BR112019027373B1 - HIGH POWER LASER SYSTEM AND LASER CUTTING DRILL - Google Patents

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BR112019027373B1
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Brian Faircloth
Jason D. Fraze
Ryan P. Mckay
Greg Braeckel
Ryan J. Norton
Allen Tracy
Eric Borcherding
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Foro Energy, Inc.
Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
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Abstract

Systems and apparatus for performing laser kerfing operations in boreholes. Systems and apparatus for providing a plurality of laser beams in a concentric ring laser beam pattern to create holes in the bottom of a borehole surface in a pattern correspond to the laser beam pattern. The system having mechanical devices to remove laser weakened rock that is associate with the laser created holes, the mechanical devices forming a removal pattern that is the negative of the concentric ring pattern.Systems and apparatus for performing laser kerfing operations in boreholes. Systems and apparatus for providing a plurality of laser beams in a concentric ring laser beam pattern to create holes in the bottom of a borehole surface in a pattern corresponding to the laser beam pattern. The system having mechanical devices to remove laser weakened rock that is associated with the laser created holes, the mechanical devices forming a removal pattern that is the negative of the concentric ring pattern.

Description

Campo da InvençãoField of Invention

[01] Sistemas e aparelhos para a realização de operações por corte a de laser em poços. Sistemas e aparelhos para emitir múltiplos feixes de laser em um padrão de feixes de laser em anéis concêntricos capaz de produzir orifícios na superfície do fundo de um poço num padrão correspondente ao padrão dos feixes de laser. Contando o sistema com dispositivos mecânicos para remover a rocha enfraquecida em decorrência dos orifícios produzidos pelo de laser, formando os dispositivos mecânicos um padrão de remoção que é negativo ao padrão de anéis concêntricos.[01] Systems and apparatus for carrying out laser cutting operations in wells. Systems and apparatus for emitting multiple laser beams in a concentric ring laser beam pattern capable of producing holes in the bottom surface of a well in a pattern corresponding to the laser beam pattern. The system has mechanical devices to remove the weakened rock due to the holes produced by the laser, the mechanical devices forming a removal pattern that is negative to the pattern of concentric rings.

Descrição do Estado da TécnicaDescription of the State of the Art

[02] As presentes invenções dizem respeito a ferramentas, métodos e sistemas de energia de laser de alta potência.[02] The present inventions relate to tools, methods and high-power laser energy systems.

[03] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, por "energia de laser de alta potência" entende- se um feixe de laser com uma potência de, pelo menos, 1 kW (quilowatt) aproximadamente.[03] As used herein, unless otherwise indicated, "high-power laser energy" means a laser beam with a power of at least 1 kW (kilowatt) approximately.

[04] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, ao termo "solo" deve ser atribuído o significado mais amplo possível, incluindo nele o solo, todos os materiais naturais, como pedras, e materiais artificiais, como o concreto, que são ou podem ser encontrados no solo, incluindo, mas não limitado a, camadas de formações rochosas, tais como granito, basalto, arenito, dolomita, areia, sal, calcário, riólito, quartzito e xisto.[04] As used herein, unless otherwise indicated, the term "soil" shall be given the broadest possible meaning, including in it soil, all natural materials, such as stone, and artificial materials, such as concrete, which are or can be found in soil, including, but not limited to, layers of rock formations such as granite, basalt, sandstone, dolomite, sand, salt, limestone, rhyolite, quartzite and shale.

[05] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, ao termo "perfuração" deve ser atribuído o significado mais amplo possível, incluindo nele qualquer abertura que é criada em um material, uma peça, uma superfície, no solo, em uma formação, em uma estrutura (por exemplo, edifício, instalação militar protegida, usina nuclear, plataforma offshore ou navio), ou em uma estrutura no solo, sendo substancialmente mais profunda do que larga, como um poço, uma perfuração, uma cavidade de poço, um micro poço, um poço de pequeno diâmetro (slimhole), um orifício e outros termos comumente usados ou conhecidos para definir esses tipos de passagens longas e estreitas. Poços incluem ainda poços exploratórios, de produção, abandonados, reentrados, retrabalhados e de injeção. Embora a orientação dos poços seja em geral substancialmente vertical, elas também podem ser orientadas em um ângulo entre a posição vertical e a horizontal, incluindo esta última. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, o "fundo" de um poço, a "superfície do fundo" do poço e termos semelhantes referem-se ao fim do poço; ou seja, a parte do poço mais distante, seguindo o traçado do poço, da abertura do poço, da superfície do solo ou do início do poço. Aos termos "lado" e "parede" de um poço devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles as superfícies longitudinais do poço, quer esteja ou não presente um revestimento ou forro; assim, estes termos iriam incluir as laterais de um poço aberto ou as laterais do revestimento que tiver sido colocado dentro de um poço. Poços podem ser formados no leito marinho sob corpos de água, em terra firme, em formações de gelo ou em outros locais e arranjos.[05] As used herein, unless otherwise indicated, the term "perforation" shall be given the broadest possible meaning, including any opening that is created in a material, a part, a surface, in the ground, in a formation, in a structure (e.g., building, protected military installation, nuclear power plant, offshore platform, or ship), or in a structure in the ground, being substantially deeper than it is wide, such as a well, a borehole, a well cavity, a micro well, a small diameter well (slimhole), an orifice, and other commonly used or known terms to define these types of long, narrow passages. Wells also include exploratory, production, abandoned, re-entered, reworked and injection wells. Although the orientation of wells is generally substantially vertical, they can also be oriented at an angle between vertical and horizontal, including the latter. As used herein, unless otherwise indicated, the "bottom" of a well, the "bottom surface" of the well, and similar terms refer to the end of the well; that is, the part of the well furthest away, following the line of the well, the well opening, the ground surface or the beginning of the well. The terms "side" and "wall" of a well should be given the broadest possible meanings, including the longitudinal surfaces of the well, whether or not a casing or lining is present; thus, these terms would include the sides of an open well or the sides of casing that has been placed within a well. Wells can be formed on the seabed under bodies of water, on dry land, in ice formations, or in other locations and arrangements.

[06] Poços são geralmente formados e avançados utilizando equipamento de poço com uma ferramenta de perfuração rotativa, por exemplo, uma broca. Como exemplo, e de um modo geral, quando se realiza uma perfuração no solo, uma broca de perfuração é direcionada para o solo e para dentro deste, rotacionando para criar um poço no solo. Em geral, para levar a cabo a operação de perfuração a broca deve ser forçada contra o material a ser removido com uma força suficiente para exceder a resistência desse material ao cisalhamento, à compressão ou à combinação de ambas.[06] Wells are generally formed and advanced using well equipment with a rotating drilling tool, for example, a drill bit. As an example, and in general, when drilling in the ground, a drill bit is directed towards and into the ground, rotating to create a well in the ground. In general, to carry out the drilling operation the bit must be forced against the material to be removed with a force sufficient to exceed the resistance of that material to shear, compression or a combination of both.

[07] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, ao termo "avançar" em um poço deve ser atribuído o significado mais amplo possível, incluindo nele o aumento do comprimento do poço. Assim, ao avançar em um poço, desde que a orientação não seja horizontal, por exemplo, menos de 90°, a profundidade do poço também pode aumentar. A profundidade vertical (TVD - true vertical depth) de um poço é a distância entre o topo ou a superfície do poço e a profundidade em que o fundo do poço está localizado, medida ao longo de uma linha vertical reta. A profundidade medida (MD - measure depth) de um poço é a distância medida ao longo do percurso real do poço desde o topo ou superfície até o fundo. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, o termo profundidade de um poço se referirá à MD. Em geral, pode ser utilizado um ponto de referência para a parte superior do poço, como a mesa rotativa, a plataforma de poço, a cabeça de poço, ou abertura inicial ou a superfície da estrutura na qual o poço está situado.[07] As used herein, unless otherwise indicated, the term "advance" in a well should be given the broadest possible meaning, including increasing the length of the well. Therefore, when advancing into a well, as long as the orientation is not horizontal, for example less than 90°, the depth of the well can also increase. The true vertical depth (TVD) of a well is the distance between the top or surface of the well and the depth at which the bottom of the well is located, measured along a straight vertical line. The measured depth (MD - measure depth) of a well is the distance measured along the actual path of the well from the top or surface to the bottom. As used herein, unless otherwise indicated, the term depth of a well will refer to MD. In general, a reference point for the top of the well may be used, such as the rotary table, the well platform, the wellhead, or opening or the surface of the structure on which the well is situated.

[08] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, aos termos "mandrilar", "alargar" um poço, ou a termos similares a estes, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles qualquer atividade realizada sobre as laterais de um poço, como por exemplo, o alisamento; o aumento do diâmetro do poço; a remoção de materiais das laterais do poço, como parafinas ou rebocos; e o alargamento do poço.[08] As used herein, unless otherwise indicated, the terms "boring", "widening" a well, or terms similar to these, must be given the broadest possible meanings, including any activity carried out on the sides of a well. well, such as straightening; increasing the diameter of the well; the removal of materials from the sides of the well, such as paraffins or plaster; and the widening of the well.

[09] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, aos termos "broca de perfuração", "broca”, "broca perfuradora", ou a termos similares a estes, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles todas as ferramentas concebidas ou destinadas a realizar uma perfuração.[09] As used herein, unless otherwise indicated, the terms "drilling bit", "drill", "drilling bit", or terms similar to these, must be given the broadest possible meanings, including all tools designed or intended for drilling.

[10] Nos tipos de perfuração mecânica, o Estado da Técnica e o direcionamento da prática preveem que para avançar em um poço deve ser utilizada uma grande força para empurrar a broca contra o fundo do poço enquanto a broca é rotacionada. Esta força é referida como peso na broca (WOB - weight-on-bit). Normalmente, dezenas de milhares de libras de WOB são usadas para avançar em um poço usando um processo de perfuração mecânica. As brocas mecânicas cortam as rochas aplicando pressões de esmagamento (compressivas) e/ou cisalhamento criadas pela rotação de uma superfície de corte contra a rocha e pela aplicação de uma grande quantidade de peso na broca. Por exemplo, o WOB aplicado a uma broca de 8 3/4" PDC pode ser de até 15.000 lbs, e o WOB aplicado a uma broca de cones de 8 3/4" pode ser de até 60.000 lbs. Quando brocas mecânicas são usadas para a perfuração de rocha dura e ultradura, o WOB excessivo, o rápido desgaste da broca e os longos períodos de tripping resultam em uma taxa real de perfuração que é essencialmente economicamente inviável. A taxa real de perfuração se baseia no tempo total necessário para completar o poço e, por exemplo, incluiria o tempo gasto com tripping de entrada e saída do poço, bem como o tempo necessário para reparar ou substituir brocas danificadas e gastas.[10] In types of mechanical drilling, the State of the Art and the direction of practice predict that to advance in a well a great force must be used to push the bit against the bottom of the well while the bit is rotated. This force is referred to as weight-on-bit (WOB). Typically, tens of thousands of pounds of WOB are used to advance a well using a mechanical drilling process. Power drills cut rocks by applying crushing (compressive) and/or shear pressures created by rotating a cutting surface against the rock and applying a large amount of weight to the drill bit. For example, the WOB applied to an 8 3/4" PDC drill can be up to 15,000 lbs, and the WOB applied to an 8 3/4" cone drill can be up to 60,000 lbs. When mechanical drills are used for drilling hard and ultrahard rock, excessive WOB, rapid bit wear, and long tripping periods result in an actual drilling rate that is essentially economically unfeasible. The actual drilling rate is based on the total time required to complete the well and, for example, would include time spent tripping in and out of the well, as well as time required to repair or replace damaged and worn drill bits.

[11] Em paticular, pode ser observado que o estado da técnica compreende algumas tentativas de soluções envolvendo sistemas a laser, como é o caso do documento US2012074110A1. No entanto, os objetivos de tal documento são completamene distintos do que descreve a presente invenção. Precisamente, US2012074110A1 descreve sistemas de laser de alta potência, aparelhos e métodos para realizar operações de laser, em particular em ambientes onde um meio opticamente obstruído pode estar presente no caminho do feixe de laser, como dentro do poço de um poço de petróleo, gás ou geotérmico, ou abaixo da superfície de um corpo de água. De forma totalmente distinta, a presente invenção objetiva emitir múltiplos feixes de laser em um padrão de feixes de laser em anéis concêntricos, produzindo orifícios na superfície do fundo de um poço e removendo a rocha enfraquecida presente no fundo do poço em decorrência dos referidos orifícios. Portanto, resta claro que o estado da técnica carece de soluções como a da presente invenção.[11] In particular, it can be observed that the state of the art includes some attempted solutions involving laser systems, as is the case with document US2012074110A1. However, the objectives of such a document are completely different from those describing the present invention. Precisely, US2012074110A1 describes high-power laser systems, apparatus and methods for carrying out laser operations, in particular in environments where an optically obstructed medium may be present in the path of the laser beam, such as within the wellbore of an oil, gas well or geothermal, or below the surface of a body of water. In a completely different way, the present invention aims to emit multiple laser beams in a pattern of laser beams in concentric rings, producing holes in the surface of the bottom of a well and removing the weakened rock present at the bottom of the well as a result of said holes. Therefore, it is clear that the state of the art lacks solutions such as that of the present invention.

