从有限的地表区域进入到地下地带用的方法和系统

发明的技术领域

本发明一般涉及地下勘探和钻探的领域，具体来说，涉及从有限的地表区域进 入到地下地带用的一种方法和系统。

发明的背景

地下的煤矿，不管是诸如“无烟煤”的“硬煤”，还是诸如褐煤或含沥青 的煤，都含有大量随带的甲烷气体。多年来，人们只是进行有限的生产和从煤 矿中利用甲烷气体。许多障碍阻碍着进一步广泛的开发和对煤层中的煤矿甲烷 气体的利用。从煤层中生产甲烷气体的最主要的问题在于，尽管煤层可延伸到 大至几千英亩的广大区域，但煤层在深度上却颇浅，从几英寸到几米的范围内 变化。因此，尽管煤层通常相当靠近地表，但为获得甲烷气体而钻探到煤层的 竖井却只能排出煤层方圆的很小的半径范围。此外，煤层的压裂不能修补，且 通常采用其它的方法来从矿层中提高甲烷气体的产量。其结果，一旦气体容易 地从在煤层中钻的竖井中排出，进一步的生产在体积上加以限制。此外，煤层 往往与地下水相连，为了产出甲烷必须从煤层中排去地下水。

为了扩大暴露在萃取气体的钻孔的煤层(coal seam)的数量，已经试图进行了 水平的钻探的形式。然而，传统的水平钻探技术要求使用辐射式的井孔，它在 从煤层中去除附带的地下水中出现诸多困难。用杆式泵从地下井中泵去水的最 有效的方法在水平的或辐射的孔中不能很好地工作。

现有技术的开矿系统通常要求一便于工作的相当大和平坦的地表面区域。 其结果，现有技术的开矿系统钻井技术通常不能在阿巴拉契亚地区和其它多山 的地形中使用。例如，在某些地区，那里最大的平坦地可能是宽广的行车道。 因此，必须使用不很有效的方法，以致导致生产的延期，又增加与从煤层中抽 取气体相关的成本。

发明概要

本发明提供一种从有限的表面区域(limited surface area)进入到地下地带 (subterranean zone)用的方法和系统，它基本上消除或减少了与先前的系统和方 法相关的诸多缺点和问题。具体来说，从一公共井孔(common bore)出发的带有 在地下缝(subterranean seam)上的井孔图形(well bore pattern)的一环接井孔 (articulated well bore)从一腔井(cavity well)或靠近腔井延伸，腔井与缝上的井孔 图形连通。井孔图形了提供进入到一大的地下区域(subterranean area)的通道， 而腔井通过井孔图形允许汇集附带的水、碳氢化合物和其它的沉积物，井孔图 形可有效地移去和/或形成。井孔图形也提供进入到一地下地带的通道，用于处 理在地下地带里的材料或将一种物质引入或喷入该地下地带。

根据本发明的一实施例，一从地下矿层(subsuface formation)采矿的系统包 括一从地表到目标地带延伸的基本上垂直的井孔。该系统包括从大致垂直的井 孔到目标地带延伸的一环接井孔。环接井孔从在地表和目标地带之间的基本上 垂直的井孔分叉出去。该系统还包括一从在目标地带的环接井孔延伸并可操作 地汇集来自目标地带的矿藏的排出图形(drainage pattern)。该系统还包括一地下 通道，其从排出图形到大致垂直的井孔可操作地连通矿藏资源。该系统还包括 一设置在基本上垂直的井孔内的垂直泵，该泵能将汇集在基本上垂直的井孔内 的矿藏提升到地表上。

根据本发明的另一方面，基本上水平的排出的图形可包括一羽形图形，该 羽形图形包括一从基本上垂直的井孔延伸到该区域(area)的远端的基本上水平 的对角的井孔，所述垂直井孔形成由排出图形覆盖的一区域的第一端。第一组 基本上水平的侧向井孔以互相间隔开的关系从对角的井孔延伸到在对角井孔 第一侧上的该区域的周缘。第二组基本上水平的侧向井孔以互相间隔开的关系 从对角的井孔延伸到在对角相对于第一组的一侧上的该区域的周缘。一个或多 个基本上水平的侧向井孔还可包括一靠近对角井孔的弧形的或半径的部分。

