复合光子脉冲压裂工具和相关方法与流程

复合光子脉冲压裂工具和相关方法
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“复合光子脉冲压裂工具和相关方法(hybrid photonic-pulsed fracturing tool and related methods)”的第16/439,405号美国专利申请的优先权和权益，所述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.本技术涉及使用高功率激光和化学品来激发含烃地层的复合工具以及相关系统和方法。


背景技术：

4.井眼激发是石油工程的一个分支，专注于如何促进烃类从地层流到井眼以供产出。为了从目标地层产出烃类，地层中的烃类需要从地层流到井眼，以便产出并流向地面。从地层到井眼的流动是借助于地层渗透来实现的。当地层渗透率较低时，进行激发来促进流动。可在井眼周围和地层中进行激发，以在地层中构建网络。激发的第一步通常是对套管进行射孔以及固井以到达地层。对套管进行射孔的一种方式是使用聚能装药。将聚能装药降到井眼中，到达目标释放区。聚能装药的释放会形成穿透钢套管、水泥并进入地层的短隧道。
5.使用聚能装药有几个缺点。例如，聚能装药会在隧道周围形成致密层，这会降低渗透率，从而减少产量。聚能装药的高速冲击会使岩层粉碎并产生堵塞地层孔喉的非常细小的颗粒，从而减少流量和产量。有可能在隧道中形成熔体。由聚能装药形成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存在限制。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由聚能装药形成的隧道泵送流体。流体以超过使地层和岩石破裂和压裂的地层破裂压力的速率泵送，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流体进行。水力压裂液可能会破坏地层，尤其是页岩。水力压裂在地层中产生裂缝，从而在地层与井眼之间形成网络。
7.水力压裂还有几个缺点。首先，如上所述，水力压裂可能会破坏地层。另外，压裂的方向无法控制。众所周知，裂缝会闭合。由于管路中的水压很高，所以地面上存在风险。还存在与添加到水力压裂液中的组分以及水力压裂所需的数百万加仑的水的需求有关的环境问题。
8.井下应用中还可以使用高功率激光系统，以通过例如激光钻出干净、可控的井来激发地层。激光钻井通常可以节省时间，因为激光钻井不像常规钻井那样需要管道连接，而且是一种更环保的技术，排放量要少得多，因为激光是电动的。然而，对于有效的井下使用，激光工具的放置和操纵性也存在限制。


技术实现要素：

9.一般来说，本公开涉及复合工具在井眼与含烃地层之间建立连通以产出烃类流体
的地下应用。所公开的工具将高功率激光与使用通过化学反应生成的脉冲能量的压裂技术组合。高功率激光可以用于在任何方向和定向上钻入地下，而不考虑应力大小。所述工具包括用于储存和输送化学品的一个或多个室，这些化学品会发生反应，以生成高压和高温，从而形成压裂网络。这种技术实现了独特的无水压裂，并且会最大限度地提高产量。这种技术可以用于常规和非常规储层。本公开还涉及用于在不同配置中使用复合工具以及用于解锁储层并增加激发的储层体积以增加产量的不同应用的不同系统和方法。
10.所公开的方法可以用一种工具对地层进行钻探和压裂，这包括两种技术，其组合以通过例如控制压裂深度和位置来解锁潜在储层，这实现了多种新的采收方法。所述技术包括将激光与化学品组合以执行多级压裂，而其它技术需要不同的工具来执行单个操作，例如，需要一种用于射孔或钻井的激光工具，以及用于使用化学品来压裂地层的另一种工具。
11.一般来说，本公开的井下复合工具优于已知技术，因为它不需要水力压裂，从而限制了对稀缺淡水资源的需求；通过改善压裂网络提高了致密储层的产量；并且能够通过控制工具定向和压裂深度来绕过地层内的非产油区。
12.一方面，本技术涉及一种用于激发含烃地层的复合工具。所述工具包括：细长工具主体，所述细长工具主体具有一个或多个化学品室；以及激光头，所述激光头联接到所述工具主体的远端并且被配置成在地层的井眼内操作。
13.所述化学品室包括：储存装置，所述储存装置用于储存用于反应和输送到井眼的至少一种化学品；以及输送装置，所述输送装置用于将化学反应的产物输送到井眼。所述激光头包括：一个或多个光传输介质，所述一个或多个光传输介质是源自被配置为生成原始激光束的激光生成单元的光学路径的一部分，所述一个或多个光传输介质被配置为传送所述原始激光束；以及光学组件，所述光学组件联接到所述光传输介质并且被配置为对激光束进行整形以供输出。
