CN112534116A - 将清洗介质与激光束组合的激光工具 - Google Patents

Abstract

一种在井眼(28)内操作的激光工具(10)，其被配置成将清洗介质与激光束组合。所述激光工具包括整合器(14)，其被配置成从激光头接收所述激光束并且将所述激光束与所述清洗介质组合。导管(20)被配置成从所述清洗介质产生层流并且产生包括所述层流和所述激光束的输出。所述输出由所述导管(20)导向所述井眼内的目标。所述激光工具的至少一部分(35)被配置成旋转以使得所述输出在所述输出施加到所述目标期间旋转。

Description

将清洗介质与激光束组合的激光工具

技术领域

本说明书描述被配置成将清洗介质与激光束组合以用于输出到目标的激光工具的示例。

背景技术

激光工具可用以在井眼内输出激光束。激光束可用于多个应用，例如在井眼的壁中产生孔。在示例操作中，激光工具降低到井下。激光工具输出瞄准井眼的壁的激光束。来自激光束的热量使岩石或其它结构破裂或升华以在井眼中形成孔。

发明内容

一种在井眼内操作的示例激光工具，其被配置成将清洗介质与激光束组合。所述激光工具包括整合器，其被配置成从激光头接收所述激光束并且将所述激光束与所述清洗介质组合。导管被配置成从所述清洗介质产生层流并且产生包括所述层流和所述激光束的输出。所述输出由所述导管导向所述井眼内的目标。所述激光工具的至少一部分被配置成旋转以使得所述输出在所述输出施加到所述目标期间旋转。所述激光工具可单独地或组合地包括以下特征中的一者或多者。

所述导管可附接到所述激光头。所述激光头可旋转以使得所述导管旋转。所述导管的旋转可在所述目标上产生所述激光束的呈螺旋形状的冲击图案。所述激光工具可被配置成旋转以通过从点开始并向外螺旋旋转来产生所述冲击图案。所述激光工具可被配置成旋转以通过从点开始并向内螺旋旋转来产生所述冲击图案。

所述清洗介质可包括气体或液体。所述清洗介质可包括卤烃。所述整合器可被配置成产生所述清洗介质的紊流。所述导管可被配置成将所述紊流转换成所述层流。所述层流可在所述导管内围绕所述激光束。

所述激光束的光学功率可在0.2千瓦(kW)到100kW的范围内。举例来说，所述激光束的所述光学功率可低于1.0kW。

所述激光工具可包括连接器，其用以将所述激光工具连接到盘绕管柱。所述盘绕管柱可用于使所述激光工具移动穿过所述井眼并在地层中产生的孔内移动，所述井眼延伸穿过所述地层。

相机可安置在所述导管上，用以在所述激光工具的操作期间捕捉图像或视频。声传感器可安置在所述导管上，用以在所述激光工具的操作期间捕捉声音。

公开了一种用于操作被配置成将清洗介质与激光束组合的激光工具的示例方法。所述方法包括：将所述激光束与紊流中的所述清洗介质组合，以及从所述紊流产生层流。所述激光束包含在所述层流内。使所述激光工具旋转，同时从所述激光工具朝向井眼内的目标输出所述激光束和所述层流。所述方法可单独地或组合地包括以下特征中的一者或多者。

使所述激光束旋转可包括：首先使所述激光工具旋转，以及增大所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到穿过所述目标的至少一部分形成孔为止。

在所述孔形成之后，可使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中。在移动之后可使所述激光工具旋转，以使得来自所述激光工具的所述激光束和所述层流朝向所述孔输出。在移动之后使所述激光工具旋转可包括：首先使所述激光工具旋转，以及减小所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到所述孔延伸为止。

在所述孔延伸之后，可使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中。在使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中之后，可使所述激光工具旋转，以使得来自所述激光工具的所述激光束和所述层流朝向所述孔输出。在使所述激光工具移动到所述孔中之后使所述激光工具旋转可包括：首先使所述激光工具旋转，以及增大所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到所述孔进一步延伸穿过所述目标为止。

可使用盘绕管柱使所述激光工具朝向所述孔移动。所述激光工具的旋转可在所述目标上产生呈螺旋形状的冲击图案。所述清洗介质与使所述激光工具旋转的组合可使得碎屑远离所述激光束的路径从所述目标排出。

