CN114174633A - 激光器阵列钻孔工具及相关方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及使用井下激光工具激发含烃地层的系统和方法。

Description

激光器阵列钻孔工具及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年6月12日提交的标题为“激光器阵列钻孔工具及相关方法(LASER ARRAY DRILLING TOOL AND RELATED METHODS)”的第16/439,400号美国专利申请的优先权和权益，该申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及激光工具以及使用高功率激光器激发含烃地层的相关系统和方法。

背景技术

钻井孔激发是石油工程的一个分支，主要研究如何增加从地层到钻井孔的烃的流量，以进行生产。为了从目标地层产出烃，地层中的烃需要从地层流向钻井孔，以便产出并流向地面。从地层到钻井孔的流动通过地层渗透性实现。当地层渗透性较低时，激发会被用来增加流量。可在钻井孔周围及进入地层中进行激发，以在地层中建立网络。激发的第一步通常是将套管穿孔和固井，以便到达地层。将套管穿孔的一种方式是使用聚能装药。将聚能装药下放到钻井孔中至目标释放区。聚能装药的释放会产生穿过钢套管、水泥并进入地层的短隧道。

使用聚能装药有一些缺点。例如，聚能装药会在隧道周围形成一个致密区域，这会降低渗透性，并因此降低产量。聚能装药的高速冲击会压碎岩层，产生堵塞地层的孔喉的非常细的颗粒，从而降低流量和产量。隧道内有可能形成熔体。通过聚能装药产生的隧道的几何形状和方向无法控制。隧道的穿透深度和直径受到限制。在地面处理爆炸物时存在风险。

激发的第二阶段通常涉及通过聚能装药产生的隧道泵送液体。液体以超过地层破裂压力的速率进行泵送，使得地层和岩石断裂，这称为水力压裂。水力压裂主要使用称为水力压裂液的水基液体进行。水力压裂液会损害地层，尤其是页岩。水力压裂会在地层中产生裂缝，从而在地层和钻井孔之间形成网络。

水力压裂也有几个缺点。首先，如上文所提到，水力压裂可能会损害地层。另外，裂缝方向无法控制。众所周知，裂缝会闭合。由于管道中的水压力很高，地面会存在风险。还存在与添加到水力压裂液中的成分有关的环境问题，以及水力压裂所需的数百万加仑水的需求。

高功率激光系统也可用于井下应用，例如通过激光钻掘一个干净的受控制的孔来激发地层。激光钻孔通常节省时间，因为激光钻孔不像传统钻孔那样需要管道连接，它是一种更环保的技术，因为激光器是电力驱动的，排放量要少得多。但是，在定位和操纵激光工具以实现有效井下使用方面，仍然存在限制。

发明内容

在地层中钻孔的常规方法一直拘于通过使用机械力来旋转钻头。这种方法的问题包含损害地层、损害钻头，以及难以更精确地操纵钻孔组件。此外，钻掘坚硬地层的过程非常困难、缓慢且昂贵。然而，激光技术的当前技术水平可以用来应对这些挑战。一般来说，由于激光提供热输入，它会破坏颗粒之间的粘结和胶结，并轻松地将它们推开。钻掘坚硬的地层将更容易、更快，部分原因是所公开的方法和系统将不再需要在钻头磨损后将其从钻井孔中拔出进行更换，并且无论其抗压强度如何，都可以钻穿任何地层。

本公开涉及新的用于使用高功率激光能量在地下地层中钻孔的工具和方法。具体地说，所公开的工具和方法的各种实施例使用高功率激光器，其激光源(发生器)位于地面上，通常位于钻井孔附近，其中能量通过激光工具经由诸如光纤线缆之类的光传输介质沿钻井孔向下传送到井下目标。一般来说，在本申请中描述的工具可在任何方向上进行钻孔、穿孔和自我定向。

通常，激光产生单元配置成产生高功率激光束。激光产生单元与光纤线缆电连通。光纤线缆配置成传导高功率激光束。光纤线缆包含配置成耐高温和高压的绝缘电缆、配置成传导高功率激光束的保护性激光光纤线缆、配置成接收高功率激光束的激光地面端、配置成从光纤线缆发射原始激光束的激光线缆端。在一些实施例中，系统包含可选的外部套管或外壳，它们被放置在延伸于含烃地层内的现有钻井孔内，以进一步保护构成激光工具的光纤线缆、电力线或流体线。

