BR112019027391A2

BR112019027391A2 - laser drilling systems

Info

Publication number: BR112019027391A2
Application number: BR112019027391-3A
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: WO2019117867A1; BR112019027391B1

Abstract

Systems and apparatus for performing laser operations in boreholes. Systems and apparatus for providing a plurality of laser beams in a 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.

Description

“SISTEMAS DE PERFURAÇÃO A LASER” Campo da Invenção

[001] Sistemas e aparelhos para a realização de operações a laser em perfurações. Sistemas e aparelhos para aplicar múltiplos feixes de laser em um padrão de feixes de laser para criar orifícios no fundo de uma superfície de um poço, num padrão correspondente ao padrão de feixes de laser. O sistema conta com dispositivos mecânicos para remover a rocha enfraquecida pelo laser associada aos orifícios criados pelo laser. Descrição do Estado da Técnica

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

[003] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, por "energia laser de alta potência" entende-se um feixe de laser com uma potência de no mínimo cerca de1 kW (quilowatt)

[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 rochas 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 de trabalho, 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, uma micro cavidade, um poço de pequeno diâmetro (slimhole), um orifício, e outros termos comumente usados ou conhecidos do Estado da Técnica para definir esses tipos de passagens longas e estreitas. Poços incluiriam adicionalmente poços exploratórios, produtores, abandonados, reentrados, retrabalhados e injetores. Embora a orientação dos poços seja em geral substancialmente vertical, elas também podem ser orientadas em um ângulo a partir da posição vertical, para a posição vertical, incluindo a horizontal, incluindo esta última. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, a “base” de um poço, a "superfície da base" do poço e termos semelhantes referem-se ao fim do poço; ou seja, aquela porção do poço mais distante ao longo do caminho do poço a partir da abertura do poço, à superfície do solo, ou ao 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, estando ou não presentes um revestimento ou invólucro; assim, esses termos incluiriam as laterais de um poço aberta ou as laterais do revestimento que foi posicionado dentro de um poço. Poços podem ser formados no leito marinho, sob volumes 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 dotado de uma ferramenta de perfuração rotativa, como uma broca. Como exemplo, e de um modo geral, ao realizar uma perfuração no solo, uma broca de perfuração é direcionada para o solo e para dentro deste e girada para criar uma cavidade no solo. Em geral, para realizar 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 da extensão 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 ser aumentada. A profundidade vertical real (TVD – true vertical depth) de um poço corresponde à distância a partir do topo ou superfície do poço até a profundidade na qual a base do poço está localizada, medida ao longo de uma linha vertical reta. A profundidade medida

(MD – measure depth) de um poço corresponde à distância medida ao longo do caminho real do poço desde o topo ou superfície até a base. Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, o termo profundidade de um poço se referirá à MD. Em geral, um ponto de referência pode ser utilizado para a parte superior do poço, tal como a mesa rotativa, a plataforma do poço, a cabeça do 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 esses, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles qualquer atividade realizada nas laterais de um poço, como por exemplo, o nivelamento; o aumento do diâmetro do poço; a remoção de materiais das laterais do poço, como por exemplo, parafinas ou rebocos, e a mandrilagem inferior.

[009] Conforme aqui utilizado, salvo indicação em contrário, aos termos "broca de perfuração", "broca”, "broca perfuradora", ou a termos similares a esses, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis, incluindo neles todas as ferramentas concebidas para ou destinadas a realizar uma perfuração.

