CN116529456A - 用于加热/压裂增产工具的高功率激光使能器及其方法 - Google Patents

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Abstract

一些实施例可涉及一种用于在地层(3)中进行钻井的钻井工具(1)。该钻井工具1可以包括具有激光输入端(23)和激光输出端25的光纤(15)以及光学地连接到激光输入端(23)的激光源(13)。此外，钻井工具(1)可以包括具有活化剂入口(17)和活化剂出口(19)的活化剂导管9以及连接到活化剂入口(17)并且供应活化剂的活化剂源(7)。最后，钻井工具(1)可以包括钻头(11)。在一些实施例中，钻头(11)可以包括：喷嘴(21)，该喷嘴(21)连接到活化剂出口(19)，并且将活化剂排放到地层(3)的区域(17)上；以及激光头(27)，该激光头(27)光学地连接到激光输出端(25)并且被布置为对地层(3)的具有活化剂的区域(17)的至少一部分进行激光处理。

Description

用于加热/压裂增产工具的高功率激光使能器及其方法
背景技术
井筒增产是石油工程的一个分支，其重点在于增强烃从地层到井筒的流动以进行生产的方法。为了从目标地层生产烃，地层中的烃需要从地层流到井筒，以便被采出并流到地面。从地层到井筒的流动可取决于地层渗透率。当地层渗透率较低时，采用增产措施来增强流动。可以在井筒周围和地层中施加增产措施，以在地层中建立网络。
一种井筒增产方法使用井下激光工具来穿透和烧蚀含烃地层。在这样的系统中，激光地面单元将能量激发至高于含烃地层的升华点的水平，以形成高功率激光束。该高功率激光束经由光纤从激光地面单元传输到期望的井下位置。在光纤的井下端处，激光束进入钻头，该钻头指引并聚焦高功率激光束。最后，从变换器释放高功率激光束以烧蚀预期的含烃地层。
发明内容
一些实施例可涉及一种用于在地层中进行钻井的钻井工具。所述钻井工具可以包括具有激光输入端和激光输出端的光纤以及光学地连接到所述激光输入端的激光源。此外，所述钻井工具可以包括具有活化剂入口和活化剂出口的活化剂导管以及连接到所述活化剂入口并且供应活化剂的活化剂源。最后，所述钻井工具可以包括钻头。在一些实施例中，所述钻头可以包括：喷嘴，该喷嘴连接到所述活化剂出口，并且将所述活化剂排放到地层的区域上；以及激光头，该激光头光学地连接到所述激光输出端，并且被布置为对所述地层的具有所述活化剂的区域的至少一部分进行激光处理。
在一些实施例中，所述活化剂可以在激光处理时提高所述地层的区域的一部分的能量吸收。
在一些实施例中，所述活化剂可以包括活化材料，该活化材料具有深色、高孔隙率、高表面积、小颗粒尺寸、高光吸收或低光反射中的至少一个。
在一些实施例中，所述活化剂可以包括活化材料，该活化材料包括活性炭、石墨、炭黑、碳纳米管、纳米颗粒、涂料、染料、二硫化钼、过渡金属硫族化物或超材料中的至少一种。
在一些实施例中，所述活化剂还可以包括输送流体，使得所述输送流体和所述活化材料在进入所述活化剂入口之前进行混合。
在一些实施例中，所述输送流体可以包括水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的至少一种。
在一些实施例中，所述钻井工具还可以包括：运载流体导管，该运载流体导管具有运载流体入口和运载流体出口；以及运载流体源，该运载流体源连接到所述运载流体入口并且供应运载流体，该运载流体将所述活化剂运载出所述喷嘴。
在一些实施例中，所述运载流体可以包括空气、氮气、氧气、氩气、水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的至少一种。
在一些实施例中，所述钻头还可以包括铰接模块，该铰接模块被配置为使所述喷嘴和所述激光头指向所述地层的所述区域。
在一些实施例中，所述钻头还可以包括旋转模块，该旋转模块被配置为使所述喷嘴和激光头指向所述地层的所述区域。
在一些实施例中，所述旋转模块可以具有旋转轴，该旋转轴位于将所述钻头分成第一半部和第二半部的平面中。在一些实施例中，可以将所述喷嘴设置在所述第一半部上，并且将所述激光头设置在所述第二半部上。
一些实施例可涉及一种使用活化剂和激光在地层中进行钻井的方法。在一些实施例中，所述方法可以包括：将钻头插入井筒；将所述钻头推进到所述地层的区域；使用所述钻头中的喷嘴将活化剂排放到所述地层的所述区域；使用所述钻头中的激光头对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理。
在一些实施例中，所述方法还可以包括操纵所述钻头，使得所述喷嘴指向所述地层的所述区域。
在一些实施例中，排放所述活化剂还可以包括在从所述喷嘴排放所述活化剂的同时栅格化所述喷嘴。
在一些实施例中，排放所述活化剂还可以包括操纵所述钻头。
在一些实施例中，所述方法还可以包括操纵所述钻头，使得所述激光头指向所述地层的所述区域。
在一些实施例中，对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理还可以包括在激光处理的同时栅格化所述激光头。
在一些实施例中，对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理还可以包括操纵所述钻头。
