使用高功率激光束的井下深层隧道掘进工具和方法
【专利说明】
[0001]发明人:萨米?伊萨?巴塔尔赛
技术领域
[0002]本发明涉及一种用于穿透含烃地层的方法和装置。更具体而言，本发明涉及一种使用井下激光工具升华含烃地层来构建网络的方法和装置。
【背景技术】
[0003]井筒增产处理是石油工程的一个分支，其专注于如何提高烃从地层到井筒的流动来进行生产。为了从目标地层中产生烃，地层中的烃需要从地层流动到井筒，以便被产生并流动到地面。通过地层渗透性装置实现从地层到井筒的流动。当地层渗透性较低时，应用增产处理，以增强流动。增产处理可被应用于井筒周围并进入到地层中，以在地层中构建网络。
[0004]用于增产处理的第一步骤通常是对套管进行穿孔并用水泥粘合，以便到达地层。对套管进行穿孔的一种方法是使用聚能装药(shaped charge)。在井筒内将聚能装药下放到目标释放区域。聚能装药的爆炸产生穿透钢制套管、水泥并进入到地层中的短隧道。
[0005]聚能装药的使用具有几个缺点。例如，聚能装药在隧道周围产生致密区域，从而降低了渗透性，并因此降低了产量。聚能装药的高速冲击粉碎了岩层，并产生堵塞地层的孔间通道的极细颗粒，从而降低了流量和产量。存在在隧道中形成熔融物的可能。不能对由聚能装药产生的隧道的几何形状和方向进行控制。存在对隧道的穿透深度和直径的限制。存在在处理的同时在地面爆炸的风险。
[0006]增产处理的第二阶段通常涉及通过由聚能装药产生的隧道栗送流体。以超过引起地层和岩石破裂和破碎的地层破坏压力(被称为水力压裂)的速率栗送流体。大多数情况下使用称为水力压裂液的水基液进行水力压裂。水力压裂液可能破坏地层，特别是页岩。水力压裂产生地层裂缝，从而形成地层与井筒之间的连网。
[0007]水力压裂也具有几个缺点。首先，如上所述，水力压裂可能破坏地层。另外，不能对裂缝的方向进行控制。已知的是，裂缝可能又闭合上。由于管道中的水具有高压，因此可能在地面上存在风险。在缺水地区，获得水力压裂所需的数以百万加仑的水存在挑战。对于添加到水力压裂液中的各种成分而言，存在环境问题。
[0008]另外，如上所述的两阶段式压裂系统可能比较昂贵。
【发明内容】
[0009]本发明涉及一种用于穿透含烃地层达到所需穿透深度的方法和装置。更具体而言，本发明涉及一种用于穿透含烃地层的井下激光工具。
[0010]在本发明的一个实施例中，用于穿透含烃地层的井下激光工具包括构造为产生高功率激光束的激光地面单元。激光地面单元与光缆电连通。光缆构造为传导高功率激光束。光缆包括:绝缘电缆，其构造为抵抗高温和高压；保护性激光光缆，其构造为传导高功率激光束；激光地面端部，其构造为接收高功率激光束；激光电缆端部，其构造为从光缆发射原始激光束。井下激光工具包括:外部套管，其放置在现有井筒内，现有井筒在含烃地层内延伸；硬壳体，其放置在外部套管内，其中，光缆包含在硬壳体内；以及旋转系统，其定位在外部套管内。旋转系统包括:旋转壳体，其与硬壳体的端部联接；以及旋转头，其从旋转壳体延伸。旋转系统构造为围绕硬壳体的轴线旋转。旋转头包括:聚焦系统，其构造为引导原始激光束；以及井下激光工具头，其构造为将准直激光束发射到含烃地层中。聚焦系统包括:光束操纵器，其构造为引导原始激光束；聚焦透镜，其构造为形成聚焦激光束；以及准直仪，其构造为形成准直激光束。光束操纵器定位成靠近光缆的激光电缆端部，聚焦透镜定位成接收原始激光束，准直仪定位成接收聚焦激光束。井下激光工具头包括:第一玻璃盖板，其靠近聚焦系统；激光喷口，其定位成从井下激光工具头发射准直激光束；流体刀，其靠近第一玻璃盖板的激光喷口侧；清洗喷嘴，其在井下激光工具内靠近激光喷口 ；吸气嘴，其靠近激光喷口 ；以及温度传感器，其邻近激光喷口。第一玻璃盖板构造为保护聚焦系统。流体刀构造为清扫第一玻璃盖板。清洗喷嘴构造为除去准直激光束的路径中的灰尘。吸气嘴构造为收集准直激光束的路径中的水汽。
[0011]在某些实施例中，井下激光工具包括:稳定垫，其附接在硬壳体上，并且构造为相对于外部套管将硬壳体保持就位。
[0012]在井下激光工具的某些实施例中，光束操纵器是反射镜。
[0013]在井下激光工具的某些实施例中，光束操纵器是分束器。
[0014]在某些实施例中，井下激光工具还包括:第二玻璃盖板，其定位成在第一玻璃盖板与流体刀之间靠近第一玻璃盖板。
