(57)【要約】  坑井の穿孔のための方法であって、該方法では、穿孔されるべき坑井の区域が分離され、そこから坑井流体がパージされることで、レーザビーム伝送のための障害のない経路が提供される。パージされた坑井区域では、レーザビーム照射装置によりレーザビームパルスが送出されて、これがレーザビーム照射装置から、パージされた坑井区域の坑壁及び地層の岩相の対象領域に伝送され、これによって、坑壁及び地層の岩相の物質の機械的性質を変化させ、また、物質デブリの発生を伴う。レーザビームパルスの終了に続いて、直ちに液体の液体噴射パルスが対象領域に送出され、これにより、対象領域から物質デブリを除去する。その後、このサイクルは、所望の穿孔深さが達成されるまで繰り返される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑井の穿孔のための方法であって、
ａ）加圧されたガス状流体を用いて坑井の坑井区域から坑井流体をパージするステップであって、これにより、パージされた坑井区域を作り出すステップと、
ｂ）前記パージされた坑井区域に、レーザビーム照射装置を提供するステップと、
ｃ）前記パージされた坑井区域の坑壁の対象領域に前記レーザビーム照射装置からレーザビームパルスを送出するステップであって、これにより、前記坑壁の物質の機械的性質を変化させると共に、物質デブリを発生させるステップと、
ｄ）前記レーザビームパルスの終了に続いて、液体のパルスを前記対象領域に噴射するステップであって、これにより、前記対象領域から前記物質デブリを除去するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記坑井区域を前記坑井の残りの部分から分離するために、化学的分離手段及び機械的分離手段のうち少なくとも一方が提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の追加の前記液体噴射パルスが前記対象領域に送出され、前記液体噴射パルスのそれぞれは、前の液体噴射パルスの終了の後に続くものである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビームパルスが前記対象領域にこれを通して送出される光学窓に、圧縮ガス流と加圧液体流のうち少なくとも一方を衝突させることを更に含み、これにより、前記対象領域への前記レーザビームパルスの前記送出の前に前記光学窓を洗浄する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
所望の坑井穿孔深さが達成されるまで、前記ステップｃ）とｄ）を繰り返す、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビームパルスは、約０．５秒〜約３０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの液体噴射パルスは、約２秒〜約９０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記坑井区域は、該坑井区域の上方と下方にそれぞれある上側パッカと下側パッカとを用いて分離される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記液体は、ハロカーボン、ＫＣｌ、弱酸、界面活性剤及び水からなる群から選択された流体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
坑井の穿孔のための方法であって、
坑井において、第１のパッカと第２のパッカとの間で坑井区域を分離するステップであって、これにより、分離された坑井区域を作り出すステップと、
前記分離された坑井区域に圧縮ガスを導入するステップであって、これにより、前記第１のパッカと前記第２のパッカとの間にガス空洞を形成するステップと、
前記ガス空洞にレーザビーム照射装置を提供するステップと、
前記上側パッカと前記下側パッカとの間の坑壁区域の対象領域に、前記レーザビーム照射装置から少なくとも１つのレーザビームパルスを送出するステップであって、これにより、坑壁物質の少なくとも１つの機械的性質を変化させると共に、物質デブリを発生させるステップと、