在各种实施例中，激光工具包含光学组件，所述光学组件配置成对激光束进行整形以用于输出。激光束可具有至少一千瓦(1kW)的光功率。在一些实施例中，激光束具有多达10kW的光功率。激光工具提供在钻井孔和地层之间钻孔、穿孔和建立联系的构件，以实现最大化的产量和表征。它是一种集成工具，组合了高功率激光器与低功率激光器(光纤感测)的一个或多个阵列、定向构件、声学感测和光学组件。无论岩石强度、应力方向或地层类型如何，这个工具都能够在任何方向和长度上钻孔并对地层表征。

所述工具配置成使用多个高功率激光阵列和相关使用方法从常规和非常规储层钻孔和生产。通常而言，所述工具利用捆绑在工具主板中的多个光纤组件递送的光子功率，然后所述工具将这些光纤组件与保护性套管一起延伸出工具主板，到达地层中的不同目标，从而实现最大产量。工业中使用了基于喷射液(水)或酸类似的商业工具；然而，这些都有局限性，例如地层类型、地层应力和储层条件。所公开的工具和方法使用高功率激光技术代替流体，此技术不受应力影响，并且能够在任何条件下穿进任何地层。所公开的工具和方法可以通过将产生的隧道从钻井孔连接到含烃地层从而节省时间、降低成本和提高产量。

一方面，本申请涉及一种配置成在含烃地层内的钻井孔的井下环境中使用的激光穿孔工具。所述工具包含：设置在细长工具主体内的多个穿孔构件，其中每个穿孔构件配置成将钻井孔穿孔且包含一个或多个光传输介质。所述一个或多个光传输介质是源自配置成产生至少一个原始激光束的激光产生单元的光学路径的一部分，并且所述一个或多个光传输介质配置成传递所述至少一个原始激光束。所述工具还包含多个激光头，每个激光头联接到所述一个或多个光传输介质中的一个且配置成接收所述至少一个原始激光束；以及展开构件，所述展开构件用于使所述多个穿孔构件延伸通过设置在工具主体的侧壁中的一个或多个出口。每个激光头包含用于控制输出激光束的至少一个特征的光学组件。

在各种实施例中，所述工具包含围绕每个激光头的外周设置的多个定向喷嘴，所述多个定向喷嘴配置成控制每个穿孔构件在钻井孔内的运动和定向。在一些实施例中，展开构件包含围绕每个激光头的外周设置的多个定向喷嘴，所述多个喷嘴配置成向每个穿孔构件提供在钻井孔内的前向、反向或旋转运动。在一些实施例中，展开构件包含螺杆。

另外，所述工具可包含冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地设置在每个激光头之内或邻近每个激光头设置，且配置成将冲洗流体递送到每个输出激光束附近的区域。在一些实施例中，所述工具可包含控制系统，用于控制激光头的运动或位置，或者光学组件的操作中的至少一个，以在钻井孔内引导输出激光束。

光学组件可包含用于操纵原始激光束的一个或多个透镜。例如，光学组件可包含用于将原始激光束聚焦的第一透镜和用于将输出激光束整形的第二透镜。在一些实施例中，第一透镜和第二透镜之间的距离是可调的，以控制输出激光束的大小。

在各种实施例中，所述多个穿孔构件包含可从工具主体径向向外展开的八个穿孔组件的阵列。在一些实施例中，所述多个穿孔构件包含沿着工具主体与第一阵列相隔一距离设置并且可从工具主体径向向外展开的穿孔组件的第二阵列。

在一些实施例中，穿孔组件在展开后是基本上刚性的，并且限定基本上线性的路径，在其它实施例中，穿孔组件在展开后是基本上柔性的，并且限定基本上非线性的路径。在一些实施例中，穿孔组件可被操纵，并且可沿不规则或弯曲的路径行进。

此外，在一些实施例中，冲洗喷嘴的至少一部分是连接到真空源且配置成从输出激光束附近的区域去除碎屑和气态流体的真空喷嘴。另外，所述多个定向喷嘴可以是配置成向每个激光头提供推力以便其在钻井孔内移动的冲洗喷嘴。在一些实施例中，所述多个定向喷嘴可移动地联接到每个激光头，以便定向喷嘴能够相对于每个激光头旋转或枢转，以为每个激光头提供相对于工具的前向运动、反向运动、旋转运动或其组合。

