雷射輔助防噴器及使用方法

2023-05-10 21:15:01 3

雷射輔助防噴器及使用方法
【專利摘要】本發明提供了一種高功率的雷射輔助防噴器及使用方法。具體地，提供了用於利用位於防噴器內的高功率雷射能量來切割存在於防噴器的孔內的管件的系統和組件，減少了這種管件會使防噴器得以抑制而密封井的風險。
【專利說明】雷射輔助防噴器及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種防噴器，特別涉及一種用於海上勘探和生產諸如石油和天然氣等碳氫化合物的海底防噴器。此外，本發明涉及與防噴器的機井控制組件有關聯的高功率雷射器的實施。由此，特別地，本發明涉及新型的雷射輔助海底防噴器及使用這樣的設備的方法，以管理並控制海上鑽井活動。
[0002]如本文中所使用的，除非另有規定，否則術語「防噴器(blowout preventer)」、「BOP」和「BOP堆」應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備，其用於包容或管理與井眼有關聯的壓力或流量；(ii )用於包容或管理位於井眼中的與海底立管有關聯的壓力或流量的設備；(iii)具有任何數量和組合的閘、閥或彈性封隔器(elastomeric packers)以控制或管理井眼壓力或流量的設備；(iv)海底BOP堆，該堆可以包含例如閘板剪切(ram shears)、杆閘板(pipe rams)、全封閘板(blind rams)和環形防噴器；以及(v )其它的這樣類似組合和組裝的流量和壓力管理設備，以控制井眼壓力、流量或兩者，特別是控制或管理應急流量或壓力情況。
[0003]如本文中所使用的，除非另有規定，否則「海上」和「海上鑽井活動」及類似這樣的術語以其最廣泛的意義來使用，並將包括在任何水體之上或之中的鑽井活動，所述水體無論是淡水或鹹水，無論是人為或自然發生的，如河流、湖泊、運河、內陸海、大洋、大海、港灣和海灣，諸如墨西哥灣。如本文中所使用的，除非另有規定，否則術語「海上鑽井平臺(offshore drilling rig)」應賦予其儘可能最廣泛的含義，並將包括固定塔、供應船、平臺、駁船、自升式鑽井平臺(jack-ups)、浮式平臺、鑽井船、動態定位鑽井船、半潛式鑽井平臺和動態定位半潛式鑽井平臺。如本文中所使用的，除非另有規定，否則術語「海底」應賦予其最廣泛的可能性含義，並將包括地球的位於任何水體之下或底部的任何表面，所述水體無論是淡水或鹹水，無論是人為或自然發生的。如本文中所使用的，除非另有規定，否則術語「井」和「井眼(borehole)」應賦予其儘可能最廣泛的含義，並包括鑽孔或以其它方式製成於地球的表面例如海底或海床中的任何孔，並將進一步包括勘探、生產、廢棄、重新進入、重新工作和注入的井。如本文中所使用的，術語「立管(riser)」應賦予其最廣泛的可能性含義，並包括針對諸如鑽井、生產、修井、服務、井服務、幹預和完成等活動的目的將位於水體的表面處、之上或上方的包括海上鑽井平臺、浮式生產儲存和卸載(「FPS0」)船隻以及浮式天然氣儲存和卸載(「FGS0」)船隻的平臺連接到位於海底處、之上或附近的結構的任何管件。
[0004]如本文中所使用的，術語「鑽杆(drill pipe)」應賦予其最廣泛的可能性含義，並包括用於鑽井活動的所有形式的杆；指的是單個部分或單件的杆。如本文中所使用的，術語「鑽杆的支架」、「鑽杆支架」、「杆支架」、「支架(stand)」及相似類型的術語應賦予其最廣泛的可能性含義，並包括通常由具有螺紋連接的接頭連接如結合在一起的兩個、三個或四個部分的鑽杆。如本文中所使用的，術語「鑽柱(drill string)」、「柱」、「鑽杆的柱」、「杆的柱」及相似類型的術語應賦予其最廣泛的定義，並將包括針對採用於井眼中的目的而結合在一起的一個或多個支架。由此，鑽柱可以包括許多支架和數以百個部分的鑽杆。[0005]如本文中所使用的，術語「管件(tubular)」應賦予其最廣泛的可能性含義，並包括已經或可以在鑽井行業中使用的鑽杆、套管、立管、盤管、複合管、真空隔熱油管(VIT)、生產油管和在其中具有至少一個通道的任何類似結構。如本文中所使用的，術語「接頭(joint)」應賦予其最廣泛的可能性含義，並包括用於將管件連接在一起的所有類型的設備、系統、方法、結構和部件，如帶螺紋的杆接頭和螺栓連接的凸緣。對於鑽杆接頭，接頭部分通常具有比鑽杆的其餘部分更厚的壁。如本文中所使用的，管件的壁厚為管件內直徑和管件外直徑之間材料的厚度。
[0006]如本文中所使用的，除非另有規定，否則「高功率雷射能量」意指具有至少約IkW(千瓦)功率的雷射束。如本文中所使用的，除非另有規定，否則「很遠的距離」意指至少約500m (米)。如本文中所使用的，術語「功率的大幅損耗」、「相當大的功率損耗」及類似這樣的短語意指對選定波長而言大於約3.0dB/km (分貝/公裡)的功率損失。如本文中所使用的，術語「相當大的功率傳遞」意指至少約50%的透過率。
【背景技術】
[0007]深水鑽井
[0008]海上油氣勘探和生產一直朝著越來越深的水域前進。如今，深度為5000ft、10，OOOft和更深深度處的鑽井活動被計劃並開展起來。例如，據RIGZONE、www.rigzone.com報導，有超過300臺鑽機位列大於1，OOOft (英尺)的鑽井水深，而在這些鑽機中有超過190臺鑽機位列大於5000ft的鑽井水深，並且在這些鑽機中有超過90臺鑽機位列
10,OOOft的鑽井水深。當在這些深度、非常深的深度和超深的深度處鑽井時，鑽探裝備要承受在大洋深度處出現的極端條件，包括海底處的巨大壓力和低溫。
[0009]此外，這些深水鑽機能夠推進可以處於10，000ft、20，000ft、30，000ft甚至海底
更深處的井眼。因此，諸如鑽杆、套管、立管和BOP等鑽探裝備要承受相當大的力和極端條件。為了解決這些力和條件，例如鑽杆、鑽柱的鑽探裝備被設計成更強，更堅固耐用，並在許多情況下更重。另外，用於製造鑽杆和套管的金屬變得更有韌性。
[0010]通常情況下，藉助一般性說明，在鑽探海底井時，初始井眼製成於海床中，進而隨後較小直徑的井眼被鑽制，以擴大井眼的總深度。由此，隨著整體井眼變得越深，其直徑變得越小；從而可以設想為孔的伸縮組件，其中最大直徑的孔處於與地球表面最近的井眼的頂部。
[0011]由此，通過舉例，海底鑽井過程的起始階段可總體說明如下。一旦鑽井定位在要發生鑽探的區域上方的水面上，則通過在地球中鑽制36〃的孔至海底以下約200_300ft深度而製成初始井眼。30"套管插入到這個初始井眼中。該30"套管也可稱為導體。30"導體可能會或可能不會凝成到合適的位置。在這個鑽井操作期間，一般不使用立管，來自井眼的鑽出物例如通過鑽探活動從井眼中取出的泥土和其它材料將返回到海底。接著，26"直徑的井眼鑽制於30〃套管內，延伸的井眼深度達到約1，000-1，500ft。也可以在不使用立管的情況下進行該鑽井操作。然後，20"套管插入到30"導體和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，可鑽制額外的較小直徑井眼，並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。)然後，BOP固定到立管，並由立管下降到海底；其中BOP被固定到井口。從這點出發，井眼中的所有鑽井活動都通過立管和BOP發生。
[0012]BOP連同其它裝備和步驟一起用於控制並管理井中的壓力和流量。一般情況下，BOP是若干機械設備的堆，其具有延伸通過這些設備的相連內部腔室。各BOP可以具有腔室，例如從約41/6〃到263/4〃範圍內的孔直徑。管件從海上鑽井平臺推進到立管之下，通過BOP腔室並進入井眼。例如鑽井泥漿和鑽出物的返回物從井眼中取出，並通過BOP腔室傳送到立管之上，到達海上鑽井平臺。
[0013]BOP堆通常具有環形防噴器，這是可膨脹的封隔器，它的作用如同繞管件的巨大括約肌。當管件不存在時，一些環形防噴器也可以使用或者能夠密封腔室。當被激活時，該封隔器密封在處於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，除非另有規定，否則術語「閘板防噴器」應賦予其最廣泛的定義，並將包括將管件夾、抓、持有、切割、切斷、粉碎或以它們的組合方式置於BOP堆內的任何機械設備，諸如剪切閘板、全封閘板、可變閘板、可變杆閘板、全封剪切閘板、杆閘板、套管剪切閘板以及諸如Hydril的海德裡壓力控制緊湊型閘板、海德裡壓力控制常規型閘板、海德裡壓力控制快速測井(HYDRIL PRESSURE CONTROLQUICK-L0G)以及海德裡壓力控制崗哨修井(HYDRIL PRESSURE CONTROL SENTRY Workover)等防噴器、SHAFFER閘板防噴器和由Cameron製造的閘板防噴器。