在一些实施例中，所述方法还可以包括将运载流体供应到位于所述钻头附近的活化剂源，使得所述运载流体将所述活化剂从所述活化剂源运载出所述喷嘴。
在一些实施例中，所述方法还可以包括将运载流体供应到限定在活化剂导管中的中间开口，使得所述运载流体将所述活化剂从所述中间开口附近运载出所述喷嘴。
根据以下描述和所附权利要求，本发明的其他方面和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图2示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图3示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图4示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图5示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图6示出了根据一个或多个实施例的钻井工具的示意图。
图7示出了所述方法的一个或多个实施例的流程图。
图8A至图8C示出了根据一个或多个实施例进行的三个实验的最高温度的等温线图。
图9A至图9C示出了根据一个或多个实施例进行的三个实验的温度作为时间的函数的曲线图。
在所有附图中，相似的附图标记通常用于相似的部件。
在图中，下是指朝向或位于附图的底部，上是指朝向或位于附图的顶部。“上”和“下”通常相对于局部竖直方向进行取向。然而，如在本公开全文中所使用的，术语“上流”和“下流”可以指相对于过程或流体流动的一般方向的位置，其中上流指的是更接近过程开始的方向或位置，而下流指的是更接近过程结束的方向或位置。本领域技术人员将容易理解，除非另外具体说明，否则一个对象或过程可以是另一对象或过程的上流或下流，而与相对于竖直取向的位置没有一般关系。
具体实施方式
虽然使用高功率激光能量进行激光处理可能会使某些地层的温度突然升高，从原始储层温度升高到2000℃，但其他地层可能仅达到880℃。重要的是，较低的温度可能不足以使岩层升华并因此促进井筒生产。
地层中达到的最高温度反映了由给定岩石吸收的激光能量的量。虽然许多因素都有助于由地层吸收的激光能量的量，但主要因素是地层的颜色。为此，较亮颜色的表面比较暗颜色的表面反射更大部分的入射激光。
为了提高由地层吸收的激光能量的量，本公开提供了一种方法和设备，用于首先利用提高吸收的活化剂喷射地层的区域，然后对地层的现在涂覆有活化剂的区域进行激光处理。
图1示出了钻井工具1的一个或多个实施例，该钻井工具1位于包括地层5的井筒3中。
钻井工具1包括活化剂源7，该活化剂源7连接到终止于钻头11中的活化剂导管9。活化剂存储在活化剂源7中，并经由活化剂导管9输送到钻头11。
钻井工具1还包括激光源13，该激光源13连接到终止于钻头11中的光纤15。将钻头11定位成使得其能够与区域17相互作用。激光在激光源13中生成并经由光纤15传送到钻头11。
活化剂源7和激光源13位于井筒3的表面4上方。
激光源13可生成高功率激光(例如，具有至少10kW、至少20kW、至少100kW或在兆瓦范围内的输出功率的激光)。光纤15可以是被配置为传输高功率激光的光纤电缆。光纤15可以在激光源13和钻头11之间传输激光。给定井筒3的深度，光纤15可以是数千米长，例如5km、20km或更长。
如先前所讨论的，活化剂可用于通过提高能量吸收来改善地层的激光吸收特性。在一些实施例中，活化剂可以包括活化材料。在一些实施例中，活化材料可以具有深色、高孔隙率、高表面积、小颗粒尺寸、高光吸收、低光反射或其组合。在一些实施例中，活化材料可以是固体或液体。在一些实施例中，活化材料可以是活性炭、石墨、炭黑、碳纳米管、纳米颗粒、涂料、染料、二硫化钼、过渡金属硫族化物、超材料或其组合。
仅包括活化材料的活化剂的一个说明性示例是染料。在如图1和图2所示的钻井工具1中，染料(活化材料)被存储在表面4处、活化剂源7中，沿活化剂导管9向下流动，并从喷嘴21喷出。
在一些实施例中，活化剂可以包括活化材料和输送流体两者。在一些实施例中，活化材料可与输送流体混合，并且通过输送流体从活化剂源7输送通过活化剂导管9并离开喷嘴21。在一些实施例中，输送流体可以包括液体，例如水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇或其组合。在一些实施例中，输送流体可以是内部黏性的、表面粘性的或两者兼有，以帮助活化剂附着于井筒3内的区域17。在一些实施例中，活化剂还可以包括一种或多种添加剂，例如表面活性剂、增黏剂、润湿剂、乳化剂等。
包括输送流体和活化材料的活化剂的一个说明性示例是在水(输送流体)中的活性炭(活化材料)。如先前所提及的，这样的混合物还可以包括一种或多种添加剂(例如表面活性剂)，以帮助保持活性炭悬浮在水中。在图1和图2中，这样的活性炭/水混合物被存储在表面4处、活化剂源7中，沿活化剂导管9向下流动，并从喷嘴21喷出。
图2示出了根据一个或多个实施例的图1中所示的钻井工具1的横截面。
活化剂导管9包括连接到活化剂源7的活化剂入口17和流体地连接到钻头11中的喷嘴21的活化剂出口19。因此，活化剂导管9将活化剂源7连接到喷嘴21，使得活化剂可以从喷嘴21喷射。
