高功率激光钻孔系统的制作方法

高功率激光钻孔系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年6月12日提交的标题为“高功率激光钻孔系统(high-power laser drilling system)”的第16/439,391号美国专利申请的优先权和权益，该申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本技术涉及用于使用高功率激光器激发含烃地层的系统和方法。


背景技术：

4.钻井孔激发是石油工程的一个分支，主要研究如何增加从地层到钻井孔的碳氢化合物流量，以进行生产。为了从目标地层产出碳氢化合物，地层中的碳氢化合物需要从地层流向钻井孔，以便产出并流向地面。从地层到钻井孔的流动通过地层渗透性实现。当地层渗透性较低时，激发会被用来增加流量。可在钻井孔周围及进入地层中进行激发，以在地层中建立网络。激发的第一步通常是将套管穿孔和固井，以便到达地层。将套管穿孔的一种方式是使用聚能装药。将聚能装药下放到钻井孔中至目标释放区。聚能装药的释放会产生穿过钢套管、水泥并进入地层的短隧道。
5.使用聚能装药有一些缺点。例如，聚能装药会在隧道周围形成一个致密区域，这会降低渗透性，并且因此降低产量。聚能装药的高速冲击会压碎岩层，且会产生堵塞地层的孔喉的非常细的颗粒，从而降低流量和产量。隧道内有可能形成熔体。通过聚能装药产生的隧道的几何形状和方向无法控制。隧道的穿透深度和直径受到限制。在地面处理爆炸物时存在风险。
6.激发的第二阶段通常涉及通过聚能装药产生的隧道泵送液体。液体以超过地层破裂压力的速率进行泵送，使得地层和岩石断裂，这称为水力压裂。水力压裂主要使用称为水力压裂液的水基液体进行。水力压裂液会损害地层，尤其是页岩。水力压裂会在地层中产生裂缝，从而在地层和钻井孔之间形成网络。
7.水力压裂也有几个缺点。首先，如上文所提到，水力压裂可能会损害地层。另外，裂缝方向无法控制。众所周知，裂缝会闭合。由于管道中的水压力很高，地面会存在风险。还存在与添加到水力压裂液中的成分有关的环境问题，以及水力压裂所需的数百万加仑水的需求。
8.高功率激光系统也可用于井下应用，例如通过激光钻掘一个干净的受控制的孔来激发地层。激光钻孔通常节省时间，因为激光钻孔不像传统钻孔那样需要管道连接，它是一种更环保的技术，因为激光器是电力驱动的，排放量要少得多。但是，在定位和操纵激光工具以实现有效井下使用方面仍然存在限制。


技术实现要素：

9.在地层中钻孔的常规方法一直拘于通过使用机械力来旋转钻头。这种方法的问题
包含损害地层、损害钻头，以及难以更精确地操纵钻孔组件。此外，钻掘坚硬地层的过程非常困难、缓慢且昂贵。然而，激光技术的当前技术水平可以用来应对这些挑战。一般来说，由于激光提供热输入，它会破坏颗粒之间的粘结和胶结，并将它们推开。钻掘坚硬地层将更容易、更快，部分原因是所公开的方法和系统将不再需要在钻头磨损后将其从钻井孔中拔出进行更换，并且无论其抗压强度如何，都可以钻穿任何地层。
10.本公开涉及新的用于使用高功率激光能量在地下地层中钻孔的系统和方法，高功率激光能量由光学操纵系统控制。具体地说，所公开的系统和方法的各种实施例使用高功率激光器，其激光源(发生器)位于地面上，通常位于钻井孔附近，其中能量通过激光工具经由光纤线缆沿钻井孔向下传送到井下目标。所公开的创新性光学操纵系统提供了控制和操纵光束的灵活性，从而实现了具有更少光学组件和更少机械运动的优化光学设计。通过本说明书中公开的不同光学透镜和设计，可以实现不同的光束形状。光束的形状可以配置成从圆形变成矩形以覆盖更多区域，并通过旋转工具头进行旋转。另外，还公开了一种新型的倾斜冲洗系统，此系统配置成清理激光束的路径、协助操纵工具或这两者。旋转和冲洗特征有助于形成一个干净的无熔体的孔。
