CN102187046B - 利用高功率激光掘进钻孔的方法和系统以及组件 - Google Patents

Abstract

提供用于在大地中激光钻探钻孔的系统、设备和方法。进一步地，在所述系统中提供：一种装置，用于沿着深的钻孔递送高功率激光能量，同时保持高功率以掘进这样的钻孔深入到大地中并且是以高效率的掘进速率；激光井底组件；以及流体导向技术和用于从钻孔移除位移材料的组件。

Description

利用高功率激光掘进钻孔的方法和系统以及组件

技术领域

本申请要求以下临时申请的优先权权益：于2008年8月20日提交的名称为“System and Methods for Borehole Drilling”序列号为61/090,384的临时申请、于2008年10月3日提交的名称为“Systems and Methods to Optically Pattern Rock to Chip Rock Formations”的序列号为61/102,730、于2008年10月17日提交的名称为“Transmission of High Optical Power Levels via Optical Fibers for Applications such as Rock Drilling and Power Transmission”的序列号为61/106,472、以及于2009年2月17日提交的名称为“Method and Apparatus for an Armored High Power Optical Fiber for Providing Boreholes in the Earth”的序列号为61/153,271，这些临时申请公开的内容在此被引入作为参考。

本发明涉及用于利用高功率激光能量掘进钻孔的设备和系统，所述高功率激光能量是通过长距离递送的，同时保持激光能量的功率执行期望的任务。特别地，本发明涉及提供高功率激光能量以在大地中产生和掘进钻孔并在钻孔中执行其它任务。

本发明对于以下共同未决的美国专利申请中更详细地公开的系统、设备和方法是有用的并可以与它们协同使用：名称为“Method and Apparatus for Delivering High Power Laser Energy Over Long Distances”，序列号为12/544,136的共同待审的美国专利申请；名称为“Apparatus for Advancing a Wellbore using High Power Laser Energy”，序列号为12/544,038的美国专利申请；名称为“Methods and Apparatus for Delivering High Power Laser Energy to a Surface”，序列号为12/544,094的美国专利申请；名称为“Methods and Apparatus for Removal and Contol of Material in Laser Drilling of a Borehole”，序列号为12/543,968的美国专利申请；这些专利申请同时提交，它们公开的内容在此被全文引入作为参考。

通常，钻孔已经形成在地球表面和地球也就是大地中以通向位于地表处及以下的资源。这样的资源可以包括碳氢化合物，例如石油、天然气、水和地热能源包括热水井。钻孔还形成在大地中以研究、采样和探测位于地表以下的材料和地层。它们还形成在大地中以产生用于布置电缆以及其它位于地球表面之下的这样的物品的通路。

术语“钻孔”包括在地下产生的任何比它的宽度长很多的开口，例如，井、井孔、井眼以及其它本领域常用或已知的用于限定这种类型的地下的窄长通路的术语。尽管钻孔通常定向为大致竖直的，但是它们也可以定向在从竖直方向到水平方向且包括水平方向的角度上。这样，例如水平线表示水平取向，钻孔可以在从0度也就是竖直钻孔到90度也就是水平钻孔以及大于90度例如脚后跟和脚趾式的倾斜角度(heel and toe)的取向范围中。钻孔可进一步具有带不同取向的片段或部分，它们可以是拱式的，并且它们可以是当采用定向钻进时常见的形状的。这样，如在此所用的，除非另有特别说明，钻孔的“底部”、钻孔的“底部”表面和类似的术语表示钻孔的末端，也就是，钻孔的沿着钻孔的路径距离钻孔的开口、地表或者钻孔开始处最远的部分。掘进意思为增加钻孔的长度。从而，钻孔，除了水平钻孔之外，钻孔的深度同样被增大。钻孔通常利用具有旋转钻头的机械钻探设备形成和掘进。钻头延伸到大地并进入地中，并旋转以在地中产生孔。通常，为了执行钻探作业，使用金刚石末端的工具。那些工具必须抵靠岩石或者泥土用力以用足以超过那些材料的抗剪强度的力进行切削。这样，在传统钻探作业中，必须施加超过岩石或者泥土的抗剪强度的机械力到那些材料。从地中切削的材料通常成为切屑，也就是，废物，其可以是岩石碎片、灰尘、岩石纤维以及通过与大地的热或者机械相互作用会产生的其他类型的材料和结构。这些切屑典型地通过利用流体从钻孔移除，所述流体可以是液体、泡沫或者气体。除掘进钻孔之外，其它类型的作业在形成钻孔中或者与形成钻孔相关地执行，例如重做和完井作业。这些类型的作业可以包括例如套管的切削和射孔(perforating)以及井塞的移除。井套管或者套管(casing)是指用于作为井眼衬里(line)的管状材料或者其它材料。井塞是放置到钻孔中以充填和阻塞钻孔的结构或者材料。井塞的作用在于防止 或者限制材料在钻孔中流动。典型地，射孔，也就是射孔作业，包括利用射孔工具以产生开口，例如窗，或者套管和钻孔中的多孔以允许探寻的资源流入钻孔中。这样，射孔工具可使用炸药以产生或者驱动弹丸到套管以及钻孔的侧面中以产生这样的开口或者多孔。形成和掘进钻孔的上述传统方法称为机械技术，或者机械钻探技术，因为它们要求钻探设备例如钻头或者射孔工具和大地或者套管之间的机械交互作用以传递需要的力来切削大地或者套管。已经建立这样的理论：激光可以适于用于形成和掘进钻孔。这样，已经建立这样的理论：来自激光源的激光能量可用于通过散裂、热离解、熔化、汽化以及这些现象的组合而切削岩石和泥土。熔化包括将岩石和泥土从固态转变为液态。汽化包括将岩石和泥土从固态或者液态转变为气态。散裂包括通过局部热诱导应力效应将岩石散裂。热离解包括在分子水平上破坏化学键。迄今为止，人们相信，没有人已经成功地发展和实施这些激光钻探理论来提供能够利用激光通过大地掘进钻孔，或者利用激光在井中执行射孔。而且，迄今为止，人们相信，没有人已经发展出参数以及满足那些参数所需的设备用于利用激光从钻孔的底部有效切削和移除岩石和泥土，也没有任何人已经发展出参数和满足那些参数所需的设备用于利用激光对钻井有效射孔。进一步地，人们相信，没有人已经发展出利用激光器掘进深入大地中的钻孔所需的参数、设备或者方法，所述深度超过大约300英尺(0.09千米)、500英尺(0.15千米)、1000英尺(0.30千米)、3,280英尺(1千米)、9,840英尺(3千米)和16,400英尺(5千米)。特别地，人们相信，没有人已经发展出参数、设备或者方法，也没有人实施高功率也就是超过1千瓦或者更大的激光能量的递送以在大地中掘进钻孔。尽管机械钻探已经发展并且在许多类型的地质地层中是有效的，但是人们相信仍有待于发展出一种高效率的装置来通过更硬的地质建造例如玄武岩和花岗岩产生钻孔。这样，本发明通过提供利用激光以高效率的方式通过更硬的岩层例如玄武岩和花岗岩掘进钻孔的参数、设备和技术来提供对该需要的解决方案。在大地的钻孔的内部存在的环境和大的距离会是恶劣的并依赖于光纤、光学器件和包装。这样，需要一种将光纤、光学器件和包装布置到钻孔中特别是很深的钻孔中的方法和设备，其将使得这些和所有的相关部件能够经得起和抵抗存在于钻孔中的污垢、压力和温度，并且克服或者 减少通过长距离传输高功率激光束时发生的功率损失。本发明通过提供长距离高功率激光束传输装置满足这些需要。合意的是，但是在本发明之前被认为从来没有获得的是，沿着钻孔中的光纤在钻孔中大于大约300英尺(0.09千米)、大约500英尺(0.15千米)、大约1000英尺(0.30千米)、大约3,280英尺(1千米)、大约9,8430英尺(3千米)和大约16,400英尺(5千米)的距离上递送高功率激光束，以最小化非线性现象所致的光功率损失，并以使得能够在光纤末端有效递送高功率。这样，在钻孔中的A点和B点之间的距离大于大约1,640英尺(0.5千米)的情形下从A点到B点的有效的高功率传输已经长到满意，但是在本发明之前被认为从来不可能获得并且特别地被认为从来不可能在钻孔钻探作业中获得。传统的钻机，其通过机械方式从地表递送功率，必须在岩石上产生超过被钻探的岩石的抗剪强度的力。尽管已经在实验室中在实验室的条件下表明激光能有效散裂和碎裂这样的硬岩，并且已经建立理论激光可以在比机械钻探更高的净速率下切削这样的硬岩，但是，迄今为止，人们相信没有人已经发展出这样的设备系统或者方法，其能够递送足够功率的激光束到深度大于大约1,640英尺(0.5千米)的钻孔底部以切削这些硬岩，更不用说在等于以及快于传统的机械钻探的速率下切削这样的硬岩。人们相信，这种技术的失效是一种基础的且长期存在的问题，本发明对此提供解决方案。这样，本发明致力于并提供对钻探技术中的这些以及其它需求的解决方案，这是通过至少以下进行的：突破受激布里渊散射(SBS)现象的相干性，例如带宽变宽的激光源，例如FM调制激光或者光谱束结合的激光源，以抑制SBS，这使得能够沿着长于1000英尺(0.30千米)的光纤传输高能量；利用纤维激光器、盘形激光器或者高亮度半导体激光器，通过带宽变宽以使得能够经由大于1000英尺(0.30千米)的长的光纤有效递送光能量，钻探岩石；利用其带宽变宽的相控阵激光源以抑制受激布里渊增益(SBG)，用于沿着大于1000英尺(0.30千米)长的纤维传输能量；提供一种纤维缠绕(spooling)技术，其在当线轴旋转时通过激光束使得纤维能够从线轴的中心轴赋能；以及提供一种用于缠绕出纤维而不必利用机械运动部件的方法；提供一种用于将多个纤维组合为能够经得起井下压力的单一护套的方法，利用有源和无源的纤维部分以克服沿着纤维长度的损失，利用浮动纤维以支撑纤维、激光头的重量并沿着钻孔 嵌入，利用微透镜、非球面的光学器件、旋转三棱镜或者衍射光学器件以在岩石上产生预定的图案以实现更高的钻探效率，以及利用热机或者调谐的光伏电池以在经由光学传输能量大于1000英尺(0.30千米)之后将光强度转变回电力。

发明内容

期望发展出一种系统和方法，其提供用于递送高功率激光能量到深钻孔的底部来以成本有效的速率掘进所述钻孔，并且，特别地，能够递送这样的高功率激光能量来以成本有效的速率钻探通过岩石层地层，该地层包括花岗岩、玄武岩、砂岩、白云岩、沙子、盐、石灰岩、流纹岩、石英岩和页岩。更特别地，期望发展出一种系统和方法，其提供用于能够递送这样的高功率激光能量来以优于在先的传统的机械钻探操作的速率钻探通过硬岩层地层，例如花岗岩和玄武岩。本发明通过提供在此教导的系统、设备和方法至少解决这些需求。

这样，提供一种高功率激光钻探系统，用于钻机、钻探平台、钻探起重机、不压井起下作业平台(snubbing platform)、连续油管钻机，用于在硬岩中掘进钻孔，所述系统包括：高功率激光能量源，该激光源能够提供具有至少10kW功率、至少大约20千瓦功率或者更大功率的激光束；井底组件，该井底组件具有光学组件，该光学组件配置为提供预定能量沉积轮廓(energy deposition profile)到钻孔表面并且所述光学组件配置为提供预定激光发射图案；用于推进井底组件到钻孔中并沿着钻孔往下的装置；井下的高功率激光传输缆线，所述传输缆线具有至少大约500英尺、至少大约1000英尺、至少大约3000英尺、至少大约4000英尺或者更大的长度，井下缆线与激光源光学连通，并且井下缆线与井底组件光学连通。

进一步提供一种高功率激光钻探系统，用于钻机、钻探平台、不压井起下作业平台、钻探井架或者连续油管钻机，该系统用于掘进钻孔，所述系统包括：高功率激光能量源；激光源能够提供具有至少5千瓦、至少大约10千瓦、至少大约15千瓦和至少大约20kW或者更大功率的激光束；所述激光源包括至少一个激光器；井底组件；配置为提供预定能量沉积轮廓的激光能量到钻孔表面；配置为提供预定激光发射图案；包括光学组件；以及包括用于机械地移除钻孔材料的装置；用于推进井底组件到钻孔中沿 着钻孔推进的装置；用于掘进钻孔的流体源；井下高功率激光传输缆线，所述传输缆线具有至少大约1000英尺的长度；井下缆线与激光源光学连通；井下缆线与光学组件光学连通；以及井底组件与流体源流体连通；由此高功率激光能量可以在距离钻孔开口至少1000英尺的钻孔内的位置处提供到钻孔的表面。

又进一步提供一种高功率激光钻探系统，用于钻机、钻探平台、钻探起重机、不压井起下作业平台、钻探井架或者连续油管钻机，该系统用于掘进钻孔，所述系统包括：高功率激光能量源；井底组件；所述井底组件具有光学组件；所述光学组件配置为提供能量沉积轮廓到钻孔表面；以及所述光学组件配置为提供激光发射图案；包括用于导向流体的装置；用于推进井底组件到钻孔中并沿着钻孔推进的装置；用于掘进钻孔的流体源；井下高功率激光传输缆线；井下缆线与激光源光学连通；井下缆线与井底组件光学连通；和用于与流体源流体连通地导向的装置；其中所述系统能够通过用激光能量照射钻孔表面而切削、散裂或者破裂岩石，并从钻孔和激光照射区域通过所述导向装置的作用移除由所述切削、散裂或者破裂产生的废物材料。其中所述用于导向的装置可以是流体放大器、出口、气体导向装置、流体导向装置和气刀的一个或多个及其组合。

此外，提供一种激光井底组件，包括：第一旋转壳体；第二固定壳体；所述第一壳体与所述第二壳体旋转关联；用于传输激光束的光缆；所述光缆具有近端和远端，所述近端适于从激光源接收激光束，所述远端与光学组件光学关联；至少一部分所述光学组件固定到所述第一旋转壳体，由此所述固定部分随着所述第一壳体旋转；固定到所述第一旋转壳体的机械组件，由此所述组件随着所述第一壳体旋转并能够在旋转时施加机械力到钻孔表面；以及与所述第一和第二壳体相关联的流体路径，该流体路径具有远端和近端开口，所述远端开口适于向着所述钻孔的表面排出流体，由此用于移除废物材料的流体通过所述流体路径传输并从所述远端开口向着所述钻孔表面排出以从所述钻孔移除废物材料。

进一步提供一种激光井底组件，包括：第一旋转壳体；第二固定壳体；所述第一壳体与所述第二壳体旋转关联；光学组件，所述组件具有第一部分和第二部分；用于传输激光束的光缆，所述光缆具有近端和远端，所述 近端适于从激光源接收激光束，所述远端与光学组件光学关联，光缆近端和远端固定到第二壳体；光学组件的第一部分固定到第一旋转壳体；光学组件的第二部分固定到第二固定壳体由此光学组件的第一部分随着第一壳体旋转；固定到第一旋转壳体的机械组件，由此所述组件随着第一壳体旋转并能够在旋转时施加机械力到钻孔表面；以及与第一和第二壳体相关联的流体路径，所述流体路径具有远端和近端开口，所述远端开口适于向着钻孔表面排出流体，所述远端开口固定到第一旋转壳体，由此用于移除废物材料的流体通过流体路径传输并从远端开口向着钻孔表面排出以从钻孔移除废物材料；其中在第一壳体旋转时光学组件第一部分、机械组件和近端流体开口大致同时旋转。

此外，提供激光器井底组件，包括：壳体；用于提供高功率激光束的装置；光学组件；所述光学组件提供光学路径，激光束在该光学路径上传输；以及用于沿着光学路径产生高压区域的腔室和气流；以及通过井底组件的壳体的气流，该井底组件具有端口，该端口用作用于从高压区域移除废物材料的吸扬式泵。

而且，这些系统和组件可进一步具有旋转激光光学器件、旋转机械相互作用装置、旋转液体输送装置，这些装置的一个或者全部三个一起旋转；还包括束成形光学器件、壳体、用于导向用于移除废物材料的流体的装置、用于保持激光路径没有碎片的装置、用于减少废物材料干涉激光束的装置，光学器件包括扫描器、间隔(stand-off)机械装置、圆锥间隔装置、包括钻头的机械组件、包括三个圆锥体钻头的机械组件、包括PDC钻头、PDC工具或者PDC切削工具的机械组件。

又进一步地，提供一种用于在大地中产生钻孔的系统，包括：高功率激光源；井底组件；和光学连接所述激光源和所述井底组件的光纤，以使得激光束从所述激光源传输到所述井底组件；所述井底组件包括：用于提供激光束到钻孔底面的装置；所述提供装置包括束功率沉积光学器件；其中，激光束在从井底组件递送时通过大致均匀的能量沉积轮廓照射钻孔的底面。

