WO2020102870A1 - Processo para estimulação de poços de petróleo - Google Patents

Processo para estimulação de poços de petróleo

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WO2020102870A1
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stimulation
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Mario GERMINO FERREIRA DA SILVA
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Petroleo Brasileiro SA Petrobras
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/2405—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection in association with fracturing or crevice forming processes

Definitions

  • the present invention relates to a process for stimulating oil wells. More specifically, the present invention suggests a process that increases the productivity of drilled wells using laser acidification for oil well operations.
  • the reduction in the production of a well may be associated with a drop in the permeability of the rock, which can be caused by incrustations and / or precipitations.
  • This reduction in the original permeability in the region close to the well is known as "damage", which can be caused by any operation where there is fluid contact with the formation.
  • operations called “stimulation operations” are necessary, which are activities that aim to increase the productivity or injectivity rate of a well.
  • Well stimulation can be applied as an alternative to secondary recovery, and it can act simultaneously or not, to increase the hydrocarbon recovery rate in a deposit.
  • the main methods of stimulating wells are acidification and hydraulic fracturing.
  • the main difference between the two treatments is that acidification treats the matrix, in order to restore the original permeability of the rock that is damaged for some reason, while hydraulic fracturing is applied most often in low permeability formations, where the productivity should be improved rather than restored.
  • acidification consists of the injection of an acidic solution in order to increase the productivity of the well. This technique is generally used to restore the permeability of regions that have been altered due to damage during the drilling stages, completion or production, where particles block the passage of fluid, reducing the productivity of a well. In carbonate formations, in addition to removing the damage, acidification also acts by increasing the connectivity of existing channels and in the formation of new channels, which are called “wormholes”.
  • cannons are carried out using cannons lowered with the use of explosives designed for this purpose, and the tunnels formed are limited to the capacity of the explosive charge used in the cannons.
  • the acid pumped to the well will cool, so that the acid will arrive cold in front of the formation due to the heat exchange of the riser with the sea, since, in water depths from 700 m deep, the water temperature in the seabed becomes 4 ° C.
  • the laser stimulation processes are a viable alternative for the stimulation of oil wells, being effective in increasing the temperature of the formation, which would make the action of the injected acid feasible in formations that are in water layers from 700 m deep.
  • WO2011 / 008544 A2 is directing a method for drilling, completing and / or stimulating an oil well that involves the use of laser to form selected orientation opening in the well wall, based on the characteristics of formation.
  • acids are often used in underground environments due to their ability to dissolve and remove unwanted materials or objects.
  • this document refers to the fact that the acid used is translucent, that is, it does not prevent it from being crossed by the laser, so there is no evidence that a local reaction has occurred.
  • document W02017 / 100354 AI discloses a method to improve the production of hydrocarbons from an underground reservoir, which involves reducing the viscosity and increasing the hydrocarbon production of the reservoir.
  • this document describes that, by one of the known methods of radial drilling, which are made separately, they are used to create a tunnel in order to inject steam, aiming at heating the reservoir, and the acid is used to create the channels where the steam will be injected. Therefore, there is no evidence that a local reaction occurs when the steam is injected.
  • the present invention is related to the stimulation of oil wells to increase the production of oil and / or gas.
  • a first objective of the present invention is to develop an oil well stimulation process that increases the productivity of drilled wells using laser acidification for oil well operations.
  • the present invention seeks to carry out the joint use of acid and laser cannon, sequentially and / or simultaneously, which will allow the thermal catalysis of the reaction and the increase of the acid temperature, which makes the acid consume the rock more quickly.
  • the heat generated by the laser will thermally catalyze the reactions listed below.
  • the heating of the acid promoted by the laser would lead to an increase in the reaction kinetics and, therefore, to an increase in the efficiency of the acid treatment, leading to an increase in the efficiency of creating “preferential paths” (wormholes) for the oil and / or gas (s) present in the formation, which makes the cannons operation faster.