在喷嘴21内，活化剂可遇到本领域已知的一个或多个流体部件。这些流体部件可以包括一个或多个部件(例如，泵、导管、入口、出口、喷雾器、混合器、扩散器和喉部)。这些流体部件可在喷嘴21内和/或在从喷嘴21发射时指引活化剂或对活化剂进行加压。在一些实施例中，活化剂可穿过喷嘴21内的一个或多个部件，以在从喷嘴21发射之前或期间控制活化剂的规模和方向。在一些实施例中，当从喷嘴21发射时，取决于应用，活化剂可具有任何喷雾图案(例如，实心流、薄雾、雾、扁平扇形、双扁平扇形、中空圆锥、实心圆锥或螺旋形全圆锥)、任何喷雾角度/几何形状(例如，宽或窄)以及任何喷雾几何形状(例如，圆形或椭圆形)。在一些实施例中，喷嘴21可被配置为在活化剂从喷嘴21发射时将活化剂栅格化。
类似地，光纤15包括连接到激光源13的激光输入端23和连接到钻头11中的激光头27的激光输出端25。因此，光纤15将激光源13连接到激光头27，使得可以从激光头27发射激光。
在激光头27内，激光可遇到本领域已知的一个或多个光学部件。这些光学部件可以指引激光或对激光进行整形。这些光学部件可以包括一个或多个透射部件(例如，透镜、滤光器、窗口、光学平面、棱镜、偏振器、分束器、波片和附加的光纤)或反射部件(例如，反射镜和后向反射器)。在一些实施例中，激光可以穿过激光头27内的一个或多个透镜，以在从激光头27发射之前或期间控制激光的尺寸和方向。在一些实施例中，取决于应用，从激光头27发射的激光可以被聚焦或准直。在一些实施例中，激光头27可以被配置为在激光从激光头27发射时对激光进行栅格化。
在一些实施例中，激光头27、喷嘴21或两者可以在钻头11的径向侧28上从钻头11发射。
由于井筒经常不是竖直的(如在水平钻井中)，因此如这里所示的z方向可以平行于井筒3的在钻头11附近的区域中的井下方向。这里所示的球面坐标参考轴还包括θ，即垂直于z方向的方位角。
钻井工具1还包括旋转模块29，该旋转模块29使钻头11围绕旋转轴31旋转，如箭头33所示。因此，旋转模块29可以改变钻头11的方位角θ。本领域技术人员将理解，可在旋转模块29中包括公知结构。
可以使用其他装置沿z方向操纵钻头11，例如通过使用本领域已知的设备在井筒3内推进/撤回钻井工具11。
旋转轴31可以垂直于钻头11的轴向端32。旋转轴31可以平行于所示的z方向。箭头33可以指示沿θ方向的旋转。
旋转轴31可以位于将钻头11分成第一半部35和第二半部37的平面(未示出)中。在一些实施例中，喷嘴21可以位于钻头11的第一半部35中，激光头27可以位于钻头11的第二半部37中。旋转模块29可用于布置钻头11，使得喷嘴21和激光头27可以相继地指向地层内的相同区域，如进一步所描述的。
在图2中，喷嘴21和激光头27位于钻头11的相对侧上，使得喷嘴21和激光头27之间的角度约为180°。因此，喷嘴21和激光头27分别沿相反的方向发射活化剂和激光。虽然钻头11在图1至图5中被示为圆柱体，但是本领域技术人员将理解，钻头11可以具有任何形状，包括立方体、矩形棱柱、长方体或六棱柱。
在一些实施例中，喷嘴21和激光头27之间的角度在一些实施例中可以是除了180°之外的角度(例如，45°、60°、120°、270°或其他)。另外，钻头11的一些实施例可以有多于一个喷嘴21和/或多于一个激光头27。在这样的实施例中，每个喷嘴21/激光头27可以连接到单独的源，或者可以使用本领域已知的分裂器使单个源分开并指向每个喷嘴21/激光头27。
壳体39保护钻头11的部件免受井筒3中存在的环境的影响。类似地，护套41保护活化剂导管9和光纤15免受井筒3中存在的环境的影响。钻井工具1的附加模块(例如旋转模块29)可以在壳体39和/或护套41内，或者可以包括保护性覆盖物和/或涂层，以保护免受井筒3中存在的环境的影响。
图3示出了根据一个或多个实施例的钻井工具101的横截面示意图。与图2一样，激光源13经由光纤15连接到钻头11中的激光头27。
与图2不同，活化剂源107不是位于表面4上，而是位于钻头11附近。具体而言，活化剂源107位于旋转模块29的顶部，而旋转模块29位于钻头11的顶部。在一些实施例中，活化剂源107可位于钻头11内或位于钻头11附近的部件中，例如位于相邻或附近的附属部件(sub)内。
一些实施例(例如图3所示的实施例)可采用运载流体。该运载流体用于将活化剂从活化剂源107运载出喷嘴21。运载流体被存储在位于表面4上方的运载流体源143中。运载流体从运载流体源143流过运载流体入口145、运载流体导管147和运载流体出口149，并流入活化剂源107。因此，运载流体和活化剂在活化剂源107内进行混合。
在一些实施例中，运载流体可以是液体或气体。在一些实施例中，运载流体可以包括水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、空气、压缩空气、氮气、氧气、氩气或其组合。在一些实施例中，运载流体可以是内部黏性的、表面粘性的或两者兼有，以帮助活化剂附着于井筒3内的区域17。在一些实施例中，运载流体还可以包括一种或多种添加剂，例如表面活性剂、增黏剂、润湿剂、乳化剂和其他添加剂，以提高活化剂与运载流体混合的能力。
