CN110036179B - 井下井筒高功率激光加热压裂增产处理和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于压裂地层(40)的系统包括：激光地面单元(50)，其构造成产生激光束；电力电缆(65)，其电连接到电源(60)；流体管线(75)，其连接到冷却流体源(70)；保护轴(80)，其延伸到井筒(10)中；电动机(200)，其构造成旋转电动机轴(210)；以及热冲击工具(300)，其包括：保护壳(305)；旋转轴(310)，其连接到电动机轴；激光递送装置(330)，其从旋转轴延伸，构造成将激光束转换成聚焦激光束，聚焦激光束可操作地用于将地层的温度升高到压裂温度；以及冷却系统(320)，其在激光递送装置的相反侧从旋转轴延伸，构造成将冷却流体流引入到地层，使得冷却流体流降低地层的温度，以便发生热冲击并且在地层中形成裂缝。

Description

井下井筒高功率激光加热压裂增产处理和方法

技术领域

本发明公开了用于井筒增产处理的装置和方法。更具体地，实施例涉及包含了用于井筒增产处理应用的激光器的装置和方法。

背景技术

使井筒增产的方法旨在提供流体从地层流到井筒的路径。水力压裂是一种使井筒增产的方法。传统的水力压裂将高压水注入井筒，导致地层被压裂。在传统的水力压裂中，使用炸药来对套管进行穿孔和固井。炸药是一种高冲击技术，可以导致压实、孔变形以及打磨和压碎岩石材料的颗粒。破碎的岩石材料颗粒可能被推入地层，阻塞地层并减少产量。

另外，在常规水力压裂中使用的水与某些类型的地层(例如页岩)不相容。页岩中的水会导致粘土膨胀，从而阻止从地层到井筒的流动。

发明内容

本发明公开了用于井筒增产处理的装置和方法。更具体地，实施例涉及包含了用于井筒增产处理应用的激光器的装置和方法。

在第一方面，提供了一种用于从井筒压裂地层的系统，所述井筒从地面延伸到地层中。所述系统包括：激光地面单元，其位于所述地面上，并且构造成产生激光束；光缆，其光学连接到热冲击工具的激光递送装置，并且构造成将所述激光束传输到所述激光递送装置以产生聚焦激光束；电力电缆，其电连接到所述地面上的电源，并且构造成将电能传输到电动机；流体管线，其连接到所述地面上的冷却流体源，并且构造成将冷却流体供应到所述热冲击工具的冷却系统以产生冷却流体流；保护轴，其延伸到所述井筒中，其中，所述光缆、所述电力电缆和所述流体管线容纳在所述保护轴内；电动机，其构造成使电动机轴旋转；以及所述热冲击工具，其物理连接到所述电动机。所述热冲击工具包括：保护壳，其构造成包围所述激光递送装置和所述冷却系统；旋转轴，其连接到所述电动机轴，使得当所述电动机轴旋转时，所述旋转轴旋转；所述激光递送装置，其从所述旋转轴延伸，并且构造成将所述激光束转换成聚焦激光束，其中，所述聚焦激光束可操作地用于将所述地层的温度升高到压裂温度；以及所述冷却系统，其在所述激光递送装置的相反侧从所述旋转轴延伸，所述冷却系统包括延伸穿过所述保护壳的一个或多个冷却喷嘴，使得所述一个或多个冷却喷嘴构造成将所述冷却流体流引入到所述地层，以便所述冷却流体流降低所述地层的温度，其中，当所述旋转轴旋转时，所述激光递送装置和所述冷却系统围绕所述井筒旋转，所述旋转轴的旋转构造成在增加所述地层的温度和降低所述地层的温度之间交替，使得发生热冲击并且在所述地层中形成裂缝。