14.在前述方面的各种实施例中，所述化学品室还包括混合室，所述混合室安置在所述化学品室中并且被配置为接收储存在所述化学品室内的化学品。所述化学品室的储存装置可以包括：两个容器，所述两个容器被配置为储存用于混合的两种或多种化学品；活塞，所述活塞被配置为在所述两个容器内推进以将所述化学品从所述两个容器排出到所述混合室；以及单向阀，所述单向阀安置在所述两个容器中的每一个容器的远端，并被配置为将所述化学品传送到所述混合室。
15.在一些实施例中，所述输送装置包括一个或多个减压阀，所述一个或多个减压阀安置在所述化学品室的壁中，所述化学品室自身可以包括旋转组件，所述旋转组件用以使所述化学品室和输送装置朝向期望目标定向。所述化学品室还可以包括加热装置，所述加热装置用于触发储存在所述加热装置中的一种或多种化学品的反应。
16.在各种实施例中，所述激光头包括外壳，所述外壳容纳所述光学组件的至少一部分，且被配置为在井眼内移动以相对于井眼引导所述激光束。所述激光头还可以包括多个定向喷嘴，所述多个定向喷嘴围绕所述激光头的外周安置，且被配置为向所述激光头提供推力以控制所述工具在井眼内的运动和定向。在一些实施例中，所述多个定向喷嘴可移动地联接到所述激光头，以允许所述定向喷嘴相对于所述激光头旋转或枢转，从而至少向所述激光头提供前向运动、反向运动、旋转运动或其组合。
17.所述激光头还可以包括冲洗组件，所述冲洗组件至少部分地安置在所述激光头内或邻近于所述激光头，并被配置为将冲洗流体输送到所述输出激光束附近的区域。在一些实施例中，所述冲洗喷嘴的至少一部分是真空喷嘴，所述真空喷嘴连接到真空源并被配置为从所述输出激光束附近的所述区域去除碎屑和气态流体。所述工具还可以包括至少一个扶正器，所述至少一个扶正器联接到所述工具并被配置为将所述工具保持在井眼中相对于外部套管的位置。
18.在其它实施例中，所述工具包括铰接臂，所述铰接臂安置在所述激光头与所述激光生成单元之间。所述铰接臂可以包括蛇形机器人，所述蛇形机器人具有用于在井眼内操纵所述工具的运动装置。所述运动装置可以包括电动机或液压致动器中的至少一个。所述工具可以包括控制系统，所述控制系统被配置为控制所述工具的移动或操作中的至少一种。
19.另外，所述工具可以包括至少一个旋转组件，所述至少一个旋转组件被配置为使所述激光头或所述化学品室中的至少一个相对于所述工具主体的中心轴旋转。在一些实施例中，所述工具包括多个化学品室和多个旋转系统，其中所述化学品室通过所述旋转系统分开，使得每个化学品室可以独立旋转。
20.另一方面，本技术涉及一种使用工具来激发含烃地层的方法。所述方法包括以下步骤：将复合工具定位在地层中的井眼内，其中所述复合工具包括化学品输送装置和激光头；通过一个或多个光传输介质传送由激光生成单元在光学路径的起点处生成的原始激光束，所述光学路径包括所述一个或多个光传输介质；将所述复合工具的激光头定向在井眼内；将所述原始激光束输送到安置在所述激光头内的光学组件；利用所述光学组件操纵所述原始激光束以产生输出激光束；将所述输出激光束输送到地层；将所述复合工具的化学品输送装置定向在井眼内；触发所述复合工具内的化学反应以生成能量；以及将所述能量输送到井眼。
21.在各种实施例中，所述化学反应是通过加热或混合化学品中的至少一种方式被触发的。所述激光头可以通过使用围绕所述激光头的外周安置的多个喷嘴在井眼内定向。另外，将所述复合工具定位在井眼内的步骤可以是经由铰接臂和传感器实现的。
22.定义
23.为了使本技术更容易理解，下面首先对某些术语进行定义。以下术语和其它术语的其他定义可能示于整个说明书中。
24.在本技术中，除非上下文另外清楚地指出，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”可理解为涵盖详细列举的组分或步骤，无论是单独地还是连同一个或多个其他的组分或步骤一起存在。如本技术中所使用，术语“包括(comprise)”和所述术语的变体(例如“comprising”和“comprises”)并不旨在排除其它添加物、组分、整数或步骤。
25.约、大约：如本文中所使用，术语“约”和“大约”等同使用。除非另外说明，否则术语“约”和“大约”可理解为允许如本领域的普通技术人员所理解的标准偏差。本文中在提供范围的情况下，端点包括在内。本技术中结合或未结合约/大约使用的任何数字均意指涵盖相关领域普通技术人员所了解的任何正常波动。在一些实施例中，除非另外说明或上下文中显而易见(除非此数字超过可能值的100％)，否则术语“大约”或“约”是指在所述参考值的