[12] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, aos termos "offshore" e "atividades de perfuração offshore", ou a termos similares a estes, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles as atividades de perfuração levadas a cabo sobre ou em qualquer corpo de água, seja de água doce ou salgada, artificial ou natural, como por exemplo, rios, lagos, canais, mares interiores, oceanos, mares, baías e golfos, tais como o Golfo do México. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, ao termo "sonda de perfuração offshore" deve ser atribuído o significado mais amplo possível, e inclui torres fixas, suportes, plataformas, balsas, plataformas auto elevatórias, plataformas flutuantes, navios de perfuração, navios de perfuração dinamicamente posicionados, semissubmersíveis e semissubmersíveis dinamicamente posicionados. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, ao termo "leito marinho" deve ser atribuído o significado mais amplo possível, incluindo nele qualquer superfície do solo que se encontra sob, ou no fundo de qualquer corpo de água, seja ele artificial ou natural e seja de água doce ou salgada. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, aos termos "poço" e "perfuração" devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles qualquer poço que for perfurado, ou produzido por algum outro processo, na superfície do solo, por exemplo, no fundo do mar ou no leito marinho, e incluindo ainda poços exploratórios, de produção, abandonados, reentrados, retrabalhados e de injeção.[12] As used herein, unless otherwise indicated, the terms "offshore" and "offshore drilling activities", or terms similar to these, shall be given the broadest possible meanings, including drilling activities carried out on or in any body of water, whether fresh or salt water, artificial or natural, such as rivers, lakes, canals, inland seas, oceans, seas, bays and gulfs, such as the Gulf of Mexico. As used herein, unless otherwise indicated, the term "offshore drilling rig" shall be given the broadest possible meaning, and includes fixed towers, supports, platforms, barges, jack-up platforms, floating platforms, drilling vessels, dynamically positioned drilling, semi-submersible and dynamically positioned semi-submersible drilling. As used herein, unless otherwise indicated, the term "seabed" shall be given the broadest possible meaning, including any surface of the ground which lies under, or at the bottom of, any body of water, whether artificial or natural and whether fresh or salt water. As used herein, unless otherwise indicated, the terms "well" and "drilling" shall be given the broadest possible meanings, including any well that is drilled, or produced by some other process, into the surface of the ground, e.g. on the seabed or seabed, and also including exploratory, production, abandoned, re-entered, reworked and injection wells.

[13] De um modo geral, o termo “aproximadamente”, conforme aqui utilizados, salvo indicação em contrário, compreende em seu significado uma variância ou intervalo de ±10%, o erro experimental ou do instrumento associado à obtenção do valor indicado e, de preferência, o maior destes.[13] In general, the term “approximately”, as used herein, unless otherwise indicated, comprises in its meaning a variance or interval of ±10%, the experimental or instrument error associated with obtaining the indicated value and, preferably the largest of these.

[14] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, os termos "pelo menos” ou "maior que" significam o mesmo que "não ter menos de" ou "excluindo inferior a" ou "não tendo menos de" ou "exceto se inferior a”. Assim, o termo "pelo menos 10kW" é equivalente a, e significa o mesmo que, os termos "não ter uma potência inferior a 10kW" ou "não ter uma potência menor que 10kW". Do mesmo modo, o termo "superior a 10kW" significa o mesmo que os termos "excluindo uma potência inferior a 10 kW" ou "excluindo uma potência menor que 10 kW.”[14] As used herein, unless otherwise indicated, the terms "at least" or "greater than" mean the same as "not less than" or "excluding less than" or "not less than" or "except if less than”. Thus, the term "at least 10kW" is equivalent to, and means the same as, the terms "not having a power of less than 10 kW" or "not having a power of less than 10 kW". Likewise, the term “greater than 10 kW” means the same as the terms “excluding a power of less than 10 kW” or “excluding a power of less than 10 kW.”

[15] Esta seção de Antecedentes da Invenção destina-se a apresentar diversos aspectos da prática, que podem ser associados com modalidades das presentes invenções. Assim, a conteúdo desta seção fornece um arcabouço para uma melhor compreensão das presentes invenções, e não deve ser vista como uma admissão de práticas preexistentes.[15] This Background of the Invention section is intended to present various aspects of practice, which may be associated with embodiments of the present inventions. Thus, the content of this section provides a framework for a better understanding of the present inventions, and should not be viewed as an admission of preexisting practices.

Descrição Resumida da InvençãoBrief Description of the Invention

[16] É desejável desenvolver sistemas e métodos que possibilitem a aplicação de energia de laser de alta potência contra a superfície do fundo de um poço profundo para avançá- lo de forma economicamente viável e, em particular, que sejam capazes de aplicar essa energia de laser de alta potência para perfurar camadas de formações rochosas, incluindo granito, basalto, arenito, dolomita, areia, sal, calcário, riólito, quartzito e xisto, com um custo eficiente. Mais particularmente, é desejável desenvolver sistemas e métodos que forneçam a capacidade de disparar essa energia de laser de alta potência para perfurar formações de rocha dura, como granito e basalto, a uma taxa superior às operações anteriores de perfuração mecânica convencional. A presente invenção, entre outras coisas, resolve essas necessidades fornecendo o sistema, o aparelho e os métodos aqui descritos.[16] It is desirable to develop systems and methods that enable the application of high-power laser energy against the bottom surface of a deep well to advance it in an economically viable manner and, in particular, that are capable of applying this laser energy High-power laser to drill through layers of rock formations, including granite, basalt, sandstone, dolomite, sand, salt, limestone, rhyolite, quartzite and shale, cost-effectively. More particularly, it is desirable to develop systems and methods that provide the ability to fire this high-power laser energy to drill through hard rock formations, such as granite and basalt, at a rate greater than previous conventional mechanical drilling operations. The present invention, among other things, solves these needs by providing the system, apparatus and methods described herein.

[17] É fornecido um sistema de laser de alta potência dotado de um laser de alta potência capaz de emitir um feixe de laser de alta potência com um comprimento de onda, o feixe de laser em comunicação óptica com uma composição de fundo de poço que permite disparar um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço realizada em uma formação no solo, no qual a melhoria inclui: um conjunto de corte a laser, onde o conjunto de corte a laser forma parte da composição de fundo de poço; o conjunto de corte a laser compreendendo: um invólucro exterior, sendo o invólucro exterior capaz de suportar as pressões e condições do poço a 3.000 m de profundidade vertical; um canal selado que define uma cavidade que compreende múltiplos trajetos de feixes de laser; tendo o canal selado um extremo proximal e um extremo distal; compreendendo o extremo distal uma janela de pressão transparente ao comprimento de onda do feixe de laser; a janela de pressão tendo um lado proximal e um lado distal; um canal de fluídos, estando o canal de fluídos posicionado exteriormente ao canal selado e dentro do invólucro exterior, definindo o canal de fluídos um percurso de escoamento de fluidos; estando o lado proximal da janela de pressão orientado para a cavidade e o lado distal orientado para o canal de fluídos; uma broca com um canal de feixes de laser e múltiplos cortadores posicionados em uma face distal da broca, de modo que os cortadores possam atuar sobre a superfície do fundo do poço; o canal de feixes de laser em fluída comunicação com o canal de fluídos e definindo uma parte do trajeto do fluído; e estendendo-se os trajetos dos feixes de laser desde a extremidade proximal da cavidade através da cavidade e até a fase proximal da janela de pressão através da janela de pressão para o canal de fluídos e o canal de feixes de laser; onde o trajeto do feixe de laser deixa a face distal da broca; sendo que o sistema está configurado para produzir 5 a 100 feixes de laser ao longo de 5 a 100 trajetos de feixes de laser, e configurado para que cada feixe de laser tenha uma seção transversal de entre aproximadamente 0,9 mm e aproximadamente 3mm.[17] A high power laser system is provided having a high power laser capable of emitting a high power laser beam having a wavelength, the laser beam in optical communication with a downhole composition that allows firing a pattern of laser beams against the surface of a well held in a formation in the ground, in which the improvement includes: a laser cutting assembly, where the laser cutting assembly forms part of the downhole composition; the laser cutting assembly comprising: an outer casing, the outer casing being capable of withstanding the pressures and conditions of the well at 3,000 m vertical depth; a sealed channel defining a cavity comprising multiple laser beam paths; the canal having a proximal end and a distal end sealed; the distal end comprising a pressure window transparent to the wavelength of the laser beam; the pressure window having a proximal side and a distal side; a fluid channel, the fluid channel being positioned outside the sealed channel and within the outer casing, the fluid channel defining a fluid flow path; with the proximal side of the pressure window oriented towards the cavity and the distal side oriented towards the fluid channel; a drill with a channel of laser beams and multiple cutters positioned on a distal face of the drill, so that the cutters can act on the bottom surface of the well; the laser beam channel in fluid communication with the fluid channel and defining a part of the fluid path; and extending the paths of the laser beams from the proximal end of the cavity through the cavity and to the proximal end of the pressure window through the pressure window to the fluid channel and the laser beam channel; where the path of the laser beam leaves the distal face of the drill; wherein the system is configured to produce 5 to 100 laser beams along 5 to 100 laser beam paths, and configured so that each laser beam has a cross section of between approximately 0.9 mm and approximately 3 mm.

[18] São além disso fornecidos estes aparelhos, sistemas e métodos contando com um ou mais dos seguintes recursos: o de laser é de aproximadamente 40 kW a aproximadamente 80 kW; sendo os trajetos do feixe de laser paralelos; tendo todos os feixes de laser a mesma seção transversal; sendo os trajetos dos feixes de laser espaçados por uma distância que é menor do que a seção transversal dos feixes; sendo os trajetos dos feixes de laser espaçados por uma distância que é maior do que a seção transversal dos feixes; sendo os trajetos dos feixes de laser espaçados entre si por uma distância igual à da seção transversal dos feixes; onde há de 5 a 40 trajetos de feixes de laser, a broca define um diâmetro de aproximadamente 95 mm a aproximadamente 330 e a janela de pressão tem um diâmetro de pelo menos 85% do diâmetro da broca; em que o sistema está configurado para que um feixe de laser tenha pelo menos uma potência de aproximadamente 2 kW; em que o sistema está configurado para que um feixe de laser tenha uma potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 15 kW; e em que o sistema está configurado para que cada feixe de laser tenha uma potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 15 kW.[18] These apparatus, systems and methods are further provided having one or more of the following features: laser is approximately 40 kW to approximately 80 kW; the laser beam paths being parallel; having all laser beams the same cross section; the paths of the laser beams being spaced by a distance that is smaller than the cross-section of the beams; the paths of the laser beams being spaced by a distance that is greater than the cross-section of the beams; the paths of the laser beams being spaced from each other by a distance equal to the cross-section of the beams; where there are 5 to 40 laser beam paths, the drill defines a diameter of approximately 95 mm to approximately 330 and the pressure window has a diameter of at least 85% of the diameter of the drill; wherein the system is configured so that a laser beam has at least a power of approximately 2 kW; wherein the system is configured so that a laser beam has a power of approximately 2 kW to approximately 15 kW; and wherein the system is configured so that each laser beam has a power of approximately 2 kW to approximately 15 kW.

[19] São também fornecidos estes sistemas, aparelhos e métodos tendo uma ou mais das seguintes características: a composição está configurada para suportar pressões e condições de poços: a 2.000 m de profundidade vertical, e maior; a 3.000 m de profundidade vertical, e maior; a 4.000 m de profundidade vertical, e maior; a 5.000 m, e maior, e a 7.000 m de profundidade vertical e maior.[19] These systems, apparatus and methods having one or more of the following characteristics are also provided: the composition is configured to withstand well pressures and conditions: 2,000 m vertical depth, and greater; at 3,000 m vertical depth, and greater; at 4,000 m vertical depth, and greater; at 5,000 m and greater, and at 7,000 m vertical depth and greater.

[20] Uma Broca de corte a laser compreendendo: uma janela de pressão dotada de uma primeira superfície e uma segunda superfície, tendo diversos trajetos de feixe de laser que se estendem através da janela de pressão desde a primeira superfície para a segunda superfície; a janela tendo um gás que mantém contato com a primeira superfície e um líquido fluente que mantém contato com a segunda superfície; os trajetos dos feixes de laser separados uns dos outros e configurados de modo a não se sobrepor na janela; a broca tendo uma face de corte para entrar em contato com a superfície do fundo de um poço; a face de corte tendo múltiplos elementos cortantes espaçados uns dos outros; sendo que, com a rotação da broca, os trajetos dos feixes de laser formam um padrão anular de anéis concêntricos, e formando os elementos cortantes, ao rotar, um padrão anular de anéis concêntricos dos elementos cortantes.[20] A laser cutting drill comprising: a pressure window provided with a first surface and a second surface, having plural laser beam paths extending through the pressure window from the first surface to the second surface; the window having a gas that maintains contact with the first surface and a flowing liquid that maintains contact with the second surface; the paths of the laser beams separated from each other and configured so as not to overlap in the window; the bit having a cutting face for contacting the bottom surface of a well; the cutting face having multiple cutting elements spaced apart; with the rotation of the drill, the paths of the laser beams form an annular pattern of concentric rings, and when rotating, the cutting elements form an annular pattern of concentric rings of the cutting elements.

[21] É fornecido ainda, adicionalmente, estes sistemas, aparelhos e métodos tendo uma ou mais das seguintes características: onde os anéis concêntricos do padrão do laser se sobrepõem parcialmente com os anéis concêntricos do padrão dos elementos cortantes; onde os anéis concêntricos do padrão de laser não se sobrepõem com os anéis concêntricos do padrão dos elementos cortantes; e onde os trajetos de feixes de laser são paralelos.[21] These systems, apparatus and methods are further provided having one or more of the following characteristics: where the concentric rings of the laser pattern partially overlap with the concentric rings of the cutting element pattern; where the concentric rings of the laser pattern do not overlap with the concentric rings of the cutting element pattern; and where the laser beam paths are parallel.