运载流体和活化剂的一个说明性示例是水(运载流体)和活性炭(活化材料)的组合。这里，水被用作运载流体，而不是如在前面的示例中所讨论的那样被用作输送流体。在图3中，水(运载流体)被存储在表面4上方的运载流体源143中，而活性炭(活化材料)被存储在钻头11附近的活化剂源107中。因此，水(运载流体)沿运载流体导管147向下流到活化剂源107。在活化剂源107内，水(运载流体)和活性炭(活化材料)混合。因此，水和活性炭的混合物沿活化剂导管9向下流动，并且该混合物从喷嘴21喷出。本领域技术人员将理解，在这样的实施例中，活化剂源107可以如何包括一个或多个部件(例如，搅拌器、混合器、雾化器等)以改善运载流体和活化剂的混合。
图4示出了钻井工具201的另一个实施例，该钻井工具201具有针对活化剂源207的不同配置，其中运载流体和活化剂在活化剂导管209内混合。
在图4中，活化剂源207位于钻头11内并在喷嘴21的竖直下方。在一些实施例中，活化剂源207可位于钻头11内的任何位置，包括在喷嘴21的竖直上方、与喷嘴21齐平、或在喷嘴21的下方。在这样的实施例中，活化剂导管209可以包括附加部件，例如毛细材料导管或泵(或两者兼有)，以使活化剂竖直移动、移向喷嘴21。
如前所述，活化剂导管209经由活化剂入口217连接到活化剂源207，并且利用活化剂出口219连接到喷嘴21。另外，运载流体被存储在运载流体源243中，移动到运载流体入口245中，穿过运载流体导管247并从运载流体出口249流出。
然而，在图4中，运载流体和活化剂在喷嘴21的上流、活化剂导管209与运载流体导管247的交叉处进行混合。具体而言，运载流体导管247在喷嘴21附近与活化剂导管209相交。因此，运载流体经由运载流体导管247离开运载流体导管247，经由中间开口251流入活化剂导管209，该中间开口251由活化剂导管209限定并沿活化剂导管209的长度定位。因此，在从喷嘴21喷出之前，运载流体在中间开口251处或其附近携带活化剂导管209内的活化剂。
如先前所讨论的，一些实施例可利用运载流体和活化剂。钻井工具201中的该配置的一个说明性示例是压缩空气(运载流体)和染料(活化材料)。在图4中，压缩空气(运载流体)被存储在表面4上方的运载流体源243中，而染料(活化材料)被存储在钻头11内的活化剂源207中。因此，压缩空气(运载流体)经由中间开口251沿运载流体导管247向下流动到活化剂导管209中。在活化剂导管209内，压缩空气与染料(活化材料)混合。因此，压缩空气将染料推出喷嘴21。
一些实施例可以包括运载流体和活化剂，该活化剂包括活化材料和输送流体。该配置的一个说明性示例是压缩空气(运载流体)和涂料(活化剂)，该涂料是颜料(活化材料)和溶剂(输送流体)的混合物。在图4中，压缩空气(运载流体)被存储在表面4上方的运载流体源243中，而涂料(活化剂)被存储在钻头11内的活化剂源207中。因此，压缩空气(运载流体)经由中间开口251沿运载流体导管247向下流动到活化剂导管209中。在活化剂导管209内，压缩空气与涂料(活化剂)混合和/或携带涂料(活化剂)。因此，压缩空气将涂料推出喷嘴21。
图5示出了钻井工具301的实施例，该钻井工具301具有许多与图2所示的钻井工具1进行类似地布置的部件。然而，在钻井工具301中，通过铰接模块353而不是旋转模块29来操纵钻头11。另外，喷嘴21和激光头27位于钻头11的轴向端32上，并且对活化剂导管9和光纤15进行适当地重新配置。
在图5中，铰接模块353在所示的x-y-z坐标空间内操纵钻头11。如先前所讨论的，由于井筒经常不是竖直的(如在水平钻井中)，z方向可以被定义为平行于在钻头11附近的区域中的井下方向。
在一些实施例中，铰接模块353可以在x-y-z空间中操纵钻头11(意味着在x、y和z方向上的运动)。在一些实施例中，铰接模块353可以在x-y空间中操纵钻头11，而在z方向上的操纵可以使用替代的装置(例如通过使用本领域已知的设备在井筒内推进/撤回钻井工具11)来执行。在一些实施例中，钻头11可以利用所述替代装置在z方向上粗略地操纵，并且使用铰接模块353在z方向上精细地操纵。本领域技术人员将理解，铰接模块353中可包括公知的结构，例如接头和微型电动机的组合。
本领域技术人员将理解，铰接模块353可以如何容易地结合到本公开的任何钻井工具1中。另外，根据本公开的钻井工具1可以包括铰接模块353和旋转模块29两者，使得钻头11可通过旋转模块29旋转，并且通过铰接模块353在x-y或x-y-z空间中铰接活动。
图5示出了位于钻头11的轴向端上的喷嘴21和激光头27。在一些实施例中，如图2至图4所示以及如先前所描述的，喷嘴21和激光头27可位于钻头11的相对径向侧28上。在具有多于一个喷嘴21、多于一个激光头27或两种情况都满足的一些实施例中，喷嘴21和/或激光头27可位于钻头11的表面的任何组合上，包括轴向端32和径向侧28两者。
图6示出了钻井工具401的实施例，其中激光头27和喷嘴21都位于钻头11的第二半部37中。另外，激光头27径向地位于钻头11上的喷嘴21上方。
喷嘴21指向地层5的第一区域417，而激光头27指向地层5的第二区域455。因此，激光头27当前被定位成对地层5的第二区域455的至少一部分进行激光处理。此外，在钻头11如箭头457所示在井筒5内向下移动之后，激光头27可被定位成在地层5的第一区域417已经与活化剂相互作用之后对第一区域417的至少一部分进行激光处理。
