BR112019027385A2

BR112019027385A2 - high power optical slip ring laser drilling system and method

Info

Publication number: BR112019027385A2
Application number: BR112019027385-9A
Authority: BR
Inventors: Brian Faircloth; Jason D. Fraze; Ryan P. McKay; Greg Braeckel; Ryan J. Norton; Allen Tracy
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras; Foro Energy, Inc.
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2020-07-07
Also published as: WO2019117872A1

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.

Description

“SISTEMA E MÉTODO DE PERFURAÇÃO A LASER POR ANEL COLETOR ÓPTICO DE ALTA POTÊNCIA” Campo da Invenção

[001] Sistemas e aparelhos para a realização de operações por corte a laser em poços. Sistemas e aparelhos para emitir múltiplos feixes 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 laser, formando os dispositivos mecânicos um padrão de remoção que es negativa ao padrão de anéis concêntricos. Descrição do Estado da Técnica

[002] As presentes invenções dizem respeito a ferramentas, métodos e sistemas de energia laser de alta potência.

[003] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, por "energia laser de alta potência" entende-se um feixe laser com uma potência de, pelo menos, 1 kW (quilowatt) aproximadamente.

[004] 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.

[005] 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, uma perfuração 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 aberta ou as laterais do revestimento que tiver sido colocado dentro de um poço. Poços podem ser formadas no leito marinho sob corpos de água, em terra firme, em formações de gelo ou em outros locais e arranjos.

[006] Poços são geralmente formados e avançados utilizando-se 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.

[007] 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.

[008] 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.

[009] 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.

[0010] Nos tipos de padrão mecânico, o Estado da Arte 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 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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 à”. 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. ”

[0014] 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. Descrição Resumida da Invenção

[0015] É desejável desenvolver sistemas e métodos que possibilitem a aplicação de energia laser de alta potência contra a superfície do fundo de um poço profundo para avançá-la de forma economicamente viável e, em particular, que sejam capazes de aplicar essa energia 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 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.

[0016] É fornecido um anel coletor óptico de alta potência que compreende: uma base que define uma cavidade; uma fibra de entrada que é fixa e que não rota em relação à base; em que o feixe laser é lançado a partir da fibra de entrada para o espaço livre dentro da cavidade, mantendo a fibra de entrada comunicação óptica com um laser de alta potência; um par de lentes que são fixas e não-giratórias em relação à base e à fibra de entrada; e uma fibra de saída que rota, em relação à fibra de entrada; em que o anel coletor óptico é configurado para transmitir um feixe laser de alta potência de uma fibra óptica não rotativa para uma fibra óptica de saída rotativa.

[0017] São além disso fornecidos estes sistemas, aparelhos e método possuindo uma ou mais das seguintes características: que a fibra de entrada tem um núcleo de aproximadamente 200 μm; que a fibra de saída tem um núcleo de aproximadamente 400 μm; que a fibra de saída tem um núcleo de aproximadamente 200 a aproximadamente 700 μm; que a fibra de saída tem um núcleo de aproximadamente 400 μm; que a eficiência do acoplamento é de pelo menos 95% ou mais; que a eficiência do acoplamento é de pelo menos 98% ou mais; que a eficiência do acoplamento é de pelo menos 99,5% ou mais; que a eficiência do acoplamento é de pelo menos 99,99% ou mais; que a NA da fibra de entrada é de aproximadamente 0,18 a aproximadamente 0,22; que a NA da fibra de entrada de aproximadamente 0,18 a aproximadamente 0,20; que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,19 a aproximadamente 0,24; que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,21 a aproximadamente 0,24; que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,20 a aproximadamente 0,24 e o NA da fibra de entrada é de aproximadamente 0,18 a 0,20; que o laser tem um poder de 60 kW ou mais; que o laser tem um poder de 40 kW a 80 Kw, e que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,20 a aproximadamente 0,24 e o NA da fibra de entrada é de aproximadamente 0,18 a 0,20; que o laser tem um poder de 40 kW a 80 Kw, que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,20 a aproximadamente 0,24 e o NA da fibra de entrada é de aproximadamente 0,18 a 0,20 e que a eficiência do acoplamento é maior do que 99,99%; que o laser tem um poder de 40 kW a 80 Kw, que o NA da fibra de saída é de aproximadamente 0,20 a aproximadamente 0,24 e o NA da fibra de entrada é de aproximadamente 0,18 a 0,20 e que a eficiência do acoplamento é de 100%