又进一步提供利用激光掘进钻孔的方法，所述方法包括：推进高功率激光束传输装置到钻孔中；该钻孔具有底面、顶部开口以及在底面和顶部 开口之间延伸的至少大约1000英尺的长度；所述传输装置包括远端、近端和在远端和近端之间延伸的长度，所述远端前进到钻孔下；所述传输装置包括用于传输高功率激光能量的装置；提供高功率激光束到传输装置的近端；沿着传输装置的长度传输大致全部的激光束功率以使得激光束从远端离开；从远端传输激光束到激光井底组件中的光学组件，所述激光井底组件导向激光束到钻孔底面；以及提供预定能量沉积轮廓到钻孔底部；由此钻孔的长度部分地基于激光束与钻孔底部的相互作用而被增大。

此外，提供在激光钻探钻孔过程中从钻孔移除碎片的方法，所述方法包括：沿着钻孔并向着钻孔表面导向激光束，该激光束包括波长，并具有至少大约10千瓦的功率；所述表面在所述钻孔内至少1000英尺；所述激光束照射所述表面的区域；所述激光束从在照射区域中的表面移动材料；将流体导向到所述钻孔中并到所述钻孔表面；流体对于激光波长为大致可透射的；导向具有第一和第二流体路径的流体；流体在所述第一流动路径流动，从而以足以防止所移动的材料干涉照射区域的激光照射的速率从照射区域移走被移动的材料；以及流体在所述第二流动路径流动，从而从钻孔去除被移动的材料。此外，前述方法还可以使得照射区域旋转，第一流体流动路径中的流体在旋转方向导向；第一流体流动路径中的流体在与旋转方向相反的方向导向；第三流体路径，第三流体流动路径和第一流体流动路径在旋转方向导向，第三流体流动路径和第一流体流动路径在与旋转方向相反的方向导向，流体直接导向在照射区域，第一流体路径中的流体在照射区域附近导向；以及第一流体流动路径中的流体在照射区域附近导向，所述区域是在旋转的前头。

进一步提供在钻孔的激光钻探过程中从钻孔移除碎片的方法，所述方法包括：向着钻孔表面导向具有至少大约10千瓦功率的激光束；照射钻孔表面的区域；从照射区域移动材料；提供流体；向着钻孔中的第一区域导向流体；向着第二区域导向流体；导向的流体从照射区域以足以防止被移动的材料干涉激光照射的速率从照射区域移除被移动的材料；以及流体从钻孔移除被移动的材料。该进一步的方法可以额外地具有作为照射区域的第一区域、在井底组件的侧壁上的第二区域、在第一区域附近的第二区域和位于钻孔的底面上的第二区域、当第二区域位于钻孔底面上时在第一区 域附近的第二区域，第一流体导向到照射区域，第二流体导向到第二区域，第一流体为氮气，第一流体为气体，第二流体为液体，以及第二流体为水成液。

再者，进一步提供一种在激光钻探钻孔的过程中从钻孔移除碎片的方法，所述方法包括：向着钻孔表面导向激光束；照射所述钻孔表面的区域；从所述照射区域移动材料；提供流体；向着所述钻孔中的第一区域在第一路径导向流体；向着第二区域在第二路径导向流体；放大在所述第二路径中的流体的流动；导向的流体以足以防止被移动的材料干涉激光照射的速率从照射区域移除被移动的材料；以及放大的流体从钻孔移除被移动的材料。

而且，提供一种用于在大地中钻探钻孔的激光井底组件，包括：壳体；用于成形激光束的光学器件；用于递送激光束以照射钻孔的表面的开口；在所述壳体中的第一流体开口；在所述壳体中的第二流体开口；和包括流体放大器的第二流体开口。

又进一步地，提供用于掘进钻孔的高功率激光钻探系统，包括：高功率激光能量源，该激光源能够提供激光束；管组件，所述管组件具有至少500英尺的管，具有远端和近端；用于掘进钻孔的流体源；管的近端与流体源流体连通，由此流体与管相关联地从管的近端到管的远端传输；管的近端与激光源光学连通，由此激光束可以与管相关联地传输；所述管包括高功率激光传输缆线，传输缆线具有远端和近端，近端与激光源光学连通，由此激光束通过缆线从缆线近端传输到缆线远端；以及与管的远端光学地和流体地连通的激光井底组件；以及所述激光井底组件包括：壳体；光学组件；和流体导向开口。该系统可以通过也使得流体导向开口作为气刀、流体导向开口作为流体放大器而得以补偿；流体导向开口是空气放大器、多个流体导向设备、包括多个流体导向开口的井底组件；所述壳体包括第一壳体和第二壳体，流体导向开口位于第一壳体中；以及用于旋转第一壳体的装置，例如电机。

又进一步提供用于掘进钻孔的高功率激光钻探系统，包括：高功率激光能量源，所述激光源能够提供激光束；管组件，所述管组件具有至少500英尺管，具有远端和近端；用于掘进钻孔的流体源；管的近端与流体源流 体连通，由此流体与管相关联地从管近端传输到管远端；管的近端与激光源光学连通，由此激光束可以与管相关联地传输；所述管包括高功率激光传输缆线，该传输缆线具有远端和近端；近端与激光源光学连通，由此激光束通过缆线从缆线近端传输到缆线远端；以及与管的远端光学和流体地连通的激光井底组件；以及用于移除废物材料的流体导向装置。

进一步地，这样的系统可以额外地具有位于激光井底组件中的流体导向装置，激光井底组件具有用于减小废物材料与激光束的干涉的装置，激光井底组件具有旋转激光光学器件，激光井底组件具有旋转激光光学器件和旋转流体导向装置。

本领域普通技术人员将认识到，基于在本说明书和附图中提出的教导，存在这些教导的对本发明的实践的各种实施方式和实施例。相应地，在此总结中的实施例并不意在以任何方式限制这些教导。

附图说明

图1是大地、钻孔和本发明的用于掘进钻孔的系统的例子的横截面视图。

图2是线轴的视图。

图3A和3B是线轴架的视图。

图4是关于激光的配置的示意图。

图5是关于激光的配置的示意图。

图6是线轴和可光学旋转的耦合器的透视剖开图。

图7是激光纤维放大器的示意图。

图8是井底组件的透视剖开图。

图9是LBHA的一部分的横截面视图。

图10是LBHA的一部分的横截面视图。

图11是LBHA。

图12是流体出口的透视图。

图13是气刀组件流体出口的透视图。

图14A是LBHA的透视图。

图14B是图14A的LBHA沿着B-B剖开的横截面视图。图15A和15B 是代表激光束玄武岩照射的例子的图表。

图16A和16B示出对于均一的或高斯的光束围绕它的中心点旋转的椭圆形斑的能量沉积轮廓。

图17A示出没有旋转的能量沉积轮廓。

图17B示出在提供图17A的能量沉积轮廓的光束旋转时的大致均匀和均一的能量沉积轮廓。

图18A-18D示出光学组件。

图19示出光学组件。

图20示出光学组件。

图21A和21B示出光学组件。

图22示出多旋转的激光发射图案。

图23示出椭圆形成形发射。

图24示出矩形成形的斑点。

图25示出多发射式的发射图案。

图26示出发射图案。

图27-36示出LBHA。

具体实施方式

总的来说，本发明涉及用于在地下激光钻探钻孔的方法、设备和系统，进一步地，涉及用于在地下深处并以高效率的掘进速率激光掘进这样的钻孔的设备、方法和系统。这些高效率的掘进速率是可获得的，因为本发明提供传送高功率激光能量到钻孔底部的装置，即使当底部处于很深处时。

这样，总的来说，并通过例子形式，在图1A中提供一种用于在大地1002中产生钻孔1001的高效率激光钻探系统1000。如在此使用的术语“大地”应当给予它最可能广泛的含义(除非另有明确表示)，并将包括，但不限于，土地、所有天然材料例如岩石、人造材料例如混凝土，它们位于地下或者可以在地下发现，包括但不限于，岩石层结构，例如，花岗岩、玄武岩、砂岩、白云岩、沙子、盐、石灰岩、流纹岩、石英岩和页岩。

图1提供示出大地1030的地表的剖开透视图以及在地表1002以下的大地的剖开图。总的来说并通过例子形式，提供电源1003，其通过缆线1004和1005提供电力给激光器1006以及用于激光器1006的冷却器1007。激光 器提供激光束，也就是激光能量，其可以通过激光束传输装置1008传送到连续油管1009的线轴。提供流体源1010。流体通过流体传送装置1011传送到连续油管1009的线轴。

连续油管1009的线轴旋转以推进和缩回连续油管1012。这样，激光束传输装置1008和流体传送装置1011通过旋转耦合装置1013附着到连续油管1009的线轴。连续油管1012包含沿着连续油管的整个长度传输激光束到井底组件的装置1014，也就是，“长距离高功率激光束传输装置”。连续油管1012还包含沿着连续油管1012的整个长度传送流体到井底组件1014的装置。

此外，提供支撑结构1015，其保持注射器1016，以促进连续油管1012在钻孔1001中的移动。进一步地，可以采用其它支撑结构，例如，这样的支撑结构可以是井架、吊车、桅杆、三脚架、或者其它类似类型的结构或者这些结构的混合和组合。当钻孔从地表1030掘进到更大深度时，转向器1017、防喷器(BOP)1018和流体和/或切屑处理系统1019的使用会变得必要。连续油管1012从注射器1016通过转向器1017、BOP1018、井口1020穿过并进入钻孔1001中。

流体被传送到钻孔1001的底部1021。在那点上，流体在井底组件1014处或附近退出，并至少用于传送由掘进钻孔产生的切屑往后向上从钻孔出来。从而，转向器1017随着流体返回而导向承载切屑的流体通过连接器1022到流体和/或切屑处理系统1019。该处理系统1019的目的是防止废产物逃离进入环境中并分离和清洁废产物，并要么将清洁后的流体排到空气中，如果环境和经济上允许的话，如果流体是氮这就将是允许的；要么将清洁后的流体返回到流体源1010，或者保留用过的流体用于后续处置和/或废弃。

如果在钻孔中发生高压事件的话，例如潜在的井喷，BOP1018用于提供多级的紧急停机和/或钻孔密闭。BOP附连到井口1020。井口顺次可以附着到套管。为了简化的目的，钻孔的结构部件例如套管、吊架和水泥没有示出。应当理解，这些部件可以被使用并且将基于钻孔的深度、类型和地质以及其它因素而变化。

连续油管1012的井下末端1023连接到井底组件1014。井底组件1014 包含用于递送激光束1024到它的意在目标的光学器件，在图1的情形中，所述意在目标为钻孔1001的底部1021。例如，井底组件1014还包含用于递送流体的装置。

这样，总的来说，这个系统操作以通过使得激光器产生激光束形式的激光能量来产生和/或掘进钻孔。激光束然后从激光器传输通过线轴并进入到连续油管中。在那点上，激光束然后传输到井底组件，在那里它向着地表和/或钻孔导向。在接触到地表和/或钻孔时，激光束具有足够的功率以切削，或者其它动作，岩石和泥土，从而产生和/或掘进钻孔。在接触点上激光束具有足够的功率并导向到岩石和泥土以使得它能够以与传统的机械钻探操作相当或更优的方式产生钻孔。取决于泥土和岩石的类型以及激光束的属性，该切削通过散裂、热离解、熔化、汽化以及这些形象的组合而发生。

尽管并不受制于本理论，但是，当前认为，激光材料的相互作用伴随激光与流体或者介质相互作用以清除激光照射的区域。这样，激光照射产生表面事件，并且在表面上的流体碰撞快速地将碎片也就是切屑和废物转运出照射区域。例如，在射孔的情形下，进一步认为流体从照射区域、后照射区域以及钻孔或者被切削的其它介质大规模或者小规模地带走热量。

流体然后将切屑向上传送出钻孔。当钻孔掘进时，连续油管展开并进一步向下到钻孔中。以这种方法，井底组件和钻孔的底部之间的适当的距离可以得以保持。如果井底组件需要从钻孔移除例如以罩住井，线轴向上缠绕，从而使得连续油管从钻孔拉出。此外，激光束可以通过井底组件或者沿着钻孔布置的其它激光导向工具导向以例如射孔、受控射孔、套管切削以及移除井塞。该系统可以安装在容易移动的拖车或者卡车上，因为它的尺寸和重量实质上小于传统的机械钻机。

对于如图1所示的一般类型的系统，激光器定位在钻孔之外，激光器可以是任何的高功率激光器，其能够提供足够的能量以执行期望的功能，例如掘进钻孔到被认为存在于对应钻孔的地质中的泥土和岩石中并通过所示泥土和岩石。精选的激光源是单模激光器或者具有低M²的低阶多模激光器以有利于发射到小的例如大约50微米的芯的光纤中。但是，优选更大的芯的纤维。激光源的例子包括纤维激光器、化学激光器、盘形激光器、薄 板激光器、大亮度二极管激光器，而且这些激光源的光谱束组合或者这些源的相干的相控阵列激光以增大个体激光源的亮度。

例如，图4示出激光源的光谱束组合以使得能够如由激励布里渊散射(SBS)现象限制的通过每一颜色分配预定功率量而沿着纤维进行高功率传输。这样，在图4中提供具有第一波长“x”的第一激光源4001，其中x小于1微米。提供具有第二波长x+б1微米的第二激光器4002，其中б1是波长的预定变化，所示变化可以是正的或者负的。提供具有第三波长x+б1+б2微米的第三激光器4003和具有波长x+б1+б2+б3微米的第四激光器4004。激光束通过光束组合器4005组合并通过光纤4006传输。组合束具有示出在4007中的光谱。

例如，图5示出激光的频率调制相控阵。这样，提供能够直接或者间接地频率调制主振子，其然后用于注射-锁定激光器或者放大器以产生由任何个体激光器能够实现的更高功率的合成束。这样，提供激光5001、5002、5003和5004，其具有相同波长。激光束通过光束组合器5005组合并通过光学纤维5006传输。激光5001、5002、5003和5004与FM调制的主振子5008相关。组合束具有在5007示出的光谱，其中б是FM调制的频移。这样的激光公开在美国专利5,694,408中，其公开的内容在此被全文引入作为参考。

激光源可以是M²＜2的低阶模源以使得它可以聚焦到具有＜100微米模直径的光学纤维中。具有从50微米到6微米范围的小模场直径的光学纤维具有最小的传输损失。但是，这应当在需要纤维直径尽可能大以避免非线性现象和光学纤维的面的物理损坏开始和传输损失损失尽可能小之间进行平衡。

这样，激光源应当具有至少大约1千瓦、从大约1千瓦到大约20千瓦、从大约10千瓦到大约20千瓦、至少大约10千瓦，优选大约20千瓦或者更大的总功率。而且，各种激光器的组合可以用于提供上面的总功率范围。进一步地，激光源应当具有关于纤维的可弯曲性和制造实际长度可行的尽可能大的毫米毫拉德射束参数，这样，射束参数可以小于大约100毫米毫拉德，从单模到大约50毫米毫拉德、小于大约50毫米毫拉德、小于大约15毫米毫拉德，最优选大约12毫米毫拉德。进一步地，激光源应当具有至 少10％电光效率、至少大约50％光效率、至少大约70％光效率，由此，应当理解，优选更大的光效率、所有其它等效的因素，并且优选至少大约25％。激光源可以以脉冲模式或者连续波(CW)模式运行。激光源优选地能够是纤维耦合的。

为了在包含硬岩地层例如花岗岩和玄武岩的地质中掘进钻孔，优选使用具有下面在表1中提出的规格的IPG20000YB。

表1光学特征

^*在距离激光器不大于50米的距离在连接器上测试的输出功率

对于切削套管、移除井塞和射孔操作，激光器可以是上面提及的任何激光器，进一步可以是其它任何更小的激光器，其可以仅用于维修和完成井下作业。

除图1的构型以及上面优选的用于本发明的激光器的例子之外，可以想到用于高效率激光钻探系统的其它构型的激光器。这样，激光器的选择一般可以基于意在的应用或者期望的操作参数。平均功率、功率系数、发光、工作波长、泵送源、束斑大小、曝光时间和相关的比能可以在选择激光器中予以考虑。待钻探的材料，例如岩层类型也可以影响激光器选择。例如，岩石的类型可以与待开采的资源类型相关。硬岩例如石灰岩和花岗岩一般会与热水源相关，而砂岩和页岩一般会与天然气或者油源相关。这样，通过例子，激光器可以是固态激光器，它可以是气体、化学、染料或者金属水蒸气激光器，或者它可以是半导体激光器。进一步地，激光器可产生千瓦水平的激光束，并且它可以是脉冲激光器。激光器进一步地可以为Nd：YAG激光器、二氧化碳激光器、二极管激光器例如红外二极管激光器、或者纤维激光器例如镱掺杂的多涂层纤维激光器。红外线纤维激光器发射波长范围从800nm到1600nm的光线。纤维激光器用包括稀土元素例如钬、铒、镱、钕、镝、镨、铥或者其组合的活性增益介质。可以实施一种或更多类型的激光器的组合。

用于本发明的类型的纤维激光器一般围绕双芯纤维构建。内芯可以由稀土元素：镱、铒、铥、钬或者其组合而构成。光学增益介质发射1064nm、1360nm、1455nm和1550nm的波长，并可以是衍射受限的。光学二极管可以耦合到外芯(一般称为内包层)以在内芯中泵送稀土离子。外芯可以是多模波导管。内芯用作两个目的：导引高功率激光；以及经由受激稀土离子提供增益给高功率激光。外芯的外包层可以是低指数聚合物以减少损失并保护纤维。典型的泵送激光二极管在大约915-980nm(一般-940nm)的范围发射。纤维激光器由IPG Photonics或者Southampton Photonics制造。高功率纤维在多路传输时通过IPG Photonics演示以产生50kW。

