СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПРОХОДКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
HOLE-MAKING METHOD AND SYSTEM USING HIGH-POWER LASER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам, устройству и системам для осуществления проходки стволов скважин с использованием энергии лазера большой мощности, передаваемой на большие расстояния с сохранением мощности лазерной энергии для выполнения необходимых задач. Конкретно, настоящее изобретение относится к подаче энергии лазера большой мощности для создания и проходки ствола скважины в грунте и выполнения других задач в стволе скважины.
Настоящее изобретение является полезным и может применяться в соединении с системами, устройством и способами, подробно описанными в патентной заявке США совместного рассмотрения № 12/544136 под названием Method and Apparatus for Delivering High Power Laser Energy Over Long Disances, Патентной заявке США № 12/544038 под названием Apparatus for Advancing a Wellbore using High Power Laser Energy, Патентной заявке США № 12/544,094 под названием Methods and Apparatus for Delivering High Power Laser Energy to a Surface, и Патентной заявке США № 12/543968, под названием Methods and Apparatus for Removal and Control of Material in Laser Drilling of a Borehole, зарегистрированных одновременно с ними, описания которых полностью включены в данный документ в виде ссылки.
В общем, стволы скважин выполняют от поверхности земли и в грунте, т.e. горной породе, для получения доступа к ресурсам, находящимся под поверхностью. Такие ресурсы включают в себя углеводороды, такие как нефть и природный газ, воду и геотермальную энергию из источников, таких как гидротермальные скважины. Стволы скважин также выполняют в грунте для изучения, отбора образцов и разведки материалов и пластов, находящихся под поверхностью. Их также выполняют в грунте для создания каналов под кабели и другие изделия под поверхностью земли.
Термин "ствол скважины" включает в себя любое отверстие, созданное в породе, с длиной, значительно превышающей ширину, также называемое скважиной, является общеизвестным в технике узким каналом в земле. Хотя стволы скважин, в общем, ориентированы, по существу, вертикально, их могут также ориентировать под углом к вертикали и горизонтально. Таким образом, используя горизонтальную линию, представляющую горизонтальную ориентацию, ствол скважины может иметь ориентацию от 0°, т.e. вертикального ствола скважины, до 90°, т.e. горизонтального ствола скважины, и более 90°, т.е. восходящего ствола. Стволы скважин могут дополнительно иметь сегменты или секции с различной ориентацией, они могут являться искривленными, и могут иметь формы, обычно встречающиеся в наклонно-направленном бурении. При этом, при использовании в данном документе, если специально не оговорено, "забой" ствола скважины, "забойная" поверхность ствола скважины и аналогичные термины означают концевую часть ствола скважин, т.e. участок ствола скважин, наиболее удаленный на траектории ствола скважины от устья ствола скважины, поверхности земли, или начала ствола скважины.
Проходка ствола скважины означает увеличение длины ствола скважин. Таким образом, при проходке не горизонтального ствола скважины, глубина ствола скважины также увеличивается. Стволы скважин, в общем, выполняют и их проходку осуществляют с использованием механического бурового оборудования с вращением бурового долота. Буровое долото проходит в грунт и вращается для создания ствола скважины в грунте. В общем, для выполнения операции бурения используют инструмент с алмазными рабочими поверхностями. Данный инструмент должен вдавливаться в горную породу или грунт, подлежащий разрушению, с силой, достаточной для превышения сдвиговой прочности данного материала. Таким образом, в обычных буровых работах механические силы, превышающие сдвиговую прочность горной породы или грунта, должны быть приложены к такому материалу. Материал выбуренной породы, в общем, известен как шлам, т.e. отходы, которые могут являться обломками горной породы, пылью, минеральными волокнами и другими типами материалов и структур, которые могут создаваться термическим или механическим взаимодействиями с грунтом. Данный шлам обычно удаляют из ствола скважины с использованием текучих сред, которые могут являться жидкостями, пенами или газами.
В дополнение к проходке ствола скважины, другие типы работ выполняют в строительстве ствола скважины или они связаны с его строительством, такие как работы капитального ремонта и заканчивания. Данные типы работ включают в себя, например, прорезание и перфорирование обсадной колонны и удаление скважинных пробок. Скважинная обсадная колонна, или обсадная колонна, представляет из себя трубные изделия или другие материалы, используемые для внутренней облицовки ствола скважины. Скважинная пробка является конструкцией или материалом, размещаемым в стволе скважины для заполнения и закупоривания ствола скважины. Скважинная пробка направлена на предотвращение или ограничение притока материалов в ствол скважины.
Обычно, перфорирование, т.e. работы перфорирования, включают в себя использование перфорирующего инструмента для создания отверстий, другими словами, окон или поровых каналов в обсадной колонне и стволе скважины для обеспечения притока добываемых ресурсов в ствол скважины. Так, перфорирующие инструменты могут использовать заряды взрывчатого вещества для пробивания отверстий или выстреливания пуль для пробивания отверстий в обсадной колонне и стенках ствола скважины для создания таких отверстий или поровых каналов.
Вышеупомянутые обычные способы строительства и проходки ствола скважины именуют механическими методиками, или механическими методиками бурения, поскольку они требуют механического взаимодействия между буровым оборудованием, таким как буровое долото или перфорирующий инструмент, и грунтом или обсадной колонной для передачи силы, необходимой для бурения грунта или резки обсадной колонны.
Теоретически возможности приспособления лазера для использования в строительстве и проходке ствола скважины уже оценивали. Так, теоретически оценивали возможность использования энергии лазерного излучения от лазерного генератора для бурения горной породы и грунта посредством дробления, термической диссоциации, плавления, испарения и комбинаций данных явлений. Плавление включает в себя переход горной породы и грунта из твердого в жидкое состояние. Испарение включает в себя переход горной породы и грунта из твердого или жидкого состояния в газообразное состояние. Дробление включает в себя фрагментацию горной породы от локализованного действия напряжения, созданного действием тепла. Термическая диссоциация включает в себя разрыв химических связей на молекулярном уровне.
В настоящее время считается, что никому не удалось добиться успеха в разработке и реализации данных теорий лазерного бурения для создания устройства, способа или системы, которые могут осуществлять проходку ствола скважины в грунте с использованием лазера, или выполнять перфорацию в скважине использованием лазера. Более того, считается, что никто не разработал параметры, и оборудование, соответствующее данным параметрам, для эффективного бурения и удаления горной породы и грунта с забоя ствола скважины с использованием лазера, а также никто не разработал параметры, и оборудование, соответствующее данным параметрам, для эффективного перфорирования скважины с использованием лазера. Дополнительно никто не разработал параметры, оборудование, или способы, нужные для проходки ствола скважины вглубь грунта к глубинам, превышающим около 300 фут (0,09 км), 500 фут (0,15 км), 1000 фут (0,30 км), 3280 фут (1 км), 9840 фут (3 км) и 16400 фут (5 км) с использованием лазера. Конкретно, считается, что никто не разработал параметры, оборудование, или способы для подачи энергии лазера большой мощности, например, превышающей 1 кВт или больше для проходки ствола скважины в грунте.
Хотя механическое бурение продвинулось вперед и является эффективным во многих типах геологических пластов, считается, что высокоэффективное средство для создания стволов скважин, проходящих через более твердые геологические пласты, такие как базальт и гранит еще предстоит разрабатывать. Таким образом, настоящее изобретение дает решения данной проблемы, создавая параметры, оборудование и методики для использования лазера для проходки ствола скважины высокоэффективным способом через более твердые пласты горной породы, такие как базальт и гранит.
Окружающая среда и большие расстояния в стволе скважины в грунте могут являться очень суровыми и жесткими к оптическому волокну, оптике и их компоновкам. Таким образом, существует необходимость создания способов и устройств для развертывания оптического волокна, оптики, и их компоновок в стволе скважины и, конкретно, в очень глубоких стволах скважин, которые должны обеспечивать данным и всем связанным с ними компонентам устойчивость к воздействию грязи, давления и температуры, присутствующим в стволе скважин и преодолевать или минимизировать потери энергии, возникающие при передаче лазерных пучков большой мощности на большие расстояния. Настоящее изобретение решает данные проблемы, создавая средство передачи лазерных пучков большой мощности на большие расстояния.
Всегда являлись необходимыми, но до настоящего изобретения считались недостижимыми, подача лазерного пучка большой мощности на расстояние в стволе скважины больше около 300 фут (0,09 км), около 500 фут (0,15 км), около 1000 фут (0,30 км), около 3280 фут (1 км), около 9840 фут (3 км) и около 16400 фут (5 км) по оптическому волокну в стволе скважины, минимизирование потерь мощности оптического излучения вследствие нелинейного эффекта и обеспечение эффективной подачи большой мощности на конце оптического волокна. Таким образом, эффективная передача большой мощности из точки А в точку B в случае, если расстояние между точкой A и точкой B в стволе скважины больше около 1640 фут (0,5 км) давно является необходимым, но до настоящего изобретения считалось недостижимым и, конкретно, считалось недостижимым при работах бурения ствола скважины.
Обычная буровая установка, подающая мощность с поверхности механическим средством, должна создавать силу, действующую на горную породу, превышающую сдвиговую прочность горной породы, которую бурят. Хотя лазер показывает эффективное дробление и выкрашивание таких твердых горных пород в лаборатории при лабораторных условиях, и теоретически считается, что лазер может бурить такие твердые горные породы с производительностью превосходящей механическое бурение, в настоящее время считается, что не разработаны системы устройств или способы, обеспечивающие подачу лазерного пучка на забой ствола скважины глубиной больше около 1640 фут (0,5 км) с достаточной мощностью для бурения таких твердых горных пород, не говоря уже о бурении таких твердых горных пород со скоростью проходки, равной или больше, чем при обычном механическом бурении. Считается, что данное ограничение возможностей техники является фундаментальной и давней проблемой, решение которой дает настоящее изобретение.
Таким образом, настоящее изобретение решает проблемы в уровне техники бурения, создавая, среди прочего подавление когерентности эффекта вынужденного бриллюэновского рассеяния, например, лазерного генератора с расширенной полосой пропускания, такого как лазер с модулированием по частоте или лазерного генератора с комбинированием спектра пучка, для подавления вынужденного бриллюэновского рассеяния, что обеспечивает передачу большой мощности по оптическому волокону длиной >1000 фут (0,30 км); использование волоконного лазера, дискового лазера или высокой яркости полупроводникового лазера для бурения горной породы с расширенной полосой пропускания для обеспечения эффективной подачи мощности оптического излучения через оптическое волокно длиной >1000 фут (0,30 км); использование лазерных источников с фазовой дифракционной решеткой с расширенной полосой пропускания для подавления усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния для передачи мощности по волокнам длиной >1000 фут (0,30 км); методика намотки волокна на барабан, обеспечивающая передачу мощности по волокну от центральной оси барабана лазерным пучком при вращении барабана, способ сматывания волокна с барабана без использования механического перемещающегося компонента; способ объединения многочисленных волокон в одну оплетку, способную выдерживать скважинные давления, использование секций активного и пассивного волокна для преодоления потерь по длине волокна, использование всплывающего волокна для несения веса волокна, лазерной головки и защитного кожуха в стволе скважины, использование микролинз, свободных от сферической аберрации оптики, аксиконов или дифракционных оптических устройств, для создания заданного рисунка пятен на горной породе для достижения более высокой производительности бурения, и использование теплового двигателя или настраиваемого фотоэлектрического преобразователя для повторной конвертации мощности оптического излучения в электроэнергию после передачи мощности на расстояние >1000 фут (0,30 км) по оптическому волокну.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Необходимо разработать системы и способы, обеспечивающие подачу энергии лазерного излучения большой мощности на забой ствола глубокой скважины для проходки данного ствола скважин с экономически эффективной производительностью, и конкретно, с возможностью подачи такой энергии лазерного излучения большой мощности для бурения сквозь твердые слои пластов горной породы, включающие в себя гранит, базальт, песчаник, доломит, песок, соль, известняк, риолит, кварцит и сланец с экономически эффективной производительностью. Более конкретно, необходимо разработать системы и способы, обеспечивающие подачу такой энергии лазерного излучения большой мощности для бурения сквозь твердые слои пластов горной породы, такие как гранит и базальт, с производительностью выше чем в обычных операциях механического бурения известного уровня техники. Настоящее изобретение, среди прочего, решает данные задачи созданием системы, устройства и способов, изложенных в данном документе.
Таким образом, создана высокомощная система лазерного бурения для использования совместно с буровой установкой, буровой платформой, буровой вышкой, платформой спуска труб в скважину под давлением или буровой установкой с гибкой насосно-компрессорной трубой для проходки ствола скважины в твердой горной породе, содержащая генератор энергии лазерного излучения большой мощности, способный создавать лазерный пучок, имеющий мощность, по меньшей мере, 10 кВт, по меньшей мере, около 20 кВт или больше, компоновку низа бурильной колонны, имеющую оптический блок, выполненный с возможностью создания заданного профиля энергетического воздействия на поверхность ствола скважины и с возможностью создания заданного рисунка пятен падения лазерного пучка, средство перемещения компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины, скважинный кабель передачи лазерного пучка большой мощности, имеющий длину, по меньшей мере, около 500 фут (152 м), по меньшей мере, около 1000 фут (305 м), по меньшей мере, около 3000 фут (915 м), по меньшей мере, около 4000 фут (1220 м) или больше, оптически связанный с лазерным генератором и скважинный кабель, оптически связанный с компоновкой низа бурильной колонны.
Дополнительно создана система высокомощного лазерного бурения для использования совместно с буровой установкой, буровой платформой, платформой спуска в скважину под давлением, буровой вышкой или буровой установкой с гибкой насосно-компрессорной трубой для проходки ствола скважины, содержащая генератор энергии лазерного излучения большой мощности, способный создавать лазерный пучок, имеющий мощность, по меньшей мере, 5 кВт, по меньшей мере, около 10 кВт, по меньшей мере, около 15 кВт и, по меньшей мере, около 20 кВт или больше, при этом лазерный генератор содержит, по меньшей мере, один лазер, компоновку низа бурильной колонны, выполненную с возможностью создания заданного профиля энергетического воздействия энергии лазерного излучения на поверхность ствола скважины и выполненную с возможностью создания заданного рисунка пятен падения лазерного пучка и содержащую оптический блок, средство механического удаления материала ствола скважины, средство для спуска компоновки низа бурильной колонны в ствол скважины и перемещения в нем, источник текучей среды, используемый в проходке ствола скважины, скважинный кабель передачи лазерного пучка большой мощности, скважинный кабель, имеющий длину, по меньшей мере, около 1000 фут (305 м), оптически связанный с лазерным генератором и оптически связанный с оптическим блоком, при этом компоновка низа бурильной колонны сообщена с источником текучей среды, при этом энергию лазерного излучения большой мощности можно подавать на поверхность ствола скважины на местах в стволе скважины, находящихся, по меньшей мере, в 1000 фут (305 м) от устья ствола скважины.
Еще создана система высокомощного лазерного бурения для использования совместно с буровой установкой, буровой платформой, буровой вышкой, платформой спуска в скважину под давлением или буровой установкой с гибкой насосно-компрессорной трубой для проходки ствола скважины, содержащая генератор энергии лазерного излучения большой мощности, компоновку низа бурильной колонны, имеющую оптический блок, выполненный с возможностью создания профиля энергетического воздействия на поверхность ствола скважины и с возможностью создания рисунка пятен падения лазерного пучка, средство для направления текучей среды, средство для спуска компоновки низа бурильной колонны в ствол скважины и перемещения в нем, источник текучей среды, используемый в проходке ствола скважины, скважинный кабель передачи лазерного пучка большой мощности, оптически связанный с лазерным генератором и оптически связанный с компоновкой низа бурильной колонны, и средство для направления, сообщающееся с источником текучей среды, при этом, система выполнена с возможностью резания, дробления, или выкрашивания горной породы посредством облучения поверхности ствола скважины с использованием энергии лазерного излучения и удаления обломков, создаваемых резанием, дроблением или выкрашиванием, из ствола скважины и области лазерного облучения действием направляющего средства. При этом средство для направления может представлять одно или несколько или комбинации из следующего: усилитель текучей среды, выпускное окно, средство направления газа, средство направления текучей среды и воздушный шабер.
Кроме того, создана лазерная компоновка низа бурильной колонны, содержащая первый поворотный кожух, второй закрепленный кожух, при этом первый кожух вращательно связан со вторым кожухом, кабель из оптического волокна для передачи лазерного пучка, имеющий ближний конец и дальний конец, выполненный с возможностью приема лазерного пучка от лазерного генератора, при этом дальний конец оптически связан с оптическим блоком, по меньшей мере, участок оптического блока, скрепленный с первым поворотным кожухом и вращающийся с первым кожухом, механическую компоновку, скрепленную с первым поворотным кожухом, вращающуюся с первым кожухом и выполненную с возможностью приложения механических сил на поверхность ствола скважины при вращении и, канал текучей среды, связанный с первым и вторым кожухами и имеющий дальнее и ближнее отверстие, при этом дальнее отверстие выполнено с возможностью выброса текучей среды к поверхности ствола скважины, и текучая среда для удаления отходов передается по пути текучей среды и выбрасывается из дальнего отверстия к поверхности ствола скважины для удаления отходов из ствола скважины.
Дополнительно создана лазерная компоновка низа бурильной колонны, содержащая первый поворотный кожух, второй закрепленный кожух, при этом первый кожух вращательно связан со вторым кожухом, оптический блок, имеющий первый участок и второй участок, кабель из оптического волокна для передачи лазерного пучка, имеющий ближний конец и дальний конец, при этом ближний конец выполнен с возможностью приема лазерного пучка от лазерного генератора, а дальний конец оптически связан с оптическим блоком, и ближний и дальний концы волокна скреплены со вторым кожухом, первый участок оптического блока скреплен с первым поворотным кожухом, второй участок оптического блока скреплен со вторым закрепленным кожухом, при этом первый участок оптического блока вращается с первым кожухом, механическую компоновку, скрепленную с первым поворотным кожухом, вращающуюся с первым кожухом и выполненную с возможностью приложения механических сил на поверхность ствола скважины при вращении, и канал текучей среды, связанный с первым и вторым кожухами, имеющий дальнее и ближнее отверстие, при этом дальнее отверстие выполнено с возможностью выброса текучей среды к поверхности ствола скважины, дальнее отверстие скреплено с первым поворотным кожухом, и текучая среда для удаления отходов передается по пути текучей среды и выбрасывается из дальнего отверстия к поверхности ствола скважины для удаления отходов из ствола скважины, при этом при вращении первого кожуха первый участок оптического блока, механическая компоновка и ближнее отверстие текучей среды вращаются, по существу, одновременно.
Кроме того, создана лазерная компоновка низа бурильной колонны, содержащая кожух, средство для подачи лазерного пучка большой мощности, оптический блок, создающий оптический путь, по которому проходит лазерный пучок, и воздушный поток и камеру для создания области высокого давления вдоль оптического пути, и воздушный поток через кожух компоновки низа бурильной колонны с окнами, функционирующими для закачки с подсасыванием для удаления отходов из области высокого давления.
Дополнительно к этому данные системы и компоновки могут дополнительно иметь поворотную лазерную оптику, поворотное устройство механического взаимодействия, поворотное средство подачи текучей среды, одно или все три таких устройства, вращающиеся вместе, оптику формирования пучка, кожухи, средство для направления текучей среды для удаления отходов, средство для сохранения лазерного пути свободным от обломков породы, средство для уменьшения создания помех отходами лазерному пучку, оптику, содержащую сканнер, отталкивающее механическое устройство, коническое отталкивающее устройство, механическую компоновку, содержащую буровое долото, механическую компоновку, содержащую трехшарошечное буровое долото, механическую компоновку, содержащую долото с поликристаллическими алмазными вставками, инструмент с поликристаллическими алмазными вставками или режущий инструмент с поликристаллическими алмазными вставками.
Также дополнительно создана система для создания ствола скважины в земле, имеющая лазерный генератор большой мощности, компоновку низа бурильной колонны и оптоволоконное соединение лазерного генератора с компоновкой низа бурильной колонны, так что лазерный пучок от лазерного генератора передается на компоновку низа бурильной колонны, содержащую средство для подачи лазерного пучка на поверхность забоя ствола скважины, подающее средство, содержащее оптику создания энергетического воздействия пучка, при этом лазерный пучок, подаваемый из компоновки низа бурильной колонны, облучает поверхность забоя ствола скважины, по существу, с ровным профилем энергетического воздействия.
Также дополнительно создан способ проходки ствола скважины с использованием лазера, содержащий следующие стадии: перемещение средства передачи лазерного пучка большой мощности в ствол скважины, имеющий поверхность забоя, отверстие на устье и расстояние между поверхностью забоя и отверстием на устье, составляющее, по меньшей мере, около 1000 фут (305 м), при этом средство передачи имеет дальний конец, ближний конец, и расстояние между дальним и ближним концами, причем дальний конец перемещается в стволе скважины, и средство передачи содержит средство для передачи энергии лазерного излучения большой мощности, подачу лазерного пучка большой мощности на ближний конец средства передачи; передачу, по существу, всей мощности лазерного пучка по длине средства передачи так, что пучок выходит на дальнем конце; передачу лазерного пучка из дальнего конца в оптический блок в лазерной компоновке низа бурильной колонны, направляющей лазерный пучок на поверхность забоя ствола скважины; создание заданного профиля энергетического воздействия на забой ствола скважины; при этом увеличивается длина ствола скважины, частично, на основе взаимодействия лазерного пучка с забоем ствола скважины.
Кроме того, создан способ удаления обломков породы из ствола скважины во время лазерного бурения ствола скважины, содержащий следующие стадии: направление лазерного пучка, имеющего длину волны и имеющего мощность, по меньшей мере, около 10 кВт, в ствол скважины и к поверхности ствола скважины, находящейся, по меньшей мере, на глубине 1000 фут (305 м) в стволе скважины, при этом лазерный пучок облучает область поверхности и смещает материал с поверхности в области облучения, направление текучей среды в ствол скважины и на поверхность ствола скважины, при этом текучая среда, по существу, проходит для длины волны лазера и имеет первый и второй путь потока, прохождение текучей среды по первому пути потока и удаление смещенного материала из зоны облучения со скоростью, достаточной для предотвращения создания препятствий лазерному облучению области облучения, и прохождение текучей среды по второму пути потока и удаление смещенного материала из ствола скважины. Кроме того, способ может также содержать вращение области облучения, направление текучей среды в первом пути потока в направлении вращения, направление текучей среды в первом пути потока в направлении, противоположном вращению, использование третьего пути потока текучей среды, при этом третий путь потока и первый путь потока текучей среды могут проходить в направлении вращения, третий путь потока и первый путь потока текучей среды могут проходить в направлении, противоположном направлению вращения, текучая среда может направляться непосредственно на область облучения, текучая среда в первом пути потока может направляться на место вблизи области облучения, текучая среда в первом пути потока может направляться на место вблизи области облучения области, находящейся впереди вращения.