任一方向上处于25％、20％、19％、18％、17％、16％、15％、14％、13％、12％、11％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％或更小的一定范围的值(比所述参考值大或小)。
26.在井眼附近：如本技术中所使用，术语“在井眼附近”是指井眼中或井眼周围的岩层区域。在一些实施例中，“在井眼附近”是指邻近井眼开口的地面区域，例如距离井眼小于35米(m)(例如，距离井眼小于30米、小于25米、小于20米、小于15米、小于10米或小于5米)。
27.基本上：如本文中所使用，术语“基本上”是指展现全部或接近全部范围或程度的所感兴趣的特征或特性的定性条件。
28.周边：如本文中所使用，术语“周边”是指物体的外边界或周界，而不管其形状，例如，不管它是圆形、椭圆形、矩形还是其组合。
29.本文的系统和方法所公开的这些和其它目标以及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，应当理解的是，所描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，而是可按各种组合和排列存在。
附图说明
30.在图示中，相同的附图标记通常在不同视图中始终指代相同的部分。另外，图示未必按比例绘制，重点实际上主要在于示出所公开的系统和方法的原理，而非旨在限制。出于清楚起见，不是每个部件都可以标记在每一个图中。在以下的描述中，参考以下图中描述的各种实施例，在图中：
31.图1是根据一个或多个实施例的在化学反应期间作为热量的反应物势能的图示；
32.图2是根据一个或多个实施例的复合工具的放大示意图；
33.图3是根据一个或多个实施例的图2中的工具的化学品室的一部分在第一操作阶段时的放大分解示意图；
34.图4是根据一个或多个实施例的图2中的工具的化学品室的该部分在第二操作阶段时的放大分解示意图；
35.图5是根据一个或多个实施例的图2中的工具的化学品室的该部分在第三操作阶段时的放大分解示意图；
36.图6是根据一个或多个实施例的图2中的工具的化学品室的该部分在第四操作阶段时的放大示意图；
37.图7是根据一个或多个实施例的图2中的工具的化学品室的一部分的放大示意图，示出了阀的外部配置；
38.图8是根据一个或多个实施例的复合工具的替代化学品室的一部分的放大示意图；
39.图9a和9b是根据一个或多个实施例的替代复合工具的部分的放大示意图；
40.图10是根据一个或多个实施例的复合井下工具的部署的图示；
41.图11是根据一个或多个实施例的使用复合井下工具的方法的图示；
42.图12是根据一个或多个实施例的由复合井下工具形成的压裂网络的图示；以及
43.图13a和13b是由复合井下工具形成的用于在竖直或水平定向上流动的压裂网络的图示。
具体实施方式
44.本技术涉及用于在井眼与含烃地层之间建立连通以提高常规和非常规储层的产量并提高采收率的工具以及相关系统和方法。本技术的技术为数种井下激发和应用提供非破坏性的替代手段，包括钻井、开槽(notching)和起裂。通常，激光工具与安置在工具主体中的化学品室组合，所述化学品室可以排出化学品，这些化学品在混合或触发时增能以向地层输送压力和温度能量。这种能量可用于不同的模式和架构，以在致密地层与井眼之间建立连通，从而产出烃类。
45.图1以图形描绘在化学脉冲反应期间作为热量释放的化学反应物势能。通常，化学品的原子和分子具有可用于不同应用的能量。一些化学反应能够以不同形式释放能量，例如热量，这被称为放热反应。如果反应在恒定温度和恒定压力下进行，则可以测量通过放热反应释放的热量。在化学中，释放的热量被称为焓，并且可以通过等式1描述：
46.δh＝h
产物-h
反应物
(其中h＝热量)。
47.许多放热反应在反应产物中产生气体。由于气体释放产生的压力，这些类型的反应可以对其周围环境起作用，如等式2所示：
48.w＝-pδv(其中w＝功，p＝压力，并且v＝体积)
49.另外，可以使用本领域的技术人员所知的理想气体定律来计算释放气体的压力和体积：pv＝nrt。
50.因此，基于前述信息，可以使用化学反应来产生可用于在地层中形成裂缝的能量，并且可以估算反应的压力和温度。
51.下文是通过将化学品混合在一起而产生气体的化学反应的示例。如以下反应所示，亚硝酸钠(nano2)和氨基磺酸(hso3nh2)的反应会产生氮气(以及硫酸氢钠和水)：.