[22] Além disso, é fornecido um sistema de laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com um dispositivo de laser de fundo de poço que dispara um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço em uma formação no solo, no qual a melhoria consiste em: o dispositivo de laser de fundo de poço para fornecer um padrão de feixes de laser para a superfície do poço, onde a superfície do poço é composta pela formação; o padrão de feixes de laser possuindo múltiplas emissões de feixes de laser; em que ao disparar o feixe de laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe de laser remove material da formação em um padrão de remoção que corresponde ao padrão de feixes de laser, deixando assim um padrão de material remanescente, de material remanescente da formação, que é negativo ao padrão de feixes de laser; e um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente[22] Additionally, a high-power laser system is provided having a high-power laser in optical communication with a downhole laser device that fires a pattern of laser beams against the surface of a well in a ground formation, wherein the improvement consists of: the downhole laser device to deliver a pattern of laser beams to the well surface, where the well surface is comprised of the formation; the laser beam pattern having multiple laser beam emissions; wherein by firing the laser beam in the laser beam pattern against the well surface, the laser beam removes material from the formation in a removal pattern that matches the laser beam pattern, thus leaving a pattern of remaining material, of material remaining from the formation, which is negative to the laser beam pattern; and a mechanical device capable of removing remaining material from the formation in the remaining material pattern

[23] Além disso, são fornecidos estes métodos e aparelhos com uma ou mais das seguintes características: que o padrão de feixes de laser consiste em múltiplas emissões lineares; que o padrão de feixes de laser define um padrão reticulada de emissões de feixes de laser lineares em interseção; que o padrão de feixes de laser consiste em múltiplas emissões espaçadas entre si; que as emissões têm uma seção transversal de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 3 mm; que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser são circulares e têm um diâmetro de aproximadamente 0,9 mm a aproximadamente 3,0 mm; que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser têm um espaçamento entre elas de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 40 mm; que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser têm um espaçamento entre elas de aproximadamente 8 mm a aproximadamente 25 mm; que o padrão de emissões preenche a superfície do fundo de um poço e é adjacente a uma parede lateral de tal poço; que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de aproximadamente 100 mm a aproximadamente 250 mm; que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de aproximadamente 140 mm a aproximadamente 180 mm; que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de aproximadamente 180 mm a aproximadamente 250 mm; que as emissões de laser preenchem de aproximadamente 10% a aproximadamente 50% da área do padrão de feixes de laser; que as emissões de laser preenchem menos de aproximadamente 30% da área do padrão de feixes de laser; que as emissões de laser preenchem menos de aproximadamente 10% da área do padrão de feixes de laser; e que as emissões de laser preenchem menos de aproximadamente 2% da área do padrão de feixes de laser.[23] Furthermore, these methods and apparatus are provided with one or more of the following characteristics: that the laser beam pattern consists of multiple linear emissions; that the laser beam pattern defines a lattice pattern of intersecting linear laser beam emissions; that the laser beam pattern consists of multiple spaced emissions; that the emissions have a cross section of approximately 0.5 mm to approximately 3 mm; that the majority of emissions comprising the laser beam pattern are circular and have a diameter of approximately 0.9 mm to approximately 3.0 mm; that most of the emissions that make up the laser beam pattern have a spacing between them of approximately 5 mm to approximately 40 mm; that most of the emissions that make up the laser beam pattern have a spacing between them of approximately 8 mm to approximately 25 mm; that the emissions pattern fills the bottom surface of a well and is adjacent to a sidewall of such well; that an outer diameter of the laser beam emission pattern is approximately 100 mm to approximately 250 mm; that an outer diameter of the laser beam emission pattern is approximately 140 mm to approximately 180 mm; that an outer diameter of the laser beam emission pattern is approximately 180 mm to approximately 250 mm; that laser emissions fill from approximately 10% to approximately 50% of the area of the laser beam pattern; that the laser emissions fill less than approximately 30% of the area of the laser beam pattern; that the laser emissions fill less than approximately 10% of the area of the laser beam pattern; and that the laser emissions fill less than approximately 2% of the area of the laser beam pattern.

[24] Ainda são fornecidos, adicionalmente, estes sistemas, métodos e aparelhos com uma ou mais das seguintes características: que ao disparar o feixe de laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe de laser remove o material inicial da formação da formação em um padrão de remoção que corresponde ao padrão de feixes de laser, deixando um padrão de material remanescente, de material remanescente da formação, que é negativo ao padrão de feixes de laser e que é de aproximadamente 50% ou mais do material inicial da formação; que tem um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente; que o padrão de emissão de laser é estacionária e não rota; que a área do padrão de disparo de feixes de laser é de aproximadamente 30 mm2 a aproximadamente 320 mm2; sendo a área total de disparo do laser inferior a aproximadamente 10% da área do padrão do laser e sendo o material de formação restante aproximadamente 90% ou mais do material inicial da formação; que a área total de emissão do laser é inferior a aproximadamente 5% da área do padrão do laser e em que o material remanescente da formação restante é de aproximadamente 95% ou mais do material inicial da formação inicial; que a área total de emissão do laser é inferior a aproximadamente 2% da área do padrão do laser e que o material remanescente da formação é de aproximadamente 98% ou mais do material inicial da formação; que a área total de emissão do laser é inferior a aproximadamente 1% da área do padrão do laser e pelo qual o material remanescente da formação remanescente é aproximadamente 99% ou mais do material inicial da formação; e que o padrão de feixes de laser compreende medidores de corte com emissões do feixe de laser.[24] Additionally, these systems, methods and apparatus are provided with one or more of the following characteristics: that by firing the laser beam in the pattern of laser beams against the well surface, the laser beam removes the initial material formation in a pattern of removal that corresponds to the laser beam pattern, leaving a pattern of remaining material, of formation remnant material, that is negative to the laser beam pattern and that is approximately 50% or more of the initial training material; having a mechanical device capable of removing remaining material from the formation in the remaining material pattern; that the laser emission pattern is stationary and not rotating; that the laser beam firing pattern area is approximately 30 mm2 to approximately 320 mm2; the total laser firing area being less than approximately 10% of the laser pattern area and the remaining forming material being approximately 90% or more of the initial forming material; that the total laser emission area is less than approximately 5% of the laser pattern area and wherein the remaining formation material is approximately 95% or more of the initial formation material; that the total laser emission area is less than approximately 2% of the laser pattern area and that the remaining formation material is approximately 98% or more of the initial formation material; that the total laser emission area is less than approximately 1% of the laser pattern area and whereby the remaining formation material is approximately 99% or more of the initial formation material; and that the laser beam pattern comprises cutting gauges with laser beam emissions.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of the Drawings

[25] A FIG. 1 é uma vista de uma modalidade de broca de corte a laser de acordo com as presentes invenções.[25] FIG. 1 is a view of an embodiment of a laser cutting drill in accordance with the present inventions.

[26] A FIG. 2 é uma vista em seção transversal de uma modalidade de um conjunto de janela de pressão de acordo com as presentes invenções.[26] FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of a pressure window assembly in accordance with the present inventions.

[27] A FIG. 3 é uma vista em seção transversal de uma modalidade de um conjunto de janela de pressão de acordo com as presentes invenções.[27] FIG. 3 is a cross-sectional view of an embodiment of a pressure window assembly in accordance with the present inventions.

[28] A FIG. 4 é uma vista em seção transversal de uma modalidade de broca de corte a laser de acordo com as presentes invenções[28] FIG. 4 is a cross-sectional view of an embodiment of a laser cutting drill in accordance with the present inventions

[29] As FIGS. 5A a 5D são esquemas de modalidades do padrão de feixes de laser para a emissão de feixes de laser de acordo com as presentes invenções.[29] FIGS. 5A to 5D are schematic embodiments of the laser beam pattern for emitting laser beams in accordance with the present inventions.

[30] A FIG. 6 é uma vista de uma modalidade de um conjunto de corte a de laser de acordo com as presentes invenções.[30] FIG. 6 is a view of an embodiment of a laser cutting assembly in accordance with the present inventions.

[31] A FIG. 7 é uma vista esquemática de uma modalidade de conjunto de corte a laser da composição inferior do poço de acordo com as presentes invenções.[31] FIG. 7 is a schematic view of an embodiment of a laser cutting assembly of the lower shaft composition in accordance with the present inventions.

[32] FIG. 8 é uma vista esquemática em seção transversal de uma modalidade de um sistema implementado de perfuração por corte a laser de acordo com as presentes invenções.[32] FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an implemented laser cutting drilling system in accordance with the present inventions.

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

[33] Em geral, as modalidades da presente invenção referem-se a métodos, aparelhos e sistemas para uso na perfuração a laser de um poço no solo e, além disso, referem- se a equipamentos, métodos e sistemas para o avanço a laser desses poços de forma profunda no solo e a taxas de avanço altamente eficientes.[33] In general, embodiments of the present invention relate to methods, apparatus and systems for use in laser drilling a well in the ground and further relate to equipment, methods and systems for laser advancement these wells deep into the ground and at highly efficient advance rates.

[34] Em geral, as presentes invenções referem-se a métodos, aparelhos e sistemas para uso na perfuração por corte a laser de um poço no solo e, além disso, referem-se a equipamentos, métodos e sistemas para o avanço a de laser desses poços de forma profunda no solo e a taxas de avanço altamente eficientes. Essas taxas de avanço altamente eficientes são possíveis devido aos presentes métodos de perfuração por corte mecânico.[34] In general, the present inventions relate to methods, apparatus and systems for use in laser cutting drilling of a well in the ground and further relate to equipment, methods and systems for advancing the laser these wells deep into the ground and at highly efficient advance rates. These highly efficient feed rates are possible due to present mechanical cutting drilling methods.

[35] Na perfuração mecânica por corte a laser de um poço através e embaixo do solo, como por exemplo, numa formação do solo, vários pequenos feixes de laser podem ser usados para produzir pequenos orifícios, canais e cortes em forma de anel na formação que conforma o fundo ou a parede lateral do poço em um determinado padrão. Os pequenos orifícios podem estar separados uns dos outros em um padrão predeterminado. Os spots são rotados em torno de um eixo central da composição de fundo de poço, que normalmente é coaxial com o eixo do poço. As emissões de laser são rotadas em torno do eixo dispositivo-poço, dando como resultado uma série de cortes com forma de anéis concêntricos na superfície do fundo do poço. O feixe de laser que produz os pequenos e discretos orifícios ou canais ou cortes, com forma de arco (em caso de emissões pulsadas), ou anéis ou canais ou cortes circulares (em caso de contínuas) na formação, tem o efeito de quebrar ou danificar a rocha circundante (por exemplo terra, formação rochosa). Assim, mesmo que o feixe de laser não quebre diretamente a rocha, ele consegue danificá-la ou enfraquecê- la na área ao redor do pequeno orifício criado pelo laser. O material afetado por laser (por exemplo rocha, formação, terra) pode ser removido por meios mecânicos, hidráulicos ou combinações e variações destes. Estes meios de remoção podem ser, por exemplo, uma broca de percussão, um cortador, um scraper, uma broca, um rolo, um jato de fluido, um jato de partículas e outros dispositivos para cortar ou remover solo conhecidos ou que venham a ser desenvolvidos posteriormente. Substancialmente, é necessária menos força para remover o material afetado por laser do que aquela que seria necessária para remover esse material antes de ser danificado pelo laser. A força necessária para remover o material afetado por laser pode ser 10%, 20%, 50% ou 60% menor do que a necessária para remover material não afetado (antes do dano pelo laser).[35] In mechanical laser cutting drilling of a well through and beneath the ground, such as in a soil formation, several small laser beams can be used to produce small holes, channels and ring-shaped cuts in the formation which forms the bottom or side wall of the well in a certain pattern. The small holes may be separated from each other in a predetermined pattern. The spots are rotated around a central axis of the downhole composition, which is typically coaxial with the well axis. The laser emissions are rotated around the device-well axis, resulting in a series of concentric ring-shaped cuts on the bottom surface of the well. The laser beam that produces the small and discrete holes or channels or cuts, with an arc shape (in case of pulsed emissions), or rings or channels or circular cuts (in case of continuous) in the formation, has the effect of breaking or damage surrounding rock (e.g. earth, rock formation). Thus, even though the laser beam does not directly break the rock, it can damage or weaken it in the area around the small hole created by the laser. Laser-affected material (e.g. rock, formation, earth) can be removed by mechanical means, hydraulic means or combinations and variations thereof. These means of removal may be, for example, a percussion drill, a cutter, a scraper, an auger, a roller, a fluid jet, a particle jet and other devices for cutting or removing soil known or hereafter developed. developed later. Substantially less force is required to remove laser-affected material than would be required to remove that material before it was damaged by the laser. The force required to remove laser-affected material may be 10%, 20%, 50%, or 60% less than that required to remove unaffected material (before laser damage).

[36] Em uma modalidade, os pequenos orifícios são criados no fundo do poço. Os feixes de laser são direcionados para a superfície do fundo do poço e removem o solo do fundo para criar uma série de pequenos orifícios na superfície do fundo do poço. Os feixes de laser para criar os orifícios podem ser emitidos simultaneamente ou em momentos diferentes, como por exemplo, escalonados. Em uma modalidade, eles são emitidos em uma sequência de tempo predeterminada, por exemplo, uma emissão específica no padrão de feixes de laser em um determinado momento. Os feixes estão a uma distância fixa uns dos outros e são rotados em torno do eixo central do dispositivo, do poço ou de ambos, formando canais circulares na superfície do poço.[36] In one embodiment, small holes are created at the bottom of the well. The laser beams are directed at the bottom surface of the well and remove soil from the bottom to create a series of small holes in the bottom surface of the well. The laser beams to create the holes can be emitted simultaneously or at different times, such as staggered. In one embodiment, they are emitted in a predetermined time sequence, e.g., a specific emission in the laser beam pattern at a given time. The beams are at a fixed distance from each other and are rotated around the central axis of the device, the well, or both, forming circular channels on the surface of the well.

[37] Os feixes de laser que formam as emissões no padrão de feixes de laser podem ter comprimentos de onda iguais ou diferentes. Os feixes de laser podem ter diâmetros de feixe, no lugar em que formam o spot do laser sobre a superfície do fundo do poço, que variam de aproximadamente 0,2 mm a aproximadamente 40 mm na seção transversal, podendo as seções transversais variar de 0,5 mm a aproximadamente 2,5 mm, de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 mm, aproximadamente 1 mm, aproximadamente 2 mm e aproximadamente 2,5 mm.[37] The laser beams that form the emissions in the laser beam pattern can have the same or different wavelengths. The laser beams can have beam diameters, where they form the laser spot on the bottom of the well surface, that vary from approximately 0.2 mm to approximately 40 mm in cross section, with the cross sections being able to vary from 0 .5mm to approximately 2.5mm, from approximately 1mm to approximately 5mm, approximately 1mm, approximately 2mm and approximately 2.5mm.