Также создан способ удаления обломков породы из ствола скважины во время лазерного бурения ствола скважины, содержащий следующие стадии: направление лазерного пучка имеющего мощность, по меньшей мере, около 10 кВт, к поверхности ствола скважины; облучение области поверхности ствола скважины; смещение материала из зоны облучения; подачу текучей среды; направление текучей среды к первой области в стволе скважины; направление текучей среды к второй области; удаление направленной текучей средой смещенного материала из зоны облучения с производительностью, достаточной для предотвращения создания помех смещенным материалом лазерному облучению; удаление текучей средой смещенного материала из ствола скважины. Данный способ может дополнительно иметь первую область, как область облучения, вторую область на боковой стенке компоновки низа бурильной колонны, вторую область вблизи первой области и вторую область, расположенную на поверхности забоя ствола скважины, вторую область вблизи первой область, когда вторая область расположена на поверхности забоя ствола скважины, первую текучую среду, направленную на область облучения, и вторую текучую среду, направленную на вторую область, первую текучую среду, такую как азот, первую текучую среду, такую как газ, вторую текучую среду, такую как жидкость, и вторую текучую среду, такую как водосодержащая жидкость.
Также дополнительно создан способ удаления обломков породы из ствола скважины во время лазерного бурения ствола скважины, содержащий следующие стадии: направление лазерного пучка к поверхности ствола скважины, облучение области поверхности ствола скважины, смещение материала из зоны облучения, подачу текучей среды, направление текучей среды по первому пути к первой области в стволе скважины, направления текучей среды по второму пути ко второй области, усиление потока текучей среды во втором пути, удаление направленной текучей средой смещенного материал из зоны облучения со скоростью, достаточной для предотвращения создания помех от смещенного материала лазерному облучению, и усиление удаления текучей средой смещенного материала из ствола скважины.
Кроме того, создана лазерная компоновка низа бурильной колонны для бурения ствола скважины в земле, содержащая кожух, оптику для придания формы лазерному пучку, отверстие подачи лазерного пучка для облучения поверхности ствола скважины, первое отверстие для текучей среды в кожухе, второе отверстие для текучей среды в кожухе, содержащее усилитель текучей среды.
Также создана система высокомощного лазерного бурения для проходки ствола скважин, содержащая генератор энергии лазерного излучения большой мощности, выполненный с возможностью создания лазерного пучка, компоновку насосно-компрессорной трубы, имеющую насосно-компрессорную трубу длиной, по меньшей мере, 500 фут (152 м), имеющую дальний и ближний конец, источник текучей среды, используемый в проходке ствола скважины, ближний конец насосно-компрессорной трубы, сообщающийся текучей средой с источником текучей среды, при этом текучая среда транспортируется совместно с насосно-компрессорной трубой от ближнего конца насосно-компрессорной трубы на дальний конец насосно-компрессорной трубы, ближний конец насосно-компрессорной трубы оптически связан с лазерным генератором, и лазерный пучок можно транспортировать совместно с насосно-компрессорной трубой, содержащей кабель передачи лазерного пучка большой мощности, имеющий дальний конец и ближний конец, оптически связанный с лазерным генератором, при этом лазерный пучок передается по кабелю от ближнего конца на дальний конец кабеля и лазерную компоновку низа бурильной колонны оптически связанную сообщающуюся с дальним концом насосно-компрессорной трубы и содержащую кожух, оптический блок и отверстие для направления текучей среды. Данную систему можно снабдить также отверстием для направления текучей среды с воздушным шабером, отверстием для направления текучей среды с усилителем текучей среды, отверстием для направления текучей среды с воздушным усилителем, множеством устройств для направления текучей среды, компоновкой низа бурильной колонны, содержащей множество отверстий для направления текучей среды, кожухом, содержащим первый кожух и второй кожух, отверстием для направления текучей среды, расположенном в первом кожухе, и средством для вращения первого кожуха, таким как двигатель.
Также дополнительно создана система высокомощного лазерного бурения для проходки ствола скважины, содержащая генератор энергии лазерного излучения большой мощности, выполненный с возможностью создания лазерного пучка; компоновку насосно-компрессорной трубы, имеющую насосно-компрессорную трубу длиной, по меньшей мере, 500 фут (м), имеющую дальний и ближний конец, источник текучей среды, используемый в проходке ствола скважины, при этом ближний конец насосно-компрессорной трубы сообщен с источником текучей среды, и текучая среда транспортируется совместно с насосно-компрессорной трубой от ближнего конца насосно-компрессорной трубы на дальний конец насосно-компрессорной трубы, причем ближний конец насосно-компрессорной трубы оптически связан с лазерным генератором, и лазерный пучок можно транспортировать совместно с насосно-компрессорной трубой, насосно-компрессорная труба содержит кабель передачи лазерного пучка большой мощности, имеющий дальний конец и ближний конец, оптически связанный с лазерным генератором, при этом лазерный пучок передается по кабелю от ближнего конца на дальний конец кабеля, лазерную компоновку низа бурильной колонны, оптически связанную и сообщающуюся с дальним концом насосно-компрессорной трубы, и средство, направляющее текучую среду для удаления отходов.
Дополнительно, такие системы могут иметь средство, направляющее текучую среду, расположенное в лазерной компоновке низа бурильной колонны, имеющей средство для уменьшения создания помех отходами лазерному пучку и поворотную лазерную оптику, и поворотное средство, направляющее текучую среду.
Специалист в данной области техники должен понимать, на основании идей, изложенных в приведенных ниже подробном описании и чертежах, что имеются различные варианты осуществления и реализации данных идей для практического применения настоящего изобретения. Соответственно, варианты осуществления, изложенные в сущности изобретения, не являются ограничительными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано сечение пласта, ствола скважины и пример системы настоящего изобретения для проходки ствола скважины.
На фиг.2 показан барабан.
На фиг.3A и 3B показана рама барабана.
На фиг.4 показана схема конфигурации лазеров.
На фиг.5 показана схема конфигурации лазеров.
На фиг.6 показан изометрический вид с сечением барабана и вращающегося оптического соединителя.
На фиг.7 показана схема лазерного волоконного усилителя.
На фиг.8 показан изометрический вид с сечением компоновки низа бурильной колонны.
На фиг.9 показано сечение участка лазерной компоновки низа бурильной колонны.
На фиг.10 показано сечение участка лазерной компоновки низа бурильной колонны.
На фиг.11 показана лазерная компоновка низа бурильной колонны.
На фиг.12 показан изометрический вид выпуска текучей среды.
На фиг.13 показан изометрический вид компоновки выпуска текучей среды с воздушным шабером.
На фиг.14A показан изометрический вид лазерной компоновки низа бурильной колонны.
На фиг.14B показано сечение лазерной компоновки низа бурильной колонны фиг.14A по линии B-B.
На фиг.15A и 15B показано графическое представление примера облучения базальта лазерным пучком.
На фиг.16A и 16B показан профиль энергетического воздействия эллиптического пятна, вращающегося около своей центральной точки для пучка, являющегося либо однородным или гауссианским.
На фиг.17A показан профиль энергетического воздействия без вращения.
На фиг.17B показан, по существу, ровный и единообразный профиль энергетического воздействия при вращении пучка, создающего профиль энергетического воздействия фиг.17A.
На фиг.18A и 18D показан оптический блок.
На фиг.19 показан оптический блок.
На фиг.20 показан оптический блок.
На фиг.21A и 21 B показан оптический блок.
На фиг.22 показан рисунок пятен падения лазерного пучка с множеством поворотов.
На фиг.23 показано пятно падения эллиптической формы.
На фиг.24 показано пятно падения прямоугольной формы.
На фиг.25 показан рисунок с множеством пятен падения.
На фиг.26 показан рисунок пятен падения.
На фиг.27-36 показаны лазерные компоновки низа бурильной колонны.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В общем, настоящие изобретения относятся к способам, устройству и системам для использования в лазерном бурении ствола скважины в грунте и, дополнительно, относятся к оборудованию, способам и системам для лазерной проходки таких стволов скважин на больших глубинах в грунте и с высокой эффективностью проходки. Данная высокая эффективность проходки является достижимой, поскольку настоящим изобретением создано средство получения энергии лазера большой мощности на забое ствола скважины, даже если забой находится на большой глубине.
На фиг.1 показан вариант высокоэффективной лазерной буровой системы 1000 для создания ствола 1011 скважины в грунте 1002. В данном документе термину "грунт" придается максимально широкое возможное значение (если иное специально не оговорено) и термин включает в себя, без ограничения, породу, все природные материалы, такие как горные породы, и искусственные материалы, такие как бетон, находящиеся или возможно находящиеся в породе, включающие в себя, без ограничения этим, слои пластов горных пород, таких как гранит, базальт, песчаник, доломит, песок, соль, известняк, риолит, кварцит и сланцы.
На фиг.1 в изометрии показаны поверхность 1030 земли и сечение 1002 грунта под поверхностью земли. В качестве примера показаны источник 1003 электроснабжения, подающий электропитание по кабелям 1004 и 1005 на лазер 1006 и холодильную установку 1007 для лазера 1006. Лазер создает лазерный пучок, т.e. энергию лазерного излучения, которую может передавать средство 1008 передачи лазерного пучка на барабан 1009 гибкой насосно-компрессорной трубы. Использован источник 1010 текучей среды. Текучая среда подается средством 1011 подачи текучей среды на барабан 1009 гибкой насосно-компрессорной трубы.
Барабан 1009 гибкой насосно-компрессорной трубы вращается для выпуска и выбирания гибкой насосно-компрессорной трубы 1012. Таким образом, средство 1008 передачи лазерного пучка и средство подачи 1011 текучей среды прикреплены к барабану 1009 гибкой насосно-компрессорной трубы посредством вращающегося соединительного устройства 1013. Гибкая насосно-компрессорная труба 1012 содержит средство передачи лазерного пучка по всей длине гибкой насосно-компрессорной трубы, т.e. "средство передачи на большое расстояние лазерного пучка большой мощности" на компоновку 1014 низа бурильной колонны. Гибкая насосно-компрессорная труба 1012 также содержит средство подачи текучей среды по всей длине гибкой насосно-компрессорной трубы 1012 на компоновку 1014 низа бурильной колонны.
Кроме того, использована структура 1015, несущая инжектор 1016 для осуществления перемещения гибкой насосно-компрессорной трубы 1012 в ствол 1001 скважины. Дополнительно, можно использовать другие несущие структуры, например, такими структурами могут являться вышка буровой установки, кран, мачта, тренога или другие аналогичные типы структур или их гибриды и комбинации. При проходке ствола скважины на большие глубины от поверхности 1030, может становиться необходимым использование отклонителя 1017 потока, противовыбросового превентора 1018, и системы 1019 очистки текучей среды и/или шлама. Гибкую насосно-компрессорную трубу 1012 пропускают от инжектора 1016 через отклонитель 1017 потока, противовыбросовый превентор 1018, оборудование 1020 устья скважины и в ствол 1001 скважины.
Текучая среда подается на забой 1021 ствола 1001 скважины. На забое текучая среда выходит на компоновке 1014 низа бурильной колонны или вблизи нее и используется, кроме прочего, для транспортировки шлама, создаваемого при проходке ствола скважины, назад вверх и на выход из ствола скважины. Таким образом, отклонитель 1017 потока направляет текучую среду, когда она возвращается, транспортируя шлам в систему 1019 очистки текучей среды и/или шлама через соединитель 1022. Данная система 1019 очистки предотвращает уход вырабатываемых веществ в окружающую среду и сепарирует и очищает отходы и либо выпускает очищенную текучую среду в атмосферу, если такое соответствует требованиям охраны окружающей среды и экономики, как в случае, если текучей средой является азот, или возвращает очищенную текучую среду в источник 1010 текучей среды, или в другом случае сохраняет использованную текучую среду для дальнейшей обработки и/или утилизации.
Противовыбросовый превентор 1018 служит для создания многочисленных уровней защитного закрытия и/или изоляции ствола скважины, в случае проявления с ростом давления в стволе скважины, такого как проявление, создающее возможность выброса. Скважинный противовыбросовый превентор прикреплен к оборудованию 1020 устья скважины. Оборудование устья скважины, в свою очередь, может быть прикреплено к обсадной колонне. Для целей упрощения структурные компоненты ствола скважины, такие как обсадная колонна, подвеска и цемент не показаны. Понятно, что данные компоненты можно использовать, и они должны изменяться с глубиной, типом и геологией ствола скважины, а также от других факторов.
Забойный конец 1023 гибкой насосно-компрессорной трубы 1012 соединяется с компоновкой 1014 низа бурильной колонны. Компоновка 1014 низа бурильной колонны содержит оптику для подачи лазерного пучка 1024 на заданную мишень, в варианте на фиг.1, забой 1021 ствола 1001 скважины. Пример компоновки 1014 низа бурильной колонны также содержит средство для подачи текучей среды.
Таким образом, в общем, данная система работает, создавая и/или осуществляя проходку ствола скважины с созданием лазером, энергии лазерного излучения в форме лазерного пучка. Лазерный пучок затем передается от лазера через барабан и в гибкую насосно-компрессорную трубу. По ней лазерный пучок затем передается на компоновку низа бурильной колонны, где направляется на поверхности грунта и/или ствола скважины. При контакте с поверхностью грунта и/или ствола скважины лазерный пучок имеет достаточную мощность для бурения, или иного воздействия на горную породу и грунт, создавая и/или осуществляя проходку ствола скважины. Лазерный пучок в точке контакта имеет достаточную мощность и является направленным на горную породу и грунт так, что способен создавать ствол скважины сравнимо с обычной операцией механического бурения или превосходя ее. В зависимости от типа грунта и горной породы и свойств лазерного пучка, данное бурение происходит посредством дробления, термической диссоциации, плавления, испарения и комбинаций данных явлений.
Без связи с настоящей теорией, в настоящее время считается, что взаимодействие лазера с материалом охватывает взаимодействие лазера и текучей среды или вещества чисто областью лазерного облучения. Таким образом, лазерное облучение создает поверхностное явление, и текучая среда, сталкивающаяся с поверхностью, быстро транспортирует обломки породы, т.e. шлам, из зоны облучения. Считается, что текучая среда дополнительно удаляет тепло либо на макро, или на микро уровне из зоны облучения, зоны после облучения, а из также ствола скважины, или другой среды бурения, как в варианте перфорирования.
Текучая среда затем транспортирует шлам вверх и за пределы ствола скважины. При углублении ствола скважины гибкая насосно-компрессорная труба сматывается с барабана и дополнительно спускается в ствол скважины. Так можно поддерживать приемлемое расстояние между компоновкой низа бурильной колонны и забоем ствола скважины. Если компоновку низа бурильной колонны необходимо извлечь из ствола скважин, например, для установки обсадной колонны в скважине, барабан осуществляет намотку, в результате, гибкая насосно-компрессорная труба поднимается из ствола скважины. Кроме того, лазерный пучок может направлять компоновка низа бурильной колонны или другой инструмент направления лазера, спущенный в ствол скважины для выполнения таких операций, как перфорирование, управляемое перфорирование, резка обсадной колонны и удаление пробок. Данную систему можно устанавливать на высокомобильные полуприцепы или грузовики, поскольку их размер и вес, по существу, меньше, чем у обычных механических буровых установок.
2
Для систем общего типа, показанных на фиг.1, с лазером, размещенным за пределами ствола скважины, лазер может являться любым лазером большой мощности, способным создавать достаточную энергию для выполнения необходимых функций, таких как проходка ствола скважин в грунте и горной породе, считающихся присутствующими в геологии, соответствующей стволу скважины. Выбираемый лазерный генератор является одномодовым лазером или низкого порядка многомодовым лазером с низким M для осуществления введения пучка в оптоволоконный кабель с малым сердечником, т.e. около 50 мкм. Вместе с тем, волокна с большим сердечником являются предпочтительными. Примеры генераторов лазерного излучения включают в себя волоконные лазеры, химические лазеры, дисковые лазеры, лазеры с тонкими пластинами, высокой яркости диодные лазеры, а также спектральные пучковые комбинации данных генераторов лазерного излучения или когерентный лазер с фазированной дифракционной решеткой из данных генераторов для увеличения яркости индивидуального лазерного генератора.
Например, на фиг.4 показана спектральная комбинация пучка лазерных генераторов для обеспечения передачи большой мощности по волокну посредством распределения заданного количества мощности по цветам, как ограничено эффектом вынужденного бриллюэновского рассеяния. Таким образом, как показано на Фиг.4 создан первый лазерный генератор 4001 с первой длиной волны "x", где x меньше 1 мкм. Создан второй лазер 4002 со второй длиной волны x+δ1 мкм, где δ1 является заданным сдвигом в длине волны, данный сдвиг может быть положительным или отрицательным. Создан третий лазер 4003 с третьей длиной волны x+δ1+δ2 мкм и четвертый лазер 4004 с длиной волны x+δ1+δ2+δ3 мкм. Лазерные лучи объединяются устройством 4005 сведения лучей и передаются оптическим волокном 4006. Сведенный луч имеет спектр, показанный позицией 4007.
Например, на фиг.5 показана модулированная по частоте фазированная группа лазеров. Так, создан задающий генератор колебаний, который может быть модулированным по частоте, напрямую или не напрямую, который затем используют в лазерах с внешней синхронизацией или усилителях для создания составного пучка более высокой мощности, чем может достигать любой индивидуальный лазер. Таким образом, созданы лазеры 5001, 5002, 5003 и 5004, которые имеют одинаковую длину волны. Лазерные пучки объединяются устройством 5005 сведения лучей и передаются по оптоволоконному кабелю 5006. Лазеры 5001, 5002, 5003 и 5004 связаны с задающим генератором 5008 колебаний с частотной модуляцией. Объединенный пучок со своим спектром, показан позицией 5007, где δ является уходом частоты частотной модуляции. Такие лазеры описаны в патенте США № 5694408, полностью включенном в данный документ в виде ссылки.
2
Лазерный генератор может являться источником с модой низкого порядка (M<2), так что его можно фокусировать в оптоволоконном волокне с модовым диаметром <100 мкм. Оптические волокна с малыми диаметрами модового поля в диапазоне от 50 мкм до 6 мкм имеют самые низкие оптические потери при передаче. Вместе с тем, данное должно уравновешиваться вступлением нелинейного эффекта и физическим повреждением торца оптического волокна, требующих от волокна насколько возможно большого диаметра, при этом оптические потери при передаче должны быть насколько возможно малы.
Таким образом, лазерный генератор должен иметь полную мощность, по меньшей мере, около 1 кВт, от около 1 кВт до около 20 кВт, от около 10 кВт до около 20 кВт, по меньшей мере, около 10 кВт, и, предпочтительно около 20 или больше кВт. Кроме того, комбинации различных лазеров можно использовать для создания полной мощности в приведенных выше диапазонах. Дополнительно, лазерный генератор должен иметь параметры излучения в мм миллиард настолько большим, насколько целесообразно относительно гибкости и изготовления волокна значительной длины, таким образом, параметры излучения могут составлять меньше около 100 мм миллиард, от одномодового до около 50 мм миллиард, меньше около 50 мм миллиард, меньше около 15 мм миллиард, и наиболее предпочтительно, около 12 мм миллиард. Дополнительно, лазерный генератор должен иметь, по меньшей мере, 10% электронно-оптическую эффективность, по меньшей мере, около 50% оптическую эффективность, по меньшей мере, около 70% оптическую эффективность, при этом понятно, что большее значение оптической эффективности при всех других равных факторах, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, около 25%. Лазерный генератор может работать в моде импульсной волны или незатухающей гармонической волны. Лазерный генератор предпочтительно имеет возможность соединения с волокном.
Для проходки стволов скважин в геологических разрезах, содержащих твердые пласты горной породы, такие как гранит и базальт предпочтительно использование IPG 20000 YB со следующими техническими характеристиками, изложенными в Таблице 1 в данном документе.
Таблица 1Оптические характеристики
Характеристики
Условия теста
Символ
Мин.
Тип.
Макс.
Единицы
Мода операции
CW, QCW
Поляризация
произвольная
Номинальная выходная мощность
P<sub>NOM</sub>
20000*
Вт
Диапазон настройки выходной мощности
10
100
%
Длина волны излучения
P<sub>out</sub>=20 кВт
1070
1080
нм
Ширина линии излучения
P<sub>out</sub>=20 кВт
3
6
нм
Время переключениявкл/выкл
P<sub>out</sub>=20 кВт
80
100
нсек
Скорость модуляции выходной мощности
P<sub>out</sub>=20 кВт
5,0
кГц
Стабильность выходноймощности
8 часовТ<sub>вод</sub>=const
1,0
2,0
%
Диаметр сердечника,питающего оптического волокна
200
нм
Параметр излучения питающего оптического волокна
200 нм
BPP
12
14
мм*мрад
Длина волокна
L
10
мм
Радиус изгиба оптоволоконного кабелянапряженногоне напряженного
R
100200
мм
Выходной терминал
IPG HLC-8Соединитель (совместим С QBH)
Длина волны прицеливания лазера
640
680
нм
Выходная мощность прицеливания лазера
0,5
1
МВт
*Выходная мощность тестируется на соединительном устройстве на расстоянии не более 50 м от лазера
Параметры
Условия теста
Мин.
Тип.
Макс.
Единицы
Рабочее напряжение (3 фазы)
440В
480
520
Вольт переменного тока
Частота
50/60
Гц
Потребление мощности
P<sub>out</sub>=20кВт
75
80
кВт
Рабочий температурный диапазон
+15
+40
°C
Влажность:без кондиционерасо встроенным кондиционером
Т<25°CТ<40°C
9095
%
Температура хранения
Без воды
-40
+75
°C
Размеры: высоташиринадлина
NEMA-12; IP-55
1490х1480х810
мм
Вес
1200
кг
Трубная разводка
Трубы пласт.
нерж. норм.
сталь, резьба
Для операций резки обсадной колонны, удаления пробок и перфорирования лазер может являться любым из вышеупомянутых лазеров, и дополнительно любым менее мощным лазером, которые должны использовать только для работ капитального ремонта и заканчивания в скважине.
2
В дополнение к конфигурации фиг.1, и приведенным выше предпочтительным примерам лазеров, использующимся в настоящем изобретении, предполагается использование других конфигураций лазеров в высокопроизводительных лазерных буровых системах. Таким образом, выбор лазера может, в общем, быть основан на предполагаемом варианте применения или необходимых параметрах работы. При выборе лазера можно учитывать среднюю мощность, удельную мощность, интенсивность падающего излучения, рабочую длину волны, источник накачки, размер пятна пучка, время облучения и соотнесенную удельную энергию. Материалы, подлежащие бурению, такие как тип пласта горной породы, могут также влиять на выбор лазера. Например, тип горной породы может быть связан с типом добываемого ресурса. Твердые горные породы, такие как известняк и гранит, могут, в общем, быть связаны с гидротермальными источниками, а песчаник и сланцы могут, в общем, быть связаны с источниками газа или нефти. Таким образом, как пример, лазер может являться твердотельным лазером, газовым, химическим, лазером на красителе или лазером на парах металла или полупроводниковым лазером. Дополнительно, лазер может вырабатывать лазерный пучок с уровнем мощности в киловаттах и может являться импульсным лазером. Лазер дополнительно может являться Nd:YAG лазером, CO лазером, диодным лазером, таким как инфракрасный диодный лазер, или волоконным лазером, таким как лазер на иттербиевом стекле с многослойным волокном. Инфракрасный волоконный лазер излучает свет в диапазоне длин волн 800-1600 нм. Волоконный лазер активируют средой активного усиления, содержащей редкоземельные элементы, такие как гольмий, эрбий, иттэрбий, неодим, диспрозий, празеодим, тулий или их комбинации. Можно использовать комбинации одного или нескольких типов лазеров.