[0010] Nos tipos de perfuração mecânica presentes no Estado da Arte é revelado que, para se avançar em um poço deve ser adotada uma grande força para empurrar a broca contra a base do poço conforme a broca é girada. Esta força é denominada de peso sobre a broca (WOB - weight-on-bit). Normalmente, dezenas de milhares de libras de WOB são requeridas para se avançar em um poço, utilizando-se um processo de perfuração mecânica. As brocas mecânicas cortam as rochas aplicando-se pressões de esmagamento (compressivas) e/ou de cisalhamento criadas pela rotação de uma superfície de corte contra a rocha e pela aplicação de uma grande quantidade de peso na broca (WOB). Por exemplo, o WOB aplicado a uma broca PDC de 8 3/4" pode ser de até 15.000 lbs, e o WOB aplicado a uma broca de cones rolantes de 8 3/4" pode ser de até 60.000 lbs. Quando brocas mecânicas são usadas para a perfuração de rochas duras e ultraduras, o WOB excessivo lava a um rápido desgaste da broca e os longos períodos de deslocamento resultam em uma taxa de perfuração efetiva que é essencialmente economicamente inviável. A taxa de perfuração efetiva é baseada no tempo total necessário para completar o poço e, por exemplo, incluiria o tempo gasto com o deslocamento para dentro e para fora 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 esses, devem ser atribuídos os significados mais amplos possíveis e incluiriam as atividades de perfuração sobre, ou em qualquer volume de água, seja água doce ou salgada, artificial ou natural, presente, por exemplo, em rios, lagos, canais, mares continentais, oceanos, mares, baías, e golfos, tais como o Golfo do México. Conforme aqui utilizado, salvo especificações em contrário, ao termo "sonda de perfuração offshore" deve ser atribuído o significado mais amplo possível e incluiria 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 especificações em contrário, ao termo "leito marinho" deve ser atribuído o significado mais amplo possível e incluiria qualquer superfície do solo que se encontra sob, ou no fundo de qualquer volume de água, doce ou salgada, artificial ou natural. Conforme aqui utilizado, salvo especificações em contrário, aos termos "poço" e "perfuração" devem ser atribuídos o significado mais amplo possível, e incluem qualquer cavidade que for perfurada ou produzida de outra maneira na superfície do solo; por exemplo, no leito marinho ou leito do mar, e incluiria ainda poços exploratórios, produtores, abandonados, reentrados, retrabalhados e injetores.

[0012] De um modo geral, o termo “aproximadamente”, conforme aqui utilizado, salvo especificações em contrário, compreende em seu significado uma variância ou faixa de ±10%, o erro experimental ou instrumental associado à obtenção do valor indicado e, de preferência, o maior destes.

[0013] Conforme aqui utilizado, salvo especificações em contrário, os termos "no mínimo” ou "maior que" significam o mesmo que "não ter mais baixo que" ou "excluindo-se inferiores a", ou "não ter menos que", ou "excluindo-se menor que ”. Assim, o termo "no mínimo 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 "maior que 10kW" significa o mesmo que os termos "excluindo-se uma potência inferior a 10 kW" ou "excluindo-se uma potência menor que 10 kW. ”

[0014] A seção “Estado da Técnica” tem como objetivo apresentar diversos aspectos da prática, os quais podem ser associados a realizações das presentes invenções. Dessa forma, o conteúdo dessa seção fornece uma abordagem para uma melhor compreensão das presentes invenções, e não deve ser considerado como uma admissão de anterioridades. 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, de modo a avançá-la de forma economicamente viável e, em particular, de modo a permitir a aplicação dessa 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 possibilitem aplicar essa energia laser de alta potência para perfurar formações de rocha dura, como granito e basalto, a uma taxa superior à perfuração mecânica convencional. A presente invenção, entre outras coisas, resolve essas necessidades fornecendo o sistema, o aparelho e os métodos aqui descritos.

[0016] 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 aplica um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço em uma formação no solo, no qual a melhoria consiste no uso do dispositivo laser de fundo de poço para emitir um padrão de feixes de laser contra 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 do 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.

[0017] Além disso, são fornecidos estes métodos e aparelhos com uma ou mais das seguintes características: que o padrão de feixes de laser consiste de múltiplas emissões lineares; que o padrão de feixes de laser define um padrão reticulado de emissões de feixes de laser lineares que se interceptam; que o padrão de feixes de laser consiste de múltiplas emissões espaçadas entre si que as emissões possuem uma seção transversal de cerca de 0,5 mm a aproximadamente 3 mm, que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser são circulares e possuem um diâmetro de cerca de 0,9 mm a aproximadamente 3,0 mm, que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser possuem um espaçamento entre elas de cerca de 5 mm a aproximadamente 40 mm, que a maioria das emissões que integram o padrão de feixes de laser possuem um espaçamento entre elas de cerca de 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 do poço, que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 100 mm a aproximadamente 250 mm, que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 140 mm a aproximadamente 180 mm; que um diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 180 mm a aproximadamente 250 mm, que as emissões laser preenchem cerca de 10% a aproximadamente 50% da área do padrão de feixes de laser, que as emissões de laser preenchem menos de 30%, aproximadamente, da área do padrão de feixes de laser, que as emissões de laser preenchem menos de 10%, aproximadamente, da área do padrão de feixes de laser, e que as emissões de laser preenchem menos de 2%, aproximadamente, da área do padrão de feixes de laser.