[0014]由此，BOP堆通常具有杆閘板防噴器，並可具有一個以上的杆閘板防噴器。杆閘板防噴器通常是兩個半圈狀夾緊設備，其被驅動抵著位於BOP腔室中的管件的外直徑。杆閘板防噴器可以被看作兩個巨大的手，它們夾緊在管件上並密封位於管件和BOP腔室壁之間的環形空間。全封閘板防噴器也可包含在BOP堆中，當不存在管件時，這些閘板可以密封腔室。
[0015]杆閘板防噴器和環形防噴器通常只能密封位於BOP中的管件和BOP腔室之間的環形空間；它們無法密封管件。由此，在緊急情況下，例如當發生「井湧」(突然向井眼中湧入氣體、流體或壓力)時，或者如果潛在的井噴情況出現，則來自高的井下壓力的流可以回來，直通管件內部、管件和立管之間的環形空間，沿立管向上到達鑽井平臺。另外，在緊急情況下，杆閘板和環形防噴器在管件周圍可能無法形成足夠強的密封來防止流過管件和BOP腔室之間的環形空間。由此，BOP堆包括機械剪切閘板組件。(如本文中所使用的，除非另有規定，否則術語「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。)機械剪切閘板通常是針對緊急情況的最後一道防線，例如，井湧或潛在的井噴。機械剪切閘板的功能如同巨大的閘閥，其應當迅速關閉整個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造和部件，這取決於在部署和使用期間預期的條件和危險。這些部件可包括例如環型防噴器、旋轉頭、具有一組(全封或杆)閘板的單個閘板防噴器、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於節流和壓井線的側出口連接的閘芯(spool)。這些部件的現有構造的示例可以是:B0P堆，其具有71/16〃孔且由下往上為單個閘板、閘芯、單個閘板、單個閘板和環形防噴器，並且具有5000psi的額定工作壓力；B0P堆，其具有135/8〃孔且由下往上為閘芯、單個閘板、單個閘板、單個閘板和環形防噴器，並且具有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閘板、單個閘板、單個閘板、單個閘板、環形防噴器和環形防噴器，並且具有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，包括當出現緊急情況或希望切割BOP中管件並密封井的其它情況時可能存在於BOP中的鑽鋌、杆接頭和底部鑽具組合。隨著管件的強度、厚度和韌性增加，特別是對於深的、非常深的和超深的水域鑽井的管件而言，針對更強的、更強大的以及更好的剪切閘板的需求不斷增加。針對這樣的剪切閘板以及關於現有機械剪切閘板依賴的物理和工程原理的其它信息，這種長期存在的需求載於:West Engineering Services公司，「用於美國礦產管理服務的迷你剪切研究(Mini ShearStudy for U.S.Minerals Management Services)」(申請號 N0.2-1011-1003, 2002 年 12月)；West Engineering Services公司，「用於美國礦產管理服務的剪切閘板能力研究(Shear Ram Capabilities Study for U.S.Minerals Management Services)，，(申請號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 Preventer Forces Required)，，(2010 年 6 月 6 日，2010 年 8月8日修訂)。
[0018]高功率雷射光束輸送
[0019]在共同
【發明者】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，有人認為，高功率雷射能量在傳送很遠距離之後，功率沒有大幅損耗是無法得到的。他們在高功率雷射能量傳送方面、特別是在功率水平大於5kW方面的突破被部分地載於新穎的和創新的教導中，其包含在美國專利申請出版物2010/0044106和2010/0215326，以及標題為「用於將雷射能量傳送過很遠距離的光纖構造(Optical FiberConfigurations for Transmission of Laser Energy Over Great Distances)，，(2010 年7月21日提交)的Rinzler等人的待審美國專利申請序列號12/840,978。在一定程度上參考或涉及高功率雷射能量傳送以及用於完成這種傳送的雷射器、光纖和線纜結構的這三個美國專利申請公開通過引用併入本文。要注意的是，通過引用併入本文未提供任何權限來實踐或使用這些申請發明或者可由此頒予的任何專利，並且不應據此授予或引起任何許可。
[0020]高功率雷射器向BOP和立管的利用和應用載於美國專利申請序列N0.13/034，183,13/034, 017和13/034，037中，每個均於2011年2月24日提交，其全部公開內容通過引用併入本文。

【發明內容】

[0021]在鑽井操作中，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並密封或者以其它方式管理井的壓力、流量或兩者的B0P。由於管件的健壯性增加，特別是用於深海鑽井中的管件的健壯性增加，所以這樣的BOP的需求得以持續、增長並變得更加重要。除其它外，本發明通過提供本文教導的製造品、設備和工藝而解決了這個需求。
[0022]由此，本發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到第二位置；以及雷射切割機，所述雷射切割機用於發射限定射束路徑的雷射束，所述雷射切割機相對於所述閘板定位並面向形成在所述堆內的腔室，其中所述射束路徑進入到所述腔室中，並且所述第二位置位於所述腔室內。
[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；以及雷射切割機，其中所述雷射切割機被定位成沿射束路徑輸送雷射束。此外，所述閘板防噴器可以是剪切閘板組件，並且所述堆還可以包括:環形防噴器組件；杆閘板組件；以及環形防噴器組件，剪切閘板組件和杆閘板組件共用所述腔室，所述腔室具有一軸線。
[0024]更進一步地，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，雷射切割機具有與所述腔室相鄰定位的屏蔽件，其中所述雷射切割機屏蔽件保護所述雷射切割機免受BOP腔室中存在的條件的損壞，所述條件諸如壓力、溫度、移動通過所述腔室或在所述腔室內旋轉的管件或線結構、鑽出物、碳氫化合物以及鑽井流體，所述雷射切割機來自鑽井流體，而不會明顯地幹擾管件通過所述腔室的運動。
[0026]仍進一步地，提供了一種防噴器，所述防噴器具有:雷射切割機；閘板防噴器，所述閘板防噴器包括閘板；腔室，所述腔室位於堆內，用於使管件通過；所述雷射切割機具有射束路徑；所述閘板能夠移動到所述腔室中；區域，所述區域位於所述腔室內，用於將所述閘板與管件接合；以及，所述射束路徑定位在所述雷射切割機之間並相交位於所述腔室中用於將所述閘板與管件接合的所述區域。
[0027]進一步地，提供了一種用於陸上、海上或既用於陸上又用於海上的防噴器，所述防噴器具有雷射切割機；閘板防噴器，所述閘板防噴器具有閘板；腔室，所述腔室位於堆內，用於使管件通過；所述雷射切割機具有射束路徑；所述閘板能夠移動到所述腔室中；區域，所述區域位於所述腔室內，用於將所述閘板與管件接合；以及，所述射束路徑指向位於所述腔室內用於將所述閘板與所述管件接合的所述區域上方。
[0028]再進一步地，提供了一種用於地上、海上或既用於陸上又用於海上的雷射輔助防噴器，所述防噴器具有:環形防噴器；杆閘板組件；以及雷射剪切閘板組件，所述雷射剪切閘板組件具有:閘板，所述閘板可從第一位置移動到第二位置；以及雷射切割機，所述雷射切割機相對於所述閘板定位並面向在所述雷射輔助防噴器內形成的腔室，其中所述雷射切割機發射限定雷射切割機射束路徑的雷射束，所述雷射切割機射束路徑進入到所述腔室中，並且所述第二位置位於所述腔室內。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；其中所述環形防噴器、雷射剪切閘板組件、剪切閘板組件、杆閘板組件和第二桿閘板組件構成部件堆。
[0029]仍另外地，提供了一種雷射輔助防噴器，其中所述雷射切割機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，並且所述雷射切割機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，並且所述雷射切割機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，並且所述雷射切割機射束路徑與所述垂直軸線形成約90度角。