Волоконные лазеры типов, применимых в настоящем изобретении, в общем строятся вокруг волокон с двумя сердцевинами. Внутренняя сердцевина может состоять из редкоземельных элементов: иттэрбия, эрбия, тулия, гольмия или их комбинаций. Оптическая усиливающая среда испускает длины волн 1064 нм, 1360 нм, 1455 нм и 1550 нм, и может ограничиваться дифракцией. Оптический диод может соединяться с внешней сердцевиной (в общем, именуемой внутренней оболочкой) для закачки редкоземельного иона во внутреннюю сердцевину. Внешняя сердцевина может являться многомодовым световодом. Внутренняя сердцевина служит двум целям: направление излучения лазера большой мощности и создание усиления излучения лазера большой мощности посредством возбужденных редкоземельных ионов. Внешней оболочкой внешней сердцевины может являться полимер с низким коэффициентом преломления для уменьшения потерь и защиты волокна. Типичные диоды лазера с накачкой эмитируют в диапазоне около 915-980 нм (в общем - 940 нм). Волоконные лазеры изготавливают из IPG Photonics или Southampton Photonics. Оптические волокна большой мощности показывали получение 50 кВт посредством IPG Photonics при мультиплексировании.
При использовании, один или несколько лазерных пучков, вырабатываемых или излучаемых одним или несколькими лазерами, могут дробить, испарять или плавить материал, такой как горная порода. Лазерный пучок можно передавать импульсами в одной или множестве форм колебаний или он может быть непрерывным. Лазерный пучок может, в общем, вызывать термическое напряжение в пласте горной породы, обусловленное характеристиками материала, такого как горная порода, включающими в себя, например, теплопроводность. Лазерный пучок может также вызывать механическое напряжение посредством взрывов перегретого пара из влаги, находящейся под поверхностью пласта горной породы. Механическое напряжение можно также вызывать термическим разложением и испарением твердых веществ части пластового минерала материала. Термическое и/или механическое напряжение на стыке лазер-материал или под ним может обеспечивать дробление материала, такого как горная порода. Аналогично, лазер можно использовать для воздействия на скважинные обсадные колонны, цемент или другие массивы материала, если необходимо. Лазерный пучок может, в общем, действовать на поверхность на месте, где лазерный пучок контактирует с поверхностью, которое можно именовать зоной лазерного облучения. Зона лазерного облучения может иметь любую заданную форму и распределение интенсивности, требуемое для выполнения необходимого выхода мощности, зону лазерного облучения можно также именовать пятном лазерного пучка. Можно выполнять стволы скважин любой глубины и/или диаметра с помощью дробления многочисленных точек или слоев. Так, например, можно делать мишенью последовательность точек или можно делать мишенью стратегический рисунок точек для улучшения взаимодействия лазера и горной породы. Положение или ориентацию лазера или лазерного пучка можно перемещать или направлять для управляемого действия по необходимой площади так, что взаимодействие лазера и горной породы становится наиболее эффективным для удаления горной породы.
Один или несколько лазеров можно дополнительно установить на забое скважины, т.e. спустить в ствол скважины. Таким образом, в зависимости от конкретных требований и параметров работы, лазер можно установить на любой глубине в стволе скважины. Например, лазер можно удерживать относительно близко к поверхности, он может быть установлен на глубине в стволе скважины, его можно эксплуатировать на постоянной глубине в стволе скважины или он может быть установлен с возможностью постепенного перемещения в глубину при углублении ствола скважины. Таким образом, как дополнительный пример, лазер можно эксплуатировать на некотором расстоянии от материала, такого как горная порода, подлежащая воздействию. Когда лазер развертывают на забое скважины, лазер может, в общем, иметь форму и/или размер, обеспечивающий установку в стволе скважины. Некоторые лазеры могут лучше подходить, чем другие для использования на забое скважины. Например, размер некоторых лазеров может делать их неподходящими для использования на забое скважины, вместе с тем, такие лазеры можно спроектировать или модифицировать для использования на забое скважины. Аналогично, энергопитание или охлаждение лазера можно модифицировать для использования на забое скважины.
Системы и способы могут, в общем, включать в себя один или несколько элементов для защиты лазера. Данное важно вследствие наличия агрессивной среды, как в установках на поверхности, так и в установках на забое скважины. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, система бурения ствола скважины может включать в систему охлаждения. Система охлаждения может, в общем, функционировать для охлаждения лазера. Например, система охлаждения может охлаждать лазер на забое скважины, до температуры ниже окружающей температуры или до рабочей температуры лазера. Дополнительно, лазер можно охлаждать с использованием сорбционного охлаждения до рабочей температуры инфракрасного диодного лазера, например, от около 20°C до около 100°C. Для волоконного лазера рабочая температура может находиться в интервале от около 20°C до около 50°C. Жидкости пониженной температуры можно использовать для охлаждения лазера, при достижении температуры выше рабочей температуры диодного лазера.
Тепло можно также отводить на устье скважины, т.e. из ствола скважин и на поверхность, с помощью жидкого теплоносителя. Жидкий теплоноситель можно затем охлаждать путем смешивания с жидкостью с более низкой температуры на устье скважины. Один или несколько вентиляторов рассеяния тепла могут быть прикреплены к лазерному диоду для отвода тепла от инфракрасного диодного лазера. Текучие среды можно также использовать в качестве хладагентов, внешний хладагент можно также использовать.
В вариантах применения на забое скважины лазер можно защищать от давления и воздействия среды на забое скважины, заключая в кожух из подходящего материала. Такие материалы могут включать в себя сталь, титан, алмаз, карбид вольфрама и т.п. Волоконная головка для инфракрасного диодного лазера или волоконный лазер могут иметь окно, пропускающее инфракрасное излучение. Такие окна передачи могут быть выполнены из материала, стойкого к воздействию среды на забое скважины и сохраняющего свойства пропускания. Таким материалом может являться сапфир или другой материал с аналогичными свойствами. Один или несколько инфракрасных диодных лазеров или волоконных лазеров могут быть полностью заключены в кожух из сапфира. Для примера, инфракрасный диодный лазер или волоконный лазер могут быть выполнены из алмаза, карбида вольфрама, стали и титана за исключением частей, где эмитируется лазерный пучок.
В среде на забое скважины, для примера, дополнительно создают отсутствие контакта инфракрасного диодного лазера или волоконного лазера со стволом скважины в процессе бурения. Например, лазер на забое скважины может быть разнесен со стенкой ствола скважины.
Холодильную установку, использующуюся для охлаждения лазера, в системах общего типа, показанного на фиг.1, выбирают с производительностью охлаждения, зависящей от размера лазера, производительности лазера, рабочей температуры и местоположения в среде, и, предпочтительно, холодильную установку должны выбирать для работы в условиях со всеми данными параметрами. Предпочтительно, холодильная установка, применимая для лазера мощностью 20 кВт, должна иметь следующие технические характеристики, изложенные в Таблице 2 в данном документе.
Таблица 2
Холодильная установка
PC400.01-NZ-DIS
Технические данные для работы при 60 кГц:
Тип IPG-лазера
YLR-15000, YLR-20000
Полезная мощность охлаждения
60,0 кВт
Хладагент
R407C
Необходимый расход воздуха
26100 м<sup>3</sup>/час
Установка
Установка вне укрытия
Число компрессоров
2
Число вентиляторов
3
Число насосов
2
Эксплуатационные ограничения
Расчетная эксплуатационная температура
33°C (92°F)
Минимальная эксплуатационная температура
-20°C (-4°F)
Максимальная эксплуатационная температура
39°C (102°F)
Температура хранения минимальная (с пустым водяным баком)
-40°C (-40°F)
Температура хранения максимальная
70°C (158°F)
Объем бака обычной воды
240 л (63,50 галлон)
Объем бака деионизированной воды
25 л (6,61 галлон)
Данные электросистемы для работы на 60 Гц
Расчетное потребление электроэнергии без нагревателя
29,0 кВт
Расчетное потребление электроэнергии с нагревателем
33,5 кВт
Максимальное потребление электроэнергии
41,0 кВТ
Максимальный ток
60,5 А
Максимальный ток плавкого предохранителя
80,0 А
Пусковой ток
141,0 А
Напряжение включения
460 В/3 фазы/заземление
Частота
60 Гц
Допуск напряжения включения
+/-10%
Габариты, вес и уровень шума
Вес с пустым баком
900 кг (1984 фунт)
Уровень шума на расстоянии 5 м
68 дБА
Ширина
2120 мм (83 ½ дюйм)
Глубина
860 мм (33 7/8 дюйм)
Высота
1977 мм (77 7/8 дюйм)
Контур водопроводной воды
0
Производительность холодильной установки
56,0 кВт
Температура воды на выходе
21<sup>o</sup>C (70<sup>o</sup>F)
Температура воды на входе
26<sup>o</sup>C (79<sup>o</sup>F)
Стабильность температуры
+/-1,0<sup>о</sup>К
Расход воды при свободном давлении воды
135 л/мин при 3,0 бар (35,71 галл/мин при 44 фунт/дюйм<sup>2</sup>)
Расход воды при свободном давлении воды
90 л/мин при 1,5 бар (23,81 галл/мин при 21 фунт/дюйм<sup>2</sup>)
Контур деионизированной воды
Производительность холодильной установки
4,0 кВт
Температура воды на выходе
26°C (79°F)
Температура воды на входе
31°C (88°F)
Стабильность температуры
+/-1,0°К
Расход воды при свободном давлении воды
20 л/мин при 1,5 бар (5,28 галл/мин при 21 фунт/дюйм<sup>2</sup>)
Расход воды при свободном давлении воды
15 л/мин при 4,0 бар (3,96 галл/мин при 58 фунт/дюйм<sup>2</sup>)
Не являющиеся необходимыми варианты (включенные в состав)
Двухчастотная версия:400В/3фазы/50Гц460В/3фазы/60Гц
Для систем общего типа, показанного на фиг.1, лазерный пучок передается на барабан гибкой насосно-компрессорной трубы средством передачи лазерного пучка. Такое средство передачи может являться серийным и имеющимся в продаже промышленным упрочненным оптоволоконным кабелем с соединителями QBH на каждом конце.
Существует два основных подхода к барабанам, первый, с использованием барабана в виде простого колеса с трубопроводом, наматываемым снаружи колеса. Например, данный гибкий трубопровод может быть полой трубой, он может нести оптическое волокно, жгут оптического волокна, бронированное оптическое волокно, он может являться оптическим передающим кабелем другого типа или он может являться тонкостенной трубой, содержащей вышеупомянутые оптические передающие кабели.
Барабан в данной конфигурации имеет полую центральную ось, где мощность оптического излучения передается на входной конец оптического волокна. Пучок должен отправляться по центру барабана, барабан вращается на прецизионных подшипниках либо в горизонтальной или в вертикальной ориентации для предотвращения какого-либо отклонения барабана при сматывании с нее волокна. Для оси барабана является оптимальным поддержание углового допуска около +/-10 микрорадиан, который предпочтительно получают с оптической осью изолированной и/или независимой от оси вращения барабана. Пучок при запуске в волокно, запускается линзой, вращающейся с волокном на плоскости преобразования Фурье линзы запуска, которая является нечувствительной к перемещению в положении линзы относительно лазерного пучка, но чувствительной к отклонению входящего лазерного пучка. Пучок, запускаемый в волокно, запускается линзой, стационарной относительно волокна на плоскости преобразования Фурье линзы запуска, нечувствительной к перемещению волокна относительно линзы запуска.
Второй подход состоит в использовании стационарного барабана аналогично катушечной раме и вращении лазерной головки при сматывании волокна с барабана для предохранения волокна от перекручивания при вытягивании с барабана. Если волокно можно разработать выдерживающим приемлемую величину перекручивания по своей длине, то данный способ должен являться предпочтительным. При использовании второго подхода, когда волокно может быть предварительно перекрученным на барабане, и затем, при вытягивании волокна с барабана, выпрямляющимся, нет необходимости вращения волокна и буровой головки при сходе волокна. Должен быть создан ряд натягивающих устройств, которые должны вывешивать волокно в стволе скважины, или, если ствол скважины заполнен водой для извлечения отходов с забоя ствола скважины, то волокна можно заключать в плавающий кожух, который должен нести вес волокна и самого кожуха на всей длине ствола скважины. В ситуации, где компоновка низа бурильной колонны не вращается, и волокно перекручивается и работает под напряжением от перекручивания, должно дополнительно существовать преимущество уменьшения вынужденного бриллюэновского рассеяния, как указано в данном документе.
Для систем общего типа, показанного на фиг.1, барабан гибкой насосно-компрессорной трубы может содержать следующие, являющиеся примером, длины гибкой насосно-компрессорной трубы: от 1 км (3280 фут) до 9 км (29528 фут); от 2 км (6561 фут) до 5 км (16404 фут); по меньшей мере, около 5 км (16404 фут); и от около 5 км (16404 фут), по меньшей мере, до около 9 км (29528 фут). Барабан может являться любым стандартным типом барабана, использующего стальную трубу 2.875. Например, производимые серийно и имеющиеся в продаже барабаны обычно включают в себя 4-6 км стальной насосно-компрессорной трубы диаметром 2-7/8 дюйма (73 мм). Насосно-компрессорная труба производится серийно и имеется в продаже с диаметрами в диапазоне 1-2-7/8 дюйма (25-73мм).
Предпочтительно, барабан должн нести стальную трубу стандартного типа диаметром 2-7/8 дюйма (73 мм), т.e. гибкую насосно-компрессорную трубу. Как дополнительно рассмотрено в данном документе, гибкая насосно-компрессорная труба должна заключать в себе, по меньшей мере, одну линию оптического волокна для передачи лазерного пучка на компоновку низа бурильной колонны. В дополнение к оптическому волокну гибкая насосно-компрессорная труба может также нести другие кабели для других целей на забое скважины или для передачи материала или информации по стволу скважины на поверхность. Гибкая насосно-компрессорная труба может также нести текучую среду или трубопровод для несения текучей среды. Для защиты и опирания оптоволоконных кабелей и других кабелей, которые несет гибкая насосно-компрессорная труба можно использовать стабилизирующие устройства.
Барабан может иметь волокна QBH и коллиматор. Средство виброизоляции являются необходимыми в конструкции барабана и, конкретно, для волоконного коллекторного кольца, таким образом, например, внешняя пластина барабана устанавливается на опору барабана с использованием делриновой пластины, а внутренняя пластина плавает на барабане и штифты вращают компоновку. Волоконное коллекторное кольцо является стационарным волокном, передающим мощность поперек вращающейся втулки барабана на вращающееся волокно.
При использовании барабана механическую ось барабана используют для передачи мощности оптического излучения от входного конца оптоволоконного кабеля на дальний конец. Это требует системы прецизионных оптических подшипников (волоконного коллекторного кольца) для поддержания стабильного совмещения между внешним волокном, подающим мощность оптического излучения и оптическим волокном, установленным на барабане. Лазер может быть установлен внутри барабана или, как показано на фиг.1, он может быть установлен за пределами барабана или, если используют многочисленные лазеры, можно использовать как внутреннее, так и внешнее размещение. Установленный внутри лазер может являться зондирующим лазером, используемым для анализа и мониторинга системы и исполнения системой способов. Дополнительно, измерительное оборудование и оборудование мониторинга можно размещать внутри вращающихся элементов барабана или иначе крепить к ним.
Дополнительно создано поворотное соединительное средство для соединения поворотной гибкой насосно-компрессорной трубы, со средством 1008 передачи лазерного пучка и средством 1011 передачи текучей среды, которые не являются поворотными. Как показано в виде примера на фиг.2, барабан 2009 гибкой насосно-компрессорной трубы имеет два поворотных соединительных средства 2013. Одно из соединительных средств имеет оптическое поворотное соединительное средство 2002, а другое имеет поворотное соединительное средство 2003 текучей среды. Оптическое поворотное соединительное средство 2002 может находиться в одной структуре с поворотным соединительным средством 2003 текучей среды или они могут являться разделенными. Предпочтительно использование двух разделенных соединительных средств. Дополнительное поворотное соединительное средство может также быть добавлено для манипуляций с другими кабелями, например кабелями для зондов на забое.
Оптическое поворотное соединительное средство 2002 соединено с полой прецизионной заземленной осью 2004 поверхностями 2005, 2006 подшипников. Лазерное средство 2008 передачи оптически соединено с полой осью 2004 оптическим поворотным соединительным средством 2002, обеспечивающим передачу лазерного пучка от лазерного средства 2008 передачи в полую ось 2004. Оптическое поворотное соединительное средство, например, может быть укомплектовано соединителем QBH, прецизионным коллиматором и поворотной ступенью, например коллиматором Precitec, проходящим через поворотную ступень Newport к другому коллиматору Precitec и коллиматору QBH. Соответственно тепловыделению, и для предотвращения перегрева, в оптическом поворотном соединителе охлаждение должно применяться для поддержания температуры на необходимом уровне.
Полая ось 2004 затем передает лазерный пучок к отверстию 2007 в полой оси 2004, в котором размещен оптический соединитель 2010, оптически соединяющий полую ось 2004 со средством 2025 передачи на большое расстояние лазерного пучка большой мощности, размещенным внутри гибкой насосно-компрессорной трубы 2012. Таким образом, лазерное средство 2008 передачи, полая ось 2004 и средство 2025 передачи на большое расстояние лазерного пучка большой мощности оптически соединены с возможностью вращения, так что лазерный пучок может передаваться от лазера на средство 2025 передачи на большое расстояние лазерного пучка большой мощности.
Дополнительно, оптическое соединение для вращающегося барабана показано на фиг.6, где показаны барабан 6000 и опора 6001 для барабана 6000. Барабан 6000 установлен вращающимся в опоре 6001 на несущих нагрузку подшипниках 6002. Входной оптический кабель 6003 передает лазерный пучок от лазерного генератора (не показано на Фигуре) на оптический соединитель 6005. Лазерный пучок выходит из соединителя 6005 и проходит через оптику 6009 и 6010 в оптический соединитель 6006, оптически соединенный с выходным оптическим кабелем 6004. Оптический соединитель 6005 установлен в барабане на предпочтительно не несущем нагрузки подшипнике 6008, а оптический соединитель 6006 установлен на барабан на устройстве 6007 способом, обеспечивающим его вращение с барабаном. Таким образом, при вращении барабана, вес барабана и гибкой насосно-компрессорной трубы несут несущие нагрузку подшипники 6002, а вращающийся блок оптического соединителя обеспечивает передачу лазерного пучка от не вращающегося кабеля 6003 на кабель 6004, вращающийся вместе с барабаном.
В дополнение к использованию вращающегося барабана гибкой насосно-компрессорной трубы, показанного на фиг.1 и 2, другим средством для спуска и подъема средства передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние является стационарный барабан или катушечная рама. Как показано в примере на фиг.3A и 3B, создана катушечная рама 3009, являющаяся стационарной и содержащая уложенное витками средство 3025 передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние. Данное средство соединено со средством 3008 передачи лазерного пучка, соединенным с лазером (не показано на данной фигуре). Таким образом, лазерный пучок может передаваться на средство передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние, и данное средство может быть развернуто в стволе скважины. Аналогично, средство передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние может содержаться в гибкой насосно-компрессорной трубе на катушечной раме. Таким образом, средство передачи на большое расстояние должно являться бронированным оптическим кабелем типа предусмотренного в данном документе. При использовании катушечной рамы необходимо учитывать тот факт, что оптический кабель должен перекручиваться при развертывании. Для решения данной проблемы компоновку низа бурильной колонны, или только лазерную буровую головку можно медленно вращать для сохранения оптического кабеля не перекрученным, оптический кабель может быть предварительно перекрученным и оптический кабель может иметь конструктивное исполнение, допускающее перекручивание.
Источник текучей среды может быть как газовым, жидкостным, пенным, так и системой, имеющей много возможностей. Текучая среда может служить многим целям в проходке ствола скважины. Так, текучую среду, в основном, используют для удаления шлама с забоя ствола скважины, например, буровым или промывочным раствором, и для сохранения области между концом лазерной оптики в компоновке низа бурильной колонны и забоем ствола скважины, достаточно очищенной от шлама, так что не создается помех на пути лазерного пучка и не снижается его мощность. Она также может функционировать, охлаждая лазерную оптику и компоновку низа бурильной колонны, а также функционировать в варианте несжимаемой текучей среды, или сжимаемой текучей среды под давлением. Текучая среда дополнительно дает средство создания гидростатического давления в стволе скважины для предотвращения притока газов и текучих сред.
2
2
2
Таким образом, при выборе типа текучей среды, а также системы подачи текучей среды, следует учитывать, среди прочего, длину волны лазера, оптический блок, геологические условия ствола скважины, глубину ствола скважины и необходимую интенсивность удаления шлама, создаваемого лазерной проходкой ствола скважины. Весьма желательно, чтобы интенсивность удаления шлама текучей средой не являлась ограничивающим фактором скорости проходки ствола скважины системой. Например, текучие среды, которые можно использовать в настоящем изобретении включают в себя обычные буровые растворы, воду (при условии, что они не попадают в оптический путь лазера), и текучие среды, пропускающие лазерные лучи, такие как галогенуглероды, (галогенуглероды являются полимерами низкого молекулярного веса хлортрифторэтилена), масла и N. Предпочтительно, данные текучие среды можно использовать, и предпочтительной является их подача с производительностью от двух до нескольких сот куб.фут/мин (1 куб.фут/мин = 28 л/мин) при давлении в диапазоне от атмосферного до нескольких сот фунт/дюйм(фунт/дюйм= 6,9 кПа). Если используют комбинации данных текучих сред, следует использовать расходы с равновесием задач для поддержания проводимости оптического пути и удаления обломков породы.
Предпочтительно, средство передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние является оптическим волокном или множеством линий оптического волокна в бронированной оболочке для передачи оптического излучения мощностью от около 1 кВт до около 20 кВт, от около 10 кВт до около 20 кВт, по меньшей мере, около 10 кВт и, предпочтительно, около 20 кВт или больше средней мощности в стволе скважины с целью измерения литологии, испытания литологии, бурения осадочные породы и других аналогичных вариантов применения, относящихся, в общем, к созданию, проходке и испытанию стволов скважин в грунте. Предпочтительно, бронированная оптоволоконная линия содержит 0,64 см (1/4 дюйма) трубку из нержавеющей стали с 1, 2, 1-10, по меньшей мере, 2, более 2, по меньшей мере, около 50, по меньшей мере, около 100 и, наиболее предпочтительно, 2-15 оптических волокон в ней. Предпочтительно данные кабели должны иметь волокна ступенчатого профиля базовой прямой с диаметром сердцевины около 500 мкм.