[0018] É fornecido ainda, adicionalmente, um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço para aplicar um padrão de feixes de laser contra uma superfície de um poço em uma formação no solo, no qual a melhoria consiste no dispositivo laser de fundo de poço para aplicar um padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o padrão de feixes de laser possuindo um diâmetro externo que corresponde a um diâmetro externo predeterminado para o poço e que define uma área do padrão de feixes de laser, na qual no padrão do laser recobre uma superfície de fundo do poço, em que a superfície de fundo do poço é definida pelo material inicial da formação; o padrão do laser possuindo múltiplas emissões individuais de feixes de laser, cada emissão possuindo uma área de emissão, onde a área de emissão para cada emissão é de cerca de 1,00 mm² a aproximadamente 30 mm²; e as emissões de laser definem uma área total de emissões de laser, em que a área total de emissões de laser é inferior a 50%, aproximadamente, da área do padrão do laser.

[0019] Adicionalmente, são fornecidos estes sistemas, métodos e aparelhos com uma ou mais das seguintes características: aplicação do feixe de laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe de laser remove o material inicial da formação desde formação em um padrão de remoção que corresponde ao padrão de feixes de laser, deixando um padrão de material remanescente do material remanescente da formação, que é um negativo do padrão de feixes de laser e que corresponde a aproximadamente 50%, ou mais, do material inicial da formação, que possui um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente, que o padrão de emissão de laser é estacionário e não gira; que a área do padrão de emissão de feixes de laser de cerca de 30 mm² a aproximadamente 320 mm²; sendo a área total de emissões de laser inferior a 10%, aproximadamente, da área do padrão do laser e sendo o material remanescente da formação aproximadamente 90% ou mais do material inicial da formação, que a área total de emissão do laser é inferior a 5%, aproximadamente, da área do padrão do laser e onde 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 2%, aproximadamente, da área do padrão do laser e que o material remanescente da formação corresponde a aproximadamente 98%, ou mais, do material inicial da formação, que a área total de emissão do laser é inferior a 1%, aproximadamente, da área do padrão de laser e onde o material remanescente de formação é aproximadamente 99%, ou mais, do material inicial da formação, e que o padrão de feixes de laser compreende medidores de emissões de feixes de laser de corte.

[0020] Além disso, é fornecido um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, a fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço para aplicar um padrão de feixes de laser contra uma superfície de um poço em uma formação no solo, no qual a melhoria consiste no dispositivo laser de fundo de poço possuir um conjunto óptico para aplicar um padrão de feixes de laser contra a superfície do poço o padrão de feixes de laser possuindo um diâmetro externo que corresponde a um diâmetro externo predeterminado para o poço e que define uma área do padrão de feixes de laser, em que no padrão de feixes de laser recobre uma superfície do fundo do poço, em que a superfície de fundo do poço, em que a superfície de fundo do poço é definida pelo material inicial da formação; o padrão do laser possuindo de 10 a 100 emissões individuais de feixes de laser, cada emissão possuindo uma área de emissão, onde a área de emissão para cada emissão, corresponde a cerca de 0,8 mm² até aproximadamente 30 mm², em que o sistema laser é capaz de fornecer desde cerca de 2 kW até aproximadamente 20 kW de potência para cada emissão no padrão de emissões, as emissões de laser definindo uma área total de emissões de laser, a área total de emissões de laser é inferior a 30%, aproximadamente, da área do padrão do laser; em que ao aplicar o feixe laser no padrão de feixes de laser contra a superfície do poço, o feixe de laser remove o material inicial da formação da formação desde a formação em um padrão de remoção que corresponde ao padrão de feixes de laser, deixando um padrão de material remanescente do material remanescente da formação que é um negativo do padrão de feixes de laser e, possuindo um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente.

[0021] Adicionalmente é fornecido um método de remoção de material do solo para avançar em um poço no solo utilizando-se um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço para aplicar um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço em uma formação no solo, sendo o método: (aplicar um padrão de feixes de laser contra a superfície de fundo do poço (b) o padrão de feixes de laser compreendendo múltiplas emissões de feixes de laser; (c) as emissões de feixes de laser removendo o material da formação criando orifícios na superfície de fundo do poço e gerando material afetado por laser entre as orifícios; em que as orifícios formam um padrão de remoção que corresponde a um padrão de feixes de laser; e (d) remover o material afetado por laser mediante a aplicação de uma força mecânica; (e) em que ocorre o avanço do poço no solo.