[0015]在井下激光工具的某些实施例中，聚焦透镜定位成靠近光缆的激光电缆端部，准直仪定位成接收聚焦激光束，光束操纵器定位成接收准直激光束。
[0016]在某些实施例中，井下激光工具还包括从一个旋转壳体延伸出的多个旋转头。
[0017]在某些实施例中，井下激光工具还包括多个旋转系统。
[0018]在某些实施例中，井下激光工具具有锥形激光喷口。
[0019]本发明还涉及一种利用井下激光工具穿透含烃地层的方法。该方法包括将井下激光工具延伸到现有井筒中。井下激光工具包括:激光地面单元，其与光缆连接；硬壳体，其围绕光缆；外部套管，其围绕硬壳体；旋转系统，其定位在外部套管内；以及旋转头，其从旋转系统延伸。旋转头包括聚焦系统和井下激光工具头。聚焦系统包括光束操纵器、聚焦透镜和准直仪。井下激光工具头包括第一玻璃盖板、流体刀、清洗喷嘴、吸气嘴和温度传感器。该方法包括在运行模式下操作激光地面单元，当准直激光束达到所需穿透深度时，运行模式结束。与激光地面单元连接的光缆在运行模式期间将原始激光束传导至旋转系统的旋转头的聚焦系统。该方法还包括从光缆将原始激光束发射到光束操纵器。光束操纵器朝向聚焦透镜重新定向原始激光束的路径。该方法还包括:在聚焦透镜中聚焦原始激光束，以形成聚焦激光束；在准直仪中准直聚焦激光束，以形成准直激光束；使准直激光束穿过第一玻璃盖板；用流体刀清扫第一玻璃盖板；在运行模式期间，用清洗喷嘴清洗准直激光束的路径；在运行模式期间，用准直激光束升华含烃地层，以形成达到所需穿透深度的隧道；以及在运行模式期间，用吸气嘴抽吸灰尘和水汽。
[0020]在某些实施例中，该方法还包括使旋转系统旋转，以瞄准含烃地层的新区域。
[0021]在某些实施例中，旋转系统包括多个旋转头。
[0022]在某些实施例中，运行模式包括循环模式，使激光地面单元在工作周期与停用周期之间循环，在工作周期期间，将原始激光束从激光地面单元传导至聚焦系统。
[0023]在某些实施例中，该方法还包括以下步骤:在工作周期期间，用清洗喷嘴清洗准直激光束的路径；以及在停用周期期间，用吸气嘴抽吸灰尘和水汽。
[0024]在某些实施例中，运行模式包括连续模式，其中，激光地面单元连续工作，直到达到所需穿透深度。
【附图说明】
[0025]参考以下描述、权利要求和附图将能够更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。然而，应注意的是，附图仅示出本发明的几个实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，这是因为本发明允许其他的等效实施例。
[0026]图1是本发明实施例的透视图。
[0027]图2是本发明实施例的剖视图。
[0028]图3是旋转头的实施例的透视图和光缆的分解图。
[0029]图4A是旋转头的实施例的剖视图。
[0030]图4B是旋转头的可选实施例的剖视图。
[0031]图4C是旋转头的可选实施例的剖视图。
【具体实施方式】
[0032]虽然将用几个实施例描述本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员将认识至IJ，本文所描述的装置和方法的实例、变化和改变都在本发明的范围和精神内。因此，在不失一般性的情况下和在没有对所要求保护的发明强加限制的情况下，阐述了本文所述的本发明的各示例性实施例。
[0033]图1示出了根据本发明的一个实施例的井下激光工具的透视图。激光地面单元10位于现有井筒4附近的地面上。现有井筒4已被掘进到含烃地层2中，并通过水泥6和井筒套管8进行加固。井下激光工具头(未示出)位于现有井筒4内。激光地面单元10与光缆20电连通。激光地面单元10与光缆20的激光地面端部55连接。光缆20的激光电缆端部(未示出)与井下激光工具头(未示出)连接。在某些实施例中，多根光缆20可以将激光地面单元10连接至井下激光工具1。
[0034]—般来说，井下激光工具1的构造材料可以是能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动并且保护系统免受流体、灰尘和碎肩侵害的任何类型的材料。本领域的普通技术人员将熟悉合适的材料。
[0035]激光地面单元10将能量激发到高于