激光钻孔方法及设备与流程

1.本发明涉及一种通过用激光束轰击钻孔底部而在岩层中钻打钻孔的方法，该激光束由位于钻孔外部的激光束发生器产生，并且借由适当的辅助装置导引到位于钻孔底部并与钻杆耦合的激光钻头，其中，经由钻杆供给到激光钻头的氮在激光钻头的区域内分支成：
[0002]-用作保护气体的支流，保护传输的激光束免受悬浮颗粒干扰；
[0003]-用作输送气流的另路支流，经由钻杆与钻孔壁部之间存留的环形空间将从钻孔底部分离的岩料输送到钻孔之外。


背景技术：

[0004]
这种设备例如参阅专利文献us 2010/0044102 a1。在上述类型的现有钻孔方法中，将柔性管用作辅助装置来导引激光束并供给作为保护气体和输送气体所需的氮，例如螺旋管，在其内部空间中布置有用于传输激光束的玻璃纤维缆，同时管中仍留有足够的畅通空间以供足量的氮通过。保护气流和激光束通过激光钻头下侧朝向钻孔底部的开口一起出射，并一起到达钻孔底部。到达钻孔底部的激光束能量将此处存在的岩料分离，这具体取决于岩料而通过熔融、蒸发和/或剥落来实现。然后，同时到达钻孔底部的保护气流将热分离后的岩料沿钻孔底部的周边方向推动，在此通过依照对准向外输送方向来导向的输送气流的抽吸拾取岩料，该输送气流将从钻孔底部分离的岩料经由钻杆与钻孔壁部之间存在的环形空间输送到钻孔之外。
[0005]
此类方法和设备中存在一系列相互矛盾的要求，导致实际执行中会出现诸多问题。
[0006]
对于该方法中采用的从钻孔底部热分离岩石，显然需要大量能量，这主要是由激光束输入。相应试验表明，使用激光束在正常岩层中热分离钻孔底部的岩料需要超过400w/cm2的功率密度。为了达成这种功率密度，现有技术设备中的激光束必须在钻孔底部上方以适当聚焦的连续方式直到钻孔底部的区域内导引，为此必须在激光钻头和/或支持钻具中集成复杂的机制才能实现充分的钻进。相比之下，若可例如借由激光钻头中的扩束镜同时充分密集轰击整体钻孔底部，则效果会更好，但正常钻孔直径需要的激光束功率超过500kw，优选为600kw至700kw。
[0007]
然而，如此高功率的激光束无法再简单地通过玻璃纤维缆传输，特别是玻璃纤维缆因所需的钻孔深度而长达2000米至10000米的情况下。其原因在于，玻璃纤维缆存在相对较高的衰减，在这种玻璃纤维缆长度的情况下，喷射的激光束无法再以足够的强度到达激光钻头。
[0008]
此外，激光束功率的必要增高会导致热量问题，因为激光束的能量输入和钻孔底部呈热形式释放的能量会导致激光钻头和钻杆出现不允许的过热。鉴于激光束的功率如此之高，为保护气流和输送气流供给的气态氮量不足以将余热充分去除。事实还表明，冷保护气流对钻孔底部的强烈应力会导致钻孔底部区域发生热短路，这会干扰从钻孔底部热分离岩料的过程。


技术实现要素：

[0009]
有鉴于此，本发明的目的是进一步开发前文所述类型的方法，即使在极深的钻孔中也能实现足够快速的钻进，而不会在激光钻头或钻杆处出现有害的过热。
[0010]
为了达成上述目的，从前文所述类型的方法出发，本发明提出：
[0011]-激光束经由钻杆长度上延伸的激光导管导引到激光钻头，保护气流正流过该激光导管的畅通横截面；
[0012]-氮呈液态物质经由钻杆供给到激光钻头，并且在激光钻头的区域内变成气态物质；
[0013]-额外从供给的氮中分支出用作加热气流的另路支流，通过与激光钻头相关联的电热装置来加热并且导引向激光束轰击的钻孔底部。
[0014]
由于使用根据本发明提出的保护气流流过的激光导管代替现有技术中的常规玻璃纤维缆，能够以简单的方式传播功率极高的激光束，在钻杆全长上几乎毫无损耗，这是因为清洁气态氮的衰减效应极低。为了在激光导管范围内对激光束的光束方向进行偏转及任何必要的校正，能够以简单的方式在导管内以适当间距布置适当的透镜和/或反射镜系统，这自然不得中断正通过的保护气流。
[0015]