[38] Os spots, (por exemplo, spots de laser, disparos ou spots formados por disparos de feixes de laser) que formam o padrão de feixes de laser podem ser circulares, arqueados, elípticos, lineares, quadrados, retangulares ou de outras formas. Os spots podem ser sobrepostos, parcialmente sobrepostos ou separados por distâncias e espaçamento predeterminados. Os spots podem ser escalonados ou alinhados.[38] The spots (e.g., laser spots, shots or spots formed by shooting laser beams) that form the laser beam pattern may be circular, arcuate, elliptical, linear, square, rectangular or other shapes . Spots can be overlapping, partially overlapping or separated by predetermined distances and spacing. Spots can be staggered or aligned.

[39] Cada spot de feixe de laser tem sua própria área, a soma dessas áreas fornece uma área total da superfície do poço que entra em contato direto com o de laser. Essa área de contato direto com o de laser é substancialmente menor que a área total da superfície do poço. A área de contato direto com o de laser, como por exemplo, a área total dos spots de laser, pode ser 50% ou menor, 60% ou menor, 80% ou menor, 90% ou menor, 95% ou menor que a área da superfície do fundo do poço ou uma área de seção transversal do poço com base no diâmetro do poço.[39] Each laser beam spot has its own area, the sum of these areas provides a total surface area of the well that comes into direct contact with the laser. This area of direct contact with the laser is substantially smaller than the total surface area of the well. The area of direct contact with the laser, such as the total area of the laser spots, can be 50% or less, 60% or less, 80% or less, 90% or less, 95% or less than the surface area of the bottom of the well or a cross-sectional area of the well based on the diameter of the well.

[40] Os spots de laser são configurados para formar um padrão de feixes de laser. Nas modalidades, o padrão de feixes de laser é do mesmo tamanho, as extremidades externas do padrão são aproximadamente do mesmo diâmetro e formato do poço e do diâmetro do poço. Dessa maneira, a área total dos spots pode ser 50% ou mais menor, 60% ou menor, 80% ou menor, 90% ou menor, 95% ou menor, 99% ou menor que a área do padrão do laser.[40] The laser spots are configured to form a pattern of laser beams. In embodiments, the laser beam pattern is the same size, the outer edges of the pattern are approximately the same diameter and shape of the well and the diameter of the well. In this way, the total area of the spots can be 50% or more smaller, 60% or smaller, 80% or smaller, 90% or smaller, 95% or smaller, 99% or smaller than the area of the laser pattern.

[41] Os spots de feixes de laser podem ter a mesma ou diferentes potências e podem ter o mesmo ou diferentes comprimentos de onda. A potência dos spots individuais em um padrão pode ser de 1 kW ou maior, 2 kW ou maior, 5 kW ou maior, 15 kW ou maior, 20 kW ou maior, de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 15 kW, de aproximadamente 1 kW a aproximadamente 10 kW, bem como potências maiores e menores e potências dentro dessas faixas.[41] Laser beam spots can have the same or different powers and can have the same or different wavelengths. The power of individual spots in a pattern can be 1 kW or greater, 2 kW or greater, 5 kW or greater, 15 kW or greater, 20 kW or greater, approximately 2 kW to approximately 15 kW, approximately 1 kW to approximately 10 kW, as well as higher and lower powers and powers within these ranges.

[42] Uma modalidade de composição de corte a laser de fundo de poço eum sistema de perfuração por corte a de laser, em forma genérica, é mostrado pelo esquema da FIG. 7. Esta composição pode ter uma seção de broca 705, que possui um canal 706, onde os feixes de laser e o fluido saem em direção à superfície do poço. Uma seção de câmara 704, que possui um canal de laser, selado, e uma janela que fornece a transição do trajeto óptico da seção do canal 704 para a seção da broca 705. Uma seção de motor 703, uma seção de conexão 702 e um cabo 701. Pode-se ter também, localizados em uma ou mais seções, controladores, ópticas de laser, conjuntos ópticos (para, por exemplo, moldar, direcionar ou ambos, os feixes de laser), canais de escoamento de fluidos (por exemplo, para resfriar componentes da composição, para direcionar um fluido de corte, como um fluido à base de água ou para ambas as funções) e equipamentos de controle e monitoramento, entre outras coisas.[42] An embodiment of a downhole laser cutting composition and a laser cutting drilling system, in generic form, is shown by the scheme of FIG. 7. This composition may have a drill section 705, which has a channel 706, where the laser beams and fluid exit towards the well surface. A chamber section 704, which has a sealed laser channel and a window that provides transition of the optical path from the channel section 704 to the drill section 705. A motor section 703, a connecting section 702, and a cable 701. One may also have, located in one or more sections, controllers, laser optics, optical assemblies (for, for example, shaping, directing or both, the laser beams), fluid flow channels (for example , to cool composition components, to direct a cutting fluid such as a water-based fluid or for both functions) and control and monitoring equipment, among other things.

[43] Passando para a FIG. 1, é exibida uma vista em perspectiva de uma composição de corte a de laser 100 que faz parte de uma composição de laser de fundo de poço. A composição de corte a de laser 100 tem um corpo 104 que possui uma broca (ou placa de broca) 102 e um invólucro 105. O invólucro 105 tem uma extremidade distal que está conectada à extremidade proximal da broca 102. A broca 102 tem um lado 107 que atua sobre a superfície do fundo do poço. A broca 102 tem cortadores (como cortadores de PDC), por exemplo, 103a, 103b, 103c. A broca 102 tem um canal (ou canal de feixes de laser) 107 através do qual passam os trajetos de feixes de laser e os feixes de laser, bem como o fluido, por exemplo, um fluido aquoso, formando um jato, por exemplo, um jato de água.[43] Turning to FIG. 1, a perspective view of a laser cutting composition 100 that is part of a downhole laser composition is shown. The laser cutting composition 100 has a body 104 that has a drill (or drill plate) 102 and a housing 105. The housing 105 has a distal end that is connected to the proximal end of the drill 102. The drill 102 has a side 107 that acts on the bottom surface of the well. The drill 102 has cutters (such as PDC cutters), e.g. 103a, 103b, 103c. The drill 102 has a channel (or laser beam channel) 107 through which laser beam paths and laser beams as well as fluid, e.g. an aqueous fluid, pass, forming a jet, e.g. a jet of water.

[44] Passando para a FIG. 2, é exibida uma vista em seção transversal de uma modalidade de um conjunto de fixação de janela de pressão. Em uma modalidade, este conjunto está localizado entre o invólucro do corpo e a broca da composição de corte a de laser de fundo de poço (BHA). Numa modalidade, o invólucro 202 forma parte do invólucro do corpo da composição de corte. O invólucro tem um lado distal 203 que, em modalidades, engata com lado proximal da broca. A janela 211 é transparente ao comprimento de onda dos feixes de laser, exercendo pouca ou nenhuma absorção sobre as emissões. Os feixes de laser são transmitidos ao longo de um trajeto de feixes de laser 216 na direção das setas (um único trajeto é mostrado, pois esta é uma vista em seção transversal; no entanto, haveria vários trajetos de feixes na frente e atrás do trajeto de feixes 216). O feixe de laser que percorre o trajeto de feixes 216 entraria na janela pelo lado proximal 211 (cercado por gás) e sairia da janela pelo lado distal 212, que é cercado por um fluido. Assim, o lado proximal 211 é o plano gasoso da janela e o lado distal 212 é o plano fluido da janela, como por exemplo, o plano aquoso da janela. A janela 210 é mantida no lugar por uma placa de montagem superior 215 e uma junta 214.[44] Turning to FIG. 2, a cross-sectional view of one embodiment of a pressure window attachment assembly is shown. In one embodiment, this assembly is located between the body casing and the bit of the downhole laser cutting composition (BHA). In one embodiment, the casing 202 forms part of the body casing of the cutting composition. The housing has a distal side 203 that, in embodiments, engages with the proximal side of the drill. Window 211 is transparent to the wavelength of the laser beams, exerting little or no absorption on the emissions. The laser beams are transmitted along a laser beam path 216 in the direction of the arrows (a single path is shown as this is a cross-sectional view; however, there would be multiple beam paths in front and behind the path of beams 216). The laser beam traveling along beam path 216 would enter the window from the proximal side 211 (surrounded by gas) and exit the window from the distal side 212, which is surrounded by fluid. Thus, the proximal side 211 is the gas plane of the window and the distal side 212 is the fluid plane of the window, such as the aqueous plane of the window. The window 210 is held in place by a top mounting plate 215 and a gasket 214.

[45] Passando para a FIG.3, é exibida uma vista em seção transversal de uma modalidade de um conjunto de fixação de janela de pressão. Em uma modalidade, este conjunto está localizado entre o invólucro do corpo e a broca da BHA de corte. Numa modalidade, o invólucro 302 forma parte do corpo do invólucro da composição de corte. O invólucro tem um lado distal 303 que, em modalidades, engata contra o lado proximal da broca. A janela 311 é preferencialmente transparente ao comprimento de onda dos feixes de laser, exercendo pouca ou nenhuma absorção. Embora seja mostrado um único trajeto de feixes de laser 316, existem vários trajetos de feixes que não são mostrados nesta vista, por ser ela em seção transversal. O feixe de laser que percorre o trajeto de feixes 316 entra na janela através do lado proximal 311 e sai da janela 311 através do lado distal 312, que é cercado por um fluido. O lado proximal 311 é o plano gasoso da janela e o lado distal 312 é o plano fluido da janela, como por exemplo, a água. A janela 310 é mantida no lugar por epóxi.[45] Turning to FIG. 3, a cross-sectional view of one embodiment of a pressure window attachment assembly is shown. In one embodiment, this assembly is located between the body housing and the BHA cutting bit. In one embodiment, the housing 302 forms part of the housing body of the cutting composition. The housing has a distal side 303 that, in embodiments, engages against the proximal side of the drill. The window 311 is preferably transparent to the wavelength of the laser beams, exerting little or no absorption. Although a single laser beam path 316 is shown, there are several beam paths that are not shown in this view, because it is in cross section. The laser beam traveling along the beam path 316 enters the window through the proximal side 311 and exits the window 311 through the distal side 312, which is surrounded by a fluid. The proximal side 311 is the gas plane of the window and the distal side 312 is the fluid plane of the window, such as water. The 310 window is held in place by epoxy.

[46] Passando para a FIG. 4, é exibida uma vista em seção transversal de uma composição mecânica de corte a de laser 400, que pode ser usada com uma ferramenta de fundo de poço, por exemplo uma BHA. O conjunto de corte 400 tem um invólucro 402 e uma parede de invólucro 403, além de uma broca 401. O invólucro contém uma câmara 404 que, nas modalidades preferidas, é um canal selado contendo um gás que pode ser pressurizado. A câmara 404 é vedada e formada em parte pela janela 407. A câmara 404 tem uma extremidade proximal 405 e uma extremidade distal 406. A extremidade proximal 405 recebe o feixe de laser 408a, passando ao longo do trajeto de feixes de laser 408. O feixe de laser 408a, ao percorrer o trajeto de feixes 408 passa através da câmara 404 (e do gás contido na câmara) chegando à janela 407; é então transmitido através da janela 407, saindo da janela 407 para o canal de feixes de laser 411, e saindo do canal de feixes de laser 411 para formar um spot na superfície do poço. E sai da janela. Embora seja mostrado um único trajeto de feixes de laser 408 e um único feixe de laser 408a, existem vários feixes e trajetos de feixes adicionais, que não são mostrados nesta vista por ser ela em seção transversal. Dentro do invólucro 402 e entre a parede 403 e a câmara 404, existe um canal de fluidos 410. O canal de fluidos 410 se une ao canal de lasers 411 na broca 401 no lado distal da janela 407. Dessa maneira, o trajeto de feixes de laser e os feixes de laser saem do lado distal da janela e entram no canal de fluido de laser, onde viajam através da broca e saem do lado distal da broca como uma série de feixes de laser individuais em um jato de fluido alongado.[46] Turning to FIG. 4, a cross-sectional view of a mechanical laser cutting composition 400 is shown, which can be used with a downhole tool, for example a BHA. The cutting assembly 400 has a housing 402 and a housing wall 403, in addition to a bit 401. The housing contains a chamber 404 which, in preferred embodiments, is a sealed channel containing a gas that can be pressurized. Chamber 404 is sealed and formed in part by window 407. Chamber 404 has a proximal end 405 and a distal end 406. The proximal end 405 receives the laser beam 408a, passing along the laser beam path 408. laser beam 408a, when traveling along the beam path 408, passes through the chamber 404 (and the gas contained in the chamber) reaching the window 407; is then transmitted through the window 407, leaving the window 407 to the laser beam channel 411, and leaving the laser beam channel 411 to form a spot on the surface of the well. And leaves the window. Although a single laser beam path 408 and a single laser beam 408a are shown, there are several additional beams and beam paths, which are not shown in this view because it is in cross section. Within the casing 402 and between the wall 403 and the chamber 404, there is a fluid channel 410. The fluid channel 410 joins the laser channel 411 in the drill 401 on the distal side of the window 407. In this way, the beam path laser beam and the laser beams exit the distal side of the window and enter the laser fluid channel, where they travel through the drill and exit the distal side of the drill as a series of individual laser beams in an elongated fluid jet.

