CN111164374A - 井下大功率激光扫描仪工具及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制地层中的开口的形状的方法包括以下步骤：将来自光缆的激光束发射到定向单元中；在聚焦透镜中将激光束聚焦以产生聚焦激光；在准直透镜中使聚焦射束准直以产生定向射束；将定向射束导向到机动主机上，其中紧凑型扫描仪进一步包括机动从机，其中机动主机包括主机反射镜和主机马达，其中机动从机包括从机反射镜和从机马达；操作机动主机和机动从机以产生受控射束，其中受控射束以移动图案移动；将受控射束引入激光头；使地层升华以产生开口；以及利用抽吸嘴抽吸灰尘和蒸气。

Description

井下大功率激光扫描仪工具及方法

技术领域

本申请公开了与使用油井增产(well stimulation)有关的装置和方法。具体地，本申请公开了与在井下应用中使用激光器有关的装置和方法。

背景技术

油井增产工艺通常是指增加地层与井筒之间的流体连通的那些工艺。

射孔(perforation)工艺创建了从地层穿过井筒周围的层并到达井筒的路径。井筒周围的层可以包括套管、尾管或水泥环。传统的射孔工艺包括使用聚能射孔弹、子弹射孔以及使用高压或喷砂射流。聚能射孔弹虽然有效，但不能得到很好的控制，并且可能导致地层的压实、变形和出砂。

当次级井筒可以增加从地层到地面的流体连通时，出于创建侧钻的目的，可以进行对套管的切割。用于切割套管的传统方法是使用铣削技术，这会花费时间并且缺乏准确性。

可以使用其它方法在尾管中创建小孔，以充当用于捕获砂粒以及过滤出来的其它小颗粒的筛网。用于侧钻式油井增产工艺的井下套管切割还可以包括对地层进行射孔的步骤。可以使用井下的其它工艺来增加地层与井筒之间的流体连通。

发明内容

本申请公开了与井下使用激光器有关的装置和方法。具体地，本申请公开了与井下应用中的激光控制有关的装置和方法。

在第一方面，本申请提供一种用于控制地层中的开口的形状的方法。该方法包括以下步骤：将来自光缆的激光束发射到定向单元中，其中定向单元包括聚焦透镜和准直透镜；在聚焦透镜中将激光束聚焦以产生聚焦激光；在准直透镜中使聚焦射束准直以产生定向射束；将定向射束导向到机动主机上，其中机动主机被包含在紧凑型扫描仪中，其中紧凑型扫描仪进一步包括机动从机，其中机动主机包括主机反射镜和主机马达，其中机动从机包括从机反射镜和从机马达；操作机动主机和机动从机以产生受控射束，其中受控射束以移动图案移动；将受控射束引入激光头，其中激光头包括入口透镜、出口透镜、气刀、吹扫喷嘴、抽吸嘴和温度传感器；使受控射束穿过入口透镜和出口透镜，其中入口透镜和出口透镜保护紧凑型扫描仪免受碎屑的影响；利用来自气刀的气体清扫出口透镜；利用来自吹扫喷嘴的吹扫流体吹扫受控射束的路径；使地层升华以产生开口，其中开口的形状由受控射束的移动图案决定；以及利用抽吸嘴抽吸灰尘和蒸气。

在某些方面，方法进一步包括以下步骤：将激光工具延伸到延伸穿过地层的井筒中，井下的激光工具包括定向单元、紧凑型扫描仪和激光头；操作激光单元以产生激光束；以及经由光缆将激光束从激光单元导向到激光工具。在某些方面，移动图案是基于机动主机的转动与机动从机的转动的比率确定的。在某些方面，方法进一步包括：在将激光工具延伸到井筒中的步骤之前，对紧凑型扫描仪进行编程以实现移动图案的步骤。在某些方面，方法进一步包括：在使地层升华的步骤之前，穿透包围井筒的套管和水泥的步骤。在某些方面，开口的形状是椭圆形。在某些方面，激光束的功率在500W与2500W之间。

