CN105392954B - 使用高功率激光束的井下深层隧道掘进工具和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于穿透含烃地层的井下激光工具包括：激光地面单元，其用于产生高功率激光束；光缆，其用于将高功率激光束从激光地面单元传导至旋转系统，旋转系统具有旋转头，旋转头包括聚焦系统和井下激光工具头，聚焦系统包括光束操纵器、聚焦透镜和准直仪，井下激光工具头包括：第一玻璃盖板，其用于保护聚焦系统；激光喷口，其用于将准直激光束从井下激光工具头发射到含烃地层中；流体刀，其用于清扫第一玻璃盖板；清洗喷嘴，其用于除去准直激光束的路径中的灰尘；吸气嘴，其用于从准直激光束的路径收集灰尘和水汽。

Description

使用高功率激光束的井下深层隧道掘进工具和方法

技术领域

本发明涉及一种用于穿透含烃地层的方法和装置。更具体而言，本发明涉及一种使用井下激光工具升华含烃地层来构建网络的方法和装置。

背景技术

井筒增产处理是石油工程的一个分支，其专注于如何提高烃从地层到井筒的流动来进行生产。为了从目标地层中产生烃，地层中的烃需要从地层流动到井筒，以便被产生并流动到地面。通过地层渗透性装置实现从地层到井筒的流动。当地层渗透性较低时，应用增产处理，以增强流动。增产处理可被应用于井筒周围并进入到地层中，以在地层中构建网络。

用于增产处理的第一步骤通常是对套管进行穿孔并用水泥粘合，以便到达地层。对套管进行穿孔的一种方法是使用聚能装药(shaped charge)。在井筒内将聚能装药下放到目标释放区域。聚能装药的爆炸产生穿透钢制套管、水泥并进入到地层中的短隧道。

聚能装药的使用具有几个缺点。例如，聚能装药在隧道周围产生致密区域，从而降低了渗透性，并因此降低了产量。聚能装药的高速冲击粉碎了岩层，并产生堵塞地层的孔间通道的极细颗粒，从而降低了流量和产量。存在在隧道中形成熔融物的可能。不能对由聚能装药产生的隧道的几何形状和方向进行控制。存在对隧道的穿透深度和直径的限制。存在在处理的同时在地面爆炸的风险。

增产处理的第二阶段通常涉及通过由聚能装药产生的隧道泵送流体。以超过引起地层和岩石破裂和破碎的地层破坏压力(被称为水力压裂)的速率泵送流体。大多数情况下使用称为水力压裂液的水基液进行水力压裂。水力压裂液可能破坏地层，特别是页岩。水力压裂产生地层裂缝，从而形成地层与井筒之间的连网。

水力压裂也具有几个缺点。首先，如上所述，水力压裂可能破坏地层。另外，不能对裂缝的方向进行控制。已知的是，裂缝可能又闭合上。由于管道中的水具有高压，因此可能在地面上存在风险。在缺水地区，获得水力压裂所需的数以百万加仑的水存在挑战。对于添加到水力压裂液中的各种成分而言，存在环境问题。

另外，如上所述的两阶段式压裂系统可能比较昂贵。

发明内容

本发明涉及一种用于穿透含烃地层达到所需穿透深度的方法和装置。更具体而言，本发明涉及一种用于穿透含烃地层的井下激光工具。

在本发明的一个实施例中，用于穿透含烃地层的井下激光工具包括构造为产生高功率激光束的激光地面单元。激光地面单元与光缆电连通。光缆构造为传导高功率激光束。光缆包括：绝缘电缆，其构造为抵抗高温和高压；保护性激光光缆，其构造为传导高功率激光束；激光地面端部，其构造为接收高功率激光束；激光电缆端部，其构造为从光缆发射原始激光束。井下激光工具包括：外部套管，其放置在现有井筒内，现有井筒在含烃地层内延伸；硬壳体，其放置在外部套管内，其中，光缆包含在硬壳体内；以及旋转系统，其定位在外部套管内。旋转系统包括：旋转壳体，其与硬壳体的端部联接；以及旋转头，其从旋转壳体延伸。旋转系统构造为围绕硬壳体的轴线旋转。旋转头包括：聚焦系统，其构造为引导原始激光束；以及井下激光工具头，其构造为将准直激光束发射到含烃地层中。聚焦系统包括：光束操纵器，其构造为引导原始激光束；聚焦透镜，其构造为形成聚焦激光束；以及准直仪，其构造为形成准直激光束。光束操纵器定位成靠近光缆的激光电缆端部，聚焦透镜定位成接收原始激光束，准直仪定位成接收聚焦激光束。井下激光工具头包括：第一玻璃盖板，其靠近聚焦系统；激光喷口，其定位成从井下激光工具头发射准直激光束；流体刀，其靠近第一玻璃盖板的激光喷口侧；清洗喷嘴，其在井下激光工具内靠近激光喷口；吸气嘴，其靠近激光喷口；以及温度传感器，其邻近激光喷口。第一玻璃盖板构造为保护聚焦系统。流体刀构造为清扫第一玻璃盖板。清洗喷嘴构造为除去准直激光束的路径中的灰尘。吸气嘴构造为收集准直激光束的路径中的水汽。