在额外实施例中，所述工具包含联接到工具且配置成在钻井孔中相对于外部套管将工具固定到位的至少一个扶正器。在一些情况下，所述工具包含设置在工具主体上的多个扶正器，并且其中扶正器的第一部分设置在穿孔构件前面，且扶正器的第二部分设置在穿孔构件后面。

在一些实施例中，激光头是套管的设置在工具主体内并且可与穿孔构件一起展开的远侧部分，并且每个穿孔构件可设置在每个套管内。在一些情况下，穿孔构件可从套管拆除，并且套管配置成将含烃流体从地层传递到钻井孔。

另一方面，本申请涉及一种使用激光工具激发含烃地层的方法。所述方法包含以下步骤：在地层的钻井孔内定位激光工具，其中激光工具包含设置在其中的多个穿孔构件；以及通过一个或多个光传输介质传递由光学路径的起点处的激光产生单元产生的至少一个原始激光束，所述光学路径包含所述一个或多个光传输介质，且所述多个穿孔构件联接到所述激光产生单元。所述方法进一步包含：将所述多个穿孔构件展开到工具的主体之外；将原始激光束递送到设置在每个穿孔构件之内的光学组件；利用每个光学组件操纵原始激光束以从每个光学组件产生输出激光束；以及将输出激光束递送到地层。在一些实施例中，所述方法包含以下步骤：使用联接到穿孔构件的多个喷嘴使穿孔构件在钻井孔内定向。

定义

为了使本公开更容易理解，下面首先对一些术语进行定义。下列术语和其它术语的额外定义将在整个说明书中加以阐述。

在本申请中，除非自上下文可知为其它情况，否则术语“一”可理解为意指“至少一个/一种”。如本申请中所使用，术语“或”可理解为意指“和/或”。在本申请中，术语“包括”和“包含”可理解为涵盖详细列举的组件或步骤，无论是单独呈现还是连同一个或多个额外的组件或步骤一起呈现。如在本申请中所使用的，术语“包括(comprise)”和该术语的变体(例如“comprising”和“comprises”)并不意图排除其它添加物、组件、整数或步骤。

约、大致：如本文中所使用，术语“约”和“大致”等同使用。除非另外说明，否则术语“约”和“大致”可理解为允许存在如所属领域的一般技术人员所理解的标准偏差。在本文提供范围的情况下，端点被包含在内。本申请中结合或未结合约/大致使用的任何数字均意图涵盖相关领域中一般技术人员所了解的任何正常波动。在一些实施例中，除非另行说明或自上下文中显而易见(此类数字超过可能值的100％除外)，否则术语“大致”或“约”是指在所述参考值的任一方向上(大于或小于)与其相差不超过25％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或更小的一系列值。

在钻井孔附近：如本申请中所使用，术语“在钻井孔附近”是指钻井孔中或钻井孔周围岩层的区域。在一些实施例中，“在钻井孔附近”是指邻近钻井孔开口的地面区域，并且可与钻井孔相隔例如不到35米(m)(例如，与钻井孔相隔不到30米、不到25米、不到20米、不到15米、不到10米或不到5米)。

基本上：如本文中所使用，术语“基本上”是指展现感兴趣的特征或性质的全部或接近全部范围或程度的定性条件。

周界：如本文中所使用，术语“周界”是指物体的外边界或周边，而不管其形状如何，例如，不管它是圆形、卵圆形、矩形还是这些形状的组合。

所公开的系统和方法的这些和其它目标连同其优点和特征将通过参考以下描述和附图而变得显而易见。此外，应了解，所描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可按各种组合和排列存在。

附图说明

在附图中，相似的参考标号在不同视图中通常是指相同的部分。另外，附图未必按比例绘制，重点反而主要在于示出所公开的系统和方法的原理，而非意在限制。为清楚起见，可能没有在每个附图中都标记出每个组件。在以下描述中，参考以下各图描述了各种实施例，附图中：