在第二方面，本申请提供一种用于控制地层中的开口的形状的装置。该装置包括：定向单元，其被构造成操纵激光束的尺寸以产生定向射束，其中定向单元包括聚焦透镜和准直透镜；紧凑型扫描仪，其被光学地连接至定向单元，该紧凑型扫描仪被构造成引导定向射束以产生受控射束，其中该紧凑型扫描仪包括机动主机和机动从机，其中受控射束具有移动图案；以及激光头，其被光学地连接至紧凑型扫描仪，其中该激光头被构造成保护紧凑型扫描仪免受碎屑的影响，其中该激光头包括入口透镜、出口透镜、气刀、吹扫喷嘴、抽吸嘴和温度传感器。

在某些方面，装置进一步包括：激光单元，其被构造成产生激光束；以及光缆，其被光学地连接至激光单元，该光缆被构造成将激光束从激光单元传输至定向单元，其中激光单元位于延伸到地层中的井筒附近，其中光缆延伸穿过井筒，其中定向单元、紧凑型扫描仪和激光单元被定位在井筒中。在某些方面，聚焦透镜被构造成将激光束聚焦以产生聚焦射束，并且准直透镜被构造成使聚焦射束准直以产生定向射束。在某些方面，机动主机包括主机马达和主机反射镜。在某些方面，机动从机包括从机马达和从机反射镜。在某些方面，移动图案由机动主机的转动与机动从机的转动的比率来确定。在某些方面，开口的形状由受控射束的移动图案决定。

附图说明

结合以下描述、权利要求和附图，将更好地理解这些和其它特征、方面和优点的范围。然而，应注意的是，附图仅示出了几个实施例，因此不应认为是对范围的限制，因为可以准许其它等效的实施例。

图1提供了移动图案的实例的图画表示。

图2是激光工具的剖视图。

图3是激光工具的实施例的透视图。

图4A是开口的形状的图画表示。

图4B是开口的形状的图画表示。

图4C是开口的形状的图画表示。

在附图中，相似的部件或特征或两者可以具有相似的附图标记。

具体实施方式

虽然将通过几个实施例来描述装置和方法的范围，但相关领域普通技术人员将理解的是，对这里描述的装置和方法做出的许多实例、变化和变更都在实施例的范围和精神内。

相应地，所描述的实施例在不失一般性且不对实施例施加任何限制的情况下阐述。本领域技术人员理解的是，范围包括说明书中描述的具体特征的所有可能的组合和使用。

本文描述了用于控制地层中的开口形状的方法和装置。本文描述了用于控制激光束的移动的方法和装置。激光工具包括定向单元、紧凑型扫描仪和激光头，该激光头产生可以在地层中形成开口的受控射束。紧凑型扫描仪包括机动(motorized)主机反射镜和机动从机反射镜，两者均转动。机动主机反射镜的转动与机动从机反射镜的转动的比率产生激光束的移动图案。调整转动比率会改变移动图案。地层中的开口的形状由移动图案决定。可以在单个运行中用一个或多个移动图案对紧凑型扫描仪进行编程。移动图案可以在地面编程，也可以在原位编程。

有利地，所描述的方法和装置允许地层的受控射孔。有利地，所描述的方法和装置允许预先确定地层中的开口的形状和方向。通过控制地层中的开口的形状和方向，开口可以与地层的应力方向对准，这导致开口更坚固并且更不容易塌陷。

有利地，所描述的方法和装置允许使用功率小于2000W的激光束来切割地层中的射孔，包括功率在500W与2000W之间的激光束。当激光束经由光缆传输时，激光束会损耗功率，并且在100米(m)下方的深度处，功率损耗可能很高，并且可能导致激光束的功率不足以穿过井筒周围的层。

如本文所用，“开口的形状”中的“形状”是指开口在垂直于激光工具的x-y平面中的轮廓。形状可以包括圆形、椭圆形、梯形、以及可以由利萨如曲线(Lissajous curve)形成的任何形状。在至少一个实施例中，开口的形状可以是圆形、椭圆形或梯形。在至少一个实施例中，形状可以由利萨如曲线形成。在至少一个实施例中，开口的形状是椭圆形的。有利地，当开口的形状是椭圆形时，其中长边平行于应力，该形状可以提供比其它形状更好的抗塌陷性。

