JP2014503365A - レーザ物体処理ツール - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのレーザビーム出口及び少なくとも１つのパージ流体出口を備えたハウジング内に設けられたレーザビームを含むレーザ掘削装置。パージ流体出口を通ってパージ流体を提供する少なくとも１つの作動式ノズルがハウジング内に設けられ、かかる少なくとも１つの作動式ノズルは、同期されたプログラム可能な作動パターンのための機能制御部を有する。レーザビームを標的表面上に差し向けるレーザビーム制御部が設けられる。

Description

本発明は、物体を処理するレーザ利用ツールに関する。一観点では、本発明は、裸孔掘削に用いられるレーザ物体処理ツールに関する。別の観点では、本発明は、物体切断のためのレーザ物体処理ツールに関する。別の観点では、本発明は、物体スポーリング（spalling）のためのレーザ物体処理ツールに関する。さらに別の観点では、本発明は、物体熱処理、例えばアニーリング（annealing）のためのレーザ物体処理ツールに関する。さらに別の観点では、本発明は、物体硬化のためのレーザ物体処理ツールに関する。さらに別の観点では、本発明は、物体表面状態調節のためのレーザ物体処理ツールに関する。

完成状態の地下裸孔中への流体流は、坑井ケーシング又はライナの穿孔によって開始される。従来、かかる孔は、地質学的地層から裸孔中への石油又はガスの流れを生じさせるための異形装薬を用いて作られている。これは、一般的に、比較的小さい直径、即ち、約１インチ（２．５４ｃｍ）未満の直径のテーパしたでこぼこの異形開口部を形成する。加うるに、孔は、典型的には、地層中に数インチしか延びない。開口部のサイズ及び穴の深さの制限に加えて、この方式には多くの問題がある。第１に、異形装薬からのメルト又はデブリが通常、産出地層の透過性を減少させ、その結果、産出速度が実質的に減少する。第２に、これら技術は、高出力爆薬の輸送及び取り扱いを必要とし、深刻な安全性及びセキュリティに関する懸念の原因となっている。第３に、地層中へのエネルギージェットは又、細孔のど部を施栓する場合のある微粒子を生じさせ、それにより生産速度が減少する。水射水（ウォータージェット工法）も又、裸孔の穿孔のために利用できるが、作られる開口部は、一般に、それほど一様ではない。

加うるに、少なくとも１つには、問題の流体の物理的性質及び坑井の周りの岩石層の特性に応じて、流体流を開始させる他のステップも又必要になる場合がある。粘性の極めて高い流体及び／又は透過性の低い地層に関する状況では流体流が阻止される場合がある。粘性の高い流体は、容易には流動しない。流れ速度の減少の結果として、効率が低下すると共に全体的生産速度が減少する。同じことは、透過性の低い地層について当てはまる。極端な場合、これら要因により、流量がゼロまで減少し、生産が完全に停止する。

地下地層からの液体及び気体燃料の抽出を可能にする掘削孔を作る目的でレーザを用いることは、当該技術分野において周知である。サリスベリー等（Salisbury et al.）に付与された米国特許第４，０６６，１３８号明細書は、地上に設置されていて、筒状の高出力レーザエネルギーを下方に差し向け、連続して位置するコアを粉々に砕いてこれらを円筒形の穴から自己放出させる出力レベルで貫かれるべき地層の連続して位置する環状領域を溶かすことによってかかる円筒形の穴をあける地下穿孔又はボーリング装置を教示している。

サリスベリー等に付与された米国特許第４，２８２，９４０号明細書は、油井及びガス井を穿孔する方法を教示している。この方法を利用して高出力コヒーレント光ビームを掘削孔に沿って所定深さまで軸方向に差し向け、そしてビーム軸線に沿ってそらす。ビームを集束させて偏向ビームに沿う複数の互いに間隔を置いた焦点の各々のところに集める。これは、産出石油又はガス貯留層を穿孔することができる距離の著しい増大をもたらし、それにより従来型手段によって歩留まりが増大すると言われている。

