CN116336499A - 一种适用于井控应急的激光远程点火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于井控应急的激光远程点火装置及方法，所述装置包括供电单元、发射单元、瞄准单元和稳定单元；供电单元能够为需要电能的单元提供电能；发射单元能够发射激光束；瞄准单元能够对目标物进行远程瞄准，并使发射单元发射的激光束聚焦在目标物上；稳定单元能够带动瞄准单元转动，并保证瞄准单元转动时的稳定。所述方法采用如上所述的激光远程点火装置进行点火。本发明的有益效果包括：激光通过激光能量远程聚焦器的非球面镜片实现高效能远程聚焦，缩短了点火时间，且光学系统简单、体积小、重量轻，调试方便。

Description

一种适用于井控应急的激光远程点火装置及方法

技术领域

本发明涉及井控应急抢险领域，特别地，涉及一种适用于井控应急的激光远程点火装置及方法。

背景技术

油气井井喷失控主要喷出成分包括可燃性烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等液态烃混合物、H₂S、CO等有毒有害气体，这些气体与空气混合比达到爆炸极限后，易发生燃爆造成人员伤害；同时，H₂S等有毒气体大量弥漫井场，极易造成作业人员中毒，严重污染大气环境。为了消除井喷现场燃爆、硫化氢中毒及环境污染风险，井控抢险要求全过程带火作业，首先就需要对井喷失控井进行非接触式远距离点火。

中国专利CN216770348U公开了一种无接触式远程点火装置，涉及远程清障技术领域，包括光纤激光器、电源、支撑结构和发射部，所述光纤激光器通过光纤与发射部连接，所述支撑结构的顶部通过转盘转动连接有阻尼铰接机构，所述阻尼铰接机构包括第一U型座和第二U型座，所述第一U型座的外壁贯穿设置有转轴，所述转轴的外壁对称套接有两个连接板，所述连接板的顶部与第二U型座的底部固定连接。

中国专利CN115224575A提出了一种利用望远镜聚焦系统实现远程可控飞秒激光光丝点火的方法，属于激光点火技术领域，由飞秒激光放大器出射光束，通过由凹透镜和凸透镜组成的望远镜聚焦系统在远场产生飞秒光丝并作用到预混燃气中，然后将输出激光束的单脉冲能量调节到阈值，即可实现光丝点火。

上述两个专利均不适于用高压油气井井喷的远距离点火，存在点火距离短(不足50m)且易失效的缺点，因此亟需设计一种适用于高压油气井井喷的安全可靠、可实现远距离点火的装置，为井喷失控后续抢险作业创造条件。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足的至少一项，本发明的目的之一是提供一种适用于井喷失控井的激光远程点火装置。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种适用于井控应急的激光远程点火装置。

所述装置可包括供电单元、发射单元、瞄准单元和稳定单元；供电单元能够为需要电能的单元提供电能；发射单元能够发射激光束；瞄准单元能够对目标物进行远程瞄准，并使发射单元发射的激光束聚焦在目标物上；稳定单元能够带动瞄准单元转动，并保证瞄准单元转动时的稳定。

根据本发明的一个示例性实施例，所述井控应急可包括井喷失控井的抢险作业。

根据本发明的一个示例性实施例，所述发射单元可包括光纤激光器，光纤激光器通过光纤缆连接所述瞄准单元，建立激光发射通道。

根据本发明的一个示例性实施例，所述光纤激光器的额定输出功率可为600W，功率可调范围为10～100％；和/或，所述光纤缆长度≤3m。

根据本发明的一个示例性实施例，所述发射单元上设置有散热风扇。

根据本发明的一个示例性实施例，所述瞄准单元可包括激光头；激光头可包括并排设置的电子远程瞄准器和激光能量远程聚焦器；电子远程瞄准器和激光能量远程聚焦器均设置在激光头的前端位置。

根据本发明的一个示例性实施例，所述电子远程瞄准器可包括远程瞄准组件和高清图像采集组件；远程瞄准组件可包括从后往前依次设置的聚焦窗口、聚焦镜头组、校准参考物和调节旋钮；高清图像采集组件可包括数字摄像头。