[0018] Adicionalmente é fornecido um sistema laser de alta potência para avançar em um poço, sistema que compreende: um meio para gerar múltiplos feixes laser de alta potência, o meio compreendendo múltiplas fontes de laser de estado sólido, cada fonte de laser de estado sólido possuindo um comprimento de onda de aproximadamente 400 nm a aproximadamente 1.500 nm, sendo as fontes de laser de estado sólido selecionadas do grupo formado por lasers de fibra, lasers semicondutores e lasers díodos, onde as fontes de laser de estado sólido são configuradas para fornecer múltiplos feixes laser, tendo cada feixe laser potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 30 kW; com um a potência total, do conjunto de feixes, de 60 kW ou mais; as múltiplas fontes de laser de estado sólido tendo comunicação óptica com um anel coletor óptico, o anel coletor óptico compreendendo uma fibra uma fibra de entrada em comunicação óptica com as fontes de estado sólida do laser, um par de lentes que recebem e reorientam o feixe laser em uma fibra rotativa de saída; a fibra rotativa de saída em comunicação óptica com uma composição de corte a laser de fundo de poço, a composição de corte a laser de fundo de poço englobando uma janela de pressão com um plano gasoso e um plano fluído; a composição de corte a laser de fundo de poço definindo um padrão de feixes de laser e um padrão de remoção mecânica na superfície do fundo do poço.

[0019] São além disso fornecidos estes sistemas, aparelhos e métodos possuindo uma ou mais das seguintes características: que o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico não se sobrepõem; que o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico se sobrepõem; que o sistema está configurado para gerar de aproximadamente 5 a aproximadamente 100 feixes laser; que o sistema está configurado para gerar de aproximadamente 10 a aproximadamente 20 feixes laser; e que a eficiência de acoplamento é maior do que 99,9%.

[0020] É fornecido ainda, um método para transmitir um feixe laser de alta potência através de uma junção rotativa, compreendendo tal método: a transmissão de um feixe laser de alta potência, com uma potência de pelo menos 40 kW, por uma fibra de entrada dotada de um conector de entrada, a fibra de entrada em comunicação óptica com um anel coletor óptico; a projeção do feixe laser desde o conector de entrada para um par de lentes; as lentes que direcionam e focam o feixe laser em um conector de saída rotativo dotado de uma fibra de saída rotativa; e, o feixe laser que entra no núcleo rotativo da fibra de saída com eficiência de acoplamento de 100%.

[0021] É fornecido um sistema de corte a laser de alta potência para avançar em um poço, compreendendo tal sistema: um meio de geração de múltiplos feixes laser de alta potência, esse meio incluindo múltiplas fontes laser de estado sólido, cada fonte de laser de estado sólido tendo um comprimento de onda de aproximadamente 400 nm a aproximadamente 1500 nm, as fontes de laser de estado sólido selecionadas do grupo que consiste em lasers de fibra, lasers semicondutores e lasers díodo, em que as fontes de laser de estado sólido são configuradas para transmitir múltiplos feixes laser, tendo cada feixe laser potência de aproximadamente 2 KW a aproximadamente 30 kW; estando as múltiplas de fontes de laser de estado sólido em comunicação óptica com uma composição de corte a laser de fundo de poço, compreendendo uma janela de pressão que tem um plano gasoso e um plano de escoamento de fluídos, a composição de corte a laser de fundo de poço definindo um padrão de feixes de laser e um padrão de remoção mecânica na superfície do fundo do poço.

[0022] São além disso fornecidos estes sistemas, aparelhos e métodos possuindo uma ou mais das seguintes características: em que o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico não se sobrepõem; em que o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico se sobrepõem; em que o sistema está configurado para gerar de aproximadamente 5 a aproximadamente 100 feixes laser; em que o sistema está configurado para gerar de aproximadamente 10 a aproximadamente 20 feixes laser; em que o comprimento da onda é inferior a 750 nm e a maioria dos feixes laser tem uma seção transversal de menos de 2,5 mm e um espaçamento entre feixes que é maior ou igual a 2, 5 mm; compreendendo uma comunicação óptica com pelo menos uma das fontes de laser, via fibra óptica com um comprimento de pelo menos 1 km.

