激光钻孔方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种使用可处钻孔外部的激光束发生器进行激光钻孔的方法。经由钻杆向激光钻头供应液态氮，该液态氮在激光钻头区域内转变成气态，并分离成：保护气流(18)，沿地球表面方向流过激光导管(19)；以及输送气流(15)，通过环形空间排泄去除的岩料。加热气流(10)在电热装置(11)中受热，并导向激光束轰击的钻孔底部。部。部。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光钻孔方法及设备


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[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。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术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，本专利技术提出：
[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]由于使用根据本专利技术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，本专利技术方法中，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]最终根据本专利技术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]本专利技术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，本专利技术还提出，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，本专利技术还提出，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，本专利技术方法中还提出，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]本专利技术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，本专利技术还提出，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过用激光束(7)轰击钻孔底部(4b)在岩层(3)中钻打钻孔(4)的方法，所述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所述钻孔底部(4b)并与钻杆(2)耦合的激光钻头(1)，其中，经由所述钻杆(2)供给到所述激光钻头(1)的氮分支成：用作保护气体(18)的支流，保护传输的激光束(7)免受悬浮颗粒干扰；用作输送气流(15)的另路支流，经由所述钻杆(2)与钻孔壁部(4a)之间存留的环形空间将从所述钻孔底部(4b)分离的岩料输送到所述钻孔(4)之外，其特征在于，所述激光束(7)经由钻杆长度上延伸的激光导管(19)导引到所述激光钻头(1)，所述保护气流正流过所述激光导管(19)的畅通横截面(18)；所述氮呈液态物质经由所述钻杆(2)供给到所述激光钻头(1)，并且在所述激光钻头(1)的区域内变成气态物质；额外从供给的氮中分支出用作加热气流(10)的另路支流，通过与所述激光钻头(1)相关联的电热装置(11)来加热并且导引向所述激光束(7)轰击的所述钻孔底部(b)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，额外采用液态氮作为输送气体，其中，所述液态氮在所述激光钻头(1)的区域内喷注到从所述钻孔底部流回并载有从所述钻孔底部分离的岩料的输送气流(15)中，并且随着所述输送气流(15)和其中所含岩料的冷却而在所述输送气流(15)中变成气态物质。3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，从供给到所述激光钻头(1)的氮中分支出用作冷却气流(24)的另路支流，穿过所述钻杆(2)流出所述钻孔(4)并在此过程中从内部冷却所述钻杆(2)。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从供给到所述激光钻头(1)的氮中分支出用作清洁气流(14)的另路支流，使所述激光钻头(1)的转向所述钻孔底部(4b)的激光束出口孔径保持清洁。5.一种用于执行根据权利要求1所述方法的设备，其特征在于，所述钻杆(2)具有：用于传输所述激光束(7)的激光导管(19)，所述保护气流(18)流经所述激光导管(19)；双管(21)，以径向间隙同心围绕所述激光导管(19)，液态氮流过所述双管(21)的环形空间；绝缘管(22)，以径向间隙同心围绕所述双管(21)；外护管(23)，以径向间隙同心围绕所述绝缘管(22)，其中，将围绕所述双管(21)的环形空间抽空；所述外护管(23)与所述绝缘管(22)之间的环形空间连接到从所述激光钻头(1)返回的冷却气流(24)；所述外护管(23)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所述激光钻头(1)。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述外护管(23)由钢制成，所述外护管...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫，
申请(专利权)人：阿诺，
类型：发明
国别省市：