前記レーザビームパルスの後に続いて、少なくとも１つの液体噴射パルスを前記対象領域に送出するステップであって、これにより、前記対象領域から前記物質デブリを除去するステップと、を含む方法。
【請求項１１】
前記レーザビームパルスのそれぞれの後に、複数の前記液体噴射パルスが続く、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのレーザビームパルスが前記対象領域にこれを通して送出される光学窓に、圧縮ガス流と加圧液体流のうち少なくとも一方を衝突させるように送出することを更に含み、これにより、前記レーザビームパルスの各送出の前に前記光学窓を洗浄する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザビームパルスは、約２秒〜約９０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体噴射パルスのそれぞれは、約０．５秒〜約３０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザビームパルスのそれぞれの後に続いて、複数の前記液体噴射パルスが前記対象領域に送出される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記液体噴射は、ハロカーボン、ＫＣｌ、弱酸、界面活性剤及び水からなる群から選択された流体を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
坑井の穿孔のための方法であって、
ａ）坑井流体を含む坑井の区域を、化学的及び機械的のいずれかで分離するステップと、
ｂ）加圧されたガス状流体を用いて、前記区域から前記坑井流体をパージするステップであって、これにより、パージされた坑井区域を作り出すステップと、
ｃ）前記パージされた坑井区域にレーザビーム照射装置を提供するステップと、
ｄ）前記パージされた坑井区域の坑壁の対象領域に、前記レーザビーム照射装置からのレーザビームパルスを衝突させるステップであって、これにより、前記坑壁の物質の機械的性質を変化させると共に、物質デブリを発生させるステップと、
ｅ）前記レーザビームパルスの後に続いて、前記対象領域に液体噴射パルスを噴射するステップであって、これにより、前記対象領域から前記物質デブリを除去するステップと、を含む方法。
【請求項１８】
前記レーザビームパルスのそれぞれの後に続いて、複数の前記液体噴射パルスが前記対象領域に衝突する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
複数の前記レーザビームパルスが前記対象領域に衝突し、そのそれぞれの後に少なくとも１つの液体噴射パルスが続く、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのレーザビームパルスが前記対象領域にこれを通して送出される光学窓に、圧縮ガス流と加圧液体流のうち少なくとも一方を衝突させることを更に含み、これにより、前記対象領域への前記レーザビームパルスの前記衝突の前に前記光学窓を洗浄する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザビームパルスは、約２秒〜約９０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記液体噴射パルスのそれぞれは、約０．５秒〜約３０秒の範囲にある時間幅を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
坑井の穿孔を実施するための方法であって、
ａ）前記坑井において所望の深さに、坑壁から距離をおいて坑井穿孔装置を提供するステップであって、該装置は、レーザビームを照射するためのレーザビーム照射手段を含む、ステップと、
ｂ）前記坑井内にガス空洞を形成するステップと、
ｃ）前記レーザビームのパルスを前記坑壁に送出するステップであって、これにより、前記坑壁におけるレーザ誘起の機械的性質の変化を引き起こして、物質デブリを発生させ、穿孔領域を形成するステップと、