本发明的技术上的优点包括提供一改进的方法和系统，用来从地表上的一 有限的区域进入到地下矿床。具体来说，在目标区域钻探一井孔图形，其从至 少靠近腔井的环接的地表井(surface well)钻探。井孔图形通过一通道与腔井互 连，通过所述通道随带的水、碳氢化合物和其它的流体可从目标地带排出，并 通过一杆式泵有效地移去和/或产生。其结果，在地表的一有限的区域内可有效 地从大片的低压或少孔的矿层(formation)中产生气体、油和其它的流体。因此， 气体可从在粗糙的地形之下的矿层中得以恢复。此外，由于清理和使用的区域 减到最小，所以，对环境的影响也减到最小。

本发明的另一技术优点包括提供一改进的进入到地下地带的扩大的区域的 井孔图形。具体来说，使用带有一主井孔(main well)和相对的走向平巷(lateral) 的一羽形井孔结构，以使从单一井孔进入到地下区域的通道最大。靠近用来形 成井孔图形的环接井孔的走向平巷的长度达到最大，且朝向主井孔的端部减小 以提供均匀进入到一四边形或其它方格形区域。第一组靠近环接井孔的走向平 巷可包括一靠近主井孔的弧形的或半径部分，以允许在诸走向平巷之间有较大 的间距，因此，较大地覆盖地下地带。这允许井孔图形与长壁板和其它地下结 构对齐，以便更有效地对一矿藏的煤层(mine coal seam)或其它矿床进行脱气。

还有，本发明的另一技术的优点包括提供一用来准备开采煤层或其它地下 矿床以及开采作业后从煤层收集气体的改进的方法和系统。具体来说，在开矿 作业之前使用带有一垂直部分、一环接部分和腔井的地表井来排出煤层的气 体。这可减小对地表区域和地下设备和活动的需要。这还可减少排出煤层气体 所需要的时间，这将由于高的气体成分而将停工降低到最小。此外，在开采作 业之前，通过组合的井可将水和添加剂泵送到排气的煤层中，以将尘埃和其它 的有害条件降到最小，提高开矿过程的效率，以及提高煤产品的质量。采矿作 业之后，组合的井被用来收集采空区的气体。其结果，与收集采空区气体相关 的成本可降到最小，以便于从先前开采的煤层收集采空区的气体或使之成为可 能。

本发明的另一技术的优点包括一改进的系统和方法，它用来从地表的有限 的区域进入到多个地下的矿床。具体来说，第一井孔图形从靠近腔井孔第一环 接地表井在第一目标地带进行钻探。第一井孔图形通过第一通道互连到第一腔 井孔。第二井孔图形从靠近腔井孔的第二环接地表井在第二目标地带进行钻 探。第二井孔图形通过第二通道互连到腔井孔。其结果，可从地表上有限的区 域进入到多个地下矿层。例如，气体可在粗糙的地形下的多个矿层中得以回收。 此外，由于清理和使用的区域减到最小，所以，对环境的影响也减到最小。而 且，由于多个排出图形被钻探，钻探设备仍在现场，所以，总的钻探时间减到 最少，不必多次地取下和竖立钻探设备。

在本发明的另一实施例中，环接井孔和腔井孔各从一通常为互相在100英 尺或不到的距离内的地表位置延伸，最大程度地将用于生产和钻探设备所需的 地表区域减到最小。在另一实施例中，环接井孔和腔井孔包括一靠近地表的公 共部分。一井箱(well casing)从地表延伸到在地表远处的公共部分的端部。其结 果，腔和诸环接井孔可从一行车道、陡的山坡或其它有限的地表区域形成。当 诸环接井孔和腔井孔包括一公共的部分时，所有的钻探设备可位于地表上的 100平方英尺的区域内。因此，由于较少的地表区域须清理，所以，对环境的 影响被减到最小。

对于本技术领域的技术人员来说，通过下面的附图、描述以及权利要求书， 可以容易地理解和明白本发明的其它技术优点。

附图的简要说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现结合附图进行下列的描述。图中， 相同的标号代表相同的零件，其中：