[0022] São fornecidos estes métodos em que:(i) os feixes de laser são emitidos por um período de cerca de 1 s a aproximadamente 30 s, (ii) a força mecânica é aplicada enquanto o feixe de laser não está sendo emitido; e as etapas (i) e (ii) são repetidas avançando, assim, no poço.

[0023] São fornecidos estes métodos, aparelhos e sistemas com uma ou mais das seguintes características: que a força mecânica é aplicada a partir de um dispositivo selecionado do grupo constituído por um cortador, um raspador, uma broca, um rolo, um jato de água e um jato de partículas, que o padrão de feixes de laser compreende de 10 a 100 emissões de feixes de laser uniformemente espaçados, que as emissões n padrão de feixes de laser são da mesma potência; que as emissões no padrão de feixes de laser são de cerca de1 kW a aproximadamente 15 kW; que o padrão de feixes de laser compreende múltiplos pontos de incidência (spots); que o padrão de feixes de laser compreende disparos de corte que o padrão de feixes de laser compreende spots espaçados de maneira irregular; e que o padrão de feixes de laser compreende de 10 a 100 emissões de feixe laser uniformemente espaçadas e compreende spots espaçados de maneira irregular.

[0024] Ainda é fornecido, adicionalmente, um método para produzir múltiplas orifícios na superfície do fundo de um poço no solo utilizando-se um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, estando a fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço para aplicar um padrão de feixes de laser contra a superfície de um poço em uma formação no solo, o método compreendendo: a aplicação de um padrão de feixes de laser compreendendo múltiplas emissões de feixes de laser contra a superfície do poço; o padrão de feixes de laser possuindo um diâmetro externo que corresponde ao diâmetro externo preestabelecido para o poço e que define uma área para o padrão de feixes de laser, onde o padrão do laser cobre a superfície de fundo do poço; o padrão do laser compreendendo múltiplas emissões individuais de feixes de laser, tendo cada emissão uma área de disparo, onde a área de disparo, para cada disparo, é de cerca de 1,00 mm2 até aproximadamente 30 mm2, e as emissões de laser definindo uma área total de emissões de laser, sendo a área total de emissões de laser inferior 50%, aproximadamente, da área do padrão de laser, que as emissões de feixes de laser removem material do poço produzindo orifícios na superfície do poço correspondentes ao padrão de feixes de laser.

[0025] Também são fornecidos estes métodos, aparelhos e sistemas com uma ou mais das seguintes características: que material remanescente afetado pelo laser é formado entre as orifícios e que o material remanescente afetado pelo laser é removido mecanicamente; que material remanescente afetado pelo laser é formado entre as orifícios, sendo que, após o disparo dos feixes de laser, o material remanescente afetado pelo laser é removido mecanicamente; que a força mecânica é aplicada a partir de um dispositivo selecionado do grupo constituído de um cortador, um raspador, uma broca, um rolo, um jato de água e um jato de partículas, que a força mecânica aplicada é perpendicular à superfície do poço, que o padrão de emissões de laser é estacionária e não gira; que as emissões no padrão de emissões a laser são fixas e não se movem umas em relação à outras, que uma área do padrão de emissão de feixes de laser é de cerca de 30 mm² até aproximadamente 320 mm²; que uma área total de emissões de laser é inferior a 10%, aproximadamente, da área do padrão do laser e em que o material remanescente afetado pelo corresponde a aproximadamente 90% ou mais do material inicial da formação, em que a área total de emissões de laser é inferior a 5%, aproximadamente, da área do padrão do laser e que o material remanescente da formação r afetado pelo laser é de aproximadamente 95% ou mais do material inicial da formação, e em que o padrão de feixes de laser compreende medidores emissões de feixes de laser de corte.

