BREVET D'INVENTION
Procédé et appareil de forage de la terre à l'aide de lasers.
La présente invention concerne un procédé et un appareil faisant appel à des laser s très puissants pour travailler la
terre et plus précisément pour forer des trous dans la terre.
Les lasers très puissants sont actuellement à un stade extrêmement actif de développement, et il a déjà été proposé de faire appel à de tels lasers dans différentes applications au travail de la terre . On peut en trouver des exemples dans les brevets américains ? 3 544 165 et 3 539 221.
Le problème qui se pose lorsque l'on essaie d'appliquer les enseignements de ces brevets au forage, par exemple d'un trou de
30 cm de diamètre et de 5 km de profondeur est que, même en
faisant appel:aux formes de lasers les plus élaborées que l'on connaît actuellement, il faudrait probablement beaucoup trop d'énergie pour vaporiser un cylindre de cette taille dans la
croûte terrestre. Il semble donc qu'une autre solution soit nécessaire pour diminuer l'apport total d'énergie nécessaire et donc le coût du forage d'un trou de cette taille.
On résout ce problème du forage d'un trou dans la terre, conformément à la présente invention , en faisant fondre des régions annulaires successives de la strate à pénétrer, de façon
à briser et à éjecter des noyaux successifs des strates en dirigeant un faisceau de lumière cohérente très puissant de haut en bas sur chaque région annulaire successive à partir d'un point situé au-dessus de la.strate à pénétrer ; en "pulsant" ledit faisceau
à une fréquence prédéterminée..; en dirigeant un souffle de fluide en contact avec les strates atteintes par ledit faisceau, et en
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de façon à briser le noyau et à écarter la matière ainsi enlevée de la terre.
Dans la présente invention, au moins un faisceau laser
est concentré et/ou balayé sous une forme annulaire et est dirigé verticalement de haut en bas sur les strates à forer. La superficie annulaire réelle à vaporiser par le faisceau laser ne représente donc qu'une petite fraction du diamètre total du trou. En pulsant le faisceau laser, en alternance avec un souffle de fluide,sur l'aire à forer, non seulement l'anneau se vaporise, mais le noyau délimité par l'anneau est brisé ou désagrégé par le choc thermique, et la pression qui est créée sur la face inférieure par la vaporisation de l'aire annulaire est suffisante pour faire monter la matière du noyau jusqu'à la surface sous fourme de fragments. La composante horizontale du souffle de fluide qui est puisé- en alternance avec le faisceau laser écarte le matériau du noyau
de l'appareil de forage.
L'invention procure également un appareil de forage d'un trou cylindrique dans la terre, comprenant au moins un laser pour fournir un faisceau de lumière cohérente très puissante, un moyen de concentration placé au-dessus du trou pour donner au faisceau une forme annulaire et lui faire suivre un trajet dirigé de haut
en bas, un moyen de déviation du souffle de fluide servant à diriger au-dessus du trou un souffle qui coupe le trajet du faisceau laser, et un moyen de commande qui est monté de façon
à déclencher le ou les lasers et le moyen de déviation à la suite l'un de l'autre de façon à fournir des impulsions de faisceau annulaire qui forment le trou en faisant fondre des régions annulaires successives de la strate à pénétrer, avec une
puissance suffisante pour briser et auto-éjecter des noyaux successifs du trou, et à fournir des souffles de fluide qui écartent les noyaux éjectés.
Etant donné les limitations' de puissance des lasers qui sont disponibles actuellement, l'agencement préféré comprend plusieurs lasers disposés symétriquement autour d'un centre commun, lenoyen de concentration comporte un moyen de "nutation" placé au centre commun,et le moyen de commande comprend un moyen de synchronisation servant à pulser les lasers en synchronisme avec le mouvement du moyen de nutation pour intercepter séquentiellement une impulsion de faisceau venant de chaque laser et pour la dévier en un faisceau circulaire constituant une résultante des différentes impulsions de faisceau.
Le moyen de commande comporte de préférence un moyen de
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faisceau annulaire, pour détecter l'éjection d'un noyau brisé
et pour déclencher le moyen de déviation en synchronisme avec ; l'éjection du noyau.
Le moyen de détection optique sert également de préférence
à détecter l'éclatement d'un noyau pour commander l'arrêt des impulsions laser en vue de déterminer automatiquement la longueur de l'impulsion laser en fonction des propriétés physiques des strates qui sont forées..