11.通常来说，所公开的用于穿透含烃地层的井下激光系统包含激光产生单元，所述激光产生单元配置成产生高功率激光束。激光产生单元与光纤线缆电连通。光纤线缆配置成传导高功率激光束。光纤线缆包含配置成耐高温和高压的绝缘电缆、配置成传导高功率激光束的保护性激光光纤线缆、配置成接收高功率激光束的激光地面端、配置成从光纤线缆发射原始激光束的激光线缆端。在一些实施例中，系统包含可选的外部套管或外壳，它们被放置在延伸于含烃地层内的现有钻井孔内，以进一步保护构成激光工具的光纤线缆、电力线或流体线。
12.在一个实例中，系统包含配置成进行井下移动的激光工具。激光工具包含配置成对激光束进行整形以用于输出的光学组件。激光束可具有至少一千瓦(1kw)的光功率。外壳至少部分地容纳光学组件。外壳配置成进行移动以在钻井孔内引导输出激光束。移动包含相对于钻井孔的纵向轴线的竖直移动和旋转移动。控制系统配置成控制外壳的移动或光学组件的操作中的至少一个，以在钻井孔内引导输出激光束。
13.由光学组件执行的整形可包含聚焦激光束、准直激光束或扩展激光束。光学组件可包含在激光束的路径中的第一透镜和在激光束的路径中的第二透镜。第二透镜在激光束的路径中位于第一透镜下游。第一透镜可以是聚焦激光束的聚焦透镜。第二透镜可以是从聚焦透镜接收激光束并准直激光束的准直透镜。第二透镜可以是从聚焦透镜接收激光束并使激光束扩展的发散透镜。调整机构可配置成改变第一透镜和第二透镜之间的距离。调整机构可包含可调杆，以经由线性或旋转致动器沿着激光束的路径移动第一透镜，所述线性或旋转致动器例如是伺服电机或手动操作的螺钉机构。调整机构可由控制系统控制。光学组件还可包含用于进一步引导激光的构件，例如用于改变激光束的路径的构件。引导构件可在激光束的路径中位于第一和第二透镜的下游，并且包含反射镜、分束器或棱镜中的至少一个。在一些实施例中，引导构件包含至少两个三棱镜和一个调整机构，所述调整机构可配置成改变第一棱镜和第二棱镜之间的距离。调整机构可以是与先前描述相同的机构，且同样由控制系统控制。另外，可以使用间隔器或其它机电装置来调整组件之间的距离。
14.一方面，本技术涉及一种用于激发含烃地层的系统。所述系统包含配置成在地层
的钻井孔内操作的激光工具。所述工具包含一个或多个光传输介质，所述一个或多个光传输介质是源自配置成产生原始激光束的激光产生单元的光学路径的一部分。所述一个或多个光传输介质联接到光学组件且配置成向光学组件传递原始激光束。光学组件配置成对激光束进行整形以用于输出。所述工具还包含：旋转系统，所述旋转系统联接到光学组件且配置成使激光束绕光学组件的中心轴旋转；外壳，所述外壳容纳光学组件的至少一部分，其中外壳配置成在钻井孔内移动，以相对于钻井孔引导激光束。所述工具还可包含冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地设置在外壳之内或邻近外壳，且配置成将冲洗流体递送到激光束附近的区域；以及控制系统，所述控制系统用于控制外壳的移动或者光学组件的操作中的至少一个，以在钻井孔内引导激光束。