在某些实施例中，井下激光工具包括：稳定垫，其附接在硬壳体上，并且构造为相对于外部套管将硬壳体保持就位。

在井下激光工具的某些实施例中，光束操纵器是反射镜。

在井下激光工具的某些实施例中，光束操纵器是分束器。

在某些实施例中，井下激光工具还包括：第二玻璃盖板，其定位成在第一玻璃盖板与流体刀之间靠近第一玻璃盖板。

在井下激光工具的某些实施例中，聚焦透镜定位成靠近光缆的激光电缆端部，准直仪定位成接收聚焦激光束，光束操纵器定位成接收准直激光束。

在某些实施例中，井下激光工具还包括从一个旋转壳体延伸出的多个旋转头。

在某些实施例中，井下激光工具还包括多个旋转系统。

在某些实施例中，井下激光工具具有锥形激光喷口。

本发明还涉及一种利用井下激光工具穿透含烃地层的方法。该方法包括将井下激光工具延伸到现有井筒中。井下激光工具包括：激光地面单元，其与光缆连接；硬壳体，其围绕光缆；外部套管，其围绕硬壳体；旋转系统，其定位在外部套管内；以及旋转头，其从旋转系统延伸。旋转头包括聚焦系统和井下激光工具头。聚焦系统包括光束操纵器、聚焦透镜和准直仪。井下激光工具头包括第一玻璃盖板、流体刀、清洗喷嘴、吸气嘴和温度传感器。该方法包括在运行模式下操作激光地面单元，当准直激光束达到所需穿透深度时，运行模式结束。与激光地面单元连接的光缆在运行模式期间将原始激光束传导至旋转系统的旋转头的聚焦系统。该方法还包括从光缆将原始激光束发射到光束操纵器。光束操纵器朝向聚焦透镜重新定向原始激光束的路径。该方法还包括：在聚焦透镜中聚焦原始激光束，以形成聚焦激光束；在准直仪中准直聚焦激光束，以形成准直激光束；使准直激光束穿过第一玻璃盖板；用流体刀清扫第一玻璃盖板；在运行模式期间，用清洗喷嘴清洗准直激光束的路径；在运行模式期间，用准直激光束升华含烃地层，以形成达到所需穿透深度的隧道；以及在运行模式期间，用吸气嘴抽吸灰尘和水汽。

在某些实施例中，该方法还包括使旋转系统旋转，以瞄准含烃地层的新区域。

在某些实施例中，旋转系统包括多个旋转头。

在某些实施例中，运行模式包括循环模式，使激光地面单元在工作周期与停用周期之间循环，在工作周期期间，将原始激光束从激光地面单元传导至聚焦系统。

在某些实施例中，该方法还包括以下步骤：在工作周期期间，用清洗喷嘴清洗准直激光束的路径；以及在停用周期期间，用吸气嘴抽吸灰尘和水汽。

在某些实施例中，运行模式包括连续模式，其中，激光地面单元连续工作，直到达到所需穿透深度。

附图说明

参考以下描述、权利要求和附图将能够更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。然而，应注意的是，附图仅示出本发明的几个实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，这是因为本发明允许其他的等效实施例。

图1是本发明实施例的透视图。

图2是本发明实施例的剖视图。

图3是旋转头的实施例的透视图和光缆的分解图。

图4A是旋转头的实施例的剖视图。

图4B是旋转头的可选实施例的剖视图。

图4C是旋转头的可选实施例的剖视图。

具体实施方式

虽然将用几个实施例描述本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员将认识到，本文所描述的装置和方法的实例、变化和改变都在本发明的范围和精神内。因此，在不失一般性的情况下和在没有对所要求保护的发明强加限制的情况下，阐述了本文所述的本发明的各示例性实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的井下激光工具的透视图。激光地面单元10位于现有井筒4附近的地面上。现有井筒4已被掘进到含烃地层2中，并通过水泥6和井筒套管8进行加固。井下激光工具头(未示出)位于现有井筒4内。激光地面单元10与光缆20电连通。激光地面单元10与光缆20的激光地面端部55连接。光缆20的激光电缆端部(未示出)与井下激光工具头(未示出)连接。在某些实施例中，多根光缆20可以将激光地面单元10连接至井下激光工具1。