[0030]而且，還提供了一種雷射輔助防噴器，其中所述雷射切割機能夠至少部分地繞所述腔室的軸線運行，並且發射所述雷射束。所述切割機還可具有第二雷射切割機。這些雷射輔助防噴器可被構造成使得使用約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，提供了一種雷射輔助防噴器，其中所述雷射切割機包含在閘板中。此外，所述閘板可具有行進路徑，用於將所述閘板從所述第一位置移動到所述第二位置，所述雷射切割機射束路徑可橫向於所述閘板的行進路徑，或者所述雷射切割機射束路徑可平行於所述閘板的行進路徑。
[0032]更進一步地，提供了一種雷射輔助防噴器，所述雷射輔助防噴器具有:多個雷射切割機，其中每個雷射切割機均發射限定射束路徑的雷射束，其中所述腔室基本上是圓形的；並且，所述多個雷射切割機中的每個均相鄰，但不位於所述腔室中，並且射束路徑被構造成輪輻狀構造。
[0033]再進一步地，提供了一種雷射輔助防噴器，所述雷射輔助防噴器具有:框架；與所述框架相關聯的防噴器堆，所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室形成在所述防噴器內，用於使管件通過；以及雷射輸送組件，所述雷射輸送組件在未激活時被定位在所述腔室外側。
[0034]還提供了一種雷射輔助海底防噴器鑽井系統，所述系統具有:海底立管；防噴器堆，所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室用於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，以推進出井眼；雷射輸送組件；剪切閘板組件，其中所述雷射輸送組件與所述剪切閘板組件以光學和機械方式關聯；從而，在激活後，雷射輸送系統向位於防噴器腔室內的管件輸送高功率雷射束，導致切割所述管件，以減少所述管件會防止所述剪切閘板組件關閉的風險。關於所述雷射輔助海底防噴器鑽井系統，所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來切斷位於所述防噴器腔室中的所述管件，其中所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來削弱位於所述防噴器腔室中的所述管件，或者其中所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來去除所述管件的兩個離散區域。
[0035]再進一步地，提供了一種雷射輔助海底防噴器鑽井系統，所述系統具有:海底立管；防噴器堆；所述防噴器堆具有:腔室，所述腔室用於使管件通過，其中用於所述防噴器堆的所述腔室與所述海底立管流體連通；雷射輸送組件；以及剪切閘板組件，所述剪切閘板組件具有一對相對的剪切閘板，其中所述雷射輸送組件與所述剪切閘板組件關聯。
[0036]而且，提供了一種具有雷射輔助海底防噴器系統的海上鑽井平臺，所述雷射輔助海底防噴器系統用於在緊急情況期間快速切割位於防噴器中的管件，所述雷射系統具有:立管，所述立管能夠操作地連接到海上鑽井平臺，並從海上鑽井平臺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，並由所述立管從所述海上鑽井平臺下降到海底；高功率雷射器，所述高功率雷射器與雷射切割機光通信；以及雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯，從而所述雷射切割機能夠下降到海底處或接近海底，並在激活後向位於所述防噴器內的管件輸送高功率雷射束。
[0037]另外，提供了一種具有雷射輔助海底防噴器系統的海上鑽井平臺，所述雷射輔助海底防噴器系統用於在緊急情況期間快速切割位於防噴器中的管件，所述雷射系統具有: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鑽井平臺；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；高功率雷射器，所述高功率雷射器與雷射切割機光通信；以及雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯並定位在海底處或接近海底，從而在激活後所述雷射切割機向位於所述防噴器內的管件輸送高功率雷射束。[0038]仍另外地，提供了一種具有雷射輔助海底防噴器鑽井系統的海上鑽井平臺，所述系統具有:立管，所述立管能夠操作地連接到海上鑽井平臺，並從海上鑽井平臺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，並由所述立管從所述海上鑽井平臺下降到海底；所述防噴器包括剪切閘板，所述剪切閘板能夠與管件的位於所述防噴器內的區域以機械方式相互作用；所述剪切閘板與雷射切割機關聯；高功率雷射器，所述高功率雷射器與所述雷射切割機光通信；以及雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯；從而所述雷射切割機能夠下降到海底處或接近海底，並且在激活後向位於所述防噴器內的所述管件輸送高功率雷射束，並向所述管件的與所述剪切閘板以機械方式相互作用的區域處或附近的區域輸送高功率雷射束。
[0039]進一步地，提供了一種能夠在超過5000英尺的水下鑽井的深水海上鑽井平臺，所述深水海上鑽井平臺具有與防噴器關聯的雷射輸送組件以及用於快速切割位於防噴器堆中的管件的立管，所述海上鑽井平臺具有:提升裝置以及至少為20kW功率的高功率雷射器；至少5000英尺的立管部分，所述立管部分能夠連接在一起並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並下降到海底；高功率雷射器與雷射切割機光通信；所述雷射切割機以光學機械的方式與所述防噴器關聯；從而所述雷射切割機能夠下降到海底處或接近海底，並在激活後向位於所述防噴器內的管件輸送高功率雷射束，並向所述管件上的擬定切割的區域輸送高功率雷射束。並且進一步地，所述鑽井平臺可具有提升裝置，所述提升裝置包括井架、絞車和頂驅。
[0040]再進一步地，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的雷射切割機；所述雷射切割機具有用於輸送預定的雷射束切割模式的裝置；從而所述預定的雷射束切割模式對應於管件的位於所述堆內的待去除的區域。
[0041]還提供了一種通過使用雷射輔助防噴器和立管來鑽探海底井的方法，所述方法包括:使用具有第二內部腔室的立管將具有第一內部腔室的雷射輔助防噴器從海上鑽井平臺下降到海底，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、所述第一內部腔室和所述第二內部腔室以流體和機械方式連通；以及通過將管件從所述海上鑽井平臺下降通過所述第二內部腔室、所述第一內部腔室並下降到所述井眼中來推進所述井眼；其中所述雷射輔助防噴器能夠執行對存在於所述第一內部腔室中的管件的雷射切割。所述方法中使用的所述防噴器可以是雷射輔助防噴器，所述雷射輔助防噴器具有:框架；與所述框架關聯的防噴器堆；所述防噴器堆包括用於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雷射輸送組件，其中所述雷射輸送組件在未激活時被定位在所述第一腔室和第三腔室外側。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發明的雷射輔助海底BOP鑽井系統的實施例的示意圖。
[0043]圖2是本發明的雷射剪切閘板組件的實施例的局部剖切剖視圖。
[0044]圖3A是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實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中雷射剪切閘板組件的一部分閘板的詳細剖視圖。
[0046]圖4A、4B、4C和4D是圖3A中雷射剪切閘板組件的實施例的橫向剖視圖。[0047]圖5是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實施例的橫向剖視圖。
[0048]圖6是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實施例的橫向剖視圖。
[0049]圖7是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實施例的局部剖切剖視圖。
[0050]圖8是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實施例的局部剖切剖視圖。