图7是示出了利用钻井工具(如钻井工具1、101、201、301、401)在地层5中进行钻井的方法的流程图，该钻井工具采用活化剂和激光。在本方法的所有实施例中可以不执行示出的所有步骤。
步骤S1是将钻头11插入井筒3中。
在一些实施例中，该方法可以包括步骤S1。图1和图3示出了已经插入井筒11中之后的钻头11。
步骤S2是将钻头11在井筒3内推进到地层5的区域17。
该方法的一些实施例可以包括步骤S2。图1和图3示出了已经在井筒11内推进到地层5的区域17的钻头11。
该方法的一些实施例可以包括步骤S3。步骤S3是使用运载流体将活化剂运载到喷嘴21。
在一些实施例中，钻井工具(如钻井工具101、201)包括运载流体源243和运载流体管道247。钻井工具(如钻井工具101、201)的一些实施例包括与活化剂混合并将活化剂运载出喷嘴21的运载流体。在一些实施例中，运载流体可以与包括输送流体的活化剂混合。
在一些实施例中，例如在图3所示的钻井工具101中，运载流体和活化剂可在活化剂源107内混合。因此，在一些实施例中，运载流体可将活化剂从活化剂源107运载出喷嘴21。
在一些实施例中，例如在图4所示的钻井工具201中，运载流体和活化剂可在中间开口251附近的活化剂管道209内混合。因此，在一些实施例中，运载流体可将活化剂从中间开口251附近的活化剂导管209运载出喷嘴21。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S3，例如不采用运载流体的那些实施例。
该方法的一些实施例可以包括步骤S4。步骤S4是操纵钻头11，使得喷嘴21指向地层5的区域17。
钻井工具的一些实施例(例如钻井工具1、101、201、301、401)包括用于操纵钻头11的一个或多个机构。一些实施例(例如图1至图4中所示的钻井工具1、101、201、401)包括旋转模块29。一些实施例(例如图5中所示的钻井工具301)包括铰接模块353。该方法的一些实施例可以包括使用旋转模块29、铰接模块353或这两者来操纵钻头11。该方法的一些实施例可以包括使用井筒3的表面4上方的结构(未示出)来推进/撤回钻井工具11。这样的操纵可对钻头11进行定位，使得喷嘴21指向地层5的区域17。
在一些实施例中，该操纵可以包括以θ的旋转(如利用旋转模块29)、在x-y空间或x-y-z空间中的平移(如利用铰接模块353)、或沿z方向推进/撤回钻井工具11(如利用井筒3的表面4上方的结构)中的一个或多个。在一些实施例中，一旦操纵完成，喷嘴21可以指向地层5的区域17。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S4，例如以下情况的那些实施例：钻井工具1缺少操纵部件(例如旋转模块29或铰接模块353)；在活化剂从喷嘴21中排放的同时发生操纵(如在步骤S6中)；或者将钻头11推进至地层5的区域17(如在步骤S2中)，将喷嘴21朝向地层5的区域17放置。
步骤S5是使用喷嘴21将活化剂排放到地层5的区域17上。如先前所讨论的，在从喷嘴21排放时，活化剂可与运载流体混合。此外，活化剂可以包括活化材料、输送流体或两者兼有。因此，在一些实施例中，喷嘴21可将包括活化材料的活化剂与运载流体、输送流体或这两者一起排放。
如进一步讨论的，在一些实施例中，可以在钻头11被操纵(如在步骤S6中)的同时、在喷嘴21被栅格化(如在步骤S6中)的同时、或以上两种情况的同时从喷嘴21排放活化剂。
该方法的一些实施例可以包括步骤S6。步骤S6是在排放活化剂的同时操纵钻头11。
在一些实施例中，可以在从喷嘴21排放活化剂的同时操纵钻头11。在一些实施例中，在活化剂的排放期间操纵钻头11，可以增加地层5的暴露于活化剂的区域17的尺寸。在一些实施例中，该操纵可以包括以θ的旋转(如利用旋转模块29)、在x-y空间或x-y-z空间中的平移(如利用铰接模块353)、或沿z方向推进/撤回钻井工具11(如利用井筒3的表面4上方的结构)中的一个或多个。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S6，例如：钻井工具1缺少操纵部件(例如旋转模块29或铰接模块353)的那些实施例；在钻头11中包括多个喷嘴21的那些实施例；喷嘴21栅格化活性剂的排放的那些实施例；或者从静态钻头11进行排放的那些实施例，包括以逐步方式进行排放和操纵(意思是：操纵、排放、操纵、排放，如此继续)的那些实施例。
该方法的一些实施例可以包括步骤S7。步骤S7是在排放活化剂的同时对喷嘴21进行栅格化。
在一些实施例中，喷嘴21可以在排放活化剂的同时被栅格化。在一些实施例中，栅格化可以按照任何形状或图案从喷嘴21排放活化剂。在一些实施例中，该栅格化可以由喷嘴21内的任何结构来进行。在一些实施例中，在活化剂的排放期间栅格化喷嘴21，可以增加地层5的暴露于活化剂的区域17的尺寸。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S7，例如：喷嘴21不能栅格化活化剂的排放的那些实施例；在钻头11中包括多个喷嘴21的那些实施例；在活化剂的排放之前或期间操纵钻头11的那些实施例；或者从静态钻头11进行排放的那些实施例，包括以逐步方式进行排放和操纵(意思是：操纵、排放、操纵、排放，如此继续)的那些实施例。