在某些方面，该系统还包括吹扫喷嘴(purge nozzle)，所述吹扫喷嘴位于所述地面和所述电动机之间，其中，所述吹扫喷嘴构造成防止碎屑沉积在所述电动机上。在某些方面，所述冷却流体选自氮气、液氮、氦气、空气、二氧化碳和水所构成的组。在某些方面，所述压裂温度为2000℃。在某些方面，该系统还包括声学能力设备。在某些方面，所述聚焦激光束能够在不到1秒的时间内将所述地层的温度升高到所述压裂温度。在某些方面，所述激光递送装置能够定位成以预定角度将所述聚焦激光束引入所述地层。

在第二方面，提供了一种用于从井筒压裂地层的方法，所述井筒从地面延伸到地层中。该方法包括这样的步骤：将聚焦激光束引入所述地层，使得所述聚焦激光束可操作地用于将所述地层的温度升高到压裂温度。所述聚焦激光束由激光递送装置产生，所述激光递送装置从旋转轴延伸。该方法还包括这样的步骤：将冷却流体流引入所述地层，使得所述冷却流体流可操作地用于降低所述地层的温度，其中，所述冷却流体流由冷却系统产生。所述冷却系统装置在所述激光递送装置的相反侧从所述旋转轴延伸；以及旋转所述旋转轴，使得所述地层交替地引入所述聚焦激光束和冷却流体，以便发生热冲击并且形成所述地层中的裂缝。

在某些方面，该方法还包括以下步骤：在激光地面单元中产生激光束；以及通过光缆将所述激光束从所述激光地面单元传输到所述激光递送装置。在某些方面，该方法还包括以下步骤：通过电力电缆将电能从电源传输到电动机；以及将所述电能转换成所述电动机中的机械能，使得所述机械能使电动机轴旋转，其中，所述电动机轴连接到所述旋转轴，使得当所述电动机轴旋转时，所述旋转轴旋转。在某些方面，该方法还包括测量由声学能力设备发出的声音的步骤。

附图说明

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

图1是激光压裂工具的实施例的平面图。

图2是包括电动机和热冲击工具的激光压裂工具的平面图。

图3是热冲击工具的实施例的平面图。

图4是通过激光破碎的岩心样品的图示。

具体实施方式

虽然将用几个实施例描述本发明的范围，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许多实例、变化和改变都在实施例的范围和精神内。因此，在不失一般性的情况下和在没有强加限制的情况下，在此阐述了本文所述的实施例。本领域的技术人员应当理解的是，本发明的范围包括说明书中所述的具体特征的所有可能的组合和使用。在附图和详细描述中，相同的附图标记始终表示相同的元件。

本发明描述了一种用激光压裂工具压裂地层的装置和方法。激光压裂工具可用于在井筒和地层之间建立流体连通，以改善地层流体的产生。有利地，与传统的水力压裂相比，激光压裂工具可以提供压裂地层的目标方法。激光压裂工具可用于确定裂缝的位置，例如确定裂缝的角度和深度。此外，激光可沿断层线定位。有利地，激光压裂工具的旋转意味着可以围绕井筒的整个圆周实施压裂方法，而无需重新定位工具。有利地，在没有水力压裂步骤的情况下使用激光压裂工具。由于水力压裂消耗并污染大量水，因此不用水力压裂具有环境优势。与传统的水力压裂相比，激光压裂工具对地层岩石材料的损害较小。

图1是激光压裂工具100的正视图。激光压裂工具100部署在地层40的井筒10中。地面30是井筒10所延伸的地球的表面。井筒10从地面30延伸到地层40中。地层40可以是由任何类型的岩石材料构成的任何类型的地层。在至少一个实施方案中，地层40包含石灰石。在至少一个实施例中，地层40包含砂岩。在至少一个实施方案中，地层40包含页岩。井筒10可以用套管20和水泥25完成加固。

激光地面单元50可位于井筒10附近的地面30上。激光地面单元50可以经由光缆55与激光压裂工具100光学连通。激光地面单元50可以构造成将能量激发到高于地层40的升华点的水平，以形成激光束(未示出)。可以基于地层40中包含的岩石材料确定地层40的升华点，其中岩石材料控制升华点，然后升华点控制激光束的激发能量。在至少一个实施例中，可以调整激光地面单元50以将能量激发到不同地层所需的不同激发水平。激光地面单元50可以是能够产生激光束并将所述激光束引入光缆的任何类型的激光单元。激光地面单元50的实例包括镱、铒、钕、镝、镨和铥离子的激光。在至少一个实施例中，激光地面单元50可以是5.34kw的掺镱多包层光纤激光器。