[0051]圖9是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實施例的局部剖切剖視圖。
[0052]圖10A、10B和IOC是本發明雷射剪切閘板的具有雷射切割機的部分的視圖。
[0053]圖1lAUlB和IlC是本發明另一雷射剪切閘板的具有雷射切割機的部分的視圖。
[0054]圖12A、12B和12C是本發明另一雷射剪切閘板的具有雷射切割機的部分的視圖。
[0055]圖13A、13B和13C是本發明另一雷射剪切閘板的具有雷射切割機的部分的視圖。
[0056]圖14是本發明的具有雷射切割機的一對相對雷射剪切閘板的平面示意圖。
[0057]圖15是本發明的在一個閘板中具有雷射切割機的一對相對雷射剪切閘板的平面示意圖。
[0058]圖16、17、18、19、20和21是本發明的雷射輸送模式的示意圖。
[0059]圖22A是本發明的雷射剪切閘板組件的另一實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中雷射剪切閘板組件的實施例的橫向剖視圖。
[0061]圖23至23B是本發明的雷射束路徑的示意圖。
[0062]圖24是與管件相互作用的雷射剪切閘板的示意圖。
[0063]圖25是管件和雷射剪切閘板的示意圖。
[0064]圖26是管件和雷射剪切閘板的示意圖。
【具體實施方式】
[0065]一般情況下，本發明涉及一種具有高功率雷射束切割機的B0P，高功率雷射束切割機與機械閉合設備結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中示意性地示於了雷射輔助海底BOP鑽井系統150的實施例。在本實施例中，提供了一種雷射輔助防噴器(BOP)IOO。雷射輔助B0P100具有保護BOP的框架101，具有起重和裝卸設備(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備，這些在海上鑽井領域是眾所周知的，但在圖中未示出。本示例的雷射輔助B0P100具有環形防噴器103、具有雷射輸送組件的雷射剪切閘板組件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雷射輔助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，在深海鑽井操作中，使用21〃立管和183/4〃B0P。術語「21〃立管」是通用的，且涵蓋一般外直徑範圍為21〃的立管，並將包括例如具有211/4〃外直徑的立管。21〃立管的壁厚範圍可以從約5/8〃至7/8〃或以上。但是，立管和BOP可以在大小、類型和構造上有所變化。立管可以具有的外直徑範圍從約133/8〃至約24"。BOP可以具有腔室，例如,孔的直徑範圍從約41/6〃至263/4"。例如，立管可以是常規杆立管、柔性杆立管、複合管結構、鋼懸鏈式立管(「SCR」)、頂部張緊立管、混合立管和海上鑽井領域技術人員已知的或後來研發的其它類型立管。應構想使用直徑更小和更大的立管、不同類型和構造的立管、具有更小和更大直徑腔室的BOP以及不同類型和構造的BOP ;而且，本說明書的教導和發明不限制或不限於特定立管或BOP的大小、類型或構造。
[0067]雷射輔助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相對於雷射輔助B0P100呈一角度，由此容納立管116和鑽井平臺118在水面124上的一些移動。立管116由立管張緊器117和海上鑽井領域技術人員已知的其它裝備(但在該圖中未示出)連接到鑽井平臺118。在本示例中示出為半潛式鑽井平臺的鑽井平臺118具有月池119、鑽臺120、井架121以及用於操作的其它鑽井及鑽井支撐裝備和設備，這是海上鑽井領域已知的，但在圖中未示出。雖然本實施例中示出的是半潛式鑽井平臺，但任何類型的海上鑽井平臺、船隻或平臺可被利用，由此可擁有雷射輔助BOP鑽井系統。
[0068]如圖1所示，在部署時，雷射輔助B0P100附接至立管116，下降到海底108並緊固到井口 107。井口 107定位並固定到套管114，套管114已經通過水泥113凝成於井眼112和較大直徑套管111中。較大直徑套管111通過水泥110凝成於較大直徑井眼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。從這點出發，一般地，在井眼中的所有鑽探活動都通過立管和BOP來發生。
[0069]一般情況下，舉例來說，在部署期間，雷射輔助BOP (諸如圖1的實施例)附接至立管，由海上鑽井平臺下降到海底並緊固到井口。井口定位並固定到已凝成於井眼中的套管。從這點出發，一般地，在井眼中的所有鑽探活動都通過立管和BOP來發生。例如，這樣的鑽探活動將包括:從海上鑽井平臺將鑽杆柱(在其端部具有鑽頭)下降到立管的幹擾腔室之下，通過雷射輔助BOP的腔室並進入井眼中。由此，鑽柱將從水面上的海上鑽井平臺延伸到井眼的底部，潛在地為水面和海底以下數萬英尺。鑽頭，將是對井眼底部旋轉，同時鑽井泥漿泵送到鑽杆的內部之下並離開鑽頭。鑽井泥漿將攜帶例如由旋轉鑽頭取出的井眼材料等鑽出物，升至位於井眼壁和鑽柱外直徑之間的環形空間，持續向上通過位於BOP腔室壁和鑽柱外直徑之間的環形空間，並繼續向上通過位於立管腔室內直徑和鑽柱外直徑之間的環形空間，直到鑽井泥漿和鑽出物大體由鐘形殼體或在極端情況下由分流器引導，以在海上鑽井平臺上進一步處理或裝卸。由此，鑽井泥漿部分地由立管和雷射輔助BOP從海上鑽井平臺通過立管中的鑽柱而泵送到井眼的底部，並返回到鑽井船。
[0070]本發明的雷射輔助B0P、例如圖1的雷射輔助B0P100可用於控制並管理井中的壓力和流量兩者；也可用於管理並控制緊急情況，諸如井湧或潛在的井噴。環形防噴器、例如圖1的環形防噴器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雷射輔助B0P100的內部腔室壁127之間形成的環形空間。閘板、例如圖1的杆閘板105和106兩者均可具有兩個半圈狀夾緊設備，其被驅動在處於BOP腔室123中的管件外直徑上；或者其中一個可以是全封閘板，當沒有管件時其可以密封腔室。
[0071]雷射輔助B0P、例如圖1的雷射輔助B0P100可包括雷射剪切閘板組件，例如雷射剪切閘板組件104。雷射剪切閘板組件可以是針對緊急情況例如井湧或潛在的井噴的最後一道防線。一般情況下，雷射剪切閘板組件使用雷射束來切割或削弱管件，包括鑽鋌、杆接頭和底部鑽具組合，當出現緊急情況或者有利於切割BOP中的管件的其它情況時，底部鑽具組合可存在於BOP腔室123中，使得閘板可以迅速而可靠地關閉整個BOP腔室123，以密封它並由此密封井。雷射BOP應當包容可能存在於井中的壓力，並且例如應當能夠經受住5，000ps1、10，000ps1、15，OOOpsi的壓力，可優選地為用於深海鑽井的20，OOOpsi或以上。由此，雷射輔助BOP將具有當出現緊急情況或其它情況時可靠地且迅速地密封井的能力，而不論存在於BOP中的管件的厚度和類型。
[0072]在圖1中，立管和BOP沿鑽井立管BOP包(drilling riser BOP package)的線構造，其中BOP定位在海底處或接近，通常附接至如鑽探活動中看到的井口。無論是在陸地還是海上，本發明的已存在雷射模塊、雷射切割機、雷射組件和雷射-BOP組合應用到其它類型的立管、立管-BOP包和活動。由此，它們已經應用在鑽井、修井、服務、測試、幹預和完成有關的活動中。它們還應用於表面B0P，例如，其中BOP定位在水面上方，並且立管從BOP延伸至海底，在立管中進行鑽井；其中立管是生產立管，而其它構造為本領域已知或以後研發。
[0073]雷射輔助海底BOP鑽井系統可具有單個高功率雷射器，可優選地可具有兩個或三個高功率雷射器，並且可具有若干個高功率雷射器，例如六個或以上。最好是高功率固態雷射器，特別是半導體雷射器和光纖雷射器，因為它們的啟動時間短，尤其是即時啟動能力。高功率雷射器例如是具有10kW、20kW、50kW或以上功率的光纖雷射器或半導體雷射器，其發射的雷射束的波長可優選地處於大約1550nm (納米)或1083nm範圍。優選雷射器特別是諸如光纖雷射器等固態雷射器的示例載於美國專利申請出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國專利申請序列號12/840,978中。一個或多個雷射器可位於海上鑽井平臺上，在水面上方，並藉助高功率長距離雷射傳送電纜光學連接到處於海底上的B0P，其優選示例載於美國專利申請出版物2010/0044106和2010/0215326以及待審的美國專利申請序列號12/840,978中。雷射傳送電纜可以包含在閘芯中，當它們下降到海底時被解開並附接至BOP和立管。雷射器也可以包含在BOP框架中或與之關聯，不需要長距離的高功率光纜來將雷射束從水面傳送到海底之下。鑑於雷射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，一個這樣構造的雷射輔助海底BOP鑽井系統應具有至少一個位於海上鑽井平臺上的高功率雷射器，並由高功率傳送電纜連接到bop ;並應具有至少一個雷射器，位於海底上的BOP框架中或與之關聯。