15.在各种实施例中，光学组件包含：准直器、第一和第二透镜，及第一和第二三棱镜。准直器联接到所述一个或多个光传输介质且配置成接收原始激光束并将其调节成准直光束。第一透镜设置在准直器下游且配置成调节准直光束并输出细长卵圆形激光束。第二透镜设置在第一透镜下游一距离处且配置成接收卵圆形激光束并使其准直。第一三棱镜设置在第二透镜下游且配置成接收准直卵圆形激光束并使其弯曲。第二三棱镜设置在第一三棱镜下游一距离处且配置成接收弯曲后的准直卵圆形激光束并将其校正以输出相对于光学组件的中心轴偏移的基本上矩形的光束。
16.在一些实施例中，第一和第二三棱镜之间的距离是可调的，第一和第二透镜之间的距离是可调的，或这两种距离都是可调的。所述工具可包含一个或多个调整机构，所述调整机构可改变第一和第二三棱镜之间的距离或第一和第二透镜之间的距离或这两种距离。调整机构可由控制系统控制。在一些实施例中，第一或第二透镜中的至少一个是平凹透镜；但是，预期了其它透镜形状和配置，并且可以进行选择以适应特定应用。
17.在额外实施例中，旋转系统设置在光学组件上游且在外壳附近或至少部分地在外壳之内。旋转系统配置成使光学组件绕中心轴旋转。在一些实施例中，旋转系统是冲洗系统的一部分。旋转/冲洗系统可包含大体上圆柱形的外壳，所述大体上圆柱形的外壳联接外壳的第一部分和第二部分，并且围绕圆形外壳的周界限定至少一个开口。替代地，旋转/冲洗系统可包含大体上圆柱形的外壳，所述大体上圆柱形的外壳联接到外壳的第一端，并且围绕圆形外壳的周界限定至少一个开口。
18.旋转/冲洗系统还可包含：多个翼片，所述翼片至少部分地设置在所述至少一个开口内且围绕圆形外壳的周界间隔开；以及至少一个喷嘴，所述喷嘴设置在圆形外壳内。所述至少一个喷嘴可定向成相对于光学组件的中心轴偏移，且配置成以一角度朝向翼片释放冲洗流体，使得外壳的第二部分进行旋转运动。替代地或附加地，设置在圆形外壳内的所述至少一个喷嘴可相对于光学组件的中心轴以一倾斜度定向。旋转系统还可包含罩盖和至少一个密封件，用于将旋转组件的内部空间与钻井孔的井下环境隔开。
19.在一些实施例中，所述系统还可包含一个或多个传感器，用于监测钻井孔中的一个或多个环境条件，并基于所述一个或多个环境条件向控制系统输出信号。所述系统还可包含一个或多个扶正器，所述扶正器附接到外壳上且配置成在钻井孔中相对于外部套管将所述工具固定到位。
20.另一方面，本技术涉及一种使用用于激发含烃地层的系统的方法。所述方法包含以下步骤：通过一个或多个光传输介质传递由光学路径起点处的激光产生单元产生的原始
激光束，所述光学路径包含光传输介质；将原始激光束递送到定位在钻井孔内的光学组件；利用光学组件操纵原始激光束，以输出相对于光学组件的中心轴偏移的基本上矩形的光束；以及使光学组件绕中心轴旋转。光学组件的旋转将引起偏移的光束旋转，由此将基本上矩形的光束递送到地层，从而在地层中钻掘一个基本上圆形的孔。所得孔的直径大于原始激光束的直径。
21.在各种实施例中，所述方法包含以下步骤：在钻探作业期间利用冲洗喷嘴冲洗旋转激光束的路径。所述方法还可包含以下步骤：抽吸在钻探作业期间产生的任何粉尘、蒸汽或其它碎屑。
22.在一些实施例中，利用光学组件操纵原始激光束的步骤包含：对原始激光束进行准直以形成准直激光束；使准直激光束传递通过第一透镜以输出细长卵圆形激光束；使细长卵圆形激光束传递通过第二透镜以将细长卵圆形激光束准直；使准直卵圆形激光束传递通过第一三棱镜以相对于光学组件的中心轴弯曲卵圆形激光束；以及使弯曲后的激光束传递通过第二三棱镜。这最后一个步骤将校正并输出相对于光学组件的中心轴偏移的基本上矩形的光束。
23.在各种实施例中，操纵原始激光束的步骤包含：调整第一和第二三棱镜之间的距离以修改激光束相对于光学组件的中心轴偏移的距离，调整第一和第二透镜之间的距离以调整准直卵圆形激光束的粗细，或这两者。