В настоящее время считается, что промышленные лазеры используют оптические волокна большой мощности, бронированные сталью, спирально намотанной вокруг волокна и полимерной оплеткой, окружающей стальную оплетку, для предотвращения попадания нежелательных пыли и грязи в среду оптического волокна. Оптические волокна имеют покрытие из тонкого слоя металла, или тонкая проволока проложена вдоль волокна для детектирования обрыва волокна. Обрыв волокна может быть опасен, поскольку может приводить к разрыву бронирующей оплетки и представлять опасность для оператора. Вместе с тем, данный тип защиты волокна разработан для окружающих условий на поверхности и не должен выдерживать воздействия агрессивной среды ствола скважины.
Волоконно-оптические датчики для нефтяной и газовой промышленности развертывают как без бронирования, так и с бронированием. В настоящее время считается, что имеющиеся подходы без бронирования являются неприемлемыми для вариантов применения большой мощности, предполагаемого данной заявкой. Предлагаемые в настоящее время подходы бронирования являются аналогично неадекватными, поскольку не принимают во внимания способ передачи оптического излучения большой мощности и способ детектирования обрыва оптического волокна, которые оба являются важными для надежной и безопасной системы. Настоящий способ бронирования оптического волокна предусматривает его заключение в трубку из нержавеющей стали, покрытие волокна углеродом для предотвращения миграции водорода и, наконец, заполнение трубы желатином, который амортизирует волокно и абсорбирует водород из окружающей среды. Вместе с тем данную компоновку выполняли только для оптических волокон с малым диаметром сердцевины (50 мкм) и с очень низкими уровнями мощности оптического излучения <1 Вт.
Таким образом, для создания оптического волокна большой мощности, применимого в агрессивной окружающей среде ствола скважины, изобретено новое бронированное волокно и способ. Так, создано заключение в оболочку оптического волокна с большой сердцевиной с диаметром, равным или больше 50 мкм, равным или больше 75 мкм и, наиболее предпочтительно, равным или больше 100 мкм, или множества оптических волокон в металлическую трубку, где каждое волокно может иметь углеродное покрытие, а также полимерное, и может включать в себя тефлоновое покрытие для амортизации волокон, когда они трутся друг о друга во время развертывания. Таким образом, волокно, или жгут волокон, может иметь диаметр больше или равный около 150 мкм-700 мкм, 700 мкм-1,5 мм, или больше 1,5 мм.
Углеродное покрытие может иметь толщину в диапазоне от 10 мкм до >600 мкм. Полимерное или тефлоновое покрытие может иметь толщину в диапазоне от 10 мкм до >600 мкм и предпочтительными типами такого покрытия являются акрилат, силикон, полиимид, перфторалкоксил и другие. Углеродное покрытие может примыкать к волокну, при этом полимерное или тефлоновое покрытие наносят на него. Полимерные или тефлоновые покрытия наносят последними для уменьшения связывания волокон во время развертывания.
2
В некоторых неограничивающих вариантах осуществления волоконная оптика может отправлять до 10 кВт на волокно, до 20 кВт на волокно, до и больше 50 кВт на волокно. Волокна могут передавать любые необходимые длины волн или комбинации длин волн. В некоторых вариантах осуществления, диапазон длины волн, которые волокно может передавать, предпочтительно составляет около 800-2100 нм. Волокно может быть соединено соединителем с другим волокном для поддержания надлежащего фиксированного расстояния между одним волокном и соседними волокнами. Например, волокна могут быть соединены так, что пятно пучка от соседних оптических волокон при облучении материала, такого как поверхность горной породы, меньше 2" дюймов и не является перекрывающим для конкретного оптического волокна. Волокна могут иметь любой необходимый размер сердцевины. В некоторых вариантах осуществления, размер сердцевины может находиться в диапазоне от около 50 мкм до 1 мм или больше. Волокно может быть одномодовым или многомодовым. В случае многомодового, числовая апертура некоторых вариантов осуществления может иметь диапазон от 0,1 до 0,6. Более низкая числовая апертура может быть предпочтительной для качества пучка, и более высокая числовая апертура может обеспечивать более простую для передачу более высокой мощности с более низкими потерями на стыке. В некоторых вариантах осуществления эмитированный волоконным лазером свет с длинами волн, составляющими 1060-1080 нм, 1530-1600 нм, 1800-2100 нм, диодными лазерами 800-2100 нм, CO лазером 10600 нм, или Nd:YAG лазером, эмитирующим с длиной волны 1064 нм может соединяться с оптическими волокнами. В некоторых вариантах осуществления, волокно может иметь низкое содержание воды. Волокно может находиться в оплетке, такой как полиимид, акрилат, углеродистый полиамид и углерод/двойной акрилат или другой материал. Если требуются высокие температуры, полиимид или производный материал можно использовать для работы при температурах выше 300 градусов C. Волокна могут являться фотонным кристаллом с полой сердцевиной или фотонным кристаллом со сплошной сердцевиной. В некоторых вариантах осуществления использование волокон фотонного кристалла с полой сердцевиной с длинами волн 1500 нм или больше может минимизировать абсорбционные потери.
Множество оптических волокон можно соединять в жгуты ряда конфигураций для улучшения удельной мощности. Оптических волокон, образующих жгут, может быть от двух при мощности в диапазоне от сотен Ватт до киловатта в каждом волокне до миллионов при мощности в диапазоне миливатт - микроватт в каждом волокне. В некоторых вариантах осуществления множество оптических волокон можно соединять в жгуты и сращивать при мощности ниже 2,5 кВт для шагового понижения мощности. Мощность можно сращивать для увеличения удельных мощностей, проходящих через жгут, таких как предпочтительно до 10 кВт, более предпочтительно, до 20 кВт, и еще более предпочтительно до 50 кВт или больше. Шаговое уменьшение и увеличение мощности обеспечивает увеличение или уменьшение удельной мощности пятна пучка и размеров пятна излучения посредством волоконной оптики. В большинстве примеров, сращивание мощности для увеличения полной мощности на выходе может являться предпочтительным, так что мощность, подаваемая через волокна, не достигает критической за порогом мощности для волоконной оптики.
Пример конфигураций приведен в следующей Таблице 3.
Таблица 3
Диаметр пучка
Число волокон в пучке
100 мкм
1
200 мкм-1 мм
2-100
100 мкм-1 мм
1
Тонкую проволоку можно также укладывать в компоновке, например, в 1/4 дюймовой (6 мм) трубке из нержавеющей стали, вместе с оптическими волокнами для проверки волокон на непрерывность. Альтернативно, металлическое покрытие достаточной толщины наносят для обеспечения мониторинга непрерывности волокна. Данные подходы, вместе с тем, становятся проблематичными при длине волокна, превышающей 1 км, и не создают практически применимого способа для испытания и мониторинга.
Конфигурации в Таблице 3 могут иметь длину, равную или больше 1 м, равную или больше 1 км, равную или больше 2 км, равную или больше 3 км, равную или больше 4 км и равную или больше 5 км. Данные конфигурации можно использовать для передачи через них мощности уровня от около 0,5 кВт до около 10 кВт, от больше или равной 1 кВт, больше или равной 2 кВт, больше или равной 5 кВт, больше или равной 8 кВт, больше или равной 10 кВт и предпочтительно, по меньшей мере, около 20 кВт.
При передаче мощности на большие расстояния, такие как по стволу скважины или через кабель длиной, по меньшей мере, 1 км, существуют 3 источника потери мощности в оптическом волокне, Рассеяние Ралея, Рассеяние Рамана и Рассеяние Бриллюэна. Первое, рассеяние Ралея является присущим волокну видом потерь вследствие посторонних включений в волокне. Второе, рассеяние Рамана, может приводить к вынужденному рассеянию Рамана в стоксовых волнах или антистоксовых волнах вибрирующих молекул волокна. Рассеяние Рамана возникает, предпочтительно в направлении вперед и приводит к сдвигу длины волны до +25 нм от начальной длины волны генератора. Третий механизм, рассеяние Бриллюэна, является рассеянием распространяющейся вперед откачки акустических волн в волокнах, созданных мощными электрическими полями света первоисточника (накачки). Данный третий механизм является высоко проблематичным и может создавать значительные трудности в передаче большой мощности на большие расстояния. Рассеяние Бриллюэна может приводить к вынужденному бриллюэновскому рассеянию, где световое излучение накачки предпочтительно рассеивается назад в волокне с частотным сдвигом приблизительно около 1-20 ГГц от начальной частоты генератора. Действие данного вынужденного бриллюэновского рассеяние может быть достаточно сильным для обратного рассеяния, по существу, всего падающего светового излучения накачки в данных подходящих условиях. Поэтому является необходимым подавление данного нелинейного эффекта. По существу имеется четыре основных переменных, определяющих порог для вынужденного бриллюэновского рассеяния: длина усиливающей среды (волокна); ширина спектральной линии лазерного генератора; естественная бриллюэновская ширина спектральной линии волокна, в котором распространяется световое излучение накачки, и диаметр модового поля волокна. В типичных условия и для типичных волокон, длина волокна обратно пропорциональна порогу мощности, так что чем длиннее волокно, тем ниже порог. Порог мощности определяют как мощность, при которой большой процент падающего излучения накачки должен рассеиваться так, что положительная обратная связь имеет место, при этом в процессе рассеяния генерируются акустические волны. Данные акустические волны затем действуют как решетка для возбуждения дополнительного вынужденного бриллюэновского рассеяния. Когда порог мощности пройден, возникает экспоненциальный рост рассеянного света и способность передачи более высокой мощности сильно уменьшается. Данный экспоненциальный рост продолжается с экспоненциальным уменьшением мощности до точки, в которой любой дополнительный ввод мощности не должен передаваться вперед точки, определенной в данном документе, как максимум передачи мощности. Таким образом, максимум передачи мощности зависит от порога вынужденного бриллюэновского рассеяния, но когда он достигнут, максимум передачи мощности должен не увеличиваться с увеличением мощности на входе.
Таким образом, предложено описанное в данном документе, новое и уникальное средство для подавления явления нелинейного рассеяния, такого как явления вынужденного рассеяния Бриллюэна и вынужденного рассеяния Рамана, средство для увеличения порога мощности и средство для увеличения максимума передачи мощности для использования в передаче энергии лазерного излучения большой мощности на большие расстояния, среди прочего, для проходки стволов скважин.
Диаметр модового поля должен быть настолько большим, насколько практически применимо, не вызывающим ненадлежащего затухания распространения излучения лазерного генератора. Одномодовые волокна с большой сердцевиной в настоящее время производятся серийно и имеются в продаже с модовыми диаметрами до 30 мкм, вместе с тем потери при изгибе обычно являются высокими и потери при распространении превышающими допустимые. Волокна с малой сердцевиной ступенчатого профиля, с диаметром модового поля 50 мкм представляют интерес, вследствие низких присущих им потерь, значительно уменьшенного потока энергии запуска и уменьшенного усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния, поскольку волокно не предохраняет от поляризации, оно также имеет константу многомодового распространения и большой диаметр модового поля. Все данные факторы эффективно увеличивают порог мощности вынужденного бриллюэновского рассеяния. Следовательно, волокно с большей сердцевиной с низкими потерями рассеяние Ралея является возможным решением для передачи большой мощности на большое расстояние, предпочтительно, где диаметр модового поля составляет 50 мкм или больше.
Следующим фактором является естественная бриллюэновская ширина спектральной линии волокна. Когда бриллюэновская ширина спектральной линии увеличивается, фактор усиления рассеяния уменьшается. Бриллюэновскую ширину спектральной линии можно расширить, изменением температуры по длине волокна, модуляцией механического напряжения на волокне и созданием акустических колебаний в волокне. Изменение температуры вдоль волокна приводит к изменению в коэффициенте преломления волокна и фоновой (kT) вибрации атомов в волокне, эффективно расширяя спектральную линию бриллюэновского рассеяния. В варианте применения на забое ствола скважины температура вдоль волокна должна естественно изменяться в результате геотермического воздействия, которому волокно должно быть открыто в диапазоне глубин, описанных в данном документе. Результатом нетто должно быть подавление усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния. Применение термического градиента вдоль длины волокна может являться средством для подавления вынужденного бриллюэновского рассеяния с увеличением ширины спектральной линии бриллюэновского рассеяния волокна. Например, такое средство может включать в себя использование тонкого пленочного нагревательного элемента или изменяющейся теплоизоляции вдоль длины волокна для регулирования фактической температуры в каждой точке по длине волокна. Примененные тепловые градиенты и температурное распределение могут быть, без ограничения этим, линейными, ступенчатыми и в виде периодических функций вдоль длины волокна.
Модуляция механического напряжения для подавления эффекта нелинейного рассеяния, на волокне может быть достигнута, но данное средство не ограничено закреплением волокна в его оплетке, так что волокну сообщают механическое напряжение. При селективном натягивании каждого сегмента между опорными элементами бриллюэновский спектр должен иметь красный сдвиг или синий сдвиг от естественной центральной частоты, эффективно расширяя спектр и уменьшая усиление. Если обеспечено свободное висение волокна на натяжителе, то механическое напряжение должно изменяться от устья к забою ствола скважины, эффективно расширяя спектр усиления бриллюэновского рассеяния и подавляя вынужденное бриллюэновское рассеяние. Средство для приложения механического напряжения к волокну включает в себя, без ограничения этим, перекручивание волокна, растягивание волокна, приложение внешнего давления на волокно и изгиб волокна. Так, например, как рассмотрено выше, перекручивание волокна может происходить с использованием катушечной рамы. Кроме того, скручивание волокна может происходить посредством использования на забое скважины центраторов, выполненных с возможностью создания вращения. Натяжение волокна может быть получено, например, как описано выше, с использованием опорных элементов вдоль длины волокна. На забое скважины давление может создавать градиент давления вдоль длины волокна, таким образом создавая механическое напряжение.
Акустическая модуляция волокна может менять ширину спектральной линии бриллюэновского рассеяния. Посредством размещения акустических генераторов, таких как пьезокристаллы вдоль длины волокна и модуляции их на заданный частоте, спектр бриллюэновского рассеяния можно расширять, эффективно уменьшая усиление бриллюэновского рассеяния. Например, кристаллы, акустические системы, механические вибраторы или любые другие механизмы создания акустических колебаний в волокне можно использовать для эффективного подавления усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния. Кроме того, акустическое излучение можно создавать, выпуская сжатый воздух через определенные отверстия, создавая свист.
Взаимодействие ширины спектральной линии генератора и ширины спектральной линии бриллюэновского рассеяния, в частности, определяет функцию усиления. Изменение ширины спектральной линии генератора может подавлять функцию усиления и, таким образом, подавлять нелинейные явления, такие как вынужденное бриллюэновское рассеяние. Ширину спектральной линии генератора можно изменять, например, частотной модуляцией или комбинированнием генераторов с близко разнесенными длинами волны, пример которых показан на Фиг.5. Таким образом, с волоконным лазером можно напрямую проводить частотную модуляцию рядом средств, одним способом является простое натяжение волокон пьезоэлектрическим элементом, вызывающим шаговое изменение в веществе волокна, приводящим к изменению длины лазерного резонатора, производящей сдвиг в собственной частоте волоконного лазера. Данная схема частотной модуляции может достигать очень широкополосной модуляция волоконного лазера с относительно медленными механическими и электрическими компонентами. Более прямой способ частотной модуляции данных генераторов лазерного излучения может заключаться в пропускании пучка через нелинейный кристалл, такой как ниобат лития, работающий в моде фазовой модуляции, и модуляции фазы на необходимой частоте для подавления усиления.
Кроме того, можно использовать спектральную лучевую комбинацию генераторов лазерного излучения, подавляющую вынужденное бриллюэновское рассеяние. Так, разнесенные по длине волны лучи с разносом, описанным в данном документе, могут подавлять вынужденное бриллюэновское рассеяние посредством интерференции в получающихся в результате акустических волнах, которые должны стремиться к расширению спектра вынужденного бриллюэновского рассеяния и, таким образом, давать в результате более низкое усиление вынужденного бриллюэновского рассеяния. Кроме того, с использованием многочисленных цветов общий максимум передачи мощности можно увеличивать посредством ограничения эффекта вынужденного бриллюэновского рассеяния в каждом цвете. Пример такой лазерной системы показан на фиг.4.
Рассеяние Рамана можно подавлять включением в состав оптического пути фильтра селекции длины волны. Данный фильтр может являться рефлективным, пропускающим или абсорбционным фильтром. Кроме того, соединительное устройство оптоволоконного кабеля может включать в себя заграждающий фильтр Рамана. Кроме того заграждающий фильтр Рамана может быть встроенным в волокно. Данный фильтр может являться, без ограничения этим, фильтром отраженных сигналов, таким как дихроичный фильтр или пропускающий решетчатый фильтр, такой как брэгговский решетчатый фильтр, или рефлективный решетчатый фильтр, такой как штриховая дифракционная решетка. Для любого распространения в обратном направлении энергии Рамана, а также как средства введения энергии накачки в активное волокно, предложен усилитель, встроенный во всю длину волоконного пути, который, как пример, может включать в себя способ встраивания заграждающего фильтра в соединитель для подавления излучения Рамана, подавляющего усиление рассеяния Рамана. Дополнительно, бриллюэновское рассеяние можно также подавлять фильтрованием. Фарадеевские вентили, например, можно встраивать в систему. Брэгговский решетчатый рефлектор, настроенный на бриллюэновскую частоту рассеяния можно также встраивать в соединитель для подавления бриллюэновского излучения.
Для преодоления потери мощности в волокне, как функции расстояния, можно использовать активное усиление лазерного сигнала. Активный волоконный усилитель может создавать усиление вдоль оптического волокна для компенсации потерь в волокне. Например, комбинированием активных волоконных секций с пассивными волоконными секциями, где достаточное световое излучение накачки подается на активные секции, т.e. секции с усилением, потери в пассивной секции должны компенсироваться. Таким образом, создано средство для интегрирования усиления сигнала в систему. На фиг.7 показан пример такого средства, имеющего первую пассивную волоконную секцию 8000, например, с потерями в -1дБ, генератор 8001 накачки, оптически связанный с волоконным усилителем 8002, который можно вводить во внешнюю оболочку для создания, например, усиления +1 дБ мощности распространяющегося сигнала. Волоконный усилитель 8002 оптически соединен с оптическим соединителем 8003, который может быть свободно разнесенным или с плавким предохранителем, оптически соединенным с пассивной секцией 8004. Данную конфигурацию можно повторять много раз, для изменяющейся длины, потерь мощности и условий на забое скважины. Кроме того, волоконный усилитель может действовать как подающее волокно по всей длине передачи. Генератор накачки может находиться на устье, на забое скважины, или быть комбинацией устьевого и забойного генератора для различных конфигураций ствола скважины.
Дополнительный способ состоит в использовании комбинации пучка с длиной волны с уплотнением многочисленных генераторов лазерного излучения для создания эффективной ширины спектральной линии, превышающей во много раз собственную ширину спектральной линии индивидуального лазера, с эффективным подавлением усиления вынужденного бриллюэновского рассеяния. Здесь многочисленные лазеры, каждый работающий на заданной длине волны и с заданным разносом длин волн совмещены друг с другом, например, решеткой. Решетка может являться пропускающей или рефлективной.
Оптическое волокно или жгут волокон можно заключать в наружный экран, обеспечивающий его выживание при высоких давлениях и температурах. Кабель может иметь конструкцию, аналогичную подводным кабелям, укладываемым на океанское дно, и может являться плавающим, если ствол скважины заполнен с водой. Кабель может состоять из одного или нескольких оптических волокон в кабеле, в зависимости от способности волокна к передаче мощности, и мощности, требуемой для достижения экономичных скоростей бурения. Понятно, что в полевых условиях несколько км оптоволоконного кабеля должны быть спущены в ствол скважины. Волоконные кабели можно выполнять различной длины для использования более коротких для меньших глубин с передачей мощности более высокого уровня и, следовательно, возможностью достижения более высоких скоростей бурения. Данный способ требует замены волокон при переходе к глубинам, превышающим длину волоконного кабеля. Альтернативно ряд соединителей можно использовать, если соединители устройства можно выполнить с достаточно низкими потерями, для обеспечения соединения и повторного соединения волокна (волокон) с минимальными потерями.
В приведенных ниже Таблицах 4 и 5 показана передача мощности для примеров конфигураций оптического кабеля.
Таблица 4
Мощность на входе
Длина волокна (волокон)
Диаметр жгута
Число волокон в жгуте
Мощность на выходе
20 кВт
5 км
500 мкм
1
15 кВт
20 кВт
7 км
500 мкм
1
13 кВт
20 кВт
5 км
200 мкм-1 мм
2-100
15 кВт
20 кВт
7 км
200 мкм-1 мм
2-100
13 кВт
20 кВт
5 км
100-200 мкм
1
10 кВт
20 кВт
7 км
100-200 мкм
1
8 кВт
Таблица 5(с активным усилением)
Мощность на входе
Длина волокна (волокон)
Диаметр жгута
Число волокон в жгуте
Мощность на выходе
20 кВт
5 км
500 мкм
1
17 кВт
20 кВт
7 км
500 мкм
1
15 кВт
20 кВт
5 км
200 мкм-1 мм
2-100
20 кВт
20 кВт
7 км
200 мкм-1 мм
2-100
18 кВт
20 кВт
5 км
100-200 мкм
1
15 кВт
20 кВт
7 км
100-200 мкм
1
13 кВт
Кабели из оптических волокон предпочтительно размещаются внутри гибкой насосно-компрессорной трубы для спуска в ствол скважины и подъема из него. При этом гибкая насосно-компрессорная труба должна быть основной несущей нагрузку и опорной структурой при спуске насосно-компрессорной трубы в скважину. Очевидно, что в скважинах большой глубины насосно-компрессорная труба должна нести значительный вес вследствие своей длины. Для защиты и закрепления оптических волокон, включающих в себя жгут оптических волокон, содержащихся, например, в 1/4 дюймовой (6 мм) трубке из нержавеющей стали, внутри гибкой насосно-компрессорной трубы необходимы устройства стабилизации. Таким образом, на различных интервалах вдоль длины гибкой насосно-компрессорной трубы можно размещать опоры внутри гибкой насосно-компрессорной трубы, закрепляющие или удерживающие оптическое волокно на месте относительно гибкой насосно-компрессорной трубы. Данные опоры, вместе с тем, не должны создавать помехи или иначе препятствовать потоку текучей среды, если текучая среда подается по гибкой насосно-компрессорной трубе. Примером производимой серийно и имеющейся в продаже систем стабилизации является ELECTROCOIL System. Данные опорные структуры, описанные выше, можно использовать для создания механического напряжения волокон для подавления нелинейных явлений.