  • the acid used in the process according to the present invention could achieve a deeper penetration in the carbonate rocks, thus increasing the connectivity of the regions furthest from the reservoir to the well through the created channels, as well as the reservoir area. exposed to the flow. This improves the stimulation of the well, thus generating an increase in the productivity index (IP) of the well, which leads to an increase in the production flow of the well.
  • IP productivity index
  • the set of characteristics of the present invention allows, through the joint application of acid and laser, the thermal catalysis of the reaction between the acid and the laser to increase the acid temperature, and by the application of the laser thermal radiation, reacting more fast and consuming more carbonate rock.
  • the present invention reaches a level of enlargement of the area open to flow, by increasing the diameter and length achieved by the joint action of acid and laser, by the ease of increasing the amount of cannon and / or cuts made in the rock, very superior to the conventional acidification technique.
  • This innovation can be applied in the development of the production of the pre-salt fields and all scenarios where the formation consists of carbonate rocks.
  • the laser acidification process of the present invention can be applied in acidification operations to stimulate wells in carbonate formations, as is the case with the pre-salt, both in cannons with acid injection for the production of the coated well, as in horizontal wells opened through cut design to obtain the best increase of the well IP, as well as in conventional fracturing operations to start the fracture propagation in the best direction.
  • acid fracturing operations the proposed process can achieve an increase in the control of the dimensions of the fracture wing geometry, increasing the thickness, width and length, since the laser light can be directed through the movement of lenses and mirrors to the region of the coated well or open well in function of the best fracture propagation direction.
  • Figure 1 represents a schematic of a well in which the formation was damaged in the drilling process.
  • Figure 2 represents a scheme of heating the acid through the laser, according to the present invention.
  • the present invention relates to an oil well stimulation process.
  • the process of the present invention takes place using the coupling of three tools: a laser system for well operations, combined with a cooling tool, both coupled to a laser acidification tool for well operations.
  • the laser system for well operations was designed to descend into the well through a flex tube that, in principle, will be responsible for carrying the tool load, as well as the surface fluid that will be responsible for cooling.
  • the acid can be pumped through the same flexitube and be directed to the creation of cannonite tunnels and or cuts in the formation.
  • the alignment of the acid flow and the focus of the laser radiation will be carried out on the external surface of the tool, through a specific component.
  • the acid and laser injection nozzle of the laser acidification tool designed for this purpose will allow, through a central hole, the laser radiation to be focused on the formation wall to form the tunnel or the cuts.
  • Around this hole, in a circular shape, will be the holes through which the acid will come out, which will be aligned converging with the laser focus, so that it can allow the simultaneous action of the laser and the acid on the production formation.
  • the process according to the present invention uses a laser acidification tool 1, which applies a flow of acid 2 in the cannonado tunnel 3.
  • the tool allows the process to occur with incidence laser radiation 4 on the formation, which may or may not be simultaneous with acid injection.
  • the acids to be injected are selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, or mixtures thereof.
  • the acid is selected from hydrochloric acid.
  • the acid can be in concentrations ranging from 2% v / v to 99% v / v.
  • the acid can be in concentrations between 3% v / v and 95% v / v, more preferably between 5% v / v and 90% v / v.
  • laser radiation is understood to mean radiation with a power between 5 and 4000 mW / cm 2 .
  • the laser radiation of the present invention is between 100 and 3000 mW / cm 2 .
  • the process according to the present invention aims to improve the efficiency of the penetration of the acid treatment into the carbonate rocks and, therefore, the result of the well IP by increasing the area open to the flow between the reservoir and the well.
  • the increase in the area open to the flow will be a function of the increase in the length and diameter of the cannonized tunnels, as well as the possibility of making a greater number of cannonados than with conventional cannon technology with explosive charges.
  • the increase in temperature alters the kinetics of the reaction leading to a faster consumption of carbonate rocks, thus reducing treatment time as well as increasing treatment efficiency.
  • the innovation can generate, reduction of the treatment time and respectively the probe time, thus improving the NPV of the field, increasing the productivity of the wells improving the production curve of the field.