24.所述方法可包含其它步骤，例如，在工具的操作期间使用一个或多个传感器监测钻井孔中的一个或多个环境条件，以及基于所述一个或多个环境条件输出信号。
25.定义
26.为了使本公开更容易理解，下面首先对一些术语进行定义。下列术语和其它术语的额外定义将在整个说明书中加以阐述。
27.在本技术中，除非自上下文可知为其它情况，否则术语“一”可理解为意指“至少一个/一种”。如本技术中所使用，术语“或”可理解为意指“和/或”。在本技术中，术语“包括”和“包含”可理解为涵盖详细列举的组件或步骤，无论是单独呈现还是连同一个或多个额外的组件或步骤一起呈现。如本技术案中所使用，术语“包括(comprise)”和该术语的变体(例如“comprising”和“comprises”)并不意图排除其它添加物、组件、整数或步骤。
28.约、大致：如本文中所使用，术语“约”和“大致”等同使用。除非另外说明，否则术语“约”和“大致”可理解为允许存在所属领域的一般技术人员所理解的标准偏差。在本文提供范围的情况下，端点被包含在内。本技术中结合或未结合约/大致使用的任何数字均意图涵盖相关领域中一般技术人员所了解的任何正常波动。在一些实施例中，除非另行说明或上下文中显而易见(此类数字超过可能值的100％除外)，否则术语“大致”或“约”是指在所述参考值的任一方向上(大于或小于)与其相差不超过25％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或更小的一系列值。
29.在钻井孔附近：如本技术中所使用，术语“在钻井孔附近”是指钻井孔中或钻井孔周围岩层的区域。在一些实施例中，“在钻井孔附近”是指邻近钻井孔开口的地面区域，并且可与钻井孔相隔例如不到35米(m)(例如，与钻井孔相隔不到30米、不到25米、不到20米、不到15米、不到10米或不到5米)。
30.基本上：如本文中所使用，术语“基本上”是指展现感兴趣的特征或性质的全部或接近全部范围或程度的定性条件。
31.所公开的系统和方法的这些和其它目标连同其优点和特征将通过参考以下描述和附图而变得显而易见。此外，应了解，所描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可按各种组合和排列存在。
附图说明
32.在附图中，相似的参考标号在不同视图中通常是指相同的部分。另外，附图未必按比例绘制，重点反而主要在于示出所公开的系统和方法的原理，而非意在限制。为清楚起见，可能没有在每个附图中都标记出每个组件。在以下描述中，参考以下各图描述各种实施例，附图中：
33.图1是根据一个或多个实施例的井下高功率激光钻孔和冲洗系统及相关方法的示意图；
34.图2是根据一个或多个实施例的光学操纵系统及相关方法的经放大和分解的示意图；
35.图3是根据一个或多个实施例的冲洗系统的一部分及相关方法的经放大和分解的示意图；
36.图4是根据一个或多个实施例的井下高功率激光钻孔和冲洗系统的设置的图形表示；以及
37.图5是根据一个或多个实施例的图4的设置结果的图形表示。
具体实施方式
38.图1描绘了用于激发地层12的井下高功率激光钻孔和冲洗系统10及相关方法的一个实施例。系统10包含激光源16和经由线缆组件18与激光源16通信的激光工具组件20。激光源16位于地面30上钻井孔14附近且配置成提供：在钻井孔14内定位和操纵工具组件20的构件；冲洗组件26的控件和流体(气体或液体)源；以及用于将激光能量递送到光学组件24的控件和构件。线缆组件18为工具组件20提供电源(电力)，并且包含诸如光纤之类的光传输介质，用于将激光能量传输到工具20。线缆18被包覆以防受到井下环境的影响，其中线缆套管可由任何市售的材料制成，以保护线缆18免遭高温、高压并使线缆18免受流体/气体/颗粒的侵入。