根据本发明的一个示例性实施例，所述电子远程瞄准器还可包括红外夜视结构。

根据本发明的一个示例性实施例，所述激光能量远程聚焦器可包括从后往前依次设置的激光窗口、非球面聚焦镜、金属触点和QBH光纤输出头。

根据本发明的一个示例性实施例，所述激光窗口与所述非球面聚焦镜的距离可为8～15mm。

根据本发明的一个示例性实施例，所述光纤激光器可通过光纤缆与所述激光能量远程聚焦器连接；光纤激光器发射的激光束可通过激光能量远程聚焦器入射。

根据本发明的一个示例性实施例，所述稳定单元可包括云台和伸缩三脚架；所述激光头置于云台上，云台置于伸缩三角架上。

根据本发明的一个示例性实施例，所述装置还包括控制单元，控制单元包括激光控制面板，激光控制面板通过无线控制系统控制发射开关和激光参数。

根据本发明的一个示例性实施例，激光在0～300m处聚焦。

另一方面本发明提供了一种激光远程点火方法，所述方法采用如上所述的适用于井控应急的激光远程点火装置进行点火。

进一步地，所述方法可用于井喷失控井的抢险作业。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)激光通过激光能量远程聚焦器的非球面镜片实现高效能远程聚焦，缩短了点火时间。

(2)光学系统简单、体积小、重量轻，调试方便。

(3)激光头设计嵌入红外夜视结构，可以实现黑暗区域及夜间点火，满足全天候的点火需要。

(4)实现激光束在0～300m远距离安全稳定聚焦。

(5)通过激光加热原理引燃井喷时可燃性喷出物，消除井喷现场燃爆、硫化氢中毒及环境污染风险。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明一个示例性实施例的适用于井控应急的激光远程点火装置整体结构示意图；

图2示出了本发明一个示例性实施例的激光头的结构示意图；

图3示出了本发明一个示例性实施例的电子远程瞄准器和激光能量远程聚焦器的结构示意图。

附图标记说明：

1-供电单元；2-发射单元；

3-瞄准单元，31-电子远程瞄准器，311-远程瞄准组件，3111-聚焦窗口；3112-聚焦镜头组；3113-校准参考物；3114-调节旋钮；312-高清图像采集组件；32-激光能量远程聚焦器，321-激光窗口；322-非球面聚焦镜；323-铜触点；324-QBH光纤输出头；

4-稳定单元；5-控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，使本技术领域的人员更好地理解本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

示例性实施例1

本示例性实施例提供了一种适用于井控应急的激光远程点火装置，该装置可以用于井喷失控井的抢险作业。

如图1所示，所述装置可包括供电单元1、发射单元2、瞄准单元3和稳定单元4。其中，供电单元1能够为需要电能的单元提供电能；发射单元2能够发射激光束；瞄准单元3能够对目标物进行远程瞄准，并使发射单元2发射的激光束聚焦在目标物上；稳定单元4能够带动瞄准单元3转动，并保证瞄准单元3转动时的稳定。

在本实施例中，发射单元可包括光纤激光器，光纤激光器通过光纤缆连接瞄准单元，建立激光发射通道。

在本实施例中，光纤激光器的额定输出功率可以为600W，功率可调范围为10～100％，即输出功率范围为600W的10～100％，也就是说，功率可调范围为60～600W，例如100W、150W、200W、250W、300W、400W、500W。针对不同壁厚的金属，采用控制单元的激光控制面板调节激光输出功率，实现金属快速升温引燃喷出物，高效节能。

在本实施例中，光纤缆长度≤3m，例如0.5m、1m、1.5m、2m、2.5m。将光纤缆长度控制在≤3m可以减少激光能量在内部通道的损失。

在本实施例中，发射单元上设置有散热风扇。

在本实施例中，供电单元包括电池和电源线；电池通过电源线连接光纤激光器与散热风扇，提供激光发射能量与风冷能量。

在本实施例中，瞄准单元可包括激光头。如图2所示，激光头包括并排设置的电子远程瞄准器31和激光能量远程聚焦器32；电子远程瞄准器31和激光能量远程聚焦器32均设置在激光头的前端位置。通过激光头内部的电子远程瞄准器31获取瞄准图像。电子远程瞄准器31和激光能量远程聚焦器32为上下连接的结构，全部设置在激光头前端。在位置结构确定后调试光学参数，电子远程瞄准器31准确获取激光图像。当然，本发明不限于此，电子远程瞄准器31和激光能量远程聚焦器32也可设置在其他能够实现准确获取激光图像的位置。