如本文所用，“移动图案”是指射孔射束移动的图案并且该图案基于利萨如曲线，具体地基于方程1中的“a”与方程2中的“b”的比率。机动主机的转动与机动从机的转动的比率会影响移动图案。具有相关联的比率的移动图案的实例在图1中示出。

如本文所用，“利萨如曲线”是指由如下参数方程描述的曲线：

x＝A*sin(a*t+δ) 方程1

y＝B*sin(b*t) 方程2

其中，A和B表示x和y方向上的振幅，a和b为常数，而δ为相位角。

如本文所用，“碎屑”是指灰尘、蒸气和颗粒物。

如本文所用，“强度”是每单位面积的功率的量度。激光束的单位面积是根据光斑尺寸计算的。强度以W/cm²为单位测量。光斑尺寸可以通过透镜的焦点和透镜类型来控制。反射镜的表面积越大，光斑尺寸越大。

如本文所用，“开口”是指井筒和周围岩层的材料中的穿孔、孔、隧道和缺口。开口可以具有沿着二维平面的尺寸和穿透深度。如本文所用，“穿孔”是指从井筒延伸穿过套管和水泥(cementing)并进入岩层的开口，其可以具有进入到地层中的高达48英寸的穿透深度。如本文所用，“孔”是指从井筒延伸穿过套管和水泥的开口。如本文所用，“隧道”是指从井筒延伸穿过套管和水泥并进入岩层的开口，其可以具有高达300英尺的穿透深度。如本文所用，“缺口”是指岩石上的刮痕或开口中的小刮痕。

如本文所用，“穿透深度”是指开口延伸到地层中的距离，该距离是从井筒进入地层在开口穿透井筒的最远点测得的。

参考图2，描述了激光工具100的实施例。激光工具100包括定向单元110、紧凑型扫描仪120和激光头130。

激光束10离开光缆102。激光束10可以来自能够产生激光并将激光导向到井下的任何源。

在参考图3描述的至少一个实施例中，源是定位在地面上的在井筒152附近的激光单元160。已在地层150中钻取井筒152，其中水泥154和套管156用作增强物。地层150可以包括石灰石、页岩、砂岩或含烃地层中常见的其它岩石类型。地层150的特定岩石类型可以通过实验、地质方法或通过对从地层150中采集的样品进行分析来确定。激光单元160与光缆102电连通。激光单元160产生穿透地层150所需的功率，该功率由光缆102传导至激光工具100，其中功率从光缆102释放至激光工具100。激光单元160可以是能够产生功率在500瓦(W)与3000W之间、可替代地在500W与2500W之间、可替代地在500W与2000W之间、可替代地在500W与1500W之间、以及可替代地在500W与1000W之间的激光的任何单元。激光单元160可以是能够产生可经由光缆102传导的激光束的任何类型的单元。激光单元102包括例如镱、铒、钕、镝、镨和铥离子的激光器。根据实施例，激光单元160包括例如5.34kW掺镱的多包层光纤激光器。在替代实施例中，激光单元160是能够以最小损耗输送激光的任何类型的光纤激光器。激光单元160的波长可以由本领域技术人员根据穿透地层150的需要来确定。激光单元160可以是连续油管单元(coiled tubing unit)的一部分。受控射束40离开激光工具并穿透套管156和水泥154，然后穿透地层150以形成开口。

光缆102可以包括围绕绝缘线缆的硬外壳，其中在硬外壳与绝缘线缆之间具有保护性纤维线缆。光缆102传导激光束10。硬壳可以是能抵抗井筒152内的高温、高压和振动的任何材料。绝缘线缆可以是任何类型的材料，其保护光缆102以免当激光束10从激光单元160传播到激光工具100时因井筒152的温度以及激光束10的温度而过热。保护性纤维线缆可以是保护光缆以免被刮擦、折弯、断裂或在井筒152内可能经历的其它物理损坏的任何类型的材料。保护性纤维线缆可以包括例如增强的柔性金属，使得增强的柔性金属随着光缆102的弯曲或扭曲而弯曲。保护性纤维线缆可以被嵌入绝缘线缆内或可以被附接至绝缘线缆的内表面。

