煤的地下沉积物包含大量夹带着的甲烷气体。当能够以有用的量来产生这种作 为自然资源的气体时以及当这种气体出现在计划或正在采煤的区域时，这种气体的 产生都是合乎需要的。然而，大量的障碍物阻碍了煤层中甲烷气体沉积物的集中开 发和使用。
从煤层中产生甲烷气体的最主要的问题是煤中气体的开采效率。煤的开采效率 会显著变化，在开采效率较低的煤中，垂直井的开发只从井周围获得少量气体。此 外，一些煤沉积物不适于通常用来从岩层中增加气体产生的压力断裂和其它方法。 结果，一旦产生了容易从煤层中的垂直井筒排放出来的气体，在一些煤中进一步的 产生就在量上受到限制。此外，煤层通常与地下水相关联，地下水必须从煤层中排 放出来以产生甲烷。
曾经尝试了水平钻井模式以使暴露于钻头的煤层量得以扩大，以便提取气体。 然而，这种水平钻井技术需要使用圆角式井筒，该圆角式井筒很难从煤层中去除夹 带的水。在很多情况下，从垂直井筒中泵送水比从水平或圆角式井筒中泵送水更加 有效和便宜。
基于与垂直井筒中的洞穴相交的水平井筒的系统结合了水平排放模式的效率 与从垂直井筒中泵送水的优点。可通过使用各种技术安装的接头而将通常安装成提 高井筒的结构整体性的衬管连接于有衬管的井筒之间的相交处。

本发明提供一种用于从地面进入地下区域的改进的方法和系统。在一个方面， 本发明提供一种联接至井筒型式的枢接(articulated)井筒，该井筒型式可从地面 进入大的地下区域。井筒型式包括两个或多个井筒，其中的一个或多个井筒在一些 情况下可以加衬。在所示的实施例中，枢接井筒和井筒型式可以联接至垂直井筒。 垂直井筒允许有效地去除(例如，通过泵送流体、通过使用气举、或者通过从井中 的自流)和/或产生夹带的水、碳氢化合物和其它沉积物。在一些所示的实施例中， 枢接井筒和井筒型式可以联接至洞穴，该洞穴用作多个加衬井筒之间的接头。在一 些所示的实施例中，用砂砾(例如，砾石的疏松混合物、岩石碎片、或其它合适的 填料)充填洞穴。
在另一方面，一种用于进入地下区域的方法包括：形成联接至地面的地下洞穴； 以及形成至少部分地延伸入地下区域且与洞穴相交的多个基本水平的井筒。
在另一方面，一种用于进入地下区域的系统包括：地下洞穴，该地下洞穴联接 至地面；以及多个基本水平的井筒，这些井筒至少部分地延伸入地下区域且与洞穴 相交。
在另一方面，一种进入煤层的方法包括：形成洞穴，该洞穴在煤层附近且联接 至地面；用砂砾充填洞穴的至少一部分；以及从洞穴产生流体至地面。术语在煤层 或区域“附近”这里是指靠近煤层或区域、或与煤层或区域相交。
在另一方面，一种用于进入煤层的系统包括：洞穴，该洞穴在煤层附近且联接 至地面；以及其中，用砂砾充填洞穴的至少一部分。
在一些实施例中，形成洞穴可包括：在地下区域附近形成洞穴(例如，包括基 本圆柱形部分的洞穴)。形成联接至地面的地下洞穴，形成从地面延伸的第一井筒 (例如，基本垂直的井筒)，并且在该井筒中形成洞穴。
在一些情况下，形成至少部分地延伸入地下区域且与洞穴相交的多个基本水平 的井筒包括：形成从地面延伸至地下区域附近的枢接井筒(例如，与第一井筒水平 偏置的枢接井筒)，以及从枢接井筒处形成多个基本水平的井筒。第一井筒和枢接 井筒可从地面延伸穿过入口井筒。在一些情况下，地下区域可以是煤层的一部分。 在一些情况下，水平井筒可以是水平排水井筒(例如，井筒带有适于使流体在衬管 内部和洞穴之间连通的衬管)。
在一些实施例中，这些方面还可以包括在多个基本水平的井筒中的两个或多个 中安装衬管。在一些情况下，这些衬管可以终止于洞穴附近。在其它情况下，衬管 中的至少一个横穿洞穴。
在一些实施例中，诸方面还可包括用砂砾充填洞穴的至少一部分。
在一些实施例中，这些方面还可包括将流体从洞穴穿过第一井筒提取至地面。 在一些情况下，提取流体包括：形成人工升举(例如，泵送流体或使用气举)以将 流体从洞穴提升至地面。在一些情况下，系统可包括第一井筒中的泵入口。
