從激光擴展的孔段中清除鉆屑的裝置和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于清除使用激光擴展孔壁而產(chǎn)生的鉆屑的裝置和系統(tǒng)，該裝置和系統(tǒng)包括連接至控制管的主體(50)和環(huán)繞穿過主體的鉆屑清除通路(67)的入口排布的多個冷卻劑注入口(68)。該控制管用于將主體定位在要被擴展的孔段的鄰近的孔壁處，激光從該裝置發(fā)出并且熔融要被擴展的孔段中的地質(zhì)材料的至少一個組分并且產(chǎn)生熔融地質(zhì)材料小球。氣體(78)被注入孔段從而將至少一些熔融材料(81)打碎和掃出激光路徑并進入到鉆屑清除通路，隨著熔融材料小球的殘余物在鉆屑清除通路中加速，在通道內(nèi)部的冷卻劑注入流(71)攔截這些熔融材料小球的殘余物。
【專利說明】從激光擴展的孔段中清除鉆屑的裝置和系統(tǒng)
相關(guān)申請的聲明
[0001]本申請要求于2011年7月15日提交的匈牙利申請Pl 100383的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及用于回收存在于地下地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)的流體的土孔鉆井。更具體地，本發(fā)明涉及利用激光鉆孔工藝從擴展到地質(zhì)構(gòu)造中的孔段中清除鉆屑。
【背景技術(shù)】
[0003]鉆孔系統(tǒng)鉆入地殼以穿透承載流體(諸如水、油或氣體)的地下地質(zhì)構(gòu)造，從而促使地質(zhì)流體產(chǎn)品流到地表。孔系統(tǒng)可以包括由孔壁圍繞的單個孔，或可選地，孔系統(tǒng)可以包括初級孔，其具有一個或多個由孔壁圍繞的沿著初級孔的相交橫向孔。
[0004]孔系統(tǒng)可以通過利用傳統(tǒng)的在地表的機械鉆機來轉(zhuǎn)動從鉆機延伸的鉆柱的前端的鉆頭而鉆入地殼中。一些鉆機轉(zhuǎn)動整個鉆柱，該鉆柱可以包括鉆管的多個段或臺，該鉆管的多個段或臺螺紋連接以形成細長的鉆柱。隨著鉆柱延伸深入地殼，鉆柱可以通過增加段的數(shù)量來補足?；蛘撸S著鉆柱從地殼撤出，鉆柱可以通過移除段的數(shù)量來拆除。鉆柱和鉆頭在鉆桿前端處旋轉(zhuǎn)，同時促進鉆頭抵住要被擴展的初級孔或橫向孔段的端部從而打碎與鉆頭接合的巖石。
[0005]可選地，鉆桿可以包括靠近前端的泥漿馬達，并可以由穿過鉆桿的中心的流體提供液壓動力以旋轉(zhuǎn)耦合至泥漿馬達的鉆頭，從而打碎與鉆頭接合的巖石。利用泥漿馬達或傳統(tǒng)的鉆桿，通過使工作流體循環(huán)穿過位于鉆柱和孔壁之間的環(huán)形并流下鉆柱且流回地表，鉆屑可從要被擴展的孔段中移除。
[0006]用于擴展孔系統(tǒng)的一部分的其它方法包括使用激光來加熱和熔融暴露于激光路徑的地質(zhì)構(gòu)造的至少一些組分，該激光路徑鄰近于連接至鉆桿前端的激光器鉆頭。激光鉆孔工藝可以包括通過將載體流體循環(huán)送入和送離利用鉆頭擴展的孔系統(tǒng)的部分，從而清除在鉆孔工藝中產(chǎn)生的鉆屑。鉆頭與擴展的孔壁的一部分之間的激光路徑通過利用鉆頭來照射。激光路徑必須首先清除阻擋激光的材料，以使得從鉆頭發(fā)出的激光可以撞擊到壁要被激光器照射的目標(biāo)部分。
[0007]用于擴展孔系統(tǒng)的一部分的另一其它系統(tǒng)和方法包括利用高壓噴射來在鄰近鉆柱前端處的流體噴嘴的流體路徑中以機械的方式打碎巖石。高壓噴射鉆孔可以包括通過將流體循環(huán)送入或送離被擴展的鉆孔系統(tǒng)的部分，從而移除在鉆孔過程中產(chǎn)生的鉆屑。為了獲得最佳的結(jié)果，位于噴射流體和被噴射的孔壁部分之間的噴射路徑應(yīng)盡可能短，從而在要被噴射的壁部分上施加最大的流體動能。
[0008]上述的每個過程都由于在孔段擴展時清除的地質(zhì)構(gòu)造材料而導(dǎo)致產(chǎn)生鉆屑。擴展孔段的傳統(tǒng)方法依賴于工作流體或鉆井流體的循環(huán)來從孔系統(tǒng)懸浮和清除巖石碎塊和碎片。在表面上，這些懸浮的巖石碎塊和碎片或鉆屑通過將鉆井液引入坑中而從工作流體中清除，在該坑中流體是靜止的或近乎靜止的，以允許相對較重的鉆屑從相對較輕的工作流體中通過密度的不同而被分離。諸如泥漿震動篩和屏的裝置也可以用于清除鉆屑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個實施例提供了用于清除使用激光擴展孔壁而產(chǎn)生的鉆屑的裝置和系統(tǒng)，其中熔融地質(zhì)材料的小球有利地被碎裂開，并且由氣流成形，然后在清除前凍結(jié)在原位。地質(zhì)材料的熔融小球的破碎和成形通過在熔融地質(zhì)材料的小球上施加氣動力獲得,這是由于它們從激光輻射孔壁的目標(biāo)部分被掃走。該破碎且成形的小球然后通過利用流體冷卻劑的屏蔽或屏障被凍住從而形成固體、成形的顆粒和鉆屑。該工藝提供了足夠小部分/尺寸的鉆屑，其具有能夠使顆粒和鉆屑在流體流內(nèi)部運送到表面的鉆屑接收器的形狀。
[0010]例如，但非限制地，由于粘彈性力，諸如像表面張力，熔融地質(zhì)材料的小球可以具有大致球形或大致橢圓形的形狀。由于射入激光路徑的氣流將小球從激光路徑掃至保持在低于射入氣流壓力的壓力的鉆屑清除通道，因此熔融地質(zhì)材料小球的形狀受到干擾。根據(jù)材料運送技術(shù)的原理，將很難通過使用氣流來將從孔壁掃出的小球從孔段運送出去，這是因為其表面面積對重量比通常很低，因而能夠抵抗懸浮和移動?？梢酝ㄟ^傳輸氣體至熔融地質(zhì)材料的小球或至地質(zhì)材料的凍結(jié)小塊來施加的力的大小被緊湊的致密結(jié)構(gòu)限制。結(jié)果，使用激光鉆孔工藝從要被擴展的孔段中清除鉆屑很難使用低密度氣流完成。
[0011]本發(fā)明提供了一種用于利用低密度氣流清除使用激光鉆孔工藝從地殼孔段產(chǎn)生的鉆屑的裝置和系統(tǒng)，其包括以下步驟:打碎和成形小球從而顯著增加小球表面面積對重量的比并且延長和/或使破碎部分變平從而進一步增加表面面積，并且通過然后將冷卻劑注入以凍結(jié)破碎的和成形的具有被改變的形狀的小球的殘余部分。由此而來的殘余部分一旦被凍結(jié)，將保持形狀并且具有有利的表面面積和重量比，以用于從孔段運送至移動的氣流內(nèi)的表面。