图1是根据一个或多个实施例的设置在钻井孔内的高功率激光工具的示意图；

图2是根据一个或多个实施例的图1中所描绘的激光工具的示意图；

图3是根据一个或多个实施例的用于图2的激光工具的激光头的示意图；

图4是根据一个或多个实施例的图3的激光头的另一示意图；

图5是根据一个或多个实施例的图3的激光头的一部分的示意图；

图6是根据本发明的一个或多个实施例的示出为在含烃地层内展开的图2的激光工具的示意图；

图7是根据一个或多个实施例的激光头的四个操作步骤的示意图；

图8是根据一个或多个实施例的用于工具的光纤线缆的部分分解透视图；

图9是根据一个或多个实施例的替代性激光工具的示意图；

图10是根据一个或多个实施例的另一替代性高功率激光工具的示意图；

图11是根据一个或多个实施例的用于工具的刚性穿孔构件的图形表示；

图12是根据一个或多个实施例的用于工具的柔性穿孔构件的图形表示；

图13是在根据本文所公开的方法的一个或多个实施例的操作激光工具的一个实施例的之后的样本岩层的图形表示；

图14是根据本文所公开的方法的一个或多个实施例使用工具的结果的图形表示；且

图15A和15B是捆绑和展开线缆阵列的方法的图形表示。

具体实施方式

图1描绘了光纤激光穿孔工具20的一部分，此工具配置成通过任何服务提供商使用本领域已知的盘管单元、缆线或牵引器下降到井下。工具20包含工具主体28，所述工具主体容纳多个穿孔构件32(见图2)并限定围绕工具主体28的周界设置的一连串出口34，以允许穿孔构件32展开到地层20的钻井孔24中。工具20还包含扶正器36，用于在钻井孔24内将工具20固定到位并将一个区域(如果要在到达目标后在此区域执行特定任务)隔离开来。穿孔构件32参照图2-7更详细地描述。

扶正器36可根据需要设置在沿着工具主体28的各个点处以适配特定应用。扶正器36还可帮助支撑工具20的重量，并且可根据需要沿着工具主体28间隔开以使工具20在地层中延伸得更深。扶正器36可包含湿膨胀的弹性材料、可从地面进行液压或气动充气或者通过其它机械方式进行充气的气囊。

如图1中进一步示出的，工具20经由线缆26联接到设置在地面39上钻井孔24附近的激光产生单元30。线缆26可包含光传输介质(例如，光纤)，并根据需要包含任何电力或流体线以操作工具20。线缆26从激光产生单元30延伸到设置在工具主体28内的多个穿孔构件32。

图2用部分横截面描绘了激光工具20的一个实施例，以更好的示出穿孔构件32。工具20容纳穿孔构件32的捆束或阵列，每个穿孔构件包含用于将激光头38(见图3)联接到激光产生单元30的光纤线缆27。来自激光产生单元30的能量经由光纤线缆27被传输到工具20，具体而言，被传输到每个单独的穿孔构件32，光纤线缆以图8中所示的方式被遮蔽，以保护光纤线缆27免受井下环境影响。线缆27可按照行业中针对不同材料/应用的所用的相同方式捆绑在工具20内。出于说明性目的，图15A和15B提供常用的捆束布置的图像。在图15A和15B中可以看出，工具主体28的一部分被剖开，以显示以可展开方式固定在工具主体28内的一捆套管64。每个套管64容纳至少一根光纤线缆27。在一些实施例中，套管64可通过一个或多个夹具65或其它结构在主体28内对齐或固定，以将套管固定到位并引导其展开。

图8描绘了可以用坚硬或柔性壳体遮蔽的光纤线缆27的内部配置的一个示例。在这两种类型中，必须保护光纤免受高温、高压和井下条件(如流体、氢气、应力、振动等)的影响。如图所示，线缆27包含耐高温/耐高压套管64的外护罩，然后是耐高温/耐高压的绝缘电缆66，以保持光纤线缆的温度，因为高温会损坏线缆，然后是保护线缆68(通常由光纤制造商提供)，然后是用于递送原始激光束的光纤62。

通常而言，坚硬的外部套管64由例如不锈钢材料或可用于穿透地层和承受井下条件的其它材料的材料制成。图11中描绘了由不锈钢制成的实验套管的示例。图11中所示的套管是刚性的，并且以基本上直线的方式展开。替代地，可以使用柔性套管164，如图12中所示的套管。对于柔性套管164，激光头138应包含定向构件，例如稍后要描述的定向构件，以将线缆26引导到地层中。

返回参考图2，工具20将多条光纤线缆27固定为在工具主体28内纵向铺开的捆束或阵列。所示工具20包含八(8)个单独的线缆27；然而，各种实施例将根据需要包含不同数目的线缆27以适配特定应用，并且可包含例如两个、四个、六个、十个或更多个线缆，或者甚至包含沿工具主体设置在不同位置的线缆组(见图9)。线缆27在工具20中插入并对准，其尖端(激光头38)与出口34对准，使得一个线缆27与一个出口34对准。当工具20到达目标时，线缆27将从工具主体28展开。在一些实施例中，通过地面上作用于主线缆26的至少一部分的致动器将线缆27推出工具20。致动器可以是电动、液压或气动驱动的。

