CN111742111A - 用于井下应用和增产的原位激光生成器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

用于利用井下激光器组件(22)穿透地下地层的系统和方法包括位于地下井内的激光生成单元(24)。井下激光器组件还包括涡流管(30)。涡流管具有压缩气源口(32)、热气出口(36)和冷气出口(38)，热气出口定向成沿远离激光生成单元(24)的方向引导热气流，冷气出口定向成引导冷气流经过激光生成单元(24)。

Description

用于井下应用和增产的原位激光生成器的冷却系统

技术领域

本公开涉及在与油气(碳氢化合物)的生产相关的井眼中的操作。更具体地，本公开涉及用于通过产生穿过与井眼相邻的区域的穿透来增强来自目标油气层的流动的系统和方法。

背景技术

被称为井眼增产石油工程的分支包括增强生产流体从油气层到井眼的流动的任务。为了从目标油气层中生产油气，地层中的油气需要与井眼连通。从油气层到井眼的流动是通过地层渗透性的方式进行的。在渗透性低的致密地层中，可在井眼周围和地层中施加增产措施，以增强流动并在油气层和井眼之间建立联通线路网络。

目前对井套管穿孔的方法是使用聚能射孔弹(shaped charge)。聚能射孔弹被下放到井眼中到达目标释放区。聚能射孔弹的释放产生了穿透钢套管、水泥并进入地层的短隧道。

聚能射孔弹的使用具有几个缺点。例如，聚能射孔弹在隧道周围产生了致密区，这降低了渗透性并因此降低了产量。聚能射孔弹的高速冲击压碎岩层并产生非常细的颗粒，这些颗粒堵塞地层的孔喉，从而降低流量和产量。在隧道中有可能形成熔体。聚能射孔弹产生的隧道的几何形状和方向不受控制。隧道的穿透深度和直径存在限制。在地面处理爆炸物时，涉及的人存在危险。

启动油气层和井眼之间的联通网络的方法是通过将流体泵送通过井眼中的隔离的井下装置。流体以高速泵送，使得压力超过地层破裂压力，并导致油气层和周围岩石破裂和被压裂。该过程被称为水力压裂并且主要使用被称为水力压裂流体的水基流体来进行。水力压裂在油气层中产生裂缝并在油气层和井眼之间形成网络。然而，水力压裂通常需要使用隔离装置以及钻机介入。裂缝的方向几乎不受控制，并且在何处和何时产生这些裂缝也不受控制。另外，水力压裂可能对地层造成损害。作为实例，成功的水力压裂需要仔细的工程设计和技能，并且如果水力压裂操作没有被适当地设计，则所产生的裂缝会沿不期望的方向扩展并且可能使淡水与储层水连通。另外，与压裂流体一起使用聚合物和其它化学品可能损坏地层，尤其是在非常规地层和页岩地层中。在缺水地区，获得水力压裂所需的数百万加仑的水是一个挑战。关于加入到水力压裂流体中的组分存在环境问题，这产生了流体的总体使用和处置问题。

发明内容

本公开的各实施例提供了用于通过利用原位激光发生器和冷却系统在井眼与地下地层之间建立联通以提高产量的非破坏性系统和方法。在地下井中提供高功率激光器，以避免将激光能量从地面传送到井下目标。具有位于地面的激光生成单元并利用光纤光缆将激光能量传输到地下井中导致了光缆中的功率损耗和发热，这是由于通过光缆传输的高能级造成的。

高功率激光能量为井下增产提供了非破坏性的替代技术以提高产量。地下井内的温度随着深度增加自然地上升。向涡流管供应压缩空气以冷却地下井中的激光生成单元，使得激光生成单元的温度不超过21摄氏度(℃)。

在本公开的实施例中，用于穿透地下地层的井下激光器组件包括位于地下井内的激光生成单元。井下激光器组件还包括涡流管。涡流管具有压缩气源口、热气出口和冷气出口，热气出口定向成沿远离激光生成单元的方向引导热气流，冷气出口定向成引导冷气流经过激光生成单元。

在替代实施例中，涡流管还可包括涡流室，该涡流室成形为将压缩气源加速成涡流流型。涡流管可以位于地下井内。

在其它替代实施例中，激光生成单元可以包括定位成激发激活介质的激发机构。激光生成单元还可以包括光学谐振器，光学谐振器包括位于激活介质的第一端处的反射镜以及位于激活介质的第二端处的输出耦合器镜。反射镜可以位于输出耦合器镜的井上(上方)。