[47] Para evitar, reduzir ou minimizar a absorção de energia do de laser pelo fluido, por exemplo a absorção produzida pela água em certos comprimentos de onda, a janela pode ser mantida à mínima distância da superfície do poço. Assim, esta distância, que é a distância do canal de laser mais a altura dos cortadores 402, pode ser menor que aproximadamente 150 mm, menor que aproximadamente 100 mm, menor que aproximadamente 50 mm, menor que aproximadamente 25 mm, pode ser de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 100 mm, de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 75 mm, de aproximadamente 75 mm a aproximadamente 200 mm, distância maior e mais curta e todas as distâncias dentro desses intervalos. Do mesmo modo, o comprimento do canal de laser pode ser inferior a aproximadamente 150 mm, inferior a aproximadamente 100 mm, inferior a aproximadamente 50 mm, inferior a aproximadamente 25 mm, pode variar de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 100 mm, de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 75 mm, de aproximadamente 75 mm a aproximadamente 200 mm, distâncias maiores e menores e todas as distâncias dentro desses intervalos.[47] To avoid, reduce or minimize the absorption of laser energy by the fluid, for example the absorption produced by water at certain wavelengths, the window can be kept at a minimum distance from the surface of the well. Thus, this distance, which is the distance from the laser channel plus the height of the cutters 402, may be less than approximately 150 mm, less than approximately 100 mm, less than approximately 50 mm, less than approximately 25 mm, may be approximately 25mm to approximately 100mm, from approximately 25mm to approximately 75mm, from approximately 75mm to approximately 200mm, longest and shortest distance and all distances within these ranges. Likewise, the length of the laser channel may be less than approximately 150 mm, less than approximately 100 mm, less than approximately 50 mm, less than approximately 25 mm, may vary from approximately 25 mm to approximately 100 mm, from approximately 25 mm to approximately 75 mm, from approximately 75 mm to approximately 200 mm, greater and lesser distances and all distances within these ranges.

[48] O canal de fluidos 410 fornece um trajeto de escoamento de fluídos 409. O trajeto de escoamento de fluídos 409 e o trajeto de feixes de laser 408 são reunidos quando o canal de fluidos 410 se une e forma uma parte do canal de lasers 411.[48] The fluid channel 410 provides a fluid flow path 409. The fluid flow path 409 and the laser beam path 408 are brought together when the fluid channel 410 joins and forms a part of the laser channel 411.

[49] Na operação, a composição de corte 401 é rotacionada e os feixes de laser formam spots na superfície do poço. Os spots são rotacionados em torno dos canais de corte da superfície do poço, que são canais anulares nessa superfície. Assim, consegue-se um padrão de feixes de laser em anéis concêntricos que, quando direcionada contra a superfície do poço remove a formação na superfície do fundo do poço em canais concêntricos, como anéis. Os cortadores a de laser, por exemplo 412, que estão localizados no lado distal 413 da broca 401, também são rotacionados e com base na colocação do cortador a partir de um padrão de remoção mecânica e, quando rotacionados contra a superfície do fundo do poço, removem a formação num padrão correspondente ao padrão da remoção mecânica.[49] In operation, the cutting composition 401 is rotated and the laser beams form spots on the well surface. The spots are rotated around the cutting channels on the well surface, which are annular channels on that surface. Thus, a pattern of laser beams in concentric rings is achieved which, when directed against the surface of the well, removes the formation on the surface of the bottom of the well in concentric channels, like rings. Laser cutters, for example 412, which are located on the distal side 413 of drill bit 401, are also rotated and based on placement of the cutter from a mechanical removal pattern and when rotated against the downhole surface , remove the formation in a pattern corresponding to the mechanical removal pattern.

[50] O padrão de remoção mecânica pode se sobrepor, se sobrepor parcialmente ou não se sobrepor ao padrão de feixes de laser. Na situação em que não há sobreposição com o padrão de feixes de laser, os cortadores não entrariam em contato com nenhuma rocha que tenha sido diretamente atingida pelo feixe de laser.[50] The mechanical removal pattern may overlap, partially overlap, or not overlap the laser beam pattern. In the situation where there is no overlap with the laser beam pattern, the cutters would not come into contact with any rock that has been directly hit by the laser beam.

[51] Passando para a FIG. 6, tem-se uma vista de uma modalidade da composição de corte a laser. Esta composição possui um corpo 600 que durante a operação seria rotacionado na direção da seta 601. A composição produziria vários feixes de laser, por exemplo 605a, 608a, ao longo de seus respectivos trajetos de feixes de laser 605, 608. À medida que a caixa é rotacionado na direção da seta 601, os feixes de laser são rotacionados na direção das setas 607. O jato de água 620 é mostrado saindo da composição de corte a de laser. Para fins ilustrativos, a montagem é exibida como não estando em contato com a superfície do fundo 612 do poço.[51] Turning to FIG. 6, there is a view of an embodiment of the laser cutting composition. This composition has a body 600 which during operation would be rotated in the direction of arrow 601. The composition would produce several laser beams, for example 605a, 608a, along their respective laser beam paths 605, 608. As the box is rotated in the direction of arrow 601, the laser beams are rotated in the direction of arrows 607. The water jet 620 is shown exiting the laser cutting composition. For illustrative purposes, the assembly is shown as not being in contact with the bottom surface 612 of the well.

[52] De volta às FIGS. 5A a 5D, são mostradas vistas esquemáticas planas dos padrões de feixes de laser e padrões de remoção mecânica (onde direciona-se o feixe de laser) na superfície do fundo do poço. Na modalidade da FIG. 5A, o padrão de feixes de laser 500a tem uma série de anéis contínuos concêntricos, por exemplo 501a. Os anéis estão localizados dentro da parede do poço 505a. Entre os anéis há uma área da superfície do fundo do poço que não é diretamente atingida pelo feixe de laser, mas que será enfraquecida pelo feixe de laser (isto é, o material afetado pelo laser). O padrão de remoção mecânica consiste numa série de anéis, por exemplo 502A, que seguem ou que se encontram sobre o material afetado por de laser.[52] Back to FIGS. 5A to 5D, schematic plan views of the laser beam patterns and mechanical removal patterns (where the laser beam is directed) on the bottom surface of the well are shown. In the embodiment of FIG. 5A, laser beam pattern 500a has a series of concentric continuous rings, for example 501a. The rings are located inside the well wall 505a. Between the rings there is an area of the bottom hole surface that is not directly hit by the laser beam, but which will be weakened by the laser beam (i.e. the material affected by the laser). The mechanical removal pattern consists of a series of rings, for example 502A, that follow or lie on the laser-affected material.

[53] Na modalidade da FIG. 5B, o padrão de feixes de laser 500b tem uma série de anéis concêntricos, por exemplo 501b, que são constituídos por segmentos arqueados discretos ou desconectados. Os anéis estão localizados dentro da parede do poço 505b. Entre os anéis há uma área da superfície do fundo do poço que não é diretamente atingida pelo feixe de laser, mas que será enfraquecida pelo feixe de laser (isto é, o material afetado pelo laser). O padrão de remoção mecânica consiste numa série de anéis, por exemplo 502b, que seguem ou que se encontram sobre o material afetado por de laser.[53] In the embodiment of FIG. 5B, laser beam pattern 500b has a series of concentric rings, for example 501b, which are comprised of discrete or disconnected arcuate segments. The rings are located inside the well wall 505b. Between the rings there is an area of the bottom hole surface that is not directly hit by the laser beam, but which will be weakened by the laser beam (i.e. the material affected by the laser). The mechanical removal pattern consists of a series of rings, for example 502b, that follow or lie on the laser-affected material.

[54] Na modalidade da FIG. 5C, o padrão de feixes de laser 500c tem uma série de anéis contínuos concêntricos. O anel 501c é um anel mais amplo e/ou mais profundo, localizado em forma adjacente à parede 505c do poço. O anel 510c é um anel contínuo, e uma série de anéis descontínuos, por exemplo 511c, estão localizados dentro do anel 510c. Entre os anéis há uma área da superfície do fundo do poço que não é diretamente atingida pelo feixe de laser, mas que será enfraquecida pelo feixe de laser (isto é, o material afetado pelo laser). O padrão de remoção mecânica é uma série de anéis que seguem ou estão ligados ao material afetado pelo de laser.[54] In the embodiment of FIG. 5C, 500c laser beam pattern has a series of concentric continuous rings. Ring 501c is a wider and/or deeper ring located adjacent to well wall 505c. Ring 510c is a continuous ring, and a series of discontinuous rings, for example 511c, are located within ring 510c. Between the rings there is an area of the bottom hole surface that is not directly hit by the laser beam, but which will be weakened by the laser beam (i.e. the material affected by the laser). The mechanical removal pattern is a series of rings that follow or are attached to the material affected by the laser.

[55] Na modalidade da FIG. 5D, o padrão de feixes de laser 500d tem um único anel contínuo 501d, que está localizado em forma adjacente à parede da poço 505d.[55] In the embodiment of FIG. 5D, the laser beam pattern 500d has a single continuous ring 501d, which is located adjacent to the well wall 505d.

[56] Em uma modalidade, o padrão de feixes de laser é uma linha de disparos que formam spots circulares na superfície do fundo do poço. Os disparos de laser e spots circulares possuem um diâmetro de aproximadamente 0,4 mm a aproximadamente 4,5 mm, de aproximadamente 0,9 mm a aproximadamente 2,5 mm e aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 2 mm. Durante a perfuração, o padrão de feixes de laser é rotada em torno da superfície do fundo do poço. Desta forma, o feixe de laser produz uma série de orifícios em forma de arco que formam um padrão de remoção de anéis concêntricos, deixando um padrão da superfície restante do poço e do material da formação que compõe a superfície do fundo do poço, cujo material remanescente está entre os anéis e adjacente a eles, e compõe um padrão que é negativo ao padrão de disparos de feixes de laser. Caso os feixes de laser sejam pulsados, os anéis serão uma série de anéis arqueados desconectados. Se os feixes de laser são contínuos, os anéis serão formados por orifícios circulares. Combinações de padrões pulsados e contínuos são contempladas; assim, por exemplo, um orifício circular contínuo pode ser formado na parede lateral do poço, ou bem próximo dela, e os anéis arqueados desconexos estar localizados dentro do anel circular externo. O espaçamento entre os anéis pode ser uniforme, escalonado, e escalonado de forma que as trajetórias dos disparos (os orifícios circulares) não coincidam com a trajetória do cortador. Desta forma, a superfície do fundo do poço tem duas áreas distintas, uma área que apresenta contato direto com o feixe de laser, a “área de remoção a de laser”; e uma outra que apresenta contato direto com o dispositivo de remoção mecânica (cortadores, jatos de água, etc.), a “área de remoção mecânica”. Na modalidade preferida, o feixe de laser não faz contato direto com a área de remoção mecânica, bem como os cortadores não fazem contato direto com a área de remoção a laser.[56] In one embodiment, the laser beam pattern is a line of shots that form circular spots on the surface of the bottom of the well. Laser shots and circular spots have a diameter of approximately 0.4 mm to approximately 4.5 mm, approximately 0.9 mm to approximately 2.5 mm, and approximately 1.5 mm to approximately 2 mm. During drilling, the laser beam pattern is rotated around the downhole surface. In this way, the laser beam produces a series of arc-shaped holes that form a concentric ring removal pattern, leaving a pattern of the remaining well surface and the formation material that makes up the bottom surface of the well, which material remaining is between the rings and adjacent to them, and makes up a pattern that is negative to the laser beam firing pattern. If the laser beams are pulsed, the rings will be a series of disconnected arcuate rings. If the laser beams are continuous, the rings will be formed by circular holes. Combinations of pulsed and continuous patterns are contemplated; thus, for example, a continuous circular hole may be formed in or very close to the side wall of the well, and the disconnected arcuate rings be located within the outer circular ring. The spacing between the rings can be uniform, staggered, and staggered so that the trajectories of the shots (the circular holes) do not coincide with the trajectory of the cutter. In this way, the bottom surface of the well has two distinct areas, an area that has direct contact with the laser beam, the “laser removal area”; and another that has direct contact with the mechanical removal device (cutters, water jets, etc.), the “mechanical removal area”. In the preferred embodiment, the laser beam does not make direct contact with the mechanical removal area, nor do the cutters make direct contact with the laser removal area.

[57] Assim, em geral e a título de exemplo, é fornecido na FIG. 8 um sistema de perfuração a laser de alta eficiência 1000 para criação de um poço 1001 no solo 1002. Como utilizado aqui, o termo “solo” deve ter o seu significado mais amplo possível, incluindo, sem limitação, formações das camadas rochosas, tais como, granito, basalto, arenito, dolomita, areia, sal, calcário, riólito, quartzito e xisto.[57] Thus, in general and by way of example, it is provided in FIG. 8 a high-efficiency laser drilling system 1000 for creating a well 1001 in soil 1002. As used herein, the term "soil" shall have its broadest possible meaning, including, without limitation, rock layer formations, such as such as granite, basalt, sandstone, dolomite, sand, salt, limestone, rhyolite, quartzite and shale.

[58] A FIG. 8 é uma vista em perspectiva mostrando a superfície do solo 1030 e um corte do solo abaixo da superfície 1002. Em geral e a título de exemplo, é fornecida uma fonte de energia elétrica 1003, que fornece energia elétrica a través dos cabos 1004 e 1005 a um laser 1006 e um resfriador 1007 do de laser 1006. O laser emite um feixe, ou seja, energia laser, que pode ser transmitida por um meio de transmissão de feixes de laser 1008 a uma bobina de flexitubo 1009. Uma fonte de fluido 1010 é fornecida. O fluido é transportado pelo meio de transporte de fluídos 1011 para a bobina de flexitubo 1009.[58] FIG. 8 is a perspective view showing the ground surface 1030 and a section of the ground below the surface 1002. In general and by way of example, an electrical power source 1003 is provided, which provides electrical power through cables 1004 and 1005 to a laser 1006 and a cooler 1007 of the laser 1006. The laser emits a beam, i.e. laser energy, which can be transmitted by a laser beam transmission means 1008 to a coil of coiled tubing 1009. A fluid source 1010 is provided. The fluid is transported by the fluid transport means 1011 to the coiled tubing 1009.