ｄ）前記穿孔領域から前記物質デブリが除去されるまで、液体の少なくとも１つの加圧液体パルスを前記穿孔領域に供給するステップと、を含む方法。
【請求項２４】
所望の穿孔が達成されるまで、前記ステップｃ）とｄ）を繰り返す、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ガス空洞は、前記坑井内に配置された一対の離間したパッカの間に加圧ガスを導入することにより形成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記液体は、ハロカーボン、ＫＣｌ、弱酸、界面活性剤及び水からなる群から選択された流体を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記液体の流れ直径は、約０．０２〜約１．２７ｃｍの範囲にある、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記液体の流量は、約０．５〜約２００リットル／分の範囲にある、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記液体の流速は、約１５〜約１５００ｍ／秒の範囲にある、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坑井の穿孔のための方法及び装置に関する。一態様において、本発明は、坑井の穿孔におけるレーザエネルギーの利用に関する。一態様において、本発明は、坑井穿孔過程で生じるソリッドを除去するための方法及び装置に関する。一態様において、本発明は、坑井においてレーザエネルギーの伝送のための障害のない経路を提供する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
坑井の掘削が完了すると、坑井ケーシング又はライナーへの穿孔によって、坑井への流体の流入が開始される。そのような穿孔は、地層から坑井への石油又はガスの流れを確保するために、成形爆薬を使用して形成される。穿孔は、一般に、地層内に数インチ延びるものである。ところが、このようなアプローチには様々な問題がある。第一に、成形爆薬からのメルト又はデブリが、通常、生産層の浸透率を低下させ、その結果、生産率が大幅に低下する。第二に、このような技法は、強力な爆薬の輸送及び取扱いを伴い、安全と保安に対する深刻な懸念を生じさせる。第三に、地層へのエネルギージェットによって、更にポアスロートを塞ぎ得る細粒が発生し、これによって生産率が低下する。
【０００３】
また、対象となる流体の物性及び坑井の周囲の岩層の特性に少なくとも一部依存して、流体の流入を開始させるための他のステップが必要となり得る。高粘性流体及び／又は低浸透率の地層に関わる状況では、流体の流入が妨げられることがある。高粘性流体は流れにくい。流量が減少する結果として、効率が低下し、全体的な生産率が低下する。低浸透率の地層についても、同じことが言える。極端な場合には、これらの要因によって、流量はゼロまで低下し、生産は完全に停止する。
【０００４】
新技術では穿孔を実施するのにレーザを採用しているが、穿孔の深さは約１０．１６ｃｍ（約４インチ）に限られており、それ以上の侵入は、孔の先細りの問題とデブリの効率的除去ができないことによって阻まれる。孔の先細りは、コリメートされたレーザビームを用いる場合に、ガウス分布ビーム形状と、孔内のデブリ柱によるレーザビームの減衰に起因して生じる。ビーム端はビーム中心よりも放射照度が低く、このため、穿孔が深くなるにつれて、孔は最終的に点となって、それ以上レーザビームは侵入できなくなる。
【０００５】
Ｂａｔａｒｓｅｈの米国特許第６８８０６４６号は、坑井への流体の流入を開始させるのに十分な温度まで坑壁の一部を加熱するためにレーザエネルギーを用いる坑井穿孔のための方法及び装置を教示している。しかしながら、坑井内の掘削液又は他の媒質が坑壁へのレーザエネルギーの伝送に与える影響に関する教示がなく、また、レーザ作業によって生じるデブリの処理に関する教示もない。
【発明の概要】
【０００６】
そこで、本発明の１つの目的は、坑井内の媒質がレーザエネルギーの伝送に与える影響に対処した、坑井穿孔のための方法及び装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、穿孔過程でレーザエネルギーによって生じる物質デブリの処理を提供する、坑井穿孔のための方法及び装置を提供することである。