[0074]轉到圖2，示出了可用於BOP堆中的雷射剪切閘板組件的實施例的示例。雷射剪切閘板組件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，它們在激活後由下活塞組件205和上活塞組件206壓入到內部腔室204中。激活後，剪切閘板202、203的配合表面207、208彼此接合併密封內部腔室204，由此密封井。內部腔室204具有內部腔室壁227。還提供了雷射輸送組件209。雷射輸送組件209位於雷射剪切閘板組件200的主體201中。雷射輸送組件209可以例如是圍繞或部分地圍繞內部腔室204的環形組件。該組件209位於剪切閘板202、203上方，即，位於進一步背離井口的那偵U。雷射輸送組件209與至少一個高功率雷射源光學關聯。
[0075]在鑽井和其它活動期間，管件(圖2中未示出)通常定位在內部腔室204內。環形空間形成在管件的外直徑和內部腔室壁227之間。這些管件外直徑的尺寸範圍可以從約18〃降至幾英寸，特別地，通常範圍從約162/5 (16.04)"英寸至約5〃或以下。當管件存在於腔室204中時，一旦激活雷射剪切閘板組件200，則雷射輸送組件209將高功率雷射能量輸送到位於腔室204中的管件。高功率雷射能量完全切割管件，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，如果管件完全被雷射能量切斷，則將任何剩餘管件部分移出剪切閘板的路線；或者如果只是被雷射削弱，則切斷管件，並將被切斷的管件部分移出剪切閘板的路線。由此，雷射剪切閘板組件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的實施例的示例中示出了單個雷射輸送組件，但可採用多個雷射輸送組件、不同形狀的組件以及處於不同位置的組件。此外，也可採用使雷射輸送組件位於剪切閘板下方即更接近井口一側的構造，以及使雷射輸送組件位於剪切閘板或BOP堆的其它部分或模塊上方、下方、內部或它們的組合的構造。雷射能量切割、去除、削弱、結構弱化或大幅削弱內部腔室中的管件的能力使得能夠潛在地使用單個剪切閘板，否則可能必須或需要兩個剪切閘板；由此，在整體組裝中減少了移動部件的數量，減輕了 BOP的重量，減少了 BOP的高度並減少了用於BOP的覆蓋面積，以及其它益處。此外，向管件的精確和預定的雷射能量輸送模式的能力以及精確和預定地切入並切穿管子的能力提供了使剪切閘板切割並配合以匹配、互補方式構造的表面的能力，或者提供了以其它方式用雷射能量輸送模式更有效地工作的能力。由此，與雷射能量輸送模式匹配或量身定製的剪切閘板構造由本發明構想出。此外，精確和預定地切入並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定形狀的能力，以協助稍後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，鑽井泥漿或其它流體可以由與BOP堆相關聯的壓井線泵送到井中。
[0077]雷射剪切閘板組件的主體可以是加工成容納雷射輸送組件的單件，或者，它可以由以提供針對其擬定用途的足夠強度、特別是經受住5，000pS1、10，000pS1、15，000pS1、20，OOOpsi和以上壓力的方式固定在一起的多件製成。主體的包含雷射輸送組件的區域可被加工出來，或以其它方式製造成容納雷射輸送組件，同時針對主體的擬定用途維持強度要求。雷射剪切閘板組件的主體也可以是兩個或更多個分離部件或模塊，例如，一個部件或模塊用於雷射輸送組件，另一個用於剪切閘板。這些模塊可以由例如螺栓連接的凸緣或海上鑽井領域技術人員已知的其它合適附接裝置彼此附接。主體或構成主體的模塊可具有一個通路、多個通路、多個通道或其它這樣的結構，以將用於從雷射源傳送雷射束的光纖電纜運送到主體中，並運送到雷射輸送組件以及與操作或監控雷射輸送組件及其切割操作有關的其它電纜。
[0078]圖3A中，示出了可用於雷射輔助BOP中的雷射剪切閘板組件的實施例的示例。由此，示出了具有主體301的雷射剪切閘板組件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，而在本實施例中，垂直軸線與中心軸線相同，這一般針對用於BOP的情況。(這些軸線的命名基於BOP的構造，並且相對於BOP結構本身，而不是BOP相對於地球表面的位置。由此，如果BOP例如被布置在其一側，則BOP的垂直軸線將不會改變)。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包含並支撐下剪切閘板302和上剪切閘板303，所述閘板具有與之相關聯的活塞組件305和306。在操作中，活塞組件305、306驅動閘板302、303朝向中心軸線311，接合、切割並移動通過管件312，並且密封腔室304並由此密封井。主體301還具有饋通組件(feed-through assembly)313,用於管理壓力並允許在操作雷射切割機時可能需要的光纖電纜和其它電纜、管、電線和運送裝置插入到主體301中。主體收容了上雷射輸送組件309和下雷射輸送組件310。
[0080]轉到圖3B，示出了圖3A所示實施例的剪切閘板配合表面308、307的更詳細視圖。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以及後緣320，該前緣介於下表面323和面321之間，該後緣介於上表面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以及後緣315，該前緣介於上表面317和面316之間，該後緣介於面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所示實施例的剖視圖，並示出了雷射剪切閘板組件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，還示出了雷射閘板組件300的上雷射輸送組件309的進一步細節。在本實施例中，下雷射組件310可具有與上雷射輸送組件309類似的部件和構造。但是，下雷射組件310可具有不同的構造，並具有更多或更少的雷射切割機。
[0082]雷射輸送組件309具有四個雷射切割機326、327、328和329。柔性支持電纜與每個雷射切割機關聯。由此，柔性支持電纜331與雷射切割機326關聯，柔性支持電纜332與雷射切割機327關聯，柔性支持電纜333與雷射切割機328關聯，而柔性支持電纜330與雷射切割機329關聯。柔性支持電纜位於通道339中，並進入饋通組件313。在饋通組件313的總體區域內，支持電纜從柔性過渡到半柔性，並可進一步包括在導管338中，以運送到高功率雷射器或用於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度，其容納雷射切割機326、327、328和329繞311軸線且繞管件312的軌道。
[0083]圖4A至4D示出雷射剪切閘板組件300的激活順序，以切斷管件312並密封腔室304。在該示例中，圖4A中示出了順序的第一視圖(例如，急射，這是因為順序可優選地是連續的而不是交錯的或漸進的)。由於被激活，四個雷射切割機326、327、328和329分別射出雷射束334、335、336和337。射束指向中心軸線311。因此，射束從BOP內、從腔室壁341外側射出，並朝向BOP的中心軸線311行進。雷射束撞擊管件312，並開始切割，即，從管件312去除材料。如果將腔室304視為時鐘面，則雷射切割機326、327、328和329可以視為最初分別定位於12點鐘、9點鐘、6點鐘和3點鐘位置。激活後，雷射切割機及其各自的雷射束，開始繞中心軸線311和管件312運行。(在此構造中，雷射切割機隨著它們的運行亦將繞其自己的軸線旋轉，由此，如果它們移動通過一個完整的軌道，則它們也已移動通過一個完整的旋轉。)在本示例中，切割機和射束沿逆時針方向繞行，如圖所示；但是，也可以使用順時針旋轉。由於射出雷射束並發生沿軌道的繞行，所以剪切閘板303、302朝向彼此並朝向管件312驅動。
[0084]由此，如順序的下一視圖所看到的，見圖4B，雷射切割機326、327、328和329已旋轉45度，沿射束路徑334、335、336和337行進的雷射束已切穿管件312圓周的4個1/8部(即，總共一半)。然後，圖4C示出切割機已移動通過四分之一圈。由此，在圖4C中，雷射切割機，326、327、328和329已旋轉四分之一圈，其中雷射束334、335、336和337已切穿管件312。由此，切割機326可以視為已經從12點鐘位置移動至9點鐘位置，其中其它切割機同樣已改變了它們各自的鐘面位置。進一步示出了在接近並接合管件312時的上閘板的上表面322、後緣320、面321和前緣319，以及下閘板的上表面317和前緣314，以及雷射束已切割的管件區域。