[59] A bobina de flexitubo 1009 é rotada para estender e retrair o flexitubo 1012. Assim, o meio de transmissão de feixes de laser 1008 e o meio de transporte de fluídos 1011 estão conectados à bobina de flexitubo 1009 através do acoplamento rotativo 1013. O flexitubo 1012 permite a transmissão do feixe de laser por todo seu comprimento, ou seja, “meio de transmissão de feixes de laser de alta potência a longa distância”, até a composição de fundo de poço 1014. O flexitubo 1012 também permite de transmitir o fluído por todo o comprimento do flexitubo 1012 até a composição de fundo de poço 1014.[59] The coil of coiled tubing 1009 is rotated to extend and retract the coiled tubing 1012. Thus, the laser beam transmission means 1008 and the fluid transport means 1011 are connected to the coiled tubing 1009 through the rotary coupling 1013. The coiled tubing 1012 allows the transmission of the laser beam along its entire length, that is, “a means of transmitting high-power laser beams over a long distance”, up to the downhole composition 1014. The coiled tubing 1012 also allows transmitting the fluid along the entire length of the coiled tubing 1012 to the downhole composition 1014.

[60] Adicionalmente, é fornecida uma estrutura de suporte 1015, a qual contém um injetor 1016, a fim de facilitar o movimento do flexitubo 1012 no poço 1001. Outras estruturas adicionais de suporte podem ser utilizadas, por exemplo, estruturas como guindastes, gruas, mastros, tripés ou outras estruturas de tipo similar, híbridas ou as combinações destas. Conforme a perfuração avança para maiores profundidades a partir da superfície 1030, o uso de um desviador 1017, um preventor de erupção 1018 (BOP - blow-out preventer) e um sistema de tratamento de fluidos e/ou detritos 1019 podem ser necessários. O flexitubo 1012 é passado do injetor 1016 através do desviador 1017, o BOP 1018, uma cabeça de poço 1020 e entra no poço1001.[60] Additionally, a support structure 1015 is provided, which contains an injector 1016, in order to facilitate the movement of the coiled tubing 1012 in the well 1001. Other additional support structures can be used, for example, structures such as cranes, cranes , masts, tripods or other structures of similar type, hybrids or combinations thereof. As drilling advances to greater depths from surface 1030, the use of a diverter 1017, a blow-out preventer 1018 (BOP), and a fluid and/or debris treatment system 1019 may be necessary. The coiled tubing 1012 is passed from the injector 1016 through the diverter 1017, the BOP 1018, a wellhead 1020 and enters the well 1001.

[61] O fluido, o qual pode ser água, salmoura, fluído de perfuração ou gás, é transportado ao fundo 1021 do poço 1001. Nesse ponto, o fluido sai pela composição de corte a laser de fundo de poço 1014 ou próximo dela e é utilizado, entre outras coisas, para arrastar os cascalhos criados pelo avanço e asseguramento do poço. Assim, o desviador 1017 direciona o fluido conforme ele retorna arrastando cascalho para o sistema de tratamento de fluidos e/ou detritos 1019 através do conector 1022. Este sistema de tratamento 1019 tem por objetivo evitar que os detritos escapem para o meio ambiente, além de separar e limpar resíduos e liberar o fluido limpo no ar libre, se for viável do ponto de vista ambiental e económico, como seria o caso se o fluido fosse nitrogênio, devolver o fluido limpo para a fonte de fluido 1010 ou, em outros casos, armazenar o fluido usado para posterior tratamento e/ou descarte.[61] The fluid, which may be water, brine, drilling fluid, or gas, is conveyed to the bottom 1021 of the well 1001. At that point, the fluid exits through or near the downhole laser cutting composition 1014 and It is used, among other things, to drag the cuttings created by the advancement and securing of the well. Thus, the diverter 1017 directs the fluid as it returns dragging gravel to the fluid and/or debris treatment system 1019 through the connector 1022. This treatment system 1019 is intended to prevent debris from escaping into the environment, in addition to separate and clean waste and release the clean fluid into the open air, if environmentally and economically viable, as would be the case if the fluid were nitrogen, return the clean fluid to the fluid source 1010 or, in other cases, store the used fluid for subsequent treatment and/or disposal.

[62] O BOP 1018 serve para proporcionar vários níveis de parada e/ou contenção do poço emergenciais, caso aconteça um evento de alta pressão na poço, como uma potencial erupção do poço. O BOP é fixado na cabeça de poço 1020. A cabeça de poço, por sua vez, pode ser fixada ao revestimento. Em prol da simplificação, os componentes estruturais de um poço, como revestimento, suspensores de revestimento e cimento, não são exibidos. Entende-se que esses componentes podem ser utilizados e variarão de acordo com a profundidade, tipo e geologia do poço, entre outros fatores.[62] BOP 1018 serves to provide various levels of emergency well shutdown and/or containment, in the event of a high pressure event in the well, such as a potential well blowout. The BOP is attached to the 1020 wellhead. The wellhead, in turn, can be attached to the casing. For the sake of simplicity, the structural components of a well, such as casing, casing hangers, and cement, are not shown. It is understood that these components can be used and will vary according to the depth, type and geology of the well, among other factors.

[63] A extremidade de fundo de poço 1023 do flexitubo 1012 está conectada à composição de corte a laser de fundo de poço 1014. A composição de corte a laser de fundo de poço 1014 contém a óptica para a emissão dos feixes de laser 1024 em um padrão de feixes de laser formada por múltiplos disparos de feixes de laser direcionados contra o alvo designado, no caso da FIG. 1, o fundo 1021 do poço 1001. A composição de corte a laser de fundo de poço 1014, por exemplo, também contém meios de transporte para o fluido.[63] The downhole end 1023 of the coiled tubing 1012 is connected to the downhole laser cutting composition 1014. The downhole laser cutting composition 1014 contains the optics for emitting the laser beams 1024 into a pattern of laser beams formed by multiple shots of laser beams directed against the designated target, in the case of FIG. 1, the bottom 1021 of the well 1001. The downhole laser cutting composition 1014, for example, also contains transport means for the fluid.

[64] Portanto, de forma geral, o sistema funciona para criar e/ou avançar em um poço utilizando a energia gerada pelo laser na forma de um feixe de laser, transmitido do laser, através da bobina e dentro do flexitubo. Nesse ponto, o laser é transmitido à composição de fundo de poço, onde é direcionado para as superfícies do solo e/ou do poço na forma de uma pluralidade de aproximadamente 10 até 50, até 100 ou mais disparos individuais de laser que formam um padrão de feixes de laser direcionados para, por exemplo, a superfície do fundo do poço. Ao entrar em contato com a superfície do solo e/ou poço, os spots de feixes de laser têm potência suficiente (de aproximadamente 2 kW até aproximadamente 20 kW ou mais) para cortar, ou afetar de outra forma, as rochas e o solo, criando áreas de material removido pelo laser que espelha o padrão de feixes de laser, e uma área do solo que mantém um padrão que espelha o padrão de feixes de laser, enquanto o resto do material também é enfraquecido pelo efeito térmico e outros efeitos provenientes dos spots de feixes de laser.[64] Therefore, in general, the system works to create and/or advance a well using energy generated by the laser in the form of a laser beam, transmitted from the laser, through the coil and into the coiled tubing. At this point, the laser is transmitted to the downhole composition, where it is directed at the ground and/or well surfaces in the form of a plurality of approximately 10, up to 50, up to 100 or more individual laser shots that form a pattern. of laser beams directed towards, for example, the bottom surface of the well. Upon contact with the ground surface and/or well, the laser beam spots have sufficient power (from approximately 2 kW to approximately 20 kW or more) to cut through, or otherwise affect, rocks and soil, creating areas of material removed by the laser that mirror the laser beam pattern, and an area of the ground that maintains a pattern that mirrors the laser beam pattern, while the rest of the material is also weakened by thermal and other effects from the laser beams. laser beam spots.

[65] O material remanescente pode então ser removido por um equipamento mecânico, requerendo uma quantidade significativamente menor de esforço do que seria necessário para remover material não afetado; por exemplo, o material antes de ser enfraquecido pelo laser. Em uma modalidade preferida, o material enfraquecido pelo de laser, a formação ou o solo, não entra em contato direto com o feixe de laser. Assim, em modalidades, o material de formação remanescente não teria sido atingido diretamente pelo feixe de laser, e preferencialmente também não seria atingido pelo feixe de laser ou pelo padrão de feixes de laser. O material enfraquecido é então removido mecanicamente pelo uso de, por exemplo, um cortador, martelo, broca, sonda ou broca perfuradora. Jatos de fluidos e de partículas também podem ser usados em conjunto com os equipamentos de corte mecânico. O feixe de laser, no ponto de contato, tem potência suficiente e é direcionado de tal maneira nas rochas e no solo que a capacidade de criação de poços é comparável ou superior à operação de perfuração mecânica convencional. Dependendo do tipo de solo e rocha e as propriedades do feixe de laser, esse corte ocorre por lascamento, dissociação térmica, derretimento, vaporização ou uma combinação desses fenômenos.[65] The remaining material can then be removed by mechanical equipment, requiring significantly less effort than would be required to remove unaffected material; for example, the material before it is weakened by the laser. In a preferred embodiment, the material weakened by the laser, the formation or the soil, does not come into direct contact with the laser beam. Thus, in embodiments, the remaining forming material would not have been hit directly by the laser beam, and preferably would not have been hit by the laser beam or laser beam pattern. The weakened material is then removed mechanically by the use of, for example, a cutter, hammer, drill, probe or drill bit. Fluid and particle jets can also be used in conjunction with mechanical cutting equipment. The laser beam, at the point of contact, has sufficient power and is directed in such a way into the rocks and soil that the well creation capacity is comparable or superior to conventional mechanical drilling operation. Depending on the type of soil and rock and the properties of the laser beam, this cutting occurs by spalling, thermal dissociation, melting, vaporization or a combination of these phenomena.

[66] O fluído então arrasta o cascalho para fora do poço. Conforme a perfuração avança, o flexitubo se desenrola e é estendido aprofundando-se no poço. Dessa forma pode se manter a distância apropriada entre a composição de fundo de poço e o fundo do poço. Se a composição de fundo de poço precisasse ser removida do poço, por exemplo para revestir o poço, a bobina é recolhida, fazendo com que o flexitubo seja puxado para fora do poço. Adicionalmente, o feixe de laser pode ser direcionado pela composição de fundo de poço ou outra ferramenta de direcionamento de laser disposta no fundo do poço, para realizar operações como perfuração, perfuração controlada, corte de revestimento e remoção de tampões. O sistema pode ser instalado em trailers ou carretas de fácil mobilidade, por serem seu tamanho e peso substancialmente menores que os equipamentos mecânicos de perfuração convencional.[66] The fluid then drags the gravel out of the well. As drilling progresses, the coiled tubing unwinds and is extended deeper into the well. This way, the appropriate distance between the downhole composition and the bottom of the well can be maintained. If the downhole composition needed to be removed from the well, for example to line the well, the coil is retracted, causing the coiled tubing to be pulled out of the well. Additionally, the laser beam can be directed by the downhole composition or other laser directing tool disposed at the bottom of the wellbore, to perform operations such as drilling, controlled drilling, casing cutting and plug removal. The system can be installed in trailers or trailers for easy mobility, as its size and weight are substantially smaller than conventional mechanical drilling equipment.

[67] adição ao flexitubo, colunas de poço podem ser usadas, bem como wireline downhole tractors ou outros sistemas de transporte conhecidos na indústria.[67] In addition to coiled tubing, well strings can be used, as well as wireline downhole tractors or other transport systems known in the industry.

[68] Em uma modalidade, os lasers estão situados no fundo, ou próximo do fundo do poço, ou integrados como composição de laser de fundo de poço. Dessa forma, os feixes de laser podem ser gerados no fundo. De lasers de fundo de poço e geração de feixes de laser estão detalhados e divulgados na US Patent Publication No. 2016/0084008, publicação aqui incorporada em forma completa para referência.[68] In one embodiment, the lasers are situated at or near the bottom of the well, or integrated as a downhole laser composition. This way, laser beams can be generated at the bottom. Downhole lasers and laser beam generation are detailed and disclosed in US Patent Publication No. 2016/0084008, publication incorporated herein in full by reference.

[69] Modalidades dos sistemas de perfuração a laser, composições de laser de fundo de poço, colunas ópticas e outros sistemas de perfuração a laser e seus componentes estão divulgados e detalhados na US Patent, Nos. 8.511.401, 8.826.973, 9.244.235, 9.074.422, 8.571.368, 9.027.668 e 8.661.160, a completa publicação de cada uma delas aqui incorporada para referência.[69] Embodiments of laser drilling systems, downhole laser compositions, optical columns and other laser drilling systems and components thereof are disclosed and detailed in US Patent Nos. 8,511,401, 8,826,973, 9,244,235, 9,074,422, 8,571,368, 9,027,668 and 8,661,160, the complete publication of each of which is incorporated herein by reference.

[70] O laser pode gerar feixes de mais de 1 kW, aproximadamente; mais de 5 kW, aproximadamente; mais de 20 kW, aproximadamente; mais de 40 kW, aproximadamente; desde aproximadamente 20 kW até aproximadamente 40 kW; desde aproximadamente 1 kW até aproximadamente 80 kW ou mais. Os feixes de laser de cada spot de feixe de laser podem ser de aproximadamente 1 kW, 2 kW, 5 kW, 10 kW, 15 kW, 20 kW; desde aproximadamente 1 kW até aproximadamente 20 kW e maiores.[70] The laser can generate beams of more than 1 kW, approximately; more than 5 kW, approximately; more than 20 kW, approximately; more than 40 kW, approximately; from approximately 20 kW to approximately 40 kW; from approximately 1 kW to approximately 80 kW or more. The laser beams of each laser beam spot can be approximately 1 kW, 2 kW, 5 kW, 10 kW, 15 kW, 20 kW; from approximately 1 kW to approximately 20 kW and larger.

[71] O feixe de laser pode ter um comprimento de onda desde aproximadamente 400 nm até aproximadamente 1.550 nm, desde aproximadamente 400 nm até aproximadamente 600 nm, menos que 800 nm aproximadamente, desde aproximadamente 450 nm até aproximadamente 900 nm, desde aproximadamente 400 nm até aproximadamente 500 nm, desde aproximadamente 500 nm até aproximadamente 600 nm, desde aproximadamente 600 nm até aproximadamente 700 nm e desde aproximadamente 900 nm até aproximadamente 1.200 nm; comprimentos de onda maiores ou menores podem ser utilizados também.[71] The laser beam may have a wavelength from approximately 400 nm to approximately 1,550 nm, from approximately 400 nm to approximately 600 nm, less than approximately 800 nm, from approximately 450 nm to approximately 900 nm, from approximately 400 nm to approximately 500 nm, from approximately 500 nm to approximately 600 nm, from approximately 600 nm to approximately 700 nm and from approximately 900 nm to approximately 1,200 nm; longer or shorter wavelengths can be used as well.