39.激光工具20包含光学组件24，所述光学组件包含诸如透镜、棱镜和准直器之类的各种光学组件，并且参照图2更详细地描述。冲洗组件26包含参照图3更详细地描述的一个或多个喷嘴，还包含旋转系统28的至少一部分。
40.图2描绘用于操纵由激光源16产生的原始激光束25的光学组件24的分解视图。一般来说，从地面30产生的原始激光束25将通过线缆组件18内的光传输介质22传播，进入光学组件24。如图所示，光学组件24包含准直器50，所述准直器联接到光传输介质22以接收原始激光束25并输出具有所需直径的准直光束52。随后将准直光束52传递到一对平凹透镜54a、54b和一对三棱镜56a、56b；然而，在所公开的系统和方法的范围内预期并考虑了其它类型的透镜和棱镜。准直光束52将传播到第一平凹透镜54a，并将在通过第一平凹透镜54a
定相后开始在一个轴上收缩，从而将光束52的形状变为细长卵圆形。第二平凹透镜54b将准直这个细长卵圆形光束。这两个平凹透镜54a、54b之间的距离(x)是可调的，并且将决定光束形状的粗细，从而控制光束的强度。
41.整形后的准直光束52'传播到第一三棱镜56a，且向下弯曲并被引向第二三棱镜56b，第二三棱镜将校正弯曲，获得所需的偏移光束58。三棱镜56a、56b之间的距离(x')也是可调的，并且通过控制棱镜之间的距离，可以控制偏移距离(y)。在一些实施例中，光束被偏移以免在旋转过程中使光束的运动重叠，从而更好地控制对地层的热输入。如先前描述的，光学组件24可包含一个或多个调整机构60。在一些情况下，棱镜、透镜或两者均可联接到电动轴，此电动轴作为调整机构的一部分进行电动驱动。通常而言，考虑到钻井孔尺寸、工具尺寸、通过光纤递送的原始激光束尺寸、所需输出光束尺寸以及工具在钻井孔内的定向，x、x'和y尺寸将根据特定应用而变化。例如，如果工具垂直于孔，那么运动将受限于钻井孔直径。例如，对于直径为7英寸的孔，x、x'和y应在小于7英寸之内移动。然而，如果工具设置在与钻井孔平行的长钻井孔中，那么移动的竖直距离要大得多，并且x、x'和y可以在约1英寸到12英寸的范围内。
42.在一些实施例中，光学组件的外壳32可包含盖透镜62，例如通过防止粉尘和蒸汽进入工具外壳32来保护光学组件24。前面描述的各种光学组件可以是任何材料，例如玻璃、塑料、石英、晶体或能够承受它们所经受的环境条件的其它材料。任何透镜的形状和曲率可由本领域的技术人员基于井下激光系统10的应用来确定。
43.冲洗组件26中包含旋转系统28的部分在图3中描绘，并且包含用于将冲洗介质(气体或液体)36的流体递送到钻井孔14中在偏移激光束58附近的区域的一个或多个喷嘴34。在一些实施例中，激光工具20还可包含一个或多个真空喷嘴34'。冲洗喷嘴34可发射能够从工具20前方清除粉尘和蒸汽的任何冲洗介质36。冲洗介质可包含任何气体，如空气或氮气，或者液体，如水基或油基泥浆。一般来说，在液体或气体之间选择冲洗介质36可以基于含烃地层12的岩石类型及储层压力进行。冲洗介质36应允许激光束58以最小或无损耗的方式到达含烃地层12。在一些实施例中，冲洗介质36可以是非反应性、非破坏性气体，例如氮气。当储层压力较低时，气体冲洗介质也适用。在各种实施例中，冲洗喷嘴34可按照开启周期和关闭周期的循环操作。当激光束58由激光产生单元16的开启周期控制而释放时，可以发生开启周期。在一些实施例中，冲洗喷嘴34可在连续模式下操作。