52.nano2 hso3nh2→
n2 nahso4 h2o。
53.如以下反应所示，碳酸氢钠(nahco3)与乙酸(hc2h3o2)之间的反应会产生二氧化碳气体(以及乙酸钠和水)：
54.nahco3 hc2h3o2→
nac2h3o2 h2o co2。
55.一些化学品需要加热才能开始反应，例如亚硝酸铵(nh4no2)的分解。此反应在室温下会非常缓慢地进行；然而，如以下反应所示，如果在约60℃-70℃的温度下触发，则反应会发生得非常快，从而产生极大量的氮气：
56.nh4no2＝》n2 h2o。
57.如以下反应所示，另一示例为叠氮化钠(nan3)的分解，这需要约300℃的温度才能开始反应：
58.2nan3＝2na 3n2。
59.图2描绘根据一个或多个实施例的复合工具100。如图所示，工具100包括细长主体102，在一些实施例中，细长主体102包括铰接臂101，下文将更详细地描述。图2还描绘了连接到工具主体102的远端的激光头104。工具主体102还包括被隔绝并且被用于储存和混合化学品的一个或多个化学反应室106。在一些实施例中，沿着工具主体102的长度，有多个均匀间隔开的室106；然而，可选择数量和间距以适应特定应用或储层。例如，如果工具100用于致密储层，则室106的间距会更近，室106的数量也会更多。图3-8将更详细地描述室。
60.参考图2、9a、9b和10，激光头104(图9a中的904)包括通过电缆组件(图10中的546、
图9a中的946)与激光生成单元(图10中的544)连通的光学组件105(图9a中的905)，所述激光生成单元544位于井眼544附近的地面542上，并且被配置为提供：用以在井眼540内定位并操纵工具组件100、500、900的装置；用于冲洗组件107(图9b中的907)的控制器和流体(气体或液体)源，以及用于向光学组件105输送激光能量的控制器和装置。电缆组件546为工具100、500、900提供能源(电力)，并且包括用于将激光能量传输到工具的光传输介质，例如光纤。电缆被包裹起来以免受井下环境的影响，其中电缆套管可以由任何市售材料制成，以保护电缆免受高温、高压和电缆的流体/气体/颗粒侵入的影响。
61.通常，激光头104(图9b中的904)包括保护外壳，根据一些实施例，所述保护外壳是由玻璃或蓝宝石材料形成的透明外壳。在一些实施例中，只有外壳的远端是透明的或包括用于发射输出光束109(图9a中的909)的盖板玻璃。电缆546的原始激光输出端可操作地连接到外壳内的光学组件105。光学组件105用于对输出激光束109进行整形并将其输送到井眼。
62.光学组件105、905可根据需要包括各种光学部件，例如透镜、棱镜和准直器，以对期望的输出光束109、909进行整形和调整大小。在一些实施例中，盖板玻璃还通过，例如防止灰尘和蒸汽进入激光头104，来保护光学组件105。先前描述的各种光学部件可以是任何材料，例如玻璃、塑料、石英、晶体或能够承受所述光学组件所经受的环境条件的其它材料。本领域的技术人员可基于井下激光系统的应用来确定任何透镜的形状和曲率。
63.在一些实施例中，除了用于光束输送的光纤110之外，电缆546还包括用于加热的另一条低功率光纤电缆112。电缆112的功率可以小于5kw。电缆112具有两个功能：温度和压力的测量与记录；以及为化学反应生成热量。电缆112在工具100上的特定放置可以变化以适应特定应用。在一些实施例中，电缆112安置在化学品室106的外表面上以直接向室106提供热量。
64.图2所描绘的工具100被配置为通过任何服务提供商，使用本领域已知的螺线管单元、测井电缆或牵引器降到井下。工具100包括铰接臂101，铰接臂101有时被称为“蛇形机器人”。光纤电缆110、112可以嵌入铰接式机器人臂101(图9a中的901)中，其中所述臂由电力或液压致动器提供动力，并且工具100、900的定向由下文将描述的定向装置111(图9b中的911)控制，或者在工具内置有电机以定向所述工具的情况下由所述工具自身控制。