【０００８】
本発明のこれら及び他の目的は、坑井の穿孔のための方法（method for wellbore perforation）によって対処され、該方法では、坑井流体を含む坑井の坑井区域（wellbore section）が分離され、その分離された区域にある坑井流体が、加圧されたガス状流体を用いて、その坑井区域からパージされることで、パージされた坑井区域が作り出される。パージされた坑井区域に提供されたレーザビーム照射装置を用いて、レーザビームパルスが、該レーザビーム照射装置から、パージされた坑井区域の坑壁（sidewall）の対象領域に送出（transmit）され、これによって、坑壁の物質の機械的性質を変化させると共に、物質デブリ（material debris）が発生する。レーザビームパルスの終了後に、液体の少なくとも１つの液体噴射パルス（liquid jet pulse）が対象領域に送出され、これにより、対象領域から物質デブリを除去する。多くの場合、次のレーザビームパルスを開始する前に、穿孔対象領域から物質デブリを効果的に取り払い、除去するためには、穿孔を受ける物質に応じて、複数の液体噴射パルスが必要となる。物質デブリの除去後は、プロセスが繰り返され、すなわち、穿孔において所望の深さが達成されるまで、レーザビームパルスと、その後に続く少なくとも１つの液体噴射パルスが繰り返される。なお、当然のことながら、作業の過程では、レーザビーム照射装置を収容しているダウンホールツールの、レーザビームが対象領域にそれを通して送出される光学窓（optical window）に、何らかの形のデブリ又は液体が付着することがあり、これによってレーザビームは妨げられる。よって、一実施形態では、そのようなデブリを取り除くために、例えば水である加圧された液体噴射を光学窓の外面に施すことができる。更に、窓に付着した液体又は残留デブリを除去するために、光学窓の外面に圧縮ガス噴射を施してもよい。坑壁の機械的性質の変化は、結果的に、限定するものではないが、破砕及び熱誘起応力破壊、相変化、熱的又は光化学的に誘起される化学反応を含む除去過程となり得る。本発明の方法の一実施形態による好ましいレーザビーム及び液体噴射のパルス時間幅（duration）は、標的岩相の性質に応じて、約２秒〜約９０秒の範囲である。本発明の方法は、垂直坑井、傾斜坑井、及び水平坑井に適用可能である。
【０００９】
本発明の方法のステップを実行するための装置は、制御された出力を持つレーザ源を含む電源ユニットを備え、更に、圧縮ガス供給装置と、圧縮機からガスジェット発生装置までのパイプラインと、ダウンホールツールと坑壁との間にガス空洞（gaseous cavity）を形成するためのノズルと、制御システムとを備え、更に、ポンプ、パイプライン、水ジェット発生手段及び制御部を含む加圧水又は別の液体の供給装置を備え、更に、地上から、約５ｋｍまでの坑井深度に位置するレーザ穿孔ツールに、光パワー、電力及び制御、場合によっては必要な流体を供給するためのアンビリカルケーブルを備え、更に、レーザ穿孔ツールと、光ファイバ、電力線、制御線、及び必要な流路を含むアンビリカルケーブルとを、坑井内の所望の穿孔領域の深さまで供給することが可能な、ツールを配備するためのコイルド・チュービング・ユニットなどの手段を備え、更に、パッカ（packer）要素と、オリエンタと、圧力密閉されると共に熱的に安定したクリーン環境室であって、光学部品（ファイバ端子、ビーム・ステアリング、ビーム成形、及びビーム集束のための光学系）を収容し、光学的に透明な出射窓を有する環境室と、電気制御及びセンサと、自動流体パージ制御部であって、坑井からのソリッドの除去及び搬送と、出射窓の外面の洗浄のための流体を供給するための外部ノズルを有する自動流体パージ制御部と、を含むレーザ穿孔ツールヘッドを備え、更に、所望の形状の坑井穿孔を達成するために必要な作業手順を維持するための監視及び操作用のコンピュータを備える。
【００１０】