Хотя предпочтительно размещение оптических волокон в насосно-компрессорной трубе, волокна можно также связывать с насосно-компрессорной трубой, например, проложив параллельно насосно-компрессорной трубе, и прикрепив к ней, проложив параллельно насосно-компрессорной трубе и прикрепив к ней скользящими опорами, или разместив во второй насосно-компрессорной трубе, связанной или не связанной с первой насосно-компрессорной трубой. В данном случае, должно быть ясно, что можно использовать различные комбинации трубных изделий для оптимизации подачи энергии лазерного излучения, текучих сред и кабелей и устройств в ствол скважины. Кроме того, оптическое волокно можно сегментировать и использовать с обычными свечами бурильной трубы и, таким образом, приспосабливать к использованию с обычной механической буровой установкой, оснащенной соединяющимися в колонну бурильными трубами.
Во время операций бурения и, конкретно, во время операций глубокого бурения, например, с глубинами больше 1 км, может являться необходимым мониторинг условий на забое ствола скважины, а также мониторинг условий по длине в средстве передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние. Дополнительно предусмотрено использование оптических импульсов, серии импульсов или продолжительного сигнала, мониторинг которых непрерывно осуществляют, отражающихся от дальнего конца волокна и использующихся для определения непрерывности волокна. Дополнительно предусмотрено использование флюоресценции облучаемой поверхности, как средства определения непрерывности оптического волокна. Лазер большой мощности должен достаточно нагревать материал горной породы до точки свечения. Мониторинг данного свечения можно непрерывно осуществлять для определения непрерывности оптического волокна. Данный способ работает быстрее способа передачи импульса через волокно, поскольку свет должен распространяться по волокну только в одном направлении. Кроме того, предусмотрено использование отдельного волокна для отправки зондирующего сигнала на дальний конец бронированного жгута оптических волокон с длиной волны, отличающейся от сигнала большой мощности, и по мониторингу возвратившегося сигнала на оптическом волокне большой мощности можно определить целостность волокна.
Данные сигналы мониторинга можно передавать на длинах волн, существенно отличающихся от сигнала большой мощности, так что селективный фильтр длины волны можно разместить на пути пучка на устье или на забое скважины для направления сигналов мониторинга на оборудование для анализа. Например, данный селективный фильтр можно разместить в катушечной раме или барабане, описанной в данном документе.
Для осуществления такого мониторинга можно использовать оптический спектральный анализатор или оптический рефлектометр задержки времени или их комбинации. Можно использовать оптический спектральный анализатор Anaritsu MS 9710 C, имеющий диапазон длины волны 600 нм-1,7 мкм, минимальный уровень шума 90 дБм и 10 Гц, -40 дБм и 1 МГц, 70 дБ динамического диапазона при разрешении 1 нм и максимум ширины полосы качания 1200 нм и можно использовать Anaritsu CMA 4500 OTDR.
Производительность бурения лазером можно также определить мониторингом соотношения эмитируемого света и отраженного света. Материалы, претерпевающие плавление, дробление, термическую диссоциацию или испарение, должны отражать и абсорбировать свет с различными соотношениями. Соотношение эмитированного к отраженному свету может меняться в зависимости от материала, дополнительно обеспечивая анализ типа материала данным способом. Таким образом, мониторингом соотношения эмитируемого и отраженного света можно определить тип материала, производительность бурения, или оба параметра. Данный мониторинг можно выполнять на устье, на забое скважины, или объединяя оба способа.
Кроме того, для различных целей, таких как электропитание оборудования мониторинга на забое скважины, электроэнергию можно вырабатывать в стволе скважины, как на забое ствола скважины, так и вблизи него. Для такой выработки электроэнергии можно использовать оборудование, известное специалистам в данной области техники, включающее в себя генераторы, приводимые в действие буровыми растворами или другими текучими средами на забое скважины, средством преобразования оптической в электрическую энергию и средством преобразования термической в электрическую энергию.
Компоновка низа бурильной колонны содержит лазерную оптику, средство подачи текучей среды и другое оборудование. В общем, компоновка низа бурильной колонны содержит выходной конец, также именуемый дальним концом средства передачи лазерного пучка большой мощности на большое расстояние и, предпочтительно, оптику для направления лазерного пучка на грунт или горную породу, подлежащую удалению для проходки ствола скважины, или другую структуру, подлежащую бурению.
Настоящие системы и, конкретно, компоновка низа бурильной колонны, может включать в себя один или несколько оптических манипуляторов. Оптический манипулятор может, в общем, управлять лазерным пучком, например, направлением или установкой в нужное положение лазерного пучка для дробления материала, такого как горная порода. В некоторых конфигурациях оптический манипулятор может осуществлять общее наведение лазерного пучка для дробления материала, такого как горная порода. Например, можно регулировать пространственное расстояние от стенки ствола скважины или горной породы, а также угол встречи. В некоторых конфигурациях один или несколько управляемых по направлению оптических манипуляторов могут регулировать направление и пространственную ширину одного или нескольких лазерного лучей одним или несколькими отражательными зеркалами или кристаллическими отражателями. В других конфигурациях оптическим манипулятором можно управлять по направлению электронно-оптическим переключателем, электроактивными полимерами, гальванометрами, пьезоэлектриками и/или роторными/ линейными двигателями. По меньшей мере, в одной конфигурации, инфракрасный диодный лазер или волоконный лазер с оптической головкой можно, в общем, вращать вокруг вертикальной оси для увеличения контактной длины апертуры. Различные программируемые величины, такие как удельная энергия, удельная мощность, частота повторения импульсов, продолжительность и т.п., можно использовать как функцию времени. Таким образом, можно определять, программировать и исполнять приложение энергии стратегически правильно для улучшения скорости проходки и/или взаимодействия лазер/горная порода, улучшения эффективности проходки по всей длине ствола скважины и улучшения эффективности заканчивания по всей длине ствола скважины, с уменьшением числа этапов находящихся на критическом пути заканчивания ствола скважины. Один или несколько алгоритмов можно использовать для регулирования оптического манипулятора.
2
Показанная, как пример на фиг.8, компоновка низа бурильной колонны содержит верхнюю часть 9000 и нижнюю часть 9001. Верхняя часть 9000 может соединяться с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубы, или другого средства спускоподъема компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины. Дополнительно, она может соединяться с центраторами с жесткими лопастями, утяжеленными бурильными трубами, или другими типами забойных компоновок (не показано на Фигуре), в свою очередь, соединенных с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубы, или другим средством спускоподъема компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины. Верхняя часть 9000 дополнительно содержит средство 9002, передающее энергию большой мощности в стволе скважины и на нижний конец 9003 средства. На фиг.8 данное средство показано, как жгут из четырех оптических кабелей. Верхняя часть 9000 может также иметь сопла 9005 пневматического усиления потока, выбрасывающие до 100% текучей среды, например N. Верхняя часть 9000 соединена с нижней частью 9001 герметичной камерой 9004, прозрачной для лазерного пучка и образующей плоскость диафрагмы для формирования луча в оптике 9006 в нижней части 9001. Нижняя часть 9001 может быть выполнена поворотной и, при этом, например, пятно лазерного пучка эллиптической формы может вращаться вокруг забоя ствола скважины. Нижняя часть 9001 имеет выходное отверстие 9007 ламинарного потока текучей среды и два закаленных ролика 9008, 9009 на своем нижнем конце, хотя можно использовать не ламинарные потоки и турбулентные потоки.
При эксплуатации лазерный пучок большой мощности, например больше 10 кВт, должен проходить по волокнам 9002, выходить из концов 9003 волокон и проходить через герметичную камеру и плоскость 9004 диафрагмы в оптику 9006, где он должен формироваться и фокусироваться в эллиптическое пятно. Лазерный пучок должен ударяться в забой ствола скважины, создавая дробление, плавление, термическую диссоциацию, и/или испарение горной породы и грунта, по которым нанесен удар, и, таким образом осуществлять проходку ствола скважины. Нижняя часть 9001 должна быть поворотной и обуславливать вращение эллиптического лазерного пятна вокруг забоя ствола скважины. Данное вращение должно также вызывать физическое смещение роликами 9008, 9009 любого материала, кристаллизованного лазером или иначе достаточно закрепленного и который не способен удалить только поток текучей среды. Шлам должен убираться с лазерного пути ламинарным потоком текучей среды, а также действием роликов 9008, 9009 и шлам должен затем выноситься из ствола скважины действием текучей среды из пневматического усилителя 9005 потока, а также отверстия 9007 ламинарного потока.
В общем, лазерная компоновка низа бурильной колонны может содержать внешний кожух, способный выдерживать условия среды на забое скважины, генератор лазерного пучка большой мощности, и оптику для формирования и направления лазерного пучка на нужные поверхности ствола скважины, обсадной колонны, или пласта. Лазерный пучок большой мощности может иметь мощность больше около 1 кВт, от около 2 кВт до около 20 кВт, больше около 5 кВт, от около 5 кВт до около 10 кВт, предпочтительно, по меньшей мере, около 10 кВт, по меньшей мере, около 15 кВт и, по меньшей мере, около 20 кВт. Компоновка может дополнительно содержать систему или быть связанной с системой подачи и направления текучей среды в нужное место в стволе скважины, систему уменьшения или регулирования или управления обломками породы на пути в лазерного пучка к материалу поверхности, средством регулирования или управления температурой оптики, средством регулирования или управления давлением среды, окружающей оптику и другие компоненты компоновки, и оборудование и устройства мониторинга и измерений, а также другие типы скважинного оборудования, обычно используемого в операциях механического бурения. Дополнительно, лазерная компоновка низа бурильной колонны может включать в себя средство, обеспечивающее формирование и распространение оптикой луча, которая, например, включает в себя средство регулирования по коэффициенту преломления окружающей среды, через которую распространяется лазерный пучок. Таким образом, при использовании в данном документе, термины "регулирование" и "управление" понимаются использующимися в их самом широком смысле и должны включать в себя активные и пассивные меры, а также выбор конструктивного исполнения и материалов.
Лазерная компоновка низа бурильной колонны должна быть предусмотрена выдерживающей условия в стволах скважин, таких как стволы скважин глубиной около 1640 фут (0,5 км) или больше, около 3280 фут (1 км) или больше, около 9830 фут (3 км) или больше, около 16400 фут (5 км) или больше, и до и включительно около 22,970 фут (7 км) или больше. В процессе бурения, т.e. когда ведется проходка ствола скважины в нужном месте, в стволе скважины может присутствовать пыль, буровой раствор и/или шлам. Следовательно, лазерная компоновка низа бурильной колонны должна быть сконструирована из материалов, которые могут выдерживать данные давления, температуры, потоки и условия, и защищать лазерную оптику, содержащуюся в лазерной компоновке низа бурильной колонны. Дополнительно, лазерная компоновка низа бурильной колонны должна быть спроектирована и исполнена выдерживающей температуры, давления и потоки и условия на забое скважины с контролем вредных воздействий на работу лазерного оптического устройства и подачу лазерного пучка.
Лазерная компоновка низа бурильной колонны также должна быть сконструирована для манипулирования и подачи энергии лазера большой мощности на данных глубинах и в экстремальных условиях на данной глубине в среде забоя скважины. Таким образом, лазерная компоновка низа бурильной колонны и ее лазерная оптика должны быть способными работать и подавать лазерные лучи, с мощностью 1 кВт или больше, 5 кВт или больше, 10 кВт или больше и 20 кВт или больше. Данная компоновка и оптика должны также быть способны подавать такие лазерные лучи на глубинах около 1640 фут (0,5 км) или больше, около 3280 фут (1 км) или больше, около 9830 фут (3 км) или больше, около 16400 фут (5 км) или больше, и до около 22970 фут (7 км) включительно или больше.
Лазерная компоновка низа бурильной колонны должна также быть способной к работе в данных экстремальных условиях в среде на забое скважины в течение продолжительного времени. Спуск и подъем компоновки низа бурильной колонны именуют рейсом в скважину и рейсом из скважины. Во время рейса в скважину и из скважины компоновки низа бурильной колонны проходка не ведется. Таким образом, уменьшение числа необходимых рейсов компоновки низа бурильной колонны должно уменьшать критический путь проходки ствола скважин, т.e. бурения скважины, и, таким образом должно уменьшать стоимость такого бурения. (При использовании в данном документе критическим путем именуют наименьшее число этапов, которые должны быть выполнены последовательно для строительства скважины.) Данная экономия стоимости приравнивается к увеличению производительности бурения. Таким образом, уменьшение числа необходимых подъемов компоновки низа бурильной колонны из ствола скважины напрямую соответствует уменьшению времени бурения скважины и стоимости такого бурения. Кроме того, поскольку стоимость буровых работ основана на дневных ставках для буровых установок, уменьшение числа дней до завершения ствола скважины должно давать существенную коммерческую выгоду. Таким образом, лазерная компоновка низа бурильной колонны и ее лазерная оптика должны быть способны манипулировать лучом и подавать лазерные лучи мощностью 1 кВт или больше, 5 кВт или больше, 10 кВт или больше и 20 кВт или больше на глубины около 1640 фут (0,5 км) или больше, около 3280 фут (1 км) или больше, около 9830 фут (3 км) или больше, около 16400 фут (5 км) или больше, и до около 22970 фут (7 км) включительно или больше, в течение, по меньшей мере, около 1/2 часа или больше, по меньшей мере, около 1 часа или больше, по меньшей мере, около 2 часов или больше, по меньшей мере, около 5 часов или больше и, по меньшей мере, около 10 часов или больше, и предпочтительно дольше любого другого ограничивающего фактора в проходке ствола скважины. Таким образом, использование лазерной компоновки низа бурильной колонны настоящего изобретения может уменьшать спускоподъемные работы, ограничивая их только работами, относящимися к обсадной колонне и заканчиванию, значительно уменьшая стоимость бурения скважины.
Таким образом, в общем, система удаления бурового шлама может иметь один тип с системой, используемой в бурении нефтяных скважин. Система должна включать в себя, например, вибросито. Дополнительно, можно использовать пескоотделители и илоотделители и затем центрифуги. Задачей данного оборудования является удаление шлама, так что текучую среду можно повторно использовать в циркуляционной системе. Если текучей средой, т.e. веществом, используемым для циркуляции, является газ, системы тонкого распыления воды можно также использовать.
На фиг.9 показан пример конфигурации лазерной компоновки низа бурильной колонны с двумя окнами выпуска текучей среды. В данном примере использованы жидкоструйный усилитель потока и, конкретно для данной иллюстрации, методики пневматического усиления потока для удаления материала из ствола скважины. Таким образом, показано сечение лазерной компоновки 9101 низа бурильной колонны, имеющей первое выпускное окно 9103, и второе выпускное окно 9105. Второе выпускное окно, в данной конфигурации, создает средство воздушного усиления потока или средство жидкоструйного усиления потока текучей среды. Первое выпускное окно 9103 также создает проем для лазерного пучка и лазерный путь. Созданы первый путь 9107 потока текучей среды и второй путь 9109 потока текучей среды. Имеется дополнительно граничный слой 9111, связанный со вторым путем 9109 потока текучей среды. Расстояние между первым выпускным окном 9103 и забоем 9112 ствола скважины показано расстоянием y, и расстояние между вторым выпускное окно 9105 и боковой стенкой ствола 9114 скважины показано расстоянием x. Важно иметь кривизну верхней стороны 9115 второго выпускного окна 9105 для создания закругления потока текучей среды и перемещения вверх по стволу скважины. Кроме того, имея угол 9116, образованный наклонной поверхностью 9117 нижней стороны 9119 аналогично важно иметь граничный слой 9111, связанный с потоком 9109 текучей среды. Таким образом, второй путь 9109 потока в основном несет ответственность за перемещение отходов вверх по стволу скважины и из него. Первый путь 9117 потока, в основном, несет ответственность за поддержание оптического пути оптически открытым с удалением обломков породы и уменьшением количества обломков породы в данном пути и дополнительно несет ответственность за перемещение отходов из области под лазерной компоновкой низа бурильной колонны к ее сторонам и точке, где их может уносить из ствола скважины второй поток 9105.
В настоящее время считается, что соотношение расходов между первым и вторым путями потока должно быть от около 100% для первого пути потока, 1:1, 1:10-1:100. Дополнительно, использование усилителей потока текучей среды является примером, и должно быть понятно, что лазерную компоновку низа бурильной колонны, или лазерное бурение, в общем, можно использовать без таких усилителей. Кроме того, струи текучей среды под давлением, воздушные шаберы, или аналогичные средства направления текучей среды можно использовать связанными с лазерной компоновкой низа бурильной колонны, в соединением с усилителями или вместо усилителей. Дополнительным примером использования усилителей должна быть установка усилителей в местах, где меняется диаметр ствола скважины или площадь кольцевого пространства, образованного насосно-компрессорной трубой и стволом скважины, таких как соединение лазерной компоновки низа бурильной колонны и насосно-компрессорной трубы. Дополнительно, любое число усилителей, струй текучей среды под давлением или воздушных шаберов, или аналогичных устройств направления текучей среды можно использовать так, что никакие такие устройства можно не использовать, пару таких устройств можно использовать и множество таких устройств можно использовать и комбинации данных устройств можно использовать. Шлам или отходы, создаваемые лазером (и взаимодействием лазерного и механического средства), имеют скорости осаждения, которые должна превосходить скорость потока текучей среды вверх по стволу скважины для удаления их из ствола скважины. Так, например, если шлам имеет скорости осаждения для отходов песчаника от около 4 м/сек до около 7 м/сек, для отходов гранита от около 3,5 м/сек до 7 м/сек, для отходов базальта от около 3 м/сек до 8 м/сек, и для отходов известняка меньше 1 м/сек, данные скорости осаждения должны быть превзойдены.
На фиг.10 показан пример лазерной компоновки низа бурильной колонны. Так, здесь показан участок лазерной компоновки 100 низа бурильной колонны с первым окном 103 и вторым окном 105. В данной конфигурации второе окно 105, в сравнении с конфигурацией примера фиг.3, перемещено вниз к днищу лазерной компоновки низа бурильной колонны. Здесь второе окно создает путь 109 потока, который можно видеть с двумя путями, по существу, горизонтальным путем 113 и вертикальным путем 111. Имеется также путь 107 потока, который, в основном, сохраняет лазерный путь оптически чистым от обломков породы. Пути 113 и 107 потока объединяются, становясь частью пути 111.
На фиг.12 показан пример поворотного выпускного окна, которое может быть частью лазерной компоновки низа бурильной колонны или связано с ней, или использовано в лазерном бурении. Так, создано окно 1201 имеющее проем 1203. Окно вращается в направлении стрелок 1205. Текучая среда затем выбрасывается из окна по двум различно направленным под углом путям потока. Оба пути потока, в общем, направлены в направлении вращения. Так, создан первый путь 1207 потока и второй путь 1209 потока. Первый путь потока имеет угол "a" относительно плоскости вращения выпускного окна. Второй путь потока имеет угол "b" относительно плоскости вращения выпускного окна. Таким образом, текучая среда может действовать, как нож или толкатель и помогать в удалении материала.
Выпускное окно, показанное на фиг.12, может быть выполнено для создания потоков 1207 и 1209, противоположных направлению вращения выпускного окна, может быть выполнено создающим поток 1207 в направлении вращения и поток 1209 в направлении, противоположном вращению. Кроме того, выпускное окно может быть выполнено создающим одинаковые или отличающиеся углы а и b потока, углы потока могут иметь диапазон от 90° почти до 0° и могут находиться в диапазонах от около 80° до 10°, около 70°-0°, около 60°-30° и около 50°-40°, создающим изменения данных диапазонов, где "a" является углом и/или направлением, отличающимся от "b".
На фиг.13 показан пример конфигурации воздушного шабера, связанного с лазерной компоновкой низа бурильной колонны. Создан воздушный шабер 1301, связанный с лазерной компоновкой 1313 низа бурильной колонны. Таким способом воздушный шабер и поток текучей среды, связанный с ним, можно направлять в заданном режиме как относительно угла, так и размещения потока. Кроме того, в дополнение к воздушным шаберам, другие устройства направления и подачи текучей среды, такие как струи текучей среды, под давлением можно использовать.
Для дополнительного показа преимуществ, вариантов эксплуатации, параметров работы и вариантов применения настоящего изобретения, как пример и без ограничения им, предложены следующие материалы результатов исследования.
Пример 1
Время облучения при испытании 0,05 с, 0,1 с, 0,2 с, 0,5 с и 1 с используют для гранита и известняка. Удельную мощность изменяют, меняя диаметр пятна пучка (круглого) и площадь эллипса 12,5 мм×0,5 мм с усредненной по времени мощностью 0,5 кВт, 1,6 кВт, 3 кВт, 5 кВт. В дополнение к пучку незатухающей гармонической волны импульсная мощность также испытывается для зон дробления.
Экспериментальная установка
Волоконный лазер
IPG Photonics 5 кВт активируемый иттербием многооболочечный волоконный лазер
Доломит/гранит барре
12×12×5 дюймов и/или 5×5×5 дюймов (305×305×127 мм) (127×127×127 мм)
Размер горной породы
Известняк
12×12×5 дюймов и/или 5×5×5 дюймов (305×305×127 мм) (127×127×127 мм)
Размер пятна пучка(или диаметр)
0,3585, 0,0625 дюйма(12,5, 0,5 мм), 0,1 дюйм (2,5 мм)
Время облучения
0,05 с, 0,1 с, 0,2 с, 0,5 с, 1 с
Усредненная повремени мощность
0,25 кВт, 0,5 кВт, 1,6 кВт, 3 кВт, 5 кВт
Импульс
0,5-20 Дж/импульс при 40-600 импульс/сек
Пример 2
Общие параметры примера 1 повторяют с использованием песчаника и сланца. Экспериментальная установка
Волоконный лазер
IPG Photonics 5 кВт активируемый иттербием многооболочечный волоконный лазер
Песчаник береа серый (или желтый)
12×12×5 дюймов и 5×5×5 дюймов (305×305×127 мм) (127×127×127 мм)
Сланец
12×12×5 дюймов и 5×5×5 дюймов (305×305×127 мм) (127×127×127 мм)
Тип пятна
Незатухающая гармоническая волна/коллимированный
Размер пятна пучка(или диаметр)
0,0625 дюйма(12,5×0,5 мм),0,1 дюйм (2,5 мм)
Мощность
0,25 кВт, 0,5 кВт, 1,6 кВт, 3 кВт, 5 кВт
Время облучения
1 с, 0,5 с, 0,1 с
Пример 3
Способность выкрашивания прямоугольного блока материала, такого как горная порода, должна быть продемонстрирована согласно системам и способам, описанным в данном документе. Установка дана в таблице, приведенной ниже, и конец блока горной породы использован как рудное тело. Блоки гранита, песчаника, известняка, и сланца (если возможно) должны дробиться под углом на конце блока (выкрашивание горной породы вокруг рудного тела). Пятно пучка должно затем перемещаться последовательно к другим частям вновь созданного рудного тела от выкрошенной горной породы для разрыва на части верхней поверхности рудного тела к концу блока. Задачей должно быть выкрашивание частиц горной породы приблизительно размером 1×1×1 дюйм (25×25×25 мм). Примененные удельную мощность и удельную энергию выбирают на основе ранее записанных данных дробления и информации, полученной по результатам экспериментов 1 и 2, представленным выше. Определяют скорость проходки при выкрашивании горной породы, и способность выкрашивания горной породы согласно техусловиям.