65.另外，不仅光纤电缆，而且主电缆546或其至少一部分可被安置或嵌入机器人臂101内。工具100或其一部分(例如，激光头104)还可包括用于温度和压力记录的一个或多个低功率光纤传感器，以及围绕激光头104的周边的一个或多个声学相机(图9b中的903)。相机的功能是使激光头104和周围区域可视化，同时表征地层。从声学捕获的数据(除了图像)是在地层内传播和反射的声波的速度，其可用于计算地层的力学性质、预测地层稳定性、评估工具性能以及支持工具定向和故障排除。
66.通常，声学传感903可以在钻井时提供信息，并通过测量地层密度来引导工具(类似于地质导向)。通过了解密度，也可以了解地层和结构。集成声学提供高清晰度的储层表征和绘图。例如，当工具100穿透地层时，所述工具会将实时数据发送到地面给操作员，操作员可以教导工具100坚持特定的密度范围而不穿透其它范围，例如介于2.2到2.6克/立方厘米(g/cc)之间的砂岩密度范围，因此所述工具将遵循并仅穿透砂岩，同时提供砂岩结构的绘图。声学还通过声学相机提供视觉。这些特征使工具100能够仅针对烃类层。并且，通过声
学提供的信息可用于计算地层的力学性质并生成断层图像。机器学习还可用于“教导”工具如何通过声学和光纤传感器913提供的信息对地层进行自导航。
67.工具100可以被编程为在指定的岩石密度下进行导航和钻井，其中使用声学传感和声波作为监控工具来引导蛇形机器人。更具体地说，工具100将发送和接收声波，并且根据速度差，工具可以被引导到目标地层或识别特定的地下结构，因为数据被直接发送到地面以控制蛇形机器人，或者蛇形机器人可以预先编程，以基于这些声波分析速度和转向。如上所述，本技术的蛇形机器人和声学传感的更多细节在图9a和9b中描绘。
68.此外，工具100还可包括多个定向喷嘴111、911和冲洗系统107、907。工具100、900还包括扶正器或封隔器114、914以扶正工具100、900并在需要时隔离区，以便在到达目标后在所述区中执行特定任务。扶正器114、914可以根据需要安置在沿着工具100、900的各个点以适应特定应用。扶正器114、914支撑工具主体的重量并且可以根据需要沿着工具100、900间隔开以容纳更深地延伸到地层中的工具100、900。扶正器114、914可以是金属、聚合物或任何其它合适的材料。本领域普通技术人员将熟悉合适的材料。在一些实施例中，扶正器114、914可包括弹簧或阻尼器，或这两者。在一些实施例中，扶正器包括可变形材料的实心件，例如聚合物或可膨胀封隔器。在一些实施例中，扶正器或包括液压装置或气动装置，例如气囊。
69.工具100的特征之一是其对激光头104在井眼内的运动和位置的精确控制。工具100也可以通过蛇形机器人定位和定向。还提供了用于感测工具100在井眼内的定向和位置的装置，此类装置包括本领域技术人员已知的各种传感器和成像。
70.在所示的实施例中，定向装置111、911包括围绕激光头104、904的外周安置的多个喷嘴。喷嘴可以通过固定的(例如，通过紧固件或粘合)或可移动的(例如，通过球形接头或伺服电机)已知机械装置联接到激光头104、904的外壳。通常，喷嘴将可移动地联接到激光头104、904并通过控制系统以及扩展工具100/900进行控制以向激光头104、904提供前向、反向或旋转运动。
71.通常，通过控制流体(液体或气体)穿过喷嘴的流动来定向工具100/头部104。例如，通过引导流体在向后面的方向上(与输出激光束109的方向相反)流动，工具100将通过利用推力作用在井眼中向前推动，其中喷嘴的开口面向工具头104的相反方向并且流体向后流动，从而提供使工具100向前移动的推力。控制流动速率可以控制工具100在井眼内的速度。用于提供推力的流体可以从地面供应并通过包括在电缆546内的流体管线输送。
72.在一些实施例中，在激光头104周围有四(4)个均匀间隔开的喷嘴，并且每个喷嘴可以被单独控制。例如，如果仅打开一个喷嘴，则工具100将在与喷嘴相反的方向上转动。转动程度取决于来自所述喷嘴的受控流动速率。如果所有喷嘴都均匀打开，则工具将取决于喷嘴的位置线性向前或向后移动。例如，参见图9b。