[0023] Além disso, é fornecido um método de perfuração por laser utilizando uma composição de corte a laser, o método compreendendo o disparo de múltiplos feixes laser, tendo cada um uma potência mínima de aproximadamente 1 kW, para uma janela em comunicação óptica e mecânica com um canal de fluído laser; a transmissão dos feixes laser através da janela e para um fluído escoante pelo canal de fluído laser; o canal de fluído laser estando em associação mecânica com múltiplos cortadores fixos com relação ao canal de fluído laser e à posição dos feixes laser no canal de fluído laser; os cortadores sendo acionados contra a superfície do fundo de um poço; disparando os feixes laser e o fluido contra a superfície do poço enquanto rotam o canal de fluído laser e os cortadores, sendo que o feixe laser remove uma primeira seção da superfície do poço e os cortadores removem uma segunda seção da superfície do poço, fazendo com que a perfuração avance.

[0024] Ainda são fornecidos, adicionalmente, estes sistemas, métodos e aparelhos tendo uma ou mais das seguintes características: em que o feixe laser não atinge diretamente a segunda seção da superfície do poço; em que o feixe laser só enfraquece a segunda seção da superfície do poço; compreendendo 5 a 50 feixes laser; em que cada feixe laser tem um diâmetro de aproximadamente 0,5 mm até aproximadamente 4,5 mm; em que os feixes laser são paralelos; em que a maior parte do fluído, por peso, é água; em que o comprimento de onda é de aproximadamente 450 nm até aproximadamente 750 nm; em que o comprimento de onda é de aproximadamente 700 nm até aproximadamente 1.250 nm; em que o comprimento da onda é inferior a 750 nm; em que a maioria dos feixes laser tem uma seção transversal de menos de 2,5 mm e um espaçamento entre os feixes que é maior ou igual a 2. 5 mm; e transmitem-se os feixes laser de alta potência por uma fibra óptica em um cabo de transporte, por uma distância superior a 1 km, superior a 2 km e superior a 5 km.

[0025] É fornecido ainda um método de perfuração com corte a laser compreendendo o disparo de um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço, sendo o padrão de feixes de laser composta por múltiplos anéis concêntricos; removendo material da superfície do fundo do poço em um padrão correspondente ao padrão da emissão de feixes laser; aplicando um padrão de força mecânica contra a superfície do poço; a força mecânica removendo material da superfície do poço; fazendo com que a perfuração avance.

[0026] Além disso, é fornecido um método de perfuração com laser de alta potência baseado na produção de cortes iniciais com laser e a posterior remoção mecânica do material não afetado pelo laser, o método compreendendo: a geração de múltiplos feixes laser de alta potência a partir de múltiplas fontes de laser de estado sólido, cada fonte de laser de estado sólido possuindo um comprimento de onda de aproximadamente 400 nm a aproximadamente 1.500 nm, sendo as fontes de laser de estado sólido selecionadas do grupo formado por lasers de fibra, lasers semicondutores e lasers díodos, onde as fontes de laser de estado sólido são configuradas para fornecer múltiplos feixes laser, tendo cada feixe laser potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 30 kW; transmitindo múltiplos feixes laser a uma composição de corte a laser; a composição de corte a laser compreendendo uma câmara selada, dotada de uma janela; um percurso de escoamento de fluídos, exterior à câmara selada; uma janela de uma parte da câmara selada e de uma parte do percurso de escoamento de fluídos; uma secção de broca contendo múltiplos cortadores e um canal de feixes laser; direcionando múltiplos feixes laser através da janela e o canal de feixes laser contra a superfície de um poço em um padrão de feixes de laser; direcionando um líquido pelo percurso do escoamento de fluídos pelo canal de feixes laser e para a superfície do poço; e, o acionamento do conjunto de corte a laser sobre a superfície do fundo de um poço, e girando a composição de corte a laser, onde o feixe laser e os cortadores mecânicos removem independentemente material da superfície do poço.

[0027] É fornecido um sistema laser de alta potência dotado de um laser da alta potência capaz de emitir um feixe laser de alta potência com um comprimento de onda, o 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 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 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 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 laser em fluída comunicação com o canal de fluídos e definindo uma parte do trajeto do fluído; e estendendo-se os trajetos dos feixes 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 laser; onde o trajeto do feixe laser deixa a face distal da broca; sendo que o sistema está configurado para produzir 5 a 100 feixes laser ao longo de 5 a 100 trajetos de feixes laser, e configurado para que cada feixe laser tenha uma seção transversal de entre aproximadamente 0,9 mm e aproximadamente 3mm.