[0012]任何程度的熔融地質(zhì)材料的破裂、成形以及然后的凍結(jié)調(diào)節(jié)該材料以被有利地傳送至氣流表面，這至少部分取決于在其中孔段被擴展的地質(zhì)的化學(xué)組分，并且取決于當(dāng)經(jīng)受進入鉆頭內(nèi)的鉆屑清除通道的口的成形氣流時材料被破碎和形成變平的或細長的片(類似于薄層片晶或纖維)的傾向。如果地質(zhì)構(gòu)造是由具有高含量的響應(yīng)于由激光加熱熔化的材料構(gòu)成，該材料將有利地成形為小塊，其可以被凍住從而形成適用于在氣體移動流內(nèi)傳送的固體薄片或纖維，該氣體通過具有鉆屑清除通道的控制管從孔段提取。結(jié)果，本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的效率至少部分取決于要被擴展的孔段的地質(zhì)化學(xué)組分。例如，諸如沙巖的一些地質(zhì)構(gòu)造包括大量二氧化硅，其是使用本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置能熔融并且有利地從孔段中清除的材料。
[0013]不同于傳統(tǒng)的鉆孔工藝，激光鉆孔工藝對要被擴展的孔段中的材料更敏感。為了使用本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)，被擴展的緊靠的孔部必須被調(diào)節(jié)以使用激光驅(qū)動的鉆頭。鉆頭發(fā)射被導(dǎo)引穿過激光路徑的激光，照射到要被清除的孔壁的部分上從而擴展孔段。阻擋激光的材料，諸如鉆井泥漿以及在一些情況下的為移動入孔段中的高密度地質(zhì)流體，通過使用可擴展的環(huán)形密封件將孔段要被擴展的部分隔離并且通過然后從鉆頭注入諸如惰性或其它非活性氣體的激光傳導(dǎo)材料進入到被擴展的孔段部分中，從而將這些阻擋激光的材料從鉆頭和孔壁中間的激光路徑中移動出來。激光傳導(dǎo)材料將阻擋激光的材料從激光路徑中移出從而促進來自鉆頭的激光從鉆頭到孔壁的目標(biāo)部分的未衰減傳輸。[0014]構(gòu)成孔壁的地質(zhì)材料通過從鉆頭發(fā)射的激光的撞擊加熱，并且形成熔融地質(zhì)材料的小球并且然后通過連續(xù)的注入激光傳導(dǎo)材料或氣體而從孔壁掃出。取決于地質(zhì)的組分和在其中駐留的流體，地質(zhì)的一些組分可以在孔段中蒸發(fā)，但是大多數(shù)固體組分會燃燒或者熔融。
[0015]熔融地質(zhì)組分由注入的氣流從孔壁中掃出并且形成熔融材料小球。地質(zhì)的熔融組分形成具有與更小的液滴相比相當(dāng)大體積的小球。熔融地質(zhì)組分的物理流體態(tài)由于作用在每個小球的外部表面上的分子間的粘彈力不平衡而形成，結(jié)果，表面層容易收縮和展示類似延長的彈性膜的性能。這個涉及激光熔融地質(zhì)組分的黏彈性的物理現(xiàn)象提供了策略上隨著小球在被輻射的孔段中產(chǎn)生而操作小球的機會，從而實現(xiàn)了將材料移除到表面。
[0016]熔融地質(zhì)組分的小球可以動態(tài)成形；即，其可通過加速熔融組分有利的成形。在本發(fā)明的一個實施例中，來自被擴展的孔段的小球被成形并且調(diào)節(jié)為通過使用具有延長的鉆屑清除通道的控制管來促進這些小球從孔段中清除?？刂乒艿那岸诉B接到鉆頭，激光和注入氣體可以通過鉆頭從表面運輸?shù)酱龜U展的孔段。該控制管提供了鉆屑清除通道，鉆屑和小球或其殘余物可以通過該鉆屑清除通道從孔段運送到表面。
[0017]由于地質(zhì)組分以熔融材料小球的形式被熔融，并且從目標(biāo)孔壁掃出，壓力差被保持住以將注入激光傳導(dǎo)材料，或氣體從要被擴展的孔段移動穿過鉆屑清除通道。從表面通過控制管傳送至鉆頭的激光傳導(dǎo)材料(氣體)注入要被擴展的孔段從而將鉆屑掃離被輻射孔壁并且提供壓力源。該壓力在孔段中形成從而產(chǎn)生在控制管中的鉆屑清除通道內(nèi)的壓力差。該壓力差使得激光傳導(dǎo)材料、熔融地質(zhì)小球和鉆屑被掃入鉆頭的鉆屑清除通道的口中。該鉆屑清除通道促進夾帶在激光傳導(dǎo)材料(氣體)流中的物質(zhì)的成型和凍結(jié)，以及通過控制管中的鉆屑清除通道將材料運送到表面(地表)。被傳送的材料被傳輸至連接于鉆屑清除通道的表面端部的鉆屑接收器。在一個實施例中，鉆屑接收器是具有輸出口的導(dǎo)管，該輸出口 一般接近頂部以用于氣體的噴出。
[0018]本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的一個實施例允許熔融鉆屑被打碎、成形然后被凍結(jié)，或者以其他方式被穩(wěn)定下來以避免地質(zhì)組分和鉆屑對鉆屑清除通道的內(nèi)壁的不需要的粘附。由于熔融小球接近鉆頭中的鉆屑清除通路的口，熔融材料由于通過壓力差迫使激光傳導(dǎo)材料(氣體)流入鉆屑清除通道而施加的摩擦力而被加速。被加速的激光傳導(dǎo)材料(氣體)沖過夾帶在流內(nèi)的熔融鉆屑小球從而使得小球變成大致平坦、細長和破碎，這是由于作用在每個小球的外部的摩擦力和抵抗加速的慣性力引起的?；旧细竺芏鹊男∏騼A向于抵抗由環(huán)繞激光傳導(dǎo)材料(氣體)的流的基本上更小密度的摩擦力施加于小球上的加速力。隨著這些相對的力加速小球，小球變得平坦、延長和/或細長，并且外部施加的力克服了表面層上的分子間的粘彈力，該粘彈力傾向于將小球保持為球形或橢球(緊湊)形。
[0019]裝置和系統(tǒng)的一個實施例使得破碎的熔融地質(zhì)組分的小球的殘余物能夠使用位于或鄰近鉆頭的鉆屑清除通路的口處的冷卻劑屏障或屏蔽快速凍結(jié)，在鉆頭處小球經(jīng)受了加速度峰值速率。在系統(tǒng)的一個實施例中，冷卻劑包括氣體，當(dāng)其在非常高的壓力下(>100巴)處被引入時，其驟冷和凍結(jié)熔融地質(zhì)材料的小球成為細長的或平坦的固體小塊和顆粒。在系統(tǒng)的一個實施例中，冷卻劑是與用于將阻擋激光的材料從激光路徑中移出相同的激光傳導(dǎo)氣體，并且是與用于將阻擋激光的材料移出孔壁并且將熔融鉆屑掃出孔壁相同的氣體。[0020]在系統(tǒng)的另一個實施例中，冷卻劑是高傳導(dǎo)性的流體，適于將從熔融的地質(zhì)材料傳輸至流體的熱量最大化。例如，該高傳導(dǎo)性的流體可以是通過形成在或連接于或接近于鉆屑清除通道的口以形成注入冷卻劑屏蔽或屏障的一個或多個冷卻劑注入口注入的水、氯化鉀、去離子水、內(nèi)乙二醇和水溶液，或介電流體，其中小球的熔融殘余物通過該冷卻劑屏蔽或屏障進入控制管的鉆屑清除通道。
[0021]在系統(tǒng)的一個實施例中，多個冷卻劑注入口被定位成大體上環(huán)繞鉆屑清除通路的口的圓形，從而一起提供屏障或屏蔽，通過其激光傳導(dǎo)材(氣體)和存在于其中的鉆屑必需經(jīng)過進入用于將它們傳送到表面的控制管的鉆屑清除通道。在系統(tǒng)的一個相關(guān)實施例中，多個冷卻劑注入口適于發(fā)射寬流冷卻劑，其可以與來自鄰近的冷卻劑注入口的相似成型流冷卻劑相交以形成冷卻劑屏蔽。在相關(guān)實施例中，冷卻劑注入口相對于鉆屑清除通道成角度地分布并且成角度地發(fā)射大致偏離孔壁的并且大致進入鉆頭的鉆屑清除通路的冷卻劑流。在一個實施例中，次級組冷卻劑注入口可以提供在主體內(nèi)，并且定位為提供冷卻劑的輔助保護屏蔽或套，該冷卻劑沿著鉆屑清除通路的內(nèi)壁被縱向引導(dǎo)。