在使用中，通过一个或者更多激光器产生或者照射的一个或多个激光束可以散裂、蒸发或者熔化材料，例如岩石。激光束可以由一个或多个波 形进行脉冲，或者它可以是连续的。由于材料例如岩石的特征，包括例如热传导率，激光束通常可以在岩层中引起热应力，激光束还可以经由岩层次表层中的湿气的过热蒸汽爆炸引起机械应力。机械应力还可通过材料的现场矿物的热分解和升华而引起。在激光-材料界面上或下的热和/或机械应力可以促进材料例如岩石的散裂。同样地，激光可以用于根据需要影响套管、水泥或者材料的其它主体。激光束一般可以作用于激光束接触表面的位置处的表面，所述位置可以称作激光照射区域。激光照射区域可以具有实现期望结果所需的任何预选形状和强度分布，激光照射区域还可称为激光束斑。任何深度和/或直径的钻孔可以例如通过散裂多点或层而形成。这样，通过例子，连续的点可以作为目标，或者策略性的点图案可以是目标以提高激光/岩石相互作用。激光或者激光束的位置或者取向可以移动或者导向以智能地跨过期望区域作用以使得激光/材料相互作用在使得岩石移除方面最有效率。

一个或多个激光可进一步定位在井下，也就是，沿着钻孔。这样，取决于特定的要求和操作参数，激光器可以位于钻孔中的任何深度。例如，激光器可以保持相对接近于地表，它可以定位在钻孔深度，它可以保持在钻孔中恒定深度处，或者它可以随着钻孔加深而逐步地定位为更深。这样，通过进一步的例子，激光器可以保持在距离材料例如待作用其上的岩石一定距离。当激光器布置在井下时，激光器一般可以形状和/或尺寸适合以装配在钻孔中。一些激光器会比其它激光器更好地适于井下使用。例如，一些激光器的尺寸会使得它们不适于用于井下，但是，这样的激光器可以被改造或者修改以用于井下。类似地，激光器的功率或者冷却可以被修改以便用于井下。

系统和方法一般可包括一个或多个特征以保护激光器。这由于恶劣环境而变得重要，不仅是为了地表单元，而且是为了井下单元。这样，根据一个或多个实施例，钻孔钻探系统可以包括冷却系统。冷却系统一般可用以冷却激光器。例如，冷却系统可冷却井下激光器例如到低于环境温度的温度，或者到激光器的工作温度。进一步地，激光器可以利用吸附冷却而冷却到红外二极管激光器的工作温度，例如大约20℃到大约100℃。对于纤维激光器，它的工作温度可以在大约20℃到大约50℃之间。当达到高于 二极管激光器工作温度的温度时，在更低温度下的液体可以用于冷却以冷却激光器。

热还可通过液体传热剂送到井上，也就是，送出钻孔并到地表。液体传热剂然后可以通过与井上更低温度的液体混合而冷却。一个或多个散热扇可以附着到激光二极管以从红外二极管激光器散热。流体还可用作冷却剂，而还可使用外部冷却剂。

在井下应用中，激光器可以通过包在适当材料中而被保护以免受井下压力和环境影响。这样的材料可包括钢、钛、金刚石、碳化钨等。用于红外二极管激光器或者纤维激光器的纤维头可以具有可透射红外线的窗。这样的透射窗可以由经得起井下环境并同时保持透射质量的材料制成。一种这样的材料可以是蓝宝石或者具有类似质量的其它材料。一个或多个红外二极管激光器或者纤维激光器可以通过蓝宝石完全包住。例如红外二极管激光器或者纤维激光器除了发射激光束的部分可以由金刚石、碳化钨、钢和钛制成。

在井下环境中，例如，进一步设置的是，红外二极管激光器或者纤维激光器在钻探时并不接触钻孔。例如，井下激光器可以与钻孔壁间隔开。

在如图1所示的一般类型的系统中用于冷却激光器的冷却器被选取为具有冷却能力，其取决于激光器的尺寸、激光器的效率、工作温度和环境位置，优选地，冷却器将选取为在全部的这些参数上运行。优选地，用于20千瓦激光器的冷却器的例子将具有在此的表2中提出的以下规格。

表2

对于如图1所示的一般类型的系统，激光束通过激光束传输装置传输到连续油管的线轴。该传输装置可以是可商购的工业上的硬化光学纤维缆 线，在每个末端具有QBH连接器。

有两种基本的卷绕方法，第一种是使用线轴，该线轴仅仅是具有盘绕在轮外侧周围的导管的轮。例如，该连续油管可以是中空管，它可以是光学纤维，它可以是光学纤维束，它可以是铠装的光学纤维，它可以是其它类型的光学传输缆线，或者它可以是包含上述光学传输缆线的中空管。

这种构型中的线轴具有中空中心轴，在那里光能量被传输到光学纤维的输入端。光束将沿着线轴中心发射，线轴骑在水平或者竖直取向的精密轴承上以防止当纤维被卷绕出时线轴倾斜。理想地，线轴的轴保持大约+/-10微弧度的角容限，其优选地通过使得光轴与线轴旋转轴分离和/或独立于线轴旋转轴而获得。光束在发射到纤维中时通过透镜发射，所示透镜在发射透镜的傅里叶变换平面上随着纤维旋转，其对透镜关于激光束的位置的运动不敏感，但是对入射激光束的倾斜敏感。在纤维中发射的光束通过在发射透镜的傅里叶变换平面上关于纤维固定的透镜发射，其对纤维关于发射透镜的运动不敏感。

第二种方法是使用类似于线轴架的固定线轴，并且当纤维被卷绕出时旋转激光头以在纤维从线轴抽出时防止纤维扭曲。如果纤维可以设计来接受沿着它的长度的合理量的扭曲，那么这将是优选的方法。如果纤维可以围绕线轴预扭曲，使用第二种方法，那么当纤维从线轴抽出时，纤维被弄直并且当纤维被放出时不需要纤维和钻头旋转。将具有一系列的张紧装置，其将沿着钻孔悬置纤维，或者，如果钻孔充满水以从钻孔底部取出碎片，那么纤维被包在浮动套管中，在孔的整个长度上，套管将支撑纤维和它的套管的重量。在其中井底组件并不旋转并且纤维在扭曲应变下扭曲避过布置的情形中，根据在此的教导减小SBS将会是进一步有益的。

对于如图1所示的一般类型的系统，连续油管的线轴可以包含以下示例性长度的连续油管：从1千米(3,280英尺)到9千米(29,528英尺)；从2千米(6,561英尺)到5千米(16,404英尺)；至少大约5千米(16,404英尺)；和从大约5千米(16,404英尺)到至少大约9千米(29,528英尺)。线轴可以是利用2.875钢管的任何标准类型的线轴。例如，商业的线轴典型地包括4-6千米的27/8”的钢管，所示导管的商业尺寸可以是从1″到27/8”的。

优选地，线轴将具有标准型27/8”中空钢管，也就是，连续油管。如 在此进一步讨论的，连续油管将具有至少一个光学纤维用于传输激光束到井底组件。除光学纤维之外，连续油管还可传送其它的缆线用于其它的井下目的，或者沿着钻孔向上传送材料或者信息回地表。连续油管还可传送流体或者用于传送流体的导管。为了保护和支撑在连续油管中传送的光学纤维及其他缆线，可以采用稳定器。

线轴可以具有QBH纤维和准直仪。隔振装置在线轴的构造中会是期望的，特别是用于纤维滑动环，因此例如线轴的外板利用Delrin板安装到线轴支撑部，而内板漂浮在线轴上，并且销使组件旋转。纤维滑动环是固定纤维，其跨过旋转线轴毂传送能量到旋转的纤维。

当使用线轴时，线轴的机械轴用于从光学纤维的输入端传输光能量到远端。这称作精确光学支承系统(纤维滑动环)以保持提供光能量的外部纤维和安装在线轴上的光学纤维之间的稳定对齐。激光器可以安装在线轴之内，或者如图1所示，可以安装在线轴外部，或者如果采用多个激光器，内和外外置都可以使用。内部安装的激光器可以是探针激光器，用于分析和监测所述系统和通过系统执行的方法。进一步地，传感和监控装置可以位于线轴的旋转元件内部或者附着到所示旋转元件。

进一步提供旋转耦合装置以连接旋转的连续油管到激光束传输装置1008和不旋转的流体传送装置1011。如在图2中通过例子示出的，连续油管2009的线轴具有两个旋转耦合装置2013。所述耦合装置之一具有光学旋转耦合装置2002，另一个具有流体旋转耦合装置2003。光学旋转耦合装置2002可以是与流体旋转耦合装置2003相同结构的，或者它们可以是单独的。这样，优选地，采用两个单独的耦合装置。还可增加其它的旋转耦合装置以处理其它缆线，例如用于井下探针的缆线。

光学旋转耦合装置2002连接到具有支承表面2005、2006的中空精密接地轴2004。激光传输装置2008通过光学旋转耦合装置2002光学耦合到中空轴2004，所示光学旋转耦合装置2002允许激光束从激光传输装置2008传输到中空轴2004中。光学旋转耦合装置例如可以由QBH连接器、精度准直仪和旋转台组成，例如Precitec准直仪通过Newport旋转台到另一Precitec准直仪并到QBH准直仪。到在光学旋转耦合中积聚过多热量的程度，应当施加冷却以保持温度在期望水平。

中空轴2004然后传输激光束到中空轴2004中的开口2007，所述开口包含光耦合器202010，该光耦合器202010光学连接中空轴2004到位于连续油管2012内的长距离高功率激光束传输装置2025。这样，以这种方法，激光传输装置2008、中空轴2004和长距离高功率激光束传输装置2025可旋转地光学连接，以使得激光束可以从激光器传输到长距离高功率激光束传输装置2025。

用于旋转线轴的光学连接的进一步的例证提供于图6中，其中示出线轴6000和用于线轴6000的支撑部6001。线轴6000通过承载轴承6002可旋转地安装到支撑部6001。输入光缆6003，其从激光源(在该图中未示出)传输激光束到光耦合器6005。激光束离开连接器6005并通过光学器件6009和6010进入光耦合器6006中，光耦合器6006光学连接到输出光缆6004。光耦合器6005通过优选地非承载轴承6008安装到线轴，而耦合器6006通过装置6007以使它随着线轴旋转的方式安装到线轴。这样，当线轴旋转时，线轴和连续油管的重量由承载轴承6002支承，而可旋转的光耦合组件允许激光束从并不旋转的缆线6003传输到随着线轴旋转的缆线6004。

除使用连续油管的旋转线轴之外，如图1和2所示，用于延伸和回收长距离高功率激光束传输装置的另一装置是固定的线轴或者线轴架，如在图3A和3B中通过例子示出的。提供线轴架3009，其是固定的并且其在长距离高功率激光束传输装置3025中包含连续油管。所述装置连接到激光束传输装置3008，激光束传输装置3008连接到激光器(在该图中未示出)。这样，激光束可以传输到长距离高功率激光束传输装置中并且所述装置可以沿着钻孔布置。类似地，长距离高功率激光束传输装置可以包含在线轴架上的连续油管中。这样，长距离装置可以是在此提供的类型的铠装光缆。在使用线轴架中，应当考虑到这样的事实：光缆在当被布置时将会扭曲。为了解决该顾虑，井底组件，或者仅仅是激光钻头，可以慢慢地旋转以保持光缆解开，光缆可以是预扭曲的，并且光缆可以用于容忍扭曲。

流体源可以是气体、液体、泡沫或者具有多种能力的系统。流体在钻孔掘进中可以用作许多目的。这样，流体可以主要用于从钻孔底部移除切屑，例如常常称作钻探流体或者钻探泥浆的切屑，并保持井底组件中的激光光学器件的末端和钻孔底部之间的区域充分地清除切屑以不干涉激光束 的路径和功率。在压力下不可压缩流体或者可压缩流体的情形中，它还可以用于冷却激光光学器件和井底组件。流体进一步提供在井孔中产生流体静压的手段以防止气体和流体流入。

这样，在选择流体类型以及液体输送系统时，应当至少考虑激光波长、光学器件组件、钻孔地质条件、钻孔深度和移除由激光掘进钻孔产生的切屑所需的切屑移除速率。非常期望的是，通过流体的移除速率不是对掘进钻孔的系统速率的限制因素。例如，可以用于本发明的流体包括传统的钻探泥浆、水(如果它们不是在激光器的光学路径中)以及激光能够透射的流体，例如卤化碳(卤化碳是低分子量的三氟氯乙烯聚合物(PCTFE))、油和氮气。优选地，这些流体可以被采用和优选以及应当在从几到几百CFM的速率下在从常压到几百psi范围的压力下递送。如果这些流体的组合被使用，流速应当被采用来平衡保持光学路径可透射和移除切碎屑的目的。

优选地，长距离高功率激光束传输装置是在铠装套管中的一个光学纤维或者多个光学纤维以沿着钻孔引导从大约1千瓦到大约20千瓦、从大约10千瓦到大约20千瓦、至少大约10千瓦和优选地大约20千瓦或者更大的平均功率的光强度，以为了传感岩性、测试岩性、钻孔通过岩石其它与产生、掘进和测试大地中的钻孔相关的其它类似应用。优选地，铠装光学纤维包括0.64厘米(1/4”)不锈钢管，其在其中具有1、2、1-10、至少2、超过2、至少大约50、至少大约100以及最优选地在2-15之间个光学纤维。优选地，它们将为大约500微米芯直径的基线阶跃折射率光纤。

目前认为，工业激光器使用铠装有围绕纤维的钢连续油管的高功率光学纤维和围绕钢套的聚合物护套以防止不期望的尘垢进入到光学纤维环境中。光学纤维被包上金属包层，或者薄线沿着纤维延伸以检测纤维中断。纤维中断会是危险的，因为它会导致铠装护套破裂并将给操作者带来危险。但是，这种类型的纤维防护被设计用于环境条件，将经不起钻孔恶劣环境。

用于油汽行业的光纤传感器设置为非铠装的和铠装的。目前认为，当前可用的非铠装方法对于本申请能够想到的高功率应用是不可接受的。铠装方法的当前表现是类似不充分的，因为它们并未考虑传导高光强度的方法和检测光学纤维中的中断的方法，而这两种方法对于一种可靠且安全的系统是重要的。用于铠装光学纤维的当前方法是将其包在不锈钢管中，用 碳涂覆纤维以防止氢转移，最后用凝胶充填管，该凝胶缓冲纤维并吸收来自环境的氢。但是，这种包装已经执行为具有仅小直径芯的光学纤维(50微米)以及＜1瓦光功率的非常低功率水平。

这样，为了提供用于钻孔恶劣环境的高功率光学纤维，提供一种新的铠装纤维和方法。这样，设置为将具有等于或者大于50微米、等于或者大于75微米以及最优选等于或者大于100微米的直径的大芯光学纤维或者多个光学纤维包在金属管中，其中每个管可以具有碳涂层以及聚合物，并且可以包括聚四氟乙烯涂层以在铺设过程中相对彼此摩擦时缓冲纤维。这样，纤维或者纤维束可以具有从大约大于或等于150微米到大约700微米、700微米到大约1.5毫米、或者大于1.5毫米的直径。

碳涂层可以厚度在从10微米到大于600微米的范围。聚合物或者聚四氟乙烯涂层可以厚度在从10微米到大于600微米范围，并且优选类型的这样的涂层是丙烯酸盐、硅树脂、聚酰亚胺、PFA及其他。碳涂层可以与纤维相邻，聚合物或者聚四氟乙烯涂层施加到其上。聚合物或者聚四氟乙烯涂层最后施加以减小在布置过程中纤维的粘接。

在一些非限制性的实施例中，光学纤维可发送每一纤维高达10千瓦、每一纤维高达20千瓦、每一纤维高达以及大于50千瓦。纤维可传输任何期望的波长或者波长组合。在一些实施例中，纤维可以传输的波长范围可优选地在大约800nm和2100nm之间。纤维可以通过连接器连接到另一纤维以保持一个纤维和相邻纤维之间的适当的固定距离。例如，纤维可以连接为以使得当照射材料例如岩石表面时来自相邻光学纤维的束斑是在2″下并且与特定光学纤维不重叠。纤维可以具有任何期望的芯尺寸。在一些实施例中，芯尺寸可以从大约50微米到1毫米或者更大的范围。纤维可以是单模的或者多模的。如果是多模的，一些实施例的数值孔径可以从0.1-0.6的范围。更低的数值孔径可以是优选用于束质量的，并且更高的数值孔径可以更容易更低界面损耗地传输更高的功率。在一些实施例中，发射包括1060nm-1080nm、1530nm-1600nm、1800nm-2100nm波长的光的纤维激光器、发射800nm-2100nm波长的光的二极管激光器、发射10,600nm波长的光的二氧化碳激光器、或者发射1064nm波长的光的Nd:YAG激光器可以耦合到光学纤维。在一些实施例中，纤维可以具有低的含水量。纤维可以被 护套有例如聚酰亚胺、丙烯酸盐、碳聚酰胺和碳/双丙烯酸盐或者其它的材料。如果需要高温，聚酰亚胺或者衍生材料可以用于在超过300摄氏度温度下操作。纤维可以是中空芯光晶体或者实心的光晶体。在一些实施例中，在1500nm或者更高的波长下使用中空芯光晶体纤维可以最小化吸收损失。