此外，本发明方法中，氮以液态物质供给到激光钻头，并且仅在激光钻头的区域内变成气态物质，足量的冷却剂可用于冷却激光钻头、保护气流、输送气流和钻杆。特别地，物质状态变化极度吸热，会大幅增加供给量，从而可提供足够量的冷氮气，并能视需要分配到激光钻头区域，以避免过热现象。
[0016]
最终根据本发明提出电预热的加热气流导引到钻孔底部，因此最终防止了上述热短路。这样就能以简单的方式任意加强该加热气流来支持激光束的分离工作，同时支持沿输送气流方向向外传送钻孔底部分离的岩料。优选地，该加热气流的温度甚至接近于相应相邻岩石的熔融温度。
[0017]
本发明方法的另一问题在于，上升输送气流中所含的熔融或蒸发的岩料在进入钻杆与钻孔壁部之间的环形空间之前仍须尽量冷却到低于岩料的凝固温度，从而该岩料不会沉淀在钻杆和/或钻孔壁部上。为此，本发明还提出，额外采用液态氮作为输送气体，其中液态氮在激光钻头的区域内喷注到从钻孔底部流回并载有从钻孔底部分离的岩料的输送气流中，并且随着输送气流和其中所含岩料的冷却而在输送气流中变成气态物质。为此使用的液态氮在激光钻头内从经由钻杆供给到激光钻头的液态氮流中分支出来。
[0018]
有利地，本发明还提出，从供给到激光钻头的氮中分支出用作冷却气流的另路支流，其穿过钻杆流出钻孔并在此过程中从内部冷却钻杆。由此额外确保来自输送气流的热量不会不必要地供送到钻杆的内部空间。
[0019]
最后，本发明方法中还提出，从供给到激光钻头的氮中分支出用作清洁气流的另路支流，使激光钻头的激光束出口孔径(转向钻孔底部并覆有扩束镜)保持清洁。由此防止分离岩料的悬浮颗粒通过钻孔上升而弄脏采取透光关系覆盖的激光束出口孔径，致使激光束的透度下降。
[0020]
本发明主题还涉及一种用于执行上述方法的设备。该设备的特征首先在于钻杆的特殊构型。该钻杆具有：
[0021]-用于传输激光束的激光导管，保护气流流过该激光导管；
[0022]-双管，以径向间隙同心围绕激光导管，液态氮流过该双管的环形空间；
[0023]-绝缘管，以径向间隙同心围绕双管；
[0024]-外护管，以径向间隙同心围绕绝缘管；
[0025]
其中，
[0026]-将围绕双管的环形空间抽空；
[0027]-外护管与绝缘管之间的环形空间连接到从激光钻头返回的冷却气流；
[0028]-外护管围绕的一根或多根管配备有电导体，用于将电能和电信号传输到激光钻头。
[0029]
这种构型紧凑的钻杆允许高功率激光束最广泛无衰减地传输通过激光导管，液态氮以隔热且可能真空方式通过环形空间，整体钻杆良好隔绝来自输送气流的热量，将电能和电信号传输到激光钻头。
[0030]
有利地，本发明还提出，外护管由钢制成，外护管内部布置的管由碳纤维增强塑料(cfp)制成。由钢制成的外护管为整体钻杆给予了必要的稳定性以及对外界无意中发生过热的不敏感性。用于内管的材料重量极轻而强度极高，除此之外还提供了良好的隔热性和广泛的电绝缘性。
[0031]
另外，用于执行本发明方法的设备的特征在于，激光钻头具有壳体，其壳体顶部紧固到钻杆的外护管上，其中该壳体还配备有：
[0032]-穿过壳体的传输通道，使激光束延伸穿过壳体并连接到钻杆的激光导管，扩束镜在壳体底部区域内采取透光关系覆盖该传输通道的出口孔径；
[0033]-用于传播和/或蒸发到达的液态氮以及用于储存并将气态氮分支成各种支流的装置，布置于壳体的内部空间中并连接到钻杆的双管的环形空间；
[0034]-用于将液态氮喷注到输送气流的输送气体喷嘴，布置于壳体外罩中并在输送气流的流动方向上以倾斜方式延伸；
[0035]-加热气流的加热气体喷嘴，布置于壳体底部中并指向钻孔底部的方向；
[0036]-加热气流的电热装置，布置于壳体内部空间中；
[0037]-用于调控全部氮支流的电磁阀和体积流量调节器。
[0038]
利用这样的激光钻头，可以将经由钻杆的激光导管到达的激光束以尽量广泛无衰减的方式供给到钻孔底部，蒸发经由钻杆的双管供给的液态氮并在体积流量调节下将该液态氮分支成各路支流。