[0022]另外，合適的材料被選擇用于鉆屑清除通路，或者用于鉆屑清除通路的內(nèi)壁，以削弱地質(zhì)組分和鉆屑對鉆屑清除通路的粘附。例如，但非限制性地，將激光傳導(dǎo)材料(氣體)和鉆屑反饋進入控制管的鉆屑清除通道的鉆頭中的鉆屑清除通路的內(nèi)壁可以包括或內(nèi)襯鋁、鋁合金、鋼或鋼合金材料，該材料形成穩(wěn)定的氧化層或通常即使是在高溫下在物理和化學(xué)上非活性的層?？蛇x地，鉆屑清除通路的內(nèi)壁可以包括陶瓷或其它非活性材料。在一個實施例中，鉆屑清除通路的內(nèi)壁可以內(nèi)襯有非粘性材料，諸如例如Teflon?，或內(nèi)壁可以被調(diào)節(jié)為或加工為抵抗進入鉆屑清除通路的材料的粘附。
[0023]在裝置和系統(tǒng)的一個實施例中，次級組冷卻劑注入口可以定位在主體內(nèi)部或鉆頭內(nèi)部從而提供阻擋熔融地質(zhì)組分或鉆屑小塊沿著鉆頭的鉆屑清除通道的內(nèi)壁粘附的次級保護層。次級組冷卻劑注入口可以一起提供次級冷卻劑套或屏蔽從而保護鉆屑清除通道的內(nèi)壁，防止累積熔融地質(zhì)組分或從與初級屏蔽接觸形成的鉆屑，該初級屏蔽具有足夠的保持熱量從而促進對內(nèi)壁的不必要的粘附。次級組冷卻劑注入口可以類似于初級組冷卻劑注入口，注入激光傳導(dǎo)材料作為冷卻劑或流體冷卻劑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖。
[0025]圖2是可用于存儲本發(fā)明的系統(tǒng)的控制管的可選的線軸的放大立體圖。
[0026]圖3是可用于存儲本發(fā)明的系統(tǒng)的控制管的又一個可選的線軸的放大頂視圖。
[0027]圖4是本發(fā)明的一個裝置的實施例的一部分的立體圖，所述裝置為鉆頭，其可用于實施本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例。
[0028]圖5是圖4的鉆頭的局部放大截面圖。
[0029]圖6是可選的鉆屑清除通道的截面圖，該通道具有初級組冷卻劑注入口和次級組冷卻劑注入口，其用于凍結(jié)熔融地質(zhì)組分并且固化加熱的鉆屑。
[0030]圖7是小球變形的一種模式的示意圖，這種變形可以發(fā)生在熔融地質(zhì)組分小球夾帶在進入鉆頭的鉆屑清除通路的加速氣流內(nèi)時。
[0031]圖8是在本發(fā)明的主體的可選實施例中的冷卻劑注入口、次級冷卻劑注入口、鉆屑清除通路口和光學(xué)元件的布置視圖，在本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置的一個實施例中該主體可通過使用控制管定位。
[0032]圖9是孔系統(tǒng)的一部分的立面視圖，其包括單個的橫向孔，該橫向孔在安裝在初級孔內(nèi)部的殼體上的窗口處與初級孔相交。
[0033]圖10是圖9的孔系統(tǒng)的一部分的立面視圖,其具有導(dǎo)向工具,該導(dǎo)向工具設(shè)置在初級孔內(nèi)以用于導(dǎo)引鉆頭穿過殼體窗口并進入到橫向孔以擴展橫向孔。
【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的一個實施例提供了一種用于擴展孔段的裝置和系統(tǒng)，其包括細長的控制管，該細長的控制管用于定位連接至地殼孔系統(tǒng)的孔段內(nèi)部的控制管前端的鉆頭?？刂乒馨ㄣ@屑清除通道、將激光傳導(dǎo)氣體供應(yīng)至孔段的氣體管和多個將激光傳輸?shù)姐@頭的光學(xué)傳輸光纖。在該裝置和系統(tǒng)的一個實施例中，控制管包括將液體冷卻劑傳送至鉆頭的冷卻劑管。在其它實施例中，通過控制管的氣體管供應(yīng)到鉆頭的激光傳導(dǎo)氣體也可以用作冷卻劑。
[0035]在一個實施例中，控制管從卷軸、線軸或其它存儲裝置中被存儲在和送入地殼孔系統(tǒng)中?？刂乒芸梢岳p繞或盤起在其上的存儲裝置促進了控制管從孔系統(tǒng)的表面位置的運輸和運輸?shù)娇紫到y(tǒng)的表面位置。存儲裝置可以在第一方向上旋轉(zhuǎn)從而將控制管送入孔系統(tǒng)中，并且將與控制管的前端耦合的鉆頭定位，而該存儲裝置可以在相反的方向上旋轉(zhuǎn)以將控制管從孔系統(tǒng)回收并且收回到存儲裝置上。
[0036]存儲裝置可連接于可旋轉(zhuǎn)的流體耦合器，該耦合器耦合至控制管的氣體管的表面端部以促進氣體從位于地表的加壓氣體源流向氣體管的表面端部。加壓氣體通過氣體管被傳輸至連接到氣體管前端的鉆頭。在控制管除了具有氣體管外還具有冷卻劑管的實施例中，控制管存儲裝置可以連接至第二可旋轉(zhuǎn)的流體耦合器，該第二耦合器從連接至冷卻劑管的表面端部的表面上接收來自冷卻劑存儲裝置的冷卻劑。該冷卻劑通過冷卻劑管被傳輸至鉆頭。
[0037]類似地，存儲裝置可以連接至可旋轉(zhuǎn)的光學(xué)傳輸耦合器，該光學(xué)傳輸耦合器連接至控制管的光纖的表面端部，以促進激光從地表上的激光器傳輸?shù)娇刂乒艿墓鈱W(xué)傳輸光纖的表面端部。激光通過控制管的光學(xué)光纖傳輸至連接于控制管的前端的鉆頭內(nèi)的光學(xué)元件。該可旋轉(zhuǎn)的耦合器可以連接至控制管存儲裝置并且與控制管存儲裝置一起使用，以適應(yīng)控制管存儲裝置相對于地表的旋轉(zhuǎn)運動，同時提供連續(xù)的氣體、激光和冷卻劑供應(yīng)，而不會產(chǎn)生不必要的控制管的扭曲和打結(jié)?？蛇x地，激光器可以設(shè)置在線軸的中心內(nèi)，其中控制管圍繞線軸的中心纏繞或盤繞。
[0038]控制管包括前端，鉆頭連接在該前端上以用于被引入到孔系統(tǒng)中?？刂乒艽鎯ρb置旋轉(zhuǎn)以將足夠長度的控制管送入孔系統(tǒng)，從而在控制管的前端處鄰近位于要使用鉆頭擴展的孔段的端部處的孔壁的部分定位鉆頭。鉆頭包括一個或多個氣體注入口以通過控制管的氣體管將供應(yīng)的氣體引入來從鉆頭和孔壁的目標(biāo)部分中間的激光路徑將阻擋激光的材料移出。阻擋激光的材料可以包括但不限于工作流體、鉆孔流體、地質(zhì)流體和氣流體和碎屑。鉆頭提供有在發(fā)射端和連接端中間的可擴展的環(huán)形密封件，以沿圓周方向擴展并接合孔壁從而將要被擴展的孔部分與孔系統(tǒng)的殘余部分分隔開。這里使用的術(shù)語“激光路徑”是指從鉆頭的發(fā)射端發(fā)出的激光成束撞擊在將要使用鉆頭擴展的孔段的壁的目標(biāo)部分上所通過的路徑。
[0039]鉆頭可以進一步包括一個或多個耦合至鉆頭的發(fā)射端的光學(xué)元件，以聚焦并且調(diào)節(jié)從表面?zhèn)鬏數(shù)募す?。光學(xué)元件可以聚焦或調(diào)節(jié)激光以使激光對孔壁的目標(biāo)部分提供最佳的加熱。光學(xué)元件可以包括設(shè)置在鉆頭的發(fā)射端的透鏡，其光學(xué)地耦合至光學(xué)光纖的前端，該光學(xué)光纖的前端從控制管延伸出來并且在鉆頭處或在鉆頭內(nèi)終止。光學(xué)元件可以被設(shè)置在例如鉆頭的端部，該端部大致與鉆頭的連接端部相對，并且光學(xué)元件可以通過使用透明的保護元件來保護，被發(fā)射的激光可以通過該保護元件以撞擊在與鉆頭的發(fā)射端的激光路徑相對的孔壁的目標(biāo)部分上。