掘削孔の穿孔のための公知のレーザ利用装置を用いても、穿孔深さは約４インチ（１０．１６ｃｍ）に制限され、その後のそれ以上の侵入は、穴テーパの問題及び能率的なデブリ除去の不足によって妨げられる。穴テーパは、コリメートされたレーザビームが利用される場合にビーム形状のガウス分布及び穴内のデブリ柱によるレーザビームの減衰のために起こる。ビームのエッジの有する放射照度は、ビームの中心の放射照度よりも小さく、その結果、穿孔が深くなると、穴は、最終的には、一点になり、レーザビームは、もはや侵入しない。加うるに、穴テーパ付けは、いったん開始されると、レーザ処理ビームが穿孔軸線に平行に差し向けられても、側壁により提供される表面積の増大に起因して是正するのが困難である。さらに、かすめ角入射からの反射光は、開口部／穿孔の中央領域中にレーザエネルギーを反射する傾向があり、中心部の過度の加熱が生じ、不均一な物体除去、不均一な開口部形状及び不均一な開口部品質が生じる。岩石／耐火物用途では、中央物体は、ガラス状になる場合があり、その後側壁物体がスポーリングされ、それにより品質の不良な開口部が生じると共に物体除去能率が低下する。

ドリルレーザは、掘削孔を作るために短い高周波光パルスを放出する。生じる大量の局所エネルギーは、物体を除去するために用いられ又は溶融段階が回避されている間、急激な気化に起因して掘削孔内で生じる。しかしながら、従来型ドリルレーザでは、掘削孔の縁上の残留物又はスラグ被着物を溶解させる恐れも又存在する。かかるメルト又はスラグ残留付着物は、これらが掘削孔の品質的に著しい影響を及ぼす場合があるので望ましくない。

米国特許第４，０６６，１３８号明細書 米国特許第４，２８２，９４０号明細書

本発明の目的は、掘削孔の縁状のメルト又はスラグ残留付着物の発生の恐れを減少させるレーザ物体処理ツールを提供することにある。

本発明の別の目的は、従来型レーザ物体処理ツールよりも実質的にテーパの小さい実質的に深い掘削孔を作ることができるレーザ利用物体処理ツールを提供することにある。

本発明のこれらの目的及び他の目的は、光学‐機械要素と関連して用いられ、１つ又は２つ以上の自動パージ流体ジェット流と関連して生成した光エネルギーを差し向け又は走査する少なくとも１つのレーザ又は他の光エミッタを含むレーザ物体処理ツールによって取り組まれる。具体的に説明すると、本発明のレーザ物体処理ツールは、少なくとも１つのレーザエネルギー出口及び少なくとも１つのパージ流体出口を備えたハウジングを含むレーザヘッド組立体と、ハウジング内に設けられていて、レーザエネルギーを放出するのに適した少なくとも１つの光エミッタと、レーザエネルギーを標的表面上に差し向けるレーザエネルギー制御手段と、少なくとも１つのパージ流体出口を通ってパージ流体を放出するようになった少なくとも１つの自動パージ流体エミッタと、レーザエネルギーの放出とパージ流体の放出を同期させる同期化手段とを含む。このツールは、レーザ物体処理用途に用いられるのに適しており、かかる用途としては、切断、掘削、スポーリング、熱処理、硬化及び表面状態調節が挙げられるが、これらには限定されない。かかるツールの作動上の特徴としては、レーザ切断ツール経路に沿うドロス制御、デブリ除去を向上させる循環パージジェットの生成、光学部品保護の向上及びレーザビーム伝搬軸線と同軸のシミュレーション流体ジェットに加えて互いにオーバーラップした流体ジェットによる広い流体ジェットカバレージが挙げられる。加うるに、多くの流体媒体選択肢が採用可能である。と言うのは、流体ジェットは、必ずしも、レーザビーム経路と交差せず又はこれに沿って同時に伝搬しないからである。

本発明のこれら目的及び特徴並びに他の目的及び特徴は、図面と関連して行われる以下の詳細な説明から良好に理解されよう。

深い円筒形穴を切断するためのプログラム可能なパージ流体ジェットアレイを備えたレーザを有するレーザ物体処理ツールの略図である。 本発明の或る特定の実施形態によるプログラム可能パージ流体ジェットアレイのための或る特定のプログラミングオプションを示す図である。 波動効果を生じさせるプログラム可能パージ流体ジェットアレイのためのプログラミングオプションを示す図である。 本発明の一実施形態としてのレーザ／流体パージデュアル走査切断ツールによって作られた走査パターンの略図である。 本発明の一実施形態としての走査型光エミッタの略図である。 図１に示されているレーザ物体処理ツールにより作られた走査パターンを示す図である。 本発明の一実施形態に従って中実体中に開口部を作るための走査型光エミッタの略図である。

