使用高功率激光束的井下深層隧道掘進(jìn)工具和方法
【專利說明】
[0001]發(fā)明人:薩米?伊薩?巴塔爾賽
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于穿透含烴地層的方法和裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及一種使用井下激光工具升華含烴地層來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]井筒增產(chǎn)處理是石油工程的一個分支，其專注于如何提高烴從地層到井筒的流動來進(jìn)行生產(chǎn)。為了從目標(biāo)地層中產(chǎn)生烴，地層中的烴需要從地層流動到井筒，以便被產(chǎn)生并流動到地面。通過地層滲透性裝置實現(xiàn)從地層到井筒的流動。當(dāng)?shù)貙訚B透性較低時，應(yīng)用增產(chǎn)處理，以增強(qiáng)流動。增產(chǎn)處理可被應(yīng)用于井筒周圍并進(jìn)入到地層中，以在地層中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。
[0004]用于增產(chǎn)處理的第一步驟通常是對套管進(jìn)行穿孔并用水泥粘合，以便到達(dá)地層。對套管進(jìn)行穿孔的一種方法是使用聚能裝藥(shaped charge)。在井筒內(nèi)將聚能裝藥下放到目標(biāo)釋放區(qū)域。聚能裝藥的爆炸產(chǎn)生穿透鋼制套管、水泥并進(jìn)入到地層中的短隧道。
[0005]聚能裝藥的使用具有幾個缺點。例如，聚能裝藥在隧道周圍產(chǎn)生致密區(qū)域，從而降低了滲透性，并因此降低了產(chǎn)量。聚能裝藥的高速沖擊粉碎了巖層，并產(chǎn)生堵塞地層的孔間通道的極細(xì)顆粒，從而降低了流量和產(chǎn)量。存在在隧道中形成熔融物的可能。不能對由聚能裝藥產(chǎn)生的隧道的幾何形狀和方向進(jìn)行控制。存在對隧道的穿透深度和直徑的限制。存在在處理的同時在地面爆炸的風(fēng)險。
[0006]增產(chǎn)處理的第二階段通常涉及通過由聚能裝藥產(chǎn)生的隧道栗送流體。以超過引起地層和巖石破裂和破碎的地層破壞壓力(被稱為水力壓裂)的速率栗送流體。大多數(shù)情況下使用稱為水力壓裂液的水基液進(jìn)行水力壓裂。水力壓裂液可能破壞地層，特別是頁巖。水力壓裂產(chǎn)生地層裂縫，從而形成地層與井筒之間的連網(wǎng)。
[0007]水力壓裂也具有幾個缺點。首先，如上所述，水力壓裂可能破壞地層。另外，不能對裂縫的方向進(jìn)行控制。已知的是，裂縫可能又閉合上。由于管道中的水具有高壓，因此可能在地面上存在風(fēng)險。在缺水地區(qū)，獲得水力壓裂所需的數(shù)以百萬加侖的水存在挑戰(zhàn)。對于添加到水力壓裂液中的各種成分而言，存在環(huán)境問題。
[0008]另外，如上所述的兩階段式壓裂系統(tǒng)可能比較昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明涉及一種用于穿透含烴地層達(dá)到所需穿透深度的方法和裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于穿透含烴地層的井下激光工具。
[0010]在本發(fā)明的一個實施例中，用于穿透含烴地層的井下激光工具包括構(gòu)造為產(chǎn)生高功率激光束的激光地面單元。激光地面單元與光纜電連通。光纜構(gòu)造為傳導(dǎo)高功率激光束。光纜包括:絕緣電纜，其構(gòu)造為抵抗高溫和高壓；保護(hù)性激光光纜，其構(gòu)造為傳導(dǎo)高功率激光束；激光地面端部，其構(gòu)造為接收高功率激光束；激光電纜端部，其構(gòu)造為從光纜發(fā)射原始激光束。