本発明のこれら及び他の目的ならびに特徴は、図面を併用して行われる以下の詳細な説明によって、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による坑井の穿孔のためのシステムの概略図である。
【００１２】
【図２】図２は、石灰岩が標的物質である場合について、レーザビーム直径の関数としての穿孔半径と穿孔深さを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の方法の主要なステップは、所望の穿孔対象領域を含む坑井区域を分離することと、その分離した坑井区域から掘削液などの望ましくない坑井流体をパージすることと、分離した坑井区域内にレーザビーム照射装置を提供することと、所望の穿孔対象領域にレーザビーム照射装置からレーザビームパルスを送出することで、坑壁物質の機械的性質及び／又は下層岩質を変化させると共に、物質デブリの発生を伴うことと、液体噴射パルスを用いて対象領域から物質デブリを除去することと、を含んでいる。所望の穿孔深さが達成されるまで、レーザビームパルスの送出と、その後に続く物質デブリ除去のための１つ又は複数の液体噴射パルスの施与とからなる手順を繰り返す。
【００１４】
なお、当然のことながら、本発明の方法に関連するいくつかの操作パラメータが存在し、それらには、限定するものではないが、レーザビーム放射照度、レーザビーム直径、液体噴射パルス流直径、液体流量、液体流速、液体の表面吸収率、及びレーザビームと液体噴射のパルス時間幅が含まれる。また、操作パラメータは穿孔対象領域の岩質に応じて変化し、このため、操作パラメータはかなり大きな範囲となることも、理解できるであろう。本発明の方法は、坑井穿孔のいずれかの特定の適用範囲に限定されるものではないが、約１５．２４〜３０．４８ｃｍ（約６〜１２インチ）の範囲の直径を持つ坑井において、約０．４〜約５ｋｍの範囲の作業坑井深度での、含ガス層又は含油層の穿孔のための使用に特に適しており、そのような地層として、限定するものではないが、硬質砂岩相、砂岩相、頁岩相、及び炭酸塩岩相が含まれる。
【００１５】
[レーザビーム・パラメータ]
本発明の方法の実施に影響を与え得るレーザビーム・パラメータには、放射照度、レーザビーム直径、光ファイバの長さ、穿孔目標深度における光パワー、面レーザパワー、レーザ波長、対象領域へのレーザビーム入射角、及びレーザビームパルスの時間幅が含まれる。本発明の一実施形態による好ましい放射照度は、約０．５〜約１０ｋＷ／ｃｍ2の範囲である。ところで、採用される放射照度は、言うまでもなく、様々な検討事項に影響され得る。例えば、石灰岩では、放射照度が高いほど穿孔速度は高くなるが、代償として、より高出力の面レーザエネルギーが必要となるか、又はより細いレーザビーム／穿孔となる。レーザビーム直径は、坑井とダウンホールツールのサイズに依存し、これらはどちらもレーザビームの出射窓／開口サイズを制限する。レーザビーム直径の好ましい範囲は、約０．５〜約１５ｃｍである。坑井における穿孔の実際の深さは、光ファイバによる損失によって制限される。具体的には、光ファイバは、約０．４４ｄＢ／ｋｍの長さ伝送損失を示す。その結果として、実際の光ファイバの長さは約０．０２〜約１０ｋｍの範囲となる。穿孔の目標深度における光パワーは好ましくは約３〜約７５ｋＷの範囲であり、５ｋｍの光ファイバによって少なくとも５０％の損失があることに基づくと、好ましい面レーザエネルギー出力は約５〜約１５０ｋＷの範囲である。光ファイバの伝送損失は、少なくとも一部、レーザ波長による影響を受ける。本発明の一実施形態による好ましいレーザ波長は、約７００ナノメートル〜約１６００ナノメートルの範囲である。そして、対象領域へのレーザビームの好ましい入射角は、約０〜約４５°の範囲である。
【００１６】
本発明の方法の実施に影響を与える他のパラメータは、レーザエネルギー吸収率である。このパラメータは、除去されるべき岩石物質において、破砕、融解、蒸発、及び／又は化学分解反応を生じさせる岩石物質の加熱の効率を左右する。吸収率は高いほど望ましいが、しかし、ある程度の反射は、穿孔の幾何学的形状の制御及び孔の先細りを制限するのに利用することができる。レーザエネルギー吸収率の範囲は、物質依存の特性であり、更に、（ｉ）照射レーザエネルギーの波長、（ｉｉ）表面粗さ、（ｉｉｉ）入射角、（ｉｖ）水飽和率、にも依存する。また、レーザエネルギー吸収率は、一般に、より低いところから始まって、孔の深さに応じて高くなることもある。このため、明確にすることが難しい。