图1是一截面图，示出根据本发明的一实施例，通过与腔井相交的一环接 的地表井在地下地带形成一井孔图形；

图2是一截面图，示出根据本发明的另一实施例，通过与腔井相交的一环 接的地表井，在地下地带形成一井孔图形；

图3是一截面图，示出根据本发明的一实施例，通过一井孔从在地下地带 内的井孔图形中生产流体；

图4是示出根据本发明的一实施例，用来进入到地下地带的一羽形井孔图 形的俯视图；

图5是示出根据本发明的另一实施例，用来进入到地下地带的一羽形井孔 图形的俯视图；

图6是示出根据本发明的又一实施例，用来进入到地下地带的一四边形羽 形井孔图形的俯视图；

图7是一俯视图，示出根据本发明的一实施例，在一煤层的板块内对齐羽 形井孔图形，以便脱气和为开采操作准备煤层；

图8是一截面图，示出根据本发明的另一实施例，通过井孔在双地下地带 (dual subterranean zones)内从井孔图形生产流体；

图9A是一截面图，示出根据本发明的另一实施例，通过与腔井相交的一环 接的地表井，在地下地带形成一井孔图形；

图9B是一俯视图，示出根据本发明的另一实施例，通过与单一腔井相交的 多个环接的地表井，在地下地带形成多个井孔图形；

图10是示出根据本发明的另一实施例通过井孔在双地下地带内从一井孔 图形生产流体的视图；

图11是示出根据本发明的另一实施例，通过井孔在双地下地带内从诸井孔 图形生产流体的视图；

图12是示出根据本发明的另一实施例，用来进入到地下地带内的矿床的羽 形井孔图形的俯视平面图；

图13是示出根据本发明的另一实施例，一用来开矿操作而准备煤层的方法 的流程图。

本发明的详细描述图1示出根据本发明的一实施例，从地表进入到地下地 带的一腔和环接井组合。在该实施例中，地下区域是一煤层。应该理解的是， 利用本发明的双半径井系统(dual radius well system)可同样地进入到其它地下 矿层和/或其它的低压、超低压和低孔隙的地下地带，以从地下地带去除和/或 产生水、碳氢化合物和其它的流体，以便在开采作业之前处理地带中的矿石， 或向地下区域注入或引入流体、气体或其它的物质。

参照图1，一井孔12从地表14延伸到目标煤层15。井孔12相交、穿透于 并继续延伸到煤层15的下面。井孔12可用合适的井箱16作内衬，其终止在 煤层15的上层或位于其上方。在图1至3和8中，井孔12示为基本上是垂直 的；然而，应该理解的是，井孔12可形成在相对于地表14的任何合适的倾斜 角度上，以便适应地表14的几何学和状态和/或地下矿床的几何形构造或状态。

为了定位煤层15的准确的垂直深度，在钻探过程中或钻探之后，不断地记 录井孔12的行进情况。其结果，在其后用来定位煤层15的钻探操作和工艺中 不会错过煤层15，而在钻探过程中则不采用。在煤层15的高度上，一放大的 腔井20形成在井孔12中。如在下文中将会更详细地描述的，放大的腔井20 提供一汇合处，以使井孔12与用来形成煤层15中的地下井孔图形的环接井孔 相交。该放大的腔井20还可提供一收集点，其用来在生产操作过程中收集从 煤层15中排出的流体。

在一实施例中，放大的腔井20的半径大约为8英尺，而其垂直尺寸等于或 超过煤层15的垂直尺寸。放大的腔井20可采用合适的地下铰孔工艺和设备来 形成。井孔12的一部分在放大的腔井20下面继续延伸，以形成用于腔井20 的一坑22。

一环接井孔30从地表14延伸到井孔12的放大的腔井20。环接井孔30包 括一个部分32、一个部分34以及一互连部分32和34的弧形或弯曲部分36。 在图1中，部分32显示为大致是垂直的。然而，应该理解的是，部分32可相 对于地表14形成任何合适的角度，以适应地表14的几何特征和状态和/或煤层 15的几何构造或层态。部分34基本上位于煤层15的平面内，并与井孔12的 大直径腔井20相交。在图1中，煤层15的平面图示为基本上是水平的，由此， 形成一基本上水平的部分34。然而，应该理解的是，部分34可相对于地表14 形成一任何合适的角度，以适应煤层15的几何特征。