井下激光工具包括:外部套管，其放置在現(xiàn)有井筒內(nèi)，現(xiàn)有井筒在含烴地層內(nèi)延伸；硬殼體，其放置在外部套管內(nèi)，其中，光纜包含在硬殼體內(nèi)；以及旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其定位在外部套管內(nèi)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括:旋轉(zhuǎn)殼體，其與硬殼體的端部聯(lián)接；以及旋轉(zhuǎn)頭，其從旋轉(zhuǎn)殼體延伸。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)造為圍繞硬殼體的軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)頭包括:聚焦系統(tǒng)，其構(gòu)造為引導(dǎo)原始激光束；以及井下激光工具頭，其構(gòu)造為將準(zhǔn)直激光束發(fā)射到含烴地層中。聚焦系統(tǒng)包括:光束操縱器，其構(gòu)造為引導(dǎo)原始激光束；聚焦透鏡，其構(gòu)造為形成聚焦激光束；以及準(zhǔn)直儀，其構(gòu)造為形成準(zhǔn)直激光束。光束操縱器定位成靠近光纜的激光電纜端部，聚焦透鏡定位成接收原始激光束，準(zhǔn)直儀定位成接收聚焦激光束。井下激光工具頭包括:第一玻璃蓋板，其靠近聚焦系統(tǒng)；激光噴口，其定位成從井下激光工具頭發(fā)射準(zhǔn)直激光束；流體刀，其靠近第一玻璃蓋板的激光噴口側(cè)；清洗噴嘴，其在井下激光工具內(nèi)靠近激光噴口 ；吸氣嘴，其靠近激光噴口 ；以及溫度傳感器，其鄰近激光噴口。第一玻璃蓋板構(gòu)造為保護(hù)聚焦系統(tǒng)。流體刀構(gòu)造為清掃第一玻璃蓋板。清洗噴嘴構(gòu)造為除去準(zhǔn)直激光束的路徑中的灰塵。吸氣嘴構(gòu)造為收集準(zhǔn)直激光束的路徑中的水汽。
[0011]在某些實施例中，井下激光工具包括:穩(wěn)定墊，其附接在硬殼體上，并且構(gòu)造為相對于外部套管將硬殼體保持就位。
[0012]在井下激光工具的某些實施例中，光束操縱器是反射鏡。
[0013]在井下激光工具的某些實施例中，光束操縱器是分束器。
[0014]在某些實施例中，井下激光工具還包括:第二玻璃蓋板，其定位成在第一玻璃蓋板與流體刀之間靠近第一玻璃蓋板。
[0015]在井下激光工具的某些實施例中，聚焦透鏡定位成靠近光纜的激光電纜端部，準(zhǔn)直儀定位成接收聚焦激光束，光束操縱器定位成接收準(zhǔn)直激光束。
[0016]在某些實施例中，井下激光工具還包括從一個旋轉(zhuǎn)殼體延伸出的多個旋轉(zhuǎn)頭。
[0017]在某些實施例中，井下激光工具還包括多個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
[0018]在某些實施例中，井下激光工具具有錐形激光噴口。
[0019]本發(fā)明還涉及一種利用井下激光工具穿透含烴地層的方法。該方法包括將井下激光工具延伸到現(xiàn)有井筒中。井下激光工具包括:激光地面單元，其與光纜連接；硬殼體，其圍繞光纜；外部套管，其圍繞硬殼體；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其定位在外部套管內(nèi)；以及旋轉(zhuǎn)頭，其從旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)延伸。旋轉(zhuǎn)頭包括聚焦系統(tǒng)和井下激光工具頭。聚焦系統(tǒng)包括光束操縱器、聚焦透鏡和準(zhǔn)直儀。井下激光工具頭包括第一玻璃蓋板、流體刀、清洗噴嘴、吸氣嘴和溫度傳感器。該方法包括在運(yùn)行模式下操作激光地面單元，當(dāng)準(zhǔn)直激光束達(dá)到所需穿透深度時，運(yùn)行模式結(jié)束。與激光地面單元連接的光纜在運(yùn)行模式期間將原始激光束傳導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頭的聚焦系統(tǒng)。該方法還包括從光纜將原始激光束發(fā)射到光束操縱器。光束操縱器朝向聚焦透鏡重新定向原始激光束的路徑。該方法還包括:在聚焦透鏡中聚焦原始激光束，以形成聚焦激光束；在準(zhǔn)直儀中準(zhǔn)直聚焦激光束，以形成準(zhǔn)直激光束；使準(zhǔn)直激光束穿過第一玻璃蓋板；用流體刀清掃第一玻璃蓋板；在運(yùn)行模式期間，用清洗噴嘴清洗準(zhǔn)直激光束的路徑；在運(yùn)行模式期間，用準(zhǔn)直激光束升華含烴地層，以形成達(dá)到所需穿透深度的隧道；以及在運(yùn)行模式期間，用吸氣嘴抽吸灰塵和水汽。