在本实施例中，光纤激光器通过光纤缆与激光头内的激光能量远程聚焦器连接，实现激光远距离聚焦目标物。

在本实施例中，如图2和图3所示，电子远程瞄准器31包括远程瞄准组件311和高清图像采集组件312；远程瞄准组件311包括从后往前依次设置的聚焦窗口3111、聚焦镜头组3112、校准参考物3113和调节旋钮3114；高清图像采集组件312包括数字摄像头，其中，校准参考物3113包括校准刻度线。

微型高清图像采集组件采用数字摄像头捕捉画面的原理，同时结合远程瞄准组件整合激光光路点，使得激光光路平行于远程瞄准组件腔体内壁且接近于非球面光学镜片的中心点；将激光光路出光点置于远程瞄准组件的摄像画面中心位置，画面进行十字交叉处理，定位于交叉点，以此来作为激光作用能量的靶心点，从而起到瞄准作用。

在本实施例中，电子远程瞄准器还包括红外夜视结构。通过微型高清图像采集组件的摄像头捕捉画面原理结合摄像头本身自带的星光级夜视功能实现白天和夜晚图像的捕捉及处理。

在本实施例中，如图2和图3所示，激光能量远程聚焦器32包括从后往前依次设置的激光窗口321、非球面聚焦镜322、铜触点323和QBH光纤输出头324。通过非球面聚焦镜322进行聚焦，通过调节旋钮3114对聚焦点进行调整，激光束通过QBH光纤输出头324输出，铜触点323在激光光束正常发生传导的过程中吸收偏离激光能量，利用铜本身良好的能量传导性，起到散热作用，避免激光能量远程瞄准聚焦器受偏离激光的照射而损坏，最终实现激光束在0～300m处聚焦。

在本实施例中，所述光纤激光器通过光纤缆与所述激光能量远程聚焦器连接；光纤激光器发射的激光束通过激光能量远程聚焦器的激光窗口入射。

在本实施例中，激光能量远程聚焦器长度为160～165mm、直径有前后端划分，后端直径40～43mm、前端直径为25～28mm的整体形状为圆柱形的腔体。例如长度为161mm、162mm、163mm、164mm，后端直径为41mm、42mm，前端直径为26mm、27mm。激光能量远程聚焦器后端配备标准的QBH卡接头连接激光器发出的由光纤传导而来的激光能量，并转换激光传导介质，由光纤传导转化为空气传导。因为激光转换传导介质的过程中会发生散射，因此激光能量远程聚焦器起到对散射的激光能量通过光学聚焦镜片进一步整合的作用。激光能量远程聚焦器作为激光能量传导介质转换的进一步整合组件，需要通过光学镜片对激光能量光束进行整合，因此在聚焦器腔体内部采用多重经过特殊处理的光学镜片对激光进行振镜处理。采用圆柱形的设计，适用光学传播原理，节省空间的同时最大限度起到对激光的整合作用。

在本实施例中，激光窗口是一个空腔结合特殊处理之后的光学镜片组成的窗口，应用了光学激光的波长和脉冲的属性使散射的激光能量通过光学聚焦镜片进一步整合后再次将激光能量传导至自然环境中。

在本实施例中，非球面聚焦镜采用的是玻璃材质，加覆三氧化硼膜。非球面聚焦镜对应的是球面聚焦镜，两者都是常用的矫正屈光不正的镜片类型，区别在于球面镜片外观上凸起比较明显，并且镜片厚度比较大，周边光学区透光成像属性质量要明显差于非球面镜片，会出现变形、有光晕等影响视觉质量的现象。而非球面镜片外观比较平坦，厚度比较薄，镜片周边光学区产生光学畸变的程度要明显低于球面镜片，一般不容易出现畸变。因此，采用非球面聚焦镜可以将散射的激光能量整合。

在本实施例中，激光窗口与非球面聚焦镜的距离为8～15mm。激光窗口位于非球面聚焦镜的上光路，主要起到对光纤传导来的激光进行一次(初次)整合的作用，再通过非球面聚焦镜进行再次整合。两者之间的距离根据实际情况而定，距离范围为8～15mm，例如9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm。

在本实施例中，铜触点位于激光能量远程聚焦器的前端位置，距离后端激光窗口约为135～140mm，例如137mm、139mm；距离输出末端距离约30～35mm，例如31mm、33mm；主要由一块总体直径为10～12mm，中间开口直径为5～6mm，厚度为2～3mm的圆形空腔铍铜合金材质构成。当然，本发明还可以采用其他金属作为金属触点，例如银触点，银的金属稳定性和导热性相较于铜更好，但是铜的性价比最高。