在所示的实施例中，环接井孔30偏离地表14处的井孔12一足够距离，以 便有一大半径弯曲部分36以及在与放大的腔井29相交之前的一任意要求的待 钻部分34。在一实施例中，为了提供半径为100-150英尺的弯曲部分36，环 接井孔30偏离井孔12的距离约为300英尺。这个间隔距离将弯曲部分36的 角度减到最小，以便在钻探操作过程中，减小在井孔30中的摩擦。其结果， 钻探通过环接井孔30的环接钻探绳(articulated drill string)的延伸达到最大。如 下文所讨论的，本发明的另一实施例包括显著地紧靠地表14处的井孔12为环 接井孔30定位。

使用环接钻探绳40钻探环接井孔30。环接钻探绳40包括一合适的井下的 电机和钻头。在钻探中测量的装置(MWD)44包括在环接钻探绳40内，以便 控制由电机和钻头42钻探的井孔的定向和方向。环接井孔30的部分32可内 衬合适箱体38。

在放大的腔20成功地与环接井孔30相交之后，利用环接钻探绳40和合适 的钻机通过腔20继续钻探，以在煤层15中提供一地下的井孔图形50。在图1 中，井孔图形50对应于基本上水平的煤层15，显示为基本上水平的。然而， 应该理解的是，井孔图形50可相对于煤层15的几何特征，形成一任何合适的 角度。井孔图形50和其它这样的井孔包括有坡度形、波浪形，或煤层15或其 它地下地带的其它倾斜形。在此操作过程中，可使用伽玛射线测井仪和传统的 钻探过程中测量的装置，以控制和引导钻头42的定向，以使井孔图形50保持 在煤层15的范围内，并在煤层15内提供基本上均匀的所要求区域的覆盖。关 于井孔图形的其它信息将结合图4-7和12在下面作更为详细的描述。

在钻探井孔图形50的过程中，钻探流体或“泥浆”向下泵送到环接的钻探 绳40，并在钻头42的附近循环出钻探绳40，在钻头附近钻头用来冲蚀矿层并 取走矿层的碎块。然后，碎块被随带在钻探流体中，其通过钻探绳40和井孔 30的壁之间的环腔向上循环，直到它到达地表14，在地表上碎块从钻探流体 中取出，且流体然后再次循环。这种传统的钻探操作产生一标准的钻探流体柱， 其具有的垂直高度等于井孔30的深度，并对井孔产生一对应于井孔深度的静   压力。因为煤层趋于多孔和碎裂，所以，即使在煤层15中也存在矿层水，它 们不能承受这样的静压力。因此，如果允许全部静压力作用在煤层15上，则 其结果会失去钻探流体且随带的碎块进入到矿层中。这样的情况称之为“过平 衡(over-balanced)”钻探操作，其中，在井孔中的流体静压力超过矿层所能承受 压力的能力。失去钻探流体和碎块进入到矿层中，不仅为必须补充失去的钻探 流体而花费浩大，而且它还趋于堵住需要排出煤层中的气体和水的煤层15中 的孔隙。

为了在形成井孔图形50的过程中防止过平衡操作的情况，设置空气压缩机 60来向下对井孔12循环压缩空气，并通过环接井孔30返回。循环的空气在环 绕环接的钻探绳40的环腔(annulus)中与钻探流体混合，并在整个钻探流体柱中 形成气泡。这可起到减轻钻探流体的流体静压力的作用，并足够地减小进入孔 的压力，以使钻探状况不会变得过平衡。对钻探流体的充气，可将进入孔的压 力减小到约150-200磅/英寸2。因此，可钻探低压煤层和其它的地下地带，而 不会大量失去钻探流体，以及地带被钻探流体所污染。