[0026] Adicionalmente, é fornecido um método para avançar em um poço utilizando-se um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, a fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço para disparar um padrão de feixes de laser contra uma superfície de um poço em uma formação no solo, o método incluindo disparar um padrão de feixes de laser contra a superfície de fundo do poço; o padrão de feixes de laser compreendendo de 10 a 200 emissões individuais de feixes de laser, cada disparo definindo uma área, em que a área para cada disparo é de cerca de 0,8 mm² até aproximadamente 30 mm²; em que cada emissão no padrão tem uma potência de cerca de 2 kW até aproximadamente 20 kW; as emissões do laser definem uma área total de emissões de laser, em que a área total de emissões de laser é inferior a 20%, aproximadamente, da área do padrão do laser; que menos de 80% da superfície do poço entra em contato direto com o feixe de laser; os feixes de laser removem o material inicial da formação desde a formação em um padrão de remoção que produz orifícios na superfície de fundo do poço em um padrão que corresponde a um padrão de feixes de laser, e remove mecanicamente o material localizado na área entre os orifícios no padrão. Breve Descrição dos Desenhos

[0027] A FIG. 1 representa uma vista plana de um padrão de feixes de laser na superfície de fundo de um poço, de acordo com as presentes invenções.

[0028] A FIG. 2 representa uma vista em seção transversal de orifícios derivados do disparo do padrão de feixes de laser da FIG. 1, de acordo com as presentes invenções.

[0029] A FIG. 2A representa uma vista em seção transversal das forças mecânicas usadas em conjunto com os padrões de feixe de laser de acordo com as presentes invenções.

[0030] As FIGS. 3A a 3I representam vistas planas de padrões de feixes de laser na superfície de fundo de um poço, de acordo com as presentes invenções.

[0031] A FIG. 4 representa uma vista em seção transversal de um sistema laser implantado de acordo com as presentes invenções.

Descrição Detalhada da Invenção

[0032] 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 dessas escavações de forma profunda no solo e a taxas de avanço altamente eficientes.

[0033] Em geral, as presentes invenções 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 dessas escavações de forma profunda no solo e a taxas de avanço altamente eficientes. Essas taxas de avanço altamente eficientes são obtidas porque a presente invenção utiliza padrões de feixes de laser e métodos de fornecimento destas, além de métodos de perfuração mecânica a laser.

[0034] Na perfuração mecânica 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 no poço, em um determinado padrão. Os pequenos orifícios podem estar separados uns dos outros em um padrão predeterminado. O feixe laser que produz os pequenos orifícios 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).

[0035] 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.

[0036] 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 aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 2,5 mm, de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 mm, 1 mm aproximadamente, 2 mm aproximadamente e 2,5 mm aproximadamente.

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] 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.

[0040] O padrão do laser pode ter 2, 3, 5, dezenas e centenas de spots, e todos os números dentro desses intervalos. Em uma modalidade, o padrão de feixes de laser e os spots de feixes de laser não giram em relação ao poço e à superfície do poço. Nas modalidades, a localização do spot de feixe laser é fixa e não se move dentro do padrão.

[0041] 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.

[0042] Passando para a FIG. 1, é exibida uma vista esquemática de um padrão de emissões de laser 1 na superfície do fundo de um poço 2 no solo 10. O padrão de emissões laser 1 é composta por múltiplas emissões de laser individuais 3, 4, 5, 6, 7 etc. Nesta modalidade, o padrão de emissões de laser 1 tem um perímetro, ou limite externo, definido pelas emissões mais periféricas 20, 21, 22, 23, etc., próximas ou adjacentes à parede lateral do poço11.

[0043] Passando para a FIG. 2, é exibida uma seção transversal ampliada de uma porção do fundo do poço da FIG. 1. O disparo do padrão de feixes de laser 1 contra a superfície 2 do fundo do poço produz orifícios (por exemplo,

orifícios de feixe laser, pequenos orifícios) na superfície 2 do fundo do poço10 no solo. Assim, por exemplo, o disparo do feixe laser 5 produzirá o orifício 5a e o disparo do feixe laser 4 produzirá o orifício 4a. A área 30 entre os orifícios 5a e 4a é uma área de material afetado por laser. De preferência, o espaçamento entre os orifícios, combinado com a potência do feixe laser e a duração da incidência do feixe laser no spot, deve ser tal que o dano do laser abarque desde um orifício até o próximo por toda a área 30.