多个光学纤维的使用可以绑缚为许多构型以改善功率密度。形成一束的光学纤维可以从在每个纤维中在数百瓦到千瓦功率下两个到在毫瓦或者微瓦功率下百万个的范围。在一些实施例中，多个光学纤维可以在低于2.5千瓦功率下绑缚和拼接以逐步减小功率。功率可以拼接以增大通过一束的功率密度，例如优选地高达10千瓦，更优选地高达20千瓦，甚至更优选地高达或者大于50千瓦。功率的逐渐减小和增大允许束斑增大或者减小通过光纤的功率密度以及束斑大小。在大多数例子中，拼接功率以增大总功率输出可以是有益的以使得通过纤维递送的功率并不抵达超过光学纤维的临界功率阈。

这样，通过例子，提供在此的表3中提出的以下构型。

表3

束直径	束中纤维数量
		100微米	1
200微米-1毫米	2-100
		100微米-1毫米	1

薄线也可以与光学纤维一起包装在例如1/4″的不锈管中以测试纤维连续性。或者，足够厚度的金属涂层可以被施加以允许监测纤维连续性。但是，这些方法在当纤维长度超过1千米是变得有问题，并且不能提供用于测试和监测的实用的方法。

在表3中的构型可以是长度等于或者大于1米的、等于或者大于1千米的、等于或者大于2千米的、等于或者大于3千米的、等于或者大于4千米的和等于或者大于5千米的。这些构型可用于通过它传输从大约0.5千瓦到10千瓦、大于或等于1千瓦的、大于或等于2千瓦的、大于或等于5千瓦的、大于或等于8千瓦的、大于或等于10千瓦的以及优选至少大约 20的功率水平。

在例如沿着钻孔或者通过至少1千米的缆线的长距离的功率传输中，在光学纤维中存在三种能源损失：罗利(Raleigh)散射、拉曼(Raman)散射和布里渊(Brillioun)散射。第一种罗利散射是由于纤维中的杂质所致的纤维的固有损耗。第二种拉曼散射可以在纤维的振动分子的Stoke或者Anti-Stoke波中导致激励拉曼散射。拉曼散射优选发生在向前方向并从源的原波长产生高达+25nm的波长偏移。第三种机制的布里渊散射是由原源光(泵)的高电场在纤维中产生的声波的前向传播泵出的散射。该第三众机制是非常有问题的，并且在长距离的高功率传输中产生很大困难。布里渊散射可以引起激励布里渊散射(SBS)，其中泵送光优选地在纤维中向后散射，具有从原源频率大约1GHz到大约20GHz的移频。该激励布里渊效应可以是足够强的以大致反向散射所有的入射泵送光，如果给定正确的条件的话。因此，期望抑制这种非线性现象。大致有确定SBS阈的四个主要变量：增益介质(纤维)的长度；源激光器的行宽；泵送光在其中传播的纤维的自然布里渊行宽；以及纤维的模场直径。在典型的条件下并且对于典型的纤维，纤维的长度与功率阈成反比，以使得纤维越长，阈越低。功率阈限定为这样的功率，即在该功率下，高百分数的入射泵送照射线将被散射以使得发射正反馈，由此声波通过散射过程产生。这些声波然后用作光栅以激发进一步的SBS。一旦功率阈被超过，发生散射光的指数生长，并且传输更高功率的能力大大减小。该指数生长随着功率的指数减少而继续，直到该点，由此任何额外的功率传输将不再向前传输，该点在此限定为最大传送功率。这样，最大传输功率依赖于SBS阈，但是一旦达到，最大传输功率将不会随着功率输入增大而增大。

这样，如在这里提供的，用于抑制非线性散射现象例如SBS和激励拉曼散射现象的新的和独特的装置、用于增大功率阈的装置和用于增大最大传输功率的装置被提出，用于在用于至少掘进钻孔的大距离上传输高功率激光能量。

模场直径需要与实际一样大而不会导致传播的源激光的衰减。当前可用的大芯的单模纤维具有高达30微米的模直径，但是弯曲损耗典型地为高的并且传播损失高于期望的。具有50微米模场直径的小芯的阶跃折射率光 纤因为由于纤维并不保持偏振所致的低的固有损耗、明显减小的发射影响和减小的SBS增益而是有兴趣的，它还具有多模传播常数和大的模场直径。所有的这些因素有效增大SBS功率阈。结果，具有低罗利散射损失的更大芯的纤维是在大距离上传输高功率的潜在解决方案，优选地，其中模场直径为50微米，或者更大直径的。

下一考虑是纤维的自然布里渊行宽。随着布里渊行宽增大，散射增益系数减小。布里渊行宽可以通过沿着纤维长度改变温度、调节纤维上的应变以及在纤维中引起声振动而变宽。改变沿着纤维的温度产生纤维折射率变化，纤维中原子的背景(kT)振动有效变宽布里渊光谱。在钻孔下应用中，沿着纤维的温度将自然地变化，这是因为在在这里表示的深度范围下纤维将遭受到的地热能。净结果将是SBS增益的抑制。沿着纤维长度施加热梯度可以是抑制SBS的手段，其是通过增大纤维的布里渊行宽。例如，这样的手段可以包括利用薄膜加热元件或者沿着纤维长度的可变绝缘以控制沿着纤维的每个点上的实际温度。施加的热梯度和温度分布可以是，但不局限于，沿着纤维长度为线性的、阶跃等级的和周期函数的。

可以在纤维上完成应变调节以便抑制非线性散射现象，但是这些手段并不局限于锚定纤维在它的护套中以使得纤维被拉紧。通过选择性地伸展支撑元件之间的每个部分，然后布里渊光谱将从自然中心频率红移或者蓝移，从而有效变宽光谱并减小增益。如果纤维被允许从张紧装置自由悬挂，那么应变将从孔顶部到孔底部变化，从而有效变宽布里渊增益光谱并抑制SBS。施加应变到纤维的手段包括但不限于扭曲纤维、伸展纤维、施加外压力到纤维和弯曲纤维。这样，例如，如上所述，扭曲纤维可以通过利用线轴架而发生。而且，扭曲纤维可通过使用设计来通过旋转运动的井下稳定器而发生。伸展纤维可以例如如上面描述的通过利用沿着纤维长度的支撑元件而完成。径向压力可以提供沿着纤维长度的压力梯度，从而引起应变。

纤维的声学调制可以改变布里渊行宽。通过沿着纤维长度布置发声器，例如压电晶体，并在预定频率下调节它们，布里渊光谱可以变宽，从而有效减小SBS增益。例如，晶体、扬声器、机械振动器或者任何其它的用于在纤维中引起声振动的机构可以用于有效抑制SBS增益。此外，声辐射可以通过使得压缩空气逃离通过预定孔而产生，从而产生汽笛效应。

源行宽和布里渊行宽的相互作用部分地限定增益功能。改变源的行宽可以抑制增益功能，并因此抑制非线性的现象例如SBS。源行宽可以例如通过FM调制或者密集的波长组合源而改变，其例子示出在图5中。这样，纤维激光器可以通过许多手段直接FM调制，一种方法是简单地通过压电元件伸展纤维，其引起纤维介质的指数变化，从而导致激光器的腔的长度变化，这产生纤维激光器的自然频率的偏移。该FM调制方案可以通过相对慢的机械和电气部件实现纤维激光器的非常宽带的调制。FM调制这些激光源的更直接的方法可以是使得束通过非线性的阶梯例如铌酸锂，从而在相位调制模式下操作，并在作为频率下调节相位，用于抑制增益。

此外，激光源的光谱束组合可以用于抑制激励布里渊散射。这样，间隔开的波长束，如在此买欧式的间隔，可以通过产生的声波的干涉抑制激励布里渊散射，这将趋于使得激励布里渊光谱变宽，从而产生更低的激励布里渊增益。此外，通过利用多种颜色，总最大传输功率可以通过限制每种颜色中的SBS现象而增大。这样的激光系统的例子示出在图4中。

拉曼散射可以通过在光学路径中包括波长选择性滤光器而得以抑制。该滤波器可以是反射、透射或者吸收滤波器。而且，光纤连接器可以包括拉曼带阻滤波器。此外，拉曼带阻滤波器可以与纤维是一体的。这些滤波器可以是，但是不局限于，大体积的滤波器，例如分色镜或者透射光栅滤光片，例如布拉格光栅滤光片，或者反射光栅滤光片，例如刻划光栅。对于任何向后传播的拉曼能量，而且可以想到将泵送能量引入基础到总纤维路径中的有源光纤放大器的手段，其例如可以包括用于集成带阻滤波器与耦合器以抑制拉曼辐射从而抑制拉曼增益的方法。进一步地，布里渊散射也可以通过滤波器进行抑制。例如，法拉第绝缘体可以集成到系统中。调谐到布里渊散射频率的布拉格栅状反射器也可以集成到耦合器中以抑制布里渊辐射。

为了克服作为距离函数的纤维中的功率损失可以使用激光器信号的有源放大。有源光纤放大器可以提供沿着光学纤维的增益以弥补纤维中的损失。例如，通过组合有源纤维部分与无源纤维部分，其中足够的泵送光提供到有源也就是放大部分，无源部分中的损失将得到弥补。这样，提供一种集成信号放大到系统中的装置。在图7中，示出包括具有例如-1dB损失 的第一无源纤维部分8000、与光纤放大器8002光学相关联并可以引入到外包层中以提供例如+1dB的传播信号功率增益的泵送源8001的这样的装置的例子。光纤放大器8002光学连接到耦合器8003，其可以是自由间隔的或者熔合的，其光学连接到无源部分8004。这种构型可以重复许多次，用于改变长度、功率损失和井底条件。此外，光纤放大器可以用作用于整个传输长度的递送纤维。泵送源可以是用于各种钻孔构型的井上、井下或者井上和井下组合的。

其它方法是使用多个激光源的密集波长束组合以产生多倍于单个激光器的自然行宽的有效行宽，从而有效抑制SBS增益。在此，每个在预定波长和预定波长间隔下操作的多个激光器例如通过光栅彼此重叠。光栅可以是透射的或者反射的。

光学纤维或者纤维束可以包在环境屏蔽物中以使得它能够高压力和温度下工作。缆线可以在结构上类似于跨过海底铺设的海底缆线，并且如果孔中充满水可以是有浮力的。缆线可以在缆线中包括一个或许多光学纤维，取决于纤维的功率处理能力和实现经济钻速所需的功率。应当理解，在应用中，数千米的光学纤维将必须沿着钻孔递送。光缆可以改变长度以使得较短的长度用于较浅的深度以使得可以递送更高的功率水平，并由此可以实现更高的钻速。当传递到超过光缆长度的深度时，这种方法要求纤维变化出去。或者，如果连接器可以被制造为具有足够低的损耗以允许最小损耗地连接和重新连接纤维，可以采用一系列连接器。

这样，在此的表4和5中提供用于示例性光缆构型的功率传输。

表格4

输入功率	纤维长度	束直径	束中纤维数量	输出功率
					20kW	5km	500微米	1	15kW
20kW	7km	500微米	1	13kW
					20kW	5km	200微米-1毫米	2-100	15kW
20kW	7km	200微米-1毫米	2-100	13kW
					20kW	5km	100-200微米	1	10kW
20kW	7km	100-200微米	1	8kW

表格5(具有有源放大)

输入功率

纤维长度

束直径

束中纤维数量

输出功率

20kW	5km	500微米	1	17kW
					20kW	7km	500微米	1	15kW
20kW	5km	200微米-1毫米	2-100	20kW
					20kW	7km	200微米-1毫米	2-100	18kW
20kW	5km	100-200微米	1	15kW
					20kW	7km	100-200微米	1	13kW

光学纤维优选地布置在连续油管内部用于前进到钻孔中或者从钻孔移除。以这种方式，当导管下降到井中时，连续油管将是主承载和支撑结构。可以容易地认识到的是，在大深度的井中，连续油管由于其长度将支承非常大的重量。为了保护和固定包括包含在例如1/4″不锈钢导管中的光学纤维束的光学纤维在连续油管内部，稳定装置是期望的。这样，沿着连续油管长度不同间隔处，支撑部可以定位在连续油管内部，其固定或者保持光学纤维相对于连续油管就位。但是，如果流体传输通过连续油管，这些支撑部不应干涉或者阻碍流体的流动。可商购的稳定系统的例子是ELECTROCOIL系统。这些支撑结构，如上所述，可以用于提供应变给纤维，用于抑制非线性现象。

尽管优选布置光学纤维在连续油管内，纤维还可与连续油管相关联，这是通过例如纤维平行于连续油管延伸，贴附到其上，通过平行于连续油管延伸并可滑动地贴附到其上，或者通过布置在与第一连续油管相关联或者不相关联的第二连续油管中。以这种方法，应当认识到，可以应用连续油管的不同组合来优化激光能量、流体以及其它缆线和装置到钻孔中的递送。而且，光学纤维可以是分段的并通过传统的钻探管条进行应用，这样易于适合用于配备有可连接的管状钻探管的传统机械钻机。

在钻探操作过程中，特别是在深的钻探操作过程中，例如大于1千米的深度，监测钻孔底部的状况以及监测沿着长距离高功率激光束传输装置和长距离高功率激光束传输装置中的状况会是期望的。这样，进一步提供使用光脉冲、脉冲串或者连续信号，其连续监测来自纤维远端的反射并用于确定纤维的连续性。进一步地，提供使用来自被照射表面的荧光作为确定光学纤维连续性的手段。高功率激光将充分加热岩石材料到发射光的程度。该发射光可以被连续监测作为确定光学纤维的连续性的手段。这种方法比通过纤维传输脉冲的方法更快，因为光仅必须沿着纤维在一个方向传 播。此外，提供使用单独的纤维以在不同于高功率信号的波长下发送探针信号到铠装纤维束的远端，并且通过监测高功率光学纤维的返回信号，纤维的完整性可以得以确定。

这些监测信号可在大致不同于高功率信号的波长下传输以使得波长选择性滤光器可以布置到井上或者井下的束路径中以导向监测信号到设备中用于分析。例如，该选择性滤光器可以布置到在此描述的线轴架或者线轴中。

为了促进该监测，光谱分析仪或者光学时域反射计或者其组合可以被使用。可以使用AnaritsuMS9710光谱分析仪和AnaritsuCMA4500光时域反射计(OTDR)，所述AnaritsuMS9710光谱分析仪具有：600nm-1.7微米波长范围；90dBm10Hz、-40dBm1MHz的固有噪声电平；在1nm分辨率下70dB动态范围；和最大扫描宽度：1200nm。

结构切削动作的效率还可以通过监测发射光与反射光的比率而进行确定。经历熔化、散裂、热离解或者汽化的材料将反射和吸收不同比率的光线。发射光与反射光的比率可以通过材料进行改变，从而进一步允许通过该方法分析材料类型。这样，通过监测发射光与反射光的比率，材料类型、切削效率或者二者都可以被确定。该监测可以在井上、井下或者其组合下执行。

而且，为了各种目的例如对井下监控装置给电，可以在钻孔中，包括在钻孔底部上或附件，进行发电。该发电可利用本领域技术人员已知的设备进行，包括由钻探泥浆或者其它井下流体驱动的发电机、将光能转换为电能的装置和将热能转换为电能的装置。

井底组件包含激光光学器件、用于流体的递送装置以及其它设备。通常，井底组件包含长距离高功率激光束传输装置的也称为远端的输出端，以及优选地用于导向激光束到待移除的泥土或者岩石中用于掘进钻孔的光学器件，或者用于切削的其它结构。

本系统，特别地井底组件，可一个或多个光学操作器。光学操作器通常可以控制激光束，例如通过导向或者定位激光束到散裂材料，例如岩石。在一些构型中，光学操作器可策略性地导引激光束到散裂材料，例如岩石。例如，距离井壁或者岩石的空间距离可以被控制，冲击角度也可以被控制。 在一些构型中，一个或多个可操纵的光学操作器可通过一个或多个反射镜或者晶体反射器控制一个或多个激光束的方向和空间宽度。在其它构型中，光学操作器可以通过光电开关、电活化聚合物、检流计、压电元件和/或旋转/直线电机进行操纵。在至少一种构型中，红外二极管激光器或者纤维激光器光学头通常可以围绕竖直轴旋转以增大孔接触长度。各可编程值例如比能、功率系数、脉冲速率、持续时间等可以作为时间函数实施。这样，能量施加可以策略性地确定编程和执行以提高射孔和/或激光/岩石相互作用的速率，以提高钻孔掘进的总效率，以及提高钻孔完成的总效率，包括减小在用于钻孔完成的关键路径上的步骤数量。一个或多个算法可以用于控制光学操作器。

这样，通过例子，如图8所示，井底组件包括上部9000和下部9001。上部9000可以连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回井底组件。进一步地，它可以连接到稳定器、钻铤或者其它类型的井下组件(在图中未示出)，它们相应地连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回井底组件。上部9000进一步包含装置9002，该装置9002沿着钻孔和装置的下端9003传输高功率能量。在图8中，该装置示出为四个光缆的束。上部9000还可具有空气放大喷管9005，其排出高达流体例如氮气的100％的部分。上部9000通过密封室9004结合到下部9001，密封室9004对于激光束是透明的并在下部9001形成用于波束成形光学器件9006的光瞳面(pupil plane)。下部9001可以用于旋转并且以这种方法例如椭圆形激光束斑可以围绕钻孔底部旋转。下部9001具有用于流体的层流出口9007和在它的下端的两个硬化辊子9008、9009，尽管也可以采用非层流和紊流。