为了清楚地描述，本发明的诸方面的以上描述可在全文中包括语言表达上的要 素(例如，联接至地面)。这种语言不能理解为各方面的要素。
在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。从说明书、 权利要求书和附图中，本发明的其它特征、目的和优点将会变得显而易见。

图1A是用于进入地下区域的示例系统的示意侧视图。
图1B是图1A的系统的平面图。
图1C是图1A的系统的显著缩小的平面图。
图2A是用于进入地下区域的另一示例系统的示意侧视图。
图2B是图2A的系统的缩小的平面图。
图3是用于进入地下区域的另一示例系统的示意侧视图。
图4是用于进入地下区域的另一示例系统的示意侧视图。
图5是用于进入地下区域的另一示例系统的示意侧视图。
在各图中相同的附图标记表示相同的部件。这些图不按比例绘制。

参见图1A，用于进入地下区域12的示例系统10包括井筒14、洞穴18、枢接 井筒20、以及一个或多个基本水平的井筒22(示出了三个)。在这种情况下，地下 区域12是在煤层中。然而，在其它应用中，系统10也可用来进入其它类型地层中 的地下区域。例如，系统10可用来进入其它地下区域以去除和/或产生水、碳氢化 合物和其它来自该区域的流体，并在采矿作业之前处理该区域中的矿物。
在这种情况下，井筒14基本上是垂直的，并且为了描述起见将被称为基本垂 直的井筒。然而，下面所述系统的实施例可以实施成井筒的至少一部分是倾斜井筒 的情况。
基本垂直的井筒14从地面16(例如，直接从地面自身、从直接从地面延伸的 入口井筒、或者从另一接近地面的结构)延伸到地下区域12，在该地下区域12， 洞穴18形成在基本垂直的井筒中。在一些情况下，洞穴18扩孔或切挖成圆柱形， 该圆柱形的直径大于基本垂直的井筒14的直径。在其它情况下，洞穴18的直径近 似等于或小于垂直井筒14的直径。基本垂直的井筒14衬有合适的套管32，该套 管32终止于洞穴18的上表面上方。穿孔的衬管34从套管32延伸入洞穴18。孔 可以是洞、槽、或任何其它合适尺寸和形状的开口。穿孔衬管34可以是可扩展的 衬管，该衬管在定位在洞穴18中时径向扩展以增大衬管的直径并增大其中孔的横 向尺寸。在图1的实施例中，诸如杆式泵、电动潜水泵、或其它类型泵之类的井下 泵的入口36位于洞穴18稍稍上方的套管32之内；然而，该入口36也可位于其它 地方。例如，入口36可以定位在洞穴18内穿孔衬管34中。
枢接井筒20从地面16向基本垂直的井筒14的洞穴18延伸。枢接井筒20包 括第一部分24、第二部分26、以及使第一部分24和第二部分26相互连接的弯曲 或圆角部分28。在一些情况下，第一部分24是基本垂直的井筒，而在其它情况下， 第一部分是倾斜的井筒。第二部分26基本上位于地层(煤层)的水平面中，可以 遵循地层的任何向上或向下的倾斜，并且还可以具有大体的整体斜度。一个或多个 (示出了三个)基本水平的井筒22从枢接井筒20的第二部分26的开口端30附近 穿过洞穴18进入地下区域12。如同第二部分26一样，水平井筒22基本上位于地 层(煤层)的水平面中，可以遵循地层的任何向上或向下的倾斜，并且还可以具有 大体的整体斜度。在一些情况下，水平井筒22的大体斜度是从洞穴18向水平井筒 22的远端向上，从而使井筒中的流体偏置而流向洞穴18。
井筒22具有穿孔42的衬管40，从而形成地下区域12与衬管40内部44之间 以及衬管40内部与洞穴18之间的流体连通。因此，不必形成使井筒22的衬管40 彼此连接或与枢接井筒连接的接头。实际上，洞穴18自身用作井筒22和垂直井之 间的接头(例如，从穿孔衬管34内向地面泵送流体可从煤层穿过井筒和洞穴进入 穿孔衬管34而提取流体)。在煤层中，流体可以是水和夹带的煤粉。