73.如前所述，例如，喷嘴可以通过带有回转接头的伺服电机可移动地安装到激光头104，所述回转接头可以控制喷嘴端是面向后(前向运动)、面向前(反向运动)还是与工具100的中心轴148(图9a中的948)成一定角度(旋转运动或线性运动和旋转运动的组合，取决于喷嘴相对于中心的角位移)。例如，如果喷嘴垂直对齐于中心轴148，则喷嘴将仅提供旋转运动。如果喷嘴平行于中心轴148，则喷嘴将仅提供线性运动。相对于中心轴148的任何其它角位置可以提供旋转运动和线性运动的组合。
74.返回参考图2，冲洗组件107包括多个冲洗喷嘴，所述多个冲洗喷嘴安置在激光头104内或激光头104附近并且被配置为从激光头的外表面以及激光头104附近的区域去除灰尘或其它颗粒以使激光束109的路径不受阻碍，因为碎屑会吸收能量，导致输送到地层的能量减少。另外，碎屑可能会污染切割区域并损坏激光头104或者干扰、弯曲或散射激光束109。合适的冲洗流体可以是气体(例如，高压空气)，或者液体。冲洗流体应对激光束波长透明。根据各种实施例，喷嘴的至少一部分是真空喷嘴，所述真空喷嘴连接到真空源并适于从激光头104的外部周围去除碎屑和气态流体。
75.图3-8更详细地描述了化学品室106、206。图3描绘了用于在预混合阶段混合和触发反应的单个室，其中化学品在分开的储存容器218a、218b中。通常，每个室包括安置在其一端的旋转组件230，以根据需要将室旋转到目标位置。在一些实施例中，室可以在降低工具200之前预旋转到设置位置或通过从地面控制的电力或液压动力原位旋转。旋转组件230可用于使室206相对于工具主体102和其它室旋转。
76.每个室206还可以包括扶正器214以将工具扶正并锁定在期望的目标位置以确保准确的操作和定向。包括用以将化学品推入储存区域216中的活塞228。如图3所示，储存区域216包括分离器/分隔器217以将区域216分离成第一化学品储存容器218a和第二化学品储存容器218b。这种布置使用在通过混合触发这些化学品的情况中，并且储存容器包括一个或多个单向阀222以允许由活塞228推动的化学品进入混合室224中。室206还包括预设在一定压力下的减压阀208，其作用类似于爆破片，以允许加压气体释放到地层中。在一些实施例中，减压阀208可预设为在200psi下释放，其中反应可生成4000psi的压力。
77.室206的一端包括额外的旋转头231以辅助室的旋转，使得旋转头231和室都在相同的方向上旋转。该端的旋转头231可配备有加强塞226以防止能量泄漏或另外在不希望的方向离开工具200或损坏工具。该室206被设计成使化学品混合以触发反应，在其它实施例中，化学品由热触发，其中光纤加热电缆212用于生成热量以触发反应；然而，也可以使用其它热源，例如微波或灯丝。所示的其它光纤电缆210是主光纤光学件，其用以将原始光束输送到激光头。
78.图4描绘了图3的室206，但活塞228处于操作中，使得通过活塞228的前向运动将化学品通过单向阀222推入混合室224中。活塞228可液压地、气动地或通过电致动器移动。将化学品推入混合室224中的操作应该快速完成；使得所有化学品进入室224中，确保所有体积都存在于室中以进行必要的反应。
79.通常，在地面将化学品装入工具中，然后降低工具并使其稳定在井眼中的一个或多个期望目标区处。在一些实施例中，工具可以包括必要的管道，以便在工具已被定位之后将化学品引入所述工具中；例如，在需要多次重复反应的情况下。
80.图5描绘了图3的室206，但是活塞228已经被完全推进并且化学品已经混合，从而触发反应。如图5中可见，化学品220都在混合室224中，化学品将在混合室224中发生反应。一个或多个减压阀208将打开以释放化学品并在所有化学品都已释放后关闭。由于化学反应产生的力，当混合室224中的流体将单向阀222推回时，单向阀222将关闭。
81.图6描绘了所有或至少基本上所有化学品已经混合、反应并作为压裂能量234通过减压阀208释放的阶段。在一些实施例中，化学反应释放氮气；然而，其它化学品可用于释放不同的气体以适应特定应用。通常，室206现在是空的并且需要重新装载以用于额外的应
用，这可以在从井眼去除工具之后在地面上进行或者通过与室206流体连通的化学管线从地面重新装载。
82.图7描绘了室206的内部和外部视图以示出减压阀208。如图所示，室206包括3个减压阀；然而，可以选择任何数量或配置的减压阀以适应特定应用。减压阀208包括外部端口221，其可以被定向以控制压力释放方向。