本说明书中描述的任何两个或更多个特征，包括此发明内容部分中的特征，可以组合以形成本说明书中未具体描述的实施方案。

在本说明书中描述的系统和过程的至少一部分可通过在一个或多个处理装置上执行存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上的指令来控制。非暂时性机器可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器、光盘驱动器、存储器磁盘驱动器和随机存取存储器。在本说明书中描述的系统和过程的至少一部分可使用计算系统来控制，所述计算系统包括一个或多个处理装置，和存储可由所述一个或多个处理装置执行的指令以执行各种控制操作的存储器。

一个或多个实施方案的细节阐述于附图和具体实施方式中。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征和优点将会明显。

附图说明

图1是系统的框图，包括井眼中井下示例激光工具的部件的侧视图。

图2是示例激光工具的部件的分解视图。

图3是示例层流装置的透视剖视图，其描绘紊流向层流的转换。

图4是示例激光工具在井眼中形成孔期间的操作的侧视图。

图5是示例激光工具在图4中示出的时间之后的时间的操作的侧视图。

图6是示例激光工具在图5中示出的时间之后的时间的操作的侧视图。

图7示出由激光工具产生的示例螺旋冲击图案。

图8是示出激光工具的示例操作的流程图。

图式中的相同附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

本说明书描述用于瞄准位于井下的结构(例如岩层、套管和碎屑)的激光工具的示例。激光工具的实施方案连接到被配置成输出激光束的激光头。激光束可由位于井下或表面处的激光发生器提供。整合器被配置成将激光束与清洗介质组合。清洗介质可以是液体或气体，该液体或气体通过力从激光工具输出，以便分散碎屑或因激光束的冲击而被切断的其它材料。整合器将激光束与紊流中的清洗介质组合。示例紊流包括压力和流速随机变化的流型(flow pattern)。导管(称为层流(laminar flow)装置)被配置成接收激光束和紊流并且基于紊流产生层流。示例层流包括在压力和流速方面相对恒定的平滑路径或层中发生的流动。导管被配置成传递组合的激光束和层流中的清洗介质并且朝向井眼内的目标输出该组合。组合的激光束和清洗介质同轴，这是因为激光束包含在清洗介质内。在一些实施方案中，激光束被导管内的清洗介质完全包围。

激光工具的至少一部分被配置成旋转并且由此使得其输出在施加到目标期间旋转。举例来说，整个激光工具可旋转。举例来说，导管、激光头或者导管和激光头两者可旋转，而激光工具的其余部分不旋转。旋转可在目标上产生呈螺旋形状的冲击图案。在示例操作中，对于激光工具的每次后续旋转，旋转直径增大，直到穿过目标的至少一部分形成孔为止。然后，在孔形成之后，激光工具朝向孔移动。在移动之后，激光工具旋转，以使得激光束和层流朝向孔输出。此时，旋转包括减小激光工具的后续旋转的旋转直径直到孔进一步延伸穿过目标为止。在孔延伸之后，使激光工具进一步移动到孔中。然后，激光工具旋转，以使得激光工具的后续旋转的旋转直径增大直到孔进一步延伸穿过目标为止。可重复前述操作中的任一者或全部直到达到所需的孔深度为止。

控制系统被配置成控制激光工具的至少一部分的移动以使得激光束在井眼内移动并且旋转。举例来说，控制系统可包括计算系统以及盘绕管单元(coiled tubing unit)或缆线。激光工具可经由盘绕管单元或缆线在井下移动。该移动可以是计算机控制的或可以是手动控制的。如随后所描述，激光工具的井下移动可通过将命令从计算系统发送到激光工具来控制。

图1示出激光工具10的示例部件。激光工具10包括被配置成输出激光束的激光头11。激光束可由未在图1中示出的激光发生器(“发生器”)产生。示例激光发生器是直接二极管激光器。直接二极管激光器包括在应用中直接使用激光二极管的输出的激光系统。这与使用激光二极管的输出对另一激光进行泵浦以产生输出的其它类型的激光器不同。直接二极管激光器的示例包括产生直线光束形状的系统和产生圆形光束形状的系统。直线光束形状包括直接从一个点行进到另一点的激光。直线光束形状还包括直径在行进期间保持相同或变化的激光。圆形光束形状通过使直线光束围绕轴线旋转以在激光束冲击其目标的点处产生圆形图案来产生。示例激光器包括镱激光器、铒激光器、钕激光器、镝激光器、镨激光器和铥激光器。

发生器可位于井的表面，例如在井头处。在此情况下，可使用例如光纤线缆等光学传输介质在井下将激光束传递到激光工具。在一些实施方案中，发生器的全部或部分可位于井眼内。在激光束的光学功率高于1.0千瓦(kW)的情况下，使用位于井下的发生器可能存在优点。举例来说，可通过将发生器定位在井下来减小光学功率损耗。