洞穴18充填了砂砾38，这些砂砾包围了基本水平的井筒22和穿孔衬管34。 砂砾填料38有助于支承洞穴18，且还用来在煤碎粒进入垂直井筒14的穿孔衬管 34之前将这些碎粒过滤出泵送的流体。在一些情况下，砂砾可以是粗的，因为例 如从煤层中脱离出来的煤碎粒趋于比由于在其它地层中泵送而通常产生的沙子、淤 泥和泥土更大。例如，可以使用平均直径为约20至约30mm之间的砂砾。粗砂砾 与在从砂质地层中产生时围绕穿孔衬管使用的细砂砾(即，具有较小平均直径的砂 砾)不同。然而，根据这里所述的原理，也可使用较细的砂砾。
在钻井过程中或在钻井之后对基本垂直的井筒14进行测井，从而确定地下区 域12的精确垂直深度。洞穴18形成在基本垂直的井筒14中且处于地下区域12 的高度上。在一些情况下，洞穴18是使用合适的井下技术和设备来形成的。或者， 也可以使用其它技术和设备(例如，喷液技术)。基本垂直的井筒14的垂直部分在 洞穴18下方继续以形成用于洞穴18的水坑25。如上所述，洞穴18形成使基本垂 直的井筒与用来在地下区域12中形成基本水平的排水型式46的枢接井筒相交的接 头。洞穴18还形成用于在产生操作过程中从地下区域12提取的流体的聚集点。在 包括水坑25的实施例中，水坑也形成用于流体的聚集点。在所示的实施例中，洞 穴18具有大约二米的半径以及与地下区域12的垂直尺寸相近似的垂直尺寸。
用于安装系统10的合适钻井技术在授予Zupanik的美国专利第6,357,523号中 有描述，在此以参见的方式引入该专利的全文。下面的论述集中于由于所安装系统 的不同而造成的这些方法的差异。
传统的钻井作业可以导致“过平衡”的钻井操作，其中，井筒中流体静力学 的流体压力超过地层压力。这可以导致钻井流体的损失和夹带的岩屑进入可渗透的 地层。在如上所述的具有相交井的系统中，可以使用气体压缩机来使循环的压缩气 体沿着基本垂直的井筒14向下并穿过枢接井筒20向上返回，以防止在水平井筒 22形成过程中的过平衡钻井条件。在一些例子中，可以使用该方法来实现“欠平 衡”的钻井操作(即，地层中的压力超过钻井泥浆的压力的情况)。或者，“欠平衡” 的钻井操作可以通过从垂直井筒14中提取流体或通过将泡沫引入钻井泥浆来实 现。包括岩石稳定性的因素影响到对于特定地层确定“过平衡”或“欠平衡”钻井 条件哪个是最合适的。
枢接井筒20的第一部分24与洞穴18偏置离开充分距离，以允许有圆角的弯 曲部分28和任何所想要的第二部分26可被钻探，而同时留出足够的钻井空间，从 而在各井筒22与洞穴18相交之前实现各井筒22之间的所想要的间隔。这种间隔 允许增大弯曲部分28的半径，以在钻井操作过程中减小枢接井筒20中的摩擦力。 结果，钻探穿过枢接井筒20的钻杆柱的延伸范围随着带有更紧凑圆角的枢接井筒 而增大。
使用钻杆柱来钻探枢接井筒20，该钻杆柱包括合适的井下马达和钻头。随钻 测井(MWD)装置包含在钻杆柱中，以控制由马达和钻头所钻探的井筒的定向和 方向。枢接井筒20的第一部分24、弯曲部分28和第二部分26的至少一部分可以 衬有合适的套管。
现在参见图1B-1C，在枢接井筒20已被钻探和加套管之后，可使用合适的水 平钻井装置(例如，具有附连至下井管柱的钻头的泥浆马达)来钻探第一水平井筒 22。第一水平井筒22从第二部分26延伸穿过洞穴18而进入区域12。第一水平井 筒22定向成穿过洞穴18，从而为在给洞穴18充填砂砾时插入的工作杆或管留出 足够的空间。基本水平的井筒22包括倾斜的、波状的、或其它弯曲方式的地下区 域12。在该作业的过程中，可以采用伽马射线测井工具和随钻测井装置来控制和 引导钻头的定向，以在地下区域12的范围内保持排水形式46，并在地下区域12 内形成所想要面积的基本一致的覆盖范围。这里所用的术语“排水型式”是指两个 或多个延伸入地下区域12的水平井筒。排水型式46侧向地朝向排水区域的边界线 48延伸。