[0020]在某些實施例中，該方法還包括使旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，以瞄準(zhǔn)含烴地層的新區(qū)域。
[0021]在某些實施例中，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括多個旋轉(zhuǎn)頭。
[0022]在某些實施例中，運(yùn)行模式包括循環(huán)模式，使激光地面單元在工作周期與停用周期之間循環(huán)，在工作周期期間，將原始激光束從激光地面單元傳導(dǎo)至聚焦系統(tǒng)。
[0023]在某些實施例中，該方法還包括以下步驟:在工作周期期間，用清洗噴嘴清洗準(zhǔn)直激光束的路徑；以及在停用周期期間，用吸氣嘴抽吸灰塵和水汽。
[0024]在某些實施例中，運(yùn)行模式包括連續(xù)模式，其中，激光地面單元連續(xù)工作，直到達(dá)到所需穿透深度。
【附圖說明】
[0025]參考以下描述、權(quán)利要求和附圖將能夠更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點。然而，應(yīng)注意的是，附圖僅示出本發(fā)明的幾個實施例，因此不應(yīng)被視為對本發(fā)明的范圍的限制，這是因為本發(fā)明允許其他的等效實施例。
[0026]圖1是本發(fā)明實施例的透視圖。
[0027]圖2是本發(fā)明實施例的剖視圖。
[0028]圖3是旋轉(zhuǎn)頭的實施例的透視圖和光纜的分解圖。
[0029]圖4A是旋轉(zhuǎn)頭的實施例的剖視圖。
[0030]圖4B是旋轉(zhuǎn)頭的可選實施例的剖視圖。
[0031]圖4C是旋轉(zhuǎn)頭的可選實施例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0032]雖然將用幾個實施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識至IJ，本文所描述的裝置和方法的實例、變化和改變都在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。因此，在不失一般性的情況下和在沒有對所要求保護(hù)的發(fā)明強(qiáng)加限制的情況下，闡述了本文所述的本發(fā)明的各示例性實施例。
[0033]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的井下激光工具的透視圖。激光地面單元10位于現(xiàn)有井筒4附近的地面上?，F(xiàn)有井筒4已被掘進(jìn)到含烴地層2中，并通過水泥6和井筒套管8進(jìn)行加固。井下激光工具頭(未示出)位于現(xiàn)有井筒4內(nèi)。激光地面單元10與光纜20電連通。激光地面單元10與光纜20的激光地面端部55連接。光纜20的激光電纜端部(未示出)與井下激光工具頭(未示出)連接。在某些實施例中，多根光纜20可以將激光地面單元10連接至井下激光工具1。
[0034]—般來說，井下激光工具1的構(gòu)造材料可以是能夠抵抗在現(xiàn)有井筒4內(nèi)受到的高溫、高壓和振動并且保護(hù)系統(tǒng)免受流體、灰塵和碎肩侵害的任何類型的材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將熟悉合適的材料。
[0035]激光地面單元10將能量激發(fā)到高于