本発明の物体処理用途を限定するものではなく、本発明のレーザ物体処理ツールは、主として、裸孔内の物体の処理向きである。一般に、過酷なダウンホール環境において作動することができるようにすることに加えて、レーザ物体処理ツールは、裸孔の穿孔のためにダウンホール物体中に実質的に一様なテーパが制御された穴（最小テーパを備えた穴を含む）を形成し、そして物体処理を必要とする他のダウンホール活動を実施することができる。一般に、ツールは、物体処理のための２つの主要なコンポーネント、即ち、処理されるべき物体を加熱するレーザビームエミッタ及びレーザビームにより作られた物体開口部から物体の除去を容易にする気体及び／又は液体パージ流体エミッタを含む。

図１は、本発明の一実施形態としてレーザ物体処理ツールを示している。図示のように、ツールは、少なくとも１つのレーザエネルギー出口１１及び少なくとも１つのパージ流体出口１２を備えたハウジング１０を含むレーザヘッド組立体を有する。少なくとも１つの光エミッタ１３がレーザエネルギー源１４に接続された状態でハウジング内に設けられており、レーザエネルギー源１４は、ダウンホール活動の場合、好ましくは、地上に配置される。レーザエネルギー源と光エミッタとの間のレーザエネルギー連絡は、レーザエネルギー入口１６を通ってハウジング内に延びる少なくとも１本の光ファイバ又は光ファイバ束１５によって行われる。ハウジング内には、ハウジングの外部に位置したパージ流体源１８と流体連通状態にある各パージ流体出口１２のための１つのパージ流体エミッタ、例えばノズル１７が設けられている。本発明の一実施形態によれば、各パージ流体エミッタは、固定された方向に差し向けられている。本発明の一実施形態によれば、パージ流体エミッタは、圧力、パージ流体流れ及び／又は方向性制御又は調節により作られる同期化された個々の又はグループのプログラム可能作動パターンのための機能制御部を備えた作動式ノズルである。一実施形態によれば、ハウジング内に設けられた分配プレナム又はチャンバ２０により各パージガスノズルにパージ流体がもたらされる。理解されるように、パージ流体をノズルに提供する他の手段、例えばパージ流体源１８と各ノズル１７を連通連通させる個々の供給ラインの使用を行うのが良く、かかる変形手段は、本発明の範囲に含まれると見なされる。本発明の一実施形態によれば、ハウジング１０は、クリーニング用及び／又は冷却用流体源２６と流体連通状態にある少なくとも１つの流体入口２５を備え、クリーニング用及び／又は冷却用流体がこの源２６からハウジング内部に提供される。

本発明の一実施形態によれば、パージ流体をユーザ定義プログラム可能シーケンスで放出させる複数個のパージ流体出口がレーザエネルギー出口の周りに同心状に設けられ（図２）、それにより標的上のスイープパターンに沿う各箇所のところにユーザにより選択可能なパージ流体ジェット送り出し角度をもたらし、レーザエネルギーとパージ流体用途との間のタイミング上の相関関係の融通性の実現が可能になるだけでなく流体圧力波フロントの特注の付形多数の迎え角の実現、パージ流体の迅速なパルス化が可能であると共に流体ノズルに対する設計上の制約、即ち、オリフィスのサイズ、幾何学的形状及び構成材料に関する制約が少ない。と言うのは、パージ流体出口は、レーザエネルギー又はビームを受け入れる必要がないからである。

図２は、パージ流体ノズルの作動のための２つの考えられるプログラム可能シーケンスを示している。図２（ａ）では、ノズルは、連続的に順次（１→８）作動され、それによりサイクロン効果が生じる。図２（ｂ）では、パージ流体ノズルは、循環パターンをなして対向した対をなした状態で作動される。パージ流体ノズルのアレイを横切って圧力変調によって波動効果が作られることが図３に示されている。レーザビームのパルス化とパージ流体アレイの実現を同時に行うことによりバースト効果を生じさせることができる。