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Abstract

A presente invenção um processo para a estimulação de poços de petróleo para aumento da produção de óleo e/ou gás. O processo ora proposto realiza a utilização conjunta de ácido e canhoneio a laser, sequencial e/ou simultaneamente, aumentando a produtividade de poços perfurados para operações em poços de petróleo.

Description

“PROCESSO PARA ESTIMULAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO.” CAMPO DA INVENÇÃO
[1] A presente invenção está relacionada a um processo para estimulação de poços de petróleo. Mais especificamente, a presente invenção sugere um processo que aumente a produtividade de poços perfurados utilizando acidificação a laser para operações em poços de petróleo.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[2] A redução da produção de um poço pode estar associada a uma queda na permeabilidade da rocha, que pode ser causada por incrustações e/ou precipitações. Essa redução de permeabilidade original na região próxima ao poço é conhecida como “dano”, o qual pode ser causado por qualquer operação onde há contato de fluido com a formação. Quando este problema ocorre, se fazem necessárias operações chamadas de “operações de estimulação”, que são atividades que visam aumentar o índice de produtividade ou injetividade de um poço. A estimulação de poços pode ser aplicada como alternativa à recuperação secundária, podendo atuar simultaneamente ou não, para aumentar a taxa de recuperação de hidrocarbonetos em uma jazida.
[3] Os principais métodos de estimulação de poços são acidificação e fraturamento hidráulico. A principal diferença entre os dois tratamentos é que a acidificação trata a matriz, com o intuito de restaurar permeabilidade original da rocha que por alguma razão se encontra danificada, enquanto o fraturamento hidráulico é aplicado na maioria das vezes em formações de baixa permeabilidade, onde a produtividade deve ser melhorada ao invés de restaurada.
[4] Basicamente, a acidificação consiste na injeção de uma solução ácida com o objetivo de aumentar a produtividade do poço. Geralmente esta técnica é utilizada para restaurar a permeabilidade de regiões que foram alteradas em função de danos, durante as etapas de perfuração, completação ou produção, onde partículas bloqueiam a passagem de fluido, reduzindo a produtividade de um poço. Em formações carbonáticas, além de remover o dano, a acidificação também atua aumentando a conectividade dos canais existentes e na formação de novos canais, os quais são chamados “ wormholes”.
[5] Usualmente, nos tratamentos de acidificação de rochas reservatórios constituídos de carbonatos, como no pré-sal, primeiro é realizada a operação de canhoneio para interligar o reservatório com o poço e em seguida é realizada a acidificação para remover o dano causado durante o processo de perfuração nas superfícies das rochas carbonáticas, melhorando assim o índice de produtividade do poço.
[6] Entretanto, o canhoneio é realizado através de canhões descidos a cabo com a utilização de explosivos projetados para este fim, sendo que os túneis formados estão limitados a capacidade da carga explosiva utilizada nos canhões. Além disso, quando os poços estão em laminas d "água acima de 700 m podendo chegar a 2000 m de profundidade, durante o bombeio do tratamento, ocorrerá o resfriamento do ácido bombeado para o poço, de forma que o ácido chegará frio na frente da formação devido a troca de calor do riser com o mar, uma vez que, em lâminas d’água a partir de 700 m de profundidade a temperatura da água no fundo mar passa a ser de 4°C.
[7] A baixa temperatura influencia a cinética das reações químicas que vão ocorrer durante a penetração do ácido na formação, proporcionando um rendimento abaixo do que seria possível se o ácido estivesse na temperatura ambiente.
[8] Ainda, na operação de acidificação de formações carbonáticas tem se observado que a injeção do tratamento ácido, de uma maneira geral depende do caminho preferencial que estiver disponível dentro do poço e ou dos canhoneados, nas regiões de maior permeabilidade e ou a presença de fraturas naturais que podem formar os caminhos preferenciais de uma maneira geral na superfície da rocha. Por outro lado, existe uma tendência do tratamento dissolver mais na face da rocha do que penetrar na formação ou seja o ácido é consumido na interface do poço reservatório.