44.真空喷嘴34'(若包含)可吸入或抽吸粉尘或蒸汽，例如，由含烃地层12通过激光束58升华产生的粉尘或蒸汽。可以将粉尘或蒸汽清除到地面并进行分析。粉尘或蒸汽的分析可包括确定例如含烃地层12的岩石类型，或地层12内包含的流体类型。在一些实施例中，可在地面30处理粉尘或蒸汽。本领域的技术人员将了解，取决于例如粉尘和蒸汽的量，真空喷嘴34'可包含一个、两个、三个、四个或更多个喷嘴。真空喷嘴34'的尺寸可取决于要去除的粉尘或蒸汽的体积和系统的物理要求。在一些实施例中，真空喷嘴34'可按照开启周期和关闭周期的循环操作。当激光束58和冲洗喷嘴34由激光产生单元16控制而不在工作时，可以发生开启周期。激光束58和冲洗喷嘴34的关闭周期可允许真空喷嘴清理路径，使得激光束58具有从工具20到地层12的无障碍路径。在一些实施例中，真空喷嘴34'可在连续模式下操作；然而，当冲洗喷嘴34发射液态冲洗介质36时，真空喷嘴34'将不工作。
45.如先前所公开的，冲洗组件26还包含旋转系统28。旋转系统28包含设置在工具外
壳32的一端或工具外壳的中间点处的圆形外壳38，所述中间点将工具外壳32分成第一和第二部分。旋转系统28设置在光学组件24上游，以便允许光学组件24相对于系统10的其余部分旋转。
46.在至少一个实施例中，圆形外壳38包含沿着外壳38的周界设置的至少一个开口或凹槽40。旋转系统28还包含设置在开口40内或以其它方式邻近外壳38的至少一个翼片42。在各种实施例中，存在多个翼片42围绕外壳38的周界间隔开。翼片42可以围绕外壳38的周界均匀地间隔开，或者以设定模式布置以适应特定应用。旋转系统32还可根据需要包含可选的罩盖44和密封件46，以保护工具20的内部工作免受井下环境影响。罩盖44和密封件46还可以帮助引导冲洗介质36的流动。
47.通常而言，旋转系统32设计为通过由所述一个或多个喷嘴34供应的冲洗介质36流经外壳38而进行旋转。在一些实施例中，外壳38可由一个或多个互连圆环48组成，圆环的间距限定了凹槽40。在各种实施例中，翼片42可加工成圆形外壳38。当冲洗介质36到达凹槽40时，它会使光学组件旋转，进而使偏移激光束58旋转。冲洗喷嘴与工具成一角度，也称为倾斜，以使工具在一个方向上旋转。
48.返回参考图1，线缆18将激光能量连接到井下工具20，所述井下工具包含光学组件24和旋转系统28。光学组件24将原始的圆形激光束25转换成直线光束58，也称为矩形光束。旋转系统28使光束58旋转并产生环形形状66，光束与冲洗系统24一起旋转，所述冲洗系统与工具成一角度倾斜以形成倾斜的冲洗流68，从而去除在激光束58附近的碎屑。旋转激光束58产生圆形图案以形成孔64。取决于工具尺寸和钻井孔内的工具移动空间，光束的直径范围可以为约2英寸至12英寸。可进一步操纵工具20进行竖直或水平钻孔和岩石穿透。工具可部署到约5,000英尺至10,000英尺的深度，且在一些实施例中，根据各种条件，甚至可以部署得更深。通常而言，激光束58将向地层引入热输入(热)，削弱并破坏颗粒之间的粘结和胶结，然后使用冲洗组件26将这些颗粒冲开。冲洗流体36对激光束波长透明。本领域的技术人员将了解，需要消除激光束58的路径中的粉尘和碎屑，因为它们可能会干扰、弯曲或散射激光束58。
49.一般来说，井下激光工具系统10的构造材料可以是任何类型的材料，这些材料可以耐受现有钻井孔14内可能经历的高温、高压和高振动，并且可以保护系统免受流体、粉尘和碎屑的影响。本领域的普通技术人员将熟悉合适的材料。