在一些实施方案中，激光束具有在0.2kW到100kW的范围内的光学功率。在一些实施方案中，激光束具有1kW或更小的光学功率，并且具有5kW/cm²(千瓦每平方厘米)或更大的强度。在一些实施方案中，激光束具有在0.25英寸(6.35毫米(mm))到2.0英寸(50.8mm)的范围内的直径。

继续参考图2，激光工具10包括用于激光头的输入安装件12。输入安装件12接收并保持激光头。覆盖玻璃13可包括将激光束从激光头传递到整合器14的透镜或玻璃。在一些实施方案中，覆盖玻璃可不改变激光束的大小或形状。在一些实施方案中，覆盖玻璃可改变激光束的大小或形状。举例来说，覆盖玻璃可对激光束进行准直。准直包括使得激光束维持大体上恒定的横截面积。在一些实施方案中，准直可包括减小激光束的横截面积。在一些实施方案中，覆盖玻璃可对激光束进行聚焦或分散。在任何情况下，产生的激光束应具有足够的大小和形状以适配在导管20内，即层流装置内。

整合器14被配置(例如，被构造)以接收激光束并且将接收到的激光束与一种或多种清洗介质组合。清洗介质可以是或包括气体、液体、或气体和液体两者。清洗介质可以是或包括不同类型的气体、不同类型的液体、或不同类型的气体和液体。要使用的清洗介质(例如液体或气体)的选择可基于目标(例如地层中的岩石)的组成以及与地层相关联的储集区的压力。在一些实施方案中，清洗介质可为或包括例如氮气等非反应性、非破坏性气体，或者例如卤烃等液体。卤烃包括例如氯氟烃等化合物，该化合物包括与一种或多种卤素结合的碳。卤烃的示例包括在100华氏度(°)(37.8摄氏度)下具有在0.8厘泊(cP)卤烃油到1000cP卤烃油的范围内的黏度的卤烃油。当井眼中的压力较小(例如，小于50000千帕、小于25000千帕、小于10000千帕、小于5000千帕、小于2500千帕、小于1000千帕或小于500千帕)时，气体清洗介质可能是适当的。

清洗介质经由清洗输入15和16提供到整合器14。整合器14包括用以从输入接收清洗介质的腔18。在此腔内，清洗介质是紊流。整合器将来自激光头的激光束与紊流中的清洗介质组合以产生输出。整合器将组合的激光束和紊流中的清洗介质输出到导管20。

导管20被配置成接收组合的激光束和紊流中的清洗介质。导管的管状形状和导管的长度使得紊流变成层流。可能需要不同长度以将具有不同压力的紊流转换成层流。举例来说，对于具有较大压力的流动，可能需要较长导管将流动从紊流转换成层流。在示例实施方案中，导管20的直径在0.25英寸(6.35mm)到2.0英寸(50.8mm)的范围内并且长度在6英寸(15.24厘米(cm))到40英寸(100cm)的范围内。图3概念性地示出，导管20将在入口22处进入的紊流21转换成在导管的输出25处的层流24。紊流和层流使用箭头概念性地描绘。激光束嵌入清洗介质中并且与清洗介质一起输出，在此意义上，层流与激光束同轴。举例来说，在清洗介质和激光束穿过导管20期间，清洗介质可完全包围激光束。在一些实施方案中，层流随时间恒定。在一些实施方案中，层流随时间变化。

激光工具的至少一部分被配置成在井眼内旋转以使得导管旋转。结果，激光束和层流中的清洗介质也在井眼内旋转。在示例中，旋转围绕轴线，该轴线与待由激光工具形成的孔相交。举例来说，如图1中所示，激光工具10在井眼28内部并且被控制在井眼28的壁32内形成孔30。在此示例中，井眼28穿过含烃岩层33，含烃岩层33可包括各种材料，例如石灰岩、页岩或砂岩。待形成的孔与轴线34相交。激光工具10被配置成旋转，使得导管20围绕此轴线旋转。示例旋转由箭头27描绘。举例来说，如图1中所示，导管20可安装到旋转装置35，旋转装置35安装到激光头。旋转装置可旋转以使得导管20围绕轴线34旋转以便产生孔，如随后所描述。在一些实施方案中，整个激光工具可在井眼内旋转以使得导管围绕轴线旋转。可控制盘绕管单元以使激光工具围绕轴线旋转。举例来说，可控制盘绕管柱37以实现旋转。在一些实施方案中，激光头可在井眼内旋转以使得导管围绕轴线旋转。