[72] O presente sistema pode incluir um ou mais manipuladores ópticos. Um manipulador óptico pode geralmente controlar um feixe de laser, direcionando ou posicionando o feixe de laser para lascar materiais, tais como rochas. Em algumas configurações, um manipulador óptico pode estrategicamente guiar um feixe de laser para lascar materiais, tais como rochas. Por exemplo, a distância com a parede ou rocha de um poço pode ser controlada, bem como o ângulo de impacto. Em algumas configurações, um ou mais manipuladores ópticos orientáveis podem controlar a direção e largura espacial de um ou mais feixes de lasers a través de um ou mais espelhos refletores ou refletores de cristal. Em outras configurações, o manipulador óptico pode ser orientado por um interruptor eletro-óptico, polímeros eletroativos, galvanômetros, cristais piezoelétricos e/ou motores rotacionais/lineares. Em pelo menos um padrão, um laser de diodo ou um cabeçote óptico de laser de fibra pode geralmente rotar em um eixo vertical para aumentar a área de contato. Diversos valores programáveis como energia específica, potência específica, frequência de pulso, duração e similares podem ser implementados como funções de tempo. Então, onde aplicar energia é algo que pode ser estrategicamente determinado, programado e executado de forma a aprimorar a taxa de penetração e/ou de interação de laser/pedra para maximizar a eficiência geral do avanço do poço, incluindo a redução do número de etapas de caminho crítico para a conclusão do poço. Um ou mais algoritmos podem ser usados para controlar o manipulador óptico.[72] The present system may include one or more optical manipulators. An optical manipulator can generally control a laser beam, directing or positioning the laser beam to chip materials such as rocks. In some configurations, an optical manipulator can strategically guide a laser beam to chip away at materials such as rocks. For example, the distance to a well wall or rock can be controlled, as can the angle of impact. In some configurations, one or more steerable optical manipulators can control the direction and spatial width of one or more laser beams through one or more reflecting mirrors or crystal reflectors. In other configurations, the optical manipulator may be driven by an electro-optical switch, electroactive polymers, galvanometers, piezoelectric crystals and/or rotational/linear motors. In at least one pattern, a diode laser or fiber laser optical head may generally rotate on a vertical axis to increase the contact area. Various programmable values such as specific energy, specific power, pulse frequency, duration and the like can be implemented as time functions. Therefore, where to apply energy is something that can be strategically determined, programmed and executed in a way that improves the rate of penetration and/or laser/stone interaction to maximize the overall efficiency of well advancement, including reducing the number of steps critical path to well completion. One or more algorithms can be used to control the optical manipulator.

[73] De forma geral, modalidades de composições de laser de fundo de poço (LBHA / De laser Bottom Hole Assembly) ou composições de fundo de poço (BHA / Bottom Hole Assembly), termos que são intercambiáveis salvo específica orientação em contrário, podem conter um invólucro externo capaz de suportar as condições de um ambiente de fundo de poço e ópticas para configurar a forma e regular o direcionamento do feixe de laser para as superfícies do poço, revestimento ou formação que se deva alvejar. A composição pode ainda conter ou estar associada a um sistema para fornecer e direcionar fluído ao local desejado no poço, um sistema para reduzir, controlar ou conduzir detritos no caminho do feixe de laser até a superfície do material, um meio para controlar a temperatura da óptica, um meio para controlar ou comandar a pressão no entorno da óptica, além de outros elementos da composição, e para monitorar e mensurar equipamentos e aparelhos, bem como outros tipos de equipamentos de fundo de poço que são usados nas operações de perfuração mecânica convencional.[73] In general, modalities of bottom-hole laser compositions (LBHA / Laser Bottom Hole Assembly) or bottom-hole compositions (BHA / Bottom Hole Assembly), terms that are interchangeable unless specifically instructed otherwise, may contain an external casing capable of withstanding the conditions of a downhole environment and optics to configure the shape and regulate the direction of the laser beam to the surfaces of the well, casing or formation that must be targeted. The composition may further contain or be associated with a system for delivering and directing fluid to the desired location in the well, a system for reducing, controlling or directing debris in the path of the laser beam to the surface of the material, a means for controlling the temperature of the optic, a means for controlling or commanding pressure around the optic, as well as other elements of the composition, and for monitoring and measuring equipment and apparatus, as well as other types of downhole equipment that are used in conventional mechanical drilling operations .

[74] A LBHA e a óptica, em pelo menos um aspecto, pode determinar que um padrão de spots de feixes e um formato de feixes contínuo sejam formados por um elemento óptico reticulado refrativo, reflexivo, difrativo ou transmissivo. Estes elementos ópticos podem ser feitos de sílica fundida, quartzo, seleneto de zinco (ZnSe), silício (Si), arsenieto de gálio (GaAs), granada de ítrio-alumínio (YAG), metal polido, safira e/ou diamante, não estando limitados apenas a estes. Os elementos ópticos podem ser revestidos com tais materiais para reduzir ou aprimorar a refletividade.[74] LBHA and optics, in at least one aspect, can determine that a pattern of beam spots and a continuous beam shape are formed by a refractive, reflective, diffractive or transmissive lattice optical element. These optical elements can be made of fused silica, quartz, zinc selenide (ZnSe), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), yttrium aluminum garnet (YAG), polished metal, sapphire and/or diamond, not being limited to these only. Optical elements may be coated with such materials to reduce or enhance reflectivity.

[75] De acordo com um ou mais aspectos, uma ou mais lentes refrativas, elementos difrativos, reticulados transmissivos e/ou lentes reflexivas podem ser adicionados para focar, varrer e/ou alterar o padrão dos spots de feixes emitidos a partir das fibras ópticas posicionadas em um padrão. Uma ou mais lentes refrativas, elementos difrativos, reticulados transmissivos e/ou lentes reflexivas podem ser adicionados para focar, escanear e/ou alterar um ou mais formatos de feixes contínuos a partir da luz emitida pela óptica de modelagem de feixes. Um colimador pode ser posicionado depois da lente de modelagem dos spots de feixes no plano transversal do percurso óptico. O colimador pode ser uma lente esférica, um sistema de lentes esféricas composto de uma lente convexa, lente convexa grossa, menisco divergente, lente biconvexa, lente refrativa gradiente com um perfil esférico e lentes acromáticas. O colimador pode ser composto dos seguintes materiais: sílica fundida, vidros SF Schwerflint (Schwerflint (vidro de sílex), granada de ítrio-alumínio (YAG) ou um material afim. O colimador pode ser revestido para reduzir ou melhorar a refletividade ou a transmissão. Estes elementos ópticos podem ser resfriados por um líquido ou gás de purga.[75] According to one or more aspects, one or more refractive lenses, diffractive elements, transmissive gratings and/or reflective lenses may be added to focus, sweep and/or change the pattern of beam spots emitted from the optical fibers positioned in a pattern. One or more refractive lenses, diffractive elements, transmissive gratings and/or reflective lenses may be added to focus, scan and/or change one or more continuous beam shapes from the light emitted by the beam shaping optics. A collimator can be positioned after the lens to shape the beam spots in the transverse plane of the optical path. The collimator may be a spherical lens, a spherical lens system composed of a convex lens, thick convex lens, diverging meniscus, biconvex lens, gradient refractive lens with a spherical profile and achromatic lens. The collimator may be composed of the following materials: fused silica, SF Schwerflint glasses (Schwerflint (flint glass), yttrium aluminum garnet (YAG) or a related material. The collimator may be coated to reduce or improve reflectivity or transmission These optical elements can be cooled by a purge liquid or gas.

[76] Em alguns aspectos, as fibras ópticas e uma ou mais lentes de elementos ópticos e óptica de moldagem de feixes podem estar instaladas em um cabeçote óptico protetivo composto de, por exemplo, aço, aço cromo- molibdênio, aço revestido por materiais de superfície duras como uma liga de cromo-níquel-cobalto, titânio, carbeto de tungstênio, diamante, safira ou outros materiais adequados e conhecidos na indústria, que pode ter uma janela de transmissão talhada para emitir a luz através do cabeçote óptico.[76] In some aspects, the optical fibers and one or more lenses of optical elements and beam shaping optics may be installed in a protective optical head composed of, for example, steel, chromium-molybdenum steel, steel coated with hard surface such as a chromium-nickel-cobalt alloy, titanium, tungsten carbide, diamond, sapphire or other suitable materials known in the industry, which may have a transmission window cut to emit light through the optical head.

[77] De acordo com um ou mais aspectos, uma fonte de laser pode ser acoplada a múltiplos feixes de fibras ópticas com a extremidade distal da fibra disposta de forma a combinar fibras para formar pares de feixes, de modo que a densidade de potência através do par de feixes de fibras esteja dentro da zona de remoção; por exemplo: zona de espalação ou vaporização, e um ou mais spots de feixes iluminem o material, como rochas, com os pares de feixes dispostos num padrão para remover ou deslocar a formação rochosa.[77] According to one or more aspects, a laser source may be coupled to multiple bundles of optical fibers with the distal end of the fiber arranged to combine fibers to form beam pairs such that the power density across of the pair of fiber bundles is within the removal zone; for example: spallation or vaporization zone, and one or more beam spots illuminate material, such as rocks, with the pairs of beams arranged in a pattern to remove or displace the rock formation.

[78] De acordo com um ou mais aspectos, o padrão dos pares de feixes pode ser espaçado de tal forma que a luz dos pares de feixes de fibra emerja em uns mais padrões de spots de feixes que compõem a geometria de uma grade retangular, um círculo, um hexágono, uma cruz, uma estrela, uma gravata borboleta, um triângulo, várias linhas em uma matriz, várias linhas espaçadas por uma distância não-linear, uma elipse, duas ou mais linhas, em um ângulo, ou uma forma relacionada. O padrão dos pares de feixes pode ser espaçado de tal forma que a luz dos feixes de fibra emerja como uma ou mais formas contínuas de feixe compreendendo as formas geométricas acima. Um colimador pode ser posicionado a uma distância predeterminada no mesmo plano abaixo da extremidade distal dos pares de feixes de fibras. Uma ou mais ópticas de moldagem de feixes pode ser posicionada a uma distância no mesmo plano abaixo da extremidade distal dos pares de feixes de fibras. Um elemento óptico, como uma lente não assimétrica pode ser posicionado à referida distância no mesmo plano abaixo da extremidade distal dos pares de feixes de fibra, em um ângulo para a formação rochosa e rotacionado em um eixo. As fibras ópticas podem ser de monomodo e/ou multimodo. Os feixes de fibra óptica podem ser compostos de fibras monomodo e/ou multimodo. É amplamente entendido na indústria que os termos lente e elementos ópticos, como aqui utilizados, são usados em seus termos mais amplos e, portanto, também podem se referir a quaisquer elementos ópticos com potência, como elementos refletivos, transmissivos ou refrativos. Em alguns aspectos, as fibras ópticas podem ser inteiramente construídas de vidro, cristais fotônicos de núcleo oco e / ou cristais fotônicos de núcleo sólido. As fibras ópticas podem ser revestidas com materiais como polimida, poliamida, acrilato, poliamida de carbono ou carbono / acrilato duplo. A luz pode ser proveniente de um de laser de diodo, laser de disco, laser químico, laser de fibra ou fonte de fibra óptica focada por uma ou mais lentes refrativas positivas.[78] In one or more aspects, the pattern of beam pairs may be spaced such that light from the fiber beam pairs emerges into more beam spot patterns that make up the geometry of a rectangular grid, a circle, a hexagon, a cross, a star, a bow tie, a triangle, multiple lines in a matrix, multiple lines spaced a nonlinear distance apart, an ellipse, two or more lines at an angle, or a shape related. The pattern of the beam pairs may be spaced such that light from the fiber bundles emerges as one or more continuous beam shapes comprising the above geometric shapes. A collimator can be positioned at a predetermined distance in the same plane below the distal end of the pairs of fiber bundles. One or more beam shaping optics may be positioned a distance in the same plane below the distal end of the fiber bundle pairs. An optical element such as a non-asymmetric lens can be positioned at said distance in the same plane below the distal end of the pairs of fiber bundles, at an angle to the rock formation and rotated on an axis. Optical fibers can be single-mode and/or multimode. Optical fiber bundles can be composed of single-mode and/or multimode fibers. It is widely understood in the industry that the terms lens and optical elements, as used herein, are used in their broadest terms and therefore can also refer to any optical elements with power, such as reflective, transmissive or refractive elements. In some aspects, optical fibers may be constructed entirely of glass, hollow-core photonic crystals, and/or solid-core photonic crystals. Optical fibers can be coated with materials such as polyamide, polyamide, acrylate, carbon polyamide or double carbon/acrylate. The light may come from a diode laser, disk laser, chemical laser, fiber laser, or fiber optic source focused by one or more positive refractive lenses.