Dans la forme de réalisation préférée qui est décrite cidessous, un moyen distinct d'injection de souffle est prévu au sommet du trou pour injecter du fluide, dans la mesure du nécessaire, pour fournir une quantité suffisante de fluide aux strates à pénétrer avant le déclenchement du laser, afin de favoriser un choc thermique capable de briser et d'éjecter le noyau. Le moyen de commande est monté de façon à déclencher le moyen d'injection en synchronisme avec le laser.
On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se reportait aux planches de dessins annexées, sur lesquelles :
la figure 1 est une vue schématique en élévation de côté qui représente le dispositif fondamental selon la présente invention ; la figure 2 est une représentation d'une forme possible de buse servant à diriger le souffle de fluide dans l'aire qui est forée ; la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1, montrant la forme du trou de forage au moment de sa formation initiale dans la terre par vaporisation de la croûte terrestre par le seul faisceau laser.; la figure 4 est une vue similaire à la figure 1, dans laquelle le faisceau laser est amené à décrire un trajet circulaire de façon à créer un faisceau annulaire dans l'aire de travail ;
et la figure 5 est une vue similaire à la figure 1 mais représentant un laser électrique avec un amplificateur de lumière à combustible gazeux permettant d'obtenir un faisceau de lumière cohérente ayant l'énergie voulue.
Avant de procéder à la description détaillée de la forme
de réalisation préférée de la présente invention qui est représentée sur les dessins, il est utile de considérer certains facteurs fondamentaux qui son� mis en jeu dans le forage de la terre. Supposons par exemple que l'on désire forer un trou cylindrique vertical dans la croûte terrestre d'environ 30 cm de diamètre et
5 km de long : le volume d'un tel trou serait de 350 m<3>. En supposant que la densité.approchée de la matière à enlever pour former un tel trou est égale à 3, pour une roche un peu lourde,
il y aurait environ 1000 tonnes dé roche à faire fondre et à vaporiser. Supposons par ailleurs que la capacité calorifique moyenne de cette roche est de 0,2 cal/g/[deg.]C, et que sa chaleur totale de fusion et de vaporisation est égale à environ
100 cal/g, il faudrait 17 x 10<1><2> joules si le forage pouvait se faire assez rapidement pour que les pertes'locales par conduction soient relativement négligeables. Le calcul indique que l'énergie équivalente pour faire ce travail serait de 4,8 x 106 kilowattheures. Si l'on pouvait faire fonctionner un laser de 10 mégawatts pendant environ 20 jours sans interruption, ce laser ferait le travail, mais même pour un prix de 25 centimes par kilowatt-heure, cela représenterait encore environ 1.200.000 frs pour le seul coût de l'énergie. D'autres facteurs que l'on a négligés du calcul pour le simplifier sont le rendement du laser et les
pertes thermiques pendant le forage. Afin de réduire dans une large mesure l'énergie nécessaire, la présente invention propose un moyen permettant de concentrer l'énergie d'un faisceau laser
en un faisceau annulaire par exemple, large de 1 cm environ,
et ayant un diamètre extérieur égal au diamètre voulu du trou de forage. Par ailleurs, la présente invention propose de pulser le faisceau laser de façon à obtenir des puissances de crête très importantes pendant de brèves durées pour favoriser le choc thermique du matériau du noyau à l'intérieur de l'anneau et désagréger ainsi le noyau en petites particules qui seront expulsées du trou par.:la pression du matériau réellement vaporisé par le faisceau laser. Avec cette solution, la masse de matière qui doit être vaporisée par le faisceau laser pourraitêtre réduite d'un facteur d'environ 7,75, ce qui se traduit par une diminution du coût de l'énergie à environ 155.000 F.
Reportons-nous maintenant à la figure 1 des dessins qui représente schématiquement un agencement possible de mise en oeuvre de la présente invention. Une tour 10 de forage de puits de pétrole est disposée comme d'habitude au-dessus de l'aire à forer. Un laser 12 est représenté monté sur la tour de forage, mais il pourrait évidement être monté indépendamment juste à côté de la tour. La lumière cohérente qui sort-du laser 12 se réfléchit verticale-
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laser ait une forme annulaire au moment où il atteint la surface ' du sol, on fait appel à un dispositif optique désigné dans son ensemble par le repère numérique 16. Une optique réflectrice qui peut être refroidie par un fluide est idéale pour cela, et on peut trouver une description de tels dispositifs dans un article intitulé "Toric Catoptrics" de D.S Bank, aux pages 13-19 incluses d'une publication intitulée "Electronic Progress" volume 17, numéro 2, Eté 1974, publiée par Raytheon Company. On peut faire appel ^ un type concevable quelconque de dispositifs de concentration de.
faisceau basés sur les principes optiques qui sont donnés dans cette publication, par exemple un objectif à distance focale variable, ou un dispositif similaire.