【００１７】
標的に衝突（impact）する入射レーザエネルギーは、その一定の割合が表面によって反射される。任意の物質の反射率は、屈折率が既知であれば、フレネル方程式から算出することができる。例えば、炭酸カルシウム（Ｃａ2Ｏ3）の屈折率はｎ＝１．６４２であり、この場合、レーザ発振波長λ＝１．０７ミクロンかつ入射角０°での反射率はＲ＝０．０５９である。この計算は、物質の表面粗さを考慮していない。表面の反射率は、一般に、表面粗さに依存する。表面粗さの長さスケールが入射レーザエネルギーよりも小さいと、表面は鏡面反射する傾向がある。それ以外の場合は、物質は、入射レーザエネルギーを拡散反射する。物質の表面粗さは、標的となる岩相の粒度に依存するだけではなく、物質除去の方法にも依存する。例えば、石灰岩におけるレーザ穿孔は、一般に、ＣａＯの形態の極めて微細な粉末状デブリを発生するように熱分解する性質の結果として、滑らかな側壁となる。一方、破砕過程を経て形成される砂岩におけるレーザ穿孔は、より凹凸の多い側壁となり得る。
【００１８】
本発明の方法の実施に影響を与え得る液体パージ・パラメータには、液体媒質、液体流直径、液体流量、液体流速、及び化学組成が含まれる。坑井形成物質と適合するいずれかの液体媒質を採用することができる。本発明の方法によって使用するのに適した液体媒質として、限定するものではないが、水、ハロカーボン、７質量％ＫＣｌ、及びレーザの副生成物の分解を助ける例えば弱酸、界面活性剤などの化学添加剤が含まれる。本発明の一実施形態によれば、液体流れ直径（liquid stream diameter）は約０．０２〜約１．２７ｃｍの範囲であり、液体流量（liquid flow rate）は約０．５〜約２００リットル／分（ｌｐｍ）の範囲であり、液体流速（liquid stream velocity）は約１５〜約１５００ｍ／秒の範囲である。
【００１９】
本発明の方法のステップを実行するための装置の概略図を図１に示している。この装置は、ダウンホールツール１０を備えており、これは、坑井１１内に配置されて、本方法で必要となるレーザビームパルスと流体ジェットパルスをそれぞれ施すのに適した構成要素と、更に坑井の穿孔区域を分離するのに適した構成要素を有している。ダウンホールツールは、地上の、動力源１３、レーザエネルギー源１４、パージガス源１５、及び水源又は他の液体源１６に接続されており、それらの動力、レーザエネルギー、パージガス、及び水又は他の液体は、適当な伝送管によってドリルストリング又はコイル管１７を介してダウンホールツールに伝送される。ダウンホールツールは、本発明の方法に従って坑井の穿孔区域を分離するために使用される第１のパッカ１８及び第２パッカ１９と、ツールを適切な方向に向けるためのオリエンティング手段と、を備える。第１及び第２のパッカは、従来の方法で作動して、坑井の区域を分離するものであるが、ただし、パッカのうち少なくとも１つは、分離された坑井区域にある流体と、更には穿孔過程で発生するデブリを、その分離区域から排出させることができる開口部を備えている。あるいは、パッカは膨張可能なデバイスであり、この場合、パッカのうち少なくとも１つを選択的に膨張及び収縮させることで、デブリを通過させることができる。ダウンホールツール内で離間したパッカ（spaced apart packers）間には、穿孔３１を形成するためのレーザビーム３０がそこから送出されるレーザビーム照射装置２０と、水ジェット流３２を穿孔対象領域に施すのに適した水源２１と、窒素などのパージガスを提供するためのガス状流体源２２とが配置されており、パージガスによって、分離された坑井区域から望ましくない流体をパージすることで、レーザビーム照射装置から穿孔対象領域までのレーザビーム伝送のための障害のない経路を提供する。言うまでもなく、デブリを除去するために、ハロカーボン及びＫＣｌなど、水以外の液体を採用することもでき、そのような他の液体は本発明の範囲内にあると認められる。排出させた望ましくない流体が、分離された坑井区域に再び入ることを防ぐため、分離された坑井区域内はオーババランス条件に維持される。