本発明の一実施形態によれば、レーザ物体処理ツールは、単一のレーザエミッタ及び単一のパージ流体エミッタを有し、これらレーザエミッタ及びパージ流体エミッタは、図４（ａ）に示されたレーザビーム３０及びパージ流体ジェット３１走査パターンを生じさせるよう並行して走査される。図示のように、レーザビーム及びパージ流体ジェットは、円形軌道３３を描いて切断円３２の内側境界部に沿って動く（これら自体の中心回りに回転しないで）。この実施形態の利点としては、レーザビーム直径よりも大きな直径を有する穴を切断することができること、時間平均照射照度及び圧力を実質的に一定に維持しながら一様な制御されたテーパの穴を切断することができること、パージ流体エミッタによってレーザビームをクリッピングし又は遮る恐れが減少すること、レーザビーム及びパージ流体ジェットが同一の容積部を同時に占めないのでパージ流体ジェットが開口部中に進んだとき、即ち、開口部中に入れ子状(telescope)に入ったときにパージ流体ジェットがレーザビームには当たらないこと、容易に走査するパラメータ、例えば回転速度、パージ流体ジェットに対するレーザの位相角／クロック位置、レーザビーム及びパージ流体ジェットのクロックサイクル比（レーザ抵抗性の高い物体の場合、レーザビームは、パージ流体ジェットをターンオンする前に複数回の回転を行う）により互いに異なる基板材料を互いに適合させることができるということが挙げられる。

本発明の一実施形態によれば、レーザ物体処理ツールは、２つのパージ流体エミッタを有し、それにより図４（ｂ）に示されているようにレーザビームの前及び後ろにパージ流体ジェットを提供することができる。この実施形態では、先導するパージ流体ジェット３４は、レーザビーム３０の経路を通過し、後続するパージ流体ジェット３５は、弱体化された物体を標的領域からパージする（除去する）。

図５（ａ）は、本発明の一実施形態に従ってレーザビームエミッタ１１周りに設けられたパージ流体出口１２を有するパージ流体アレイの構成を示し、図５（ｂ）は、この構成で達成できるレーザ走査領域２２を覆うパージ流体カバレージのゾーン２１を示している。

図６は、レーザビームを標的領域全体にわたって走査するための本発明の一実施形態としてのレーザビームエミッタを示す図である。レーザビームエミッタは、実質的に中実の球体４０を有し、この球体は、ミラー４２を球体の軸線の近くでキャビティ４３内に取り付ける少なくとも１本のチャネル４１及びキャビティから球体の表面まで延びる２本のチャネル４４，４５を有し、矢印５０で示されたレーザビームがこれらチャネル４４，４５を通ってミラーの表面上に差し向けられ、反射ビーム５１は、球体から出て標的領域上に差し向けられる。本発明の好ましい一実施形態によれば、チャネル４４，４５は、末広がりチャネルであり、それにより、反射レーザビームを入射（到来）レーザビームに対して可変角度で標的領域上に差し向けることができる。ミラーを金属及びセラミックを含む多様な材料で作ることができ、ミラーは、入射レーザビームの反射を最大にするよう選択された膜で被覆されている。ミラー表面は、所望のビーム形状を達成するよう平坦であっても良く、凸状であっても良く、又は凹状であって良い。例えば、コリメートされたビームは、平坦な表面、凸状の表面及び凹状の表面を用いることによりそれぞれそのプロフィールを試すことができ、末広がりになることができ、先細になることができる。球体は、標的領域上でレーザビームの心残し削り運動をもたらすよう好ましくは互いに垂直な２本の軸線回りに回転可能である。

当業者には理解されるように、円形パージ流体ノズルが好ましいが、本発明の一実施形態に従って非円形パージ流体ノズルを用いることができる。本発明の一実施形態によれば、レーザ物体処理ツールは、レーザビーム走査経路を制御する方向制御手段を有する。一実施形態によれば、制御手段は、自動パージ流体ジェット絞り及び発射シーケンスを最適化するようジンバルマウント及び入力プログラムレーザビーム走査経路を含む。