在一些实施例中，步骤S6和S7可以同时进行。因此，在一些实施例中，喷嘴21可在钻头11被操纵的同时使活化剂的排放栅格化。
在一些实施例中，步骤S4、S5、S6或S7中的一个或多个可以按照任何顺序进行。在一些实施例中，步骤S4、S5、S6或S7中的一个或多个可以按照任何顺序重复。
作为说明性示例，该方法的一个或多个实施例可以涉及：操纵钻头11，使得喷嘴21指向区域17(如在步骤S4中)；在钻头11静止的同时开始将活化剂从喷嘴21排放到区域17上(如步骤S5)；在将活性剂排放到区域17上的同时栅格化喷嘴21(如步骤S7)；操纵钻头11，使得喷嘴21指向第二区域(如步骤S4)；在钻头11静止的同时开始将活化剂从喷嘴21排放到第二区域(如步骤S5)；在将活性剂排放到第二区域上的同时栅格化喷嘴21(如步骤S7)等。
作为第二说明性示例，该方法的一个或多个实施例可以涉及：操纵钻头11，使得喷嘴21指向区域17(步骤S4)，在排放的同时以θ旋转钻头11(步骤S6)，并且在排放的同时以平行于z方向的方式栅格化喷嘴21(步骤S7)。这里，如在一些实施例中，钻头11旋转，同时喷嘴21对从喷嘴21的排放进行栅格化，这可增加区域17的尺寸。
因此，本领域技术人员将理解，步骤S4、S5、S6和S7中的任何一个可以如何重新排序、重复和/或组合，以根据给定应用所期望的将活化剂引入到地层5的区域17。
该方法的一些实施例可以包括步骤S8。步骤S8是操纵钻头11，使得激光头27指向区域17。
该方法的一些实施例可以包括使用旋转模块29、铰接模块353或这两者来操纵钻头11。该方法的一些实施例可以包括使用井筒3的表面4上方的结构(未示出)来推进/撤回钻井工具11。这样的操纵可以对钻头11进行定位，使得激光头27指向地层5的区域17，该区域17先前被引入活化剂。
在一些实施例中，该操纵可以包括以θ的旋转(如利用旋转模块29)、在x-y空间或x-y-z空间中的平移(如利用铰接模块353)、或沿z方向推进/撤回钻井工具11(如利用井筒3的表面4上方的结构)中的一个或多个。在一些实施例中，一旦操纵完成，激光头27可指向地层5的区域17。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S8，例如以下情况的那些实施例：钻井工具1缺少操纵部件(例如旋转模块29或铰接模块353)；激光头27和喷嘴21被配置为与相同的区域17相互作用(如利用钻井工具301)；或者在激光头27进行激光处理的同时发生操纵(如在步骤10中)。
步骤S9是使用钻头11中的激光头27对区域17的至少一部分进行激光处理。
如进一步讨论的，在一些实施例中，激光头27可以在钻头11被操纵的同时(如在步骤S10中)、在激光头27被栅格化的同时(如在步骤S11中)、或在以上两种情况的同时对区域17的至少一部分进行激光处理。
该方法的一些实施例可以包括步骤S10。步骤S10是在进行激光处理的同时操纵钻头11。
在一些实施例中，可以在激光头27对区域17的至少一部分进行激光处理的同时操纵钻头11。在一些实施例中，在激光处理期间操纵钻头11，可以增加地层5的暴露于激光的区域17的尺寸。在一些实施例中，该操纵可以包括以θ的旋转(如利用旋转模块29)、在x-y空间或x-y-z空间中的平移(如利用铰接模块353)、或沿z方向推进/撤回钻井工具11(如利用井筒3的表面4上方的结构)中的一个或多个。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S10，例如：钻井工具1缺少操纵部件(例如旋转模块29或铰接模块353)的那些实施例；在钻头11中包括多个激光头27的那些实施例；激光头27在激光处理期间栅格化激光的那些实施例；或者从静态钻头11进行激光处理的那些实施例，包括以逐步方式进行激光处理和操纵(意思是：操纵、激光处理、操纵、激光处理等)的那些实施例。
该方法的一些实施例可以包括步骤S11。步骤S11是在激光处理的同时栅格化激光头27。
在一些实施例中，激光头27可以在激光处理的同时被栅格化。在一些实施例中，激光头27可以按照任何形状或图案栅格化激光。在一些实施例中，该栅格化可以由激光头27内的任何结构来进行。在一些实施例中，在激光处理期间栅格化激光头27，可以增加地层5的暴露于激光的区域17的部分的尺寸。
该方法的一些实施例可以不包括步骤S11，例如：激光头27不能栅格化激光的那些实施例；在钻头11中包括多个激光头27的那些实施例；在激光处理之前或期间操纵钻头11的那些实施例；或者从静态钻头11进行激光处理的那些实施例，包括以逐步方式进行激光处理和操纵(意思是：操纵、激光处理、操纵、激光处理，如此继续)的那些实施例。
在一些实施例中，步骤S10和S11可以同时进行。因此，在一些实施例中，激光头27可以在钻头11被操纵的同时栅格化激光。
在一些实施例中，步骤S8、S9、S10或S11中的一个或多个可以按照任何顺序进行。在一些实施例中，步骤S8、S9、S10或S11中的一个或多个可以按照任何顺序重复。
作为说明性示例，该方法的一个或多个实施例可以涉及：操纵钻头11，使得激光头27指向区域17(如在步骤S8中)；在钻头11静止的同时开始从激光头27对区域17进行激光处理(如在步骤S9中)；在对区域17的至少一部分进行激光处理的同时栅格化激光头27(如在步骤S11中)；操纵钻头11，使得激光头27指向已被引入活化剂的第二区域(如在步骤S8中)；在钻头11静止的同时开始从激光头27对第二区域的至少一部分进行激光处理(如在步骤S9中)；在对第二区域的一部分进行激光处理的同时栅格化激光头27(如在步骤S11中)等。