Экспериментальная установка
Фиксированный:
Волоконный лазер
IPG Photonics 5 кВт активируемый иттербием многооболочечный волоконный лазер
Доломит/гранит барреРазмер горной породы
12×12×12 дюймов и 12×12×24 дюйма (305×305×305 мм и 305×305×610 мм)
Известняк
12×12×12 дюймов и 12×12×24 дюйма (305×305×305 мм и 305×305×610 мм)
Песчаник береа серый(или желтый)
12×12×12 дюймов и 12×12×24 дюйма (305×305×305 мм и 305×305×610 мм)
Сланец
12×12×12 дюймов и 12×12×24 дюйма (305×305×305 мм и 305×305×610 мм)
Тип луча
Незатухающая гармоническая волна/Коллимированный и пульсирующий в зонах дробления
Удельная мощность
Зоны дробления (920 Вт/см<sup>2</sup> при 2,6 кДж/см<sup>3</sup> для песчаника и 4 кВт/см<sup>2</sup> при 0,52 кДж/см<sup>3 </sup>для известняка)
Размер пучка
12,5 мм × 0,5 мм
Время облучения
См. эксперименты 1 и 2
Продувание
189 л/мин поток азота
Пример 4
Должно быть продемонстрировано выкрашивание многочисленными пучками. Испытывают перекрывание дробления в материале, таком как горная порода в результате действия двух разнесенных лазерных пучков. Два лазерных пучка должны проходить на расстоянии 0,2, 0,5, 1, 1,5 дюйма (5, 13, 25, 38 мм) друг от друга, как показано в экспериментальной установке ниже. Используют гранит, песчаник, известняк, и сланец. Разрывы горной породы должны быть испытаны дроблением при определенных параметрах зоны дробления для каждого материала. Должен учитываться газ продувки. Разрывы горной породы должны перекрываться для выкрашивания кусков горной породы. Целью должно быть получение выкрашивания горной породы необходимого размера 1×1×1 дюйм (25×25×25 мм). Выкрашивание горной породы от двух разнесенных пучков должно определить оптимальные размеры частиц, которые могут эффективно выкрашиваться, давая информацию о размере частиц для оптимизации дробления и скорости проходки.
Пример 5
Дробление в многочисленных точках многочисленными пучками должно выполняться для демонстрации возможности выкрашивания материала, такого как горная порода, рисунком пятен. Различные рисунки пятен необходимо оценивать на различных типах горной породы с использованием параметров, приведенных ниже. Рисунки, использующие линейное пятно приблизительно 1 см × 15,24 см, эллиптическое пятно с большой осью приблизительно 15,24 см и малой осью приблизительно 1 см, одиночное круглое пятно, имеющее диаметр 1 см, рисунок пятен, имеющих диаметр 1 см с разносом между пятнами, приблизительно равным диаметру пятна, рисунок, имеющий 4 пятна, разнесенные в квадрате, разнесенные по линии. Лазерный пучок должен подаваться на поверхность горной породы в по схеме последовательности падения пятен пучка излучения лазера, пока не произойдет дробление, и затем лазер направляют на следующее место падения пятен пучка в рисунке и лазер работает, пока не произойдет дробление, затем данный процесса повторяют. При перемещении по рисункам линейных и эллиптических пятен эффективно их вращение вокруг центральной оси. В рисунке, содержащем сетку пятен, пятна можно вращать около их центральных осей и вращать около осевой точки, как при перемещении в стрелках часов по циферблату.
Экспериментальная установка
Волоконный лазер
IPG Photonics 5 кВт активируемый иттербием многооболочечный волоконный лазер
Доломит/гранит барреРазмер горной породы
12×12×12 дюймов и 12×12×5 дюймов(305×305×305 мм и 305×305×127 мм)
Известняк
12×12×12 дюймов и 12×12×5 дюймов(305×305×305 мм и 305×305×127 мм)
Песчаник береа серый(или желтый)
12×12×12 дюймов и 12×12×5 дюймов(305×305×305 мм и 305×305×127 мм)
Сланец
12×12×12 дюймов и 12×12×5 дюймов(305×305×305 мм и 305×305×127 мм)
Тип луча
Незатухающая гармоническая волна/Коллимированный и пульсирующий в зонах дробления
Удельная мощность
Зоны дробления (920 Вт/см<sup>2</sup> при 2,6кДж/см<sup>3</sup> для песчаника и 4кВт/см<sup>2</sup> при 0,52кДж/см<sup>3 </sup>для известняка)
Размер пучка
12,5 мм×0,5 мм
Время облучения
См. эксперименты 1 и 2
Продувание
189 л/мин поток азота
Из приведенных выше примеров и подробного описания можно видеть, что, в общем, один или несколько лазерных пучков могут дробить, выкрашивать, испарять, или плавить материал, такой как горная порода в рисунке с использованием оптического манипулятора. Таким образом, горную породу можно структурировать дроблением для образования разрывов горной породы, окружающих сегмент горной породы для выкрашивания такого куска горной породы. Пятно лазерного пучка может дробить, испарять, или плавить горную породу под одним углом при взаимодействии с горной породой при большой мощности. Дополнительно, система оптического манипулятора может управлять двумя или больше лазерными пучками для сведения под углом для встречи вблизи точки служащего мишенью куска горной породы. Дроблением можно затем шаг за шагом образовать разрывы горной породы, перекрывающие и окружающие служащую мишенью горную породу для выкрашивания служащей мишенью горной породы и обеспечения удаления более крупных кусков горной породы. Таким образом, энергия лазерного излучения может выкрашивать кусок горной породы до 1 дюйма глубиной и 1 дюйма (25 мм) шириной или больше. Конечно, более крупные или более мелкие куски горной породы можно выкрашивать в зависимости от таких факторов, как тип пласта горной породы, и стратегического определения наиболее эффективной методики.
В качестве примеров созданы иллюстрирующие и упрощенные планы с возможными сценариями бурения с использованием лазерных буровых систем и устройства настоящего изобретения.
Пример 1 плана бурения
глубина
тип горной породы
тип бурения/ мощность лазерного пучка на забое
Бурение ствола диам. 17-1/2 дюйм (44 см)
поверхность 3000 фут (900 м)
песчаник и сланец
обычное механическое бурение
Спуск обсадной колонны диам. 13-3/8 дюйм (34 см)
длина 3000 фут (900 м)
Бурение ствола диам. 12-1/4 дюйм (31 см)
3000-8000 фут (900-2400 м)
базальт
40 кВт (минимум)
Спуск обсадной колонны диам. 9-5/8 дюйм (25 см)
длина 8000 фут (2400 м)
Бурение ствола диам. 8-1/2 дюйм (22 см)
8000-11000 фут (2400-3300 м)
песчаник
обычное механическое бурение
Спуск обсадной колонны диам. 7 дюйм (18см)
длина 11000 фут (3300 м)
Бурение ствола диам. 6-1/4 дюйм (16 см)
11000-14000 фут (3300-4200 м)
песчаник
обычное механическое бурение
Спуск хвостовика диам. 5 дюйм (13 см)
длина 3000 фут (900 м)
Пример 2 плана бурения
глубина
тип горной породы
тип бурения/ мощность лазерного пучка на забое
Бурение ствола диам. 17-1/2 дюйм (44 см)
поверхность 500 фут (450 м)
песчаник и сланец
обычное механическое бурение
Спуск обсадной колонны диам. 13-3/8 дюйм (34 см)
длина 500 фут (450 м)
Бурение ствола диам. 12-1/4 дюйм (31 см)
500-4000 фут (450-1200 м)
гранит
40 кВт (минимум)
Спуск обсадной колонны диам. 9-5/8 дюйм (25 см)
длина 4000 фут (1200 м)
Бурение ствола диам. 8-1/2 дюйм (22 см)
4000-11000 фут (1200-3300 м)
базальт
20 кВт (минимум)
Спуск обсадной колонны диам. 7 дюйм (18 см)
длина 11000 фут (3300 м)
Бурение ствола диам. 6-1/4 дюйм (16 см)
11000-14000 фут (3300-4200 м)
песчаник
обычное механическое бурение
Спуск хвостовика диам. 5 дюйм (13 см)
длина 3000 фут (900 м)
Кроме того, один или несколько лазерных пучков могут образовать уступ из материала, такого как горная порода, дроблением горной породы в структуре. Один или несколько лазерных пучков могут дробить горную породу под углом к уступу, образуя разрывы горной породы, окружающей уступ, для выкрашивания кусков горной породы, окружающей уступ. Два или больше пучков могут выкрашивать горную породу для создания уступа. Лазерные пучки могут дробить горную породу под углом к уступу, образуя разрывы горной породы, окружающей уступ для дополнительного выкрашивания горной породы. Многочисленные куски горной породы могут выкрашиваться одновременно несколькими лазерными пучками после создания одного или нескольких уступов горной породы для выкрашивания кусков горной породы вокруг уступа или без уступа, сведением двух пучков вблизи точки дробления; дополнительно, можно использовать методику, известную как создание опережающих канавок на забое.
Согласно идеям изобретения, можно осуществить накачку волоконного лазера или жидкокристаллического лазера, имеющего длину волны в диапазоне 750-2100 нм, инфракрасным лазерным диодом. Волоконный лазер или жидкокристаллический лазер могут опираться на инфракрасный лазерный диод или проходить от него на забой скважины, соединенные оптическим волокном, передающим пучок от инфракрасного диодного лазера на волоконный лазер или жидкокристаллический лазер на длине волны инфракрасного диодного лазера. Волоконный кабель может быть выполнен из такого материала, как двуокись кремния, полиметилметакрилат/перфторированные полимеры, фотонные кристаллы с полой сердцевиной, или фотонные кристаллы со сплошной сердцевиной, одномодовые или многомодовые. При этом оптическое волокно может быть заключено в гибкую насосно-компрессорную трубу или находиться в жесткой бурильной колонне. С другой стороны, можно передавать свет с длиной волны диапазона инфракрасного диода с поверхности на волоконный лазер или жидкокристаллический лазер на забое скважины. Один или несколько инфракрасных диодных лазеров могут находиться на поверхности.
Лазер можно спускать в ствол скважин на трубопроводе, таком как гибкая насосно-компрессорная труба или жесткая колонна бурильных труб. Можно оборудовать силовой кабель. Циркуляционную систему можно также оборудовать. Циркуляционная система может иметь жесткую или гибкую насосно-компрессорную трубу для подачи жидкости или газа на забой скважины. Вторую трубу можно использовать для подъема шлама горной породы на поверхность. По трубе можно подавать или транспортировать газ или жидкость в трубопроводе в другую трубу, трубку или трубопровод. Газ или жидкость могут создавать воздушный шабер при удалении материала, такого как выбуренная порода, от лазерной головки. Сопло, такое как сопло Лаваля, можно включить в состав оборудования. Например, сопло Лаваля может прикрепляться к оптической головке для подачи сжатого газа или жидкости под давлением. Сжатый газ или жидкость под давлением могут пропускать свет с рабочей длиной волны инфракрасного диодного лазера или волоконного лазера и выталкивать буровые растворы с лазерного пути. Дополнительная насосно-компрессорная труба в трубопроводе может подавать жидкость более низкой температуры, чем окружающая температура на глубине, на забой скважины для охлаждения лазера. Один или несколько гидравлических насосов можно использовать для подачи шлама и обломков породы на поверхность, применяя давление на устье скважины для отбора несжимаемой текучей среды на поверхность.
Буровой раствор в скважине может быть пропускающим видимый свет, свет длинноволновой инфракрасной области и средневолновой инфракрасной области спектра, так что лазерный пучок имеет свободный оптический путь к горной породе без абсорбирования буровым раствором.
Дополнительно, данные спектроскопических проб можно детектировать и анализировать. Анализ можно проводить одновременно с процессом бурения по тепловому излучению горной породы. Спектроскопические пробы можно отбирать на созданных лазерным дроблением производных для спектроскопии. Импульсную мощность можно подавать на точку соударения лазерного пучка с горной породой инфракрасным диодным лазером. Свет можно анализировать детектором одной длины волны, прикрепленным к инфракрасному диодному лазеру. Например, свет со сдвигом частот комбинационного рассеяния можно измерять спектрометром комбинационного рассеяния. Дополнительно, например, перестраиваемый диодный лазер, использующий волоконные решетки Брэгга с немногочисленными модами, можно использовать для анализа полосы частот образца текучей среды с использованием иттэрбия, тулия, неодима, диспрозия, празеодима или эрбия как активной среды. В некоторых вариантах осуществления хемометрическое уравнение или выравнивание методом наименьших квадратов можно использовать для анализа спектров комбинационного рассеяния. Можно определять температуру, теплоемкость и температуропроводность. По меньшей мере, в одном варианте осуществления, данные можно анализировать в нейронной сети. Нейронную сеть можно модифицировать в режиме реального времени в процессе бурения. Корректировка выходной мощности диодного лазера по данным нейронной сети может оптимизировать показатели бурения через тип пласта горной породы.
Устройство для геонавигации скважины для каротажа можно включать в состав или связывать с системой бурения. Например, можно предусмотреть магнитометр, акселерометр с измерением по трем осям и/или гироскоп. Как и лазер, геонавигационное устройство может быть заключено в кожух, такой как из стали, титана, алмаза или карбида вольфрама. Геонавигационное устройство может быть заключено в кожух вместе с лазером или независимо от него. В некоторых вариантах осуществления данные от геонавигационного устройства могут обеспечивать управление направлением перемещения устройства на забое скважины с цифрового процессора сигналов.
Жгут оптического волокна большой мощности может, например, висеть от инфракрасного диодного лазера или волоконного лазера на забое скважины. Волокна могут, в общем, быть соединены с диодным лазером для передачи мощности от лазера на пласты горной породы. По меньшей мере, в одном варианте осуществления оптоволоконное соединение может иметь инфракрасный диодный лазер, имеющий длину волны в диапазоне между 800 нм и 1000 нм. В некоторых вариантах осуществления волоконно-оптическая головка может не иметь контакта со стволом скважины. Оптический кабель может являться волокном фотонного кристалла с полой сердцевиной, кварцевым волокном или пластиковым оптическим волокном, включающим в себя полиметилметакрилат/перфторированные полимеры, являющиеся одномодовыми или многомодовыми. В некоторых вариантах осуществления оптическое волокно может быть заключено в кожух гибкой или жесткой насосно-компрессорной трубы. Оптическое волокно может быть прикреплено к трубопроводу с первой трубой для применения газа или жидкости для циркуляции шлама. Вторая труба может подавать газ или жидкость, например, на струйные сопла Лаваля для очистки обломков породы с лазерной головки. В некоторых вариантах осуществления концы оптических волокон заключены в кожух головки, составленной из управляемого по направлению оптического манипулятора и зеркал или кристаллического отражателя. Кожух головки может иметь в составе сапфир или связанные с ним материалы. Оптический манипулятор может быть оборудован для вращения головки оптического волокна. В некоторых вариантах осуществления инфракрасный диодный лазер может быть полностью заключен в кожух из стали, титана, алмаза или карбида вольфрама, установленный над оптическими волокнами в стволе скважины. В других вариантах осуществления он может быть заключен в кожух частично.
Кабели из оптических волокон с одним или многими волокнами могут быть настроены на прием волн, имеющих длину в ближней области, средней области и дальней области инфракрасного диапазона, создаваемых инфракрасным диодным лазером в материале, таком как горная порода для отбора проб производной спектроскопии. Вторая оптическая головка, получающая энергию от инфракрасного диодного лазера, над местом бурения оптической головкой может помещаться в корпус хвостовика пласта. Вторая оптическая головка может выходить из инфракрасного диодного лазера с передачей света через волоконную оптику. В некоторых конфигурациях, волоконную оптику может защищать гибкая насосно-компрессорная труба. Оптическая головка инфракрасного диодного лазера может перфорировать сталебетонную обсадную колонну. По меньшей мере, в одном варианте осуществления второй инфракрасный диодный лазер над первым инфракрасным диодным лазером может помещаться в корпусе хвостовик пласта во время бурения.
Согласно одной или нескольким конфигурациям, волоконный лазер или инфракрасный диодный лазер на забое скважины могут передавать когерентный свет в тонкостенной трубе без входа света в контакт с трубой при размещении на забое скважины. Тонкостенная труба может быть выполнена из любого материала. В некоторых конфигурациях, тонкостенная труба может быть выполнена из стали, титана или кварца. Зеркало или рефлективный кристалл могут быть размещены на конце тонкостенной трубы для направления коллимированного света на материал, такой как поверхность бурящейся горной породы. В некоторых вариантах осуществления оптический манипулятор может управляться по направлению электронно-оптическим переключателем, электроактивными полимерами, гальванометрами, пьезоэлектриками или роторными/ линейными двигателями. Циркуляционную систему можно использовать для подъема шлама. Один или несколько гидравлических насосов можно использовать для подачи шлама на поверхность, применяя давление на устье скважины, отбирающее несжимаемую текучую среду на поверхность. В некоторых конфигурациях, оптическое волокно может быть прикреплено к трубопроводу с двумя трубами, одной для применения газа или жидкости для осуществления циркуляции шлама и другой для подачи газа или жидкости в струйное сопло Лаваля для очистки обломков породы с лазерной головки.
В дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения создана буровая установка для строительства ствола скважины в грунте на глубину от около 1 км до около 5 км или больше, буровая установка, имеющая жгут бронированной волоконной оптики, состоящий из 1 или множества имеющих покрытие оптических волокон, с длиной, равной или больше глубины ствола скважины, и имеющая средства наматывания на барабан и сматывания с барабана жгута с поддержанием оптического соединения с генератором лазерного излучения. В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения создан способ сматывания с барабана жгута и подачи лазерного пучка в точку в стволе скважины, конкретно в точку на забое ствола скважины или вблизи него. Дополнительно, создан способ проходки ствола скважины на глубины, превышающие 1 км, 2 км и до 5 км включительно, частично, подачей лазерного пучка в ствол скважин через бронированный жгут волоконной оптики.
Новые и инновационные бронированные жгуты и связанное с ними устройство наматывания на барабан и сматывания с барабана и способы настоящего изобретения, в которых жгут может иметь один или множество оптических волокон, предложенные в данном документе, можно использовать на обычных буровых установках и устройствах для бурения, заканчивания и относящихся к ним и связанных с ними операциях. Устройство и способы настоящего изобретения можно использовать на буровых установках и оборудовании в работах разведки и разработки месторождения. Таким образом, их можно использовать, как пример и без ограничения этим, на стационарных наземных буровых установках, мобильных буровых установках, буровых установках на стационарных морских платформах, буровых установках на баржах, буровых установках на судах, буровых платформах с выдвижными опорами и буровых установках на полупогруженных платформах. Их можно использовать в операциях проходки ствола скважины, заканчивания ствола скважины и капитальном ремонте, включающих в себя перфорирование эксплуатационной обсадной колонны. Их можно дополнительно использовать в вырезании окон и резке труб и в любом варианте применения, где подача лазерного пучка на место работы, устройство или компонент, расположенные на глубине в стволе скважины, может являться предпочтительным или полезным.
Таким образом, на фиг.14A и B, вместе именуемых фиг.14, показан пример лазерной компоновки низа бурильной колонны. Создана лазерная компоновка 14100 низа бурильной колонны, имеющая верхнюю часть 1400 и нижнюю часть 1401. Верхняя часть 1400 имеет кожух 1418, и нижняя часть 1401 имеет кожух 1419. Лазерная компоновка 14100 низа бурильной колонны, верхняя часть 1400, нижняя часть 1401 и, конкретно, кожухи 1418, 1419 должны быть сконструированы из таких материалов и с таким конструктивным исполнением, чтобы выдерживать экстремальные условия среды на глубине в забое скважины и защищать любой из компонентов, содержащихся в них.
2
Верхняя часть 1400 может соединяться с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубой или другим средством спускоподъема лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны в стволе скважины. Дополнительно, она может соединяться с центраторами с жесткими лопастями, утяжеленными бурильными трубами или другими типами забойных компоновок (не показано на Фигуре), которые, в свою очередь, соединяются с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубой или другим средством спускоподъема лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны в стволе скважины. Верхняя часть 1400 дополнительно содержит, соединена или иначе оптически связана со средством 1402, передающим лазерный луч большой мощности в стволе скважины так, что луч выходит из нижнего конца 1403 средства 1402 и в итоге выходит из лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны для удара по заданной поверхности ствола скважины. Путь лазерного пучка большой мощности показан стрелкой 1415. На фиг.14 средство 1402 показано как одиночное оптическое волокно. Верхняя часть 1400 может также иметь сопла 1405 усиления потока воздуха, выбрасывающие буровой раствор, например N, для содействия среди прочего в удалении шлама к устью ствола скважины.
2
3
2
Верхняя часть 1400 дополнительно прикреплена, соединена или иначе связана со средством 1410, создающим вращение. Такое средство, например, может быть скважинным двигателем, электродвигателем или гидравлическим забойным двигателем. Двигатель может соединяться с помощью оси, приводного вала, приводного механизма, зубчатой передачи или другого такого средства 1411 передачи вращения с нижней частью 1401 лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны. Понятно, как показано на чертежах устройства, что кожух или защитный экран можно разместить вокруг приводного средства или иначе связать с ним и двигателем для его защиты от обломков породы и агрессивной среды в стволе скважины. Таким образом, двигатель должен обеспечивать вращение нижней части 1401 лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны. Примером гидравлического забойного двигателя является CAVO диаметром 1,7 дюймов (43 мм). Данный двигатель имеет длину около 7 фут и следующие технические характеристики: мощность 7 л.с. при полном крутящем моменте 110 фут. фунт (154 н.м); частота вращения 0-700 об/мин; двигатель может работать на буровом растворе, сжатом воздухе, N, водяной пыли или пене; 180 ст.фут/мин (5000 л/мин), падение давления 500-800 фунт/дюйм (3450-5520 кПа); вспомогательное оборудование длиной до 12 фут (3,6 м); передаточное число 10:1 дает частоту вращения 0-70 об/мин и дает возможность вращения нижней части 1401 лазерной компоновки низа бурильной колонны в условиях потенциального торможения.