各个水平井筒的钻探顺序可以有所不同。术语“第一”、“第二”和“第三”仅 仅用来描述形成水平井筒的过程而不是为了表示特定的水平井筒22。
在钻探了第一水平井筒之后，撤回钻井装置，使安装在送入工具上的衬管40 延伸穿过枢接井筒20并进入第一水平井筒22。在衬管40到达水平井筒22的末端 之后，操作送入工具释放衬管40然后撤回。使用定向钻井组件或造斜器来使第二 水平井筒22与第一水平井筒22偏斜。偏斜的位置和角度选定为：第二水平井筒 22定向成与洞穴18相交并穿过洞穴18，从而在给洞穴充填砂砾时再次留出插入的 工作柱或管的间隙。这种定向也可设定为：第二水平井筒22以一角度延伸进入该 区域，该角度实现了第一水平井筒22的侧向分离以形成所想要的排水型式46的一 部分。
然后使用已经描述的过程撤回钻井装置，安装用于第二水平井筒22的衬管40。 使用稍稍不同的偏斜位置和角度来重复钻井和加衬的过程，以形成第三水平井筒 22。第二和第三水平井筒22与第一水平井筒22偏斜或分离之处可以沿着第一水平 井筒22的长度来隔开。在一些情况下，井筒隔开约3米。衬管40可以在它们被安 装之前设置孔，或者可以在井下穿孔。
在这个所示的实施例中，衬管40从水平井筒22的远端延伸回穿过洞穴18， 到达或接近水平井筒的近端。在第二、第三和后续的水平井筒22中，衬管40终止 于井筒与第一水平井筒22的分离点附近。因为衬管40终止于分离点附近，所以假 如衬管40无意地进入已经先前加衬的井筒中，则衬管40将在与先前设置的衬管碰 撞之前仅仅在井筒中行进一小段距离。
在这个所示的实施例中，在水平井筒22已被钻探和加衬之后，给洞穴充填砂 砾。将管33或工作柱插穿过垂直井筒14并进入洞穴18。如上所述，水平井筒22 安装成在洞穴18的中心留出空间，以便后面安装穿孔衬管34。管33或工作柱朝 向洞穴18的下部延伸进入空间。通过管33将砂砾浆向下泵送入洞穴18中。在砂 砾已充填了洞穴18后，撤回管33或工作柱。保持管33或工作柱的末端靠近砂砾 填料的顶部可提供对于洞穴18的砂砾高度的反馈，并允许用来向下“夯实”砂砾 的管33或工作柱上下运动。在其它实施例中，沿着工作柱和垂直井筒14的套管 32之间的环状空间向下泵送砂砾浆。砂砾浆的流体部分通过工作柱泵送出来，从 而将砂砾留在洞穴18中的原位。也可采用其它方法(例如，沿着工作柱的内部向 下泵送砂砾浆到转换工具处，该转换工具将砂砾浆排放出工作柱)来安置砂砾填料。
在此实施例中，在砂砾填料38就位之后，安装穿孔衬管34。因此，穿孔衬管 34可以设有端盖或末端，端盖或末端的至少一部分是锥形的、截锥形的、半球形 的、其它尖的形状、或其它有利于将衬管34驱动穿过砂砾填料38的形状。将衬管 34驱动穿过砂砾填料38既有利于砂砾填料38的压缩性(即压缩砂砾填料38)，又 有利于地层自身的任何回弹。具体地说，煤层对于这种压力通常会有一定程度的“让 步”。假如穿孔衬管34是可扩展型的，则衬管的扩展也会压缩砂砾填料38。在穿 孔衬管34就位之后，就将送入工具和工作柱撤回。在另一实施例中，在安置砂砾 填料38之前就使穿孔衬管34就位，且将砂砾浆泵送入穿孔衬管34周围的洞穴18 中。如上所述，将穿孔衬管附连至管33。
通过井筒14提取在洞穴18和/或水坑25中收集的液体(例如，在煤层中的水 和夹带的煤粉)，而通过井筒14或井筒20提取气体。假如系统10用来喷射，则可 通过井筒14或井筒10来输入流体。在穿孔衬管34和砂砾填料38就位之后，将泵 入口36安装在垂直井筒14中。泵入口36可以定位在套管内或穿孔衬管34内。
水平井筒的穿孔衬管40暴露于地下区域12和包含穿孔衬管34的洞穴18。区 域12和基本垂直的井筒14之间引起的流体连通意味着，不必构建和加衬使水平井 筒22彼此连接和/或连接至垂直井筒14的多个侧向接头。如上所述，洞穴18实际 上用作接头。