[0040]在使用供應(yīng)到鉆頭的氣體作為冷卻劑的實施例中，可以設(shè)置一個閥來提供來自氣體管的氣體的分流，該分流進入到配置成將冷卻劑流導(dǎo)入鉆頭的鉆屑清除通道的冷卻劑注入口。根據(jù)一個實施例，多個冷卻劑注入口可以成角度地相對于或環(huán)繞鉆頭的鉆屑清除通路的口分布，或者設(shè)置在鉆頭的鉆屑清除通路的口中或者接近鉆頭的鉆屑清除通路的口設(shè)置，從而提供冷卻劑流，該冷卻劑流一起形成冷卻劑屏障或屏蔽。熔融地質(zhì)組分通過冷卻劑屏障被掃入鉆屑清除通路，該熔融地質(zhì)組分必須經(jīng)過進入到控制管的鉆屑清除通路的前端。
[0041]例如，但非限制性地，一組四個冷卻劑注入口可以以90度(1.57弧度)間隔環(huán)繞鉆頭的鉆屑清除通路的口分布。冷卻劑注入口可以定向為將四個大致寬流的冷卻劑流引入鉆屑清除通路。這四個流彼此相交從而在鉆頭的鉆屑清除通路的入口內(nèi)形成冷卻劑屏障。當(dāng)熔融地質(zhì)組分和其它加熱的鉆屑由注入到孔段的激光傳導(dǎo)材料(氣體)掃入鉆屑清除通路時，冷卻劑屏障凍結(jié)了熔融地質(zhì)組分，并且冷卻和固化了加熱的鉆屑，以防止這些材料附著在鉆屑清除通路的內(nèi)壁或附著在控制管的鉆屑清除通道的內(nèi)壁。
[0042]在一個實施例中，鉆頭上的可擴展的環(huán)形密封件是充氣式構(gòu)件，并且密封件的擴展可以通過從遠端打開流體地耦合在其中一個冷卻劑管(如果可用)和氣體管之間的閥來實施，氣體管在閥的源側(cè)，而密封件在閥的接收側(cè)，從而使用分別通過氣體管或冷卻劑管提供的氣體和冷卻劑來膨脹和擴展密封件。在一個實施例中，已擴展的密封件可以通過關(guān)閉供應(yīng)氣體或冷卻劑的閥并且然后從遠端打開被耦合以從膨脹的密封件將冷卻劑或氣體釋放至孔段的第二閥，從而使得已擴展的密封件從擴展(膨脹)配置縮回。在另一個實施例中，耦合為可選的將冷卻劑或氣體從冷卻劑管或氣體管導(dǎo)引到密封件從而膨脹密封件的閥和耦合為從密封件可選的將冷卻劑或氣體釋放到孔的第二閥可以被具有第一可選位置和第二可選位置的單個的遠程可控三路閥代替，在第一可選位置中，三路閥建立冷卻劑管或氣體管和密封件之間的連通從而膨脹密封件，而在第二可選位置中，三路閥建立已膨脹的密封件和孔段之間的連通。
[0043]本發(fā)明的上述系統(tǒng)包括主體(在本文稱為鉆頭)、控制管、和控制管存儲裝置、力口壓氣體源和可選的冷卻劑源(在沒有使用氣體作為冷卻劑的實施例中)，其可以用于擴展孔系統(tǒng)的孔段，并且將使用激光鉆頭所產(chǎn)生的鉆屑從擴展的孔段中清除。熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑被掃入主體的鉆屑清除通路中，從而接合由一個或多個冷卻劑注入口提供的冷卻劑屏障或屏蔽。
[0044]本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)實現(xiàn)了打碎、成形和固化由激光鉆孔工藝產(chǎn)生的熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑。熔融地質(zhì)組分暴露于加速氣流，該氣流環(huán)繞熔融地質(zhì)組分小球并且將熔融地質(zhì)組分小球掃入鉆頭中的鉆屑清除通路內(nèi)。加速氣流和熔融地質(zhì)組分之間的物理反應(yīng)類似于液體小滴(諸如水)加速形成為密度更小的氣體(諸如空氣)的物理反應(yīng)。由此，熔融地質(zhì)組分小球變得不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性類似于當(dāng)重液體加速成為大體上更低密度的氣體時觀察到的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性。與加速氣流相關(guān)的增大的摩擦力和曳力使得小球一開始變得平或細長，然后氣動地被打散成多個更小的粒或小球，這是因為將熔融地質(zhì)組分保持為整個小球的粘彈力被利用周圍氣流施加的快速增長和具破壞性的氣動力所克服。本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)使用這個現(xiàn)象來氣動地打散由激光鉆孔工藝產(chǎn)生的熔融地質(zhì)組分小球，使其形成非常小的熔融地質(zhì)組分小滴，其可以有利地通過與冷卻劑屏蔽的接合而被凍結(jié)，該冷卻劑屏蔽策略性地定位在鉆屑清除通路內(nèi)，以在小球的殘余部分由加速氣流形成后立刻接合小球的殘余部分(即被打散的熔融地質(zhì)組分的小滴)。
[0045]熔融地質(zhì)組分的小滴的凍結(jié)和激光鉆孔技術(shù)產(chǎn)生的鉆屑的冷卻防止了這些材料粘附到主體的鉆屑清除通路的內(nèi)壁上以及隨后粘附到控制管的鉆屑清除通道的內(nèi)壁上。在一個實施例中，主體進一步包括次級組冷卻劑注入口，其提供了沿著主體的鉆屑清除通路的內(nèi)壁導(dǎo)引的冷卻劑流。次級組冷卻劑注入口對于防止熔融地質(zhì)組分或加熱的鉆屑穿過由初級或第一組冷卻劑注入口提供的初級冷卻劑屏蔽或屏障提供了額外的保護。
[0046]優(yōu)選地，冷卻劑是高傳導(dǎo)性的材料，其具有相當(dāng)大的比熱以提供從熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑傳輸至冷卻劑屏蔽的最大的熱傳遞。在一個實施例中，冷卻劑是諸如水的液體。在另一個實施例中，冷卻劑是氯化鉀或內(nèi)乙二醇溶液。在另一個實施例中，冷卻劑是氣體，例如氮氣或惰性氣體。當(dāng)氣體被用作冷卻劑時，由于當(dāng)氣體被允許膨脹至較低壓力時熱力減小，因此注入的冷卻劑流的溫度可以相對較低。這里，高傳導(dǎo)性的氣體的使用，諸如惰性氣體的使用，使得注入的冷卻劑(氣體)在其在冷卻劑注入口被注入時實現(xiàn)膨脹冷卻。
[0047]在本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的一個實施例中，次級組冷卻劑注入口可以提供在鉆頭內(nèi)以提供對鉆頭的鉆屑清除通路的內(nèi)壁的額外保護。例如，但非限制性地，次級組冷卻劑注入口可以設(shè)置在鉆頭的鉆屑清除通路的口處或附近，并成角度地分布在口處，且導(dǎo)引為沿著鉆屑清除通路的內(nèi)壁的初始部分提供冷卻劑的保護層。次級組冷卻劑注入口防止任何成功穿過由初級組冷卻劑注入口提供的初級屏蔽的熔融地質(zhì)組分或鉆屑粘附到鉆屑清除通路的內(nèi)壁上。