Верхняя часть 1400 лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны соединена с нижней частью 1401 герметичной камерой 1404, прозрачной для лазерного пучка, и создает плоскость 1420 диафрагмы для обеспечения беспрепятственной передачи лазерного пучка в оптику 1406 формирования луча в нижней части 1401. Нижняя часть 1401 выполнена с возможностью вращения. Герметичная камера 1404 сообщается текучей средой с нижней камерой 1401 через окно 1414. Окно 1414 может представлять собой обратный клапан, обеспечивающий проход чистой пропускающей текучей среды и, предпочтительно, газа из верхней части 1400 в нижнюю часть 1401, но не допускает обратного прохода, или может являться другим типом клапана регулировки давления и/или расхода, отвечающим конкретным требованиям по расходу и распределению текучей среды в среде на забое скважины. Так, например, на фиг.14 создан первый путь потока текучей среды, показанный стрелками 1416, и второй путь потока текучей среды, показанный стрелками 1417. В примере на фиг.14 второй путь потока текучей среды является ламинарным потоком, хотя другие потоки, включающие в себя турбулентные потоки, можно использовать.
Нижняя часть 1401 имеет средство для приема крутящего момента от двигателя 1410, которое в примере на Фигуре представляет собой шестерню 1412, размещенную вблизи нижней части кожуха 1419, и ведущую шестерню 1413, установленную на нижнем конце оси 1411. Можно использовать другое средство для передачи мощности вращения, или двигатель можно установить непосредственно в нижней части. Понятно, что можно использовать эквивалентное устройство, создающее вращение участка лазерной компоновки низа бурильной колонны для осуществления вращения или перемещения пятна лазерного пучка, одновременно не допускающее внештатного вращения, или приложения скручивающих сил, к волоконному световоду или другому средству передачи лазерного пучка большой мощности в скважине на лазерную компоновку низа бурильной колонны. Таким образом, пятно лазерного пучка можно вращать по окружности забоя ствола скважины. Нижняя часть 1401 имеет выходное отверстие 1407 ламинарного потока для выхода текучей среды из лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны и два закаленных ролика 1408, 1409 на своем нижнем конце. Хотя ламинарный поток предполагается в данном примере, должно быть понятно, что неламинарные потоки и турбулентные потоки можно также использовать.
Два закаленных ролика могут быть выполнены из нержавеющей стали или стали с твердосплавным покрытием такими, как из карбида вольфрама, сплава хрома, кобальта и никеля, или других аналогичных материалов. Они могут также содержать средство для механического бурения горной породы, термически разрушенной лазером. Они могут иметь длину в диапазоне от около 1 дюйма (25 мм) до около 4 дюймов (102 мм) и, предпочтительно, около 2-3 дюйма (51-76 мм) и могут иметь величину 6 дюймов (152 мм) и больше. Кроме того, в лазерных компоновках низа бурильной колонны для бурения стволов скважин большого диаметра они могут иметь диаметр в диапазоне 10-20 дюймов (254-508 мм) или больше.
Таким образом, на фиг.14 показан путь 1415 лазерного пучка большой мощности, входящего в лазерную компоновку 14100 низа бурильной колонны, проходящего через оптику 1406 формирования пятна пучка и затем выходящего из лазерной компоновки низа бурильной колонны для удара по заданной мишени на поверхности ствола скважины. Дополнительно, хотя этого не требуется, оптика формирования пятна пучка может также предусматривать элемент вращения пятна, и если так, должна считаться оптикой формирования и вращения пятна пучка.
При использовании лазерный пучок большой мощности, например больше 15 кВт, должен входить в лазерную компоновку 14100 низа бурильной колонны, проходить по волоконному световоду 1402, выходить из конца 1403 волоконного световода и проходить через герметичную камеру 1404 и плоскость диафрагмы 1420 в оптику 1406, где дополнительно формируется и фокусируется в пятно, оптика 1406 может дополнительно вращать пятно. Лазерный пучок затем облучает, возможно в режиме вращения, забой ствола скважины, осуществляя дробление, выкрашивание, плавление и/или испарение горной породы и облучаемого грунта и, таким образом, осуществляет проходку ствола скважины. Нижняя часть должна вращаться и данное вращение должно дополнительно вызывать сдвиг роликами 1408, 1409 любого материала, подвергшегося воздействию лазера, но все еще достаточно закрепленного так, что действие только потока бурового раствора не может его удалить.
Шлам убирается с лазерного пути потоком текучей среды вдоль пути 1417, а также действием роликов 1408, 1409, и шлам должен затем транспортироваться вверх по стволу скважины действием бурового раствора от воздушного усилителя 1405 потока, а также отверстия 1407 ламинарного потока.
Понятно, что конфигурация лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны на фиг.14 является примером и что другие конфигурации ее компонентов производятся серийно и имеются в продаже для получения аналогичных результатов. Так, двигатель можно разместить в нижней части, а не в верхней части, двигатель можно разместить в верхней части, но только переместить оптику в нижнюю часть, а не в кожух. Оптика может дополнительно располагаться и в верхней и в нижней частях, при этом оптика для вращения установлена во вращающиеся части. Двигатель может быть размещен в нижней части и вращать только оптику и ролики. В данной последней конфигурации верхняя и нижняя части могут быть одинаковыми, т.e. должна быть только одна часть в лазерной компоновке низа бурильной колонны. Таким образом, например, внутренний участок лазерной компоновки 14100 низа бурильной колонны может вращаться, а внешний участок является стационарным или наоборот, аналогично верхний и/или нижний участки могут вращаться, или различные комбинации вращающихся и невращающихся компонентов можно использовать для создания средства для перемещения пятна лазерного пучка вокруг забоя ствола скважины.
Оптика 1406 должна быть выбрана предотвращающей или, по меньшей мере, минимизирующей потерю мощности при проходе лазерного пучка через нее. Оптика должно дополнительно быть разработана выдерживающей экстремальные условия в среде на забое скважины, по меньшей мере, в той степени, в которой данные условия ослаблены кожухом 1419. Оптика может создавать пятна лазерного пучка с различным распределением мощности и формами, как выше описано в данном документе. Оптика может дополнительно создавать вид пятна или многочисленные пятна, как описано выше в данном документе.
Бурение можно выполнять в сухой окружающей среде или влажной окружающей среде. Важный фактор состоит в том, что путь от лазера до поверхности горной породы должен быть сохранен насколько практически возможно чистым от обломков породы и пыли или других материалов, создающих помехи подаче лазерного пучка на поверхность горной породы. Использование лазера высокой яркости создает другое преимущество на рабочей головке, где большие расстояния зазора от последней части оптики до рабочей поверхности являются важными для сохранения чистым и работоспособным оптического окна, работающего под большим давлением в процессе бурения. Пучок может либо устанавливаться статично или перемещаться механически, оптомеханически, электроннооптически, электромеханически или любой комбинацией указанного выше для облучения грунта зоны, представляющей интерес.
В общем, и как дополнительный пример, лазерная компоновка низа бурильной колонны может содержать кожух, который может быть укомплектован переходными кожухами. Данные переходные кожухи могут быть встроенными, они могут быть отделяющимися, они могут быть съемно неподвижно соединенными, они могут быть вращающимися, или могут существовать любые комбинации одного или нескольких данных типов взаимосвязи между переходными кожухами. Лазерная компоновка низа бурильной колонны может соединяться с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубой или другим средством спускоподъема лазерной компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины. Дополнительно, она может соединяться с центраторами с жесткими лопастями, утяжеленными бурильными трубами, или другими типами забойных компоновок, которые, в свою очередь, соединяются с нижним концом гибкой насосно-компрессорной трубы, бурильной трубой или другим средством спускоподъема компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины. Лазерная компоновка низа бурильной колонны имеет связанное с ней средство передачи энергии большой мощности в стволе скважины.
Лазерная компоновка низа бурильной колонны может также иметь связанное с ней или находящееся в ней средство для регулируемой подачи буровых растворов. Данное средство может быть связано с некоторыми или всеми переходными кожухами. Дополнительно оборудовано механическое скребковое средство, например долото с поликристаллическими алмазными вставками, для удаления и/или направления материала в стволе скважины, хотя другие типы известных долот и/или механических бурильных головок также можно использовать в соединении с лазерным пучком. Данные скребки или долота могут механически взаимодействовать с поверхностью или частями ствола скважины для освобождения, удаления, соскребания или манипулирования таким материалом ствола скважины, как необходимо. Данные скребки могут иметь размер от меньше около 1 дюйма (25 мм) до около 20 дюймов (508 мм). При использовании лазерный пучок большой мощности, например больше 15 кВт, должен проходить по волокнам через оптику и затем наружу из нижнего конца лазерной компоновки низа бурильной колонны для облучения заданной части ствола скважины или структуры, содержащейся в нем, осуществляя дробление, плавление и/или испарение облучаемого материала, и таким образом, осуществлять проходку ствола скважины, или иначе способствовать удалению облучаемого материала.
M
8
2
2
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
8
2
На фиг.15A и 15B дано графическое представление примера взаимодействия лазерного пучка с поверхностью ствола скважины. Так, показан лазерный пучок 1500, площадь 1501 облучения пучком, т.e. пятно (при использовании в данном документе специально не оговорено иное, термин "пятно" является, без ограничения этим, кругом) на стенке или забое 1502 ствола скважины. Дополнительно на фиг.15B дано более подробное представление взаимодействия и соответствующая диаграмма 1510, относящая к определенным категориям напряжение, созданное в области облучения. Диаграмма 1510 дает напряжение по Мизесу в σ 10 Н/м, где поперечная штриховка и затенение соответствуют напряжению, создаваемому в облучаемой области для периода облучения 30 миллисекунд, при следующих условиях на забое скважины: давление 2000 фунт/дюйм (13800 кПа) и температура 150°F (66°С), с пучком, имеющим плотность энергии 2 кВт/см. При данных условиях прочность на сжатие базальта составляет около 2,6×10 Н/м и когезионная прочность составляет около 0,66×10 Н/м. Здесь показана первая область 1505 большого относительного напряжения, от около 4,722 до 5,211×10 Н/м, вторая область 1506 относительного напряжения, равного или превышающего напряжение сжатия базальта в условиях на забое скважины, от около 2,766 до 3,255×10 Н/м, третья область 1507 относительного напряжения около равного напряжению сжатия базальта в условиях на забое скважины, от около 2,276 до 2,766×10 Н/м, четвертая область 1508 относительно низкого напряжения, ниже напряжения сжатия базальта в условиях на забое скважины, но больше когезионной прочности, от около 2,276 до 2,766×10 Н/м, и пятая область 1509 относительного напряжения, равного или около когезионной прочности базальта в условиях на забое скважины, от около 0,320 до 0,899×10 Н/м.
Соответственно, можно получить профили взаимодействия пучка со стволом скважины для получения максимального значения напряжения в стволе скважин эффективным способом и, таким образом, увеличения скорости проходки ствола скважины. Так, например, если эллиптическое пятно вращается вокруг своей центральной точки для пучка, равномерного или гауссианского, профиль энергетического воздействия показан на фиг.16A и 16B. Где площадь ствола скважины от центральной точки пучка показана по осям x и y, 1601 и 1602, и значение энергетического воздействия показано на оси z, 1603. Здесь можно видеть, что энергетическое воздействие на поверхность ствола скважины неэффективно, внешние секции 1605 и 1606 поверхности ствола скважины являются ограничивающим фактором для скорости проходки.
Таким образом, необходимо модифицировать профиль энергетического воздействия пучка для получения по существу ровного и равномерного профиля энергетического воздействия при вращении пучка. Пример такого предпочтительного профиля энергетического воздействия пучка показан на фиг.17A и 17B, где на фиг.17A показан профиль энергетического воздействия без вращения, и на фиг.17B показан профиль энергетического воздействия, когда профиль пучка на фиг.17A повернут на один оборот, т.е. 360 градусов на плоскости с осями x и y, 1701 и 1702, и энергией по оси z, 1703. Данное распределение энергетического воздействия должно считаться, по существу, равномерным.
Для получения данного предпочтительного профиля энергии пучка приведены примеры оптических блоков, которые можно использовать с лазерной компоновкой низа бурильной колонны. Такой пример показан на фиг.18A-18D, с осями x и y, 1801 и 1802, и осью z, 1803, при этом создан лазерный пучок 1805 с множеством лучей 1807. Лазерный пучок 1805 входит в оптический блок 1820, имеющий кульминационную линзу 1809 с входной кривизной 1811 и выходной кривизной 1813. Дополнительно оборудована аксиконическая линза 1815 и окно 1817. Оптический блок Примера 1 должен создавать необходимый профиль интенсивности пучка от входящего пучка, имеющего по существу гауссианское или сверхгауссианское распределение для применения пятна пучка на поверхности 1830 ствола скважины.
Дополнительный пример показан на фиг.19 и имеет оптический блок 1920 для создания необходимого профиля интенсивности пучка фиг.17A и энергетического воздействия фиг.17B на поверхности ствола скважины от лазерного пучка, имеющего однородное распределение. Так, в данном примере создан лазерный пучок 1905, имеющий однородный профиль и лучи 1907, входящие в сферическую линзу 1913, которая коллимирует выход лазера из забойного конца волокна, пучок затем выходит из линзы 1913 и входит в тороидную линзу 1915, имеющую мощность на оси x для образования малой оси эллиптического пучка. Пучок затем выходит из линзы 1915 и входит в пару асферических тороидных линз 1917, которая имеет мощность на оси y для преобразования профилей интенсивности по оси y для образования плоскости диафрагмы на плоскости изображения. Пучок затем выходит из линзы 1917 и входит в плоское окно 1919, которое защищает оптику снаружи от окружающей среды.
В дополнительном примере, показанном на фиг.20, дополнительно создан оптический блок для создания заданных профилей энергии пучка. Так, создан лазерный пучок 205, имеющий лучи 207, который входит в коллимирующую линзу 209, создающую форму пятна, линзу 211, предпочтительно эллипс, и микрооптическую решетку 213. Микрооптическая решетка 213 может быть микропризменной решеткой или микролинзовой решеткой. Дополнительно, микрооптическую решетку можно специально разработать для создания заданного профиля энергетического воздействия, такого как профиль на фиг.17.
В дополнительном примере, показанном на фиг.21, создан оптический блок для создания заданного рисунка пучка. Так, создан лазерный пучок 2105, выходящий из забойного конца волокна 2140, имеющий лучи 2107, входящие в коллимирующую линзу 2109, дифракционную оптику 2111, которая может являться микрооптикой или корректирующей оптикой на микрооптике, создающей рисунок 2120, который может, но не обязательно, проходить через линзу 2113 повторного изображения, создающую рисунок 2121.
Дополнительно созданы рисунки пятен падения для облучения поверхности ствола скважины множеством пятен рисунком с множеством направлений вращения. Соответственно на фиг.22 создана первая пара пятен 2203, 2205, облучающих поверхность 2201 забоя ствола скважины. Первая пара пятен вращается вокруг первой оси вращения 2202 в направлении вращения, показанном стрелкой 2204 (противоположное направление вращения также предполагается в данном документе). Создана вторая пара пятен 2207, 2209, облучающих поверхность 2201 забоя ствола скважины. Вторая пара пятен падения вращается вокруг оси 2206 в направлении вращения, показанном стрелкой 2208 (противоположное направление вращения также предполагается в данном документе). Расстояние между пятнами в каждой паре пятен может быть одинаковым или разным. Первая и вторая оси вращения одновременно вращаются вокруг центра 2211 ствола скважины в направлении вращения, показанном стрелками 2212, предпочтительно, противоположном направлению 2208, 2204 вращения. Таким образом, предпочтительно, но не обязательно, если направление 2208 и 2204 вращения по часовой стрелке, направление 2212 вращения должно быть против часовой стрелки. Данный рисунок пятен падения обеспечивает, по существу, однородное энергетическое воздействие.
На фиг. 23 показан эллиптический рисунок пятна падения общего типа, рассмотренного в приведенных выше примерах, с центром 2301, большой осью 2302, малой осью 2303 и вращающегося вокруг центра. Так, большая ось пятна должна, в общем, соответствовать диаметру ствола скважины в диапазоне любых известных или предполагаемых диаметров, таких как около 30 (762 мм), 20 (508 мм), 17-1/2 (445 мм), 13-3/8 (340 мм), 12-1/4 (310 мм), 9-5/8 (245 мм), 8-1/2 (216 мм), 7 (180 мм) и 6-1/4 (158 мм) дюймов.
Дополнительно на фиг.24 показано пятно 2401 прямоугольной формы, которое должно вращаться вокруг центра ствола скважины. На фиг.25 показан рисунок 2501 с множеством индивидуальных пятен 2502 падения с возможностью вращения, сканирования или перемещения относительно ствола скважины для создания необходимого профиля энергетического воздействия. На фиг.26 дополнительно показано прямоугольное пятно 2601 падения, перемещающееся способом растрового сканирования по забою ствола скважины, дополнительно круглые, квадратные или другие пятна падения можно сканировать.
Согласно одному или нескольким аспектам, один или несколько дальних концов волокон волоконной оптики можно расположить с некоторым рисунком. Мультиплексированная форма пучка может представлять собой крест, косой крест, визир, прямоугольник, шестиугольник, линии решетки или связанную с ними форму, где линии, квадраты и цилиндры соединяются или разнесены на разные расстояния.
Согласно одному или нескольким аспектам, одно или несколько из следующего: рефракционные линзы, дифракционные элементы, пропускающие решетки и/или рефлективные линзы можно добавлять для фокусирования, сканирования и/или изменения рисунка пятен пучка, из пятен пучка, эмитируемого из оптики волоконной, устанавливаемой в схеме. Одно или несколько из следующего: рефракционные линзы, дифракционные элементы, пропускающие решетки и/или рефлективные линзы можно добавлять для фокусирования, сканирования и/или изменения одной или нескольких форм непрерывного пучка от света, эмитируемого из оптики формирования пучка. Коллиматор может быть установлен после линз придания формы пятну пучка в пересекающей оптический путь плоскости. Коллиматор может являться асферической линзой, системой сферических линз, составленной из выпуклых линз, толстых выпуклых линз, с отрицательным мениском и двояковыпуклых линз, градиентных рефракционных линз с асферическим профилем и двухлинзовых ахроматов. Коллиматор может быть выполнен из следующих материалов: плавленый кварц, ZnSe, SF стекло или связанных с ними материалов. Коллиматор может иметь покрытие для уменьшения или улучшения отражающей способности или передачи. Оптические элементы можно охлаждать промывкой жидкостью или продувкой газом.
В техническом плане понятно, что термины "линза" и "оптические элементы" используются в данном документе в самом широком смысле и, следовательно, могут также относиться к оптическим элементам с силовым приводом, таким как рефлективные, пропускающие или рефракционные элементы.
В некоторых аспектах, рефракционные положительные линзы могут являться микролинзами. Микролинзой можно управлять по направлению в плоскости распространения света для увеличения/уменьшения фокусного расстояния, а также в плоскости, перпендикулярной плоскости распространения света для передачи пучка. Микролинзы могут принимать падающий свет для фокусировки в многочисленные фокусы от одного или нескольких оптических волокон, пар жгутов оптического волокна, волоконных лазеров, диодных лазеров; и принимать и передавать свет от одного или нескольких коллиматоров, положительных рефракционных линз, отрицательных рефракционных линз, одного или нескольких зеркал, дифракционных и рефлективных оптических расширителей пучка и призм.
В некоторых аспектах делитель пучка дифракционного оптического элемента можно использовать в соединении с рефракционной линзой. Делитель пучка дифракционного оптического элемента может образовать двойные пятна пучка или рисунок пятен пучка, содержащий формы и схемы, предложенные выше.
Кроме того, создана система и способ создания ствола скважины в грунте, где система и способ используют средство для создания лазерного пучка на поверхности забоя с заданным профилем энергетического воздействия, включающего в себя три лазерных пучка, подаваемых из компоновки низа бурильной колонны, облучающих поверхность забоя ствола скважины с заданным профилем энергетического воздействия, облучающих поверхность забоя с любым следующим профилем или комбинацией: заданный профиль энергетического воздействия, смещенный к внешней области поверхности ствола скважины, заданный профиль энергетического воздействия, смещенный к внутренней области поверхности ствола скважины, заданный профиль энергетического воздействия, содержащий, по меньшей мере, две концентрические области с разными профилями энергетического воздействия, заданный профиль энергетического воздействия, с созданием рисунка рассеянных пятен падения лазерного пучка, заданный профиль энергетического воздействия, основанный на механических напряжениях, прикладываемых механическим средством удаления, заданный профиль энергетического воздействия, имеющий, по меньшей мере, две площади, отличающиеся энергией, и энергией на площадях, обратно пропорциональной механическим силам, приложенным механическим средством.
Еще дополнительно создан способ проходки ствола скважины, использующий лазер, способ, содержащий спуск средств передачи лазерного пучка большой мощности в ствол скважины, ствол скважины, имеющий поверхность забоя, отверстие на устье и расстояние между поверхностью забоя и отверстием на устье, по меньшей мере, около 1000 фут (305 м), средство передачи, содержащее дальний конец, ближний конец, расположенные на расстоянии между дальним и ближним концами, дальний конец, спускаемый в ствол скважины; средство передачи, содержащее средство передачи энергии лазера большой мощности; подачу лазерного пучка большой мощности на ближний конец средства передачи; передачу, по существу, всей мощности лазерного пучка по длине средства передачи так, что луч выходит из дальнего конца; передачу лазерного пучка из дальнего конца в оптический блок в лазерной компоновке низа бурильной колонны, направляющей лазерный пучок на поверхность забоя ствола скважины; и создание заданного профиля энергетического воздействия на забой ствола скважины, при котором увеличивается длина ствола скважины, в части, на основе взаимодействия лазерного пучка с забоем ствола скважины.
Кроме того, создан способ проходки ствола скважины с использованием лазера, в котором лазерный пучок направляют на поверхность забоя ствола скважины, по существу, с однородным профилем энергетического воздействия и при этом длина ствола скважины увеличивается, в частности, на основе взаимодействия лазерного пучка с забоем ствола скважины.
Согласно одному или нескольким аспектам, изобретен способ лазерного бурения, использующий оптический рисунок для выкрашивания пластов горной породы. Способ может содержать облучение горной породы для дробления, плавления или испарения с одним или несколькими пятнами пучка генерации лазерного излучения, рисунками пятен пучков и формами пучков, расположенных на расстояниях без перекрывания и со схемами синхронизации, создающими перекрывающие термические разрывы горной породы, обуславливающие выкрашивание фрагментов горной породы. Одно или многочисленные пятна пучка и рисунки и формы пучка можно образовывать рефракционной и рефлективной оптикой или волоконной оптикой. Оптический рисунок, схемы синхронизации и пространственное расстояние между неперекрывающимися пятнами пучка и формы пучков можно регулировать по термической абсорбции типа горной породы для конкретной длины волны, времени релаксации для установки оптического устройства и возникновению помех от удаления горной породы.