一般来说，井下激光工具1的构造材料可以是能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动并且保护系统免受流体、灰尘和碎屑侵害的任何类型的材料。本领域的普通技术人员将熟悉合适的材料。

激光地面单元10将能量激发到高于含烃地层2的升华点的水平，以形成高功率激光束(未示出)。升华含烃地层2所需的高功率激光束的激发能量可以由本领域技术人员确定。根据本发明的某些实施例，激光地面单元10可以被调整为根据需要将能量激发到不同水平，以用于不同的含烃地层2。含烃地层2可以包括石灰石、页岩、砂岩或含烃地层中常见的其他岩石类型。光缆20穿过外部套管15将高功率激光束传导至旋转系统(未示出)作为原始激光束(未示出)。原始激光束穿过旋转系统，以产生准直激光束160。旋转系统发射准直激光束160，以穿透井筒套管8、水泥6和含烃地层2，从而形成例如孔或隧道。

根据本发明的实施例，可以沿三维空间的任何方向发射准直激光束160。如所描绘的那样，井下激光工具1能够将准直激光束160 引导成与地面平行或与地面成一定角度。

激光地面单元10可以是能够产生可以通过光缆20进行传导的高功率激光束的任何类型的激光单元。激光地面单元10包括例如镱离子、铒离子、钕离子、镝离子、镨离子和铥离子的激光器。根据本发明的实施例，激光地面单元10包括例如5.34千瓦的掺镱多包层光纤激光器。在本发明的可选实施例中，激光地面单元10是能够以最小损耗输送激光的任何类型的光纤激光器。本领域技术人员可以根据需要确定激光地面单元10的波长，以穿透含烃地层2。

根据本发明的一个实施例，激光地面单元10在运行模式下操作，直到达到所需穿透深度。运行模式可以由例如循环模式或连续模式限定。运行模式的持续时间可以基于含烃地层2的类型和所需穿透深度。需要处于循环模式的运行模式的含烃地层2包括例如具有高石英含量的砂岩、贝雷砂岩。需要处于连续模式的运行模式的含烃地层2包括例如石灰石。所需穿透深度可以是所需隧道深度、隧道长度或隧道直径。作为选择，所需穿透深度可以包括孔。所需穿透深度由应用场合和诸如含烃地层2的地质材料或岩石类型、隧道直径、岩石的最大水平应力或岩石的抗压强度等含烃地层2的特性确定。根据本发明的一个实施例，井下激光工具1旨在用于较深地穿透到含烃地层2中。深层穿透是指涵盖进入到含烃地层2中的超过六(6)英寸的任何穿透深度，并且可以包括一英尺、两英尺、三英尺或更大英尺的深度。

根据本发明的一个实施例，当运行模式构成循环模式时，激光地面单元在工作周期与停用周期之间循环，以避免井下激光工具1过热并清扫准直激光束160的路径。该背景下的循环意味着在工作周期(此时激光地面单元10产生高功率激光束)与停用周期(此时激光地面单元10不产生高功率激光束)之间来回切换。工作周期的持续时间可以与停用周期的持续时间相同、可以比停用周期的持续时间长、可以比停用周期的持续时间短、或者可以为任意组合。可以根据所需穿透深度、通过实验或通过这两者来确定每个工作周期和每个停用周期的持续时间。根据本发明的实施例，激光地面单元10是可编程的，使得计算机程序进行操作以循环激光。工作周期和停用周期的持续时间的其他影响因素包括例如岩石类型、清洗方法、光束直径和激光功率。根据本发明的一个实施例，可以在将井下激光工具1下放到含烃地层2的现有井筒4中之前，对含烃地层2的岩石类型的代表进行实验。可以进行这些实验，以确定每个工作周期和每个停用周期的最佳持续时间。根据本发明的一个实施例，工作周期和停用周期可以持续1秒到5秒。在本发明的一个实施例中，激光束穿透贝雷砂岩的含烃地层2，其中，工作周期持续四(4)秒且停用周期持续四(4)秒，以及穿透深度为十二(12)英寸。