[0028] São além disso fornecidos estes aparelhos, sistemas e métodos contando com um ou mais dos seguintes recursos: o laser é de aproximadamente 40 kW a aproximadamente 80 kW; sendo os trajetos do feixe laser paralelos; tendo todos os feixes laser a mesma seção transversal; sendo os trajetos dos feixes laser espaçados por uma distância que é menor do que a seção transversal dos feixes; sendo os trajetos dos feixes laser espaçados por uma distância que é maior do que a seção transversal dos feixes; sendo os trajetos dos feixes laser espaçados entre si por uma distância igual à da seção transversal dos feixes; onde há de 5 a 40 trajetos de feixes 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 laser tenha pelo menos uma potência de aproximadamente 2 kW; em que o sistema está configurado para que um feixe laser tenha uma potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 15 kW; e em que o sistema está configurado para que cada feixe laser tenha uma potência de aproximadamente 2 kW a aproximadamente 15 kW.

[0029] 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.

[0030] 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 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 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 laser formam um padrão anular de anéis concêntricos, e formando os elementos cortantes, ao rotar, um padrão anular de anéis concêntricos dos elementos cortantes.

[0031] 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 do laser não se sobrepõem com os anéis concêntricos do padrão dos elementos cortantes; e onde os trajetos de feixes laser são paralelos.

[0032] Além disso, é fornecido um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com um dispositivo 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 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 laser; em que ao disparar o feixe laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe 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 negativa ao padrão de feixes de laser; e um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente.

[0033] 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 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 laser preenchem de aproximadamente 10% a aproximadamente 50% da área do padrão de feixes de laser; que as emissões 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 laser preenchem menos de aproximadamente 2% da área do padrão de feixes de laser.

[0034] Ainda são fornecidos, adicionalmente, estes sistemas, métodos e aparelhos com uma ou mais das seguintes características: que ao disparar o feixe laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe 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 negativa 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 laser é estacionária e não rota; que a área do padrão de disparo dos 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 é de aproximadamente 95% ou mais do material inicial da formação; 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 de 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 laser. Breve Descrição dos Desenhos

[0035] A FIG. 1 É uma vista esquemática de uma modalidade de uma composição de anel coletor óptico de acordo com as presentes invenções

[0036] A FIG. 2 É uma vista em secção transversal de uma modalidade de broca de corte a laser de acordo com as presentes invenções.

[0037] A FIG. 3 é uma vista esquemática de uma modalidade de composição de corte a laser de fundo de poço de acordo com as presentes invenções.

[0038] A FIG. 4 é uma vista esquemática em seção transversal de uma modalidade de um sistema implementado de padrão por corte a laser de acordo com as presentes invenções. Descrição Detalhada da Invenção

[0039] Em geral, as modalidades da presente invenção referem-se a métodos, aparelhos e sistemas para uso no padrão 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.

[0040] Em geral, as presentes invenções referem-se a métodos, aparelhos e sistemas para uso no padrão a laser de uma perfuração 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. Essas taxas de avanço altamente eficientes são possíveis devido aos presentes métodos de perfuração por corte mecânico.

[0041] Em particular, a presente invenção refere-se a anéis coletores ópticos de alta potência que são utilizados em sistemas de perfuração a laser, por exemplo, em sistemas e métodos de padrão por corte a laser. Voltando à FIG. 1, é exibida uma modalidade de um anel coletor óptico (ACO) de alta potência 100. O ACO 100 possui um invólucro externo 101, que contém suportes de rolamentos, rolamentos, linhas de resfriamento, elementos eletrônicos etc. O invólucro também contém, preferentemente, anéis coletores, transições rotacionais para transporte de fluidos e para transporte eletrônicos e elétricos. O ACO estabelece uma comunicação óptica, por exemplo, transições, para um feixe laser entre uma fibra estacionária e uma fibra que rota. O ACO 100 tem uma fibra de entrada 102 que tem um conector 102a, a partir do qual o feixe laser é lançado. O traço, forma e trajeto do feixe laser é mostrado por linhas de raio 104. A fibra óptica 102 é conectada a laser(s) de alta potência. O feixe laser sai do conector 102a, se expande e viaja para um par de lentes 106,

107. O espaço 105 entre as duas lentes, é preferencialmente espaço colimado. A lente 107 então focaliza o feixe de laser em um pequeno spot que é lançado na fibra 103, a qual tem um conector 103a. O conector óptico 103a e a fibra de saída 103 rotam, ou são capazes de rotar, em torno do eixo do conector 103a e em relação ao invólucro 101. Não rotam as lentes 107 e 106, o conector 102a e a fibra 102, que são fixos em relação ao invólucro 101. Assim, geralmente a seção 120 do ACO 100 rota ou pode rotar, enquanto a seção 121 não rota e é fixa.