83.除了室206定向和旋转的能力之外，减压阀208的外部端口221可以360度定向以实现更具体的目标，例如，通常在异质储层和需要更多的能量和多于一个阀的应用。具体地说，例如在非常坚固的地层的情况下，外部端口221可以相同的目标定向以提供最大能量，在这种情况下所需能量可能非常大并且一个阀门可能不足以释放足够的能量。如图7所示，在同一方向上调整两个或多个阀端口221，以在特定目标处释放最大能量。可以在地面预设喷嘴方向，也可以通过控制系统进行原位定向。
84.图8描绘替代室306，其中基于加热或定时触发反应，使得在此配置中不需要活塞或单向阀。否则，就室306和室206都包括旋转组件330、扶正器314、加强塞326、减压阀308和化学品储存器318来说，室306与室206类似。在化学品由时间或热量触发的应用中，如图8所示，室306使用加热光纤电缆312来加热混合物，因为化学品已经混合并且不需要活塞或单向阀。在一些实施例中，可以通过禁用活塞228而将化学品直接储存在混合室224中来使用先前描述的室206。仍使用减压阀308将能量释放到目标。在一些实施例中，光纤电缆312以高功率损耗传输约5千瓦(kw)的能量。损耗的形式是加热，这会触发化学反应。
85.图10描绘了根据一个或多个实施例操作所公开的工具的一种方法。通常，工具用于现有的井眼或其它裸眼井。在图10所示的方法中，使用两(2)个工具400来进行多级压裂，其中在致密(低渗透率，小于2毫达西)或常规储层中钻出两(2)个水平井440。工具400用于钻出井眼或通过工具400的激光头部分将工具定位在现有井眼内。一旦将化学品室406定位在目标位置，化学品就可被触发或反应以通过减压阀408释放气体脉冲，从而形成裂缝。这些不同的裂缝连接为网，在地层438与井眼440之间建立裂缝网络436以用于产出。
86.图11描绘了使用根据一个或多个实施例的工具的方法，其中工具500可用于使用先前描述的蛇形机器人和声学传感器绕过某些非产油区，例如水区550、断层和高渗透率通道。工具500还可用于把油区552的空间(pocket)(最有效点sweet spots)作为目标，该空间与页岩中总有机碳(toc)较高的油区类似。此外，压裂可以在地层538的低渗透率区554中进行，连接油区552，使得油将流过压裂网络536并且通过重力出产到井中。
87.图12描绘了使用所述工具的另一应用，其中压裂发生在与图11所示强度不同的强度下，可应用于直井和水平井。所述工具可用以使裂缝形成有不同的半长，以形成替代的压裂网络636。在一些实施例中，当流649相对较高或井眼明显较细时，在井眼640的顶部(跟端)放置更长的裂缝比在底部(趾端)放置是更有利的。一个原因在于，由于流体液压，朝向井眼640的顶部(跟端)的压力高于底部(趾端)。例如，跟端压力p3大于p2，p2大于趾端压力p1。换句话说，与来自流级别5或4等的烃类相比，产出来自流649级别6的烃类更加困难。此外，裂缝达到得越深，有效半径就越大，并且所需的降低量(draw down)就越小。这将确保在近井眼区域以外的排水区域均匀扫掠，从而最大限度地减少朝向井眼的指进和锥进。
88.图13a和13b描绘了网络736中沿着最大水平应力传播的水力压裂的现行方法，所述水力压裂基于泵送时井眼740周围的应力场逆着最小水平应力方向打开。在水平井中，我
们可以放置多个这些裂缝(参见图12b)。在某些情况下，由于高破裂压力点或偏离井眼740周围的理想垂直平面，可能不会引发裂缝。更糟糕的是，裂缝可能无法达到设计的最优半长。如果裂缝放置成功，则应引入支撑剂以保持裂缝打开，这也会产生更大的应力并最终闭合添加的材料。无论井眼740周围的场应力定向如何，本技术公开的工具以及相关系统和方法都能够形成径向裂缝，所述径向裂缝以正确的设置放置并处于期望的深度中。这形成了真正有效的井眼半径，将最大限度地提高井的产能。另外，去除了岩石材料，从而无需放置支撑剂。
89.朝向井的流749可以用达西定律表示：(其中，q是流动速率，c是转换因子，k是渗透率，h是生产区的高度，μ是粘度，bo是地层体积因子，pr是储层压力，p
wf