在本发明的可选实施例中，运行模式是连续模式。在连续模式下，激光地面单元10停留在工作周期，直到达到所需穿透深度。根据本发明的至少一个实施例，运行模式的持续时间由连续模式的持续时间限定。激光地面单元10预期是在需要维护之前能够工作许多小时的类型。含烃地层2的特定岩石类型可以通过实验、通过地质方法或通过分析从含烃地层2采集的样品来确定。

图2示出本发明实施例的剖视图。除了参考图1的上述特征之外，外部套管15围绕现有井筒4中的井下激光工具1。外部套管15可以具有能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动且允许准直激光束160穿透的任何类型的材料。根据本发明的一个实施例，井下激光工具1包括运动系统40。

运动系统40在现有井筒4内被降低到所需高度。运动系统40与激光地面单元10电连通，使得运动系统40可以将其在现有井筒4内的高度转告于激光地面单元10，并且可以接收来自激光地面单元10的目标高度。运动系统40可以向上或向下移动到所需高度。运动系统40可以包括例如液压系统、电气系统或电动机操作系统，以将运动系统40驱动就位。用于运动系统40的控件被包含，作为激光地面单元10的一部分。旋转系统30附接在运动系统40上。旋转系统30与激光地面单元10电连通，使得旋转系统30可以接收来自激光地面单元10的目标位置，并且可以向激光地面单元10提供位置信息。旋转系统30可以包括例如液压系统、电气系统或电动机操作系统，以使旋转系统30旋转。根据本发明的至少一个实施例，激光地面单元10可以被编程，以仅基于指定目标高度和目标位置来控制运动系统40和旋转系统30的放置。根据本发明的实施例，运动系统40接收来自激光地面单元10的目标高度并移动到目标高度。在运动系统40到达目标高度之前、期间或之后，旋转系统30接收来自激光地面单元10的目标位置。然后旋转系统30旋转成与目标位置对准。一旦与目标位置对准，旋转系统30便可锁定就位，以用于激光的操作。在本发明的可选实施例中，旋转系统30可以在激光工作的同时进行旋转。根据本发明的一个实施例，旋转系统30可以360度旋转。

旋转系统30包括旋转头35和旋转壳体90。根据一些实施例，井下激光工具1可以包括一个以上的旋转系统30。是否需要另外的旋转系统30可以由现有井筒4的深度来确定。根据一些实施例，旋转系统30可以包含一个、两个、三个、四个或更多个旋转头35。每个旋转头35包含至少一个温度传感器240。作为监测旋转头35处的一个物理性质的方式，温度传感器240向激光地面单元10提供温度数据。根据本发明的一个实施例，井下激光工具1可以构造为当温度传感器240所监测到的温度超过预设值时关闭激光。预设值可以被设置为避免井下激光工具1的过热点。除了可能对于确定过热点比较关键的其他参数之外，过热点可以基于激光类型和井下激光工具1的构造。避免过热能够防止对井下激光工具1造成损坏。

根据本发明的实施例，多根光缆20可以将多个高功率激光束(未示出)同时传导至多个旋转系统30。是否需要多个旋转系统30可以由应用场合来确定。

图3包含旋转头35的透视图。根据本发明实施例的光缆20包括硬壳体50、绝缘电缆70和保护性激光光缆75。光缆20传导原始激光束80。硬壳体50可以具有能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动的任何类型的材料。绝缘电缆70可以具有能够保护光缆20免受在原始激光束80从激光地面单元10行进到激光喷口45时因现有井筒4的温度和原始激光束80的温度而带来的过热的任何类型的材料。保护性激光光缆75可以具有能够保护光缆免于被划伤、弯曲、断裂或者在现有井筒4内受到的其他物理损伤的任何类型的材料。保护性激光光缆75可以包括例如增强的柔性金属，使得该增强的柔性金属在光缆20弯曲或扭转时弯曲。保护性激光光缆75可以嵌入到绝缘电缆70内(如图所示)或可以附接在绝缘电缆70的内表面上(未示出)。