[0042] A capacidade de lançar diretamente em um conector e fibras rotacionais representa muitas vantagens para o presente sistema. Reduz o efeito prejudicial que vibrações e outros fatores ambientais podem ter sobre o sistema, entre outras coisas. A fibra de entrada 102 é preferentemente uma fibra de núcleo de 200 µm com NA de 0,18 a 0,22; já a fibra de saída rotacional 103 é preferentemente uma fibra de núcleo de 400 µm com NA de aproximadamente 0,2 a 0,24. A eficiência de acoplamento através da transição da rotação, isto é, de componentes não rotacionais 102, 101a, 106, 107 para componentes rotacionais 103a, 103 é de aproximadamente 100% e, preferentemente no caso de fibras de entrada de menos de 0,21 µm, é de 100%.

[0043] Pela fibra de entrada 102 podem transitar, e a fibra de saída (rotacional) 103 pode receber, 40 kW ou mais de potência, 50 kW ou mais de potência, 60 kW ou mais de potência e 70 kW ou mais de potência, bem como potências maiores e menores, e potências dentro de esse intervalo.

[0044] A fibra de entrada pode ter um núcleo de aproximadamente 200 µm, bem como núcleos maiores e menores, e a de saída, isto é, a fibra rotacional, pode ter um núcleo de aproximadamente 400 µm, de aproximadamente 500 µm, de aproximadamente 600 µm e de aproximadamente 700 µm. É preferível que o núcleo da fibra de saída seja o menor possível e ainda atualize para maior, por exemplo 95% ou mais, eficiência de acoplamento e mais preferencialmente para obter 100% de eficiência de acoplamento. Numa modalidade preferida, o núcleo da fibra de saída é aproximadamente 2 a 3 vezes maior que o núcleo da fibra de entrada, com 100% de eficiência de acoplamento.

[0045] Os engates de segurança estão localizados preferentemente no conector de saída, para evitar que o laser dispare a não ser que o conector de saída esteja corretamente conectado à unidade.

[0046] 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 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 uma determinada perfuração. 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 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 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 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).

[0047] Os feixes de laser que formam as emissões no padrão de feixes de laser podem ter comprimentos de onda iguais ou diferentes. Os feixes 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 aproximadamente 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.

[0048] Os spots, (por exemplo, spots de laser, disparos ou spots formados por disparos de feixes 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.

[0049] Cada spot de feixe laser tem sua própria área, a soma dessas áreas fornece uma área total da superfície do poço que entra em contato direto com o laser. Essa área de contato direto com o laser é substancialmente menor que a área total da superfície do poço. A área de contato direto com o 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.

[0050] 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.

[0051] Os spots de feixes 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.

[0052] Uma modalidade de composição de corte a laser de fundo de poço e um sistema de padrão por corte a laser, em forma genérica, é mostrado pelo esquema da FIG. 3. Esta composição pode ter uma seção de broca 705, que possui um canal 706, onde os feixes 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 laser, conjuntos ópticos (para, por exemplo, moldar, direcionar ou ambos, os feixes 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.

[0053] Passando para a FIG. 1, é exibida uma vista em perspectiva de uma composição de corte a laser 100 que faz parte de uma composição laser de fundo de poço. A composição de corte a 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 laser) 107 através do qual passam os trajetos de feixes laser e os feixes laser, bem como o fluido, por exemplo, um fluido aquoso, formando um jato, por exemplo, um jato de água.

[0054] Passando para a FIG. 2, é exibida uma vista em seção transversal de uma composição mecânica de corte a 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 laser 408a, passando ao longo do trajeto de feixes laser 408. O feixe 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 laser 411, e saindo do canal de feixes laser 411 para formar um spot na superfície do poço. E sai da janela. Embora seja mostrado um único trajeto de feixes laser 408 e um único feixe 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 laser e os feixes laser saem do lado distal da janela e entram no canal de fluido laser, onde viajam através da broca e saem do lado distal da broca como uma série de feixes laser individuais em um jato de fluido alongado.

[0055] Para evitar, reduzir ou minimizar a absorção de energia do 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.