【００２０】
本発明の一実施形態によるレーザビーム照射装置は、地上のレーザエネルギー源１４に接続された少なくとも１つの光ファイバ又は光ファイバ束を有し、これを通して、レーザエネルギー源から光ファイバ又は光ファイバ束のレーザビーム出力端までレーザエネルギーが伝送される。ダウンホールツールにおいて使用するのに適したレーザビーム・アセンブリは、当業者には周知である。例えば、本明細書において上記で説明した米国特許第６８８０６４６号を参照することができる。ダウンホールツールは、更に、分離された坑井区域にパージガスがこれを通して導入される少なくとも１つのパージガスノズルと、穿孔過程で発生するデブリを除去するための水ジェットパルスがこれを通して穿孔対象領域に施与される少なくとも１つの水ジェットノズルと、を有する。分離された坑井区域内をオーババランス条件に維持することで、レーザビーム照射装置と対象領域との間に障害のない伝送路を維持することが重要であるのと同様に、レーザビームが対象領域にそれを通して伝送されるダウンホールツールの出射窓にデブリ及び液体が蓄積しないようにすることも重要である。これは、ガス状流体ノズルを出射窓の外面に向けて用いて、これによって、各レーザビームパルスの前、及び／又は最中に、ガス状流体を出射窓に送出することで、達成することができる。
【００２１】
本発明の方法の実行可能性は、一定圧力の水噴射シーケンスと組み合わせて、レーザビームの照射量、広がり角、照射時間、及びサイクル時間について調査した一連の実験で実証されている。本発明の方法を用いて、深く、高アスペクト比の穿孔を実施することが可能であった。
【００２２】
［例］
本例では、未だそれほど大きな光パワーレベルを受けたことがない下層の未照射物質を除去することなく、砂岩標的からの熱破砕によるデブリ及びメルトを除去するのに、１２．０７ＭＰａ（１７５０ｐｓｉ）の水ジェットが十分であると判断された。光学ベンチの上の二次水格納容器の上方に、パースペクス（persepex）水格納容器が配置された。水格納容器内でラボジャッキの上に、ベレア砂岩標的が配置された。標的は、ＱＢＨファイバ端子と、照合光学系と、集束レンズと、保護窓とを有する光学ヘッドによって送出される可視ガイドビームを利用して、チェンバへのレーザ入力に合わせて調整された。３００ｍｍ集束レンズが装着され、これによって、発散ビームを適当なスポットサイズで標的面に投影して、４ｋＷの全レーザ出力で所望のビーム放射照度を得ると共に、デブリの跳ね返りを防ぐために十分な標的からのスタンドオフを設けることができた。高圧洗浄機の後にボールバルブが挿入され、これによって、オンオフ・サイクルを進めることが容易に可能となった。そして、レーザが繰り返しオンオフされた。１００％の出力で４秒間オンされた後に、高速水ジェット噴流に応じるために、オフにされた。高速水ジェットを衝突させることは、標的からベレア砂岩の照射部分を迅速に取り除くのに十分であった。このようにして形成された開口又は孔の、レーザエネルギー照射装置に近接した部分は、直径３３ｍｍであると測定された。本実験では発散レーザビームを使用したことによって、レーザビーム照射装置から遠位の開口又は孔の部分は、孔の手前部分よりも大きくなった。レーザヘッドは、孔から一定のスタンドオフ距離に維持された。水ジェットによって、パージガス噴射に依存するレーザ穿孔方法と比較して、向上した孔洗浄が提供され、また、孔の先細りが抑えられた。試料は、孔の幾何学的形状と特徴の観測を可能にするために断面に分割された。細い高圧水流によって、孔の後ろからソリッドの搬送が可能となった。具体的なエネルギー結果は、８．９ｋＪ／ｃｃでの破砕と極めて類似していたが、試料を融解させるほど高くはなかった。水ジェットがオンであった時間又はレーザのリセットに要した時間を除いて、レーザのオン時間のみに基づいて算出された穿孔速度は、３．５ｃｍ／分であった。
【００２３】
［ビーム直径試験］