[0085]然後，圖4D示出了順序的最後視圖，其中雷射切割機已被停用並不再射出它們的雷射束，且剪切閘板密封接合。腔室304被完全填充，並被剪切閘板303、302阻塞。如圖4C中看到的，僅有上閘板303的上表面322、後緣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，特別是針對旨在切斷管件的圓形切口，可優選的是，管件不在垂直方向上移動。由此，在發射雷射切割機之時或之前，杆閘板、環形防噴器或單獨的保持設備應被激活，以防止在雷射切割操作期間杆的垂直移動。
[0087]雷射切割機的軌道運動速率取決於所使用切割機的數量、雷射束在它撞擊待切割管件的表面時的功率、待切割管件的厚度、以及雷射切割管件的速率。軌道運動的速率應當足夠低，以確保可以完成擬定的切表I]。
[0088]除了軌道切割機，雷射束可以被掃描，例如以扇狀圖案移動。以這種方式，射束路徑將沿待切割區域例如管件區域掃描，而切割機或至少切割機的基座仍處於固定位置。雷射束的這種掃描可以例如通過關於固定點來回移動切割機(例如像擺動風扇的移動)來完成。它也可通過使例如雷射掃描儀的光學器件包含在掃描射束路徑的切割機內來完成，由此雷射束呈風扇狀圖案。例如，旋轉的多面反射鏡或稜鏡可以用作掃描儀。但是，應當注意的是，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。也可採用用於射束路徑和雷射束的另外掃描模式，以完成或解決特定的切割應用或在BOP腔室中的管件構造。
[0089]雷射切割機的軌道運動或其它運動，可以通過本領域公知的機械、液壓和電氣-機械系統來完成。例如，切割機可以安裝到步進電機，步進電機由位於BOP中的電池、來自表面的電纜或兩者供電。步進電機還可具有與它們相關聯的控制器，該控制器可以被構造為控制步進電機，以執行對應於特定切割步驟的特定運動。可以採用凸輪作業系統，以通過切割運動或周期來移動切割機。凸輪可以由電動馬達、液壓馬達、液壓活塞或與前述器件組合來驅動，以便在一個動力裝置失效的情況下可優選地提供備用系統以移動切割機。齒輪箱、齒條齒輪組件或它們的組合可與電動馬達、液壓馬達或活塞組件結合用於提供切割機移動。控制系統可一體到諸如步進電機控制組合等切割機動力裝置，可成為BOP的一部分，如與其它控制系統包含在BOP上，或者它可位於平臺上，或與前述器件組合。
[0090]所使用術語「已完成的」切割和類似這樣的術語包括:將管件切斷成為兩部分，即，一直穿過壁並繞管件整個圓周的一個切口，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切口，以確保剪切閘板密封接合。取決於雷射剪切閘板組件的特定構造和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% ;大量穿孔創建於壁中，但不貫通管件的壁；大量穿孔完全貫穿管件的壁；大量狹縫創建於壁中，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。優選的是，完整的切口在不到一分鐘內做出，更可優選的是，完整的切口在30秒或以下做出。
[0091]軌道運動的速率可以固定在針對最極端管件或管形組合完成切口所需要的速率，或是可變或預定的旋轉速率，以匹配將在特定鑽井操作期間存在於BOP中的特定管件或各類型管件。
[0092]在旋轉雷射輸送組件中的雷射切割機的數量越大，在相同量的時間內可以完成切口的軌道運動速率越慢。此外，增加雷射切割機的數量會減少完成管件的切口的時間，而不必增加軌道速率。增加雷射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、更少的雷射切割機、更短的時間來完成切口或它們的組合。
[0093]本發明實施例的示例和說明中使用的雷射切割機可以是任何合適的設備，用於輸送高功率雷射能量。由此，可以採用用於使雷射束聚焦的光學元件的任何構造。但是，進一步考慮到對流體和材料的光學效應的管理，其可位於管件和BOP內部腔室壁之間的環形空間內。
[0094]舉例來說，這樣的鑽井流體可包括水、海水、鹽水、鹽溶液、鑽井泥漿、氮氣、惰性氣體、柴油、薄霧、泡沫或烴類。也可能存在於由推進井眼或其它井下操作而取出或創建的這些鑽井流體井眼鑽出物(例如碎片)中。可以存在兩相流體和三相流體，其將構成兩種或三種不同類型材料的混合物。這些鑽井流體可以幹擾雷射束切割管件的能力。這樣的流體可能不傳送、或可能僅部分地傳送雷射束，由此當雷射束通過流體時幹擾或降低雷射束的功率。如果這些流體在流動，則這樣的流動可進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象產生，包括但不限於:吸收、折射和散射。此外，非透過性和部分透過性可以並將可能依賴於雷射束的波長。
[0095]在183/4〃B0P中，即，腔室或孔的直徑約為183/4"，取決於位於腔室中的雷射切割機的構造和管件的大小，雷射束需要通過超過6"的鑽井流體。在其它構造中，雷射切割機可接近或非常接近、鄰近待切割管件定位，並以維持此種接近的方式移動。在這些構造中，雷射束在雷射切割機和待切割管件之間行進的距離可維持在約2"內、小於約2"、小於約I"以及小於約1/2"，並維持在小於約3〃至小於約1/2〃以及小於約2〃至小於約1/2〃的範圍內。
[0096]特別地，對於雷射器具有比較長的行進距離、例如大於約1〃或2〃(但是這個距離可以或多或少地取決於雷射功率、波長和鑽井流體類型以及其它因素)的這些構造和實施例，有利的是，使這樣的井眼流體的不利影響最小化，並基本上保證或確保:這樣的流體不幹擾雷射束的傳送；或者所使用雷射功率足以克服傳送雷射束通過這樣的流體可能發生的任何損失。為此，可以利用機械、壓力和噴射型系統，以減少、最大限度減少或基本消除鑽井流體在雷射束上的影響。
[0097]例如，諸如封隔器和閘板等機械設備包括環形防噴器，可用於隔離要執行雷射切割的區域，舉例來說，鑽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域去除。在此構造中使用流體具有的附加優點在於，它本質上是不可壓縮的。而且，填充有透光流體(氣體或液體)的機械通氣管類(snorkel like)設備或管可在雷射切割機和待切割管件之間延伸，或以其它方式布置在這之間的區域內。以這種方式，雷射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雷射切割機和雷射束。可以使用高壓氣體射流來清除路徑，或用於雷射束的部分路徑。該氣體可以是惰性的，或者它可以是空氣、氧氣或加速雷射切割的其它類型氣體。所需的相對少量的氧氣以及它通過雷射、金屬、氧氣相互作用由燃燒管件所消耗的極速應當不存在火災或危及鑽井平臺、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於約IkW的雷射束可以在切割區域內創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雷射束路徑中的鑽井流體。
[0100]可變閘板防噴器可與氧氣(或空氣)和雷射切割機結合使用。由此，單個可變閘板可用於抓取和密封位於BOP腔室中的管件。可變閘板將形成位於閘板內的小腔室，當接合在管件上時，該腔室將圍繞管件。於是，該腔室可以通過使腔室通風將其壓力下降到大氣壓或附近。在將包含在閘板內的雷射切割機發射之前，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雷射切割機，當與管件接合時形成隔離腔室，並提供了以最小的幹擾從鑽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於雷射切割機，也可以使用兩個可變閘板，一個在另一個之上。而且，雖然腔室可以通風到大氣壓力或附近，但可維持增加的壓力，例如在它被切割時減少或減緩從管件內湧入任何鑽井流體。
[0101] 具有單個液體流的高壓雷射液體射流可以使用雷射切割機和雷射束。針對雷射束，用於噴射的液體應當是可透過的或者至少基本可透過的。在這種類型的射流雷射束組合中，雷射束可與射流同軸。但是，這種構造具有的缺點和問題在於，流體射流不充當波導管。該單個射流構造具有的另一缺點和問題在於，射流必須既提供力來保持鑽井流體遠離雷射束，又要提供介質用於傳送射束。