2
2
В некоторых аспектах мощность пятна пучка генерации лазерного излучения либо не уменьшается, или уменьшается умеренно, или полностью во время релаксации при перестановке пятна пучка на поверхности горной породы. Для выкрашивания пластов горной породы двумя пятнами пучка генерации лазерного излучения можно сканировать поверхность горной породы с их разделением фиксированной установкой на не менее 2 дюйма (51мм) и без перекрывания в некоторых аспектах. Каждое из двух пятен пучка может иметь площадь пятна пучка в диапазоне между 0,1 см и 25 см. Промежутки времени релаксации при перемещении двух пятен пучка генерации лазерного излучения на следующее место лазерного излучения на поверхность горной породы может находиться в диапазоне между 0,05 мс и 2 с. При перемещении двух пятен пучка лазерного излучения на следующую позицию, их мощность может либо не уменьшаться, уменьшаться умеренно или полностью за время релаксации.
2
2
Согласно одному или нескольким аспектам, рисунок пятна пучка может содержать три или больше пятен пучка в рисунке решетки, прямоугольный рисунок решетки, шестиугольный рисунок решетки, линии в рисунке решетки, круглый рисунок, треугольный рисунок решетки, крестообразный рисунок решетки, звездообразный рисунок решетки, поворотный рисунок решетки, визирный рисунок решетки или связанный с ними рисунок геометрической формы. В некоторых аспектах каждое пятно генерации пучка лазерного излучения в рисунке пятен пучка имеет площадь в диапазоне 0,1 см и 25 см. Для выкрашивания пласта горной породы все соседние пятна пучка генерации лазерного излучения для каждого пятна пучка генерации лазерного излучения в рисунке пятен пучка могут быть меньше фиксированной позиции в 2 дюйма (25 мм) и неперекрывающимися в одном или нескольких аспектах.
В некоторых аспектах можно использовать несколько рисунков пятен пучка для выкрашивания поверхности горной породы. Промежутки времени релаксации при установке одного или нескольких рисунков пятна пучка на следующее место действия пучка лазерного излучения могут находиться в диапазоне между 0,05 мс и 2 с. Мощность одного или нескольких рисунков пятен пучка может либо не уменьшаться, или уменьшаться умеренно, или полностью за время релаксации. Форма пучка может являться непрерывным оптическим пятном пучка, образующим геометрическую форму, состоящую из, крестообразной формы, шестиугольной формы, спиральной формы, круглой формы, треугольной формы, звездообразной формы, линейной формы, прямоугольной формы или связанной с ними непрерывной формы пятна пучка.
В некоторых аспектах установку на одной линии либо линейно или нелинейно на одной или нескольких линиях, либо линейно или нелинейно на фиксированном расстоянии меньше 2 дюймов (51 мм) и без перекрывания можно использовать для выкрашивания пласта горной породы. Генерацию лазерного излучения на поверхность горной породы с двумя или больше формами пучков можно использовать для выкрашивания пласта горной породы. Промежутки времени релаксации при перемещении одного или нескольких форм пятен пучка на место следующего приложения генерации лазерного излучения могут находиться в диапазоне между 0,05 мс и 2 с.
Согласно одному или нескольким аспектам, мощности одной или нескольких форм непрерывных пучков либо не уменьшаются, или уменьшаются умеренно, или полностью во время релаксации. Поверхность горной породы можно облучать одним или несколькими рисунками пятен пучка генерации лазерного излучения вместе с одним или несколькими формами пятен пучка, или одним или двумя пятнами пучка с одним или несколькими рисунками пятен пучка. В некоторых аспектах максимальный диаметр и окружность одной или нескольких форм пучка и рисунка пятен пучка соответствуют размеру выкрашивания ствола скважины при бурении пласта горной породы до заканчивания скважины.
Согласно одному или нескольким аспектам, разрывы горной породы можно создавать для обеспечения выкрашивания сегментов горной породы для эффективного бурения ствола скважины. В некоторых аспектах пятна пучка, формы и рисунки можно использовать для создания разрывов горной породы для обеспечения выкрашивания многочисленных сегментов горной породы. Разрыву горной породы можно придавать стратегический рисунок. По меньшей мере, в некоторых аспектах бурение пластов горной породы может содержать применение одного или нескольких неперекрывающихся пятен пучка, форм или рисунков для создания разрывов горной породы. Выбор одного или нескольких пятен пучка, форм и рисунков может, в общем, основываться на заданном варианте применения или необходимых параметрах работы. Средняя мощность, удельная мощность, схема синхронизации, размер пятна излучения, время облучения, связанная с ними удельная энергия и элементы оптического генератора можно учитывать при выборе одного или нескольких пятен пучка, формы или рисунка. Материал, подлежащий бурению, такой как тип пласта горной породы, может также влиять на выбор одного или нескольких пятен пучка, формы или рисунка, выбираемых для выкрашивания пластов горной породы. Например, сланец должен абсорбировать свет и преобразовывать в тепло с интенсивностью, отличающейся от песчаника.
Согласно одному или нескольким аспектам, для горной породы можно использовать схему с одним или несколькими пятнами пучка. По меньшей мере, в одном варианте осуществления пятен пучка можно рассматривать использование перемещения одного или нескольких пятен пучка, последовательно перемещающихся с одного места на следующее место генерации лазерного облучения поверхности горной породы в схеме синхронизации. Пятна пучка можно разносить на нужные расстояния. В некоторых неограничивающих аспектах фиксированная позиция между одним пятном пучка и соседними пятнами пучка может являться не перекрывающейся. По меньшей мере, в одном неограничивающем варианте осуществления расстояние между соседними пятнами пучка может быть меньше 2 дюймов (51 мм).
Согласно одному или нескольким аспектам, для горной породы можно применять рисунок с одной или несколькими формами пучков. В некоторых аспектах формы пучков могут являться непрерывными оптическими формами, образующими один или несколько геометрических рисунков. Рисунок может содержать геометрические формы линии, креста, визира, вертлюга, звезды, прямоугольника, шестиугольника, окружности, эллипса, волнистой линии или любой другой нужной формы или рисунка. Элементы формы пучка могут быть разнесены на любое нужное расстояние. В некоторых неограничивающих аспектах фиксированное положение между каждой линией, линейной или нелинейной и соседними линиями, линейными или нелинейными находятся в фиксированном положении, может быть меньше 2 дюймов (51 мм) и не иметь перекрывания.
Согласно одному или нескольким аспектам, для горной породы задают рисунок пучка. Рисунки пучка могут содержать решетку или сетку пятен пучка, которая может содержать геометрические рисунки линии, креста, визира, вертлюга, звезды, прямоугольника, шестиугольника, окружности, эллипса, волнистой линии. Пятна пучка в рисунке пучка могут быть разнесены на любое нужное расстояние. В некоторых неограничивающих аспектах фиксированное положение между каждым пятном пучка и соседними пятнами пучка в рисунке пятен пучка может быть меньше 2 дюймов (51 мм) и не иметь перекрывания.
2
2
2
2
Согласно одному или нескольким аспектам, пятном пучка можно сканировать любую нужную площадь. Например, в некоторых неограничивающих аспектах площадь может находиться в диапазоне между около 0,1 см и около 25 см. Линия пучка, либо линейная или нелинейная, может иметь любой нужный специфический диаметр и любое специфическое и заданное распределение мощности. Например, специфический диаметр некоторых неограничивающих аспектов может находиться в диапазоне между около 0,05 см и около 25 см. В некоторых неограничивающих аспектах максимум длины линии, либо линейной или нелинейной, может, в общем, быть равен диаметру ствола скважины, подлежащей бурению. Любую нужную длину волны можно использовать. В некоторых аспектах, например, длина волны одного или нескольких пятен пучка, формы или рисунка может находиться в диапазоне от 800 нм до 2000 нм. Комбинации одного или нескольких пятен пучка, форм и рисунков также можно реализовать.
Согласно одному или нескольким аспектам, схемы синхронизации и место для выкрашивания горной породы можно изменять на основании известных скоростей выкрашивания горной породы и/или систем удаления горной породы. В одном варианте осуществления промежутки времени релаксации сканирования при установке одного или нескольких рисунков пятен пучка в следующее место генерации лазерного излучения могут находиться в диапазоне между 0,05 мс и 2 с. В другом варианте осуществления, камера, использующая волоконную оптику или методики спектроскопии, может давать изображение высоты горной породы для определения пиковых областей горной породы, подлежащей выкрашиванию. Схему синхронизации можно калибровать для последующего выкрашивания самых высоких пиков поверхности горной породы до самых низких или пиков над определенной высотой с использованием обработки сигналов, распознавания программным обеспечением и цифрового управления системой оптических линз. В другом варианте осуществления, схему синхронизации может задавать система удаления горной породы. Например, если текучая среда перемещается с левой стороны пласта горной породы на правую сторону для очистки оптической головки и подъема шлама, синхронизация должна предусматривать выкрашивание горной породы слева направо для предотвращения создания помех от удаления горной породы одному или нескольким пятнам пучка, форме или рисунку лазерного облучения пласта горной породы или наоборот. Для другого примера, если горные породы чистят струйными соплами, газом или жидкостью, горная порода на центре должна выкрашиваться первой и выкрашивание горной породы должно идти от центра. В некоторых аспектах, скорость удаления горной породы должна определять промежутки времени релаксации.
Согласно одному или нескольким аспектам, на поверхность горной породы могут воздействовать газ или текучие среды, используемые очистки головки и подъема шлама на забое скважины. В одном варианте осуществления, тепло от оптических элементов и потери от волоконно-оптического устройства на забое скважины или диодного лазера можно использовать для увеличения температуры ствола скважины. Так можно снизить требуемую температуру создания дробления, делающую более простым дробление горных пород. В другом варианте осуществления, жидкость может насыщать место выкрашивания, в данной ситуации жидкость должна превращаться в пар и быстро расширяться, данное быстрое расширение должно создавать тепловые удары, улучшающие рост разрывов в горной породе. В другом варианте осуществления, органические летучие компоненты, минералы или другие материалы в условиях быстрого и дифференцированного нагрева энергией лазерного излучения могут быстро расширяться, данное быстрое расширение должно создавать тепловые удары, улучшающие рост разрывов в горной породе. В другом варианте осуществления, текучие среды с более высоким коэффициентом преломления можно разместить между двумя потоками жидкости с более низким коэффициентом преломления. Текучие среды, используемые для очистки горной породы, могут действовать как длина волны для направления света. Газ можно использовать с конкретным коэффициентом преломления, более низким, чем у текучей среды или другого газа.
2
2
Тепловые удары могут находиться в диапазоне от мощности генерации лазерного излучения между одним и другим пятном пучка, формы или рисунка. В некоторых, неограничивающих аспектах, тепловые удары могут достигать 10 кВт/см удельной мощности генерации непрерывного лазерного излучения. В некоторых неограничивающих аспектах, тепловые удары могут достигать 10 МВт/см удельной мощности генерации импульсного лазерного излучения, например, при 10 наносекундах на импульс. В некоторых аспектах, два или больше пятен пучка, форм и рисунков могут иметь разные уровни мощности теплового удара в горной породе. Таким образом, температурный градиент может быть образован генерацией лазерного излучения на поверхности горной породы.
Для дополнительной демонстрации идей настоящего изобретения приведены примеры оптических головок, т.e. оптических блоков, и рисунков пятен падения пучка, т.e. рисунков облучения, которые можно использовать как ее часть, или создавать лазерной компоновкой низа бурильной колонны. На Фиг.27 показано выкрашивание пласта горной породы с использованием рисунка пучка генерации лазерного излучения. Пучок 2701 света формы пучка генерации лазерного излучения, формирующей шахматную клетку линий 2702, облучает поверхность 2703 горной породы 2704. Расстояние между пятнами пучка делает их неперекрывающимися, поскольку напряжение и тепловая абсорбция обуславливают перекрывание естественных разрывов горной породы, создавая выкрашивание сегментов горной породы. Данные сегменты 2705 горной породы могут отслаиваться или отрываться взрывом от пласта горной породы.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.28 показано удаление сегментов горной породы перемещением потока 2801 жидкости или газа при выкрашивании пласта 2802 горной породы. Сегменты горной породы выкрашиваются пучком с рисунком 1606 с неперекрывающимися пятнами по линиям 2803, 2804, 2805. Оптическая головка 2807, оптически связанная с оптоволоконным жгутом, оптической головкой 2807, имеющей систему оптического элемента, облучает поверхность 2808 горной породы. Перемещающийся слева направо поток 2801 газа или жидкости поднимает фрагменты 2809 горной породы, выкрошенные тепловыми ударами на поверхность.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.29 показано удаление сегментов горной породы потоком жидкости или газа, направляемым от оптической головки при выкрашивании пласта 2901 горной породы. Сегменты горной породы выкрашиваются пучком с рисунком 2902 из неперекрывающихся пятен формы пучка на линиях 2903, 2904, 2905. Оптическая головка 2907 с системой оптического элемента облучает поверхность 2908 горной породы. Сегмент 2909 обломков горной породы перемещается от сопла 2915, подающего газ или жидкость 2911, от пласта горной породы и удаляется. Оптическая головка 2907 показана прикрепленной к вращающему двигателю 2920 и оптоволоконным кабелям 2924 разнесенной схемы. Оптическая головка также имеет рельсы 2928 для перемещения по оси z, если необходимо для фокусирования. Оптические рефракционные и рефлективные оптические элементы образуют путь пучка.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.30 показаны оптические зеркала, осуществляющие сканирование пятном или формой пучка лазерного излучения для выкрашивания пластов горной породы в плоскости XY. Показаны, относительно корпуса 3023 в стволе скважины, первый двигатель 3001 вращения, множество оптоволоконных кабелей в форме 3003, карданный подвес 3005, второй двигатель 3007 вращения и третий двигатель 3010 вращения. Второй двигатель 3007 вращения имеет шаговый электродвигатель 3011 и зеркало 3015, связанное с ним. Третий двигатель 3010 вращения имеет шаговый электродвигатель 3013 и зеркало 3017, связанное с ним. Оптические элементы 3019 оптически связаны с оптическими волокнами 3003 и способны подавать лазерный пучок по оптическому пути 3021. При вращении карданного подвеса вокруг оси z переставляются зеркала в плоскости XY. Зеркала прикреплены к шаговому электродвигателю для вращения шаговых электродвигателей и зеркал в плоскости XY. В данном варианте осуществления волоконная оптика разнесена в схеме, образующей три пятна пучков, которыми манипулируют оптические элементы, осуществляющие сканирование пластов горной породы на расстоянии друг от друга и без перекрывания для осуществления выкрашивания горной породы. Можно использовать другие схемы волоконной оптики, формы или диодный лазер.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.31 показано использование линзы, расщепляющей пучок для образования многочисленных фокусов пучков для выкрашивания пласта горной породы. Здесь показаны волокна 3101 в схеме, рельс 3105, обеспечивающий перемещение в направлении оси z, показанное стрелкой 3103, волоконный соединитель 3107, оптическая головка 3109, имеющая расширитель 3119 пучка, содержащий DOE/ROE 3115, положительная линза 3117, коллиматор 3113, расширитель 3111 пучка. Данная компоновка способна подавать один или несколько лазерных пучков, как пятен 3131 в рисунке, вдоль оптических путей 3129 на пласт 3123 горной породы, имеющий поверхность 3125. Волоконная оптика разнесена на расстояние в схеме. Система оптического элемента, состоящая из расширителя пучка и коллиматора, питает дифракционный оптический элемент, прикрепленный к положительной линзе для фокусирования многочисленных пятен пучка с многочисленными фокусами. Расстояние между пятнами пучка не дает перекрывания и должно обуславливать выкрашивание. На данной Фигуре рельсы перемещаются вдоль оси z для фокусирования оптического пути. Волокна соединяются соединителем. Также оптический элемент может быть прикреплен к каждому элементу волоконной оптики, как показано на Фигуре, нескольким элементам волоконной оптики.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.32 показано использование линз придания формы пятну пучка для образования формы для выкрашивания пластов горной породы. Создана решетка оптических волокон 3201, оптическая головка 3209. Оптическая головка имеет рельс 3203 для осуществления перемещения в направлении оси z, показанного стрелкой 3205, волоконное соединительное устройство 3207, оптический блок 3201 для придания формы лазерному пучку, передаваемого волокнами 3201. Оптическая головка, способная передавать лазерный пучок по оптическому пути 3213 для облучения поверхности 3219 с рисунком 3221 пятен падения лазерного пучка, имеет отдельные, но пересекающиеся линии в структуре по типу решетки. Элементы волоконной оптики расположены на расстоянии друг от друга в схеме, соединенной соединителем. Волоконная оптика эмитирует пятно пучка в линзу придания формы пятну пучка, прикрепленную к волоконной оптике. Линза придания формы пятну пучка образует линию, на данной Фигуре с перекрывающим пятном для образования рисунка лазерного пучка по типу крестиков-ноликов на поверхности горной породы. Тросы жгутов оптического волокна прикреплены к рельсам для перемещения вдоль оси z для фокусирования пятен пучка.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.33 показано использование F-тета объектива для фокусирования рисунка лазерного пучка на пласте горной породы, обуславливающего выкрашивание. Создана оптическая головка 3301, первый двигатель 3303 вращения, множество оптических волокон 3305, соединитель 3307, устанавливающий волокна в заданной схеме 3309. Лазерный пучок выходит из волокон и проходит вдоль оптического пути 3311 через F-тета оптику 3315 и облучает поверхность 3313 горной породы с рисунком 3310 пятен падения. Дополнительно показаны рельсы 3317 для создания перемещения в направлении вдоль оси z. Волоконная оптика, соединенная соединителем в схему, вращается вокруг оси z карданным подвесом, прикрепленным к корпусу оптической головки. Путь пучка затем перефокусирует F-тета объектив на пласт горной породы. Пятна пучка расположены на расстоянии друг от друга и не перекрываются для создания выкрашивания горной породы в пласте горной породы. Рельс прикреплен к оптическому волокну и F-тета объективу, перемещающимся вдоль оси z для фокусирования размера пятна излучения.
Понятно, что рельсы в данных примерах для обеспечения перемещения вдоль оси z даны как иллюстрация и что перемещения в направлении оси z, т.e. перемещения к забою ствола скважины или от него, можно получить с помощью другого средства, например, наматывая или сматывая барабан или поднимая и спуская бурильную колонну, использующегося для спускоподъема лазерной компоновки низа бурильной колонны в стволе скважины.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.34 показано механическое управление волоконной оптикой, прикрепленной к оптическому устройству формирования пучка, обуславливающему выкрашивание горной породы. Созданы жгут 3401 из множества волокон, первый двигатель 3405 для создания вращения, силовой кабель 3403, оптическая головка 3406 и рельсы 3407. Дополнительно создан второй двигатель 3409, волоконный соединитель 3413 и линза 3421 для каждого волокна для формирования пучка. Лазерные пучки выходят из волокон и проходят по оптическим путям 3415 и облучают поверхность 3419 горной породы в множестве пятен падения рисунка 3417 по индивидуальным линиям. Волоконная оптика соединена соединителем в схему и прикреплена карданным подвесом к двигателю вращения вокруг оси z. Рельсы прикреплены к двигателю, перемещающемуся по оси z. Рельсы структурно прикреплены к корпусу оптической головки и опорной балке. Силовой кабель осуществляет электропитание двигателя. На данной Фигуре волоконная оптика эмитирует пятно пучка в линзу придания формы пятну пучка, создающую три неперекрывающиеся линии к пласту горной породы для создания выкрашивания горной породы.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.35 показано использование множества элементов волоконной оптики для создания линии формы пучка. Создан оптический блок 3511, имеющий источник 3501 энергии лазерного излучения, силовой кабель 3503, первый двигатель 3505 вращения, установленный как карданный подвес, второй двигатель 3507 и рельсы 3517 для перемещения в направлении оси z. Также создано множество волоконных жгутов 3521, с каждым жгутом, содержащим множество индивидуальных волокон 3523. Жгуты 3521 удерживаются в заданном положении соединителем 3525. Каждый жгут 3521 оптически связан с оптикой 3509 формирования пучка. Лазерные пучки выходят из оптики 3509 формирования пучка и проходят по оптическому пути 3515 для облучения поверхности 3519. Двигатели 3507, 3505 обеспечивают перемещение множества пятен пучка в множество заданных и нужных рисунков на поверхности 3519, которая может являться поверхностью ствола скважины, такой как поверхность забоя, боковая поверхность или поверхность обсадной колонны в стволе скважины. Множество элементов волоконной оптики соединены соединителями в схему и прикреплены к вращающемуся вокруг оси z карданному подвесу двигателя. Рельсы прикреплены к двигателю для перемещения вдоль оси z. Рельсы структурно прикреплены к корпусу оптической головки и опорной балке. Силовой кабель осуществляет электропитание двигателя. На данной Фигуре множество элементов волоконной оптики эмитирует пятно пучка в линзу придания формы пятну пучка, создающую три неперекрывающиеся линии на пласте горной породы. Формы пучков создают выкрашивание горной породы.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.36 показано использование множества элементов волоконной оптики для формирования фокусов многочисленных пятен пучка, вращающихся на оси. Создан генератор 3601 лазерного излучения, первый двигатель 3603, установленный на карданном подвесе, второй двигатель 3605 и средство 3607 для перемещения в направлении оси z. Дополнительно создано множество волоконных жгутов 3613 и соединитель 3609 для установки множества жгутов 3613, лазерный пучок выходит из волокон и облучает поверхность с рисунком расходящихся и скрещивающихся пятен падения лазерного пучка. Элементы волоконной оптики соединены соединительными устройствами под углом с вращением двигателем, прикрепленным к карданному подвесу, прикрепленному ко второму двигателю, перемещающемуся вдоль оси z на рельсах. Двигатели получают питание от силового кабеля. Рельсы прикреплены к корпусу оптической головки и опорной балке. На данной Фигуре коллиматор отправляет пятно пучка, приходящего из множества оптических волокон, в устройство расщепления пучка. Устройство расщепления пучка является дифракционным оптическим элементом, прикрепленным к положительной рефракционной линзе. Устройство расщепления пучка образует многочисленные фокусы пятен пучка на пласте горной породы на расстояниях без перекрывания для выкрашивания пластов горной породы. Фокусы переустанавливаются по оси z с перемещением по рельсам.
Для дополнительной демонстрации идеи изобретения на фиг.11 показано сканирование поверхности горной породы формой пучка и системой сканирования в плоскости XY. Создан оптический путь 1101 для лазерного пучка, сканнер 1103, дифракционная оптика 1105 и коллиматорная оптика 1107. Оптическое волокно эмитирует пятно пучка, расширенное в блоке расширения пучка и фокусируемое коллиматором, в рефракционный оптический элемент. Рефракционный оптический элемент установлен перед сканнером, работающим на плоскости XY для образования рисунка пятен пучка или формы. Сканнер, работающий на плоскости XY, состоящий из двух зеркал, управляемых зеркальными гальванометрами 1109, облучает поверхность 1113 горной породы для создания выкрашивания.
Из приведенного выше описания специалист в данной области техники может легко выявить существенные отличия данного изобретения и без отхода от его объема и сущности может выполнять различные изменения и/или модификации изобретения для его приспособления к различным вариантам использования и условиям.