控制系统被配置成控制激光工具在井眼内的移动(包括旋转)。除先前所描述的计算系统以及盘绕管单元或缆线之外，控制系统还可包括例如液压系统、电力系统或电机操作系统以使激光工具移动。举例来说，可操作电机或其它机械机构以使整个激光工具旋转或仅使激光头旋转，如先前段落中所描述。电机或其它机械机构可由计算系统控制以起始、继续和结束旋转。

激光工具可由盘绕管单元或缆线移动到井上和井下。在使用盘绕管单元的情况下，作为盘绕管单元组件的一部分的卷盘可使激光工具沿着井眼的纵向轴线39移动(在竖直井的情况下竖直移动)。激光工具可通过与井底组件的连接而悬挂在井眼内。激光工具在井眼内的横向移动可经由盘绕管柱实现。连接器(未示出)可将激光工具、激光头、或这两者连接到盘绕管柱。横向移动包括例如移入和移出由激光工具形成的孔，如关于图4、5和6所描述。

还可控制盘绕管单元以使激光工具在井眼内旋转。举例来说，旋转可围绕井眼28的纵向轴线39。示例旋转由箭头40描绘。旋转可用以定位激光工具，使得激光工具的输出被导向其目标。此旋转可通过使盘绕管柱旋转而实现。

激光工具10还包括向井上延伸到井眼的表面的线缆42。在示例中，线缆可包括用以将电功率输送到激光工具的功率线缆。在一些实施方案中，电功率可在井上产生。在示例中，线缆可包括通信线缆，例如以太网或用以向激光工具携带命令的光纤。命令可由位于表面的计算系统44产生。命令可控制激光工具的操作。举例来说，命令可包括用以打开或关闭激光发生器、调整激光束的强度或者控制激光束在井眼内的移动(包括旋转)的命令。在一些实施方案中，这些命令中的全部或一些可无线地传达。虚线箭头45表示激光工具与计算系统之间的通信。套管可保护线缆的全部或部分免受井下条件的影响。

如所提到，计算系统可以是激光工具的控制系统的一部分。计算系统可被配置(例如，被编程)以控制激光工具的定位、操作和旋转。本说明书中描述了可使用的计算系统的示例。可经由有线或无线连接在计算系统与控制系统之间交换信号。控制系统可包括机载电路或机载计算系统，以实现对激光工具的定位和操作的控制。机载电路或机载计算系统位于激光工具自身上或与激光工具一起位于井下而非位于表面，在此意义上，机载电路或机载计算系统是“机载的”。机载计算系统可与表面上的计算系统通信以控制激光工具的操作和移动。

示例激光工具还可包括一个或多个传感器48，该一个或多个传感器48用以监测井眼中的环境条件并输出指示环境条件的信号。传感器的示例可包括用以测量井下温度的温度传感器、用以测量井下压力的压力传感器和用以测量井下振动水平的振动传感器。计算系统可从这些传感器中的一者或多者接收信号。从传感器接收到的信号可指示井眼内部存在问题或激光工具存在问题。钻井工程师可基于这些信号采取校正措施。举例来说，如果井下温度或压力使得设备(例如激光工具)可能损坏，则可从井眼中取出该设备。其它传感器也可包括在激光工具中。

举例来说，在一些实施方案中，激光工具可包括用于获得声数据的声传感器、用于捕捉图像或视频的相机、或者被配置成同时获得声数据并捕捉图像或视频的声相机。举例来说，声传感器可位于导管20的输出处或附近。举例来说，相机可位于激光头上或附近，或者位于导管20的输出处或附近。举例来说，声相机可位于激光头上或附近，或者位于导管20的输出处或附近。传输介质(例如光纤或以太网)可沿着导管20的长度延伸并且连接到通向表面的线缆。传输介质可位于导管20的外部或导管20的内部。从声传感器、相机或声相机获得的数据可经由传输介质和线缆发送到表面计算系统。在该计算系统处，可处理数据以实时查看井下操作。在这点上，实时可能并不意味着两个动作是同时的，但相反可包括在考虑到与处理、数据传输和硬件相关联的延迟情况下连续发生或在时间上彼此追踪的动作。在表面计算系统处，可处理数据以确定井下条件。举例来说，如果正被钻探的孔的图像示出该孔不在目标位置内，则计算系统可控制激光工具以改变孔的位置。举例来说，如果声数据指示地层中存在过多碎屑或未预期到的岩石，则可改变激光工具的操作以考虑这些情况。