压缩空气和水混合形成的泡沫，连同钻探出的泥浆，可向下通过环接的钻 探绳40循环，以便随着环接井孔30在钻探时对环腔内的钻探流体充气；如有 需要的话，可随着井孔图形50在钻探时进行充气。使用气锤钻头或气动井下 电机来钻探井孔图形50，也可对钻探流体提供压缩空气或泡沫。在这种情形中， 对井下电机和钻头42提供动力的压缩空气或泡沫，在钻头42的附近退出环接 的钻探绳40。然而，可以循环到井孔12下的较大体积的空气，比起通常可通 过环接的钻探绳40提供的空气，使可对钻探流体进行更大程度的充气。

图2是示出根据本发明的另一实施例，用来在煤层15中钻探井孔图形50 的一方法和系统。在该实施例中，井孔12、放大的腔井20以及环接井孔30如 同图1中所述那样被定位和形成。

参照图2，在环接井孔30和放大的腔井20相交之后，一泵52安装在放大 的腔井20内，以通过井孔12将钻探流体和碎块泵送到地表14。这消除向上返 回环接井孔30的空气和流体的摩擦，并将进入孔的压力下降到接近零。因此， 可从地表进入到煤层和具有低于150磅/英寸2的超低压的其它地下地带。因此， 基本上消除井中空气和甲烷混合的危险。

图3示出根据本发明的一实施例，从煤层15中的井孔图形50中形成流体。 在该实施例中，在井孔12和30以及所要求的井孔图形50分别已钻探之后， 环接的钻探绳钻探绳40从环接井孔30中移去，并且对环接井孔30加盖。对 于下面所述的多个羽形结构，一环接井孔30可在部分34堵塞。否则，环接井 孔30可任其不被堵塞。

参照图3，一井下泵80设置在放大的腔井20内的井孔12中。放大的腔井20 提供一积蓄流体的水池，以允许间歇地泵送，因而没有由井孔中积蓄的流体引起的 流体静压的压头带来的不利作用。放大的腔井20还提供一水池，用来从井孔图形 50中积累的流体中分离出水。

通过一管绳82将井下泵80连接到地表14，并可由向下延伸通过管绳82的井 孔12的吸入管杆84提供动力。吸入管杆84可由一合适的表面安装的装置驱动以 往复运动，例如，具有动力的摆动梁(walking beam)86来操作井下泵80。井下泵80 通过井孔图形50，从煤层15中取出水和随带的煤的细粒。一旦水被提到地表上， 即可进行处理以分离出溶解在水中的甲烷，并取出随带的细粒。在从煤层15中取 出足够的水之后，纯的煤层气可通过环绕管绳82的井孔12的环腔流到地表14， 并通过连接在井源装置(wellhead apparatus)的管道被取走。在地面14上，甲烷被 处理、压缩并通过一管绳被泵送，如同传统的方式用作燃料。井下泵80可以连续 地或按需要地进行操作，以取出从煤层15排出到放大的腔井22内的水。

图4-7示出根据本发明的一实施例，用来进入到煤层15或地下地带的一井孔 图形50。在这些实施例中，井孔图形50包括羽形图形，它们具有大致对称布置的 中心对角线和适当间隔的从对角线的各侧延伸的走向平巷。羽形图形接近于叶脉的 图形(pattern of veins in a leaf)或一种羽毛的图案，其具有类似的、基本上平行的辅 助的井孔，它们以大致上相等和平行间距布置在一轴线相对侧。具有中心的井孔以 及在各侧基本上对称布置且合适间隔的辅助的排出井孔的羽形排出图形提供一均 匀的图形，用来从煤层或其它地下的矿层中排出流体。如在下文中将会更详细描述 的，羽形图形提供均匀的正方形、其它四边形或方格面积的覆盖，并可与长壁开矿 板块(longwall mining panel)对齐，以准备煤层15用于开矿操作。可以理解的是， 根据本发明也可采用其它合适的井孔图形。

从地表钻探的羽形和其它合适的井孔图形50，提供进入到地下矿层的表面 区域。井孔图形50可用来均匀地取出和/或插入流体，或以另外的方式操作地 下矿床。在非煤的应用中，井孔图形50可用来对重质原油开始就地的点火， “呼哧”的蒸气操作，以及从低孔隙的油层中取出碳氢化合物。井孔图形50 还可将其它流体或其它的物质均匀地注入或引入到地下地带。