在本实施例中，如图1所示，所述装置还包括控制单元5，控制单元5包括激光控制面板，激光控制面板通过无线控制系统控制发射开关和激光参数。

通过非球面聚焦镜进行聚焦，通过调节旋钮对聚焦点进行调整，以实现云台控制器和激光控制面板的成像适配调整，调整后的激光束通过QBH光纤输出头输出，通过铜触点的能量传导，最终实现激光束在0～300m处聚焦，例如在5m、30m、50m、100m、120m、150m、220m、290m处聚焦。

在本实施例中，所述稳定单元包括云台和伸缩三脚架；所述激光头置于云台上，云台置于伸缩三角架上。控制单元连接云台，控制云台转动，实现目标物的快速瞄准，提高置于云台上的激光头的瞄准稳定性。云台置于支撑结构伸缩三脚架上，提高装置的空间使用范围，保证激光头转动时的稳定性。

示例性实施例2

本示例性实施例提供了一种激光远程点火方法，所述方法采用示例性实施例1所述的激光远程点火装置进行点火。

在本实施例中，激光通过激光能量远程聚焦器的非球面镜片实现远程聚焦，辐照于喷口附近的金属表面，金属吸收激光瞬间高能量后，温度急剧升高，达到可燃喷出物燃点，实现无接触远程点火。

在本实施例中，激光通过激光能量远程聚焦器的非球面镜片实现远程聚焦，辐照于喷口附近设置的易燃物，将此易燃物点燃，进而引燃可燃喷出物，实现无接触远程点火。

综上所述，本发明通过激光能量远程聚焦器的非球面聚焦镜实现高效能远程聚焦，点火距离＞150m，相比扩束聚焦方法，光学系统简单、体积小、重量轻，调试方便。激光头设计嵌入红外夜视结构，可以实现黑暗区域及夜间目标物快速瞄准，满足全天候的点火需要。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述装置包括供电单元、发射单元、瞄准单元和稳定单元；

供电单元能够为需要电能的单元提供电能；

发射单元能够发射激光束；

瞄准单元能够对目标物进行远程瞄准，并使发射单元发射的激光束聚焦在目标物上；

稳定单元能够带动瞄准单元转动，并保证瞄准单元转动时的稳定。

2.根据权利要求1所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述发射单元包括光纤激光器，光纤激光器通过光纤缆连接所述瞄准单元，建立激光发射通道。

3.根据权利要求2所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述光纤激光器的额定输出功率为600W，功率可调范围为10～100％；

和/或，

所述光纤缆长度≤3m。

4.根据权利要求1所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述发射单元上设置有散热风扇。

5.根据权利要求2所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述瞄准单元包括激光头；

激光头包括并排设置的电子远程瞄准器和激光能量远程聚焦器；

电子远程瞄准器和激光能量远程聚焦器均设置在激光头的前端位置。

6.根据权利要求5所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述电子远程瞄准器包括远程瞄准组件和高清图像采集组件；

远程瞄准组件包括从后往前依次设置的聚焦窗口、聚焦镜头组、校准参考物和调节旋钮；

高清图像采集组件包括数字摄像头。

7.根据权利要求6所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述电子远程瞄准器还包括红外夜视结构。

8.根据权利要求5所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述激光能量远程聚焦器包括从后往前依次设置的激光窗口、非球面聚焦镜、金属触点和QBH光纤输出头。

9.根据权利要求8所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述激光窗口与所述非球面聚焦镜的距离为8～15mm。

10.根据权利要求5所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述光纤激光器通过光纤缆与所述激光能量远程聚焦器连接；光纤激光器发射的激光束通过激光能量远程聚焦器入射。

11.根据权利要求5所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述稳定单元包括云台和伸缩三脚架；所述激光头置于云台上，云台置于伸缩三角架上。

12.根据权利要求1所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，所述装置还包括控制单元，控制单元包括激光控制面板，激光控制面板通过无线控制系统控制发射开关和激光参数。

13.根据权利要求1所述的适用于井控应急的激光远程点火装置，其特征在于，激光在0～300m处聚焦。

14.一种激光远程点火方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-13中任意一项所述的适用于井控应急的激光远程点火装置进行点火。

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