在一些实施方案中，从声传感器、相机或声相机获得的数据可经由传输介质和线缆发送到激光工具的机载计算系统。机载计算系统可执行先前段落中所描述的操作中的全部或一些。在一些实施方案中，机载计算系统可与基于表面的计算系统协作以基于传感器读数而控制激光工具的操作。举例来说，机载计算系统可被配置(例如，被编程)以在传感器读数处于规定范围内时控制操作。也就是说，可实现自动控制，而不需要来自钻井工程师的输入。如果传感器读数在规定范围之外，则基于表面的计算系统可接管对激光工具的控制。

图4、5和6示出激光工具50的示例操作，激光工具可与图1的激光工具10相同或具有相同的特征。在此示例中，控制激光工具50在井眼53的壁51中钻探横向孔。如图中所示，激光工具的全部或部分旋转，同时朝向井眼的壁(此示例中的目标)输出激光束54和层流。在每个图中，旋转由圆55概念性地描绘。旋转在壁上产生呈螺旋形状的冲击图案。图7中示出呈螺旋形状的示例冲击图案57。如图4和6中所示，冲击图案可通过使激光工具以增大的直径旋转来形成。在此示例中，增大的直径包括从图7中的点58开始并向外螺旋旋转到点63的螺旋。如图5中所示，冲击图案可通过使激光工具以减小的直径旋转来形成。在此示例中，减小的直径包括从点63开始并向内螺旋旋转到点58的螺旋。可使用其它旋转图案。举例来说，图案可包括同心圆。

如所解释，激光工具通过以下方式操作：将激光束与紊流中的清洗介质组合，从紊流产生层流，以及在从激光工具朝向井眼内的目标输出激光束和层流的同时使激光工具旋转。在此示例中，目标是井眼内未穿透的岩层壁。参考图8，可首先将激光束引导(81)到或靠近待形成的孔的中心。激光束从井眼的壁去除(例如通过升华、碎裂、或升华和碎裂两者)材料以形成孔。升华包括从固相直接变成气相，而不首先变成液相。

参考图4，激光工具50被定位用以在井眼的壁中形成以点56为中心的孔。举例来说，控制系统可使得盘绕管单元将激光工具移动到靠近待形成孔的位置。举例来说，可移动激光工具以使得导管58对准孔的中心。此处，导管58相对于井眼53的壁旋转，同时激光工具输出激光束和层流。在图4、5和6中，旋转由箭头59概念性地描绘。激光束通过碎裂、升华、或者碎裂和升华的组合来形成孔。在此示例中，在激光束最初施加到井眼期间，激光工具旋转(82)以使得以扩展螺旋图案提供其输出(即激光束和层流)。举例来说，激光工具的后续旋转的直径增大直到在井眼的壁中形成孔的初始部分为止。这由从左到右变大的圆55概念性地描绘。如所解释，在操作期间，整个激光工具可旋转或仅激光工具的一部分可旋转，例如仅激光头和导管可旋转。如所指出，旋转围绕轴线60，该轴线与待由激光工具形成的孔的中心相交或靠近该孔的中心。

因为激光束和层流同轴，所以激光工具的旋转也会引起追踪激光束旋转的层流的旋转。因此，清洗与激光束烧蚀同时发生。清洗介质的螺旋旋转和层流的组合使得从井眼的壁上脱落的碎屑排出到激光束路径之外。举例来说，如图4中所示，旋转层流在远离激光束的向外方向上引导碎屑。在图4的示例中，期间，碎屑沿着箭头61和62的方向离开。作为此操作的结果，激光束被碎屑吸收的机率较小。因此，激光束的全部能量可传递到井眼的壁以形成孔。

如图5中所示，在孔64的一部分形成之后，使激光工具朝向孔移动(83)，或在一些情况下移动到孔中。如图4和5中所示，移动可沿着轴线60横向进行。在一些情况下，此移动使用盘绕管单元或缆线实现，并且通过表面处的计算系统或由机载计算系统手动控制。在此移动之后使激光工具再次旋转(84)，以使得来自激光工具的激光束和层流输出以使孔延伸。在此示例中，激光工具的初始旋转从螺旋图案的外部边缘(图4的先前旋转结束处)开始并且朝向孔的中心向内螺旋旋转或向内螺旋旋转到该孔的中心，如图5中所示。换句话说，针对激光工具的后续旋转减小旋转直径，直到孔延伸穿过井眼的壁为止。在图5中，这由从左到右变小的圆55概念性地描绘。激光工具或激光工具部件的旋转可如先前所描述的那样实现。如关于图4所描述的，清洗介质的螺旋旋转和层流的组合使得从井眼的壁脱落的碎屑从孔排出到激光束路径之外。