[0048]冷卻劑注入口的數(shù)量和位置以及清掃氣體注入口的數(shù)量和位置可以根據(jù)鉆頭的尺寸、容量和結(jié)構(gòu)來改變。類似地，鉆頭可以包括一個或多個鉆屑清除通路，正如鉆頭連接其上的控制管可以包括一個或多個鉆屑清除通道。鉆屑清除通路可以位于主體的中心，正如鉆屑清除通道可以位于控制管中心?；蛘?，鉆屑清除通路可以不對稱的設(shè)置在主體內(nèi)，而鉆屑清除通道可以沿著控制管的一側(cè)設(shè)置。在一個實施例中，鉆屑清除通道可以包括大的外部管，其中氣體管、光學(xué)光纖和冷卻劑管都可以穿過該外部管。在另一個實施例中，鉆屑清除通道可以包括加強管，其可以抵抗通過進入通道的壓力差產(chǎn)生的坍塌。
[0049]在以下描述的圖4中示出的控制管不具備殼體或外部保護套，但控制管可以包括外部保護管，其中氣體管、光學(xué)光纖、冷卻劑管和鉆屑清除通道可以全部穿過該保護管。外部管可以包括具有或者調(diào)節(jié)有光滑材料的外部，以促進控制管相對于地殼孔系統(tǒng)的插入和拔出。[0050]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)10的一方面的示意圖。內(nèi)孔90被鉆入地殼11，從而使得內(nèi)孔90的一部分17穿透承載流體媒介(例如碳氫化合物)的地質(zhì)構(gòu)造19。系統(tǒng)10包括在表面15處的盤管設(shè)備，該盤管設(shè)備具有加壓氣體源12，其通過氣體線13流體地耦合至控制管34內(nèi)的氣體管(未示出)，便攜發(fā)電機14通過電源供應(yīng)線18電耦合以向激光發(fā)生器16供電，激光發(fā)生器16v通過激光線26光學(xué)耦合至控制管34內(nèi)的多個光學(xué)光纖47(在圖1中未示出)。圖1的系統(tǒng)10進一步包括密封內(nèi)孔90的表面端部91的井口裝置25，控制管34穿過內(nèi)孔90被接收入內(nèi)孔90內(nèi)，工作流體槽20通過工作流體線22耦合至井口裝置25從而允許工作流體21進入和流出位于控制管34和內(nèi)孔90的壁94之間的環(huán)形24。該系統(tǒng)進一步包括線軸30，在該線軸30上控制管34的延伸長度可以被存儲起來；以及盤管設(shè)備導(dǎo)向支撐27，該盤管設(shè)備導(dǎo)向支撐27用于支撐在其中具有多個滾動元件37的控制管導(dǎo)向件38，以減少控制管34進入和離開井口裝置25和內(nèi)孔90的運動的摩擦力。系統(tǒng)10和其盤管設(shè)備進一步包括連接在控制管34的連接端36處的鉆頭50，鉆頭50通過放出和卷回在線軸30上的控制管34而定位在內(nèi)孔90內(nèi)。
[0051]系統(tǒng)10包括線軸30，其可通過使用電機和相關(guān)的齒輪(未示出)以在軸(未在圖1中示出)上旋轉(zhuǎn)，從而通過放出和卷回在線軸30上的控制管34來控制鉆頭50的位置。在圖1中，線軸30已經(jīng)被放出以提供足夠長度的通過井口裝置25的控制管34，以將鉆頭50定位在鄰近要被擴展的壁的目標(biāo)部分92，該目標(biāo)部分92是鄰近鉆頭50的內(nèi)孔90的壁94的一小部分。鉆頭50包括可膨脹的環(huán)形密封件54。在膨脹時，環(huán)形密封件54密封住鉆頭50的外部表面與鉆頭50被定位在其內(nèi)的內(nèi)孔90的壁94之間的環(huán)形。
[0052]圖2是另一種控制管存儲線軸32A的立體圖。控制管存儲線軸32A可以通過將控制管34纏繞在線軸32A的內(nèi)壁33上來存儲本發(fā)明的系統(tǒng)的控制管34。當(dāng)內(nèi)壁33的一部分被控制管34的外部線圈42覆蓋后，附加的較小的線圈可以設(shè)置在初始的外部線圈42內(nèi)以用于增加存儲容量。圖3是再另一種控制管線軸32B的頂視圖?？刂乒芫€軸32B可以通過將線圈44環(huán)繞在線軸34B的中心柱38的外壁41上，以用于存儲本發(fā)明的系統(tǒng)的控制管34。在外壁41的一部分被控制管34的線圈44覆蓋后，附加的較大的線圈可以環(huán)繞初始的內(nèi)部線圈40設(shè)置以用于增加存儲容量。
[0053]圖4是圖1的鉆頭50的放大的立體圖，其可以用于實施本發(fā)明的系統(tǒng)的一個方面。鉆頭50包括多個光學(xué)元件45，其光學(xué)地耦合至多個細長的光學(xué)光纖47，該光纖47將由激光光源16 (未示出)產(chǎn)生的激光(未示出)通過激光線26 (未示出)光學(xué)地傳導(dǎo)至光學(xué)光纖47 (未不出)的表面端部。鉆頭50中的光學(xué)兀件45以大致同心的圖案/形式被設(shè)置在鉆頭的前端56內(nèi)。光學(xué)元件可以多種不同的形式或定位設(shè)置在鉆頭50內(nèi)。
[0054]圖4的鉆頭進一步包括至少一個設(shè)置在鉆頭50的前端56內(nèi)的氣體注入口 46，該氣體注入口 46定位為將氣體(未示出)注入要被擴展的孔的一部分中，該孔的一部分通過使用從鉆頭50的光學(xué)元件45發(fā)出的激光(未示出)被擴展。在圖4的鉆頭50中，氣體注入口 46大致設(shè)置在光學(xué)元件45的同心的圖案/形式的內(nèi)部。氣體注入口 46可交替地被設(shè)置在鉆頭50中的多個位置處并且注入到孔段的氣流可以通過將氣體注入口 46定位在相對于鉆頭50的軸62的一個選定的角度而被引導(dǎo)。鉆頭50進一步包括鉆屑清除通路(未示出)，其具有設(shè)置為從內(nèi)壁的激光加熱部分(未示出)接收熔融地質(zhì)組分和鉆屑的口 66。
[0055]主體或鉆頭50進一步包括環(huán)繞主體或鉆頭50的外表面59的可膨脹密封件54。該可膨脹密封件54在圖4中不出為處于膨脹狀態(tài)，以密封位于鉆頭50的外表面59和孔壁(未示出)之間的環(huán)形(未示出)，在該孔內(nèi)鉆頭50可以被定位以促進要被擴展的孔段與孔系統(tǒng)的其余部分之間的隔離。
[0056]例如，但非限制性地，鉆頭50可以被定位在孔的部分中從而被調(diào)節(jié)，可膨脹密封件54可以膨脹以接合孔部分的壁從而密封鉆頭50的外表面59與孔壁之間的環(huán)形。通過控制管34內(nèi)的氣體管49提供給鉆頭而用于定位鉆頭50的氣體被注入鄰近鉆頭50的前端56的孔的部分中，以移除該孔的部分中阻擋激光的材料，例如工作流體、鉆孔流體、地質(zhì)流體或其混合物。在圖4的鉆頭50中，被移除的阻擋激光的材料以及通過氣體注入口 46注入以用于移除阻擋激光的材料的氣體掃向鉆屑清除通路(未示出)的口 66，并通過鉆屑清除通路且到達表面。