在使用中，高能量激光束，例如大于10千瓦，将沿着纤维9002传输，离开纤维9003的末端并传输通过密封室和光瞳面9004进入到光学器件9006中，在那里它将被整形和聚焦为椭圆形斑。激光束然后将撞击钻孔的底部，散裂、熔化、热离解和/或汽化被撞击的岩石和泥土，从而掘进钻孔。下部9001将旋转并且该旋转将使得椭圆激光斑围绕钻孔底部旋转。该旋转还将使得辊子9008、9009物理地驱逐通过激光结晶或者充分地固定以不能通过流体的流动单独移除的任何材料。切屑将通过流体的层流以及在辊子 9008、9009的作用从激光路径被清除，并且切屑然后将在来自空气放大器9005以及层流开口9007的流体的作用下向钻孔上传送。

通常，LBHA可包含能够经得起井下环境条件的外套、高功率激光束源和用于整形和导向激光束在钻孔、套管或者地层的期望表面上的光学器件。高功率激光束可以大于大约1千瓦，从大约2千瓦到大约20千瓦，大于大约千瓦，从大约5千瓦到大约10千瓦，优选地至少大约10千瓦，至少大约15千瓦和至少大约20千瓦。组件可进一步包含或者关联用于减小或者控制或者管理在激光束到材料表面的路径中的碎片的系统、控制或者管理光学器件的温度的装置、控制或者管理光学器件周围的压力的装置、组件的其它部件、监测和测量器件和设备以及其它类型的用于传统的机械钻探操作的井下设备。进一步地，LBHA可结合一装置以使得光学器件能够整形和传播光束，其可以例如包括控制激光传播通过的环境的折射率的装置。这样，如在此使用的，术语“控制和管理”应当以它们最广的含义进行理解，并可以包括主动和被动测量以及设计选择和材料选择。

LBHA应当构造为经得起钻孔中存在的情况，所述钻孔包括具有深度为大约1,640英尺(0.5千米)或者更大、大约3,280英尺(1千米)或者更大、大约9,830英尺(3千米)或者更大、大约16,400英尺(5千米)或者更大以及直到并包括大约22970英尺(7千米)或者更大的钻孔。当进行钻孔的钻探也就是掘进时，钻孔中的期望位置会具有灰尘、钻探流体和/或切屑存在。这样，LBHA应当由经得起这些压力、温度、流体和条件的材料构成，并保护包含在LBHA中的激光光学器件。进一步地，LBHA应该设计和制造为经得起井下温度、压力和流体以及条件，并同时管理激光光学器件的操作以及激光束递送的条件的副作用。

LBHA还应当构造为在这些深度以及在这些深度的井下环境中存在的极恶劣条件下处理和递送高功率激光能量。这样，LBHA及其激光光学器件应当能够处理和递送具有1kW或者更大、5千瓦或者更大、10千瓦或者更大和20千瓦或者更大的能量的激光束。该组件和光学器件还应当能够在大约1,640英尺(0.5千米)或者更大、大约3,280英尺(1千米)或者更大、大约9,830英尺(3千米)或者更大、大约16,400英尺(5千米)或者更大和直到并包括大约22,970英尺(7千米)或者更大深度下递送这样的激光束。

LBHA还应当能够在这些极端的井下环境中操作延长的时间段。井底组件的下降和上升已经称为进入(trip in)和退出(trip out)。当井底组件进入或者退出时，钻孔没有被掘进。这样，减小井底组件需要进入和退出的次数将减小用于掘进钻孔也就是钻井的关键路径，从而将降低该钻探的成本。(如在此使用的，关键路径是指必须顺次执行以完成钻井的最少步骤数量。)该成本节省等同于增大钻速效率。这样，降低井底组件需要被从钻孔移除的次数直接对应降低钻井所花的时间以及用于该钻井的成本。而且，因为大多数钻探获得是基于钻机日费用的，降低完成钻孔的天数将提供实质性的商业利益。这样，LBHA及其激光光学器件应当能够在深度大约1,640英尺(0.5千米)或者更大、大约3,280英尺(1千米)或者更大、大约9,830英尺(3千米)或者更大、大约16,400英尺(5千米)或者更大和直到并包括大约22,970英尺(7千米)或者更大下处理和递送具有1千瓦或者更大、5千瓦或者更大、10千瓦或者更大和20千瓦或者更大能量的激光束至少大约1/2小时或者更大、至少大约1小时或者更大、至少大约2小时或者更大、至少大约5小时或者更大和至少大约10小时或者更大，优选地长于钻孔掘进中的任何其它限制因素。以这种方法，利用本发明的LBHA可以减小上井和下井作业到仅仅关于套管(casing)的那些以及完成作业，从而大大降低钻井成本。

这样，通常，切屑移除系统可以为典型地用于石油钻探系统中的那种。这将包括例如泥浆振动筛。进一步地，可以采用分砂器和沉沙器以及离心机。这些设备的目的是移除切屑以使得流体可以再循环和再使用。如果流体也就是循环介质是气体，则也可以采用水雾系统。

在图9中提供具有如图所示的两个流体出口的LBHA构型的例子的示例。该例子采用流体放大器特别地对于该示例为空气放大器技术以从钻孔移除材料。这样，提供具有第一出口9103和第二出口9105的LBHA部分9101。第二出口，如配置的，提供放大空气的装置，或者流体放大装置。第一出口9103同样提供用于激光束和激光路径的开口。提供第一流体流动路径9107和第二流体流动路径9109。还具有与第二流体流动路径9109相关联的界面层9111。第一出口9103和钻孔9112底部之间的距离由距离y表示，第二出口9105和钻孔9114的侧壁的距离由距离x表示。第二端口 9105的上侧9115的曲率对于提供流体流动以围绕钻孔弯曲向上是重要的。此外，具有由下侧9119的有角度的表面9117下侧的角度9116对于具有与流体流动9109相关联的界面层9111是类似重要的。这样，第二流动路径9109主要用于将废物向上传出钻孔。第一流体路径主要用于保持光学路径对于碎片光学打开并减少在该路径中的碎片，并进一步用于将废物从LBHA下面的区域移动到它的侧面和其中它能够由第二流动9105带出钻孔的位置。

当前认为，第一和第二流体路径之间的流速的比率应该对于第一流体路径从大约100％，1∶1、1∶10到1∶100。进一步地，流体放大器的使用是示例性的，应当理解，通常可以采用LBHA或者激光钻机而没有这样的放大器。而且，流体喷射器、气刀或者类似的流体导向装置可以用于与LBHA相关联，与放大器结合，或者代替放大器。放大器的使用的另一个例子可以是定位放大器在这样的位置，即，其中钻孔的直径变化或者由管和钻孔形成的环带的区域变化，例如LBHA和管之间的连接。进一步地，可以使用任何数量的放大器、喷射器或者气刀或者类似的流体导向装置，这样，可以不使用这样的装置，可以使用一对这样的装置，可以使用多个这样的装置，以及可以使用这些装置的组合。由激光(和激光-机械方式相互作用)产生的切屑或者废物具有必须被流体向钻孔上流动所超过的最终速度以将切屑或废物从钻孔移除。这样，例如，如果对于砂岩废物，切屑具有从大约4米/秒到大约7米/秒的最终速度；而对于花岗岩废物，具有从大约3.5米/秒到7米/秒的最终速度；对于玄武岩废物，具有从大约3米/秒到8米/秒的最终速度；以及对于石灰岩废物，小于1米/秒的最终速度，这些最终速度必须被克服。

在图10中。提供LBHA的例子。这样，示出LBHA的一部分，具有第一端口103和第二端口105。在这个构型中，与图3中的例子的构型相比，第二端口105向下移动到LBHA的底部。在那里第二端口为流动路径109设置，该流动路径109可以视为具有两个路径：大致水平的路径113和竖直的路径111。还具有流动路径107，其主要用以保持激光器路径光学地清除碎片。流动路径113和107组合以形成路径111的一部分。

在图12中提供可以是LBHA的一部分或者与LBHA相关联，或者用 于激光钻探中的旋转出口的例子。这样，提供具有开口1203的端口1201。端口在箭头1205的方向旋转。流体然后从端口驱逐分为两个不同角度导向的流动路径。两个流动路径大致在旋转方向。这样，提供第一流动路径1207和第二流动路径1209。第一流动路径关于和相对于出口的旋转具有角度“a”。第二流动路径关于和相对于出口的旋转具有角度“b”。以这种方法流体可以像刀或者推动器一样动作并帮助移除材料。

图12的示例性出口可以配置为提供在相反旋转方向的流动1207和1209，出口可以配置为提供在旋转方向的流动1207和与旋转相反的方向的流动1209。而且，出口可以配置为提供相同或者不同的流动角度a和b，这两个流动角度的范围可以在从90°到几乎0°、大约60°到30°、大约50°到40°，包括这些角度的变体，其中“a”与“b”是不同的角度和/或方向。

在图13中提供与LBHA相关联的气刀构型的例子。这样，提供与LBHA1313相关联的气刀1301。以这种方式，气刀及其相关的流体流动可以关于流动的角度和位置以预定方式导向。而且，除了气刀之外，可以采用其它流体导向和递送装置，例如流体喷射器。

为了进一步示出本发明的优点、用途、操作参数和应用，通过例子而不是限制性的，提出下面建议的示例性研究。

例子1

0.05秒、0.1秒、0.2秒、0.5秒和1秒的测试曝光时间将用于花岗岩和石灰岩。功率密度将通过改变束斑直径(圆形)而变化，并且将使用具有时间平均功率0.5千瓦、1.6千瓦、3千瓦、5千瓦的12.5毫米×0.5毫米的椭圆区域。

例子2

例子3

碎裂矩形材料块例如岩石的能力将根据在此公开的系统和方法进行演示。设置在下面的表中提供，并且岩石块的末端将用作岩脊。花岗岩块、砂岩块、石灰岩块和页岩块如有可能)将每个在块的末端以一定角度散裂(围绕岩脊碎裂岩石)。束斑然后从碎裂的岩石连续移动到新产生的岩脊的其它部分以分裂岩脊的顶面到块的末端。碎裂大约1″×1″×1″尺寸的岩石颗粒将是目标。施加的SP和SE将基于以前记录的从上述实验1和2收集的散裂数据和信息进行选择。散裂岩石的ROP将得以确定，并且碎裂岩石到期望规格的能力将被演示。

例子4

多束碎裂将被演示。由两个间隔开的激光束产生的材料例如岩石中的 散裂重叠将被测试。两激光束将彼此远离0.2″、0.5″、1″、1.5″运行，如在下面的实验设置中列出的。花岗岩、砂岩、石灰岩和页岩每个将被使用。岩石破裂对于每种材料将通过在确定的散裂区域参数下的散裂进行测试。吹扫用的气体将被说明。岩石裂隙将重叠以去除岩石块。目标将为产生1″×1″×1″的期望尺寸的岩屑。由间隔开一定距离的两束进行的岩石破裂将确定可以有效破裂的优化的颗粒尺寸，从而提供用于优化的关于散裂和ROP的颗粒尺寸的信息。

例子5

通过多束散裂多个点将被执行以演示以一定图案破裂材料例如岩石的能力。各种图案将关于不同类型的岩石利用下面的参数进行评估。图案利用大致1厘米×15.24厘米的直线斑、大致15.24厘米长轴和大致1厘米短轴的椭圆形斑、具有1厘米直径的单一圆形斑、具有1厘米直径并且斑之间的间隔近似等于斑直径的斑阵列、具有沿着直线间隔开的间隔为正方形的4个斑点的阵列。激光束将以照射顺序图案递送到岩石表面，其中激光被发射直到通过重复这个过程产生散裂。在直线的和椭圆的图案的变化中，斑实际围绕它们的中心轴旋转。在包括斑阵列的图案中，斑可以围绕它们的中心轴旋转，围绕如绕一个面运动的钟表的表针中的轴点旋转。

从前面的例子和详细教导可以看出，通常，一个或多个激光束可利用光学操作器以一定图案散裂、破裂、蒸发或者熔化材料例如岩石。这样，岩石可以通过散裂以形成围绕岩石的部分的岩石裂隙而被图案化以破裂那些岩石块。激光束斑尺寸可以在与岩石在高功率下相互作用时在一个角度散裂、蒸发或者熔化岩石。进一步地，光学操作器系统可控制两个或多个激光束以在一定角度汇聚以在目标岩石块附近的点附近汇合。散裂然后可以形成重叠和围绕目标岩石的岩石裂隙以破裂目标岩石并使得能够例如逐步地移除更大的岩石块。这样，激光能量可破裂高达1″深度和1″宽度或者更大的岩石块。当然，更大或者更小的岩石块也可以被破裂，取决于例如岩层类型以及最有效率的技术的策略性确定的因素。

通过例子提供利用本发明的激光钻探系统和设备的潜在钻探方案的示例性的且简化的计划。

钻探计划例子1

	深度	岩石类型	钻探类型/井下激光功率
				钻17 1/2英寸 孔	地表-3000英尺	沙子和页岩	传统机械钻探
运行13 3/8英寸 套筒	长度3000英尺
				钻12 1/4英寸 孔	3000-8000英尺	玄武岩	40kW(最小值)
运行9 5/8英寸 套筒	长度8000英尺
				钻8 1/2英寸 孔	8000-11000英尺	石灰岩	传统机械钻探
运行 7英寸 套筒	长度11000英尺
				钻6 1/4英寸 孔	11000-14000英尺	沙子 石头	传统机械钻探
运行5英寸 衬套	长度3000英尺

钻探计划例子2

	深度	岩石类型	钻探类型/井下激光功率
				钻17 1/2英寸 孔	地表-500英尺	沙子和页岩	传统机械钻探
运行13 3/8英寸 套筒	长度500英尺
				钻12 1/4英寸 孔	500-4000英尺	花岗岩	40kW(最小值)
运行9 5/8英寸 套筒	长度4000英尺
				钻8 1/2英 寸孔	4000-11000英尺	石灰岩	20kW(最小值)
运行7英寸 套筒	长度11000英尺
				钻61/4英寸 孔	11000-14000英尺	沙子 石头	传统机械钻探
运行5英寸 衬套	长度3000英尺

而且，一个或多个激光束可通过以一定图案散裂岩石而从材料例如岩石形成岩脊。一个或多个激光束可在与岩脊一定角度散裂岩石，从而形成围绕岩脊的岩石裂隙以围绕岩脊破裂岩石块。两个或多个束可以破裂岩石以产生岩脊。激光束可以与岩脊成一定角度散裂岩石，从而形成围绕岩脊的岩石裂隙以进一步破裂岩石。多个岩石可以在一个或多个岩石岩脊产生后由超过一个的激光束同时破裂以通过汇聚两个束在散裂点附近而围绕岩脊或者没有岩脊地破裂岩石块；可以采用称为切槽(kerfing)的其它技术。

根据本发明的教导，纤维激光器或者液晶激光器可以通过红外激光二极管在从750nm到2100nm的波长范围中光学泵送。纤维激光器或者液晶激光器可以由红外激光二极管支撑或者延伸，红外激光二极管井下连接光学纤维，光学纤维在红外二极管激光波长下从红外二极管激光器传输到纤维激光器或者液晶激光器。光缆可以由例如硅石、PMMA/全氟聚合物、中空芯光晶体或者单模或者多模的实心光晶体的材料构成。这样，光学纤维可以由连续油管包住或者位于刚性钻绳中。另一方面，光可以从地表从红外线二极管传输到井下纤维激光器或者液晶激光器。一个或多个红外二极管激光器可以位于地表上。

激光器可以通过由连续油管制成的导管或者刚性钻绳递送到井眼中。可以提供电缆。还可以提供循环系统。循环系统可以具有刚性或者连续油管以传送液体或者气体到井下。第二管可以用于将岩石切屑向上升高到地表。管可以发送或者传送导管中的气体或者液体到另一管子、管或者导管。气体或者液体可通过从激光头移除材料例如岩屑而形成气刀。可以包括喷 嘴，例如拉瓦尔(Laval)喷嘴。例如，拉瓦尔类型的喷嘴可以附着到光学头以提供压缩气体或液体。压缩气体或液体可以对于红外二极管激光器或者纤维激光器光线的工作波长为可透射的以迫使钻探泥浆远离激光路径。导管中的气体管可以在井下发送比一定深度处的环境温度更低温度的液体以冷却导管中的激光器。一个或多个液泵可以用于通过在井上施加压力从而将不可压缩流体抽取到地表而将切屑和碎片返回到地表。

在井中的钻探泥浆可以对于可见光、近IR范围和中IR波长为可透射的以使得激光束具有对岩石的清除光学路径而不会被钻探泥浆吸收。

进一步地，分光镜采样数据可以被检测和分析。分析可以在钻探从岩石发出的热的同时进行。分光镜采样可以通过激光引起的分解衍生分光镜进行收集。脉冲功率可以通过红外二极管激光器提供给激光-岩石碰撞点。光线可以通过附连到红外二极管激光器的单一波长检测器进行分析。例如，拉曼偏移光线可以通过拉曼分光计测量。进一步地，例如，可以利用少模纤维布拉格光栅实施可调谐的二极管激光器以通过利用镱、铥、钕、镝、镨或者铒作为活性介质分析流体样品的频带。在一些实施例中，化学统计方程或者最小均方拟合可以用于分析拉曼光谱。温度、比热和热扩散率可以被确定。在至少一个实施例中，可以通过神经网络分析。神经网络可以在钻探时实时更新。更新从神经网络数据输出的二极管激光器功率可以优化通过岩层类型的钻探性能。