在其它替代实施例中，井下激光器组件还可以包括具有激光准直器的激光操纵器，激光操纵器定位成通过激光准直器接收来自激光生成单元的原始激光束以产生准直激光束。激光操纵器还可以包括定位成分离准直激光束的分束器。可以替代地，激光操纵器还包括光束转向器和旋转系统，光束转向器定位在准直激光束的路径中，该光束转向器可操作为改变准直激光束的方向，从而产生转向激光束，旋转系统定位成使转向激光束围绕准直激光束的轴线旋转。

在本公开的替代实施例中，一种用于利用井下激光器组件穿透地下地层的方法包括利用位于地下井内的激光生成单元产生原始激光束。可以向涡流管的压缩气源口提供压缩气源。可以利用涡流管的热气出口沿远离激光生成单元的方向引导热气流。可以利用涡流管的冷气出口引导冷气流经过激光生成单元。

在替代实施例中，可以利用涡流管的涡流室将压缩气源加速成涡流流型。涡流管可以位于地下井内。

在其它替代实施例中，生成原始激光束可以包括用激光生成单元的激发机构激发激光生成单元的激活介质。或者，生成原始激光束可以包括利用光学谐振器反射激光，光学谐振器包括位于激活介质的第一端处的反射镜以及位于激活介质的第二端处的输出耦合器镜。反射镜可以位于输出耦合器镜的井上。

在其它替代实施例中，可以利用具有激光准直器的激光操纵器产生准直激光束，激光操纵器定位成通过激光准直器接收来自激光生成单元的原始激光束。准直激光束可以用激光操纵器的分束器来分离。通过用位于准直激光束的路径中的激光操纵器的光束转向器改变准直激光束的方向，可以产生转向激光束。转向激光束可以利用激光操纵器的旋转系统围绕准直激光束的轴线旋转。

附图说明

为了获得并详细理解本公开的实施例的前述特征、方面和优点以及将变得明显的其它方面的方式，可通过参考在形成本说明书的一部分的附图中示出的实施例来获得对先前简要概括的本公开的更具体的描述。然而，应注意，附图仅说明本发明的某些实施例，且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可以允许其它等效实施例。

图1是根据本公开的实施例的具有井下激光器组件的地下井的示意性局部剖视图。

图2是根据本公开的实施例的具有井下激光器组件的地下井的示意性局部剖视图，示出了激光生成单元的构件。

图3是根据本公开的实施例的激光生成单元的构件的示意性表示。

图4是根据本公开的实施例的井下激光器组件的旋转系统的局部剖视图。

图5是根据本公开的实施例的井下激光器组件的激光操纵器的透视图。

图6是根据本公开的实施例的井下激光器组件的涡流管的剖视图。

具体实施方式

本公开涉及特定特征，包括过程或方法步骤。本领域技术人员应理解，本公开不限于说明书中给出的实施例的描述或不受说明书中给出的实施例的描述的限制。本公开的主题除了仅受限于说明书和所附权利要求的要旨之外不受限制。

本领域技术人员还应理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的实施例的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应当以与每个术语的上下文一致的最宽的可能方式来解释。除非另外定义，否则说明书和所附权利要求中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。

如所使用的，词语“包括”、“具有”、“包含”和所有其它语法变化均旨在具有开放的、非限制性的含义，其不排除附加的元件、部件或步骤。本公开的各实施例可以适当地“包括”所公开的限制特征、“由”或“基本上由”所公开的限制特征“组成”，并且可在不存在未公开的限制特征的情况下实践。例如，本领域技术人员可以认识到，某些步骤可以合并成单个步骤。

在说明书或所附权利要求中提供了数值范围的情况下，应理解的是，该区间均包括上限和下限之间的中间值以及上限和下限。本公开涵盖并限制了受所提供的任何具体排除影响的区间的较小范围。

在说明书和所附权利要求中提及包括两个或更多个限定步骤的方法的情况下，限定步骤可以以任何顺序或同时进行，除非上下文排除该可能性。

参见图1，地下井10从地面12延伸并穿过地下地层14。地面12被示为地表。在替代实施例中，地面12可以是海床。地下井10可用于油气开发作业。作为实例，地下井10可以用于从地下地层14制取油气或水，或用于将诸如水等流体注入地下地层14。地下地层14例如可以是油气层。

可以用被水泥18包围的套管16加衬地下井10。在替代实施例中，地下井10可以是无套管的或裸眼的(open hole)。地下井10被显示为从地面12大致竖直地延伸。在替代实施例中，地下井10可以包括相对于地面12偏斜、倾斜于竖直方向或大致水平的部分。