Comme l'indique la figure 3, la forme du faisceau de
lumière cohérente B qui sort du dispositif optique 16 peut alors être annulaire, et il est possible de régler avec précision l'épaisseur de cet anneau.
Selon l'invention, le faisceau annulaire B suit un trajet 17 dirigé de haut en bas de façon à faire fondre des régions annulaire:
successives de la strate à pénétrer, avec une puissance suffisante pour briser ou faire éclater et auto-éjecter des noyaux successifs C du trou.
Un moyen de déviation, sous la forme d'un dispositif de soufflage de fluide , désigné par le repère numérique 18, est dirigé de façon à couper ce trajet au-dessus du trou de façon à dévier le noyau éjecté au moment où il sort du trou.
Un moyen d'injection , sous la forme d'un dispositif de soufflage de fluide, désigné par le repère numérique 19, est dirigé de façon à envoyer du fluide de dilatation dans les strates à pénétrer avant leur fusion par le faisceau laser, pour favoriser l'éclatement et l'éjection des noyaux.
Le moyen d'injection 19 est sous la forme d'un conduit en spirale qui entoure le haut du trou et qui comporte un orifice annulaire 19 P, dirigé vers le bas, qui facilite l'envoi du fluide de dilatation au fond du trou. Un réservoir de stockage sous
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par l'intermédiaire d'une vanne de commande 21 qui est manoeuvrée en synchronisme avec le laser pour envoyer du fluide de dilatation dans les strates à pénétrer avant leur fusion par le faisceau laser.
Le fluide de dilatation est choisi en fonction de la fusion
et de l'éclatement du noyau, et peut donc avoir des propriétés qui favorisent la vitrification de la paroi du trou. Par exemple, si c'était du sable de silicium sec qui était foré, le fluide comprendrait des composés du sodium ou du calcium pour favoriser la fusion et la vitrification résultant de la formation du noyau et nécessaires à l'optimisation des caractéristiques de la paroi du trou. Ce fluide est de préférence introduit sous la forme d'un souffle afin de réduire les intervalles de temps qui lui sont nécessaires pour atteindre h base du trou, et il peut être gazeux ou liquide en fonction des conditions particulières de l'opération de forage de la terre.
En pulsant un faisceau laser d'énergie assez grande sur une région annulaire des strates, non seulement le matériau de l'anneau est vaporisé mais le noyau qui est entouré par cet anneau est brisé ou désagrégé par le choc thermique,et la pression
qui est créée sur la face inférieure du noyau brisé résultant de la vaporisation de l'aire annulaire, est suffisante pour éjecter
le noyau à la surface, soit en bloc soit sous forme de fragments.
Sur les figures 1 et 2, c'est l'éjection d'un noyau qui est représentée, ce noyau étant représenté sous la forme d'un cylindre unitaire C. L'éjection d'un tel noyau unitaire peut être prévue dans le cas de matériaux comme la pierre à chaux. Cependant,
on peut s'attendre à ce que des matériaux comme le sable ou le schiste ou encore certaines formes d'ardoise se brisent et apparaissent sous forme de particules distinctes qui sortent ensemble puis se dispersent.
Dans la mise en pratique de la présente invention, il est possible de s'adapter à toutes les variations de matériaux rencontrés dans une opération type de forage de h terre. Dans le cas
de sable sec ou de roche dure ne contenant pas d'eau de cristallisation, il faut envoyer un fluide à la base du trou au voisinage immédiat des strates à pénétrer afin que l'énergie incidente du laser provoque l'éclatement et l'éjection voulus du noyau. Dans d'autres cas où la roche contient de l'eau de cristallisation
ou bien où l'on rencontre des poches d'eau isolées, l'introduction séparée de fluide de dilatation dans le trou n'est pas nécessaire. Dans d'autres cas encore, où une caverne d'eau peut être rencontrée, suivant sa grandeur, il est possible de faire appel à la source d'énergie laser pour vaporiser la masse d'eau, ou bien il est possible de faire appel à d'autres techniques déjà connues dans
le domaine du forage de la terre, pour isoler la région emplie d'eau de façon à pouvoir continuer le forage au-dessous de cette région.