回到图2，激光束10被引入定向单元110。定向单元110可以连接至光缆102的端部，使得激光束10离开光缆102进入定向单元110。定向单元110操纵激光束10的光斑尺寸，以产生定向射束20。激光束10的光斑尺寸可以基于应用和期望的开口尺寸来确定。激光束10的光斑尺寸越小，移动图案可以涵盖的表面积越大；激光束10的光斑尺寸越大，移动图案的表面积越小。定向单元110可以包括一个或多个光学透镜。透镜的物理位置可以影响激光束的光斑尺寸。定向单元110可以包括聚焦透镜、散焦透镜、准直透镜、聚焦透镜和准直透镜两者、或者散焦透镜和准直透镜两者。在至少一个实施例中，定向单元110包括聚焦透镜112和准直透镜114两者。聚焦透镜112可以是可将激光束10聚焦的任何类型的光学透镜。聚焦透镜112可以是能够制造聚焦透镜的任何材料。适于用作聚焦透镜112的材料的实例包括玻璃、塑料、石英和晶体。激光束10可以聚焦在聚焦透镜112中以产生聚焦射束30。

聚焦射束30在准直透镜114中被准直以生成定向射束20。准直透镜114可以位于聚焦透镜112附近。准直透镜114可以是能够将光波对准使得激光束10具有固定且均一直径的任何类型的光学透镜。准直透镜114可以是能够制造准直透镜的任何材料。适于用作准直透镜114的材料的实例包括玻璃、塑料、石英和晶体。定向射束20被导向到紧凑型扫描仪120中。

紧凑型扫描仪120引导定向射束20以生成受控射束40。紧凑型扫描仪120包括机动主机122和机动从机124。机动主机122包括安装在主机马达上的主机反射镜。主机马达可以是能够使主机反射镜旋转并且同时调整主机反射镜的角度的任何类型的马达。主机反射镜可以是能够处理激光强度的任何类型的反射镜。在至少一个实施例中，主机反射镜可以包括冷却系统。机动主机122可以使主机反射镜转动360度。机动从机124包括安装在从机马达上的从机反射镜。从机马达可以是能够使从机反射镜旋转并且同时调整从机反射镜的角度的任何类型的马达。从机反射镜可以是能够处理激光强度的任何类型的反射镜。在至少一个实施例中，从机反射镜可以包括冷却系统。在至少一个实施例中，主机反射镜和从机反射镜可以具有相同的尺寸。机动从机124可以使从机反射镜转动360度。定向射束20照射到机动主机122并且从机动主机122反射到机动从机124上。机动从机124的移动转化为受控射束40的移动图案。移动图案是基于机动主机122的转动速率和机动主机122的转动角度与机动从机124的转动速率和机动从机124的转动角度的比率而确定。转动的能力产生了可施加至开口的具有均匀射束分布和能量的受控射束40。通过调整机动主机122与机动从机124的转动角度，可以调整开口的尺寸。有利地，与使用限于少量运动的一个反射镜相比，具有处于主机从机关系的两个反射镜扩大了可获得的移动图案的数量和形状。机动主机122和机动从机124的转动速度决定了开口的钻取速度。

受控射束40被机动从机124反射到激光头130中。激光头130保护紧凑型扫描仪120免受地层150中的碎屑的影响。激光头130包括出口139，受控射束40穿过该出口139被射出。激光头130可以是渐缩的，使得出口139的直径小于激光头130的主体的直径。直径的比率可以由本领域技术人员确定。出口139仅需大到足以为受控射束40的射出提供无阻挡路径。激光头130的渐缩可以防止碎屑穿过出口139进入激光头130。激光头130在激光工具100的操作期间保持静止不动。