光缆55可以是包含能够将激光束从激光地面单元50传输到激光压裂工具100的光纤的任何线缆。光缆55可包括一个或多个光纤。在替代实施例中，一个或多个光缆可以提供激光地面单元50和激光压裂工具100之间的电连通。在至少一个实施例中，光缆55提供从激光地面单元50到激光压裂工具100的光路。在至少一个实施例中，光缆55可以将来自激光地面单元50的原始激光束传导到激光压裂工具100。这里使用的“原始激光束”是指未经过透镜或以其他方式聚焦的激光束。

电源60可位于井筒10附近的地面30上。电源60可以经由电力电缆65与激光压裂工具100电连通。电源60可以是能够产生电能的任何装置。电力电缆65可以是能够将电能传输到激光压裂工具100的任何类型的线缆。

冷却流体源70可以位于井筒10附近的地面30上，并且可以向激光压裂工具100提供冷却流体。冷却流体源70经由流体管线75与激光压裂工具100流体连通，使得冷却流体从冷却流体源70递送到激光压裂工具100。流体管线75可以是能够向激光压裂工具100供应流体的任何类型的管。冷却流体可包括氮气、液氮、氦气、空气、二氧化碳和水。可以基于地层40的岩石材料和岩石材料的热性质来选择冷却流体。还要考虑压裂温度和冷却温度之间所需的温度梯度、热冲击工具的旋转周期和冷却流体在降低岩石材料温度方面的效率。在至少一个实施例中，一个或多个流体管线75可与冷却流体源70和激光压裂工具100流体连通。

光缆55、电力电缆65和流体管线75可以容纳在保护轴80中。保护轴80可以是适用于井下环境而不会发生机械或化学故障的任何结构材料。如本文所用，“井下环境”是指高操作压力、高操作温度和可以在延伸到地层中的井筒中发现的流体条件。

图2是参照图1理解的激光压裂工具100的一个实施例的正视剖视图。激光压裂工具100包括电动机200和热冲击工具300。电力电缆65与电动机200电连通，使得电力电缆65将电能传输到电动机200。电动机200物理连接到电动机轴210。电动机200可以是能够将由电力电缆65传输的电能转换成机械能以使电动机轴210在井下环境中旋转的任何电动机。电动机轴210物理连接到热冲击工具300的旋转轴310。

光缆55与热冲击工具300光学连通。冷却流体管线75与热冲击工具300流体连通。

在至少一个实施例中，吹扫喷嘴220可位于电动机200和地面30之间，使得吹扫喷嘴220构造成将流体递送到井筒。在至少一个实施例中，吹扫喷嘴220可在电动机200附近位于电动机200和地面30之间，使得吹扫喷嘴220可操作地用于在电动机200附近递送流体。在至少一个实施例中，吹扫喷嘴220递送流体，使得流体可操作地用于清洁电动机200，使得来自吹扫喷嘴220的吹扫流体可以防止灰尘和碎屑沉积在电动机200上。在至少一个实施例中，吹扫喷嘴220递送流体，使得流体可操作地用于引导井筒10中的产出流体。如本文所用，“产出流体”是指由于激光压裂工具100使地层被压裂而从地层流入井筒中的流体。在至少一个实施例中，一个或多个吹扫喷嘴220可以构造成吹扫喷嘴配置(未示出)，使得吹扫喷嘴配置构造成将流体递送到井筒10中的多个点。吹扫流体可以是能够清洁电动机和引导流体的任何流体。吹扫流体的实例可包括空气和氮气。吹扫流体可以处于吹扫流体源(未示出)的环境温度。在替代实施例中，吹扫流体来自冷却流体源70。