地质导航井以便记录日志的设备可以包括在钻探系统中或者与钻探系统相关联。例如，磁强计、3轴加速度计和/或回转仪可以被提供。如关于激光器讨论的，地质导航装置可以例如由钢、钛、金刚石或者碳化钨包住。地质导航装置可以与激光器包在一起或者为独立的。在一些实施例中，来自地质导航装置的数据可以通过数字信号处理器导引井下设备的定向运动。

高功率光纤束可例如悬挂于井下红外二极管激光器或者纤维激光器。纤维可通常与二极管激光器耦合以从激光器传输能量到岩层。在至少一个实施例中，红外二极管激光器可以在800nm-1000nm之间的波长范围下纤维耦合。在一些实施例中，纤维光学头可以不接触钻孔。光缆可以为中空芯光含晶纤维、石英光纤或者包括单模或多模PMMA/全氟聚合物的塑料光 纤。在一些实施例中，光学纤维可以通过盘绕的或者刚性的管包住。光学纤维可以附着到具有第一管的导管以施加气体或者液体以循环切屑。第二管可供应气体或者液体到例如拉瓦尔喷管喷射器以从激光头清除碎片。在一些实施例中，光学纤维的末端被包在由可操纵的光学操作器和镜或者晶体反射器组成的头中。头的外壳可以由蓝宝石或者相关材料组成。光学操作器可以被提供以旋转光学纤维头。在一些实施例中，红外二极管激光器可以由位于钻孔中的光学纤维上方的钢、钛、金刚石或者碳化钨完全地包住。在其它的实施例中，它可以被部分地包住。

单一的或者多光缆可以被调谐到由材料例如岩石的红外二极管激光器诱导接收的近IR、中IR和远IR的波长，用于衍生光谱学采样。由位于光学钻头上方的红外二极管激光器赋能的第二光学头可以罩住地层衬里(formation liner)。第二光学头可以从红外二极管激光器延伸，光线传输通过光学纤维。在一些构型中，光学纤维可以通过连续油管进行保护。红外二极管激光器光学头可以穿过钢和混凝土壳体。在至少一个实施例中，在第一红外二极管激光器上方的第二红外二极管激光器可以在钻探时罩住地层衬里。

根据一个或多个构型，井下纤维激光器或者红外二极管激光器可沿着中空管传输相干光，而当布置在井下时没有光线接触管。中空管可以由任何材料构成。在一些构型中，中空管可以由钢、钛或者硅石构成。镜或者反射晶体可以布置在中空管末端以导向准直光到材料例如正钻探的岩石表面。在一些实施例中，光学操作器可以通过光电开关、电活化聚合物、检流计、压电元件或者旋转/直线电机操控。循环系统可以用于提升切屑。一个或多个液泵可以用于在井上施加压力从而将不可压缩流体抽取到地表而将切屑返回到地表。在一些构型中，光学纤维可以通过两个管附连到导管，一个管施加气体或者液体以循环切屑，一个供应气体或者液体到拉瓦尔喷管喷射器以从激光头清除碎片。

在本发明的进一步的实施例中，提供用于在地下在深度达从大约1千米到大约5千米或者更大产生钻孔的钻机，该钻机包括铠装的光学纤维递送束，其由从一个到多个的涂覆光线构成，具有等于或者大于钻孔深度的长度，并具有缠绕和解开束同时保持与激光源光学连接的装置。在本发明 的又进一步的实施例中，提供解开束并递送激光束到钻孔中的点，特别地在钻孔的底部上或附近的点的方法。进一步提供部分地借助通过铠装光学纤维递送束递送激光束到钻孔而掘进钻孔到超过1千米、2千米直到和包括5千米深度的方法。

本发明的新颖和创新的铠装束和相关的卷绕和解开设备和方法其中所述束可以是如在此提出的单一纤维或者多个纤维，可以用于传统的钻机，用于钻探、完井以及相关和相关联的操作。本发明的设备和方法可以用于例如勘探和场开发作业中的钻机和设备。这样，它们可以用于，例如并且非限制性的，基于陆地的钻机、作业的基于陆地的钻机、固定塔钻机、驳船式钻井装置、钻探船、顶起平台和板坐底式钻井装置。它们可以用于掘进钻孔、完成钻孔和重做(workover)作业的操作，包括对生产套管射孔。它们可以进一步用于开窗和管切削以及递送激光束到一定位置的任何场合，位于钻孔深处的设备或者部件可以是有益的或者有用的。

这样，通过例子，LBHA示出在图14A和14B中，图14A和14B统称为图14。提供LBHA14100，其具有上部1400和下部1401。上部1400具有壳体1418，下部1401具有壳体1419。LBHA14100、上部1400、下部1401以及特别地壳体1418、1419应当由经得起井下深处环境的极恶劣条件的材料构成并且结构上设计为经得起井下深处环境的极恶劣条件，并保护包含在它们之内的任何部件。

上部1400可以连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回LBHA14100。进一步地，它可以连接到稳定器、钻铤或者其它类型的井下组件(在图中未示出)，其相应地连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回LBHA14100。上部1400进一步包含、连接到或者光学关联沿着钻孔传输高功率激光束的装置1402以使得束退出装置1402的下端1403并最后退出LBHA14100以撞击钻孔的目标表面。高功率激光束的束路径通过箭头1415表示。在图14中，装置1402示出为单一光学纤维。上部1400还可具有空气放大喷管1405，其排出钻探液体，例如氮气，以至少帮助向钻孔上移除出切屑。

上部1400进一步附着到、连接到或者以其他方式关联到提供旋转运动的装置1410。该装置例如可以是井下电机、电动机或者泥浆马达。电机/ 马达可以通过轮轴、驱动轴、驱动链、齿轮或者其它的这样的装置连接以传递旋转运动1411到LBHA14100的下部1401。应当理解，附图是为了示出下面的设备的目的而表示的，壳体或者保护罩可以布置在驱动装置上方或者与驱动装置和电机相关联以保护它免遭碎片和恶劣的井下条件的影响。以这种方式，电机将使得LBHA14100的下部1401能够旋转。泥浆马达的例子是CAVO 1.7″直径泥浆马达。该马达为大约7英尺长并具有以下规格：7马力110英尺-1bs全扭矩；马达转速0-700rpm；马达可以在泥浆、空气、氮气、雾或者泡沫上运行；180SCFM，500-800psig降；支撑设备延伸长度到12英尺；10∶1齿轮比提供0-70rpm能力；并具有通过潜在的失速条件旋转LBHA的下部1401的能力。

LBHA14100的上部1400通过密封室1404结合到下部1401，密封室1404对于激光束是透明的并形成光瞳面1420以允许激光束到下部1401的波束成形光学器件1406的无阻碍传输。下部1401用于旋转。密封室1404通过端口1414与下室1401流体连通。端口1414可以是单向阀，其运行清洁的传输流体，优选气体，从上部1400流动到下部1401，但是不运行反向流动，或者它可以是气体类型的压力和/或流量调节值，其满足在井下环境中流体的期望流动和分配的特定要求。这样，例如，在图14A中提供由箭头1416表示的第一流体流动路径和由箭头1417表示的第二流体流动路径。在图14的例子中，第二流体流动路径是层流，尽管其它的流动包括紊流也可以被采用。

下部1401具有用于接收来自电机1410的旋转力的装置，其在附图的例子中为位于下部壳体1419周围的齿轮1412和位于轮轴1411下端的驱动齿轮1413。也可以采用其它用于传递旋转能的装置，或者电机可以直接定位在下部上。应当理解，可以采用等效的设备，其提供用于LBHA的部分的旋转以促进激光束斑的旋转或者移动，并同时不会提供不适当的旋转或者扭力到光学纤维或者其它沿着钻孔传输高功率激光束到LBHA的装置。这样，激光束斑可以在钻孔底部周围旋转。下部1401具有用于流体退出LBHA14100的层流出口1407以及在它的下端的两个硬化辊子1408、1409。尽管在这个例子中想到层流，但是，应当理解，还可以采用非层流和紊流。两硬化辊子可以由不锈钢或者具有硬化表面涂层例如碳化钨、铬钴镍合金 或者其它的类似材料的钢制成。它们还可以包含用于机械地切削已经被激光热降解的岩石的装置。它们长度范围可以在从大约1英寸到大约4英寸，优选地为大约2-3英寸，并可以等于或者大于6英寸。而且，在用于钻探更大直径的钻孔的LBHA中，它们的直径可以在10-20英寸的范围，或者更大。

这样，图14提供用于高功率激光束路径1415，该高功率激光束路径1415进入LBHA14100中，传输通过斑成形光学器件1406，然后退出LBHA以撞击钻孔表面上的它的意在目标。进一步地，尽管并不要求，束斑成形光学器件还可以提供旋转元件到斑，并且如果这样做的话，将被认为是束旋转和成形斑光学器件。

在使用中，高能激光束，例如大于15千瓦，将进入LBHA14100中，沿着纤维1402传输，退出纤维1403的末端并传输通过密封室1404和光瞳面1420进入到光学器件1406中，在那里它将被整形和聚焦为斑，光学器件1406将进一步旋转斑。激光束然后将以潜在的旋转方式照射钻孔的底部，从而散裂、破裂、熔化和/或汽化照射的岩石和泥土，并因此掘进钻孔。下部将旋转并且该旋转将进一步使得辊子1408、1409物理上驱逐被激光影响或者充分地固定而不能单独由钻探流体的流动移除的任何材料。

切屑将通过流体沿着路径1417的流动以及通过辊子1408、1409的作用从激光路径清除，并且切屑然后通过钻探流体的作用从空气放大器1405以及层流开口1407被向上带出钻孔。

应当理解，图14中的LBHA的构型是通过例子的形式的，它的部件的其它构型也可用来获得相同的结果。这样，电机可以位于下部而非上部，电机可以位于上部但是仅旋转下部而非壳体中的光学器件。光学器件可进一步位于上部和下部，用于旋转的光学器件定位在旋转的那部分上。电机可以位于下部但是仅旋转光学器件和辊子。在这后一构型中，上部和下部可以是相同的，也就是，对于LBHA，将仅有一个部分。这样，例如，LBHA的内部可以旋转而外部为静止的，反之亦然，类似地，顶部和/或底部部分可旋转，或者可以采用旋转和不旋转的部件的各种组合，以提供用于激光束斑围绕钻孔底部运动的装置。

光学器件1406应该选择为避免或者至少最小化激光束传输通过它们 时的功率损失。光学器件应当进一步用于处理存在于井下环境中的极恶劣条件，至少到那些条件不被壳体1419减轻的程度。光学器件可提供与在此上面提及的不同的功率分布和形状的激光束斑。光学器件可进一步提供如在此上面提及的单一斑或者多个斑。

钻探可以在干燥环境或者湿式环境中进行。重要因素是从激光器到岩石表面的路径应该保持没有实际的碎片和尘粒其它的材料，这些碎片和尘粒其它的材料胡干涉激光束到岩石表面的递送。大亮度激光的使用提供在处理头上的另一优点，其中从最后一个光学器件到工件的长的分隔距离对于在钻探过程中保持高压光学窗口清洁和完整是重要的。束可以静止地定位或者机械地、光-机械地、电-光学地、机电地运动，或者其组合，以照射感兴趣的大地区域。

通常，通过进一步的例子，LBHA可包括壳体，壳体可例如由子壳体组成。这些子壳体可以是一体的，它们可以是可分离的，它们可以可移除地固定连接，它们可以是可旋转的，或者它们可以是子壳体之间的这些类型的关系的一个或多个的任何组合。LBHA可以连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回LBHA。进一步地，它可以连接到稳定器、钻铤或者其它类型的井下组件，其相应地连接到连续油管、钻杆或者其它装置的下端以从钻孔降低和收回井底组件。LBHA具有与其相关联的沿着钻孔向下传输高功率能量的装置。

LBHA还可关联处理和递送钻探液体的装置，或者位于其中。这些装置可以与一些或者全部的子壳体相关联。进一步提供机械刮削装置，例如PDC钻头，以移除和/或导向钻孔中的材料，尽管其它类型的已知钻头和/或机械钻探头也可以与激光束结合使用。这些刮削器或者钻头可以与钻孔的表面或者部分机械地相互作用以根据需要弄松、移除、刮削或者操控这样的钻孔材料。这些刮削器可以从小于大约1英寸到大约20英寸。在使用中，高能激光束，例如大于15千瓦，将沿着纤维传输通过光学器件，然后从LBHA的下端出来以照射钻孔的意在部分，或者包含其中的结构，从而散裂、熔化或者汽化那样照射的材料，并因此掘进钻孔或者促进那样照射的材料的移除。

在图15A和15B中，提供代表激光束-钻孔表面间相互作用的例子的 图表。这样，示出激光束1500、束照射区域1501，也就是在井壁或者底部1502上的斑(如在此使用的，除非另有特别说明，术语“斑”并不局限于圆形)。在图1B中进一步提供代表相互作用的更多细节，以及归类照射区域中产生的应力的相应图表1510。图表1510提供б_M10⁸N/m²的von Mises应力，其中十字影线对应在30毫秒的照射周期、在2000psi和150F温度的井下条件下、通过具有2kW/cm²的注量的束在照射区域产生的应力。在这样的条件下，玄武岩的挤压轻度为大约2.6×10⁸N/m²，内聚强度为大约0.66×10⁸N/m²。这样，示出从大约4.722-5.211×10⁸N/m²的相对高应力的第一区域1505、等于或者超过在井下条件下玄武岩的挤压应力的从大约2766-3255x108N/m²的相对应力的第二区域1506、大约等于井下条件下玄武岩的挤压应力的从大约2.276-2.766×10⁸N/m²的相对应力的第三区域1507、低于井下条件下玄武岩的挤压应力但是仍大于内聚强度的从大约2.276-2.766×10⁸N/m²的相对低的应力的第四区域1508、以及等于或者大约等于在井下条件下玄武岩的内聚强度的从大约0.320-0.899×10⁸N/m²的相对应力的第五区域1509。

相应地，束的轮廓与钻孔相互作用以在有效的方式下获得在钻孔中的最大量的应力，这样，增大可以获得的钻孔掘进速率。这样，例如，如果对于均一的或者高斯的束，椭圆形斑围绕它的中心点旋转，能量沉积轮廓示出在图16A和16B中。其中钻孔距离束的中心点的区域示出为x轴1601和y轴1602，并且沉积的能量的量示出在z轴1603上。由此可以看出，在能量到钻孔的沉积中存在没有效率的部分，钻孔的外面部分1605和1606是掘进速率的限制因素。

这样，修改束沉积轮廓以在束旋转时获得大致均匀和均一的沉积轮廓是期望的。这样的优选的束沉积轮廓的例子提供于图17A和17B中，其中图17A示出没有旋转下能量沉积轮廓，图17B示出当图17A的束轮廓转过一图也就是360度时的能量沉积轮廓，具有x轴1701和y轴1702，能量表示在z轴1703上。该能量沉积分布被认为是大致均一的。

为了获得该优选的束能量轮廓，提供可以用于LBHA的光学组件的例子。这样，例子示出在图18A-18D中，具有x轴1801和y轴1802以及z轴1803，其中提供具有多个光线1807的激光束1805。激光束1805进入光 学组件1820中，具有顶点(culminating)透镜1809，具有输入曲率1811和输出曲率1813。进一步提供锥镜1815和窗1817，例子1的光学组件将从具有大致高斯、高斯或者超高斯分布的输入光束提供期望的光束强度轮廓，用于施加束斑到钻孔表面1830。

另一个例子示出在图19中并具有光学组件1920，用于从具有均匀分布的激光束提供图17A的期望的光束强度轮廓以及图17B的能量沉积到钻孔表面。这样，在这个例子中提供具有均一轮廓和光线1907的激光束1905，所述激光束1905进入球面透镜1913，球面透镜1913准直来自纤维的井下末端的激光器输出，束然后退出1913并进入曲面透镜1915，曲面透镜1915具有在x轴的功率以形成短轴的椭圆束。束然后退出1915并进入一对非球面的曲面透镜1917，曲面透镜1917具有在y轴的功率以映射y轴强度轮廓，形成到象平面的光瞳面。束然后退出透镜1917并进入平面窗1919，平面窗1919保护光学器件免遭外部环境影响。

另一个例子示出在图20中，其提供用于提供预定光束能量轮廓的其它光学组件。这样，提供具有光线207的激光束205，激光束205进入准直透镜209、斑形状形成透镜211和微光学器件阵列213，其中所述斑形状形成透镜优选形成椭圆斑。微光学器件阵列213可以为微棱镜排列，或者微透镜阵列。进一步地，微光学器件阵列可以专门用于提供预定能量沉积轮廓，例如图17的轮廓。

另一个例子示出在图21中，其提供用于提供预定束图案的光学组件。这样，提供激光束2105，其离开纤维2140的井下末端，具有光线2107，激光束2105进入准直透镜2109、衍射光学器件2111，到微光学器件，其中所述衍射光学器件2111可以是微光学器件或者校正光学器件，其提供图案2120，所述图案2120可以但非必须通过重新成像透镜2113，所述重新成像透镜2113提供图案2121。