[0056] 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 laser 408 são reunidos quando o canal de fluidos 410 se une e forma uma parte do canal de lasers 411.

[0057] Na operação, a composição de corte 401 é rotacionada e os feixes 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 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.

[0058] A perfuração de remoção mecânica pode se sobrepor, se sobrepor parcialmente ou não se sobrepor ao padrão de feixes 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 laser.

[0059] Em uma modalidade, a perfuração de feixes de laser é uma linha de disparos que formam spots circulares na superfície do fundo do poço. Os disparos 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 girado em torno da superfície do fundo do poço. Desta forma, o feixe 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 laser sejam pulsados, os anéis serão uma série de anéis arqueados desconectados. Se os feixes 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 laser, a “área de remoção a 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 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.

[0060] Assim, em geral e a título de exemplo, é fornecido na FIG. 4 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.

[0061] A FIG. 4 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 laser 1006. O laser emite um feixe, ou seja, energia laser, que pode ser transmitida por um meio de transmissão de feixes 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.

[0062] A bobina de flexitubo 1009 é rotada para estender e retrair o flexitubo 1012. Assim, o meio de transmissão de feixes laser 1008 e o meio de transporte de fluídos 1011 estão conectados à bobina de flexitubo 1009 através do acoplamento rotativo 1013, que é o anel coletor óptico da FIG. 1. O flexitubo 1012 permite a transmissão do feixe laser por todo seu comprimento, ou seja, “meio de transmissão de feixes 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.

[0063] 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.

[0064] O fluido, o qual pode ser água, salmoura, fluido 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 da perfuração. 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.

[0065] O BOP 1018 serve para proporcionar vários níveis de parada e/ou contenção do poço emergenciais, caso aconteça um evento de alta pressão no 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.

[0066] 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 laser 1024 em um padrão de feixes de laser formada por múltiplos disparos de feixes 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.

[0067] 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 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 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 uma perfruação 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 laser.

[0068] 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 laser, a formação ou o solo, não entra em contato direto com o feixe de laser. Assim, em modalidades, o material remanescente da formação não teria sido atingido diretamente pelo feixe de laser, e preferencialmente também não seria atingido pelo feixe 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.

[0069] O fluido 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.

[0070] Em adição ao flexitubo, colunas de poço podem ser usadas, bem como wireline downhole tractors ou outros sistemas de transporte conhecidos na indústria.

[0071] Em uma modalidade, os lasers estão situados no fundo, ou próximo do fundo do poço, ou integrados como composição laser de fundo de poço. Dessa forma, os feixes de laser podem ser gerados no fundo. 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.

[0072] Modalidades dos sistemas de perfuração a laser, composições 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.

[0073] 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 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.

[0074] 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.

[0075] 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 alguns padrões, 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 alguns padrões, 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 outros padrões, 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 laser/pedra para maximizar a eficiência geral do avanço da perfuração, 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.

[0076] De forma geral, modalidades de composições laser de fundo de poço (LBHA / 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 fluido 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.

[0077] 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.

[0078] 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 ao 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 asférica, um sistema de lentes esféricas composto de uma lente convexa, lente convexa grossa, menisco divergente, lente biconvexa, lente refrativa gradiente com um perfil asférico 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.

[0079] 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.

[0080] 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.

[0081] 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 axissimétrica 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 laser díodo, laser de disco, laser químico, laser de fibra ou fonte de fibra óptica focada por uma ou mais lentes refrativas positivas.

[0082] 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.

[0083] 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 díodo; 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.

[0084] 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 laser a um local, aparelho ou componente localizado em um poço, e preferencialmente em profundidade dentro do poço, possa ser benéfica ou útil.

[0085] As 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, os padrões fornecidos nas diversas modalidades desta especificação podem ser usados 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.

[0086] 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.

Claims

Reivindicações

1. Um anel coletor óptico de alta potência, caracterizado por: a. uma base que define uma cavidade; b. uma fibra de entrada que é fixa e não rotacional em relação à base, onde o feixe de laser é lançado da fibra de entrada para o espaço disponível no interior da cavidade, a fibra de entrada em comunicação óptica com um laser de alta potência; c. um par de lentes fixas e não rotacionais em relação à base e à fibra de entrada, d. uma fibra de saída que é rotacional em relação à fibra de entrada; e. o anel coletor óptico é configurado para transmitir um feixe de laser de alta potência de uma fibra ótica não rotacional até uma fibra ótica rotacional de saída.