50.激光产生单元16可以激发能量到高于含烃地层12的升华点的水平，并作为原始激光束25输出。本领域的技术人员可确定使含烃地层12升华所需的激光束的激发能量。在一些实施例中，可调谐激光产生单元16以根据不同含烃地层12的需要将能量激发到不同水平。含烃地层12可包含石灰岩、页岩、砂岩或含烃地层中常见的其它岩石类型。设置在线缆18内的光纤22将传导激光束25，从而使原始激光束传递通过旋转系统28和光学组件24以输出偏移激光束58。释放的激光束58可以穿透钻井孔套管、水泥和含烃地层12以形成例如孔或隧道。
51.激光产生单元16可以是能够产生高功率激光束的任何类型的激光单元，例如，镱、铒、钕、镝、镨和铥离子的激光器，所述高功率激光束可以通过光纤线缆22传导。在一些实施例中，激光产生单元16包含例如5.34-kw掺镱多包层光纤激光器。在一些实施例中，激光产生单元16可以是能够以最小损耗递送激光的任何类型的激光器。激光产生单元16的波长可
由本领域的技术人员根据穿透含烃地层的需要确定。
52.在一些实施例中，激光产生单元16在运行模式下操作，直到达到所需穿透深度。运行模式可由例如循环模式或连续模式限定。运行模式的持续时间可基于含烃地层12的类型和所需穿透深度。需要以循环模式作为运行模式的含烃地层12包含例如高石英含量的砂岩，例如贝雷(berea)砂岩。需要以连续模式作为运行模式的含烃地层12包含例如石灰石。所需穿透深度可以是所需隧道深度、隧道长度或隧道直径。所需穿透深度由应用和含烃地层12的质量决定，所述质量例如是地质材料或岩石类型、隧道目标直径、岩石最大水平应力或岩石抗压强度。在一些实施例中，井下激光系统10可用于深度穿透到含烃地层。深度穿透可涵盖进入含烃地层12超过六(6)英寸的任何穿透深度，并且可包含一、二、三或更多英尺的深度。
53.在一些实施例中，当运行模式构成循环模式时，激光产生单元在开启周期和关闭周期之间循环，以避免例如井下激光系统10的一个或多个组件过热，并清理激光束58的路径。在此上下文中的循环包含在开启周期(当激光产生单元16产生高功率激光束时)和关闭周期(当激光产生单元16不产生高功率激光束时)之间来回切换。开启周期的持续时间可以与关闭周期的持续时间相同，可以长于关闭周期的持续时间，可以短于关闭周期的持续时间，或者可以是任意组合。每个开启周期和每个关闭周期的持续时间可以根据所需穿透深度、通过实验或通过此二者确定。在一些实施例中，激光产生单元16是可编程的，使得计算机程序运行以使激光源16循环。
54.影响开启周期和关闭周期持续时间的其它因素包含例如岩石类型、冲洗方法、光束直径和激光功率。在一些实施例中，可在将激光工具20降到现有钻井孔14中之前，对含烃地层12的岩石类型代表进行实验。例如，参见图4和5。可进行此类实验，以确定每个开启周期和每个关闭周期的最佳持续时间。在一些实施例中，开启周期和关闭周期可以持续1到5秒。在一些特定实施例中，激光束穿透贝雷砂岩的含烃地层，其中开启周期持续四(4)秒，且关闭周期持续四(4)秒，进而产生的穿透深度将约为十二(12)英寸。
55.在一些实施例中，运行模式是连续模式。在连续模式中，激光产生单元16保持处于开启周期，直到达到所需穿透深度为止。在一些实施例中，运行模式的持续时间由连续模式的持续时间限定。激光产生单元16可以是一种预期运行数小时才需要维护的类型。含烃地层12的特定岩石类型可通过实验、通过地质方法或通过分析从含烃地层12采集的样品来确定。