[9] Desta forma, faz-se necessário encontrar processos de estimulação ácida de poços de petróleo, particularmente de formações carbonáticas, que possam proporcionar melhor controle da direção e da geometria (comprimento e diâmetro) do túnel, fornecendo também maior temperatura para a atuação do ácido injetado, aumentando, assim, a produtividade do poço de petróleo.
[10] Os processos de estimulação a laser figuram como uma alternativa viável para a estimulação de poços de petróleo, sendo eficaz no aumento da temperatura da formação, o que viabilizaria a atuação do ácido injetado em formações que estejam em lâminas d’água a partir de 700 m de profundidade.
[11] Neste sentido, o documento WO2011/008544 A2 é direcionando um método para perfurar, completar e/ou estimular um poço de petróleo que envolve o uso de laser para formar abertura de orientação selecionada na parede do poço, com base nas características de formação. Este documento ainda descreve que ácidos são frequentemente usados em ambientes subterrâneos devido a suas habilidades para dissolver e remover materiais ou objetos indesejados. Contudo, este documento se refere ao fato do ácido usado ser translúcido, ou seja, não impede de ser atravessado pelo laser, de modo que não há nenhuma evidência de que haja ocorrência de reação local.
[12] Por outro lado, o documento W02017/100354 AI revela um método para melhorar a produção de hidrocarbonetos a partir de um reservatório subterrâneo, que envolve reduzir a viscosidade e aumentar a produção de hidrocarbonetos do reservatório. No entanto, este documento descreve que, por um dos métodos conhecidos de perfuração radial, que são feitos separadamente, são usados para criar um túnel com o objetivo de injetar vapor, visando o aquecimento do reservatório, sendo que o ácido é usado para criar os canais onde depois será injetado o vapor. Sendo assim, não há nenhuma evidência de que haja ocorrência de reação local quando da injeção de vapor.
[13] Desta forma, não há relatos no estado da técnica que antecipem um processo de estimulação de poços de petróleo que utilize acidificação a laser para operações em poços de petróleo.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[14] A presente invenção está relacionada à estimulação de poços de petróleo para aumento da produção de óleo e/ou gás.
[15] Um primeiro objetivo da presente invenção é desenvolver um processo de estimulação de poços de petróleo que aumente a produtividade de poços perfurados utilizando acidificação a laser para operações em poços de petróleo.
[16] De forma a alcançar o objetivo acima descrito, a presente invenção busca realizar a utilização conjunta de ácido e canhoneio a laser, sequencial e/ou simultaneamente, o que vai permitir a catálise térmica da reação e o aumento da temperatura do ácido, o que faz com que o ácido consuma a rocha mais rapidamente.
[17] Vantajosamente, o calor gerado pelo laser vai catalisar termicamente as reações abaixo listadas. O aquecimento do ácido promovido pelo laser levaria a um aumento da cinética da reação e, por conseguinte, ao aumento da eficiência do tratamento ácido, levando a um aumento da eficiência de criação de“caminhos preferenciais” ( wormholes ) para o óleo e/ou gás presente(s) na formação, o que toma a operação de canhoneio mais rápida.
CaC03 CaO+ C02 (Reação 1) CaO + H20 Ca(OH)2 (Reação 2) CaC03 + 2 HC1— CÍ1CI2+CO2+H2O (Reaçao 3)
CaMg(C03)2 + 4 HC1 CaCl2 + MgCl2 + 2H20 + 2C02 (Reação 4)
[18] Ainda, o ácido utilizado no processo de acordo com a presente invenção poderia conseguir uma penetração mais profunda nas rochas carbonáticas, aumentando assim a conectividade das regiões mais afastadas do reservatório com o poço através dos canais criados, bem como a área do reservatório exposta ao fluxo. Isto melhora a estimulação do poço, gerando assim um incremento do índice de produtividade (IP) do poço, o que leva a um aumento da vazão de produção do poço.