交互のレーザ／水噴射による本発明の方法を、長さ対直径アスペクト比Ｌ／Ｄが６よりも大きい侵入について更に評価するため、一定のビーム放射照度でビーム直径試験を実施した。試験は、同軸エアーナイフを備える光学ヘッドで、光学系保護を提供する銅コーン開口部を通して、３４４ｍｍ焦点距離のレンズによって作り出される発散レーザビームに基づくものであった。高圧洗浄機（ＡＲ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ社製，ＡＲ２４０型，最大１２．０７ＭＰａ（１７５０ｐｓｉ），最大流量５．７リットル／分（１．５ＧＰＭ），最高温度５０℃（１２２°Ｆ））と、レーザヘッドに固定された零度洗浄ノズル（噴射システムＴ００３）によって、レーザ穿孔の高圧水パージングを図った。ノズルの圧力は、約６．８９ＭＰａＧ（約１０００ｐｓｉｇ）であると算出された。固定の４．１４ＭＰａＧ（６００ｐｓｉｇ）（レギュレータ）Ｎ2パージを含み、パルスサイクルの終わりに、内径１．５８ｍｍのステンレス鋼管による送出によって、次のレーザパルスの前に穿孔を乾燥させる窒素パージングを可能とした。レーザヘッドは、石灰岩標的の前面上に所要のビームスポットサイズが２０ｍｍ〜２８ｍｍで変化させて得られるように、位置付けられた。それぞれのビーム直径についての光学パラメータの設定を表１に示す。
【表１】
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【００２４】
全てのビーム直径のショット間で、約０．６５ｋＷ／ｃｍ2の放射照度が維持された。ビーム放射照度が高いほど、レーザのオン時間を短くすることが可能である。２８ｍｍ直径ビームは、レーザシステムの最大出力４ｋＷを利用し、前面上で２４ｍｍと２０ｍｍのスポットサイズは、それぞれ７５％と５０％の出力設定を利用した。自動パルスサイクルごとに、１２秒のレーザパルス時間幅と、その後に続くそれぞれ３秒の時間幅の５回の水ジェットパルスと、最後の５秒のＮ2パージと、を利用した。試験は、１回のみの３秒の水パージで開始したが、試料は亀裂が生じた。標的の完全性を確保するため、冷却効果を向上させるように水量を増加した。窒素パージは、レーザのサイクルを進める前に、孔から水気を一掃する目的で導入された。レーザをオンにする前に、窓を清浄にするための約５秒間のＮ2パージ時間によって効果が得られた。疎水性の窓面により、その時間を０．５秒ほどにまで短縮することができた。これらの試験で採用された石灰岩標的は、寸法が１５．２４ｃｍ×１５．２４ｃｍ×６０．９６ｃｍ（６インチ×６インチ×２４インチ）であると測定された。穿孔は、１０サイクルのそれぞれを幾度か実行した後に、深さの最小増加が示された点で終了された。試験が終了した後に、標的は、ロックソーで、長手方向に垂直平面で分割された。孔の寸法は、穿孔の長さに沿って２０ｍｍ刻みで測定された。直径が大きい孔ほど、デブリ除去のためのより効率的な孔清浄化が提供されるので、深い孔が可能であることが確認された（図２を参照）。
【００２５】
通常、レーザエネルギーは岩の表面を不安定化することができるが、その不安定したソリッドを孔から除去することは難しく、その結果、レーザ穿孔の深さは、約７．６２〜１０．１６ｃｍ（約３〜４インチ）に制限される。本発明の方法及び装置は、ダウンホール環境でのレーザ穿孔において有効な見通し線を提供し、また、新しい穿孔表面を露出させるように、加圧された水／液体ジェットによって穿孔から不安定なソリッドを効果的に除去する手段を提供する。更に、本発明の方法及び装置は、同期的に、レーザビームがオフのときに水による光学窓のパージを可能にすると共に、レーザのオン時間の前、又はその最中に、標的へのレーザエネルギーを妨げる光学面上の結露を除去するための光学面のガスパージを可能にすることで、汚染環境においてレーザの光学面を清浄に維持する。これらのステップは、穿孔へのレーザエネルギーを最大化するように、レーザのオン／オフ時間、及び水ジェットのオン／オフ時間と同期される。
【００２６】
上記明細書では、本発明について、これらの幾つかの好ましい実施形態に関連させて説明し、例示目的で多くの詳細を記載しているが、本発明は追加の実施形態を許容するものであり、発明の基本原理から逸脱することなく、本明細書に記載の詳細の一部を大きく変更することが可能であることは、当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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