如图6中所示，在孔64延伸之后，使激光工具朝向孔移动(85)，或如在此示例中移动到孔中。如图6中所示，移动可沿着轴线60。在一些情况下，此移动使用盘绕管单元或缆线实现，并且可通过表面处的计算系统或由机载计算系统手动控制。在此移动之后使激光工具再次旋转(86)，以使得来自激光工具的激光束和层流朝向孔输出。在此示例中，激光工具的旋转从例如孔中心的螺旋图案的中心(图5的先前旋转结束处)开始并且朝向孔的边缘向外螺旋旋转或向外螺旋旋转到该孔的边缘。换句话说，针对激光工具的后续旋转增大旋转直径，直到孔延伸穿过井眼的壁为止。在图6中，这由从左到右变大的圆55概念性地描绘。激光工具或激光工具部件的旋转可如先前所描述的那样实现。如关于图4所描述的，清洗介质的螺旋旋转和层流的组合使得从井眼的壁脱落的碎屑从孔排出到激光束路径之外。在图4、5和6的示例中，来自层流的清洗介质可将碎屑带入井眼中并且带到表面。

可重复类似于图4、5和6中所示的操作，直到孔64达到所需深度为止。在达到该深度之后，可从孔中取出(87)激光工具并且用于返回到表面的其它应用。

图4、5和6中示出的操作无需以示出的顺序发生。举例来说，孔形成可开始于减小的螺旋图案，接着是增大的螺旋图案，如此等等。在一些情况下，可使用单个旋转顺序形成孔，而不朝向孔横向移动或横向移动到该孔中。在一些操作中，激光工具可比图4到6中示出的情况更晚地移动到孔中(例如，在第四移动(未示出)中)。在一些操作中，激光工具可比图4到6中示出的情况更早地移动到孔中(例如，在第二移动中)。激光工具朝向或进入孔洞的移动量可取决于各种因素，例如待钻探孔的深度、目标的硬度和所使用的激光束的强度。

旋转速度、激光束的光学功率、使用的持续时间、从清洗输出到目标的距离以及清洗流速和类型可基于岩石的组成或待由激光束烧蚀的其它目标而确定。举例来说，如果岩石样本具有多于55％的石英(SiO₂)，则碎裂可通过破坏接合并排出所产生的颗粒而发生。这可使用光学功率在800瓦(W)到1200W的范围内的激光束来产生。相比之下，碳酸盐岩地层可能需要较大的光学功率(例如5000W)来解离碳酸钙并且引起碎裂。

在示例实施方案中，激光工具安装在镱激光头上以形成穿过砂岩的孔。传递到砂岩的能量为1200W，并且激光束是直径为0.25英寸(6.35mm)的准直光束。在此示例中，空气用作清洗介质。激光工具以螺旋图案移动以形成圆形孔。清洗介质如先前所描述排出碎屑和钻屑以产生穿过砂岩的圆形孔。

在本说明书中所描述的示例激光工具可在竖直的井或者完全或部分非竖直的井中操作。举例来说，激光工具可在竖直井、斜井、水平井或部分水平井中操作，其中水平是相对于地球表面测量的。

示例激光工具可在井下操作以激励井眼。举例来说，激光工具可在井下操作以产生穿过岩层的流体流动路径。可通过控制激光工具以朝向岩层引导激光束来产生流体流动路径。在示例中，激光束的能量密度大到足以使岩层中的至少一些岩石升华或破裂从而形成孔。可将流体(例如水)引入到孔中以使岩层断裂，并且由此促使生产流体(例如油)从岩层流动到井眼中。

示例激光工具可在井下操作以在井眼中的套管中产生孔从而修复固井(cementing)缺陷。在示例中，井眼包括套管，套管被固井在适当位置以加固井眼抵抗岩层的套管。在固井期间，在套管与岩层之间注入水泥浆料。在水泥层中可能出现缺陷，这可能需要补救固井。补救固井可涉及将额外的水泥浆料挤压到套管与岩层之间的空间中。示例激光工具可用以将激光束引导到套管以在固井缺陷上或附近的套管中产生一个或多个孔。孔可为固井工具提供通道以通过孔将水泥浆料挤压到缺陷中。