L'invention tient compte du fait que la cadence d'apport d'énergie et la durée des impulsions laser sont sujettes à variations
en fonction des matériaux et des cas particuliers rencontrés. Elle permet de traiter le pire des cas, celui d'une roche dure ne contenant pas d'eau de cristallisation et ayant une densité d'environ
3. Dans de telles conditions, des impulsions laser de 10 mégawatts peuvent produire des conditions de fusion qui sont capables de provoquer l'éclatement et l'éjection du noyau et qui permettent d'obtenir une cadence de forage commercialement satisfaisante.
Cette puissance de 10 mégawatts est donnée ici pour un trou de
forage de 30 cm de diamètre et pour une largeur de faisceau de
1 cm. Des niveaux d'énergie plus bas donneront une cadence moins rapide tout en permettant l'éclatement et l'éjectioù. La valeur
de seuil précise pour laquelle l'éclatement et l'éjection ont
lieu pour chaque matériau particulier, nécessiterait des recherches supplémentaires. A l'heure actuelle, le niveau d'énergie
laser total qui est envisagé- pour l'unique source laser 12 qui
est représentée sur la figure 1, excède les possibilités d'un
laser commercial classique. Des techniques sont représentées sur la figure 4 pour utiliser plusieurs lasers de types�ctuellement disponibles pour développer une puissance d'impulsions cumulée capable de produire l'éclatement et l'éjection du noyau.
Le dispositif qui est représenté sur la figure 4 est similaire
à celui qui est représenté sur la figure 1 excepté que le faisceau laser, au lieu d'être concentré sous une forme annulaire, est concentré sur un point et qu'on fait décrire un anneau à ce point. Une façon d'y parvenir est représentée schématiquement sur la figure 4, sous la forme d'un moyen qui donne un mouvement de nutation au miroir 14. Comme le montre également cette figure, il est possible de faire appel à d'autres lasers tels que celui désigné par le repère numérique 12, pour que l'anneau soit balayé
par plusieurs faisceaux.
La figure 5 représente une autre variante des sources d'énergie représentée sur les figures 1 et 4. Dans ce cas, la source de lumière cohérente peut être un laser électrique 20, dont le faisceau traverse un dispositif de dilatation 22 puis un amplifi- cateur de lumière 24 du type dit "T.E.A". Un tel dispositif est décrit dans "Physics Today", juillet 1970, pages 55 et 56. Le faisceau de lumière cohérente amplifiée qui sort de l'amplificateur
24 traverse ensuite une autre optique 26 de dilatation et de concentration puis est concentré sur la surface de la terre comme
sur la figure 1.
Les lasers actuellement disponibles suivants semblent pouvoir être utilisés dans le champ d'application de la présente invention:
(A) laser chimique à l'hydrogène fluoré fonctionnant sur une longueur d'onde de 2,6 microns.
(B) laser au gaz carbonique fonctionnant sur une longueur d'onde de 10,6 microns.
(C) lasers à semi-conducteurs, par exemple laser au verre de
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micron.
La durée et/ou la fréquence des impulsions du laser ou du souffle de fluide seront sujettes à variations considérables,
mais à titre d'exemple, les deux sortes d'impulsions pourraient avoir une durée de l'ordre de quelques secondes.
La présente invention tient compte du fait que toutes les caractéristiques de fonctionnement du dispositif, par exemple longueur et fréquence des impulsions, surface et diamètre de l'aire annulaire atteinte par le faisceau, apport d'énergie et longueur d'onde de fonctionnement de la source de lumière cohérente, sont sujettes à variations et à réglages continus en fonction de facteurs tels que les propriétés physiques des strates qui sont forées.
Lorsque l'on procède à une opération progressive de forage
de la terre conforme à la présente invention, chaque cycle d'éclatement et d'éjection de noyaux résultant de la fusion de la région annulaire qui entoure le noyau produit une fusion et un écoulement de la matière fondue qui a tendance à donner à la paroi du trou
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plupart des matériaux que l'on peut rencontrer se comportait en formant les surfaces lisses résultantes, on peut éventuellement rencontrer des cas spéciaux. Par exemple, on ne pourrait s'attendre à ce que le sable de silicium sec et pur puisse se comporter de cette
façon, car le processus de fusion le transformerait en quartz
fondu qui a une région de températures de changement d'état si étroite qu'il serait difficile à maîtriser. Dans de tels cas, on introduit des impuretés dans le'matériau, à l'aide du moyen d'injection 19, pour le faire fondre sous forme de verre.
Dans les dispositifs qui sont représentés sur les figures
1 et 4, l'appareil de forage de h terre comporte un moyen de commande électronique, désigné dans son ensemble par 22, qui déclenche les différents organes en synchronisme.