是井眼流动压力，re是储层延伸，以及r
eff
是有效井眼半径)。
90.有效井眼半径是可以通过测试井的流重新计算的井半径。如果井没有被破坏或在井眼周围增强，井半径将等于实际半径。如果有破坏，则井半径小于实际半径，如果有增强，则井半径大于实际半径。在水力压裂的情况下，有效井眼半径可以计算为：(其中，r
weff
是有效井眼半径，以及xf是裂缝半长)。
91.请记住，常规的水力压裂会在所形成的裂缝周围造成破坏，只要有效半径明显高于实际半径，所述过程仍被认为是成功的。使用本技术公开的工具、系统和方法，形成xf一半的径向裂缝在数学上应给出与水力压裂类似的结果，但不需要大量的水、支撑剂和马力。从实用的角度来看，由于这种非破坏性技术形成微裂缝和增强，较小的半径可能会产生类似的有效半径。
92.在本技术公开的方法的一些实施例中，钻井可以通过使用高功率激光工具或常规钻井和完井工具来进行。如前所述，激光工具配备有高功率光纤和光束输送装置以进行钻井。如果使用常规钻井并且将所述工具用于压裂，则所述工具可以在没有高功率激光能力的情况下使用。在这两种情况下，所述工具都可以在专门设计的绝缘室中储存和携带化学品。当使用所述工具进行钻井时，无论地层的强度如何，所述工具都可以任何定向穿透地层，并且能够输送高功率激光能量以形成井或隧道。
93.通常，井下复合工具和相关系统的构造材料可以是任何类型的材料，这些材料可以耐受在现有井眼中可能经历的高温、压力和振动，并且可以保护系统免受流体、灰尘和碎屑的影响。本领域普通技术人员将熟悉合适的材料。
94.激光生成单元可将能量激发到高于含烃地层的升华点的水平，所述能量作为原始激光束输出。本领域技术人员可以确定升华含烃地层所需的激光束的激发能量。在一些实施例中，可以调节激光生成单元以根据不同含烃地层的需要将能量激发到不同水平。含烃地层可包括石灰石、页岩、砂岩或含烃地层中常见的其它岩石类型。发射的激光束可以穿透井眼套管、水泥和含烃地层以形成例如井或隧道。
95.激光生成单元可以是能够生成高功率激光束的任何类型的激光单元，所述高功率激光束可以通过光纤电缆传导，所述光纤电缆例如镱、铒、钕、镝、镨和铥离子的激光器。在一些实施例中，激光生成单元包括例如5.34kw的掺镱多包层光纤激光器。在一些实施例中，激光生成单元可以是能够以最小损耗输送激光束的任何类型的激光器。本领域技术人员可
根据穿透含烃地层的需要来确定激光生成单元的波长。
96.复合工具还可包括将工具降到井眼内的期望高度的运动系统。在各种实施例中，运动系统可以与激光生成单元进行电或光通信；使得运动系统可以将其在井眼内的高度传达给激光生成单元并且可以从激光生成单元接收高度目标。运动系统可以将工具向上或向下移动到期望的高度，并且可以包括例如液压系统、电气系统或马达操作系统以将工具驱动到期望的位置。在一些实施例中，包括用于运动系统的控制装置作为激光生成单元的一部分。在一些实施例中，激光生成单元可以被编程为仅基于指定的高度目标和位置目标来控制工具的放置。在一些实施例中，工具可以从激光生成单元接收高度目标并且移动到高度目标。
97.工具、系统、方法的至少部分及其各种修改可以至少部分地由计算机程序产品控制，以供数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作，所述计算机程序产品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的计算机程序，所述数据处理设备例如可编程处理器、一个计算机、或多个计算机，如本领域普通技术人员所熟悉的。
98.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。
99.在整个说明书中，在组合物、化合物或产物被描述为具有或包括特定组分的情况下，或在过程和方法被描述为具有或包括特定步骤的情况下，预期另外存在本技术的基本上由所叙述组件组成或由所叙述组件组成的物品、装置和系统，并且存在根据本技术的基本上由所叙述处理步骤组成或由所叙述处理步骤组成的过程和方法。
100.应理解，步骤的次序或用于执行某些动作的次序是不重要的，只要所描述的方法仍可操作即可。此外，两个或多个步骤或动作可以同时进行。