2. O anel coletor óptico, de acordo com a reivindicação 1, onde a fibra de entrada tem um núcleo de cerca de 200 μm.

3. O anel coletor óptico, de acordo com a reivindicação 2, onde a fibra de saída tem um núcleo de cerca de 400 μm.

4. O anel coletor óptico, de acordo com a reivindicação 1, onde a fibra de saída tem um núcleo de cerca de 200 a 700 μm.

5. O anel coletor óptico, de acordo com a reivindicação 1, onde a fibra de saída tem um núcleo de cerca de 600 μm.

6. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a eficiência de acoplamento é de no mínimo 95% ou mais.

7. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a eficiência de acoplamento é de no mínimo 98% ou mais.

8. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a eficiência de acoplamento é de no mínimo 99,5% ou mais.

9. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a eficiência de acoplamento é de no mínimo 99,99% ou mais.

10. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,22.

11. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,20.

12. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,19 a 0,24.

13. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,21 a 0,24.

14. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, onde a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,20 a 0,24 e a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,20.

15. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde o laser tem uma potência de 60 kW ou mais.

16. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, onde o laser tem uma potência de 40 kW a 80 kW, a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,20 a 0,24, e a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,20.

17. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde o laser tem uma potência de 40 kW a 80 kW, a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,20 a 0,24, a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,20, e a eficiência de acoplamento é superior a 99,99%.

18. O anel coletor óptico, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, e 5, onde o laser tem uma potência de 40 kW a 80 kW, a abertura numérica da fibra de saída é de cerca de 0,20 a 0,24, a abertura numérica da fibra de entrada é de cerca de 0,18 a 0,20, e a eficiência de acoplamento é de 100%

19. Um sistema laser de alta potência para acessar um poço, caracterizado por: a. um meio de geração de múltiplos feixes de laser de alta potência, o meio composto de múltiplas fontes de laser de estado sólido, cada fonte de laser de estado sólido possuindo um comprimento de onda de cerca de 400 nm a 1500 nm, as fontes de laser de estado sólido selecionadas do grupo constituído de lasers de fibra, lasers semicondutores e lasers de diodo, onde as fontes de laser de estado sólido são configuradas para transmitir múltiplos feixes de laser, onde cada feixe de laser tem uma potência de cerca de 2 KW a de 30 kW, com uma potência total da multiplicidade de feixes equivalente a 60 kW ou mais; b. multiplicidade das fontes de laser de estado sólido em comunicação óptica com um anel coletor óptico, o anel coletor óptico compreendendo uma fibra de entrada em comunicação óptica com as fontes de laser de estado sólido, um par de lentes que captam e reorientam o feixe de laser em uma fibra rotacional de saída, a fibra rotacional de saída em comunicação óptica com um conjunto de perfuração inferior de corte a laser; c. um conjunto de perfuração inferior de corte a laser compreendendo uma janela de pressão com uma face gás e uma face fluido corrente; d. um conjunto de perfuração inferior de corte a laser definindo um padrão de feixes de laser e um padrão de remoção mecânica na superfície inferior do poço.

20. O sistema, de acordo com a reivindicação 19, onde o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico não se sobrepõem.

21. O sistema, de acordo com a reivindicação 19, onde o padrão do laser e o padrão do cortador mecânico se sobrepõem.

22. Os sistemas, de acordo com as reivindicações 19, 20, e 21, onde o sistema é configurado para gerar cerca de 5 a 100 feixes de laser

23. O sistema, de acordo com as reivindicações 19, 20, e 21, onde o sistema é configurado para gerar cerca de 10 a 20 feixes de laser

24. O sistema, de acordo com as reivindicações 19, 20, e 21, onde a eficiência de acoplamento é superior a 99,9%.

25. Um método de transmissão de um feixe de laser de alta potência através de uma junção rotativa, caracterizado por: a. transmissão de um feixe de laser de alta potência, com uma potência de no mínimo 40 kW, através de uma fibra de entrada dotada de um conector de entrada, a fibra de entrada em comunicação ótica com um anel coletor óptico; b. lançamento de um feixe de laser do conector de entrada para um par de lentes, as lentes direcionando e focando o feixe de laser em um conector de saída rotativa dotado de fibra de saída rotativa, e c. um faixe de laser penetrando no núcleo rotativo da fibra de saída com 100% de eficiência de acoplamento.