C'est ainsi que le moyen de commande comporte:une section
22A de déclenchement de laser qui est raccordée par la ligne 12 L pour commander le laser 12 ; une section 22 B de déclenchement du moyen d'injection qui est connectée par la ligne 21 L de façon à déclencher la vanne de commande 21 ; et une section 22 C de <EMI ID=7.1>
18 L au moyen de dévia tion 18.
Un moyen de détection optique 23 est représenté soumis à l'action de la lumière réfléchie par un miroir capteur 24 qui
est placé sur l'axe du trajet 17 suivi par le faisceau laser,
et à l'intérieur de la région ouverte du faisceau laser annulaire pour détecter les effets optiques nettement différents qui sont associés à l'éclatement du noyau et à la sortie du noyau.
Le moyen de détection 23 est connecté à une section de traitement 22 P de l'unité de commande 22 de façon à émettre un signal de débranchement du laser au moment où l'éclatement du noyau est détecté. La longueur des impulsions du laser est ainsi déterminée automatiquement en fonction de la durée de fusion pour les propriétés physiques des strates qui sont forées.
De même, le moyen de détection 23 déclenche l'unité de commande pour synchroniser le branchement du moyen de déviation avec le moment où le noyau C sort du trou qui est foré. De préférence, l'unité de commande déclenche automatiquement le moyen d'injection et le laser à la suite l'un de l'autre, le moyen d'injection étant déclenché immédiatement après que le noyau éjecté s'est dégagé et le laser étant déclenché avec un retard suffisant
pour garantir que le fluide de dilatation éventuel sortant du moyen d'injection a bien été envoyé au niveau des strates où doit s'exercer l'action de fusion du faisceau laser.
Dans la forme de réalisation à plusieurs lasers qui est représentée sur la figure 4, il est possible que jusqu'à 20
lasers soient montés en groupe suivant un réseau annulaire de façon à fonctionner à la suite l'un de l'autre, et sont disposés symétriquement autour d'un centre commun, le réflecteur de nutation
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synchronisme avec les impulsions successives émises par les différents laser�. pour intercepter successivement une impulsion de faisceau de chaque laser l'un après l'autre, et pour dévier cette impulsion en une forme circulaire qui est une résultante des différentes impulsions de faisceau.
REVENDICATIONS
1. Procédé de forage de la terre, caractérisé en ce que :
on fait fondre des régions annulaires successives de la strate
à pénétrer, de façon à briser ou faire éclater et à éjecter des
noyaux successifs des strates, en dirigeant un faisceau de
lumière cohérente très puissant de haut en bas sur chaque région annulaire successive à partir d'un point situé au-dessus de la
strate à pénétrer ; on pulse ledit faisceau à une fréquence prédéterminée ; on dirige un souffle de fluide en contact avec les strates atteintes par ledit faisceau ; et on pulse ledit souffle
de fluide en alternance avec ledit faisceau de façon à briser
ou faire éclater le noyau et à écarter de l'appareil de forage
le matériau ainsi extrait de la terre.
PATENT
Method and apparatus for drilling the earth using lasers.
The present invention relates to a method and apparatus using very powerful lasers to work on the laser.
earth and more precisely to drill holes in the earth.
Very powerful lasers are currently at an extremely active stage of development, and it has already been proposed to use such lasers in various earthwork applications. Can we find examples of this in US patents? 3,544,165 and 3,539,221.
The problem that arises when trying to apply the teachings of these patents to drilling, for example a borehole
30 cm in diameter and 5 km deep is that even in
using the most elaborate forms of lasers known today, it would probably take too much energy to vaporize a cylinder of this size in the
Earth's crust. It therefore seems that another solution is necessary to reduce the total energy input required and therefore the cost of drilling a hole of this size.
This problem of drilling a hole in the earth, in accordance with the present invention, is solved by melting successive annular regions of the strata to be penetrated, so
breaking up and ejecting successive nuclei from the strata by directing a very powerful coherent light beam up and down on each successive annular region from a point above the stratum to be penetrated; by "pulsing" said beam
at a predetermined frequency ..; by directing a blast of fluid in contact with the strata reached by said beam, and by
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so as to break the core and to remove the material thus removed from the earth.
In the present invention, at least one laser beam
is concentrated and / or swept in an annular form and is directed vertically from top to bottom on the strata to be drilled. The actual annular area to be vaporized by the laser beam therefore only represents a small fraction of the total diameter of the hole. By pulsing the laser beam, alternately with a blast of fluid, on the area to be drilled, not only the ring vaporizes, but the core delimited by the ring is broken or disintegrated by the thermal shock, and the pressure which is created on the underside by the vaporization of the annular area is sufficient to make the material rise from the core to the surface below the fragments. The horizontal component of the fluid blast which is pulsed alternating with the laser beam pushes the material away from the core
of the drilling rig.