在各种实施例中，线缆27还可由随后要描述的定向喷嘴44展开，或由定向喷嘴44辅助展开。图2所示的出口34设置在工具主体28周界的径向相对的表面上；然而，出口34可沿工具主体20定位在任何位置以适配特定应用。例如，在一些实施例中，出口可以按照螺旋状模式定向，其中出口34沿工具主体的长度间隔开，并以规则的角度间隔(例如，每30度)或不规则的间隔径向偏移以适配特定应用。另外，工具20可由扶正器垫片36扶正，扶正器垫片可在目标位置充气，以确保工具20位于钻井孔中心并与目标正确对准。工具20还可配备测井和感测以识别目标，例如光纤线缆、声学传感器或声波测井。

激光头38在图3-5中详细描述。参考图3，示出激光头38设置在每个线缆27的远端，并容纳光学组件40以构成基本的穿孔构件32。在一些实施例中，激光头38是套管64的远端部分，光纤线缆固定在套管64中。激光头38可通过本领域已知的各种机械构件中的任何一种联接到线缆27，以将原始激光束41提供给光学组件40，光学组件40根据需要包含一个或多个透镜，用于调节原始激光束41以适配特定应用。

图3所示的光学组件包含第一透镜48、第二透镜50和覆盖透镜52。在操作中，原始激光束41经由第一透镜48进入激光头38和光学组件40，这将使光束聚焦于一点，然后光束将散焦到第二透镜50中，这可根据需要对光束进行整形或准直以适配特定应用以及所需要的光束尺寸和形状。在各种实施例中，透镜48、50之间的距离可进行调整以控制光束尺寸。光束作为整形后的输出光束42通过覆盖透镜52离开激光头。

另外，如图4和5中更详细地示出，每个激光头38还可包含多个定向喷嘴44和多个冲洗喷嘴46。冲洗喷嘴46安置在头38内部，用于冷却光学组件并防止碎屑的任何回流进入到头38中。可以使用水或卤烃流体或总体上对激光束波长无害且透明的任何流体或气体来去除碎屑。冲洗流体58可流经设置在激光头38内的通道59。根据各种实施例，喷嘴46的一部分可以是连接到真空源且适配成从激光头38周围或内部去除碎屑和气态流体的真空喷嘴。

定向喷嘴44位于激光头38的外表面。在示出的实施例中，存在示出的四(4)个喷嘴44设置在激光头38上且围绕其外周均匀间隔开。但是，定向喷嘴44的不同数量和布置是可能的，以适配特定应用。例如，如果定向喷嘴44用于帮助从工具主体28展开穿孔构件32，那么可能会有额外的喷嘴44设置在激光头38上。

一般来说，头38通过控制流经喷嘴44的流体(无论液体或气体)流来定向。例如，通过在后向方向45上引导流体流，如图5中所示，头38将利用推力作用在钻井孔中向前推动，其中喷嘴44的开口43朝向头38的相反方向，并且流体向后流动，从而提供向前移动穿孔构件32的推力。控制流速将控制钻井孔内穿孔构件32的速度。用于提供推力的流体可从地面供应，并通过包含在线缆26内的流体线递送。

如图5中所示，存在四(4)个喷嘴44a、44b、44c、44d，它们在激光头38周围均匀间隔开。每个喷嘴44使流体流动以允许头38移动，并且可以单独控制。例如，如果喷嘴44a是唯一打开的喷嘴，那么头38将向南转动，转动程度取决于来自所述喷嘴44a的受控流速。如果所有喷嘴44均匀打开，那么工具将根据喷嘴44的位置线性地向前或向后移动。

在各种实施例中，喷嘴44可以固定方式连接到激光头38以进行有限的运动控制，或可移动地安装到激光头38以对穿孔构件32进行基本上无限制的运动控制。在一个实施例中，喷嘴44通过带有旋转接头的伺服电机可移动地安装在激光头38上，所述旋转接头可控制喷嘴开口43是朝后(前向运动)、朝前(反向运动)还是与中心轴47成一角度(旋转运动或线性和旋转运动的组合，取决于喷嘴44相对于中心轴47的角位移)。例如，如果喷嘴44垂直于中心轴对准，那么喷嘴44将仅提供旋转运动。如果喷嘴44平行于中心轴47，那么喷嘴44将仅提供线性运动。至于相对于中心轴47的任何其它角位置，则提供了旋转和线性运动的组合。用于提供推力的流体线可经由本领域中已知的旋转耦合器联接到喷嘴。