[0057]—些阻擋激光的材料可以通過鉆頭50的鉆屑清除通路(未示出)來從孔段移除，而一些阻擋激光的材料可以利用越過可膨脹密封件54的強行移除從要被擴展的孔段移出。可能需要通過氣體注入口 46提供大致連續(xù)的注入氣體以防止工作流體或鉆孔流體在可膨脹密封件54處再次進入孔段。
[0058]圖5是本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的一個實施例的鉆頭50的一部分的局部放大剖面圖，其可以定位在孔90內(nèi)以擴展地質(zhì)構(gòu)造19中的孔90。圖5的鉆頭50包括具有外表面59的主體65，環(huán)繞主體65的可膨脹密封件54，設(shè)置在主體65內(nèi)的以及光學(xué)耦合至光學(xué)元件45的多個光學(xué)光纖47，該光學(xué)元件45以大致同心的圖案/形式被容納在鉆頭50的前端56處，以在激活時將激光52輻射到目標(biāo)壁部分92。圖5的鉆頭50進一步包括氣體管49，氣體管49向氣體注入口 46提供氣體，以用于引入氣體來將阻擋激光的材料從鄰近鉆頭50的前端56的激光路徑17中引出。圖5的鉆頭50進一步包括氣體側(cè)部64，氣體側(cè)部64在密封的氣體閥63打開時接收來自氣體管49的氣體并且將氣體傳輸至可膨脹密封件54來將密封件膨脹到為圖5示出的膨脹狀態(tài)。圖5的鉆頭50進一步包括具有密封的膨脹閥61的可膨脹桿60，可膨脹桿60釋放可膨脹密封件54內(nèi)的氣壓來將可膨脹密封件54再次存儲為縮回(非膨脹)狀態(tài)(未在圖5中示出)。鉆頭50進一步包括鉆屑清除通路67，其具有向著孔壁94的目標(biāo)部分92設(shè)置的口 66。多個冷卻劑注入口 68環(huán)繞鉆屑清除通路67的口 66成角度地分布，并且流體地耦合至由冷卻劑供應(yīng)線70供應(yīng)的冷卻劑分布岐管69。被加壓的冷卻劑通過冷卻劑供應(yīng)線70傳輸至分布岐管69，并在其內(nèi)分布至多個冷卻劑注入口 68，冷卻劑流71從這些注入口注入鉆屑清除通路67中。多個冷卻劑流71 一起形成冷卻劑屏障74，冷卻劑屏障74作為熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑81的屏障以防止這些組分和鉆屑在與屏障74接觸時沒有首先被分別凍結(jié)和冷卻就接合鉆屑清除通路67的內(nèi)壁76。
[0059]隨著激光52通過光學(xué)光纖47被傳輸至光學(xué)兀件45并且撞擊在內(nèi)壁94的目標(biāo)部分92上，地質(zhì)組分77開始熔融。熔融地質(zhì)組分77被從氣體注入口 46注入激光路徑17的氣流78掃起來。在鉆屑清除通道內(nèi)的氣壓(在圖5中未示出)和在連接于其的鉆屑清除通路67中的氣壓被保持為低于孔段內(nèi)的氣壓，以使得氣體從孔段處通過口 66、鉆屑清除通路67和控制管的鉆屑清除通道(未示出)流到表面。氣流78干擾激光路徑17和鄰近孔壁94的目標(biāo)部分92并且將熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑81掃入鉆屑清除通路67的口 66內(nèi)。熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑81被抽入鉆屑清除通路67中并且接合包括來自冷卻劑注入口 68的注入流71的冷卻劑屏障74。[0060]圖6示出了冷卻劑注入口的另一設(shè)置，該設(shè)置可以用于調(diào)節(jié)熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑從而避免這些材料粘附在鉆頭(附圖6中未示出)的鉆屑清除通路67的內(nèi)壁上。在圖6示出的設(shè)置中包括至少一個在鉆屑清除通路67的口 66處的初級冷卻劑注入口 68，其用于提供至少一個注入冷卻劑流71。多個初級冷卻劑注入口 68可以相對于口 66成角度地分布從而一起提供一個大致圓錐形的冷卻劑屏障或屏蔽(圖6中未示出)以分別凍結(jié)和冷卻進入鉆屑清除通路67的熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑。由多個初級冷卻劑注入口 68提供的冷卻劑流71將與鉆屑清除通路67的內(nèi)壁76成一角度。圖6的設(shè)置進一步包括設(shè)置在至少一個在鉆屑清除通路67的口 66處的次級冷卻劑注入口 85，該次級冷卻劑注入口 85提供大致沿著鉆屑清除通路67的內(nèi)壁76縱向方向注入的冷卻劑的次級流87，從而提供了對防止熔融地質(zhì)組分和加熱的鉆屑粘附到鉆屑清除通路67的內(nèi)壁76的額外的保護。多個次級冷卻劑注入口 85可以是環(huán)繞口 66成角度地分布從而一起提供一個大致套筒狀的屏蔽以避免熔融地質(zhì)組分或可能穿透初級圓錐屏障并且防止熔融或非常熱的加熱鉆屑的粘附。出于簡便，圖6示出了僅一個初級冷卻劑注入口 68和一個次級冷卻劑注入口 85，以示出注入冷卻劑的初級和次級流71、87的角度和用途不同。
[0061]在優(yōu)選實施例中，初級冷卻劑注入口 68的數(shù)量可以是三個或更多，而次級冷卻劑注入口 85的數(shù)量也可以是三個或更多。在一個實施例中，初級冷卻劑注入口 68可以與次級冷卻劑注入口 85垂直對齊，或者初級和次級冷卻劑注入口可以如圖6示出般彼此偏移。初級和/或次級冷卻劑注入口的設(shè)置、定位、角度和數(shù)量可以根據(jù)鉆屑清除通路67的尺寸以及要穿過鉆屑清除通路67的地質(zhì)組分和鉆屑的性質(zhì)和組成而改變。
[0062]當(dāng)使用激光熔融地質(zhì)組分時，地質(zhì)組分會因為作用在其表面的粘彈力而形成小球。本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)依靠于這些小球的破壞從而調(diào)節(jié)用于傳輸?shù)奖砻嫔系娜廴诘刭|(zhì)組分。圖7是小球變形的一種模式的示意圖，其可以發(fā)生在當(dāng)熔融地質(zhì)組分小球86進入在鉆頭(未示出)內(nèi)的鉆屑清除通路67內(nèi)部的加速氣流(未示出)時。通過氣體注入口被導(dǎo)入孔段的氣體通過鉆屑清除通道從孔段移除，并且當(dāng)氣體在鉆屑清除通路67的口 66處附近時氣體將必須加速，因為在該口 66處附近的氣壓被保持為低于要使用鉆頭擴展的孔段中的氣壓。在圖7中示出的，隨著小球86進入和然后通過鉆屑清除通路67，加速氣流環(huán)繞小球86、或小球變形殘余物88、89和93。環(huán)繞小球86并使小球86變形的氣流的速度由鄰近小球86和小球殘余物88,89和93的箭頭95A、95B、95C和95D的長度示出。如在圖7中示出的，由于環(huán)繞小球86的氣流(未示出)的流動，由激光鉆孔技術(shù)(在圖7中未示出)產(chǎn)生的熔融地質(zhì)組分小球86以由箭頭95A的長度示出的速度向著鉆屑清除通路67的口 66移動。隨著環(huán)繞氣流速度增加(由箭頭95B示出)，小球88開始變平和變形。隨著環(huán)繞氣流速度進一步增加(由箭頭95C示出)，小球89開始被氣動力打散，該氣動力克服了將小球保持為整體結(jié)構(gòu)的粘彈力。隨著環(huán)繞氣流的速度增加至最大速度95D，小球殘余部分93被打散進而碰撞圖5中不出的冷卻劑屏障(未不出)。