The invention also provides an apparatus for drilling a cylindrical hole in the earth, comprising at least one laser to provide a beam of very powerful coherent light, a focusing means placed above the hole to give the beam a ring shape. and make it follow a path directed from above
at the bottom, a fluid blast deflection means for directing a blast over the hole which cuts the path of the laser beam, and a control means which is mounted so
in triggering the laser (s) and the deflection means one after the other so as to provide annular beam pulses which form the hole by melting successive annular regions of the stratum to be penetrated, with a
sufficient power to shatter and self-eject successive nuclei from the hole, and to deliver blasts of fluid which push the ejected nuclei apart.
Due to the power limitations of the lasers which are presently available, the preferred arrangement comprises a plurality of lasers arranged symmetrically around a common center, the focusing means having a "nutation" means placed at the common center, and the control means. comprises a synchronization means for pulsing the lasers in synchronism with the movement of the nutating means to sequentially intercept a beam pulse from each laser and to deflect it into a circular beam constituting a resultant of the different beam pulses.
The control means preferably comprises a means of
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annular beam, to detect the ejection of a broken nucleus
and to trigger the deflection means in synchronism with; ejection of the nucleus.
The optical detection means also preferably serves
detecting the bursting of a core to control the stopping of the laser pulses with a view to automatically determining the length of the laser pulse as a function of the physical properties of the strata which are drilled.
In the preferred embodiment which is described below, a separate blast injection means is provided at the top of the hole to inject fluid, to the extent necessary, to provide a sufficient amount of fluid to the strata to be penetrated prior to triggering. laser, in order to promote a thermal shock capable of breaking and ejecting the nucleus. The control means is mounted so as to trigger the injection means in synchronism with the laser.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing boards, on which:
Figure 1 is a schematic side elevational view showing the basic device according to the present invention; Figure 2 is a representation of one possible form of nozzle for directing the blast of fluid into the area being drilled; FIG. 3 is a section taken along line 3-3 of FIG. 1, showing the shape of the borehole at the time of its initial formation in the earth by vaporization of the earth's crust by the single laser beam; Figure 4 is a view similar to Figure 1, in which the laser beam is made to describe a circular path so as to create an annular beam in the working area;
and FIG. 5 is a view similar to FIG. 1 but showing an electric laser with a gas fuel light amplifier making it possible to obtain a beam of coherent light having the desired energy.
Before proceeding to the detailed description of the shape
As a preferred embodiment of the present invention which is shown in the drawings, it is useful to consider some fundamental factors which are associated with it. brought into play in the drilling of the earth. Suppose, for example, that we want to drill a vertical cylindrical hole in the earth's crust about 30 cm in diameter and
5 km long: the volume of such a hole would be 350 m <3>. Assuming that the approximate density of the material to be removed to form such a hole is equal to 3, for a somewhat heavy rock,
there would be around 1000 tonnes of rock to melt and vaporize. Suppose further that the average heat capacity of this rock is 0.2 cal / g / [deg.] C, and that its total heat of fusion and vaporization is approximately
100 cal / g, it would take 17 x 10 <1> <2> joules if drilling could be done quickly enough that the local conduction losses were relatively negligible. The calculation indicates that the equivalent energy to do this job would be 4.8 x 106 kilowatt hours. If you could run a 10 megawatt laser for about 20 days without interruption, that laser would do the job, but even for a price of 25 cents per kilowatt hour, it would still be around 1,200,000 frs for the cost alone. Energy. Other factors that have been neglected in the calculation to simplify it are the efficiency of the laser and the
thermal losses during drilling. In order to greatly reduce the energy required, the present invention provides a means for concentrating the energy of a laser beam
in an annular bundle for example, approximately 1 cm wide,
and having an outside diameter equal to the desired diameter of the borehole. Furthermore, the present invention proposes to pulse the laser beam so as to obtain very high peak powers for short periods of time to promote the thermal shock of the material of the core inside the ring and thus to break up the core into small particles that will be expelled from the hole by: the pressure of the material actually vaporized by the laser beam. With this solution, the mass of material that has to be vaporized by the laser beam could be reduced by a factor of about 7.75, which translates into a decrease in the cost of energy to about 155,000 F.