56.激光系统10还可包含将工具20降低到钻井孔14内的所需高程的运动系统。在各种实施例中，运动系统可以与激光产生单元16进行电通信或光通信；这样，运动系统可以将其在钻井孔14内的高程传递给激光产生单元16，并且可以从激光产生单元16接收高程目标。运动系统可将工具20向上或向下移动至所需高程，并且可包含例如液压系统、电气系统或电机操作系统以驱动工具20进入所需位置。在一些实施例中，运动系统的控件被包含为激光产生单元16的一部分。在一些实施例中，激光产生单元16可编程为仅基于指定的高程目标和位置目标来控制工具20的放置。在一些实施例中，工具20可以从激光产生单元16接收高程目标并移动到高程目标。
57.在各种实施例中，激光系统10(具体而言是工具20)可包含一个或多个传感器，以用于监测钻井孔14中的一个或多个环境条件或井下工具20的一个或多个条件，以例如监测
钻井孔14中的温度、工具20的表面温度、钻井孔14的壁的机械应力、工具20上的机械应力、钻井孔14中的流体流量、钻井孔14中碎屑的存在情况、钻井孔14中的压力，或辐射、磁场。在一些实施例中，传感器可以是光纤传感器，例如光纤热传感器。在一些实施例中，传感器可以是声学传感器。
58.另外，在各种实施例中，工具20可包含一个或多个扶正器，以用于保持工具20在钻井孔14内的所需位置。扶正器可以是金属、聚合物或任何其它合适的材料。本领域的普通技术人员将熟悉合适的材料。在一些实施例中，扶正器可包含弹簧或阻尼器，或这两者。在一些实施例中，扶正器包含一块实心可变形材料，例如聚合物或可膨胀封隔器。在一些实施例中，扶正器是或包含液压或气动装置。
59.图4描绘了井下激光系统100的示例性设置。图4中所描绘的激光系统100是一个特殊的实验室设置，以用于模拟现场条件，并使用光学旋转台和倾斜角度来应用相同的工作原理。如图所示，激光源由激光头120提供，激光头将受控激光束递送到岩石样品170。还显示了与样品170成一角度布置的冲洗系统126，其中该角度以一定角度提供气体或流体流动，从而使碎屑冲离激光束。如果沿与激光束相同的路径冲开碎屑，那么碎屑将吸收能量，从而导致要递送到地层的能量减少，这会导致钻孔能力下降。
60.样品170安装在旋转台128上，以提供样品170相对于细长光束158的旋转，其中旋转和冲洗是同时进行的。这种情况下使用的激光能量约为2kw，旋转约为3rpm，并且实验时间约为120秒。图5描绘了根据所公开系统的一个实施例在砂岩地层中进行倾斜冲洗和细长光束钻孔的结果(孔164)。相同的原理可应用于本文公开的所有其它应用和地层类型。
61.激光系统10的至少一部分及其各种变型可至少部分地由计算机程序产品控制，例如有形地体现在一个或多个信息载体中的计算机程序，例如体现在一个或多个有形机器可读存储介质中，以供数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作，数据处理设备例如是本领域的普通技术人员熟悉的可编程处理器、一台计算机或多台计算机。
62.预期本技术的系统、装置、方法和过程涵盖使用随附描述中所描述的实施例的信息开发的变型和调适。本说明书中描述的方法和过程的调适或修改可由相关领域的一般技术人员执行。
63.贯穿说明书，其中的组合物、化合物或产物被描述为具有、包含或包括特定组分，或其中的过程和方法被描述为具有、包含或包括特定步骤，此外，还预期存在本技术的基本上由所述组分组成或由所述组分组成的物品、装置和系统，并且存在根据本技术的基本上由所述处理步骤组成或由所述处理步骤组成的过程和方法。
64.应理解，步骤的次序或用于进行某些动作的次序并不重要，只要所描述的方法保持可操作即可。此外，可同时进行两个或更多个步骤或动作。