激光头130可以是能抵抗井筒152内经历的高温、高压和振动的任何材料。

激光头130包括入口透镜132、出口透镜134、气刀135、吹扫喷嘴136、抽吸嘴137和温度传感器138。受控射束40穿过入口透镜132和出口透镜134。在至少一个实施例中，激光头130可以包括两个以上的透镜。入口透镜132和出口透镜134通过防止碎屑进入紧凑型扫描仪120来保护紧凑型扫描仪120。入口透镜132和出口透镜134不操纵受控射束40。气刀135清扫来自出口透镜134的碎屑。气刀135靠近出口透镜134。清扫出口透镜134为受控射束40提供了从紧凑型扫描仪120穿过激光头130的无阻挡路径。气刀135发射能够使出口透镜134保持没有碎屑的任何气体，包括例如空气或氮气。入口透镜132和出口透镜134可以是能够保护紧凑型扫描仪120而不操纵受控射束40的任何材料，例如，玻璃、塑料、石英、晶体或其它材料。入口透镜132和出口透镜134的形状和曲率可以由本领域技术人员基于激光工具100的应用来确定。

吹扫喷嘴136清理受控射束40从出口透镜134到地层150的路径。本领域技术人员将领会的是，在某些实施例中，气刀135和吹扫喷嘴136的组合功能为受控射束40创建从入口透镜132到地层150的无阻挡路径。吹扫喷嘴136可以包括能够吹扫激光头130出口前方区域的一个、两个或更多个喷嘴。吹扫喷嘴136发射能够清理来自激光头130出口的碎屑的任何吹扫流体。吹扫介质可以包括例如液体或气体。可以基于地层150的岩石类型和储层压力在液体或气体之间选择吹扫介质。也可以考虑允许受控射束40以最小损耗或无损耗地到达地层150的吹扫介质。根据本发明的一个实施例，吹扫介质将是非反应性的、无伤害的气体，诸如氮气。当储层压力低时，可以使用气体吹扫介质。吹扫喷嘴136在气刀135与激光头130的出口之间齐平地位于激光头130内，以免阻挡受控射束40的路径。

根据本发明的实施例，吹扫喷嘴136以打开时段和关闭时段的周期操作。当由激光单元160的打开时段控制而射出受控射束40时(如上文参考图2所述)产生打开时段。在本发明的替代实施例中，吹扫喷嘴136以连续的模式操作。

抽吸嘴137抽吸来自激光头130周围区域的因受控射束40使地层150升华而产生的碎屑。碎屑被移除到地面并进行分析。碎屑的分析可以包括例如地层150的岩石类型和地层150内所含流体类型的确定。在本发明的替代实施例中，可以将碎屑一次丢弃在地面上。抽吸嘴137可以定位成与激光头130齐平。本领域技术人员将领会的是，取决于碎屑量，抽吸嘴137可以包括一个、两个、三个、四个或更多个吸嘴。抽吸嘴137的尺寸取决于要移除的碎屑的体积以及用于从激光工具100传送到地面的系统的物理要求。

根据本发明的一个实施例，抽吸嘴137以打开时段和关闭时段的周期操作。当由激光单元160控制而使受控射束40和吹扫喷嘴136不操作时产生打开时段。受控射束40和吹扫喷嘴136的关闭时段允许抽吸嘴137清理路径，因此受控射束40具有从入口透镜132到地层150的无阻挡路径。在本发明的替代实施例中，抽吸嘴137以连续的模式操作。在本发明的另一替代实施例中，当吹扫喷嘴136发射液体吹扫介质时，抽吸嘴137不操作。

气刀135、吹扫喷嘴136和抽吸嘴137可以协同操作，以将从入口透镜132到地层150的穿透点处的受控射束40的路径中的碎屑消除干净。消除受控射束40的路径中的碎屑有利于防止受控射束40中断、弯曲或散射的可能性。

激光头130可以包含至少一个温度传感器138、可替代地至少两个温度传感器138、可替代地两个以上的温度传感器138。温度传感器138向激光单元160提供温度数据，以便监测激光头130处的一个物理性质。在至少一个实施例中，激光工具100可以被构造成当温度传感器138监测的温度超过预设点时关闭激光器。[请确认]可以设置预设点以避免激光工具100的过热点。除了基于对于确定过热点来说可能重要的其它参数之外，过热点可以基于激光器的类型和激光工具100的构造。避免过热可防止损坏激光工具100。