[0063]圖8是在主體50的另一個實施例中的冷卻劑注入口 68、次級冷卻劑注入口 87、鉆屑清除通路的口 66和光學(xué)元件45的可選的布置，該主體50使用本發(fā)明的系統(tǒng)和裝置的實施例中的控制管(未示出)定位。
[0064]孔系統(tǒng)可以包括單個的孔，而不具有相交的橫向孔，或可選的，鉆孔系統(tǒng)可以包括具有一個或多個相交的橫向孔的初級孔。本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)可以用于擴展單個孔壁的一部分，而不具有相交的橫向孔，或者用于擴展與初級孔相交的橫向孔壁的一部分。諸如導(dǎo)引工具和斜向器的工具可以用于將本發(fā)明的系統(tǒng)的鉆頭50導(dǎo)引入在孔系統(tǒng)中與初級孔相交的橫向孔。
[0065]圖9是鉆孔系統(tǒng)的一部分的正視圖，該系統(tǒng)包括在安裝在初級孔90內(nèi)部和使用水泥80膠結(jié)定位的殼體82的窗口 84處與初級孔90相交的橫向孔72。圖6的橫向孔72具有初始部分70和多個彎曲部分73，其顯示出橫向孔72使用工具被鉆孔以穿透地質(zhì)構(gòu)造19和將地質(zhì)流體從地質(zhì)構(gòu)造19排出。
[0066]圖10是圖9的鉆孔系統(tǒng)的一部分的正視圖，其在導(dǎo)向工具98設(shè)置在初級孔90內(nèi)以將鉆頭50(在圖10中未示出)導(dǎo)引通過殼體窗口 84并進入到橫向孔72中以擴展橫向孔72的壁94的一部分之后，從而更好地排干相鄰的地質(zhì)構(gòu)造19。導(dǎo)引工具98具有用于抓住殼體82的鞋狀物96，以及位于鞋狀物96上的傾斜表面97，傾斜表面97將鉆頭50 (圖10中未示出)偏移入在殼體82和水泥內(nèi)襯80研磨穿過的窗口 84內(nèi)。將要被定位在橫向孔72內(nèi)的鉆頭50 (未示出)的尺寸、長度和直徑，傾斜表面97的角度，導(dǎo)引工具98的結(jié)構(gòu)，窗口 84的尺寸和橫向孔72的初始部分70的相交的角度99都是根據(jù)本發(fā)明為了擴展孔72的壁94的一部分時要考慮的因素。
[0067]這里使用的技術(shù)僅用于描述具體實施例的目的，而非意在限定本發(fā)明。如這里使用的，“組”可以包括單個元件或多個元件。例如，一組冷卻劑注入口或一組氣體注入口可以包括單個冷卻劑注入口或單個氣體注入口或可以包括多個冷卻劑注入口或氣體注入口。
[0068]如這里使用的，術(shù)語“工作流體”涉及被導(dǎo)引進入孔系統(tǒng)的流體，該流體用于潤滑孔系統(tǒng)從而促進包括鉆頭的裝置的平滑插入、定位和移除，這樣做是為了利用流體靜力對抗或平衡地層壓力，以降低由于不想要和意想不到的地層流體涌入孔而使井的控制出現(xiàn)問題的可能性。
[0069]如這里使用的，單數(shù)形式的詞“一個”、“一”或“這個”意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非文中另有清楚的說明。術(shù)語“包括”和/或“包含”在本說明書的使用指明固定的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組分和/或群組，但是不排除另外的一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組分和/或群組的存在。術(shù)語“優(yōu)選地”、“優(yōu)選的”、“優(yōu)選”、“可選的”、“可以”和類似的術(shù)語用于指明一種被提到的情況、條件或步驟是本發(fā)明的可選擇的(非必需的)特征。
[0070]在以下權(quán)利要求中的所有裝置或加上功能元件的步驟的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、作用和等價物意在包括任何結(jié)構(gòu)、材料或作用，如具體要求的那樣，用于與其它要求保護的元件組合起來實施功能。本發(fā)明的說明書的描述出于解釋和描述的目的，但其并不意在以所公開的方式詳盡的描述或限制本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神下，許多變形和改進對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。所選擇的和描述的實施例是為了最好的解釋本發(fā)明的原理和實際實施，并且使本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明，因為本發(fā)明具有多種變型的多個實施例，其各適合預(yù)期的特定的使用。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 控制管，其具有細長的氣體管，細長的冷卻劑管，鉆屑清除通道和多個細長的光學(xué)光纖; 主體，其具有:近端，該近端連接在控制管的前端；遠端，該遠端具有光學(xué)元件以調(diào)節(jié)從多個光學(xué)光纖的前端發(fā)出的激光；在近端和遠端之間的可擴展環(huán)形密封件；鉆屑清除通路，該鉆屑清除通路通過主體且耦合至鉆屑清除通道的前端；氣體口，該氣體口從主體定向并且耦合至氣體管的前端；以及冷卻劑口，該冷卻劑口引導(dǎo)進入鉆屑清除通路并且耦合至冷卻劑通道的前端； 加壓的氣體源，其以流體的方式耦合至氣體管的表面端部； 冷卻劑源，其以流體的方式耦合至冷卻劑管的表面端部； 激光能源產(chǎn)生器，其光學(xué)地耦合至多個光學(xué)光纖的表面端部；以及 鉆屑接收器，其以流體的方式耦合至鉆屑清除通道的表面端部； 其中，被釋放進入孔段的一部分的氣體進入到主體的位置，該氣體清理遠離環(huán)形密封件的孔段末端從而清理在主體的遠端前的激光路徑； 其中，從氣體口釋放進入孔段的氣體將熔融地質(zhì)組分從孔壁的激光加熱部分掃入鉆屑清除通路；以及 其中從冷卻劑口注入鉆屑清除通路的冷卻劑凍結(jié)從孔壁的激光加熱部分掃入鉆屑清除通路的熔融鉆屑組分，以使得熔融鉆屑組分通過鉆屑清除通道從鉆孔清除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于主體的環(huán)形密封件可徑向地從縮回狀態(tài)向外擴展到擴展?fàn)顟B(tài)，以密封 位于主體的外圍和主體定位在的鉆孔的壁之間的環(huán)形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于環(huán)形密封件可使用來自氣體管和流體管之一的加壓流體來在鉆孔內(nèi)進行壓力擴展。