[19] O conjunto de características da presente invenção permite, através da aplicação conjunta de ácido e laser, a catálise térmica da reação entre o ácido e o laser o aumento da temperatura do ácido, e pela aplicação da radiação térmica de laser, reagindo mais rápido e consumindo mais a rocha carbonato. Desta forma, a presente invenção alcança um nível de ampliação da área aberta ao fluxo, através do aumento do diâmetro e comprimento alcançado pela ação conjunta de ácido e laser, pela facilidade de aumento da quantidade de canhoneios e/ou cortes realizados na rocha, muito superior a técnica convencional de acidificação. Esta inovação pode ser aplicada no desenvolvimento da produção dos campos do pré-sal e todos os cenários onde a formação é constituída por rochas do tipo carbonato.
[20] A proposta do aquecimento do ácido através do laser apresenta a possibilidade de aumento da formação de wormholes ao redor do canal criado pelo laser, devido ao aumento da cinética da reação catalisada pelo aumento da temperatura.
[21] O processo de acidificação a laser da presente invenção pode ser aplicado nas operações de acidificação para estimulação de poços em formações carbonáticas, como é o caso do pré-sal, tanto no canhoneio com injeção de ácido para a produção do poço revestido, como nos poços horizontais abertos através de projeto de cortes para obter a melhor incremento do IP do poço, bem nas operações de fraturamento convencional para a iniciar a propagação de fratura na melhor direção. Nas operações de fraturamento ácido, o processo ora proposto pode alcançar incremento no controle das dimensões da geometria da asa da fratura, aumentando a espessura, largura e comprimento, uma vez que a luz do laser pode ser direcionada através de movimentação de lentes e espelhos para a região do poço revestido ou poço aberto em função da melhor direção de propagação de fratura.
[22] Esses objetivos e demais vantagens da presente invenção ficarão mais evidentes a partir da descrição que se segue e dos desenhos anexos.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[23] A descrição detalhada apresentada adiante faz referência às figuras anexas, nas quais:
[24] A Figura 1 representa um esquema de um poço em que a formação foi danificada no processo de perfuração.
[25] A Figura 2 representa um esquema de aquecimento do ácido através do laser, de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[26] A presente invenção refere-se a um processo de estimulação de poços de petróleo.
[27] O processo da presente invenção ocorre utilizando o acoplamento de três ferramentas: um sistema laser para operações em poços, conjugado com uma ferramenta de refrigeração, ambos acoplados a uma ferramenta de acidificação a laser para operação em poços. O sistema laser para operações em poços foi projetado para descer no poço através de um flexitubo que, a princípio, será responsável por conduzir a carga da ferramenta, bem como o fluido da superfície que será responsável pela refrigeração. O ácido poderá ser bombeado através do mesmo flexitubo e ser direcionado para a criação dos túneis canhoneados e ou cortes na formação. O alinhamento do fluxo do ácido e o foco da radiação laser será realizado na superfície externa da ferramenta, através de um componente específico. O bico injetor de ácido e laser da ferramenta de acidificação a laser projetado para este fim permitirá que, através de um orifício central, saia a radiação laser a ser focada na parede da formação para formar o túnel ou os cortes. Ao redor deste furo, em formato circular, estarão os orifícios por onde sairá o ácido, que estarão alinhados convergindo com o foco do laser, de maneira que possa permitir a ação simultânea do laser e do ácido sobre a formação produtora.
[28] Conforme pode ser observado na Figura 2, o processo de acordo com a presente invenção utiliza uma ferramenta de acidificação a laser 1, que aplica um fluxo de ácido 2 no túnel do canhoneado 3. A ferramenta permite que o processo ocorra com incidência de radiação laser 4 sobre a formação, a qual pode ou não ser simultânea à injeção de ácido.
[29] Desta forma, o processo de acordo com a presente invenção compreende as etapas de:
• Injeção de ácido;
• Estimulação a laser da formação,
em que as etapas de injeção e estimulação a laser ocorrem sequencialmente ou simultaneamente.