图4描绘了具有额外特征的激光头38，例如用于温度、压力或这两者的光纤传感器54；以及声学感测/测井光纤56，以用于监测工具20的性能，并在测井时收集地层信息。

通常而言，使用本文中所公开的高功率激光工具的各种优点包含：无需使用化学品(例如酸或其它化学品)来穿透地层，以及无需使用高压和外力(例如喷射)来钻孔。然而，激光器仍然需要一个或多个流体，但这些流体用于冲洗和清洁孔中的碎屑，为激光束开辟路径，并使激光头38定向。图4描绘了激光头38的内部配置，其配置成使冲洗流体58与激光束42合并。如图4所示，流体58与光束42合并，其中流动方向60纵向穿过在激光头38内形成的通道59。

图6描绘了呈展开配置的激光工具20，其中穿孔构件32已通过出口34扩展到工具主体28之外。如先前论述，示出的实施例包含八(8)个穿孔构件32，包含光纤线缆27a-27h和激光头38a-38h。所描绘的穿孔构件32是基本上刚性的。

在各种实施例中，工具20通过盘管单元引入钻井孔24中，盘管单元配置成为工具提供卷动、动力和流体，并承载所有激光支撑设备。激光源也联接到盘管单元。将工具20插入钻井孔时，关闭激光产生单元30。一旦工具20到达目标(通常为裸孔)，扶正器36充气以将工具扶正在该位置，并且激光器将与冲洗喷嘴44和定向喷嘴44(若包含)的冲洗流体源一起开启。如图15B所示，穿孔构件32将从盘管或借助工具20自身通过螺杆68展开到地层中。

在各种实施例中，每个带护罩的光纤线缆27的直径约为一(1)英寸。因此，一个八(8)英寸的钻井孔可以容纳七(7)个光纤线缆，依此类推。图9描绘了其中激光器开启且穿孔构件132深入地层122穿透的操作。因为穿孔构件132的线缆127基本上是刚性的(例如，见图11)，所以穿孔构件132以基本上直线的方式穿透。穿孔构件132可以达到所需的深度，因为线缆127可以与从地面进入钻井孔和工具120的钻柱一样长。通常，图9中描绘的实施例具有与先前描述的工具20相同的基本结构；然而，穿孔构件132的数量和位置不同。确切地说，沿工具120的长度设置有多个阵列，该阵列被扶正器136分成不同的区域。

在一些实施例中，必须通过将穿孔构件操纵到目标来到达目标。图10描绘了工具220的实施例，其中穿孔构件232使用具有定向能力的带柔性套管264(例如，见图12)的线缆，例如具有先前描述的定向喷嘴44。与图9所示的工具类似，工具220包含沿工具220的长度设置的多个阵列，该阵列被扶正器236分隔成不同的区域。如在图10中可以看出的，穿孔构件232可基本上垂直于工具主体228展开，并根据需要沿不规则路径转向以到达所需目标。根据需要，路径可包含任意数量的直线段和曲线段以及直线段和曲线段的任意组合。在一些实施例中，在地层内操纵穿孔构件232的能力能够实现更深和更有针对性的穿透。

在各种实施例中，本文中所公开的工具20、120、220包含额外喷嘴或容纳线缆27、127、227的套管70，以帮助在地层内展开和推进线缆27、127、227。套管70可以是预穿孔的或网状的，以允许油或气从地层22、122、222流入钻井孔。在一些实施例中，一旦穿孔构件和套管70到达其预期目标，就可以收回光纤线缆27，并且可以将另一组光纤线缆用于钻井孔中的不同位置。替代地或另外，可以拆除线缆27以允许气或油通过套管70流向钻井孔。