Let us now refer to FIG. 1 of the drawings which schematically shows a possible arrangement for carrying out the present invention. An oil well derrick 10 is arranged as usual above the area to be drilled. A laser 12 is shown mounted on the derrick, but it could obviously be mounted independently right next to the derrick. The coherent light coming out of the laser 12 is reflected vertically.
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The laser is annular in shape by the time it reaches the ground surface, an optical device designated as a whole by the numeral 16. Reflective optics which can be cooled by fluid are ideal for this. A description of such devices can be found in an article titled "Toric Catoptrics" from DS Bank, on pages 13-19 inclusive of a publication entitled "Electronic Progress" volume 17, number 2, Summer 1974, published by Raytheon Company. Any conceivable type of concentration device can be used.
beam based on optical principles which are given in this publication, for example a variable focal length lens, or similar device.
As shown in Figure 3, the shape of the beam
coherent light B which exits the optical device 16 can then be annular, and it is possible to precisely adjust the thickness of this ring.
According to the invention, the annular beam B follows a path 17 directed from top to bottom so as to melt annular regions:
successive layers of the stratum to be penetrated, with sufficient power to break or burst and self-eject successive nuclei C from the hole.
A deflection means, in the form of a fluid blowing device, designated by the numeral 18, is directed to cut this path above the hole so as to deflect the ejected core as it exits the hole. hole.
An injection means, in the form of a fluid blowing device, designated by the numeral 19, is directed so as to send expansion fluid into the strata to be penetrated before their fusion by the laser beam, to promote bursting and ejection of nuclei.
The injection means 19 is in the form of a spiral duct which surrounds the top of the hole and which has an annular orifice 19 P, directed downwards, which facilitates the sending of the expansion fluid to the bottom of the hole. A storage tank under
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by means of a control valve 21 which is operated in synchronism with the laser to send expansion fluid into the strata to be penetrated before their fusion by the laser beam.
The expansion fluid is chosen according to the fusion
and bursting of the core, and therefore may have properties that promote vitrification of the wall of the hole. For example, if it was dry silicon sand that was drilled, the fluid would include sodium or calcium compounds to promote melting and vitrification resulting from core formation and necessary for optimizing the characteristics of the wall. the hole. This fluid is preferably introduced in the form of a blast in order to reduce the time intervals which are necessary for it to reach the base of the hole, and it can be gaseous or liquid depending on the particular conditions of the drilling operation. Earth.
By pulsing a laser beam of large enough energy onto an annular region of the strata, not only is the material of the ring vaporized but the core which is surrounded by this ring is broken or disintegrated by thermal shock, and pressure.
which is created on the underside of the broken nucleus resulting from the vaporization of the annular area, is sufficient to eject
the nucleus at the surface, either as a block or as fragments.
In Figures 1 and 2, it is the ejection of a core which is shown, this core being shown in the form of a unitary cylinder C. The ejection of such a unitary nucleus can be provided in the case of of materials such as limestone. However,
materials such as sand or shale or some forms of slate can be expected to break apart and appear as separate particles that come together and then disperse.
In practicing the present invention, it is possible to accommodate all of the variations in materials encountered in a typical earth drilling operation. In the case
dry sand or hard rock not containing water of crystallization, it is necessary to send a fluid to the base of the hole in the immediate vicinity of the strata to be penetrated so that the incident energy of the laser causes the desired bursting and ejection of the nucleus. In other cases where the rock contains water of crystallization
or where isolated pockets of water are encountered, separate introduction of expansion fluid into the hole is not necessary. In still other cases, where a water cave may be encountered, depending on its size, it is possible to call upon the laser energy source to vaporize the body of water, or else it is possible to call upon to other techniques already known in
the field of earth drilling, to isolate the water-filled region so that the drilling can continue below this region.
The invention takes into account the fact that the energy supply rate and the duration of the laser pulses are subject to variations.
depending on the materials and particular cases encountered. It allows to treat the worst case, that of a hard rock not containing water of crystallization and having a density of approximately
3. Under such conditions, 10 megawatt laser pulses can produce melting conditions which are capable of causing the core to burst and eject and which provide a commercially satisfactory drilling rate.
This power of 10 megawatts is given here for a hole of
30 cm diameter borehole and for a beam width of
1 cm. Lower energy levels will result in a slower pace while still allowing bursting and ejection. The value
precise threshold for which the bursting and ejection have
location for each particular material would require further research. At present, the energy level
total laser which is envisaged - for the single laser source 12 which
is shown in Figure 1, exceeds the possibilities of a
classic commercial laser. Techniques are shown in Figure 4 for using several types of lasers currently available to develop cumulative pulse power capable of producing nucleus burst and ejection.