进一步提供用于通过多旋转图案中的多个斑照射钻孔表面发射图案。相应地，在图22中，提供第一对斑2203、2205，其照射钻孔的底面2201。第一对斑绕第一旋转轴2202在箭头2204所示的旋转方向(在这里还可想到与旋转方向相反的方向)旋转。提供第二对斑2207、2209，其照射钻孔的底面2201。第二对照射线围绕轴2206在箭头2208所示的旋转方向(在这里还 可想到与旋转方向相反的方向)旋转。在每对斑中斑之间的距离可以是相同或者不同的。第一和第二旋转轴同时围绕钻孔2212的中心在箭头2212所示的旋转方向，优选地在与旋转方向2208、2204相反的方向，旋转。这样，优选地但非必须地，如果2208和2204是顺时针方向，那么2212应该是逆顺时针方向。该发射图案提供大致均一的能量沉积。

在图23中示出关于前面示出的例子讨论的一般类型的椭圆发射图案，具有中心2301、长轴2302、短轴2303并围绕中心旋转。以这种方法，斑的长轴大致对应钻孔直径，范围从任何已知或能想到的直径例如大约30、20、17-1/2、13-3/8、12-1/4、9-5/8、8-1/2、7和6-1/4英寸。

在图24中进一步示出矩形形状斑2401，其将围绕钻孔中心旋转。在图25中示出图案2501，其具有多个个体照射2502，这些照射可以关于钻孔旋转、扫描或者移动以提供期望的能量沉积轮廓。在图26中进一步示出正方形照射2601，其以光栅扫描方式沿着钻孔底部扫描2601，进一步地，可以扫描圆形、正方形或者其它形状的照射。

根据一个或多个方面，一个或多个光学纤维远端纤维末端可以安置在图案中。多路传输束形状可以包括十字形、x形状、取景器状、矩形、六角形、阵列线或者其中线段、正方形和圆柱连接或者以不同距离间隔开的相关形状。

根据一个或多个方面，一个或多个折射透镜、衍射元件、透射光栅和/或反射透镜可以被增加以聚焦、扫描和/或改变来自从定位在图案中的光学纤维发射的束斑的束斑图案。一个或多个折射透镜、衍射元件、透射光栅和/或反射透镜可以被增加以聚焦、扫描和/或改变来自从波束成形光学器件发出的光的一个或者多个连续束形状。准直仪可以定位在横向光学路径平面中的束斑整形器透镜之后。准直仪可以是非球面透镜；由凸透镜、厚的凸透镜、负弯月透镜和双凸透镜组成的球面透镜系统；具有非球面轮廓和消色差双合透镜的梯度折射透镜。准直仪可以由所述材料、熔融石英/ZnSe/SF玻璃或者相关材料制成。准直仪可以被涂覆以减小或者提高反射率或者透射率。所述光学元件可以通过清洗液体或者气体冷却。

本领域技术人员容易理解，如在此使用的术语“透镜”和“光学元件”是以它的最广的术语进行使用的，这样也指具有功率的任何的光学元件， 例如反射、透射或者折射元件。

在一些方面中，折射正透镜可以是微型透镜。微型透镜可以在光传播平面中操控以增大/减小焦距，以及垂直于光传播平面操控以变化光束。微型透镜可从一个或多个光学纤维、光纤束对、纤维激光器、二极管激光器接收入射光以聚焦到多个焦距；以及接收和发送来自一个或多个准直仪、正折射透镜、负折射透镜、一个或多个镜、衍射和反射光束扩张器和棱柱的光线。

在一些方面中，衍射光学元件光束分裂器可以与折射透镜结合使用。衍射光学元件光束分裂器可形成双束斑或者包括上面提及的形状和图案的束斑图案。

此外，提高用于在大地中产生钻孔的系统和方法，其中所述系统和方法采用用于以预定能量沉积轮廓提供激光束到底部表面的手段，包括使得从井底组件递送的激光束以预定能量沉积轮廓照射钻孔底面，以向着钻孔表面的外面区域偏置的预定能量沉积轮廓、向着钻孔表面内部区域偏置的预定能量沉积轮廓、包括至少两个具有不同的能量沉积轮廓的同心区域的预定能量沉积轮廓、由散射激光发射图案提供的预定能量沉积轮廓、基于由机械移除装置施加的机械应力的预定能量沉积轮廓、具有至少两个不同能量的区域并且所述区域中的能量反过来对应由机械装置施加的机械力的预定能量沉积轮廓的任何一种或者其组合照射底面。

又进一步提供利用激光掘进钻孔的方法，所述方法包括：推进高功率激光束传输装置到钻孔中，该钻孔具有底面、顶部开口以及在底面和顶部开口之间延伸的至少大约1000英尺的长度，所述传输装置包括远端、近端和在远端和近端之间延伸的长度，所述远端沿着钻孔前行，所述传输装置包括用于传输高功率激光能量的装置；提供高功率激光束到传输装置的近端；沿着传输装置的长度传输大致全部的激光束功率以使得束退出远端；从远端传输激光束到激光井底组件中的光学组件，所述激光井底组件导向激光束到钻孔底面；以及提供预定能量沉积轮廓到钻孔底部；由此钻孔的长度部分地基于激光束与钻孔底部的相互作用而被增大。

而且，提供利用激光掘进钻孔的方法，其中激光束以均一的能量沉积轮廓被导向到钻孔的底部表面，从而钻孔长度部分地基于激光束与钻孔底 部的相互作用而被增大。

根据一个或多个方面，公开利用光学图案激光钻探以破裂岩层的方法。所述方法可包括照射岩石以通过一个或多个激光束斑、在非重叠距离下的束斑图案和束形状以及时序图案散裂、熔化或者蒸发以引起重叠的岩石热裂隙，其引起岩石碎片的岩石破裂。单一的或者多个束斑和束图案和形状可以由折射和反射光学器件或者光学纤维形成。光学图案、图案的时序以及非重叠束斑和束形状之间的空间距离可以通过在特定波长的岩石类型热吸收、定位光学器件的弛豫时间和来自岩石移除的干涉进行控制。

在一些方面，激光束斑的功率在当重新定位束斑在岩石表面上时在弛豫时间过程中并不减小、温和减小或者完全减小。为了破碎岩层，两激光束斑可扫描岩石表面并通过小于2″的固定位置以及在一些方面非重叠地间隔开。两束斑的每一个可以具有在0.1cm²和25cm²之间的范围中的束斑面积。当移动两激光束斑到它们在岩石表面上的下一随后激光作用位置时的弛豫时间可以是在0.05ms和2s之间的范围。当移动两激光束斑到它们下一位置时，它们的功率可以在弛豫时间过程中不减小、温和减小或者完全减小。

根据一个或多个方面，束斑图案可包括栅格图案、矩形栅格图案、六边形栅格图案、阵列图案式的直线、圆形图案、三角形栅格图案、十字栅格图案、星形栅格图案、旋转栅格图案、取景器式栅格图案或者相关几何形状的图案的三个或更多的束斑。在一些方面，束斑图案中的每个激光束斑具有在0.1cm²和25cm²的范围中的面积。为了破裂岩层，所有与束斑图案中的每个激光束斑相邻的激光束斑可以小于2″的固定位置并且在一个或多个方面不重叠。

在一些方面，可以使用超过一个束斑图案以破裂岩石表面。当定位一个或多个束斑图案到它们的下一随后的激光作用位置时的弛豫时间可以是在0.05ms和2s之间的范围。在弛豫时间期间，一个或多个束斑图案的功率可以不减小、温和减小或者完全减小。束形状可以是形成包括十字形状、六边形形状、螺旋形状、圆形形状、三角形形状、星星形状、直线形状、矩形形状或者相关的连续束斑形状的几何形状的连续光束斑。

在一些方面，以小于2″的固定距离并且非重叠地定位直线或者非直线 的一条线到直线或者非直线的一个或多个相邻线可以用于破裂岩层。通过两个或多个束形状激光作用岩石表面可以用于破裂岩层。当移动一个或多个束斑形状到它们的下一随后激光作用位置时的弛豫时间可以是在0.05ms和2s之间的范围。

根据一个或多个方面，一个或多个连续束形状功率可以在弛豫时间期间不减小、温和减小或者完全减小。岩石表面可以通过具有一个或多个束斑形状的一个或多个激光束斑图案或者具有一个或多个束斑图案的一个或者两个束斑进行照射。在一些方面，一个或多个束形状和束斑图案的最大直径和圆周是当钻探岩层以完井时被破裂的钻孔的尺寸。

根据一个或多个方面，可以产生岩石裂隙以促进破裂掉岩石部分以便有效地钻探钻孔。在一些方面，束斑、形状和图案可以用于产生岩石裂隙以使得能够破裂掉多个岩石部分。岩石裂隙可以被策略性地图案化。在至少一些方面，钻探岩层可包括施加一个或多个非重叠束斑、形状或者图案以产生岩石裂隙。一个或者多个束斑、形状和图案的选择一般可基于意在的应用和期望的操作参数。当选择一个或多个束斑、形状或者图案时，平均功率、功率系数、时序图案、束斑大小、曝光时间、相关比能和光发生器元件可以被考虑。待钻探的材料例如岩层类型同样可影响选择来破裂岩层的一个或多个束斑、形状或者图案。例如，页岩将与砂岩以不同速率吸收光线并转换为热。

根据一个或多个方面，岩石可以通过一个或多个束斑被图案化。在至少一个实施例中，束斑可以被考虑，一个或多个束斑从一个位置移动到下一随后的位置以便以时序图案激光作用岩石表面。束斑可以间隔开任何期望的距离。在一些非限定性的方面，一个束斑和相邻束斑之间的固定位置可以是非重叠的。在至少一个非限定性实施例中，相邻束斑之间的距离可以小于2″。

根据一个或多个方面，岩石可以通过一个或多个束形状进行图案化。在一些方面，束形状可以是形成一个或多个几何图案的连续的光学形状。图案可包括直线、十字形、取景器、旋转、星星、矩形、六角形、圆形、椭圆、弯曲线形状的或者任何其它期望形状或者图案的几何形状。束形状的元件可以间隔开任何期望距离。在一些非限定性方面，每个直线或者非 直线的线和直线或者非直线的相邻线之间的固定位置是可以小于2″且非重叠的固定位置。

根据一个或多个方面，岩石可以通过束图案而图案化。束图案可以包括束斑栅格或者阵列，其可以包括直线、十字、取景器、旋转、星星、矩形、六角形、圆形、椭圆、弯曲线的几何图案。束图案的束斑可以间隔开任何期望的距离。在一些非限定性方面，每个束斑和束斑图案中的相邻束斑之间的固定位置可以小于2″并且是非重叠的。

根据一个或多个方面，被扫描的束斑可以具有任何期望的面积。例如，在一些非限定性的方面，所述面积可以是在大约0.1cm²和大约25cm²之间的范围。直线或者非直线的束线可以具有任何期望的特定直径以及任何特定和预定的功率分布。例如，一些非限定性的方面的特定直径可以是在大约0.05cm²和大约25cm²之间的范围。在一些非限定性方面，直线或者非直线的线的最大长度可以大致为待钻探的钻孔的直径。可以使用任何期望波长。在一些方面，例如，一个或者多个束斑形状或者图案的波长可以在从800nm到2000nm的范围。一个或多个束斑、形状和图案的组合都是可以的，并可以实施。

根据一个或多个方面，破裂岩石的时序图案和位置可基于已知岩石破裂速度和/或岩石移除系统而改变。在一个实施例中，当定位一个或多个束斑图案到它们下一随后激光作用位置时的驰豫扫描时间可以是在005ms和2s在另一个实施例中利用光学纤维或者光谱学技术的照相机可以对岩石高度拍照以确定待破裂的峰岩石区域。时序图案可以被校准以然后利用信号处理、软件识别和数控光学透镜系统而破裂岩石表面的最高峰到最低或者在限定高度上的峰。在另一个实施例中，时序图案可以由岩石移除系统进行限定。例如，如果流体从岩层左侧扫略到右侧以清除光学头并升高切屑，时序应该是从左至右破裂岩石以避免对一个或多个束斑、形状或者图案激光作用岩层产生岩石移除干涉，反之亦然。对于另一例子，如果岩石通过气体或者液体的喷嘴清除，在中心的岩石应当首先被破裂，岩石破裂的方向应当然后移动远离中心。在一些方面，岩石移除的速度将限定弛豫时间。根据一个或多个方面，岩石表面可以通过用于清除头并提升径向切屑的气体或者流体进行影响。在一个实施例中，来自光学元件的热和来自井下光 学纤维或者二极管激光器的损耗可以用于增大钻孔温度。这可以降低引起散裂所需的温度，从而使得更加易于散裂岩石。在另一个实施例中，液体可浸透破裂位置，在这个位置液体可以旋转以快速蒸发和散开，这样该快速散开将产生热冲击，从而提高岩石中裂隙的生长。在另一个实施例中，受到来自激光能量的快速和差分加热的有机的挥发性组分、矿物质或者其它的材料可以快速膨胀，该快速膨胀这样将产生热冲击，从而提高岩石中裂隙的生长。在另一个实施例中，更高折射指数的流体可以夹在具有更低折射指数的两股流体之间。用于清除岩石的流体可以用作导引光线的波长。可以使用比流体或者其它气体更低的特定折射指数的气体。

通过例子并为了进一步演示本发明的教导，热冲击可以在从一个和另一个束斑、形状或者图案之间的激光功率范围。在一些非限制性的方面，热冲击可达到10kW/cm²的连续激光功率密度。在一些非限定性方面，热冲击可达到高达10MW/cm²的脉冲激光功率密度，例如，每一脉冲10毫微秒。在一些方面，两个或多个束斑、形状和图案可以具有不同的功率水平以热冲击岩石。以这种方法，温度梯度可以形成在岩石表面的激光作用之间。

通过例子并为了进一步演示本发明的教导，提供可以用于LBHA、作为LBHA的一部分或者由LBHA提供的光学头也就是光学组件和束发射图案也就是发射图案的例子。图27示出利用激光束形状图案破裂岩层。形成棋盘线路2702的光束2701形状激光图案照射岩石2704的岩石表面2703。束斑形状之间的距离是非重叠的，因为应力和热吸收致使天然岩石裂隙重叠，从而使得破裂岩石部分。这些岩石部分2705可从岩层剥落或者爆炸。

通过例子并进一步演示本教导，图28示出当破裂岩层2802时通过扫略液体或者气体流2801而移除岩石部分。岩石部分通过非重叠束斑形状的线路2803、2804、2805的图案1606进行破裂。与光纤束光学关联的光学头2807、具有光学元件系统的光学头2807照射岩石表面2808。通过气体或者液体流2801从左至右扫略升高由热冲击破裂的岩石部分2809到地表。

通过例子并为了进一步演示本教导，图29示出当破裂岩层2901时通过从光学头导向的液体或者气体流移除岩石部分。岩石部分通过非重叠束斑形状的线路2903、2904、2905的图案2902进行破裂。具有光学元件系统的光学头2907照射岩石表面2908。岩石部分碎片2909从岩层的中心通 过流出气体或者液体2911的喷嘴2915进行扫略，并离开岩层中心。光学头2907示出为附着旋转电机2920和在图案中间隔开的光学纤维2924。光学头还具有导轨2928，用于根据需要z轴运动以聚焦。光学折射和反射光学元件形成束路径。

通过例子并为了进一步演示本教导，图30示出扫描激光束斑或者形状以在XY平面破裂岩层的光学镜。这样，对于钻孔中的套管3023，示出第一旋转电机3001、图案3003中的多个光学纤维、平衡环3005、第二旋转电机3007和第三旋转电机3010。第二旋转电机3007具有步进电机3011和与其相关联的镜3015。第三旋转电机3010具有步进电机3013和与其相关联的镜3017。光学元件3019与光学纤维3003光学关联并能够提供沿着光学路径3021的激光束。当平衡环围绕z轴旋转并再定位镜在XY平面中时，镜附着到步进电机以在XY平面中旋转步进电机和镜。在这个实施例中，光学纤维在图案中间隔开，从而形成由光学元件操作的三束斑，所述光学元件以间隔开一定距离并且不重叠的方式扫描岩层以使得岩石破裂。也可以使用其它的光学纤维图案、形状或者二极管激光器。

通过例子并为了进一步演示本教导，图31示出利用光束分裂器透镜以形成多束焦距以破裂岩层。示出在图案中的纤维3101、用于提供由箭头3103所示的z方向运动的导轨3105、光纤连接器3107、光学头3109，具有束扩展器3119，其包括DOE/ROE3115、正透镜3117、准直仪3113、束扩展器3111。该组件能够沿着光学路径3129递送作为图案中的斑3131的一个或多个激光束到具有表面3125的岩层3123。光学纤维在图案中间隔开一定距离。由束扩展器和准直仪组成的光学元件系统馈送附着到正透镜的衍射光学元件以聚焦多束斑到多个焦距。束斑之间的距离是非重叠的并且将致使破裂。在该图中，导轨在z轴运动以聚焦光学路径。纤维通过连接器连接。再者，光学元件可以如在该图中所示地附着到每个光学纤维，附着到超过一个光学纤维。