激光电缆端部25可以连接到旋转头35。在可选实施例中，激光电缆端部25可以连接到旋转壳体(未示出)。激光电缆端部25与旋转头35之间的连接可以是柔性的，从而允许旋转头35在三维空间中的运动和旋转。在可选实施例中，旋转系统30围绕硬壳体50的轴线旋转。旋转系统30如参考图2所述那样旋转。提供附接在硬壳体50上的稳定垫60，以将光缆20稳固在外部套管15(未示出)内。光缆20可被定位在外部套管15中心，或者可以根据需要定位成偏离中心。稳定垫60可以是能够在外部套管15内将光缆20锚固就位的任何类型的垫、锚或定位器。稳定垫60可以具有能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动的任何类型的材料。稳定垫60可以被放置在光缆20上的需要锚固或稳定加固的任何点处。根据本发明的一些实施例，可以在光缆20上使用多个稳定垫60。

旋转头35包括激光喷口45，通过激光喷口45发射准直激光束160(未示出)。旋转头35可逐渐变细，使得激光喷口45的直径小于旋转头35的主体的直径。可以由本领域技术人员确定直径之比。激光喷口45仅需要足够大，以对准直激光束160(未示出)的发射提供无阻路径。旋转头35的逐渐变细能够防止灰尘和水汽通过激光喷口45进入旋转头35。水汽可能包括灰尘和其他颗粒物。

激光喷口45包括温度传感器240。根据本发明的实施例，激光喷口45包括两个温度传感器240。本领域技术人员将认识到，激光喷口45可以根据需要包括例如一个、两个或更多个温度传感器240来进行监测。温度传感器240监测激光喷口45的温度。由温度传感器240收集的数据可以用于保护井下激光工具1免于过热或可以监测准直激光束160(未示出)的强度以允许进行调整。

旋转头35可以具有能够抵抗在现有井筒4内受到的高温、高压和振动的任何类型的材料。

图4A是旋转头35的实施例的剖视图。绝缘电缆70在硬壳体50(未示出)内通过电缆支撑件65保持就位。绝缘电缆70传导原始激光束80。根据本发明的实施例，聚焦系统100可以被包含在旋转头35内。

聚焦系统100通常包括对原始激光束80进行成形的一组透镜。聚焦系统100的透镜可以是无需冷却的任何类型的光学透镜。透镜之间的物理距离影响在含烃地层2中由井下激光工具1形成的隧道的尺寸和形状。聚焦系统100可以包括例如光束操纵器105、聚焦透镜120和准直仪130。聚焦系统100可以包括特定应用所需的其它透镜(未示出)。

光束操纵器105在激光电缆端部25附近与电缆支撑件65连接。在本发明的一些实施例中，在激光地面单元10的操作之前设置光束操纵器105的位置。在一些实施例中，可以在激光地面单元10的停用周期期间调节光束操纵器105的位置。在可选的实施例中，可以在激光地面单元10的工作周期期间调节光束操纵器105。光束操纵器105引导在原始激光束的三维空间中的方向和角度。可以基于所需位置、入射角和用于穿透含烃地层2(未示出)的几何形状来调节角度和方向。根据本发明的一个实施例，光束操纵器105重新定向原始激光束80的路径。光束操纵器105沿着不同角度、沿着x轴、y轴或这两者重新定向原始激光束80的路径。可以在发射原始激光束80之前或在发射原始激光束80期间对光束操纵器105进行定位。光束操纵器105包括例如反射镜110。

原始激光束80可以作为任意尺寸的光束离开激光电缆端部25。原始激光束80的尺寸取决于光缆20的尺寸，并且可以由本领域技术人员基于包括例如岩石类型、所需穿透深度、所需隧道尺寸、激光地面单元10的功率在内的因数进行选择。根据本发明的实施例，原始激光束80离开激光电缆端部25进入聚焦系统100作为1”光束。光束操纵器105引导原始激光束80穿过聚焦系统100。

聚焦透镜120可以定位成靠近光束操纵器105。聚焦透镜120 可以固定在旋转头35内部。聚焦透镜120可以是能够聚焦原始激光束80来形成聚焦激光束150的任何类型的透镜。聚焦透镜120可以是任何材料，例如玻璃、塑料、石英、水晶或能够聚焦激光束的其他材料。聚焦透镜120的形状和曲率可以由本领域技术人员基于井下激光工具1的应用场合来确定。聚焦透镜120控制原始激光束80的发散，这能够控制隧道或孔的形状。例如，隧道可以是圆锥形的、球形的或椭圆形的。

聚焦激光束150进入准直仪130，准直仪130对聚焦激光束150进行准直，以形成准直激光束160。准直仪130可以定位成靠近聚焦透镜120。准直仪130可以固定在旋转头35内部。准直仪130可以是任何材料，例如玻璃、塑料、石英、水晶或能够准直激光束的其他材料。准直仪130的形状和曲率可以由本领域技术人员基于井下激光工具1的应用场合来确定。准直仪能够对准光波或者也可以使激光束具有较小的直径。准直仪130形成准直激光束160，准直激光束160具有固定的直径，从而产生直隧道或直孔。控制准直激光束160的直径能够控制隧道的直径。