The device which is shown in figure 4 is similar
to that shown in Figure 1 except that the laser beam, instead of being focused in an annular shape, is focused on a point and a ring is described at that point. One way to achieve this is shown schematically in Figure 4, in the form of a means which gives a nutation movement to the mirror 14. As also shown in this figure, it is possible to use other lasers such as than the one designated by the numeral 12, so that the ring is scanned
by several beams.
FIG. 5 represents another variant of the energy sources represented in FIGS. 1 and 4. In this case, the source of coherent light can be an electric laser 20, the beam of which passes through an expansion device 22 then an amplifier. light 24 of the so-called "TEA" type. Such a device is described in "Physics Today", July 1970, pages 55 and 56. The beam of amplified coherent light which emerges from the amplifier
24 then passes through another optic 26 of expansion and concentration then is concentrated on the surface of the earth as
in figure 1.
The following currently available lasers appear to be usable within the scope of the present invention:
(A) Fluorinated hydrogen chemical laser operating at a wavelength of 2.6 microns.
(B) Carbon dioxide laser operating at a wavelength of 10.6 microns.
(C) semiconductor lasers, eg glass laser
<EMI ID = 5.1>
micron.
The duration and / or frequency of the pulses of the laser or of the fluid blast will be subject to considerable variations,
but by way of example, the two kinds of pulses could have a duration of the order of a few seconds.
The present invention takes into account the fact that all the operating characteristics of the device, for example length and frequency of the pulses, area and diameter of the annular area reached by the beam, energy input and operating wavelength of the beam. coherent light source, are subject to continuous variation and adjustment depending on factors such as the physical properties of the strata being drilled.
When performing a progressive drilling operation
of the earth according to the present invention, each cycle of bursting and ejection of cores resulting from the melting of the annular region which surrounds the core produces a melting and flow of the molten material which tends to give the wall the hole
<EMI ID = 6.1>
Most of the materials that one may encounter behaved in forming the resulting smooth surfaces, one may possibly encounter special cases. For example, one would not expect that pure dry silicon sand could behave in this way.
way, because the melting process would turn it into quartz
fade that has such a narrow region of state change temperatures that it would be difficult to control. In such cases, impurities are introduced into the material, using the injection means 19, to melt it in the form of glass.
In the devices which are shown in the figures
1 and 4, the earth drilling apparatus comprises an electronic control means, designated as a whole by 22, which triggers the various members in synchronism.
This is how the control means comprises: a section
Laser trigger 22A which is connected by line 12L to control laser 12; a section 22 B for triggering the injection means which is connected by the line 21 L so as to trigger the control valve 21; and a section 22 C of <EMI ID = 7.1>
18 L by means of deflection 18.
An optical detection means 23 is shown subjected to the action of light reflected by a sensor mirror 24 which
is placed on the axis of the path 17 followed by the laser beam,
and within the open region of the ring laser beam to detect the markedly different optical effects which are associated with nucleus bursting and nucleus exit.
The detection means 23 is connected to a processing section 22 P of the control unit 22 so as to output a signal to disconnect the laser at the time when the bursting of the core is detected. The length of the laser pulses is thus determined automatically as a function of the melting time for the physical properties of the strata which are drilled.
Likewise, the detection means 23 triggers the control unit to synchronize the connection of the deflection means with the moment when the core C comes out of the hole which is drilled. Preferably, the control unit automatically triggers the injection means and the laser one after the other, the injection means being triggered immediately after the ejected core has disengaged and the laser being triggered with sufficient delay
to ensure that any expansion fluid leaving the injection means has indeed been sent to the level of the strata where the action of fusion of the laser beam must be exerted.
In the multiple laser embodiment shown in Figure 4, it is possible that up to 20
lasers are mounted in groups in an annular array so as to operate one after the other, and are arranged symmetrically around a common center, the nutation reflector
<EMI ID = 8.1>
synchronism with the successive pulses emitted by the different lasers �. to successively intercept a beam pulse from each laser one after the other, and to deflect this pulse into a circular shape which is a result of the different beam pulses.
CLAIMS
1. Method of drilling the earth, characterized in that:
successive annular regions of the stratum are melted
to penetrate, so as to break or shatter and eject
successive nuclei of the strata, by directing a beam of
very powerful coherent light up and down over each successive annular region from a point above the
stratum to be penetrated; said beam is pulsed at a predetermined frequency; a blast of fluid is directed into contact with the strata reached by said beam; and we pulse said breath
of fluid alternating with said beam so as to break
or burst the core and move away from the drill rig
the material thus extracted from the earth.