīng)用來最優(yōu)化這些因素的關(guān)系。
[0112]預(yù)先確定激光束與BOP鉛直軸線形成的角度的能力使得可以使切斷的管件的端部擁有具體和預(yù)定形狀。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割區(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。如果激光束來自與切割區(qū)域的相同的高度，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。
[0113]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)，直至包括12個(gè)或更多的切割機(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。
[0114]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。
[0115]表1
[0116]
【權(quán)利要求】
1.一種防噴器組，包括:閘板防噴器；環(huán)形防噴器和剪切激光器模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的防噴器組，其中，所述防噴器是海底防噴器，并且其中所述環(huán)形防噴器、閘板防噴器和剪切激光器模塊具有共同的腔，所述共同的腔具有腔軸線。
3.如權(quán)利要求2所述的防噴器組，其中，所述剪切激光器模塊包括激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)具有從所述激光切割機(jī)延伸到所述共同的腔中的射束路徑。
4.如權(quán)利要求3所述的防噴器組，其中，所述剪切激光器模塊包括與所述共同的腔相鄰設(shè)置的激光切割機(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)免受所述共同的腔中存在的條件的影響，而不會(huì)明顯地干擾管件通過所述共同的腔的運(yùn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的防噴器組，其中，所述閘板防噴器是剪切閘板，并且其中所述防噴器組包括:第二環(huán)形防噴器、第二剪切閘板、第一半封閘板、第二半封閘板和第三半封閘板。
6.一種用于防噴器組中的剪切激光器模塊，所述模塊包括: a.主體，所述主體具有第一連接器和第二連接器，所述第一連接器和第二連接器適于連接于位于防噴器組中的部件； b.所述主體具有腔，用于使管件通過；以及 c.位于所述主體中并具有射束路徑的激光切割機(jī)； d.其中，所述射束路徑從所述激光切割機(jī)行進(jìn)到所述腔中，并行進(jìn)到可能位于所述腔中的任何管件。
7.如權(quán)利要求6所述的剪`切激光器模塊，其中，包括激光切割機(jī)屏蔽件。
8.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，包括第二激光切割機(jī)。
9.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，所述激光切割機(jī)被構(gòu)造成在所述主體內(nèi)繞所述腔運(yùn)行。
10.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，包括與所述腔相鄰設(shè)置的激光切割機(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)免受鉆井流體的影響，而不會(huì)明顯地干擾管件通過所述腔的運(yùn)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，包括:與所述激光切割機(jī)光學(xué)關(guān)聯(lián)的支持電纜以及與所述支持電纜機(jī)械關(guān)聯(lián)的饋通組件。
12.如權(quán)利要求11所述的剪切激光器模塊，其中，所述模塊定級(jí)為大于10，OOOpsi的操作壓力。
13.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，包括第二激光切割機(jī)，其中所述激光切割機(jī)射束路徑構(gòu)成第一射束路徑，其中所述第二激光切割機(jī)具有從所述第二激光切割機(jī)延伸到所述腔中的第二射束路徑。
14.如權(quán)利要求13所述的剪切激光器模塊，其中，所述第一射束路徑和第二射束路徑在所述腔內(nèi)相交。
15.如權(quán)利要求13所述的剪切激光器模塊，其中，所述第一射束路徑和第二射束路徑指向所述腔軸線。
16.如權(quán)利要求13所述的剪切激光器模塊，其中，所述腔具有腔軸線，并且所述第一射束路徑和第二射束路徑相交所述腔軸線。
17.如權(quán)利要求13所述的剪切激光器模塊，其中，所述第一射束路徑和第二射束路徑不在所述腔內(nèi)相交。
18.如權(quán)利要求13所述的剪切激光器模塊，其中，所述第一射束路徑和第二射束路徑基本上是平行的。
19.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，所述腔具有腔軸線，并且射束路徑與所述軸線形成直角。
20.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，所述腔具有腔軸線，并且射束路徑與所述軸線形成鈍角。
21.如權(quán)利要求6所述的剪切激光器模塊，其中，所述腔具有腔軸線，并且射束路徑與所述軸線形成銳角。
22.如權(quán)利要求10所述的剪切激光器模塊，其中，所述激光切割機(jī)用以在激活期間至少部分地繞所述腔運(yùn)行。
23.一種用剪切激光器模塊改造現(xiàn)有防噴器(“BOP”)組以制作激光輔助BOP組的方法，所述方法包括: a.評(píng)估現(xiàn)有的BOP組； b.確定所述現(xiàn)有BOP組不滿足對(duì)于預(yù)期潛在用途的要求；以及 c.通過將剪切激光器模塊添加到所述現(xiàn)有BOP組來改造所述現(xiàn)有BOP組，從而改造的BOP組滿足預(yù)期用途的要求。
24.一種制作激光輔助防噴器(“B0P”)組的方法，所述方法包括:` a.獲得環(huán)形防噴器； b.獲得閘板防噴器； c.獲得剪切激光器模塊； d.組裝包括所述環(huán)形防噴器、所述閘板防噴器和所述剪切激光器模塊的BOP組。
25.一種通過使用激光輔助防噴器和立管來鉆制海底井的方法，所述方法包括: a.使用立管將激光輔助防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底，其中所述立管具有內(nèi)腔，并且其中所述激光輔助防噴器包括具有內(nèi)腔的剪切激光器模塊； b.將防噴器緊固到位于海底中的井眼，從而所述井眼、剪切激光器模塊腔和立管腔處于流體和機(jī)械連通；以及 c.其中，所述剪切激光器模塊能夠?qū)Υ嬖谟诩す廨o助防噴器腔中的管件進(jìn)行激光切割。
26.一種海底樹，所述海底樹包括:機(jī)械閥和激光切割機(jī)。
27.如權(quán)利要求26所述的海底樹，包括: a.外壁，所述外壁用以與防噴器腔壁相鄰布置； b.內(nèi)壁，所述內(nèi)壁限定海底樹內(nèi)腔；以及 c.所述內(nèi)壁和外壁在它們之間限定出環(huán)形區(qū)域； d.其中，所述激光切割機(jī)基本上容放在由所述內(nèi)壁和外壁限定的環(huán)形空間內(nèi)。
28.一種通過使用高功率激光輔助技術(shù)在海底井上執(zhí)行作業(yè)的方法，所述方法包括: a.將具有內(nèi)腔的防噴器從海上鉆井平臺(tái)下降到海底； b.將所述防噴器緊固到位于海底中的井眼，從而所述井眼和所述內(nèi)腔處于流體和機(jī)械連通；C.將海底測試樹定位在所述內(nèi)腔內(nèi)，所述海底測試樹具有內(nèi)腔并包括激光切割機(jī)；以及 d.將管件或管線結(jié)構(gòu)從所述海上鉆井平臺(tái)下降通過所述海底測試樹的內(nèi)腔； e.其中，所述海 底測試樹能夠?qū)Υ嬖谟谒龊５诇y試樹腔中的任何管件或管線結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光切割。
【文檔編號(hào)】E21B33/06GK103492669SQ201280020047
【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
【發(fā)明者】M.S.澤迪克, H.A.伯杰龍, P.V.克拉克, J.F.莫克斯利, P.D.多伊奇, C.C.林茲勒 申請(qǐng)人:福羅能源股份有限公司, 雪佛龍美國股份有限公司