图7描绘了线缆27的收回过程。步骤A示出外部套管70的激光头部分，其具有定向喷嘴和流体冲洗通道的这类特征，但没有插入光纤线缆。步骤B示出套管头的当前内部配置，其中光纤线缆27附接到套管头上。步骤C示出从头拧下或拔下光纤线缆27，并将其从套管70上拆下，这可以通过盘管单元完成。通常而言，光纤线缆27可以通过任何已知的机械紧固构件固定在套管的激光头38部分内，例如螺纹五金件、快卸接头、磁铁或充气/放气装置。例如，对于充气/放气装置，可以在连接时对连接进行充气，并针对取回而放气。充气/放气可通过电气、液压或机械方式控制。步骤D示出完全拆除光纤线缆27以及流入套管70的烃流体72。在此实施例中，套管70用作完井管，流体通过此完井管流入钻井孔。在一些实施例中，可将替代性光纤线缆或其它工具插入套管70以执行额外任务。

使用高功率激光技术的一个优点是，无论岩石的应力和类型如何，都能产生可控的、无害的、干净的孔。图13表示本文所述的工具的概念示例的验证。如右侧所示，将单个光纤线缆327和套管370引入样本岩层322。左边是使用根据本文描述的一个或多个实施例的工具将一系列孔374钻入地层322中之后的岩层322。

如图14的图表所示，本文中所公开的激光工具已被证明能穿透所有类型的岩石，而与岩石的强度和应力方向无关。此图表示各种材料的穿透率(ROP)，单位为英尺/小时(ft/hr)，其中BG和BY＝布雷亚灰岩(Brea Gray)，Ls＝石灰石，Sh＝页岩，Sst＝砂岩，且GW和GF＝花岗岩。使用的激光强度为2kW、3kW和6kW的功率。

一般来说，井下激光工具的构造材料可以是任何类型的材料，这些材料可以耐受现有钻井孔内可能经历的高温、高压和高振动，并且可以保护系统免受流体、粉尘和碎屑的影响。耐硫化氢的材料也是可取的。本领域的普通技术人员将熟悉合适的材料。

激光产生单元可以激发能量到一个高于含烃地层的升华点水平，并作为原始激光束输出。本领域的技术人员可确定使含烃地层升华所需激光束的激发能量。在一些实施例中，可调谐激光产生单元以根据不同含烃地层的需要将能量激发到不同水平。含烃地层可包含石灰岩、页岩、砂岩或含烃地层中常见的其它岩石类型。释放的激光束可以穿透钻井孔套管、水泥和含烃地层以形成例如孔或隧道。

激光产生单元可以是能够产生高功率激光束的任何类型的激光单元，例如，镱、铒、钕、镝、镨和铥离子的激光器，所述高功率激光束可以通过光纤线缆传导。在一些实施例中，激光产生单元包含例如5.34-kW掺镱多包层光纤激光器。在一些实施例中，激光产生单元可以是能够以最小损耗递送激光的任何类型的激光器。激光产生单元的波长可由本领域的技术人员根据穿过含烃地层的需要确定。

激光工具的至少一部分及其各种修改可至少部分地由计算机程序产品控制，例如有形地体现在一个或多个信息载体中的计算机程序，例如体现在一个或多个有形机器可读存储介质中，以供数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作，数据处理设备例如是本领域的普通技术人员熟悉的可编程处理器、一台计算机或多台计算机。

预期本申请的系统、装置、方法和过程涵盖使用随附描述中所描述的实施例的信息开发的变型和调适。本说明书中描述的方法和过程的调适或修改可由相关领域的一般技术人员执行。

贯穿说明书，其中的组合物、化合物或产物被描述为具有、包含或包括特定组分，或其中的过程和方法被描述为具有、包含或包括特定步骤，此外，还预期存在本申请的基本上由所述组分组成或由所述组分组成的物品、装置和系统，并且存在根据本申请的基本上由所述处理步骤组成或由所述处理步骤组成的过程和方法。

应理解，步骤的次序或用于执行某些动作的次序并不重要，只要所描述的方法保持可操作即可。此外，可同时进行两个或更多个步骤或动作。

Claims (24)

1.一种配置成在含烃地层内的钻井孔的井下环境中使用的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具包括：

多个穿孔构件，所述多个穿孔构件设置在细长工具主体内，每个穿孔构件配置成将钻井孔穿孔且包括：

一个或多个光传输介质，所述一个或多个光传输介质是源自配置成产生至少一个原始激光束的激光产生单元的光学路径的一部分，所述一个或多个光传输介质配置成传递所述至少一个原始激光束；以及