[0039]
更有利地，用作冷却气流的支流通过壳体内部空间，壳体内部空间和钻杆的外护管与绝缘管之间的环形空间连通。由此，负责冷却壳体的冷却气流同时还分配了保持钻杆外部充分冷却的功能。
[0040]
在本发明设备的使用期间，存在从钻孔底部上升的岩粒会弄脏激光束射出区域内扩束镜的风险。为了杜绝这种情况，本发明还提出，壳体底部中布置有用作清洁气流的支流的清洁喷嘴，其平行于壳体底部的下侧延伸并与覆盖激光束的透射孔径的扩束镜对齐。
[0041]
为了从激光钻头的壳体开始在整体长度上充分为激光导管供给清洁的保护气流，本发明还提出，激光束的传输管道在激光钻头的壳体内配备有用作保护气流的支流的进气口。
[0042]
最后，本发明提出，激光束的传输通道内部或激光导管内部布置有彼此间隔的保
持装置，用于保持使激光束偏转的透镜和/或反射镜系统，这些保持装置以保护气流中的气体可透过的方式形成。在钻孔和相应钻杆偏离线性形状而需要重新对准和/或聚焦激光束的情况下，可能采用此类装置。
附图说明
[0043]
下面将结合附图阐述本发明示例性实施例，图中：
[0044]
图1示意性示出了激光钻头紧固到钻杆并位于钻孔底部上方工作位置的纵向剖视图；
[0045]
图2示意性示出了钻杆的横向剖视图。
具体实施方式
[0046]
附图中，激光钻头整体标有附图标记1，承载激光钻头1的钻杆整体标有附图标记2。激光钻头1和钻杆2位于岩层3中钻出的钻孔4中，该钻孔4具有钻孔壁部4a和钻孔底部4b。
[0047]
激光钻头1在其工作位置在钻孔底部4b上方保持小间隙，具有大致圆柱形的壳体5，该壳体5的壳体顶部5a与钻杆2连接。
[0048]
另外，壳体5的壳体底部5b相对于钻孔底部4b间隔布置，居中配备有激光束7的透射孔径6，该激光束7经由钻杆2供给并传播通过壳体5。透射孔径6中设有扩束镜8，将到达的激光束7扩宽到使激光束7轰击整体钻孔底部4b。
[0049]
另外，壳体底部5b中设有加热射流喷嘴9，产生指向钻孔底部4b方向的加热气流10，并允许来自布置于壳体5内部空间中的电热装置11的加热气体进入。
[0050]
此外，壳体底部5b中设有清洁喷嘴12，其在居中布置的扩束镜8的方向上平行于壳体底部5b下侧，通过位于壳体5内部中的氮气收集罐13供给有清洁的气态氮作为清洁气流14以使扩束镜8保持清洁。
[0051]
另外，激光钻头1的壳体5具有壳体外罩5c，其相对于钻孔壁部4a在四周留出环形空间，以便载有分离岩料并从钻孔底部4b上升的输送气流15通过。该输送气流15起源于钻孔底部4b经受加热气流10应力的周边区域，并且将从钻孔底部分离的岩料送出钻孔4。
[0052]
为了支持这种上升的输送气流15，激光钻头1的壳体5的壳体外罩5c中布置有输送射流喷嘴16、17，它们在输送气流15的方向上倾斜延伸并允许来自壳体5内部的液态氮和/或气态氮进入。就液态氮经由输送射流喷嘴16输入的程度而言，特别强烈有助于冷却输送气流15中所含的岩料。
[0053]
为了既能将激光束7以尽量无衰减的方式导引到激光钻头1，还能向激光钻头1供给足量氮，设置特殊构造的钻杆2，下面将对此予以详述。
[0054]
该钻杆2由若干同心布置且互相嵌套的管组成，即：
[0055]-用于传输激光束7的内激光导管19，保护气流18流过该激光导管19，这种由清洁氮气组成的保护气流18在激光钻头1的壳体5内于透射孔径6上方供给到激光导管19内部，具体地经由位于壳体5内部的进气口20通入透射孔径6；
[0056]-双管21，以径向间隙同心围绕激光导管19，液态氮流过该双管21的环形空间21a；
[0057]-绝缘管22，以径向间隙同心围绕双管21；
[0058]-外护管23，以径向间隙同心围绕绝缘管22。
[0059]
这些围绕双管21的环形空间相对于激光导管19和绝缘管21抽空，以使流过双管21的环形空间的液态氮保持充分隔热。