図７に示されているようにレーザビームを操作するための本発明の別の実施形態によれば、見かけ上ツール軸線に平行なレーザビーム又は入力ビーム６０を「固定された」ミラー６１からツールのＯＤ及び地層に向かって反射させる。次に、レーザビームを回転ミラー６５から反射させ、回転ミラー６５は、レーザビームの向きを約９０°変え、その後、レーザビームを凹状、円錐形又はボウル形ミラー６４から反射させ、そしてレーザビームは透明な窓６３を通ってツールから出る。図７に示されているように、回転ミラー６５は、レーザビームがボウル形ミラー６４に沿って種々の場所から反射するようにするために矢印６６で示されているように上下に並進することができる。ボウル形ミラーの内側の局所回転半径は、レーザビームの出口角度及びサイズ又はその焦点を変えることができるよう変化しているのが良い。「固定された」ミラーの角度又は回転ミラーの反射面の角度を変えることにより追加のレーザビーム調節を行うことができる。窓は、好ましくは、窓の透過に起因した光パワーの損失を最小限に抑えるために反射防止膜を備える。図７の右下に示されている本発明の一実施形態によれば、レーザビームの焦点を変更するために可動レンズ６７を用いるのが良い。好ましくは、金属製のミラーがこれらの固有の高い反射率、耐衝撃及び振動性及び良好な熱伝導率に鑑みて使用されるべきである。本発明の一実施形態によれば、ミラーの冷却を助けるためにミラーを貫通して流体通路が設けられる。本発明の別の実施形態によれば、高い反射率の誘電体又は誘電体被覆ミラーを用いても良い。しかしながら、これらミラーは、ダウンホール衝撃及び振動に起因した損傷を受けやすく、又、金属製ミラーを冷却するのが困難な場合がある。

本発明の一実施形態によれば、流体、例えば窒素、空気、水、ＫＣｌ溶液又はレーザエネルギーに対して実質的に透過性の他形式の流体が光学部品を冷却すると共に光学部品上又は光学部品チャネル内のデブリの堆積を阻止するために光学部品又は光学部品の周りの貫通チャネルをスイープするようハウジング中に直接導入される。

上述の説明において、本発明をその或る特定の好ましい実施形態に関して説明すると共に説明目的で多くの細部を記載したが、当業者には明らかなように、本発明は、追加の実施形態の余地があり、本明細書において説明した細部のうちの或る幾つかのものを本発明の基本的原理から逸脱することなくかなり変えることができる。

Claims (25)