准直激光束160进入井下激光工具头200。井下激光工具头200包括玻璃盖板250、流体刀210、清洗喷嘴220、吸气嘴230和温度传感器240。准直激光束160穿过玻璃盖板250。玻璃盖板250通过防止灰尘和水汽进入聚焦系统100来保护聚焦系统100。根据本发明的某些实施例，井下激光工具头200可包括一个以上的玻璃盖板。根据对于保护免受灰尘、水汽或其他环境条件侵害的附加层的需要，井下激光工具头200可以包括例如一个、两个、三个或更多个玻璃盖板。玻璃盖板250不操纵准直激光束160。流体刀210清扫玻璃盖板250上的灰尘和水汽。流体刀210靠近玻璃盖板250。清扫玻璃盖板250能够向准直激光束160提供从聚焦系统100到激光喷口45的无阻路径。流体刀210喷射包括例如能够保持玻璃盖板250不接触灰尘和水汽的空气或氮气在内的任意气体。玻璃盖板250可以是任何材料，例如玻璃、塑料、石英、水晶或能够保护聚焦系统100而不操纵准直激光束160的其他材料。玻璃盖板250的形状和曲率可以由本领域技术人员基于井下激光工具1的应用场合来确定。

清洗喷嘴220清扫准直激光束160的从玻璃盖板250到含烃地层2的路径。本领域技术人员将认识到，在某些实施例中，流体刀210和清洗喷嘴220的组合功能形成了准直激光束160的从玻璃盖板250到含烃地层2的无阻路径。本领域技术人员将认识到，清洗喷嘴220可以是能够清洗激光喷口45前方区域的一个、两个或更多个喷嘴。清洗喷嘴220喷射能够清扫激光喷口45上的灰层和水汽和旋转头35前方的灰层和水汽的任意清洗介质。清洗介质可以包括例如液体或气体。可以基于含烃地层2的类型和储层压力来选择清洗介质是液体或还是气体。也可以考虑允许准直激光束160以最小损耗或没有损耗到达含烃地层2的清洗介质。根据本发明的一个实施例，清洗介质将是诸如氮气等非反应性的、非破坏性的气体。当存在较低的储层压力时，气体清洗介质也是合适的。清洗喷嘴220在流体刀210与激光喷口45之间齐平地位于旋转头35内部，以免阻碍准直激光束160的路径。

根据本发明的实施例，清洗喷嘴220在工作周期和停用周期的循环中清洗旋转头35。当发射准直激光束160时出现工作周期，就如同受激光地面单元10的工作周期控制一样，如上文参考图1所述。在本发明的可选实施例中，清洗喷嘴220在连续模式下工作。

吸气嘴230从激光喷口45周围的区域抽吸因准直激光束160使含烃地层2升华而产生的灰尘和水汽。灰尘和水汽被移除到地面并进行分析。灰尘和水汽的分析可包括确定例如含烃地层2的岩石类型和包含在含烃地层2内的流体类型。在本发明的可选实施例中，灰尘和水汽一旦在地面上便可被处理。吸气嘴230可以定位成与激光喷口45齐平。本领域技术人员将认识到，取决于灰尘和水汽的量，吸气嘴230可以包括一个、两个、三个、四个或更多个吸气嘴。吸气嘴230的尺寸取决于要除去的灰尘和水汽的体积和系统的从井下激光工具头200传送到地面的物理要求。

根据本发明的一个实施例，吸气嘴230在工作周期和停用周期的循环中工作。当准直激光束160和清洗喷嘴220不工作时出现工作周期，如同受激光地面单元10控制一样。准直激光束160和清洗喷嘴220的停用周期允许吸气嘴230清扫路径，所以准直激光束160具有从玻璃盖板250到含烃地层2的无阻路径。在本发明的可选实施例中，吸气嘴230在连续模式下工作。在本发明的另一可选实施例中，当清洗喷嘴220喷射液体清洗介质时，吸气嘴230将不工作。

本领域技术人员将认识到，流体刀210、清洗喷嘴220和吸气嘴230一起操作，以清除准直激光束160的从玻璃盖板250到含烃地层2中的穿透点的路径中的灰尘和水汽。本领域技术人员将认识到，因可能破坏、弯曲或散射准直激光束160而需要清除准直激光束160的路径中的灰尘。

