具有铰接臂及储层表征和绘图能力的激光钻孔工具制造技术

本申请涉及用于使用井下激光工具激发含烃地层的系统和方法。烃地层的系统和方法。烃地层的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有铰接臂及储层表征和绘图能力的激光钻孔工具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年6月12日提交的标题为“具有铰接臂和储层表征及绘图能力的激光钻孔工具(LASER DRILLING TOOL WITH ARTICULATED ARM AND RESERVOIR CHARACTERIZATION AND MAPPING CAPABILITIES)”的第16/439,383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。


[0003]本申请涉及激光工具以及用于使用高功率激光器激发含烃地层的相关系统和方法。

技术介绍

[0004]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碳氢化合物流量，以进行生产。为了从目标地层产出碳氢化合物，地层中的碳氢化合物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。
[0005]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，并且因此降低产量。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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。

技术实现思路

[0009]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，并将它们推开。钻掘坚硬地层将更容易、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。
[0010]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光纤线缆等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、穿孔和定向。工具包含用于高清测量和记录关于地层信息的构件，例如，如果存在盐丘，那么所述工具将基于速度发送声波，所述工具将引导以追踪代表盐丘边界的相同速度。高清储层表征基于现场和实际测量，而不是软件和相关性预测。通过对地层性质的实时反馈，可以立即做出钻井和完井决策。可经由所包含的声学相机提供钻孔和穿孔时的实时声学图像。
[0011]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。
[0012]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、穿孔和建立通信的构件，以实现最大化的产量和表征。它是一种集成工具，组合了高功率和低功率激光器(光纤感测)、定向构件、声学相机、光学组件和被称为“蛇”的铰接式机器人臂。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。
[0013]所公开的工具和方法为井下激发提供了非破坏性替代技术，可在任何方向穿透，并在穿透时评估地层。所公开的工具和方法可以改善钻井孔和含烃地层之间的连通，从而改善生产和地层特征。光纤线缆可嵌入铰接式机器蛇中，此机器蛇可由电力或液压/气动控制装置提供动力。
[0014]一方面，本申请涉及一种用于激发含烃地层的系统。具体为配置成在岩层内的钻井孔的井下环境中使用的激光穿孔工具。所述工具包含配置成对钻井孔进行穿孔的穿孔构件，其中所述穿孔构件包含一个或多个光传输介质，所述光传输介质是源自配置成产生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原始激光束。所述工具还包含激光头，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原始激光束，其中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。
[0015]所述工具的额外特征包含：冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地设置在激光头之内或邻近激光头，且配置成将冲洗流体递送到输出激光束附近的区域；多个定向喷嘴，所述
多个定向喷嘴围绕激光头的外周设置，其中所述多个喷嘴配置成控制激光工具在钻井孔内的定向；以及控制系统，所述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。
[0016]在上述方面的各种实施例中，光学组件包含：分光棱镜，所述分光棱镜配置成接收原始激光束并将原始激光束分成一个或多个光束；以及准直器，所述准直器设置在棱镜下游，且配置成接收所述一个或多个光束并产生具有特定大小或形状的输出激光束。光学组件还可包含至少一个额外透镜，所述至少一个额外透镜设置在棱镜和准直器之间，用于基本上垂直于激光头的中心轴或相对于激光头的中心轴倾斜地递送输出光束。
[0017]在一些实施例中，准直器配置成基本上平行于激光头的中心轴递送输出激光束。在各种实施例中，准直器配置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种配置成在岩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：配置成对所述钻井孔进行穿孔的穿孔构件，所述穿孔构件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原始激光束；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；冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地设置在所述激光头之内或邻近所述激光头，且配置成将冲洗流体递送到所述输出激光束附近的区域；多个定向喷嘴，所述多个定向喷嘴围绕所述激光头的外周设置，所述多个喷嘴配置成控制所述激光工具在钻井孔内的定向；以及控制系统，所述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，以在钻井孔内引导所述输出激光束。2.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：分光棱镜，所述分光棱镜配置成接收所述原始激光束并将所述原始激光束分成一个或多个光束；以及准直器，所述准直器设置在所述分光棱镜下游，且配置成接收所述一个或多个光束并产生具有特定大小或形状的输出激光束。3.根据权利要求2所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述光学组件进一步包括至少一个额外透镜，所述至少一个额外透镜设置在所述分光棱镜和准直器之间，用于基本上垂直于所述激光头的中心轴或相对于所述激光头的中心轴倾斜地递送输出激光束。4.根据权利要求2所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述准直器配置成基本上平行于所述激光头的中心轴递送输出激光束。5.根据权利要求2所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述准直器配置成递送发散光束。6.根据权利要求2所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述准直器配置成递送会聚光束。7.根据权利要求2所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述准直器配置成递送准直光束。8.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述冲洗系统包括多个冲洗喷嘴，所述多个冲洗喷嘴设置在输出激光束附近且连接到冲洗流体供应源，所述冲洗喷嘴配置成将冲洗流体递送到所述输出激光束附近的区域。9.根据权利要求8所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述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所述输出激光束附近的区域去除碎屑和气态流体。10.根据权利要求1所述的激光穿孔工具，其特征在于，所述多个定向喷嘴是冲洗喷嘴，所述冲洗喷嘴配置成向所述激光头提供推力，使得所述激光头在所述钻井孔内移动。11.根据权利要求10所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨米，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：