地面单元20可以位于靠近地下井10的地面12处。地面单元20可以向井下激光器组件22提供动力、工作流体和支撑。井下激光器组件22包括位于地下井10内的激光生成单元24。操作激光生成单元所需的电源可以由地面单元20通过电缆26提供。激光生成单元24可以产生能够穿透套管16、水泥18并进入地下地层14的激光(如本公开中更具体描述的)，以在套管16的孔和地下地层14中和之间形成孔或隧道。激光操纵器28可以将激光生成单元24产生的激光束引导到地下地层14中。

井下激光器组件22还包括涡流管30。可以通过从地面单元20延伸到涡流管30的压缩空气供应管线32向涡流管30供应压缩空气。涡流管30可以利用与涡流管30的热气出口36流体连通的热气排出管线34沿远离激光生成单元24的方向引导热空气。热气出口36和相关的管路可以由能够承受高达200℃的温度的材料形成，诸如高级陶瓷、氧化铝、氧化锆或氮化硅。涡流管30可以用冷气出口38引导冷空气通过激光生成单元24。为了避免在冷气出口38周围形成甲基水合物或者可能从溶液脱离的沥青质和石蜡的粘附，可以封闭冷气出口38和相关的管路，使得它们不暴露于井下气体和其它材料。

参见图2至图3，激光生成单元24可以包括定位成激发激活介质42的激发机构40。激发机构40和激活介质42都可以是细长部件，其尺寸适于配合在地下井10的孔内。

激活介质42可以包含产生激光的激光原子，并且可以是固体晶体、气体、半导体结或液体。激发机构40可以向激活介质42的电子提供能量，并将激活介质42的原子转变为激发态，在激发态下，这些原子随后可以通过自发发射而自发辐射所吸收的能量。电子可以降至其初始轨道(称为基态)或者可以保持在中间能级。如果当原子处于激发态时电子吸收另一量子能量，则辐射两个量子能量，并且电子降至其初始能级，这被称为受激发射。受激或辐射能量具有与激发能量(stimulating energy)相同的波长。结果，激发能量被放大。激发机构可以是例如二极管激光源或电激发器。

激光生成单元24还包括光学谐振器44，光学谐振器44具有位于激活介质42的第一端附近的反射镜46A以及位于激活介质42的第二端附近的输出耦合器镜46B。反射镜46A和输出耦合器镜46B通过激活介质42耦合而被对准以来回反射激光。反射镜46A可以具有99％至100％的反射率(％)，使得所有或几乎所有的激光被反射镜46A反射。输出耦合器镜46B具有较低的反射率，并允许一些激光通过以形成原始激光束48。在示例性实施例中，80％至90％的激光可以通过耦合器镜46B。

激光生成单元24的构件可以容纳在激光器壳体50内，该激光器壳体50的尺寸被设计成能够被降低到地下井10的孔内，诸如套管16的内孔中。在示例性实施例中，激光器壳体50可以具有三至五英寸的外径以及四至六英尺的长度。在替代的示例性实施例中，激光器壳体50可以具有四英寸的外径和五英尺的长度。

激活介质42和激发机构40与光学谐振器44一起工作以形成放大的光学激光器。进入光学谐振器44一端的激光在其行进穿过激活介质42时将通过受激发射放大。在示例性实施例中，激光生成单元24可以产生高功率激光束，该高功率激光束具有一到十千瓦范围内的功率，并且具有穿透地下地层14到期望穿透深度所必需的、本领域普通技术人员可以确定的波长。

期望的穿透深度可以是期望隧道深度、隧道长度或隧道直径。期望的穿透深度由地下井10的预期用途和地下地层14的特性(诸如地质材料或岩石类型、岩石最大水平应力或岩石的抗压强度等)确定。在某些实施例中，期望的穿透深度可以是进入地下地层14大于六英寸，并且可以包括一英尺、二英尺、三英尺或更大英尺的深度。为了实现期望的穿透深度，激光生成单元24可以以循环模式操作，使得激光生成单元24在接通周期和关断周期之间循环。或者，激光生成单元24可以以连续模式操作。

反射镜46A位于输出耦合器镜46B的井上(上方)，使得原始激光束48在穿过输出耦合器镜46B时被大致导向井下。激光操纵器28可以用于准直、分离激光束并将激光束引导到地下地层14中。参见图4至图5，原始激光束48可以耦合到光纤光缆52中以控制和引导该光束。光纤光缆52可以是渐变光纤，以便改善光束质量。