图4B是旋转头35的可选实施例的剖视图。参考前述附图，聚焦系统100可以位于旋转壳体90(未示出)内。根据本发明的一个实施例，原始激光束80离开绝缘电缆70并首先进入聚焦透镜120，以形成聚焦激光束150。然后聚焦激光束150进入准直仪130，以形成准直激光束160。参考图4A描述了聚焦透镜120和准直仪130的特征。

根据本发明的实施例，反射镜110将准直激光束160引导成穿过第一玻璃盖板260进入到旋转头35中。根据某些实施例，旋转头35可以包括一个以上的玻璃盖板。根据对于保护免受灰尘、水汽或其他环境条件侵害的附加层的需要，可以提供包括例如一个、两个、三个或更多个玻璃盖板的旋转头35。在本发明的可选实施例中，旋转头35包含两个玻璃盖板，即第一玻璃盖板260和第二玻璃盖板270。可以参考如上所述的玻璃盖板250来描述第一玻璃盖板260和第二玻璃盖板270。

本领域技术人员将认识到，光束操纵器105相对于聚焦透镜120和准直透镜130的位置不影响准直激光束160的特性。可以根据应用的需要、透镜中的额外加固的需要、如现有井筒4所示那样的旋转系统的空间需求、或所采用的光束操纵器的类型来确定聚焦系统100的元件的放置。

参考前述附图，图4C示出了本发明的可选实施例。根据本发明的一个实施例，光束操纵器105可以包括例如分束器115。分束器115可以包括能够将单个激光束分成多个激光束的任何装置。分束器115可以包括例如棱镜。可以根据应用的需要来选择分束器115，以将单个激光束分成两个、三个、四个、或更多个激光束。分束器115也可以改变准直激光束160的三维空间中的方向和角度。

尽管已经详细地描述了本发明，但应理解的是：在不脱离本发明的原理和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、替换和变更。因此，本发明的范围由前述权利要求及其适当的法律等同内容确定。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”也包括复数对象。

“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情形可能发生或者可能不发生。这样的描述包括所述事件或情形发生的情况和所述事件或情形不发生的情况。

在本文中，范围可以表示为从大约一个具体值到大约另一个具体值。当表示这样的范围时，应理解的是：另一个实施例是从一个具体值到另一个具体值以及在所述范围内的所有组合。

在本申请中引证专利文献或公开文献的意图在于将这些参考文献的公开内容以全文引用的方式并入本申请中，以便更充分地描述本发明所属技术领域的现有技术的状况，然而应当除去这些参考文献与本文做出的陈述抵触的情况。

如本文和所附权利要求书中所使用的，词语“包含”、“具有”和“包括”及其所有语法变体均旨在具有不排除其他要素或步骤的开放的、非限制性的意思。

如本文所使用的，诸如“第一”和“第二”等术语被任意地分配并且仅仅用于在装置的两个或更多个组件之间进行区分。应理解的是，词语“第一”和“第二”不用于其他目的并且不是该组件的名称或描述的一部分，也不一定限定该组件的相对位置或定位。此外，应理解的是，仅使用术语“第一”和“第二”不要求有任何“第三”组件，但在本发明的范围下可以设想这种可能性。

Claims (15)

1.一种用于穿透含烃地层的井下激光工具，所述井下激光工具包括：

激光地面单元，其构造为产生高功率激光束，所述激光地面单元与光缆电连通，所述光缆构造为传导所述高功率激光束，所述光缆包括：绝缘电缆，其构造为抵抗高温和高压；保护性激光光缆，其构造为传导所述高功率激光束；激光地面端部，其构造为接收所述高功率激光束；激光电缆端部，其构造为从所述光缆发射原始激光束；

外部套管，其放置在现有井筒内，其中，所述现有井筒在含烃地层内延伸；

硬壳体，其放置在所述外部套管内，其中，所述光缆包含在所述硬壳体内；以及

旋转系统，其定位在所述外部套管内，所述旋转系统包括：旋转壳体，其与所述硬壳体的端部联接；旋转头，其从所述旋转壳体延伸，其中，所述旋转系统构造为围绕所述硬壳体的轴线旋转，