[0060]
外护管23与绝缘管22之间的环形空间连接到从激光钻头1的壳体5返回并充分冷却钻杆2外部的冷却气流24。
[0061]
该外护管23由钢制成，保证了整体钻杆2良好的稳定性和承载能力。相比之下，位于护管23内部的各管(即激光导管19、双管21和绝缘管22)由碳纤维增强塑料(cfp)制成。
[0062]
另外，外护管23包围的一根或多根管配备有电导体(图中未详细示出)，用于在激光钻头1的方向上传输电能和电信号。
[0063]
为了简化钻杆1的操作，将其细分成可分别在末端通过螺纹承插接头25、26互相接合的纵向部分，其中激光导管19的相互邻接部分以及双管21的环形空间和外护管23与绝缘管22之间环形空间的相互邻接部分在这些螺纹承插接头25、26的区域内以对齐且压力密闭方式互相接合，此外，电导体的相互邻接部分在此以导电方式互相连接。相比之下，为了隔绝双管21，钻杆2的各个部分中存在的环形空间被抽空，分别以压力密闭方式单独封闭且互不相连。
[0064]
最后，激光束7的透射孔径6内部和/或激光导管19内部布置有彼此间隔的保持装置27，用于保持使激光束7偏转的透镜或反射镜系统，这些保持装置27以保护气流18可透过的方式形成，即在周边配备有相应的通孔。
[0065]
激光钻头1的壳体5中设有几个电磁阀和体积流量调节器，它们可通过钻杆2中所含的信号导体来激活，并且视需要将经由双管21供给到壳体5的液态氮分配到输送射流喷嘴16和17、气态氮的收集罐13、加热气流10的加热装置11和壳体内部空间。在此过程中，发生调控，使得系统尽管在激光束提供能量的情况下也能保持热力学平衡。
[0066]
图中所示系统的工作原理如下：
[0067]
位于钻孔4外的高功率激光发生器将功率达500kw至700kw的激光束7射入激光导管19，并导引到激光钻头1。同时，激光导管19从下方进入由清洁氮气组成的保护气流18，从而激光束在到达激光钻头1的途中几乎毫无衰减。在激光钻头1中，激光束7随后被扩束镜8扩展到覆盖整体钻孔底部5b的程度。
[0068]
在扩展激光束7的同时，钻孔底部4b受到加热气流10的应力，预先借由加热装置11使加热气流10达到的温度逼近钻孔底部4b处岩石熔融温度，或甚至超过该熔融温度。在激光束7和加热气流10的作用下，钻孔底部4b表面的岩料通过熔融、蒸发或剥落而被剥离，并被加热气流10推向钻孔底部4b的外周。
[0069]
在此过程中，该外周区域内形成包含剥离岩料的朝上输送气流15，向上推过壳体外罩5c与钻孔壁部4a之间的环形空间。
[0070]
然后借由输送射流喷嘴16和17将液态氮和/或气态氮吹入该上升的输送气流中，由此使输送气流15得以冷却并同时强化。这种载有岩料的输送气流15再经由钻杆2与钻孔壁部4a之间的环形空间送出钻孔4。
[0071]
附图标记
[0072]
1 激光钻头
[0073]
2 钻杆
[0074]
3 岩层
[0075]
4 钻孔
[0076]
4a 钻孔壁部
[0077]
4b 钻孔底部
[0078]
5 壳体
[0079]
5a 壳体顶部
[0080]
5b 壳体底部
[0081]
5c 壳体外罩
[0082]
6透射孔径
[0083]
7激光束
[0084]
8扩束镜
[0085]
9 加热气体喷嘴
[0086]
10 加热气流
[0087]
11 加热装置
[0088]
12 清洁喷嘴
[0089]
13 氮气收集罐
[0090]
14 清洁气流
[0091]
15 输送气流
[0092]
16 输送射流喷嘴
[0093]
17 输送射流喷嘴
[0094]
18 保护气流
[0095]
19 激光导管
[0096]
20 进气口
[0097]
21 双管
[0098]
22 绝缘管
[0099]
23 护管
[0100]
24 冷却气流
[0101]
25/26承插接头
[0102]
27 保持装置