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中控制管進一步包括: 密封可膨脹閥；以及 細長的傳導(dǎo)元件，其具有表面端部和前端部從而將激活信號傳輸至密封可膨脹閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于加壓氣體是惰性氣體、二氧化碳和氮氣中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻劑是水、氯化鉀、去離子水、內(nèi)乙二醇和水溶液及介電液中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于鉆屑清除通路大體上位于主體的中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于鉆屑清除通路的內(nèi)壁包括鋁、鋁合金、鋼、鋼合金和陶瓷中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于冷卻劑注入口包括: 多個冷卻劑注入口，其環(huán)繞鉆屑清除通路的入口成角度地分布從而提供大體會聚的注入模式來凍結(jié)進入的熔融鉆屑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于從主體內(nèi)導(dǎo)引出并且耦合至氣體管的激光發(fā)射端的至少一個氣體注入口包括: 多個氣體注入口，其成角度地環(huán)繞主體分布并且鄰近主體的激光發(fā)射端； 其中，多個氣體注入口被導(dǎo)引到主體的激光發(fā)射端前部從而將熔融鉆屑徑向向內(nèi)清掃至鉆屑清除通路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于鉆屑接收器在大體上比流體和氣體注入內(nèi)孔時的壓力小的壓力下操作從而促進由在內(nèi)孔的壁的一部分上的激光撞擊產(chǎn)生的鉆屑被掃入主體的鉆屑清除通路,該內(nèi)孔的壁鄰近主體的激光發(fā)射端。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于進一步包括: 在主體上的多個次級冷卻劑注入口，其用于注入沿著主體的鉆屑清除通路的內(nèi)壁大體縱向引導(dǎo)的冷卻劑流。
13.一種裝置，其包括: 主體，其具有經(jīng)由其的鉆屑清除通路；具有光學(xué)激光聚焦元件的發(fā)射端；與發(fā)射端相對的連接端；和在發(fā)射端和連接端之間的可徑向向外膨脹的環(huán)形密封件；以及 控制管，其具有連接為向主體上的多個成角度地分布的氣體注入口供應(yīng)加壓氣體的氣體管；連接成向主體上的多個成角度地分布的冷卻劑注入口供應(yīng)冷卻劑的冷卻劑管；多個連接成將激光供應(yīng)至光學(xué)激光聚焦元件的光學(xué)光纖；以及鉆屑清除通道，其被連接以用于清除通過主體的鉆屑清除通路從孔段接收的被調(diào)節(jié)的鉆屑； 其中，當(dāng)主體定位在孔段內(nèi)時，可膨脹密封件的膨脹使得孔段鄰近主體的發(fā)射端的一部分從鄰近控制管的孔段的一部分隔離開； 其中，主體的氣體注入口被導(dǎo)向以從孔壁的激光加熱部分掃出熔融地質(zhì)組分，該孔壁大體與來自主體發(fā)射端的激光路徑相對；以及 其中，主體的冷卻劑注入口被導(dǎo)向以提供徑向會聚的注入形式從而凍結(jié)被掃入主體的鉆屑清除通路的熔融鉆屑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于主體的環(huán)形密封件在從縮回狀態(tài)到擴展?fàn)顟B(tài)的擴展過程中可徑向地向外擴展，從而提供主體的外部和主體設(shè)置于其中的孔段的壁之間的密封。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于環(huán)形密封件可選地使用加壓的流體擴展，該加壓的流體通過氣體管和冷卻劑管中的一個提供給主體。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于控制管進一步包括: 密封可膨脹閥；以及 細長的傳導(dǎo)元件，其將激活信號傳輸至密封可膨脹閥。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于加壓氣體是惰性氣體、二氧化碳和氮氣中的一種。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于冷卻劑是水、氯化鉀、去離子水、內(nèi)乙二醇和水溶液及介電液中的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于鉆屑清除通路大體上位于主體的中心。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于鉆屑清除通道的內(nèi)壁包括鋁、鋁合金、鋼、鋼合金和陶瓷中的一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于主體上的多個成角度地分布的冷卻劑注入口被導(dǎo)向到主體的鉆屑清除通路的中心，該鉆屑清除通路耦合至控制管的鉆屑清除通道的前端；以及 其中，多個冷卻劑注入口提供大體會聚的注入形式的冷卻劑從而凍結(jié)進入主體的鉆屑清除通路的熔融鉆屑。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于連接成將加壓氣體供應(yīng)至主體上的多個成角度地分布的氣體注入口的氣體管包括: 多個氣體注入口，其成角度地環(huán)繞主體分布并且鄰近主體的激光發(fā)射端； 其中，多個氣體注入口提供氣流，該氣流被導(dǎo)向到主體的發(fā)射端前部從而將熔融鉆屑徑向向內(nèi)掃至主體的鉆屑清除通路的口處。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于進一步包括: 鉆屑接收器，其耦合至控制管的鉆屑清除通道的表面端，并在大體上小于氣體注入孔段的壓力可操作地將熔融地質(zhì)組分掃入主體的鉆屑清除通路。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于進一步包括: 多個在主體上的次級冷卻劑注入口，以將冷卻劑流沿著主體的鉆屑清除通道路內(nèi)壁大體縱向地引 導(dǎo)注入。
【文檔編號】E21B7/14GK103827434SQ201280045100
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月15日
【發(fā)明者】塔瑪斯·博茲索, 羅伯特·博茲索 申請人:Sld強化開采有限公司