通过例子并为了进一步演示本教导，图32示出利用束斑成形机透镜以整形图案以破裂岩层。提供光学纤维3201阵列、光学头3209。光学头具有用于促进箭头3205所示的z方向运动的导轨3203、光纤连接器3207、用于成形通过纤维3201传输的激光束的光学组件3201。光学头能够沿着光学 路径3213传输激光束以通过激光束发射图案3221照射表面3219，所述激光束发射图案3221具有分离的但是相交的栅格状图案的线路。光学纤维在由连接器连接的图案中间隔开一定距离。光学纤维发射束斑到附着到光学纤维的束斑成形机透镜。束斑成形机透镜形成在该图中重叠的线路以在岩石表面上形成tick-tack-toe激光。光纤束缆线附着到在z轴移动的导轨以聚焦束斑。

通过例子并为了进一步演示本教导，图33示出利用F-theta目标以聚焦激光束图案到岩层以进行破裂。提供光学头3301、用于提供旋转的第一电机3303、多个光学纤维3305、定位纤维在预定图案3309中的连接器3307。激光束退出纤维并沿着光学路径3311移动通过F-theta光学器件3315并以发射图案3310照射岩石表面3313。进一步示出用于提供z方向运动的导轨3317。在图案中通过连接器连接的光学纤维通过附着到光学套管头的平衡环在z轴旋转。束路径然后通过F-theta目标再次聚焦到岩层。束斑间隔开并且不重叠以在岩层中引起岩石破裂。导轨附着到光学纤维和在z轴移动的F-theta目标以聚焦束斑大小。

应当理解，在这些例子中用于提供z方向移动的导轨是通过例子形式提供的，并且z方向移动，也就是向着或者远离钻孔底部的移动可以通过其它方式获得，例如缠绕和解开线轴或者升高或者和降低用于推进LBHA到钻孔中或者从钻孔移除LBHA的钻绳。

通过例子并为了进一步演示本教导，图34示出附着到波束成形光学器件的光学纤维的机械控制以产生岩石破裂。提供多个纤维的束3401、用于提供旋转运动到电缆3403的第一电机3405、光学头3406和导轨3407。进一步提供第二电机3409、光纤连接器3413和用于每个纤维以整形束的透镜3421。激光束退出纤维并沿着光学路径3415前进并以多个个体线形状的发射图案3417照射岩石表面3419。光学纤维在图案中通过连接器连接并附着到围绕z轴的旋转平衡环电机。导轨附着到在z轴移动的电机。导轨结构性地附着到光学头套管和支撑导轨。电缆为电机给电。在该图中，光学纤维发射束斑到束斑成形机透镜，从而形成三个非重叠线路到岩层以引起岩石破裂。

通过例子并为了进一步演示本教导，图35示出利用多个光学纤维以形 成束成形线路。提供具有激光能量源3501的光学组件3511、电缆3503、安装作为平衡环的第一旋转电机3505、第二电机3507和用于z方向移动的导轨3517。还提供多个纤维束3521，每个束包含多个个体纤维3523。束3521通过连接器3525保持在预定位置。每个束3521与波束成形光学器件3509光学关联。激光束退出波束成形光学器件3509并沿着光学路径3515前进以照射表面3519。电机3507、3505提供移动在表面3519上的多个预定的且期望的图案的多个束斑的能力，所述表面3519可以是钻孔表面，例如在钻孔中的底面、侧面或者套管。多个光学纤维在图案中通过连接器连接，并附着到围绕z轴的旋转平衡环电机。导轨附着到在z轴移动的电机。导轨结构性地附着到光学头套管和支撑导轨。电缆为电机给电。在该图中，多个光学纤维发射束斑到束斑成形机透镜，从而形成非重叠的三个线路到岩层。束形状产生岩石破裂。

通过例子并为了进一步演示本教导，图36示出利用多个光学纤维以形成在轴上旋转的多束斑焦距。提供激光源3601、平衡环安装的第一电机3603、第二电机3605和用于z方向移动的装置3607。进一步提供多个纤维束3613和用于定位多个束3613的连接器3609，激光束退出纤维并且以分叉和交叉的激光发射图案照射表面。光学纤维以某一角度通过连接器连接，从而通过附着到平衡环的电机旋转，所述平衡环附着到在z轴在导轨上移动的第二电机。电机通过电缆接收电力。导轨附着到光学套管头和支撑导轨束。在这个图中，准直仪发送源自多个光学纤维的束斑到光束分裂器。光束分裂器是附着到正折射透镜的衍射光学元件。光束分裂器形成在非重叠距离下的多束斑焦距到岩层以破裂岩层。焦距通过导轨重新定位在z轴上。

通过例子并为了进一步演示本教导，图11示出通过束图案和XY扫描器系统扫描岩石表面。提供用于激光束的光学路径1101、扫描器1103、衍射光学器件1105和准直仪光学器件1107。光学纤维发射束斑，该束斑通过束扩展器展开并通过准直仪聚焦到折射光学元件。折射光学元件定位在XY扫描器单元前面以形成束斑图案或者形状。由受检流计反射镜1109控制的两个镜子组成的XY扫描器照射岩石表面1113以引起破裂。

从前面的描述，本领域技术人员可以容易地确定本发明的基本特征， 并且在不脱离本发明的精神和范围下可以对本发明进行各种变化和/或修改，以使其适应各种使用和条件。

Claims (46)

1.一种高功率激光钻探系统，用于钻机、钻探平台、钻探起重机、不压井起下作业平台或者连续油管钻机，该系统用于在硬岩中掘进钻孔，所述系统包括：

a.高功率激光能量源，所述高功率激光能量源能够提供具有至少20千瓦功率的激光束；

b.井底组件；

i.所述井底组件具有光学组件；

ii.所述光学组件配置为提供预定能量沉积轮廓到钻孔表面；和

iii.所述光学组件配置为提供预定激光发射图案；

c.用于推进所述井底组件到所述钻孔中并沿着所述钻孔推进的装置；

d.井下高功率激光传输缆线，所述传输缆线具有至少1000英尺的长度；

e.用于抑制非线性散射现象的装置；

f.所述井下缆线与所述高功率激光能量源光学连通；和

g.所述井下高功率激光传输缆线与所述井底组件光学连通。

2.一种激光钻探系统，用于钻机、钻探平台、钻探起重机、不压井起下作业平台或者连续油管钻机，该系统用于掘进钻孔，所述系统包括：

a.激光能量源；

b.井底组件；

i.所述井底组件具有光学组件；

ii.所述光学组件配置为提供能量沉积轮廓到钻孔表面；以及

iii.所述光学组件配置为提供激光发射图案；

iv.包括用于导向流体的装置；

c.用于推进所述井底组件到所述钻孔中并沿着所述钻孔推进的装置；

d.用于掘进钻孔的流体源；

e.井下激光传输缆线；

f.用于抑制非线性散射现象的装置；

g.所述井下激光传输缆线与所述激光能量源光学连通；

h.所述井下激光传输缆线与所述井底组件光学连通；和

i.用于导向流体的装置与流体源流体连通；

j.其中所述系统能够通过用激光能量照射所述钻孔表面切削、散裂或者破裂岩石并从所述钻孔和激光照射区域通过所述用于导向流体的装置的作用移除由所述切削、散裂或者破裂产生的废物材料。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述用于导向流体的装置包括流体放大器。

4.如权利要求2所述的系统，其中，所述用于导向流体的装置包括气体导向装置和流体导向装置。

5.如权利要求2所述的系统，其中，所述导向装置包括两个出口，所述出口配置为提供1:1至1:100的比率的相对流体流动。

6.一种用于提供激光能量到深的钻孔底部的系统，该系统包括：

a.能够提供激光束的激光能量源；

b.用于从所述激光能量源传输激光束到深的钻孔底部的装置；以及

c.抑制受激布里渊散射的装置；

d.由此大致所有的激光能量被递送到所述钻孔底部。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述源为至少20千瓦。

8.一种用于提供激光能量到深的钻孔底部的系统，该系统包括：

a.能够提供激光束的激光源；

b.用于从所述激光源传输激光束到深的钻孔底部的装置；和

c.用于抑制非线性散射现象的装置；以及

d.由此，激光能量以足以掘进钻孔的功率被递送到所述钻孔底部。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述激光源包括多个激光器。

10.一种利用激光掘进钻孔的方法，所述方法包括：

a.推进激光束传输纤维到钻孔中；

i.所述钻孔具有底面、顶部开口和在所述底面和所述顶部开口之间延伸的至少1000英尺的长度；

ii.所述传输纤维包括远端、近端和在所述远端和近端之间延伸的长度，所述远端沿着所述钻孔推进；

b.提供激光束到所述传输纤维的所述近端；

c.抑制非线性散射现象；

d.沿着所述传输纤维的长度传输激光束功率以使得所述激光束从所述远端离开；以及

e.导向所述激光束到所述钻孔的底面，由此所述钻孔的长度部分地基于所述激光束与所述钻孔底部的相互作用而被增长。

11.一种用于在掘进钻孔中可旋转地耦合激光传输缆线的线轴组件，包括：

a.底座；

b.线轴，所述线轴由所述底座通过承载轴承支撑；

c.用于提供激光能量的装置；

d.具有第一末端和第二末端的连续油管；

e.所述连续油管包括用于传输激光束的传输装置；

f.用于抑制非线性散射现象的装置；

g.所述线轴包括轮轴，所述连续油管围绕该轮轴缠绕，所述轮轴由所述承载轴承支撑；

h.用于将来自用于提供激光能量的装置的激光束光学连接到所述轮轴的的第一非旋转光连接器；

i.与所述第一非旋转光连接器光学关联的可旋转光连接器；由此激光束能够从所述第一非旋转光连接器传输到所述可旋转光连接器；和

j.与所述可旋转光连接器光学关联，与所述传输装置光学关联和与所述轮轴关联的旋转光连接器；

k.由此，在所述连续油管在所述线轴上缠绕和解开过程中所述线轴能够从所述第一非旋转光连接器传输激光束通过所述可旋转光连接器并进入到所述传输装置中，同时保持足以掘进钻孔的能量。

12.一种激光井底组件，包括：

a.第一旋转壳体；

b.第二固定壳体；

c.所述第一旋转壳体与所述第二固定壳体旋转关联；

d.用于抑制非线性散射现象的装置；

e.用于传输激光束的光缆；所述缆线具有近端和远端，所述近端适于从激光源接收激光束，所述远端与光学组件光学关联；

f.至少一部分所述光学组件固定到所述第一旋转壳体，由此所述固定部分随着所述第一旋转壳体旋转；

g.固定到所述第一旋转壳体的机械组件，由此所述组件随着所述第一旋转壳体旋转并能够在旋转时施加机械力到钻孔表面；以及

h.与所述第一旋转壳体和第二固定壳体相关联的流体路径，该流体路径具有远端和近端开口，所述远端开口适于向着所述钻孔的表面排出流体，由此用于移除废物材料的流体通过所述流体路径传输并从所述远端开口向着所述钻孔表面排出以从所述钻孔移除废物材料。

13.如权利要求12所述的组件，其中，所述光学组件的所述旋转部分包括波束成形光学器件。

14.如权利要求12所述的组件，其中，所述光学组件的所述旋转部分包括扫描器。

15.如权利要求12所述的组件，其中，所述机械组件包括钻头。

16.如权利要求12所述的组件，其中，所述机械组件包括三牙轮钻头。

17.如权利要求12所述的组件，其中，所述机械组件包括PDC切削工具。

18.一种用于在大地中产生钻孔的系统，包括：

a.激光源；

b.井底组件；和

c.光学连接所述激光源与所述井底组件的纤维，以使得激光束从所述激光源传输到所述井底组件；

d.所述井底组件包括：

i.用于提供激光束到钻孔底面的提供装置；

ii.所述提供装置包括波束功率沉积光学器件；和

iii.用于提供激光束到底部表面的所述提供装置配置为提供预定能量沉积轮廓；

e.用于抑制非线性散射现象的装置；以及

f.其中，所述激光束在从所述井底组件递送时通过预定能量沉积轮廓照射所述钻孔的底面。

19.如权利要求18所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓向着所述钻孔表面的外部区域偏置。

20.如权利要求18所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓向着所述钻孔表面的内部区域偏置。

21.如权利要求18所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓包括至少两个具有不同的能量沉积轮廓的同心区域。

22.如权利要求18所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓通过一系列激光发射图案提供。

23.如权利要求18所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓通过散射激光发射图案提供。

24.如权利要求18所述的系统，包括机械移除装置。

25.如权利要求24所述的系统，其中，所述预定能量沉积轮廓是基于由所述机械移除装置施加的机械应力。

26.一种在激光钻探钻孔的过程中从钻孔移除碎片的方法，所述方法包括：

a.向着钻孔表面导向具有至少10千瓦功率的激光束；

b.照射钻孔表面的照射区域；

c.从所述照射区域移动材料；

d.提供流体；

e.向着所述钻孔内的第一区域导向流体；

f.向着第二区域导向流体；

g.从照射区域以足以防止被移动的材料干涉激光照射的速率移除被移动的材料；和

h.所述流体从钻孔移除被移动的材料；

i.抑制非线性散射现象。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述第一区域是照射区域。

28.如权利要求26所述的方法，其中，所述第二区域位于井底组件的侧壁上。

29.一种从钻孔中移除激光造成的废墟的方法，包括：

a.将激光束引向钻孔内的表面；

b.用所述激光束照射所述表面的区域，其中，所述照射产生激光造成的材料；

c.通过第一流体路径向所述钻孔提供流体；

d.通过第二流体路径向所述钻孔提供第二流体；以及

e.通过(i)以足以防止与所述照射基本上干涉的方式引导第一或第二流体中的至少一个；和(ii)以将所述激光造成的材料带出到所述钻孔之外的方式引导所述第一或第二流体中的另一个，将所述激光造成的材料从所述钻孔中移除；

f.抑制非线性散射现象。

30.如权利要求29所述的方法，其中，导向激光束包括：将至少15kW的功率的激光束在激光束路径上传播，所述激光束路径包括高功率光学纤维以及与所述高功率光学纤维光学连通的激光导向工具，所述高功率光学纤维具有直径至少50微米且长度至少1000英尺的芯部。

31.如权利要求29所述的方法，其中，所述激光束具有从800nm到2100nm的波长。

32.一种跨过长距离向钻孔提供高功率激光能量的系统，该系统包括：

a.高功率激光源，所述激光源能够提供高功率激光束；

b.用于抑制非线性散射现象的装置；以及

c.用于将激光束从所述高功率激光源传输到钻孔中的位置的装置；

d.由此所述高功率激光束被传送到所述钻孔。

33.如权利要求32所述的系统，其中，所述非线性散射现象是受激布里渊散射。

34.如权利要求32所述的系统，其中，所述用于抑制的装置包括用于突破所述非线性散射现象的相干性的装置。

35.如权利要求32所述的系统，其中，所述用于抑制的装置包括用于改变所述激光源的带宽的装置，由此布里渊增益因数增加。

36.如权利要求32所述的系统，其中，所述用于抑制的装置包括用于增加布里渊带宽的装置。

37.如权利要求32所述的系统，其中，所述高功率激光源包括多个激光源的组合，其中，该组合的每个激光源能够提供以至少15kW的功率和带宽为特征的高功率激光束，其中，所述用于抑制的装置包括来自所述多个激光源的激光束的组合，并且所述组合的激光束的特征为大于来自多个激光源中的激光源的激光束的带宽的有效带宽。

38.如权利要求37所述的系统，其中，在多个激光源中的激光源的特征在于连续波模式。

39.如权利要求37所述的系统，其中，在多个激光源中的激光源的特征在于脉冲模式。

40.如权利要求33所述的系统，其中，所述高功率激光源包括多个激光源的组合，其能够提供组合的高功率激光束，该高功率激光束的特征在于具有一波长范围的组合波长；其中在所述多个激光源中的每个激光源能够提供以一源波长为特征的高功率激光束，具有源波长范围，其中，源波长是与另一源波长不同的波长，且其中所述用于抑制的装置包括比源波长范围更宽的组合波长范围。

41.一种用于将高功率激光能量提供到钻孔的系统，该系统包括：

a.高功率激光能量的源，该源能够提供具有至少20kW的功率的激光束；

b.管组件，所述管组件具有至少1000英尺的管，且具有远端和近端；

c.用于钻孔中的流体的源；

d.管组件的近端与所述流体的源流体连通；

e.管组件的近端与激光源光学连通；

f.所述管组件包括高功率激光传输缆线，该高功率激光传输缆线具有远端和近端，所述高功率激光传输缆线的近端与所述源光学连通，由此激光束通过所述高功率激光传输缆线从所述高功率激光传输缆线近端传输到远端，用于将激光束能量传送到钻孔；

g.用于抑制非线性散射现象的装置，该装置与部件a.、b.、e.或f.中的至少一个相关联；以及

h.在所述高功率激光传输缆线在所述钻孔之内时在所述高功率激光传输缆线的远端处的激光能量的功率为至少5kW。

42.如权利要求41所述的系统，其中，所述非线性散射现象是受激布里渊散射。

43.如权利要求41所述的系统，其中，所述源是低阶模源。

44.如权利要求41所述的系统，其中，所述源是低阶模源，其特征为衍射极限倍数M²，满足关系M²<2。

45.如权利要求41所述的系统，其中，所述源是多个激光源的组合。

46.如权利要求45所述的系统，其中，所述多个激光源的组合中的激光源是低阶模源，其特征为衍射极限倍数M²，满足关系M²<2。