示例激光工具可在井下操作以在井眼中的套管中产生孔从而为井眼钻钻进工具提供通道。在示例中，现有的单个井眼被转换成多分支井(multilateral well)。多分支井是具有从主要井眼延伸的一个或多个井眼分支的单个井。为了从现有井眼开始在岩层中钻探分支井(lateral well)，在现有井眼的套管中产生孔。示例激光工具可用以在井眼分支点的所需位置处在套管中产生孔。孔可为钻井设备提供通道以钻探分支井眼。

示例激光工具可在井下操作以在井眼中的套管中产生孔从而实现砂石控制。在井的操作期间，砂石或其它颗粒可能进入井眼，导致生产速率减小或井下设备损坏。示例激光工具可用以在套管中产生砂石筛。举例来说，激光工具可用以通过在套管中产生多个孔来使套管穿孔，这些孔小到足以防止或减少砂石或其它颗粒进入井眼、同时维持生产流体流动到井眼中。

示例激光工具可在井下操作以重新打开阻塞的流体流动路径。在这点上，生产流体通过井眼套管和水泥层中的孔从岩层中的通道或裂缝流动到井眼中。这些生产流体流动路径可能会被生产流体中包含的碎屑堵塞。示例激光工具可用以产生激光束，激光束的能量密度大到足以使流动路径中的碎屑液化或升华从而允许碎屑与生产流体一起移出。举例来说，激光工具可用以使可能已在套管中的砂石筛周围紧密地填充的砂石或其它颗粒液化或升华，由此重新打开通向井眼中的生产流体流动路径。

示例激光工具可在井下操作以焊接井眼套管或井眼的其它部件。在操作期间，井眼的一个或多个金属部件可能会生锈、结垢(scaled)、被腐蚀、被侵蚀或有其它缺陷。可使用焊接技术修复此类缺陷。激光工具可用以产生激光束，激光束的能量密度大到足以使金属或其它材料液化从而产生焊接。在一些实施方案中，井眼部件材料(例如套管材料)可使用激光工具熔化。产生的熔融材料可例如由于重力而流动经过或进入缺陷，从而在冷却和硬化后覆盖或修复缺陷。在一些实施方案中，激光工具可与将填充物材料提供到缺陷的工具组合使用。激光工具可用以熔化位于缺陷上或附近的一定量的填充物材料。熔化的填充物材料可流动经过或进入缺陷，从而在冷却和硬化后覆盖或修复缺陷。

示例激光工具可在井下操作以加热井眼中的固体或半固体沉积物。在生产井中，固体或半固体物质可沉积在井眼壁上或井下设备上，从而导致井眼或生产设备中的流动减少或引起堵塞。沉积物可以是或包括冷凝物(固化烃类)、沥青质(主要包括碳、氢、氮、氧和硫的固体或半固体物质)、焦油、水合物(困在冰中的烃分子)、蜡、垢(由化学反应引起的沉淀物，例如碳酸钙垢)或砂石。示例激光工具可用以产生激光束，激光束的能量密度大到足以熔化沉积物或足以减小沉积物黏度。液化沉积物可与井眼中存在的生产流体或其它流体一起移出。

示例激光工具及其各种修改的至少一部分可受控于计算机程序产品，例如有形地实施于一个或多个信息形成载体中的计算机程序。信息载体包括一个或多个有形的机器可读存储介质。计算机程序产品可由数据处理设备执行。数据处理设备可以是可编程处理器、计算机或多个计算机。

计算机程序可以包括编译或解译语言的任何形式的编程语言编写。计算机程序可按任何形式部署，包括作为单独程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可被部署成在一个计算机上或在多个计算机上执行。一个计算机或多个计算机可在一个站点处或跨越多个站点分布并且通过网络互连。

与实施系统相关联的动作可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行。系统的全部或部分可被实施为专用逻辑电路系统，例如现场可编程门阵列(FPGA)、或ASIC专用集成电路(ASIC)、或这两者。

适合于执行计算机程序的处理器包括，例如，通用和专用微处理器两者，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来说，处理器将从只读存储区域或随机接入存储区域或这两者接收指令和数据。计算机的元件包括用于执行指令的一个或多个处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储区域装置。一般来说，计算机还将包括一个或多个机器可读存储介质(例如用于存储数据的大容量存储装置，例如磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦合以从该一个或多个机器可读存储介质接收数据，或将数据传输到该一个或多个机器可读存储介质，或进行这两种操作。适于实现计算机程序指令和数据的非暂时性机器可读存储介质包括所有形式的非易失性存储区域，包括例如半导体存储区域装置(例如EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、和快闪存储区域装置)、磁盘(例如内部硬盘或可移动磁盘)、磁光盘、以及CD-ROM(只读光盘存储器)和DVD-ROM(数字多功能光盘只读存储器)。