通常，激光工具100的构造材料可以是能抵抗现有井筒152内经历的高温、高压和振动并保护系统免受流体、灰尘和碎屑影响的任何类型的材料。本领域技术人员将熟悉合适的材料。

在至少一个实施例中，可以将激光工具100封闭在保护壳中，使得激光头130的仅一部分延伸到井筒152中。替代地，可以将激光工具100封闭在保护壳中，并且受控射束40可以在接触地层之前先穿过保护壳。保护壳可以是能抵抗井筒152内经历的高温、高压和振动但允许被受控射束40穿透的任何类型的材料。激光工具100可以包括附加结构，诸如，在光缆102与激光工具100之间的柔性连接件、使激光工具100围绕从地面延伸穿过井筒152的轴线转动的转动系统、为激光工具100提供功率的电缆、允许将激光工具100定位在井筒152中的电缆、以及在激光工具100与井筒152之间的稳定垫。在至少一个实施例中，支撑杆104可以为定向单元110和紧凑型扫描仪120提供稳定性和支撑。

参见图3并参考图2，描述了使用激光工具100的方法。在使用激光工具100的方法中，可以在将激光工具100向井下部署在井筒152中之前，在地面将移动图案编程到紧凑型扫描仪120中。在至少一个实施例中，可以在已经将激光工具100向井下部署在井筒152中之后通过使用计算机程序来控制移动图案。在至少一个实施例中，可以通过设置主机反射镜和从机反射镜的角度，该角度进而决定指示移动图案的比率，以此来将紧凑型扫描仪120编程。可以将激光工具100部署到井筒152中至期望的位置。可以操作激光工具100以产生受控射束40。在至少一个实施例中，使受控射束40接触套管156并且对套管156进行穿孔。对套管156进行穿孔的时段可以取决于套管156的厚度和受控射束40的移动图案。在至少一个实施例中，受控射束40接触水泥154并对水泥154进行穿孔。对套管156进行穿孔的时段可以取决于套管156的厚度。在至少一个实施例中，受控射束40可以接触相对于地层限定井筒的任何数量的层或护套，并在与地层150接触之前对这些层进行穿孔。

受控射束40以移动图案接触地层150。当受控射束40接触地层150时，地层150的岩石材料以移动图案升华。开口的形状由移动图案施加。穿透深度可以由受控射束40的运行长度、移动图案以及地层150的性质(诸如，岩石的最大水平应力，或岩石的抗压强度)决定。在至少一个实施例中，穿透深度可以大于六英寸，可替代地大于一英尺，可替代地大于两英尺，可代替地大于三英尺。

由受控射束40产生的开口在地层150与井筒152之间建立连通。由受控射束40产生的开口允许从地层150穿过开口到井筒152采出烃。

有利地，激光工具100使得能够实现从致密且非常规的储层的采出。与直接钻孔相比，使用激光工具100在地层150中创建开口可能会花费更多时间，但是直接钻孔无法产生具有非圆形形状的开口。此处使用的直接钻孔是指使用高功率激光来切割地层，其中高功率激光不能沿着平行于地层150平面的x轴线和y轴线两个轴线移动。

激光工具100可以由多种材料制成，并且包括保护罩或外壳，以保护其免受井下环境中的振动、温度和压力的影响。

实例

获得了伯里亚砂岩(berea sandstone)样品。使用了2kW功率的激光单元。在第一次运行和第二次运行中，主机反射镜与从机反射镜的比率设置为1:1.1。运行时间为32秒。第一次运行得到图4A所示的形状。第二次运行得到图4B所示的形状。在第三次运行中，将主机反射镜与从机反射镜的比率设置为1:2。运行时间为32秒。第三次运行为32秒。第三次运行得到图4C所示的形状。

尽管已经详细描述了实施例，但应理解的是，在不脱离原理和范围的情况下，可以在此做出各种改变、替换和变更。因此，实施例的范围应由所附权利要求及其适当的合法等同物确定。

除非另外指出，否则在这里所描述的各种元件可以与这里描述的所有其它元件结合使用。

除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。

可选的或可选地意味着随后描述的事件或情况可能会或可能不会发生。该描述包括事件或情况发生的实例以及事件或情况没有发生的实例。

除非另外指出，否则这里的范围可以表示为从约一个特定值到约另一特定值并且含本数。当表达这样的范围时，应理解的是，另一实施例是从一个特定值到另一特定值，以及在所述范围内的所有组合。