[0102]複合流體雷射射流可用作雷射切割機。複合流體射流具有由環形外射流圍繞的內芯射流。雷射束由光學器件引導到芯部射流中，並由芯部射流傳送，其充當波導管。單個環形射流可以圍繞芯部，或者可以採用多個嵌套的環形射流。因此，複合流體射流具有芯部射流。該芯部射流由第一環形射流圍繞。該第一環形射流也可以由第二環形射流圍繞；而第二環形射流可以由第三環形射流圍繞，第三環形射流可以由另外的環形射流圍繞。外環形射流的功能是保護內芯射流免受在BOP腔室壁和管件之間環形空間中存在的鑽井流體的影響。芯部射流和第一環形射流應當由具有不同折射率的流體製成。在複合射流只有芯部和圍繞該芯部的環形射流的情況下，由芯部組成的流體的折射率應當大於由環形射流組成的流體的折射率。以這種方式，折射率的差異使複合流體射流的芯部充當波導管，保持雷射束包含在芯部射流內，並在芯部射流中傳送雷射束。此外，在該構造中，雷射束(如果有的話)不會明顯地離開芯部射流並進入環形射流。
[0103]組成複合流體射流的各種射流的壓力和速度可以依賴於應用和使用環境而有所不同。由此，舉例來說，壓力範圍可以從約3000psi至約4000psi至約30，OOOpsi,可優選地約為70，OOOpsi至更大的壓力。芯部射流和(一個或多個)環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形射流可以壓力更高。可優選地，芯部射流的壓力高於環形射流。舉例來說，在多射流構造中，芯部射流可以為70，000?81，第二環形射流(這是與芯部和第三環形射流相鄰定位)可以為60，OOOpsi，而第三(在外部，與第二環形射流相鄰定位，並與工作環境介質接觸)環形射流可以為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於環形射流的速度，環形射流的速度可以大於芯部射流的速度，而多個環形射流的速度可以不同或相同。芯部射流和環形射流的速度可以選擇，使得芯部射流不接觸鑽井流體，或使這樣的接觸最小化。射流的速度範圍可以從相對緩慢到非常快，可優選的速度範圍從約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形圈，環形圈射流第一其次為芯部，或者同時形成芯部射流和環形圈。為了最大限度地減少或消除芯部與鑽井流體的相互作用，環形射流首先創建，其次為芯部射流。
[0104]在選擇用於形成射流的流體以及確定用於流體的折射率的差異量時，雷射束的波長和雷射束的功率是應當考慮的因素。由此，例如對于波長在1080nm(納米)範圍內的高功率雷射束，芯部射流可以由具有約1.53折射率的油製成，而環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製成。由此，分別地，用於該構造的芯部射流將具有從約0.95至約0.12的NA (數值孔徑)。這種複合流體雷射射流的進一步的細節、說明和示例含在2010年8月31日提交的Zediker等人的美國臨時專利申請序列N0.61/378,910中，標題為「波導雷射射流及使用方法(Waveguide Laser Jet and Methods of Use)」,其全部公開內容通過引用併入本文。應當注意的是，所述通過引用併入本文未提供任何權限來實踐或使用所述申請的發明或者可由此頒予的任何專利，並且不應據此授予或引起任何許可。
[0105]除了使用高功率雷射束來切割管件，可在BOP堆中利用其它形式的定向能或手段來提供對管件的切割。這樣的定向能手段將包括等離子切割機、電弧切割機、大功率水射流和顆粒水射流。但是，這些手段中的每個相比於高功率雷射能量都具有缺點。特別地，相比其它手段，高功率雷射能量具有更大的控制力度、可靠性，並基本上潛在地對BOP系統部件的損害更小。不過，使用這些其它的不太理想的手段應由本發明在本文中構想為定向能手段，以切割位於BOP腔室內的管件。
[0106]雷射束接觸管件的角度可由雷射切割機內的光學器件確定，或者它可由雷射切割機本身的角度或位置確定。在圖23中，示出了雷射切割機2300的示意圖，其中光路2301以各種角度離開切割機。當雷射束傳播時，例如發射或從雷射切割機射出，雷射束將沿射束路逕行進。相對於BOP腔室垂直軸線(虛線)2311進一步示出了射束路徑。如圖23A和23B的放大視圖所看到的，相對於軸線2311的離井口連接側2310最遠的部分，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逕行進的雷射束與垂直軸線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2310作為用於本文所用的角度確定的參考點。
[0107]雷射切割機具有排出端，雷射束從該排出端傳播。雷射切割機還具有光路。射束路徑由雷射束擬佔據的路徑限定，並從雷射切割機的排出端延伸至待切割的材料或區域；且潛在地超出。
[0108]在射束路徑(雷射束沿該射束路逕行進)和BOP垂直軸線之間的角度，總體對應於射束路徑和雷射束將撞擊存在於BOP腔室中的管件時的角度。但是，最好使用基於BOP以確定角度的參考點，因為管件可能移位，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]因為在雷射束和BOP垂直軸線之間形成的角度可以變化並可以預先確定，所以雷射切割機的位置，或者更具體地雷射束離開切割機的點並不一定要與待切割區域正交。由此，雷射切割機位置或射束髮射角可以使得雷射束從以下處行進:待切割區域的上方，這將導致在雷射束和BOP垂直軸線之間形成銳角；與待切割區域同一水平，這將導致在雷射束和BOP垂直軸線之間形成90°角；或待切割區域下方，這將導致在雷射束和BOP腔室垂直軸線之間形成鈍角。以這種方式，可以評估和改進閘板的形狀、閘板的表面、閘板施加的力和由雷射切割的區域的位置之間的關係，以針對特定應用來優化這些因素的關係。[0110]預先確定雷射束與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定形狀的能力。由此，如果雷射束來自切割區域的上方，則在被切斷管件的下段的上端可以切出向內的錐形。如果雷射束來自待切斷區域的下方，則在被切斷管件的下段的上端可以切出向外的錐形。如果雷射束來自切割區域的相同水平，則在被切斷管件的端部將不會切出錐形。用於被切斷的下管件的這些各種端部形狀也許利於將各種類型的打撈工具附接至該管件，以在以後的某個時間點從井裡取出它。
[0111]在本發明的構造中利用的雷射切割機的數量可以是單個切割機、兩個切割機、三個切割機，直至並包括12個或12個以上的切割機。如上面所討論的，切割機的數量取決於若干因素，而用於任何特定構造和最終用途的切割機的最佳數量可基於最終用途的要求以及本說明書中提供的公開內容和教導來確定。
[0112]基於公布數據的雷射功率、能量密度和切割速率的示例載於表1中。
[0113]表1
[0114]
【權利要求】
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到第二位置；以及 雷射切割機，所述雷射切割機用於發射限定射束路徑的雷射束，所述雷射切割機相對於所述閘板定位並面向形成在所述堆內的腔室，其中所述射束路徑進入到所述腔室中，並且所述第二位置位於所述腔室內。
2.如權利要求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，並且所述堆還包括: a.環形防噴器組件； b.杆閘板組件；以及 c.環形防噴器組件，剪切閘板組件和杆閘板組件共用所述腔室，所述腔室具有一軸線。
3.如權利要求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.如權利要求2所述的防噴器，包括與所述腔室相鄰定位的雷射切割機屏蔽件，其中所述雷射切割機屏蔽件保護所述雷射切割機免受損壞，而不會明顯地幹擾管件通過所述腔室的運動。
5.一種防噴器，所述防噴器包括: a.雷射切割機； b.閘板防噴器，所述閘板防噴器包括一對相對的閘板； c.腔室，所述腔室位於堆內，用於使管件通過； d.所述雷射切割機具有射束路徑； e.所述閘板能夠移動到所述腔室中； f.位於所述腔室內的區域，用於將所述閘板與管件接合；以及 g.所述射束路徑定位在所述雷射切割機和位於所述腔室內用於將所述閘板與所述管件接合的所述區域之間。
6.一種雷射輔助防噴器，所述雷射輔助防噴器包括: a.環形防噴器； b.杆閘板組件；以及 c.雷射剪切閘板組件，所述雷射剪切閘板組件包括: 1.閘板，所述閘板可從第一位置移動到第二位置；以及 i1.雷射切割機，所述雷射切割機相對於所述閘板定位並面向在所述雷射輔助防噴器內形成的腔室，其中所述雷射切割機發射限定雷射切割機射束路徑的雷射束，所述雷射切割機射束路徑進入到所述腔室中，並且所述第二位置位於所述腔室內。