[0044] Os spots de feixes de laser podem ser emitidos com durações curtas, ou pulsos. Os pulsos podem durar 0,5 segundos, 1 segundo, 5 segundos, 10 segundos, 60 segundos, bem como todos os tempos dentro destes intervalos e tempos mais longos e mais curtos. A duração do pulso ou feixe laser para formação de cada orifício pode ser a mesma ou diferente no padrão de feixes de laser.

[0045] Passando para a FIG. 2A, é exibido um esquema de seção transversal das forças mecânicas que são aplicadas para remover o material afetado por laser 50. A remoção mecânica significa que 60 (a qual pode ser cortadores, sondas detetoras de metal, brocas, jatos de água, jatos de partículas, combinações entre esses, etc.) atua sobre a superfície 2 do poço, aplicando força sobre o material remanescente 50, por exemplo, o material do efeito laser 30. A força pode ser aplicada de forma perpendicular à superfície do poço 2 ou de forma angular à superfície do poço 2.

[0046] Passando para as FIGS. 3A até 3I, são exibidas modalidades de padrões de emissões de laser, tendo disparos laser, posicionadas na superfície do fundo de um poço. Na FIG. 3A, é mostrado um padrão de disparos laser 301a, com laser 302a em uma padrão escalonada na qual todas as emissões no padrão mantém espaçamento uniforme, dentro de um poço com uma parede lateral 303a. Na FIG. 3B é exibida um padrão de disparos laser 301b, com disparos laser 302a que são linhas paralelas espaçadas nas quais todos os disparos no padrão mantêm espaçamento uniforme e tal padrão não se estende até à parede interior do poço 303b. Na FIG. 3C, é exibida um padrão de laser 301c, com laser 302c em um padrão reticulada que se estende até a parede lateral interna do poço 303c. Na FIG. 3D, é exibida um padrão de laser 301d, com disparos laser 302d em uma série de anéis circulares, coaxiais e concêntricos, dentro de um poço com uma parede lateral 303d. Na FIG. 3E, é exibida um padrão de laser 301e, com disparos de laser linear 302e e disparos entalhadores arqueados 304e dentro de um poço com uma parede lateral 303a. Na FIG. 3F, é exibida um padrão de disparos de laser 301f, com disparos de laser 302a que são elípticos e num padrão escalonada, em um poço com parede lateral 303a. Na FIG. 3G, é exibida um padrão de disparos de laser 301g, com emissões de laser 302g com um padrão central aleatória rodeada por emissões entalhadoras arqueadas 304g dentro de um poço com uma parede lateral 303g. Na FIG. 3H, é exibida um padrão de disparos de laser 301h, com emissões de laser 302h com um padrão de anéis circulares concêntricos em um poço com uma parede lateral 303h. Na FIG. 3I, é exibida um padrão com emissão de laser 301i, com emissões de laser 302i em um padrão de anéis circulares concêntricos compostos por emissões arqueadas desconectadas, no interior de um poço com uma parede lateral 303i.

[0047] 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 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. Dessa 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 de 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,

como se observa na FIG. 3I. Se os feixes de laser são contínuos, os anéis serão formados por orifícios circulares, como se observa na FIG. 3H. 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. Dessa 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.

[0048] 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.

[0049] 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 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.

[0050] 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 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 do poço 1014. O flexitubo 1012 também permite de transmitir o fluído por todo o comprimento do flexitubo 1012 até a composição de fundo do poço 1014.

[0051] 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 do poço 1020 e entra no poço 1001.

[0052] O fluído, 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 fundo do 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.

[0053] 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 do poço 1020. A cabeça do 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.

[0054] A extremidade de fundo do poço 1023 do flexitubo 1012 está conectada à composição de fundo do poço 1014. A composição de fundo do poço contém a óptica que emite o feixe 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 fundo do poço 1014, por exemplo, também contém meios de transporte para o fluido.

[0055] 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 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.

[0056] 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 laser. Assim, em modalidades, o material de formação remanescente não teria sido atingido diretamente pelo feixe 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 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 escavações é comparável ou superior à operação de perfuração mecânica convencional. Dependendo do tipo de solo e rocha e as propriedades do feixe laser, esse corte ocorre por lascamento, dissociação térmica, derretimento, vaporização ou uma combinação desses fenômenos.

[0057] 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 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.

[0058] Em adição ao flexitubo, colunas de poço podem ser usadas, bem como wireline downhole tractors, ou outros sistemas de transporte conhecidos na indústria.

[0059] 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.