图3是参照图2中描述的特征的热冲击工具300的正视剖视图。热冲击工具300包括保护壳305、旋转轴310、冷却系统320和激光递送装置330。

保护壳305围绕旋转轴310、冷却系统320和激光递送装置330。保护壳305可以由能够承受井下环境而不会发生机械故障的任何材料形成。冷却系统320和激光递送装置330可以延伸到并穿过保护壳305。

连接到电动机轴210的旋转轴310延伸穿过保护壳305。当电动机轴210由电动机200驱动旋转时，旋转轴310旋转。旋转轴310提供轴线，冷却系统320和激光递送装置330围绕该轴线旋转。旋转轴310可以为冷却系统320和激光递送装置330提供物理支撑部，例如锚状物。冷却系统320和激光递送装置330安装在旋转轴310上，使得冷却系统320与激光递送装置330相对。如本文所用，“相对”是指围绕由旋转轴310形成的轴线180度的位置，使得如果冷却系统320从旋转轴310垂直地延伸零(0)度，则激光递送装置从旋转轴310垂直延伸一百八十(180)度。旋转轴310可以是适用于井下环境的任何结构材料，其刚性足以为冷却系统320和激光递送装置330提供物理支撑。

如图3所示，冷却系统320可包括一个或多个冷却喷嘴325。冷却喷嘴325流体连接到流体管线75，使得从冷却流体源70递送冷却的吹扫流体。冷却系统320可以构造成将冷却流体作为冷却流体流引入地层40。冷却流体流可操作地用于降低地层40的温度。

激光递送装置330光学连接到光缆55。激光递送装置330可以构造成聚焦来自光缆55的激光束以产生聚焦光束。在一个实施例中，激光递送装置330可以包含美国专利No.9,217,291中所述的特征和细节。

聚焦激光束可操作地用于增加地层40的温度。在接触地层40之前，可以引导聚焦激光束使套管和水泥升华。有利地，聚焦激光束可以精确地切割套管和水泥。聚焦激光束可以在不到一秒的时间内将地层40的温度提高到压裂温度。压裂温度可达到2000摄氏度(℃)。在不到一秒的时间内将温度提高到压裂温度会在地层40中引起热冲击，这导致地层40的岩石材料中的裂缝、微裂缝和缝隙。如本文所用，“微裂缝”是指可用于引发裂缝的从一毫米到几厘米的裂缝。如本文所用，“热冲击”是指在大约几秒的时间段内地层岩石的膨胀和收缩。当热冲击工具300旋转时，激光递送装置330连续地引起井筒周围的地层40的温度升高。在激光递送装置330增加地层40的温度的同时，冷却系统320降低该温度。冷却流体流可以被引导到地层40，使得冷却流体流可以将地层的温度降低到冷却温度。冷却温度取决于用作冷却流体流的流体。

激光递送装置可以包括声学能力设备，以监测和记录由于热冲击工具引起的压裂声。声学能力设备可包括换能器或地震检波器。压裂声可用于指示裂缝长度和尺寸。声学能力设备可以放置在电动机上方、热冲击工具下方，或者电动机上方和热冲击工具下方。可以从电源60(未示出)向声学能力设备提供电力。声学能力设备可以将测量值直接传输到地面，或者可以在激光压裂之后存储和检索。

实例

实例1.获得测量2”×2”的贝雷岩(Berea)和石灰石的干岩心样品。使用3kW功率激光器产生0.35英寸的连续激光束。激光束在关闭之前打开四(4)秒。在岩心样品中立即形成裂缝。处于室温的空气用作岩心样品一侧的冷却流体流，以定向裂缝。如在图4中可以看到的那样，在岩心样品中形成裂缝。

尽管已经详细地描述了该技术，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，实施例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。

范围可以表示为从大约一个具体值到另一个具体值。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，在引用专利或出版物的情况下，这些参考文献的全部公开内容旨在通过引用结合到本申请中，以便更全面地描述现有技术，除非这些参考文献与本文所作的陈述相矛盾。

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。

Claims (14)