所描述的不同实施方案的元件可组合以形成先前未具体阐述的其它实施方案。可从所描述的系统中省去元件而不会对其操作或总体上对整个系统的操作产生不良影响。此外，各种单独元件可组合成一个或多个单独元件以执行本说明书中所描述的功能。

在本说明书中未具体描述的其它实施方案也在所附权利要求的范围内。

要求保护的方案如权利要求所记载。

Claims (21)

1.一种激光工具，其被配置成在井眼内操作，所述激光工具包括：

整合器，所述整合器被配置成从激光头接收激光束并且将所述激光束与清洗介质组合；以及

导管，所述导管用以从所述清洗介质产生层流并且产生包括所述层流和所述激光束的输出，所述输出被导向所述井眼内的目标；

其中所述激光工具的至少一部分被配置成旋转以使得所述输出在施加到所述目标期间旋转。

2.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述导管附接到所述激光头，并且其中所述激光头能旋转以使得所述导管旋转。

3.根据权利要求2所述的激光工具，其中所述导管的旋转在所述目标上产生呈螺旋形状的冲击图案。

4.根据权利要求3所述的激光工具，其中所述激光工具被配置成旋转以通过从点开始并向外螺旋旋转来产生所述冲击图案。

5.根据权利要求3所述的激光工具，其中所述激光工具被配置成旋转以通过从点开始并向内螺旋旋转来产生所述冲击图案。

6.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述清洗介质包括气体。

7.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述清洗介质包括卤烃。

8.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述清洗介质包括液体。

9.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述整合器被配置成产生所述清洗介质的紊流；并且

其中所述导管被配置成将所述紊流转换成所述层流，所述层流围绕所述激光束。

10.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述激光束的光学功率在0.2千瓦(kW)到100kW的范围内。

11.根据权利要求1所述的激光工具，其中所述激光束的光学功率低于1.0千瓦(kW)。

12.根据权利要求1所述的激光工具，进一步包括：

连接器，所述连接器用以将所述激光工具连接到盘绕管柱，所述盘绕管柱用于使所述激光工具移动穿过所述井眼并在地层中产生的孔内移动，所述井眼延伸穿过所述地层。

13.根据权利要求1所述的激光工具，进一步包括：

相机，所述相机在所述导管上，用以在所述激光工具的操作期间捕捉图像或视频。

14.根据权利要求1所述的激光工具，进一步包括：

声传感器，所述声传感器在所述导管上，用以在所述激光工具的操作期间捕捉声音。

15.一种操作激光工具的方法，其包括：

将激光束与紊流中的清洗介质组合；

从所述紊流产生层流，所述激光束包含在所述层流内；以及

使所述激光工具旋转，同时从所述激光工具朝向井眼内的目标输出所述激光束和所述层流。

16.根据权利要求14所述的方法，其中使所述激光束旋转包括：

首先使所述激光工具旋转；以及

增大所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到穿过所述目标的至少一部分形成孔为止。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述孔形成之后，使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中；以及

在移动之后使所述激光工具旋转，以使得来自所述激光工具的所述激光束和所述层流朝向所述孔输出，其中在移动之后使所述激光工具旋转包括：

首先使所述激光工具旋转；以及

减小所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到所述孔延伸穿过所述目标的所述至少一部分为止。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述孔延伸之后，使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中；以及

在使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中之后，使所述激光工具旋转，以使得来自所述激光工具的所述激光束和所述层流朝向所述孔输出，其中在使所述激光工具移动到所述孔中之后使所述激光工具旋转包括：

首先使所述激光工具旋转；以及

增大所述激光工具的后续旋转的旋转直径直到所述孔进一步延伸穿过所述目标的所述至少一部分为止。

19.根据权利要求16所述的方法，其中使所述激光工具朝向所述孔移动或移动到所述孔中是使用盘绕管柱执行的。

20.根据权利要求14所述的方法，其中所述激光工具的旋转在所述目标上产生呈螺旋形状的冲击图案。

21.根据权利要求14所述的方法，其中所述清洗介质与使所述激光工具旋转的组合使得碎屑远离所述激光束的路径从所述目标排出。

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