[0060] 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.

[0061] 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 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.

[0062] O feixe 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.

[0063] O presente sistema pode incluir um ou mais manipuladores ópticos.

Um manipulador óptico pode geralmente controlar um feixe laser, direcionando ou posicionando o feixe laser para lascar materiais, tais como rochas. Em algumas configurações, um manipulador óptico pode estrategicamente guiar um feixe 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 díodo 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 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.

[0064] 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 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 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 aparelhos de fundo de poço que são usados nas operações de perfuração mecânica convencional.

[0065] A LBHA e a óptica, em pelo menos um aspecto, pode determinar que um padrão de spots de feixes de laser, em um formato de feixes de laser contínuo, seja formado 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.

[0066] 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 de 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 de contínuos a partir da luz emitida pela óptica de modelagem de feixes de. Um colimador pode ser posicionado depois da lente de modelagem dos spots de feixes de 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.

[0067] Em alguns aspectos, as fibras ópticas e uma ou mais lentes de elementos ópticos e óptica de moldagem de feixes de 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.

[0068] 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, 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 de iluminem o material, como rochas, com os pares de feixes de dispostos num padrão para remover ou deslocar a formação rochosa.

[0069] De acordo com um ou mais aspectos, o padrão dos pares de feixes de pode ser espaçada de tal forma que a luz dos pares de feixes de fibra emerja em um ou mais padrões de spots de feixes de 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 de pode ser espaçada 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 de 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 nãoaxissimétrica 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.

[0070] 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 de 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 laser e propagando a luz para uma ou mais lentes refrativas positivas.

[0071] 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 de em vários focos, para remover ou deslocar a formação rochosa.

[0072] 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.

[0073] 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, 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.

[0074] 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 sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação ótica com um dispositivo laser de fundo de poço, de modo a emitir um padrão de feixes de laser à superfície de um poço, caracterizado pelo fato de que: a. o dispositivo laser de fundo de poço aplica um padrão de feixes de laser à superfície do poço, sendo a superfície do poço composta pela formação; b. o padrão de feixes de laser é composto de múltiplas emissões de feixes de laser; c. após a aplicação do feixe de laser no padrão de feixes de laser à 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 um padrão de material remanescente do material remanescente da formação que é um negativo do padrão de feixes de laser, e d. um dispositivo mecânico é capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente.

2. O sistema de alta potência, de acordo com a reivindicação 1, no qual o padrão de feixes de laser é composto de múltiplas emissões lineares.

3. O sistema de alta potência, de acordo com a reivindicação 1, no qual o padrão de feixes de laser define um padrão reticulado de emissões lineares de feixes de laser que se cruzam.

4. O sistema de alta potência, de acordo com a reivindicação 1 no qual o padrão de feixes de laser é composto de múltiplas emissões espaçadas entre si.

5. O padrão de feixes de laser, de acordo com a reivindicação 4, no qual os disparos possuem uma seção transversal de cerca de 0,5mm a 3,0mm.

6. O padrão de feixes de laser, de acordo com a reivindicação 5, no qual a maioria das emissões no padrão de feixes de laser é circular e possui um diâmetro de cerca de 0,9mm a 3,0mm.

7. O padrão de feixes de laser, de acordo com a reivindicação 6, no qual a maioria das emissões no padrão de feixes de laser possuem um espaçamento entre emissões de cerca de 5mm a 40mm.

8. O padrão de feixes de laser, de acordo com a reivindicação 7, no qual a maioria das emissões no padrão de feixes de laser possuem um espaçamento entre emissões de cerca de 8mm a 25mm.

9. O sistema de alta potência, de acordo com a reivindicação 1, no qual o padrão de emissões preenche a superfície inferior de um poço e é adjacente à parede lateral do poço.

10. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, no s quais o diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 100 mm a 250mm.

11. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, nos quais o diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de é de cerca de 140 mm a 180mm.

12. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, no s quais o diâmetro externo do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 180 mm a 250mm.

13. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, nos quais as emissões de laser cobrem cerca de 10% a 50% da área do padrão de feixes de laser.

14. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, nos quais as emissões de laser cobrem menos que cerca de 30% da área do padrão de feixes de laser.

15. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, nos quais as emissões de laser cobrem menos que cerca de 10% da área do padrão de feixes de laser.