如在此和在所附权利要求书中所使用的，词语“包括”、“具有”和“包括”及其所有语法变体均旨在具有开放的、非限制性的含义，其不排除附加的元素或步骤。

Claims (15)

1.一种用于控制地层中的开口的形状的方法，所述方法包括以下步骤：

将来自光缆的激光束发射到定向单元中，其中，所述定向单元包括聚焦透镜和准直透镜；

在所述聚焦透镜中将所述激光束聚焦以产生聚焦激光；

在所述准直透镜中使聚焦射束准直以产生定向射束；

将所述定向射束导向到机动主机上，所述机动主机被包含在紧凑型扫描仪中，所述紧凑型扫描仪进一步包括机动从机，所述机动主机包括主机反射镜和主机马达，所述机动从机包括从机反射镜和从机马达；

操作所述机动主机和所述机动从机以产生受控射束，所述受控射束以移动图案移动；

将所述受控射束引入激光头，所述激光头包括入口透镜、出口透镜、气刀、吹扫喷嘴、抽吸嘴和温度传感器；

使所述受控射束穿过所述入口透镜和所述出口透镜，所述入口透镜和所述出口透镜保护所述紧凑型扫描仪免受碎屑的影响；

利用来自所述气刀的气体清扫所述出口透镜；

利用来自所述吹扫喷嘴的吹扫流体吹扫所述受控射束的路径；

使所述地层升华以产生所述开口，所述开口的形状由所述受控射束的所述移动图案决定；以及

利用所述抽吸嘴抽吸灰尘和蒸气。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

将激光工具延伸到延伸穿过所述地层的井筒中，井下的激光工具包括所述定向单元、所述紧凑型扫描仪和所述激光头；

操作激光单元以产生所述激光束；以及

经由所述光缆将所述激光束从所述激光单元导向到所述激光工具。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述移动图案是基于所述机动主机的转动与所述机动从机的转动的比率确定的。

4.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在将所述激光工具延伸到所述井筒中的步骤之前，对所述紧凑型扫描仪进行编程以实现所述移动图案的步骤。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，进一步包括：在使所述地层升华的步骤之前，穿透包围所述井筒的套管和水泥的步骤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述开口的形状是椭圆形。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述激光束的功率在500W与2500W之间。

8.一种用于控制地层中的开口的形状的装置，所述装置包括：

定向单元，所述定向单元被构造成操纵激光束的尺寸以产生定向射束，其中，所述定向单元包括聚焦透镜和准直透镜；

紧凑型扫描仪，其被光学地连接至所述定向单元，所述紧凑型扫描仪被构造成引导所述定向射束以产生受控射束，所述紧凑型扫描仪包括机动主机和机动从机，所述受控射束具有移动图案；以及

激光头，其被光学地连接至所述紧凑型扫描仪，所述激光头被构造成保护所述紧凑型扫描仪免受碎屑的影响，所述激光头包括入口透镜、出口透镜、气刀、吹扫喷嘴、抽吸嘴和温度传感器。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：

激光单元，其被构造成产生所述激光束；以及

光缆，其被光学地连接至所述激光单元，所述光缆被构造成将所述激光束从所述激光单元传输至所述定向单元，

其中，所述激光单元位于延伸到地层中的井筒附近，所述光缆延伸穿过所述井筒，所述定向单元、所述紧凑型扫描仪和所述激光单元被定位在所述井筒中。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述聚焦透镜被构造成将所述激光束聚焦以产生聚焦射束，并且进一步地，所述准直透镜被构造成使所述聚焦射束准直以产生所述定向射束。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，所述机动主机包括主机马达和主机反射镜。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其中，所述机动从机包括从机马达和从机反射镜。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其中，所述移动图案由所述机动主机的转动与所述机动从机的转动的比率来确定。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其中，所述开口的形状由所述受控射束的所述移动图案决定。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的装置，其中，所述开口的形状为椭圆形。

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