作为第二说明性示例，该方法的一个或多个实施例可以涉及：操纵钻头11，使得激光头27指向区域17(步骤S8)，在激光的同时以θ旋转钻头11(步骤S1 0)，并且在激光处理的同时以平行于z方向的方式栅格化激光头27(步骤S11)。这里，如在一些实施例中，钻头11旋转，同时激光头27栅格化激光，这可增加被激光处理的区域17的部分的尺寸。
因此，本领域技术人员将理解，步骤S8、S9、S10或S11中的任何一个可以如何被重新排序、重复和/或组合，以根据给定应用所期望的对地层5的区域17的至少一部分进行激光处理。
此外，在一些实施例中，步骤S4、S5、S6、S7、S8、S9、S 10或S11中的一个或多个可以按照任何顺序进行。在一些实施例中，步骤S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10或S11中的一个或多个可以按照任何顺序重复。
在一些实施例中，该方法可以包括交替地重复：将活化剂排放到地层5的区域17上的一个或多个步骤(如在步骤S4、S5、S6和/或S7中)，随后是对区域17的至少一部分进行激光处理的一个或多个步骤(如在步骤S8、S9、S10和/或S11中)。
在一些实施例中，该方法可以包括同时进行以下操作：对先前已经引入活化剂的第二区域455的至少一部分进行激光处理(如在步骤S8、S9、S10和/或S11中)；以及将活化剂排放到地层5的第一区域417，该第一区域417先前未被引入活化剂(如在步骤S4、S5、S6和/或S7中)。钻井工具的一些实施例(例如图6中所示的钻井工具401)可被特别设计成同时从激光头27进行激光处理和从喷嘴21进行排放。这样的实施例可以具有多个喷嘴21/激光头27。这样的实施例可以包括被布置成便于同时排放和激光处理的喷嘴21和激光头27，例如图6中所示的钻井工具401。
钻井工具的一些实施例(例如图6中所示的钻井工具401)的使用方法可以同时包括：根据箭头33旋转(如利用旋转模块29)；对第二区域455进行激光处理(如在步骤S8、S9、S10和/或S11中)；将活化剂排放到第一区域417上(如在步骤S4、S5、S6和/或S7中)；并且根据箭头457沿z方向平移(如利用铰接模块353或通过从井筒3推进/撤回)。这样的螺旋操纵与同时从喷嘴21排放活化剂以及从激光头27进行激光处理相组合，可以是一种用于在井筒3内与大面积地层5快速地相互作用的方法。
考虑到先前的公开内容和示例，本领域技术人员将理解，步骤S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10或S11中的任何一个可以如何重新排序、重复和/或组合，以根据给定应用所期望的将活化剂引入区域17，然后对地层5的区域17的至少一部分进行激光处理。
图8A至8C和图9A至9C示出了实验结果，其显示了通过添加含有活化材料的活化剂(湿的和干的)如何影响地质样本的激光处理。每个实验的入射光束是1kW的激光，并且样本进行30秒的激光处理。
图8A至图8C是示出每个样本的最高温度(℃)的等温线图。红外摄像头捕获样本的温度，包括激光的入射光斑。已指示未处理岩石样本的区域501和激光加热的区域503。图9A至图9C是温度(℃)与经过时间(秒)的关系图。图9A至图9C是针对每个样本使用与图8A至图8C中绘制的相同的红外摄像头数据所创建的。
图8A和图9A反映了对照样本，该对照样本包括不具有活化剂的地质样本(石灰石块)。如图9A所示，石灰石对照样本的最高温度为888℃。另外，图8A示出了激光加热比图8B和图8C中所示的更小空间区域。
图8B和图9B反映了顶部覆盖有干活性炭(活化材料)的类似石灰石块。首先，与图8A中针对不具有活性炭的样本的加热区域相比，图8B中的加热区域大四倍以上。另外，具有活性炭的石灰石的最高温度为1795℃，该温度是如图9A中所示的针对不具有活性炭的样本的最高温度的两倍以上。此外，在具有活性炭的情况下，石灰石在不到1.75秒的时间内达到最高温度，而不具有活性炭的样本则为8.75秒。最后，在达到最高温度后，活性炭样本实质上保持该温度超过8秒，而对照样本为小于0.25秒。
图8C和图9C反映了激光对涂覆有活性炭(活化材料)和水(例如可用在运载流体或输送流体中)的混合物的类似的石灰石块的影响。图8C中的加热区域的尺寸近似于图8B中所示的干活性炭的尺寸，并且两者都比图8A中所示的对照样本大得多。激光照射后，石灰石、活性炭和水的最高温度为1565℃，该温度略低于干活性炭的最高温度(1795℃)，但仍远高于对照样本的最高温度(888℃)。类似地，图9C中样本的最高温度在6.5秒内达到，这比干活性炭(1.75秒)慢，但比对照样本(8.75秒)快。最后，在图9C中，最高温度实质上保持约2.5秒，该时间比干活性炭(8秒)短，但比对照样本(小于0.25秒)长。
在图8A至图8C和图9A至图9C中示出的结果证实，与不具有活性炭的石灰石相比，湿的或干的活性炭使最高岩石温度提高至少1.75倍。此外，这些实验证明，对于1kW激光，活性炭显著改善了进入石灰石的热传递，1kW激光是一种比通常用于井筒增产的激光的功率低得多的激光。