1. レーザ物体処理ツールであって、
   少なくとも１つのレーザエネルギー出口及び少なくとも１つのパージ流体出口を備えたハウジングを含むレーザヘッド組立体と、
   前記ハウジング内に設けられていて、レーザエネルギーを放出するのに適した少なくとも１つの光エミッタと、
   前記レーザエネルギーを標的表面上に差し向けるレーザエネルギー制御手段と、
   前記少なくとも１つのパージ流体出口を通ってパージ流体を放出するようになった少なくとも１つの自動パージ流体エミッタと、
   前記レーザエネルギーの放出と前記パージ流体の放出を同期させる同期化手段とを含む、レーザ物体処理ツール。
2. 複数個の前記パージ流体出口が前記少なくとも１つのレーザエネルギー出口の周りに同心状に設けられている、請求項１記載のレーザ物体処理ツール。
3. 前記同期化手段は、前記パージ流体出口を通ってパージ流体流をユーザ定義プログラム可能シーケンスで作動させる作動プログラムを含む、請求項２記載のレーザ物体処理ツール。
4. 前記流体出口の各々は、固定された方向に差し向けられている、請求項２記載のレーザ物体処理ツール。
5. 前記光エミッタは、レーザエネルギー源から受け取った前記レーザエネルギーを反射させるよう位置合わせされた第１のミラー、前記第１のミラーから反射された前記レーザエネルギーを受け取るよう位置合わせされた回転ミラー及び前記回転ミラーから反射された前記レーザエネルギーを受け取って該レーザエネルギーを前記標的表面上に反射させるよう位置合わせされた環状ミラーを有する、請求項１記載のレーザ物体処理ツール。
6. 前記ハウジングは、クリーニング用流体源及び冷却用流体源のうちの少なくとも一方と流体連通状態にあり且つクリーニング用流体及び冷却用流体のうちの少なくとも一方を前記ハウジング中に導入する流体入口を備えている、請求項１記載のレーザ物体処理ツール。
7. 前記光エミッタは、中央に設けられたキャビティを備える中実球体、前記キャビティ内に設けられたミラー及び前記キャビティから前記球体の表面まで延びる２本のチャネルを有し、前記チャネルのうちの一方を通って前記キャビティに入ったレーザエネルギーは、前記ミラーで反射され、他方の前記チャネルを通って前記キャビティから出る、請求項１記載のレーザ物体処理ツール。
8. 前記チャネルは、末広がりチャネルである、請求項７記載のレーザ物体処理ツール。
9. 前記環状ミラーは、凹状、円錐形及びボウル形から成る群から選択された形状を有する、請求項５記載のレーザ物体処理ツール。
10. 前記ボウル形ミラーの局所曲率半径は、変化している、請求項９記載のレーザ物体処理ツール。
11. 前記レーザエネルギー出口を覆う反射防止膜を備えた透明な窓を更に含む、請求項５記載のレーザ物体処理ツール。
12. レーザエネルギー経路内に設けられた前記レーザエネルギーの焦点を前記第１のミラーと前記レーザエネルギー源との間で変化させる可動焦点レンズを更に含む、請求項５記載のレーザ物体処理ツール。
13. 前記ミラーは、金属製のミラーである、請求項５記載のレーザ物体処理ツール。
14. レーザ掘削装置であって、
    少なくとも１つのレーザビーム出口及び少なくとも１つのパージ流体出口を備えたハウジング内に設けられているレーザビームエミッタを含み、
    前記ハウジング内に設けられていて、前記パージ流体出口を通ってパージ流体を提供する少なくとも１つの作動ノズルを含み、前記少なくとも１つの作動ノズルは、同期されたプログラム可能な作動パターンのための機能制御部を有し、
    レーザビームを標的表面上に差し向けるレーザビーム制御手段を含む、装置。
15. 前記ハウジングは、前記少なくとも１つのレーザビーム出口の周りに同心状に設けられた複数個の前記パージ流体出口を有する、請求項１４記載の装置。
16. 複数個の前記作動ノズルは、前記パージ流体出口の各々について１つずつ前記ハウジング内に設けられている、請求項１５記載の装置。
17. 前記作動ノズルの各々は、固定された方向に差し向けられている、請求項１６記載の装置。
18. 前記レーザビームエミッタは、少なくとも１本の光ファイバを有する、請求項１４記載の装置。
19. 前記レーザビームエミッタは、前記レーザビームを反射させるよう位置合わせされた第１のミラー、前記第１のミラーから反射された前記レーザビームを受け取るよう位置合わせされた回転ミラー、前記回転ミラーから反射された前記レーザビームを受け取って該レーザビームを前記標的表面上に反射させるよう位置合わせされた環状ミラー及び前記レーザエネルギー出口を覆う反射防止膜を備えた透明な窓を有する、請求項１４記載の装置。
20. 前記レーザビームエミッタは、中央に設けられたキャビティを備える中実球体、前記中央に設けられたキャビティ内に設けられているミラー及び前記中央に設けられたキャビティから前記中実球体の表面まで延びる２本のチャネルを有し、前記チャネルのうちの一方を通って前記キャビティに入った前記レーザビームは、前記ミラーで反射され、他方の前記チャネルを通って前記キャビティから出る、請求項１４記載の装置。
21. 前記チャネルは、末広がりチャネルである、請求項２０記載の装置。
22. 前記環状ミラーは、ボウルの形をしている、請求項１９記載の装置。
23. 前記ボウル形ミラーの局所曲率半径は、変化している、請求項２２記載の装置。
24. 前記ハウジングは、クリーニング用流体源及び冷却用流体源のうちの少なくとも一方と流体連通状態にあり且つクリーニング用流体及び冷却用流体のうちの少なくとも一方を前記ハウジング中に導入する流体入口を備えている、請求項１４記載の装置。
25. レーザエネルギー経路内に設けられた前記レーザビームの焦点を前記第１のミラーと前記レーザビーム源との間で変化させる可動焦点レンズを更に含む、請求項１９記載の装置。

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