其中，所述旋转头包括：聚焦系统，其构造为引导所述原始激光束；以及井下激光工具头，其构造为将准直激光束发射到所述含烃地层中；

所述聚焦系统包括：光束操纵器，其构造为引导所述原始激光束；聚焦透镜，其构造为形成聚焦激光束；以及准直仪，其构造为形成所述准直激光束，

所述光束操纵器定位成靠近所述光缆的所述激光电缆端部，所述聚焦透镜定位成接收所述原始激光束，所述准直仪定位成接收所述聚焦激光束；并且

所述井下激光工具头包括：第一玻璃盖板，其靠近所述聚焦系统；激光喷口，其定位成从所述井下激光工具头发射所述准直激光束；流体刀，其靠近所述第一玻璃盖板的激光喷口侧；清洗喷嘴，其在所述井下激光工具内靠近所述激光喷口；吸气嘴，其靠近所述激光喷口；以及温度传感器，其邻近所述激光喷口，

所述第一玻璃盖板构造为保护所述聚焦系统，所述流体刀构造为清扫所述第一玻璃盖板，所述清洗喷嘴构造为除去所述准直激光束的路径中的灰尘，所述吸气嘴构造为收集所述准直激光束的路径中的灰尘和水汽。

2.根据权利要求1所述的井下激光工具，还包括：稳定垫，其附接在所述硬壳体上，并且构造为相对于所述外部套管将所述硬壳体保持就位。

3.根据权利要求1所述的井下激光工具，其中，所述光束操纵器是反射镜。

4.根据权利要求1所述的井下激光工具，其中，所述光束操纵器是分束器。

5.根据权利要求1所述的井下激光工具，还包括：第二玻璃盖板，其定位成在所述第一玻璃盖板与所述流体刀之间靠近所述第一玻璃盖板。

6.根据权利要求1所述的井下激光工具，其中，所述聚焦透镜定位成靠近所述光缆的所述激光电缆端部，所述准直仪定位成接收所述聚焦激光束，所述光束操纵器定位成接收所述准直激光束。

7.根据权利要求1所述的井下激光工具，还包括从一个旋转壳体延伸出的多个旋转头。

8.根据权利要求1所述的井下激光工具，还包括多个旋转系统。

9.根据权利要求1所述的井下激光工具，其中，所述井下激光工具头具有锥形激光喷口。

10.一种利用井下激光工具穿透含烃地层的方法，所述方法包括以下步骤：

将井下激光工具延伸到现有井筒中，所述井下激光工具包括：激光地面单元，其与光缆连接；硬壳体，其围绕所述光缆；外部套管，其围绕所述硬壳体；旋转系统，其定位在所述外部套管内；以及旋转头，其从所述旋转系统延伸，

其中，所述旋转头包括聚焦系统和井下激光工具头，

所述聚焦系统包括光束操纵器、聚焦透镜和准直仪，

所述井下激光工具头包括第一玻璃盖板、流体刀、清洗喷嘴、吸气嘴和温度传感器；

在运行模式下操作所述激光地面单元，其中，与所述激光地面单元连接的所述光缆在所述运行模式期间将原始激光束传导至所述旋转系统的所述旋转头的所述聚焦系统，

当准直激光束达到所需穿透深度时，所述运行模式结束；

从所述光缆将所述原始激光束发射到所述光束操纵器，其中，所述光束操纵器朝向所述聚焦透镜重新定向所述原始激光束的路径；

在所述聚焦透镜中聚焦所述原始激光束，以形成聚焦激光束；

在所述准直仪中准直所述聚焦激光束，以形成准直激光束；

使所述准直激光束穿过所述第一玻璃盖板；

用所述流体刀清扫所述第一玻璃盖板；

在所述激光地面单元的所述运行模式期间，用所述清洗喷嘴清洗所述准直激光束的路径；

在所述激光地面单元的所述运行模式期间，用所述准直激光束升华所述含烃地层，以形成达到所需穿透深度的隧道；以及

在所述激光地面单元的所述运行模式期间，用所述吸气嘴抽吸灰尘和水汽。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

使所述旋转系统旋转，以瞄准所述含烃地层的新区域。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述旋转系统包括多个旋转头。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述运行模式包括循环模式，

所述循环模式还包括使所述激光地面单元在工作周期与停用周期之间循环的步骤，

在所述工作周期期间，将所述原始激光束从所述激光地面单元传导至所述聚焦系统。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

在所述工作周期期间，用所述清洗喷嘴清洗所述准直激光束的路径；以及

在所述停用周期期间，用所述吸气嘴抽吸灰尘和水汽。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述运行模式包括连续模式，

所述激光地面单元连续工作，直到达到所需穿透深度。