1.一种用于从井筒压裂地层的系统，所述井筒从地面延伸到地层中，所述系统包括：

激光地面单元，其位于所述地面上，并且构造成产生激光束；

光缆，其光学连接到热冲击工具的激光递送装置，并且构造成将所述激光束传输到所述激光递送装置以产生聚焦激光束；

电力电缆，其电连接到所述地面上的电源，并且造成将电能传输到电动机；

流体管线，其连接到所述地面上的冷却流体源，并且构造成将冷却流体供应到所述热冲击工具的冷却系统以产生冷却流体流；

保护轴，其延伸到所述井筒中，其中，所述光缆、所述电力电缆和所述流体管线容纳在所述保护轴内；

电动机，其构造成使电动机轴旋转；以及

所述热冲击工具，其物理连接到所述电动机，所述热冲击工具包括：

保护壳，其构造成包围所述激光递送装置和所述冷却系统；

旋转轴，其连接到所述电动机轴，使得当所述电动机轴旋转时，所述旋转轴旋转；

所述激光递送装置，其从所述旋转轴延伸，并且构造成将所述激光束转换成聚焦激光束，其中，所述聚焦激光束可操作地用于将所述地层的温度升高到压裂温度；以及

所述冷却系统，其在所述激光递送装置的相反侧从所述旋转轴延伸，所述冷却系统包括延伸穿过所述保护壳的一个或多个冷却喷嘴，使得所述一个或多个冷却喷嘴构造成将所述冷却流体流引入到所述地层，以便所述冷却流体流降低所述地层的温度，

其中，当所述旋转轴旋转时，所述激光递送装置和所述冷却系统围绕所述井筒旋转，

所述旋转轴的旋转构造成在增加所述地层的温度和降低所述地层的温度之间交替，使得发生热冲击并且在所述地层中形成裂缝。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括吹扫喷嘴，所述吹扫喷嘴位于所述地面和所述电动机之间，其中，所述吹扫喷嘴构造成防止碎屑沉积在所述电动机上。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却流体选自氮气、液氮、氦气、空气、二氧化碳和水所构成的组。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压裂温度为2000℃。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括声学能力设备。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述聚焦激光束能够在不到1秒的时间内将所述地层的温度升高到所述压裂温度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光递送装置能够定位成以预定角度将所述聚焦激光束引入所述地层。

8.一种用于从井筒压裂地层的方法，所述井筒从地面延伸到地层中，所述方法包括以下步骤：

将聚焦激光束引入所述地层，使得所述聚焦激光束可操作地用于将所述地层的温度升高到压裂温度，其中，所述聚焦激光束由激光递送装置产生，所述激光递送装置从旋转轴延伸；

将冷却流体流引入所述地层，使得所述冷却流体流可操作地用于降低所述地层的温度，其中，所述冷却流体流由冷却系统产生，所述冷却系统装置在所述激光递送装置的相反侧从所述旋转轴延伸；

旋转所述旋转轴，使得所述地层交替地引入所述聚焦激光束和冷却流体，以便发生热冲击并且形成所述地层中的裂缝；以及

通过电力电缆将电能从电源传输到电动机；以及

将所述电能转换成所述电动机中的机械能，使得所述机械能使电动机轴旋转，其中，所述电动机轴连接到所述旋转轴，使得当所述电动机轴旋转时，所述旋转轴旋转；以及

通过位于所述地面和所述电动机之间的吹扫喷嘴引入流体，其中所述吹扫喷嘴构造成防止碎屑沉积在所述电动机上。

9.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：

在激光地面单元中产生激光束；以及

通过光缆将所述激光束从所述激光地面单元传输到所述激光递送装置。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述冷却流体选自氮气、液氮、氦气、空气、二氧化碳和水所构成的组。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述压裂温度为2000℃。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括测量由声学能力设备发出的声音的步骤。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述聚焦激光束能够在不到1秒的时间内将所述地层的温度升高到所述压裂温度。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光递送装置能够定位成以预定角度将所述聚焦激光束引入所述地层。

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