7.如權利要求6所述的雷射輔助防噴器，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；其中所述環形防噴器、雷射剪切閘板組件、剪切閘板組件、杆閘板組件和第二桿閘板組件構成部件堆。
8.如權利要求6所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射切割機射束路徑朝向所述腔室的中心軸線方向延伸。
9.如權利要求6所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射切割機能夠至少部分地繞所述腔室的軸線運行，並且發射所述雷射束。
10.如權利要求9所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射輔助防噴器使用約1/2的軌道來完成管件的切口。
11.如權利要求9所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射輔助防噴器使用約1/3的軌道來完成管件的切口。
12.如權利要求9所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射輔助防噴器使用約1/4的軌道來完成管件的切口。
13.如權利要求6所述的雷射輔助防噴器，包括:第二切割機，所述第二切割機發射限定第二雷射切割機射束路徑的第二雷射束，其中所述腔室基本上是圓形的；並且，所述雷射切割機和第二雷射切割機中的每個均相鄰，但不位於所述腔室中，並且所述雷射切割機射束路徑和弟二雷射切IllJ機射束路徑被構造成輪福狀構造。
14.一種雷射輔助防噴器，所述雷射輔助防噴器包括: a.框架； b.與所述框架相關聯的防噴器堆，所述防噴器堆包括: 1. 腔室，所述腔室形成在所述防噴器內，用於使管件通過；以及 i1.雷射輸送組件，所述雷射輸送組件在未激活時被定位在所述腔室外側。
15.如權利要求14所述的雷射輔助防噴器，其中，所述雷射輸送組件包括: a.雷射切割機,所述雷射切割機具有相關聯的射束路徑； b.所述雷射切割機與剪切閘板一體；以及 c.所述射束路徑被引導到所述腔室中。
16.如權利要求14所述的雷射輔助防噴器，其中，用於使管件通過的所述腔室具有垂直軸線，並且所述雷射輸送組件包括: a.第一雷射切割機，所述第一雷射切割機具有指向所述腔室的第一射束路徑； b.第二雷射切割機，所述第二雷射切割機具有指向所述腔室的第二射束路徑； c.第一雷射切割機或第二雷射切割機中的至少一個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指向所述垂直軸線。
17.—種雷射輔助海底防噴器鑽井系統，所述系統包括: a.海底立管； b.防噴器堆，所述防噴器堆包括: 1.腔室，所述腔室用於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，以推進出井眼； ii?雷射輸送組件； ii1.剪切閘板組件，其中所述雷射輸送組件與所述剪切閘板組件以光學和機械方式關聯； c.從而，在激活後，雷射輸送系統向位於防噴器腔室內的管件輸送高功率雷射束，導致切割所述管件，以減少所述管件會防止所述剪切閘板組件關閉的風險。
18.如權利要求17所述的雷射輔助海底防噴器鑽井系統，其中，所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來切斷位於所述防噴器腔室中的所述管件。
19.如權利要求17所述的雷射輔助海底防噴器鑽井系統，其中，所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來削弱位於所述防噴器腔室中的所述管件。
20.如權利要求17所述的雷射輔助海底防噴器鑽井系統，其中，所述高功率雷射束形成雷射輸送模式來去除所述管件的兩個離散區域。
21.一種雷射剪切閘板組件，所述雷射剪切閘板組件包括: 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，所述第一活塞組件能夠將所述第一剪切閘板移動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，所述第二活塞組件能夠將所述第二剪切閘板移動到所述主體的腔室中；以及 e.雷射輸送組件，從而在激活時，所述雷射輸送組件能夠將雷射束傳播到所述腔室中。
22.如權利要求21所述的雷射剪切閘板組件，其中，所述雷射輸送組件包括用於向所述管件輸送預定的雷射束模式的裝置。
23.一種具有雷射輔助海底防噴器系統的海上鑽井平臺，所述雷射輔助海底防噴器系統用於在緊急情況期間快速切割位於防噴器中的管件，所述雷射系統包括: a.立管，所述立管能夠操作地連接到海上鑽井平臺，並從海上鑽井平臺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，並由所述立管從所述海上鑽井平臺下降到海底； c.高功率雷射束源，所述高功率雷射束源具有至少約15kW的功率，與雷射切割機光通信；以及 d.雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯，從而所述雷射切割機能夠下降到海底處或接近海底，並在激活後向位於所述防噴器內的管件輸送高功率雷射束。
24.一種具有雷射輔助海底防噴器系統的海上鑽井平臺，所述雷射輔助海底防噴器系統用於在緊急情況期間快速切割位於防噴器中的管件，所述雷射系統包括: 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鑽井平臺； 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.高功率雷射器，所述高功率雷射器與雷射切割機光通信；以及 d.雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯並定位在海底處或接近海底，從而在激活後，所述雷射切割機向位於所述防噴器內的管件輸送高功率雷射束。
25.一種具有雷射輔助海底防噴器鑽井系統的海上鑽井平臺， 所述系統包括: a.立管，所述立管能夠操作地連接到海上鑽井平臺，並從海上鑽井平臺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，並由所述立管從所述海上鑽井平臺下降到海底； 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於所述防噴器內的區域以機械方式相互作用； d.所述剪切閘板與雷射切割機關聯； e.高功率雷射束源，所述高功率雷射束源具有至少約5kW的功率，與所述雷射切割機光通信；以及 f.雷射切割機，所述雷射切割機與所述防噴器和立管操作地關聯；從而所述雷射切割機能夠下降到海底處或接近海底，並且在激活後向位於所述防噴器內的所述管件輸送高功率雷射束，並向所述管件的與所述剪切閘板以機械方式相互作用的區域處或附近的區域輸送高功率雷射束。
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的雷射切割機；所述雷射切割機具有用於輸送預定的雷射束切割模式的裝置；從而所述預定的雷射束切割模式對應於管件的位於所述堆內的待去除的區域。
27.一種通過使用雷射輔助防噴器和立管來鑽探海底井的方法，所述方法包括: a.使用具有第二內部腔室的立管將具有第一內部腔室的雷射輔助防噴器從海上鑽井平臺下降到海底，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、所述第一內部腔室和所述第二內部腔室以流體和機械方式連通；以及 c.通過將管件從所述海上鑽井平臺下降通過所述第二內部腔室、所述第一內部腔室並下降到所述井眼中來推進所述井眼； d.其中，所述雷射輔助防噴器能夠執行對存在於所述第一內部腔室中的管件的雷射切`割。
28.如權利要求27所述的方法，其中，所述雷射輔助防噴器包括: a.框架； b.與所述框架關聯的防噴器堆； c.所述防噴器堆包括用於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.所述防噴器堆包括雷射輸送組件，其中所述雷射輸送組件在未激活時被定位在所述第一腔室和第三腔室外側。
【文檔編號】E21B33/06GK103492668SQ201280019899
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年2月24日 優先權日:2011年2月24日
【發明者】M.S.澤迪克, H.A.伯傑龍, P.V.克拉克, J.F.莫克斯利, P.D.多伊奇, L.D.安德伍德, C.C.林茲勒, R.A.德維特, S.K.克拉查拉姆, D.L.格拉布 申請人:福羅能源股份有限公司, 雪佛龍美國股份有限公司