[发明专利]激光钻孔方法及设备

说明书

本发明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。

技术领域

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：

-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；

-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

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

-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；

-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；

-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。