激光操纵器28包括一个或多个操纵器单元54。每个操纵器单元54可以与操纵器壳体56内的相邻操纵器单元54间隔开。光纤光缆52可以在每个操纵器单元54之间延伸，用于在操纵器单元54之间传送激光束。每个操纵器单元54可以通过激光器头60将一个或多个转向的激光束从操纵器壳体56传送出去。

激光器头60可以逐渐变细，使得激光器头60具有截头锥形的端部，该截头锥形的端部具有比基部64小的内径和外径的末端62，末端62的逐渐变细防止蒸汽通过激光器头60进入激光操纵器28。该蒸汽可能包括灰尘和其它颗粒物质。

激光器头60还可以包括温度传感器66。温度传感器66监测激光器头60的温度。由温度传感器66收集的数据可以用于保护井下激光器组件22免于过热，或者可以监测激光束的强度以允许调节。

参见图5，操纵器单元54的每个操纵器壳体56的内部是聚焦透镜68和激光准直器70。激光操纵器28的聚焦透镜68和激光准直器70被定位成接收原始激光束48。聚焦透镜68可以用焦点72聚焦激光束。然后光束可以穿过激光准直器70以产生准直激光束58。

分束器74可以位于操纵器壳体56内，以将准直激光束58分成两个或更多个激光束。分束器74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74可以包括例如棱镜。根据应用的要求，可以选择分束器74以将单个激光束分成两个、三个、四个或更多激光束。

操纵器单元54还可以包括位于准直激光束58的路径中的光束转向器76。光束转向器76可操作为改变准直激光束58的方向，产生准直激光束58的转向激光束78。在图5的实例中，分束器74是棱镜，其也是光束转向器76，并且可以改变激光束在三维空间中的方向和角度。光纤光缆52、聚焦透镜68、激光准直器70、分束器74和光束转向器76均可以在结构上由操纵器单元54内的支撑部件80支撑。每个操纵器单元54可围绕光纤光缆52旋转，使得每个操纵器单元54用作定位成使转向激光束78围绕光纤光缆52的轴线82或准直激光束58的轴线旋转的旋转系统。

这样，操纵器单元54接收原始激光束48并产生准直且转向的激光束，该激光束被示出为通过激光器头60穿出操纵器单元54的所得激光束84。

因为本公开的实施例提供了在井下激发电子并产生光子的系统和方法，所以提供了涡流管30的井下冷却系统以冷却激光生成单元24的构件。参见图6，涡流管30是将压缩气源86分成热气流88和冷气流90的固定且不旋转的机械装置。在替代实施例中，可以使用不同的气体代替空气，例如，氦气、氮气、二氧化碳或氧气或者其组合。从热气出口36出来的热气流88例如可以达到高达200℃的温度。从冷气出口38出来的冷气流90例如可以达到低至-50℃的温度。

压缩气源86被注入涡流管30的压缩气源口92。可以从地面提供压缩气源86。压缩气源86可以沿切向注入压缩气源口92。压缩气源86进入涡流室94，涡流室94成形为将压缩气源86加速成涡流流型。在涡流流型内，较热的空气将移动到涡流的外径侧，而较冷的空气将朝向涡流的中心移动。涡流流型内的流体沿朝向控制阀96的方向移动。控制阀96是锥形喷嘴，其仅允许涡流流型的外径侧的空气离开热气出口36。这样，热气流88将离开热气出口36。热气流88可以通过热气出口36沿远离激光生成单元24的方向被引导。热气流88可以被释放回到地面或者可以被释放到地下井10内的井下激光器组件的井上，以用作热源，诸如用于去除冷凝物堆积、沥青沉积或者用于其它井眼清洁应用。

在控制阀96处，涡流流型的中心部分将被迫改变方向并朝向冷气出口38。因为热气流88已经与涡流流型分离并通过热气出口36离开，所以涡流流型的剩余流体将是离开冷气出口38的冷气流90。冷气流90可以用冷气出口38引导经过激光生成单元24。

通过调节压缩气源86和控制阀96的流速，可以调节涡流管30的操作以控制井下激光器组件22的冷却。在示例性实施例中，控制压缩气源86和控制阀96的流速以将井下激光器组件的温度保持在18至23℃的范围内，或者在替代实施例中，保持为不超过21℃。在示例性实施例中，当冷气流90是通过涡流管30的流体流的大约10％时，可以实现最大的温降。作为实例，在140磅每平方英寸(表压)的情况下，在冷气出口38处可以实现高达100℃的温度下降，这可以帮助冷却井下激光器组件22。