16. Os sistemas de alta potência, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, e 9, nos quais as emissões de laser cobrem menos que cerca de 2% da área do padrão de feixes de laser.

17. Um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, a fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço que emite um padrão de feixes de laser à superfície de um poço, caracterizado pelo fato de que: a. o dispositivo laser de fundo de poço emite um padrão de feixes de laser à superfície do poço; b. o padrão de feixes de laser possui um diâmetro externo que corresponde a um diâmetro externo preestabelecido do poço e que define uma área de padrão de feixes de laser, onde o padrão de laser cobre a superfície inferior do poço, no qual a superfície inferior do poço é definida pelo material inicial da formação; c. o padrão de laser é composto de múltiplas emissões individuais de feixes de laser, tendo cada emissão uma área de emissão, onde a área de emissão para cada emissão é de cerca de 1,00mm2 a 30mm2, e d. as emissões de laser definem uma área total de emissões de laser, sendo a área total de emissões de laser inferior a cerca de 50% da área do padrão laser.

18. O sistema laser de alta potência, de acordo com a reivindicação 17, no qual após a aplicação do feixe de laser no padrão de feixes de laser à superfície do poço, o feixe de laser remove material inicial da formação em um padrão de remoção correspondente ao padrão de feixes de laser, deixando um padrão de material remanescente do material remanescente da formação que é um negativo do padrão de feixes de laser e que representa cerca de 50% ou mais do material inicial da formação.

19. O sistema laser de alta potência, de acordo com a reivindicação 17, incluindo um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente.

20. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais o padrão de emissão de laser é estacionário e não gira.

21. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais a área do padrão de emissões de feixes de laser é de cerca de 30 mm2 a 320 mm2.

22. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais a área total de emissões de laser é inferior a cerca de 10% da área do padrão do laser e onde o material remanescente da formação corresponde a de cerca 90% ou mais do material inicial da formação.

23. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais a área total de emissões de laser é inferior a cerca de 5% da área do padrão do laser e onde o material remanescente da formação corresponde a aproximadamente 95% ou mais do material inicial da formação.

24. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais a área total de emissões laser é inferior a cerca de 2% da área do padrão do laser e onde o material remanescente da formação corresponde a cerca de 98% ou mais do material inicial de formação.

25. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 17, 18, e 19, nos quais a área total de emissões laser é inferior a cerca de 1% da área do padrão do laser e onde o material da remanescente formação corresponde a cerca de 99% ou mais do material inicial de formação.

26. Os sistemas laser de alta potência, de acordo com as reivindicações 1 e 17, nos quais o padrão de feixes de laser é composto de medidores de cortes com disparos de feixes de laser.

27. Um sistema laser de alta potência dotado de um laser de alta potência em comunicação óptica com uma fibra óptica de alta capacidade, a fibra óptica de alta capacidade em comunicação óptica com um dispositivo laser de fundo de poço que emite um padrão de feixes de laser à superfície de um poço, caracterizado pelo fato de que: a. o dispositivo laser de fundo de poço compreende um conjunto óptico capaz de aplicar um padrão de feixes de laser à superfície do poço; b. o padrão de feixes de laser possui um diâmetro externo que corresponde a um diâmetro externo preestabelecido do poço e que define uma área padrão de feixes de laser, onde no padrão do laser cobre a superfície inferior do poço, na qual a superfície inferior do poço é definida pelo material inicial da formação; c. o padrão do laser é constituído de 10 a 100 emissões individuais de feixes de laser, tendo cada emissão uma área de emissão, onde a área de emissão para cada emissão corresponde a cerca de 0,8 mm² a 30 mm²; no qual o sistema laser é capaz de fornecer cerca de 2 kW a 20 kW de potência para cada emissão no padrão de emissões; d. as emissões laser definem uma área total de emissões de laser, onde a área total de emissões de laser é inferior a cerca de 30% da área do padrão do laser; e. no qual, após a aplicação do feixe de laser no padrão de feixes de laser à superfície do poço, o feixe de laser remove material inicial da formação em um padrão de remoção que corresponde ao padrão de feixes de laser, deixando um padrão de material remanescente do material remanescente da formação que é um negativo do padrão de feixes de laser, e f. o sistema laser de alta potência, de acordo com a reivindicação 17, é composto de um dispositivo mecânico capaz de remover o material remanescente da formação no padrão de material remanescente.