[79] Em pelo menos um aspecto, os tipos de lentes refrativas positivas podem incluir uma óptica não simétrica ao eixo, como uma lente plano- convexa, uma lente biconvexa, uma lente menisco positiva ou uma lente de índice gradiente de refração com um perfil gradiente plano-convexo, um perfil gradiente biconvexo, ou perfil positivo do gradiente do menisco para focar um ou mais spots de feixes para a formação rochosa. Uma lente refrativa positiva pode ser de materiais como sílica fundida, safira, seleneto de zinco (ZnSe), Granada de ítrio e alumínio (YAG - yttrium-aluminium garnet) ou diamante. Ditos elementos ópticos da lente refrativa podem ser dirigidos no plano de propagação de luz para aumentar/diminuir o comprimento focal. A saída de luz da fonte de fibra óptica pode se originar de uns múltiplos pares de feixes de fibra óptica formando um feixe ou padrão de spots de feixes e propagando a luz para uma ou mais lentes refrativas positivas.[79] In at least one aspect, types of positive refractive lenses may include non-axis-symmetric optics, such as a plano-convex lens, a biconvex lens, a positive meniscus lens, or a gradient index of refraction lens with a profile plano-convex gradient, a biconvex gradient profile, or positive meniscus gradient profile to focus one or more beam spots onto the rock formation. A positive refractive lens can be made of materials such as fused silica, sapphire, zinc selenide (ZnSe), yttrium aluminum garnet (YAG) or diamond. Said optical elements of the refractive lens can be directed in the plane of light propagation to increase/decrease the focal length. The light output from the fiber optic source may originate from multiple pairs of fiber optic beams forming a beam or pattern of beam spots and propagating the light to one or more positive refractive lenses.

[80] Em alguns aspectos, a lente de refração positiva pode ser uma microlente. As microlentes podem ser direcionadas no plano de propagação da luz para aumentar/diminuir a distância focal, bem como perpendicular ao plano de propagação da luz para alterar o feixe. As microlentes podem receber luz incidente para focar em múltiplos focos de uma ou mais fibras ópticas, pares de feixes de fibras ópticas, lasers de fibra, lasers de diodo; e receber e enviar luz de um ou mais colimadores, lentes de refração positiva, lentes de refração negativo, um ou mais espelhos, expansores de feixe óptico difrativo e refletivo, e prismas. Em pelo menos um aspecto, a lente de refração positiva pode focar os múltiplos spots de feixes em vários focos, para remover ou deslocar a formação rochosa.[80] In some aspects, the positive refraction lens may be a microlens. Microlenses can be directed in the plane of light propagation to increase/decrease the focal length, as well as perpendicular to the plane of light propagation to change the beam. Microlenses can receive incident light to focus on multiple foci of one or more optical fibers, pairs of optical fiber bundles, fiber lasers, diode lasers; and receiving and sending light from one or more collimators, positive refraction lenses, negative refraction lenses, one or more mirrors, diffractive and reflective optical beam expanders, and prisms. In at least one aspect, the positive refraction lens can focus multiple beam spots into multiple foci to remove or displace rock formation.

[81] Os aparelhos e métodos da presente invenção podem ser utilizados com sondas e equipamentos de poço, como nas atividades de exploração e desenvolvimento de campo. Assim, a título de exemplo e sem limitação, eles podem ser usados com plataformas terrestres, plataformas móveis terrestres, equipamento de torres fixas, plataformas de barcaças, navios de perfuração, plataformas elevatórias e plataformas semissubmersíveis. Eles podem ser usados em operações para avançar o poço, finalizando as atividades e manutenção do poço. Eles podem ainda ser usados em qualquer aplicação em que o direcionamento de feixes de laser a um local, aparelho ou componente localizado em um poço, e preferencialmente em profundidade dentro do poço, possa ser benéfica ou útil.[81] The apparatus and methods of the present invention can be used with well probes and equipment, such as in exploration and field development activities. Thus, by way of example and without limitation, they can be used with land-based platforms, land-based mobile platforms, fixed tower equipment, barge platforms, drilling ships, jack-up platforms and semi-submersible platforms. They can be used in operations to advance the well, completing well activities and maintenance. They can also be used in any application in which directing laser beams to a location, device or component located in a well, and preferably deep within the well, may be beneficial or useful.

[82] várias modalidades de sistemas, equipamentos, técnicas, métodos, atividades e operações estabelecidas nesta especificação podem ser usadas para várias outras atividades e em outros campos além dos aqui estabelecidos. Além disso, essas modalidades podem, por exemplo, ser usadas com: outros equipamentos ou atividades que possam ser desenvolvidas no futuro; e com equipamentos ou atividades existentes que possam ser modificados, em parte, com base nos detalhamentos desta especificação. Além disso, as várias modalidades estabelecidas nesta especificação podem ser usadas entre si em várias diferentes combinações. Assim, por exemplo, as configurações fornecidas nas diversas modalidades desta especificação podem ser usadas entre si, sendo que o escopo de proteção outorgado às presentes invenções não deveria ser limitado a uma determinada modalidade, padrão ou arranjo que é estabelecido em uma modalidade específica, num exemplo, ou em uma modalidade em uma Figura específica.[82] various modalities of systems, equipment, techniques, methods, activities and operations set forth in this specification may be used for various other activities and in other fields than those established herein. Furthermore, these modalities can, for example, be used with: other equipment or activities that may be developed in the future; and with existing equipment or activities that can be modified, in part, based on the details of this specification. Furthermore, the various embodiments set forth in this specification can be used together in various different combinations. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments of this specification may be used together, and the scope of protection granted to the present inventions should not be limited to a particular embodiment, pattern or arrangement that is established in a specific embodiment, in a example, or in an embodiment in a specific Figure.

[83] A invenção pode ser configurada em outras formas além daquelas aqui especificamente divulgadas, sem por isso se afastar de seu espírito ou características essenciais. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos apenas como ilustrativas e não restritivas.[83] The invention may be configured in forms other than those specifically disclosed here, without departing from its spirit or essential characteristics. The described embodiments should be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.

Claims (15)

1. Sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência para emissão de um feixe de laser de alta potência em um dado comprimento de onda, o laser em comunicação óptica com um conjunto de fundo de poço, para fornecer um padrão de feixes de laser a uma superfície de um poço, realizada em uma formação, compreendendo: um conjunto de corte a laser, onde o conjunto de corte a laser é uma parte do conjunto de fundo de poço; o conjunto de corte a laser compreendendo: I) um alojador externo, sendo o alojador externo capaz de suportar pressões do poço e condições a 3000 m de profundidade vertical; II) um canal selado (404) que define uma cavidade composta de diversos trajetos de feixes de laser; o canal selado possuindo uma extremidade proximal (405) e uma extremidade distal (406), a extremidade distal (406) possuindo uma janela (210; 310) de pressão transmissiva ao comprimento de onda do feixe de laser, a janela (210; 310) de pressão possuindo um lado proximal (211; 311) e um lado distal (212; 312); III) um canal de fluido (410), o canal de fluido posicionado exteriormente ao canal selado (404) e dentro do alojador externo, o canal de fluido (410) definindo um caminho de fluxo de fluido; IV) o lado proximal (211; 311) da janela (210; 310) de pressão faceando a cavidade e o lado distal (212; 312) faceando o canal de fluido (410); V) uma broca (102) dotada de um canal de feixes de laser (107) e de múltiplos cortadores (103a, 103b, 103c) posicionados em uma face distal da broca, de modo que os cortadores são capazes de se acoplar com a superfície inferior do poço; VI) o canal de feixes de laser (107) em comunicação com o canal de fluido (410) e definindo uma parte do caminho do fluído, onde os caminhos do feixe de laser se estendem a partir da extremidade proximal da cavidade através da cavidade até a face proximal (211; 311) da janela (210; 310) de pressão através da janela de pressão no canal de fluido (410) e no canal de feixes de laser, onde o caminho do feixe de laser deixa a face distal da broca (102); o sistema caracterizado por ser configurado para fornecer de 5 a 100 feixes de laser ao longo de 5 a 100 caminhos de feixes de laser e para que cada feixe laser tenha uma seção transversal de cerca de 0,9 mm a 3 mm, e onde o conjunto de corte a laser é configurado para ser rotado em torno de um eixo de modo a forma um padrão anular de anéis de padrão laser concêntricos.1. High power laser system equipped with a high power laser for emitting a high power laser beam at a given wavelength, the laser in optical communication with a downhole assembly, to provide a beam pattern laser beam to a surface of a well, carried out in a formation, comprising: a laser cutting assembly, wherein the laser cutting assembly is a part of the downhole assembly; the laser cutting assembly comprising: I) an external housing, the external housing being capable of withstanding well pressures and conditions at 3000 m vertical depth; II) a sealed channel (404) that defines a cavity composed of several laser beam paths; the sealed channel having a proximal end (405) and a distal end (406), the distal end (406) having a pressure window (210; 310) transmissive to the wavelength of the laser beam, the window (210; 310 ) pressure having a proximal side (211; 311) and a distal side (212; 312); III) a fluid channel (410), the fluid channel positioned outside the sealed channel (404) and within the external housing, the fluid channel (410) defining a fluid flow path; IV) the proximal side (211; 311) of the pressure window (210; 310) facing the cavity and the distal side (212; 312) facing the fluid channel (410); V) a drill (102) provided with a laser beam channel (107) and multiple cutters (103a, 103b, 103c) positioned on a distal face of the drill, so that the cutters are capable of coupling with the surface bottom of the well; VI) the laser beam channel (107) in communication with the fluid channel (410) and defining a portion of the fluid path, where the laser beam paths extend from the proximal end of the cavity through the cavity to the proximal face (211; 311) of the pressure window (210; 310) through the pressure window into the fluid channel (410) and the laser beam channel, where the laser beam path leaves the distal face of the drill (102); the system characterized by being configured to deliver from 5 to 100 laser beams along 5 to 100 laser beam paths and so that each laser beam has a cross section of about 0.9 mm to 3 mm, and where the Laser cutting assembly is configured to be rotated around an axis so as to form an annular pattern of concentric laser pattern rings. 2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o laser é de cerca de 40 kW a 80 kW.2. System according to claim 1, characterized by the fact that the laser is about 40 kW to 80 kW. 3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os caminhos do feixe de laser são paralelos.3. System according to claim 1, characterized by the fact that the laser beam paths are parallel. 4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todos os feixes de laser possuem a mesma seção transversal.4. System according to claim 1, characterized by the fact that all laser beams have the same cross section. 5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os trajetos do feixe de laser estão espaçados por uma distância que é menor do que a seção transversal do feixe.5. System according to claim 1, characterized by the fact that the laser beam paths are spaced by a distance that is smaller than the cross section of the beam. 6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os caminhos do feixe de laser estão espaçados por uma distância que é maior do que a seção transversal do feixe.6. System according to claim 1, characterized by the fact that the laser beam paths are spaced by a distance that is greater than the cross section of the beam. 7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dois dos caminhos do feixe de laser estão espaçados por uma distância que é a mesma que a seção transversal do feixe.7. System according to claim 1, characterized by the fact that two of the laser beam paths are spaced by a distance that is the same as the cross section of the beam. 8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que há de 5 a 40 caminhos do feixe de laser e a broca (102) define um diâmetro de cerca de 95 mm a 330 mm, e a janela (210; 310) de pressão possui um diâmetro de no mínimo 85% de um diâmetro da broca (102).8. System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that there are from 5 to 40 laser beam paths and the drill (102) defines a diameter of about 95 mm to 330 mm, and the pressure window (210; 310) has a diameter of at least 85% of a diameter of the drill (102). 9. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para que um feixe laser tenha uma potência de no mínimo cerca de 2 kW.9. System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the system is configured so that a laser beam has a power of at least about 2 kW. 10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para que um feixe laser tenha uma potência de cerca de 2 kW a 15 kW.10. System according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the system is configured so that a laser beam has a power of about 2 kW to 15 kW. 11. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o sistema é configurado para que cada feixe de laser tenha uma potência de cerca de 2 kW a 15 kW.11. System according to any one of claims 1 to 7, characterized by the fact that the system is configured so that each laser beam has a power of about 2 kW to 15 kW. 12. Broca de corte a laser (102) para um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência para emissão de um feixe de laser de alta potência em um dado comprimento de onda, conforme definido na reivindicação 1, em que: a) uma janela (210; 310) de pressão é dotada de uma primeira superfície e de uma segunda superfície, tendo diversos caminhos de feixe laser que se estendem através da janela (210; 310) de pressão desde a primeira superfície até a segunda superfície; b) a janela (210; 310) de pressão é dotada de um gás que mantém contato com a primeira superfície e um líquido escoando que mantém contato com a segunda superfície; c) os caminhos dos feixes de laser são separados uns dos outros e configurados de modo a não se sobreporem na janela (210; 310); d) a broca (102) é dotada de uma face de corte (107) para entrar em contato com a superfície inferior de um poço, a face de corte tendo múltiplos elementos cortantes (103a, 103b, 103c) espaçados uns dos outros; a broca de corte a laser (102) caracterizada pelo fato de que: e) com a rotação da broca, os caminhos dos feixes de laser formam um padrão anular de anéis de padrão laser concêntricos e onde a rotação dos cortadores forma um padrão anular de anéis de padrão cortador concêntrico.12. Laser cutting bit (102) for a high-power laser system provided with a high-power laser for emitting a high-power laser beam at a given wavelength, as defined in claim 1, wherein: a) a pressure window (210; 310) is provided with a first surface and a second surface, having several laser beam paths that extend through the pressure window (210; 310) from the first surface to the second surface ; b) the pressure window (210; 310) is provided with a gas that maintains contact with the first surface and a flowing liquid that maintains contact with the second surface; c) the paths of the laser beams are separated from each other and configured so as not to overlap in the window (210; 310); d) the drill bit (102) is provided with a cutting face (107) for contacting the lower surface of a well, the cutting face having multiple cutting elements (103a, 103b, 103c) spaced apart from each other; the laser cutting drill (102) characterized by the fact that: e) with the rotation of the drill, the paths of the laser beams form an annular pattern of concentric laser pattern rings and where the rotation of the cutters forms an annular pattern of concentric cutter pattern rings. 13. Broca, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que os anéis de padrão laser concêntrico se sobrepõem parcialmente aos anéis de padrão cortador concêntrico.13. Drill according to claim 12, characterized in that the concentric laser pattern rings partially overlap the concentric cutter pattern rings. 14. Broca, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que os anéis de padrão laser concêntrico não se sobrepõem aos anéis de padrão cortador concêntrico14. Drill according to claim 12, characterized in that the concentric laser pattern rings do not overlap the concentric cutter pattern rings 15. Broca, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que os caminhos dos feixes de laser são paralelos.15. Drill, according to claim 12, characterized by the fact that the paths of the laser beams are parallel.
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