在图1至2的示例性实施例中，涡流管30被示出为位于激光器壳体50的井上端。在替代实施例中，涡流管30可以位于激光器壳体50内、激光器壳体50的井下、地下井10内的另一位置处或地面12处。

通常，井下激光器组件22的构造材料可以是如下任何类型的材料：其能够抵抗地下井10内经受的高温、压力和振动，并且保护系统免受流体、灰尘和碎屑的影响。本领域普通技术人员将熟悉合适的材料。在示例性实施例中，井下激光器组件22可以承受如下的地下井的条件：长达30000英尺，温度高达200℃，并且压力高达15000磅每平方英寸。

在操作的实例中，井下激光器组件22可以用于穿透地下地层14。原始激光束48可以由位于地下井10内的激光生成单元24产生。原始激光束48可以被聚焦、准直、分离和转向以形成用于穿透地下地层14的所得激光束84(如图1、图2、图4和图5所示)。涡流管30可以用于冷却井下激光器组件22。压缩气源86被提供到涡流管30的压缩气源口92。涡流管30可以沿远离激光生成单元24的方向引导热气流88，并可以引导冷气流90经过激光生成单元24。

因此，所描述的本公开的实施例非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点以及其它固有的结果和优点。虽然为了公开的目的给出了本公开的示例性实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包括在本公开的要旨和所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种井下激光器组件，其用于穿透地下地层，所述井下激光器组件包括：

激光生成单元，其位于地下井内；以及

涡流管，所述涡流管具有：

压缩气源口；

热气出口，其定向成沿远离所述激光生成单元的方向引导热气流；以及

冷气出口，其定向成引导冷气流经过所述激光生成单元。

2.根据权利要求1所述的井下激光器组件，其中，所述涡流管还包括涡流室，所述涡流室成形为将压缩气源加速成涡流流型。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的井下激光器组件，其中，所述涡流管位于所述地下井内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的井下激光器组件，其中，所述激光生成单元包括定位成激发激活介质的激发机构。

5.根据权利要求4所述的井下激光器组件，其中，所述激光生成单元还包括光学谐振器，所述光学谐振器包括位于所述激活介质的第一端处的反射镜以及位于所述激活介质的第二端处的输出耦合器镜。

6.根据权利要求5所述的井下激光器组件，其中，所述反射镜位于所述输出耦合器镜的井上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的井下激光器组件，还包括具有激光准直器的激光操纵器，所述激光操纵器定位成通过所述激光准直器接收来自所述激光生成单元的原始激光束以产生准直激光束。

8.根据权利要求7所述的井下激光器组件，其中，所述激光操纵器还包括被定位成分离所述准直激光束的分束器。

9.根据权利要求7所述的井下激光器组件，其中，所述激光操纵器还包括：

光束转向器，其定位在所述准直激光束的路径中，所述光束转向器可操作为改变所述准直激光束的方向，从而产生转向激光束；以及

旋转系统，其定位成使所述转向激光束围绕所述准直激光束的轴线旋转。

10.一种用于利用井下激光器组件穿透地下地层的方法，所述方法包括：

利用位于地下井内的激光生成单元生成原始激光束；

向涡流管的压缩气源口提供压缩气源；

利用所述涡流管的热气出口沿远离所述激光生成单元的方向引导热气流；以及

利用所述涡流管的冷气出口引导冷气流经过所述激光生成单元。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括利用所述涡流管的涡流室将所述压缩气源加速成涡流流型。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，所述涡流管位于所述地下井内。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，生成所述原始激光束包括用所述激光生成单元的激发机构激发所述激光生成单元的激活介质。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述原始激光束包括利用光学谐振器反射激光，所述光学谐振器包括位于所述激活介质的第一端处的反射镜以及位于所述激活介质的第二端处的输出耦合器镜。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述反射镜位于所述输出耦合器镜的井上。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，还包括利用具有激光准直器的激光操纵器产生准直激光束，所述激光操纵器定位成通过所述激光准直器接收来自所述激光生成单元的所述原始激光束。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括利用所述激光操纵器的分束器来分离所述准直激光束。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括：

通过利用定位在所述准直激光束的路径中的所述激光操纵器的光束转向器改变所述准直激光束的方向来产生转向激光束；以及

利用所述激光操纵器的旋转系统使所述转向激光束围绕所述准直激光束的轴线旋转。

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