尽管已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员在受益于本公开的情况下将认识到，可以设计出不脱离本说明书所公开的发明范围的其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种用于在地层中进行钻井的钻井工具，该钻井工具包括：
光纤，该光纤具有激光输入端和激光输出端；
激光源，该激光源光学地连接到所述激光输入端；
活化剂导管，该活化剂导管具有活化剂入口和活化剂出口；
活化剂源，该活化剂源连接到所述活化剂入口并且供应活化剂；
钻头，该钻头包括：
喷嘴，该喷嘴连接到所述活化剂出口，并且将所述活化剂排放到所述地层的区域上，以及
激光头，该激光头光学地连接到所述激光输出端，并且被布置为对所述地层的具有所述活化剂的所述区域的至少一部分进行激光处理。
2.根据权利要求1所述的钻井工具，其中，所述活化剂在激光处理时提高所述地层的所述区域的所述部分的能量吸收。
3.根据权利要求1或2所述的钻井工具，其中，所述活化剂包括活化材料，该活化材料具有深色、高孔隙率、高表面积、小颗粒尺寸、高光吸收或低光反射中的至少一个。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的钻井工具，其中，所述活化剂包括活化材料，该活化材料包括活性炭、石墨、炭黑、碳纳米管、纳米颗粒、涂料、染料、二硫化钼、过渡金属硫族化物或超材料中的至少一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的钻井工具，其中，所述活化剂还包括输送流体，使得所述输送流体和所述活化材料在进入所述活化剂入口之前进行混合。
6.根据权利要求5所述的钻井工具，其中，所述输送流体包括水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的至少一种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的钻井工具，还包括：
运载流体导管，该运载流体导管具有运载流体入口和运载流体出口；
运载流体源，该运载流体源连接到所述运载流体入口，并且供应将所述活化剂运载出所述喷嘴的运载流体。
8.根据权利要求7所述的钻井工具，其中，所述运载流体包括空气、氮气、氧气、氩气、水、盐水、液体粘合剂、表面活性剂、丙酮、乙醇、甲醇或异丙醇中的至少一种。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的钻井工具，其中，所述钻头还包括铰接模块，该铰接模块被配置为使所述喷嘴和所述激光头指向所述地层的所述区域。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的钻井工具，其中，所述钻头还包括旋转模块，该旋转模块被配置为使所述喷嘴和所述激光头指向所述地层的所述区域。
11.根据权利要求10所述的钻井工具，其中，
所述旋转模块具有旋转轴，该旋转轴位于将所述钻头分成第一半部和第二半部的平面中；并且
所述喷嘴被设置在所述第一半部上，并且其中所述激光头被设置在所述第二半部上。
12.一种使用活化剂和激光在地层中进行钻井的方法，该方法包括：
将钻头插入井筒中；
将所述钻头推进到所述地层的区域；
使用所述钻头中的喷嘴将活化剂排放到所述地层的所述区域上；并且
使用所述钻头中的激光头对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括操纵所述钻头，使得所述喷嘴指向所述地层的所述区域。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，排放所述活化剂还包括在从所述喷嘴排放所述活化剂的同时栅格化所述喷嘴。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，排放所述活化剂还包括操纵所述钻头。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，还包括操纵所述钻头，使得所述激光头指向所述地层的所述区域。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理还包括在激光处理的同时栅格化所述激光头。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，对所述地层的所述区域的至少一部分进行激光处理还包括操纵所述钻头。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，还包括将运载流体供应到位于所述钻头附近的活化剂源，使得所述运载流体将所述活化剂从所述活化剂源运载出所述喷嘴。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，还包括将运载流体供应到限定在活化剂导管中的中间开口，使得所述运载流体将所述活化剂从所述中间开口附近运载出所述喷嘴。
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