激光头，所述激光头联接到所述一个或多个光传输介质且配置成接收所述至少一个原始激光束，所述激光头包括用于控制输出激光束的至少一个特征的光学组件；以及

展开构件，所述展开构件用于使所述多个穿孔构件延伸通过设置在所述细长工具主体的侧壁中的一个或多个出口。

2.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具进一步包括围绕所述激光头中的每一个激光头的外周设置的多个定向喷嘴，所述多个定向喷嘴配置成控制所述多个穿孔构件中的每一个穿孔构件在所述钻井孔内的运动和定向。

3.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述展开构件包括围绕所述激光头中的每一个激光头的外周设置的多个定向喷嘴，所述多个定向喷嘴配置成向所述多个穿孔构件中的每一个穿孔构件提供在钻井孔内的前向、反向或旋转运动。

4.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述展开构件包括螺杆。

5.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具进一步包括冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地设置在所述激光头中的每一个激光头之内或邻近所述激光头中的每一个激光头，且配置成将冲洗流体递送到输出激光束中的每一个激光束附近的区域。

6.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具进一步包括控制系统，用于控制所述激光头的运动或位置，或者所述光学组件的操作中的至少一个，以在所述钻井孔内引导输出激光束。

7.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述光学组件包括用于操纵所述原始激光束的一个或多个透镜。

8.根据权利要求7所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述光学组件包括用于将所述原始激光束聚焦的第一透镜和用于将输出激光束整形的第二透镜。

9.根据权利要求8所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离是可调的，以控制输出激光束的大小。

10.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个穿孔构件包括能够从所述细长工具主体径向向外展开的八个穿孔组件的阵列。

11.根据权利要求10所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个穿孔构件包括沿着所述细长工具主体与第一阵列相隔一定距离设置，且能够从所述细长工具主体径向向外展开的穿孔组件的第二阵列。

12.根据权利要求10所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述穿孔组件在展开后是基本上刚性的，并且限定基本上线性的路径。

13.根据权利要求10所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述穿孔组件在展开后是基本上柔性的，并且限定基本上非线性的路径。

14.根据权利要求13所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述穿孔组件可被操纵以限定不规则或弯曲的路径。

15.根据权利要求5所述的激光穿孔工具，其特征在于，冲洗喷嘴的至少一部分是真空喷嘴，所述真空喷嘴连接到真空源且配置成从输出激光束附近的区域去除碎屑和气态流体。

16.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个定向喷嘴是冲洗喷嘴，配置成向所述激光头中的每一个激光头提供推力，以便其在所述钻井孔内移动。

17.根据权利要求16所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个定向喷嘴可移动地联接到所述激光头中的每一个激光头，以便所述多个定向喷嘴能够相对于所述激光头中的每一个激光头旋转或枢转，以提供所述激光头中的每一个激光头相对于所述激光穿孔工具的前向运动、反向运动、旋转运动或其组合。

18.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具进一步包括至少一个扶正器，所述至少一个扶正器联接到所述激光穿孔工具且配置成在所述钻井孔中相对于外部套管将所述激光穿孔工具固定到位。

19.根据权利要求18所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光穿孔工具包括设置在所述细长工具主体上的多个扶正器，并且其中第一部分的扶正器设置在所述多个穿孔构件前面，且第二部分的扶正器设置在所述穿孔构件后面。

20.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述激光头是套管的设置在所述工具主体内并且能够与所述多个穿孔构件一起展开的远侧部分。

21.根据权利要求20所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个穿孔构件设置在每一个套管之内。

22.根据权利要求21所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个穿孔构件能够从套管拆除，并且所述套管配置成将含烃流体从所述含烃地层传递到所述钻井孔。

23.一种使用激光工具激发含烃地层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在含烃地层的钻井孔内定位所述激光工具，所述激光工具包括设置在其中的多个穿孔构件；

通过一个或多个光传输介质传递由光学路径的起点处的激光产生单元产生的至少一个原始激光束，所述光学路径包括所述一个或多个光传输介质，其中所述多个穿孔构件联接到所述激光产生单元；

将所述多个穿孔构件展开到所述激光工具的主体之外；

将所述原始激光束递送到设置在所述多个穿孔构件中的每一个穿孔构件之内的光学组件；

利用每个光学组件操纵所述原始激光束以从每个光学组件产生输出激光束；以及

将所述输出激光束递送到所述含烃地层。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：利用联接到所述多个穿孔构件的多个喷嘴而使所述多个穿孔构件在所述钻井孔内定向。

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