参见图2A-2B，用于进入地下区域112的另一示例系统110还包括井筒114、 洞穴118、枢接井筒120、以及一个或多个(示出了三个)基本水平的井筒122。 枢接井筒120显示成带有倾斜的第一部分124，而不是带有如上所述的基本垂直的 第一部分，该倾斜的第一部分从地面116向下延伸至地下区域112。多个倾斜的井 筒可以从单个入口位置、入口井筒、或钻垫向多个洞穴延伸，以用于沿不同方向延 伸的多个排水型式。水平井筒122只有在延伸越过洞穴118的水平井筒部分中才具 有穿孔142的衬管140。在本发明这个方面的另一实施例中，枢接井筒120的第一 部分124可以是基本垂直的而不是倾斜的井筒。
在已钻探了水平井筒122且已在其中安装了衬管140之后，可以钻探后续的水 平井筒122，且可将衬管140设置在后钻探的水平井筒122中。尽管衬管140插回 通过枢接井筒120且定向成进入后钻探的水平井筒122，但是衬管140有时可能无 意地进入已经加衬的水平井筒122中。因为在先前加衬的水平井筒122中的衬管 140终止于大致洞穴118的远侧，所以并非显然的是，送入的衬管140正进入先前 已钻探和加衬的水平井筒122，直到衬管140已经横穿洞穴118之后为止。
在此系统中，水平的排水系统146显示成任选的人字形布局型式。水平井筒 122中的每一个具有延伸入地下区域112的一个或多个支线123。这些支线123也 可加衬，它们的衬管可以使用这里所述的洞穴或其它类型的回接系统来回接水平井 筒122的衬管。根据地层的特征和设计者所想要的进入来布局水平排水型式。因此， 合适的话，对于此系统也可使用其它型式(例如，羽状形式)。
参见图3，另一示例系统210也包括基本垂直的井筒214、带有相关砂砾填料 238的洞穴218、以及枢接井筒220。系统210包括单个水平排水井筒222，该水平 排水井筒222从枢接井筒220的开口230附近延伸穿过洞穴218而进入地下区域 212。在一些应用中，只有单个水平排水井筒222延伸入地下区域。在其它应用中， 多个侧向井筒(未示出)安装成从该单个水平排水井筒222延伸出来。
参见图4，另一示例系统310包括基本垂直的井筒314、洞穴318和枢接井筒 320。钻探一个或多个(示出了三个)水平井筒322以从枢接井筒320的开口330 附近延伸穿过洞穴318而进入地下区域312。洞穴318形成了比垂直井截面更大的 目标。此系统并不包括井筒322中的衬管，也不包括洞穴中的砂砾填料。除了没有 安装衬管和砂砾填料之外，可类似于以上所述的系统来形成和使用此系统。如上所 述，洞穴318收集会从垂直井筒314中产生的液体。气体可从垂直或枢接井筒314、 320中产生。
参见图5，另一示例系统410包括从地面416延伸至地下区域412的基本垂直 的井筒414和地下区域中的洞穴418。洞穴418形成在垂直井筒414中，且包含围 绕穿孔衬管434安装的砂砾填料438。穿孔衬管434附连至管433，该管433穿过 垂直井筒414延伸到地面416。在系统410中不包括任何水平井筒。类似于以上所 述来形成和使用垂直井筒414和洞穴418，除了流体直接从地下区域412流入洞穴 而不是经过相连接的水平井筒。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应该理解，可以在不脱离本发明的精 神实质和范围的前提下作出多种修改。例如，尽管示例实施例包括最多三个(例如， 零、一、或三个)水平井筒，一些实施例可包括四个或多个与地下区域中的洞穴相 交的水平井筒。在另一例子中，尽管以上的论述集中于从地下区域提取流体的应用 上，但是这些系统也可用来使流体喷射或隐没入地层中。因此，其它实施例也在下 面权利要求书的范围内。
相关申请的参照
本申请要求2005年5月31日提交的美国专利申请第11/141,335号的优先权。