[30] De acordo com a presente invenção, os ácidos a serem injetados são selecionados do grupo consistindo de ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido fluorídrico, ácido acético, ou misturas destes. Preferencialmente, para a acidificação a laser em rochas carbonáticas, o ácido é selecionado de ácido clorídrico.
[31] De acordo com a presente invenção, o ácido pode estar em concentrações variando entre 2% v/v e 99 %v/v. Preferencialmente, o ácido pode estar em concentrações entre 3% v/v e 95 %v/v, mais preferencialmente entre 5% v/v e 90 %v/v.
[32] No âmbito da presente invenção, entende-se por radiação laser as radiações com potência entre 5 e 4000 mW/cm2. Preferencialmente, as radiações laser da presente invenção apresentam entre 100 e 3000 mW/cm2.
[33] O processo de acordo com a presente invenção visa melhorar a eficiência da penetração do tratamento ácido na rocha carbonáticas e, por conseguinte, o resultado do IP do poço através do aumento da área aberta ao fluxo entre o reservatório e o poço. O aumento da área aberta ao fluxo, será função do aumento do comprimento e do diâmetro dos túneis do canhoneados, bem como da possibilidade de efetuar maior número de canhoneados do que com a tecnologia convencional de canhoneio com cargas explosivas. O aumento da temperatura altera a cinética da reação levando a um consumo das rochas carbonáticas mais rápido, reduzindo assim o tempo de tratamento bem como aumentando a eficiência do tratamento. A inovação pode gerar, redução do tempo do tratamento e respectivamente o tempo de sonda melhorando assim o VPL do campo, aumento da produtividade dos poços melhorando a curva de produção do campo.
[34] Os termos “preferido” e “preferivelmente” referem-se a modalidades que podem disponibilizar certos benefícios, em certas circunstâncias. Entretanto, outras modalidades também podem ser preferidas nas mesmas ou outras circunstâncias. Além disso, a citação de uma ou mais modalidades preferidas não implica que outras modalidades não são usadas e deve excluir outras modalidades do escopo da invenção.
[35] A descrição que se segue partirá de concretizações preferenciais da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, a invenção não está limitada a essas concretizações particulares.
Exemplos:
[36] Para ilustrar a maior eficiência do processo de estimulação de poços de petróleo de acordo com a presente invenção, foram realizados os experimentos a seguir:
EXEMPLO 1
[37] Em um processo de estimulação, foi injetado ácido clorídrico a 15% v/v em uma rocha carbonática. A reação entre o ácido e a rocha produziu CO2, CaO e H20. A radiação laser foi aplicada ao final da injeção do ácido, produzindo a degradação térmica das rochas de carbonato em torno de 100°C e gerando CaO e C02.
[38] Foi verificado que o aumento da temperatura dentro de uma determinada faixa aumentou a cinética da reação, aumentando a velocidade de decomposição da rocha.
[39] A descrição que se fez até aqui do objeto da presente invenção deve ser considerada apenas como uma possível ou possíveis concretizações, e quaisquer características particulares nelas introduzidas devem ser entendidas apenas como algo que foi escrito para facilitar a compreensão. Desta forma, não podem de forma alguma ser consideradas como limitantes da invenção, a qual está limitada ao escopo das reivindicações que seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. Processo para estimulação de poços de petróleo, caracterizado por compreender as etapas de:
• Injeção de ácido;
• Estimulação a laser da formação,
em que as etapas de injeção e estimulação a laser ocorrem sequencialmente ou simultaneamente.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os ácidos a serem injetados são selecionados do grupo consistindo de ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido fluorídrico, ácido acético, ou misturas destes.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a estimulação ocorrer em rochas carbonáticas com injeção de ácido clorídrico.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por utilizar uma ferramenta de acidificação a laser (1), que aplica um fluxo de ácido (2) no túnel do canhoneado (3).
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por degradar a rocha em uma temperatura entre 10°C e 200°C.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por utilizar radiações laser com potência entre 5 e 4000 mW/crrr.
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