图4示出根据本发明的一实施例的羽形井孔图形100的视图。在该实施例中， 羽形井孔图形100提供进入到一基本上为正方形区域102的地下地带的通道。多个 井孔图形100可用来一起提供均匀进入到一大的地下地带。

参照图4，放大的腔井20形成一第一角形区域102。羽形井孔图形100包括一 主井孔104，它对角线地横贯区域102延伸到区域102的远角106。较佳地，井孔 12和30定位在区域102上，这样，主井孔104沿煤层15的坡度向上钻探。这将 便于从区域102中收集水、气体和其它的流体。采用环接的钻探绳40钻探井孔104， 并从放大的腔井20起与环接井孔30对齐地延伸。

多个侧向井孔110从井孔104的相对侧延伸到区域102的周缘112。侧向 井孔110可在井孔104的相对侧互相成镜面对称，或沿井孔104互相偏离。各 个侧向井孔110包括一从井孔104延伸的半径弯曲部分(radius curving portion)114，且在该弯曲部分114达到一理想的定向之后，形成一细长部分116。 为了均匀的覆盖正方形区域102，成对的侧向井孔110在井孔104的各侧基本 上相等地隔开，并从井孔104以大约45度的夹角延伸。侧向井孔110根据偏 离于放大腔井20的行进，在长度上有所缩短，以便于侧向井孔110的钻探。

使用一单一井孔104和五对侧向井孔l10的羽形井孔图形100可在大约150 英亩的煤层区域排出。在排出一较小的区域或具有诸如长形、狭窄形及其它形 或由于地表或地下地形的不同的形状的煤层的情形中，可通过改变侧向井孔 110相对于井孔104的角度以及侧向井孔110的定向，来采用变化的羽形井孔 图形。或者，侧向井孔110可仅从井孔104的一侧进行钻探，以形成半个的羽 形图形。

井孔104和侧向井孔110可使用环接的钻探绳40和合适的钻机，通过放大的 腔井20的钻探而形成。在此操作过程中，可采用伽玛射线测井仪和传统的钻探中 测量(MWD)技术来控制钻头的方向和定向，以保持井孔图形在煤层15的范围 内，并使井孔104和侧向井孔110保持合适的间距和定向。

在一特定的实施例中，井孔104在多个侧向分离点(kick-off point)108中的 各点以一斜度钻探。在井孔104完成之后，环接钻探绳40倒退到各相继的侧 向点108，一侧向井孔110在井孔104的各侧从侧向点108起钻探。应该理解 的是，羽形排出图形100可根据本发明以其它合适的方式形成。

图5示出根据本发明的另一实施例的羽形井孔图形120。在该实施例中，羽形 井孔图形120排出煤层15的基本上为矩形的区域122。羽形井孔图形120包括一 主井孔124和多个侧向井孔126，它们如图4中的井孔104和110所述那样地形成。 然而，对于基本上为矩形的区域122，在井孔124的第一侧上的侧向井孔126包括 一浅角(shallow angle)，而在井孔124的相对侧上的侧向井孔126包括一较深的角 (deeper angle)，它们一起对区域122提供一均匀的覆盖。

图6示出根据本发明的另一实施例的四边形的羽形井孔图形140。四边形井孔 图形140包括四个离散的羽形井孔图形100，各用来进入到由羽形井孔图形140覆 盖的一区域142的一象限内。

各个羽形井孔图形100包括一井孔104和多个从井孔104延伸的侧向井孔110。 在四边形的实施例中，各个井孔104和110从一公共的环接井孔141起钻探。这使 地表的生产设备的间距更为紧凑，井孔图形的覆盖更为广泛，并减少钻探设备和操 作。

图7示出羽形井孔图形100与煤层15的地下结构的对齐，以为根据本发明的 一实施例的开矿操作脱气和准备煤层15。在该实施例中，煤层15采用长壁工艺 (longwall process)进行开采。应该理解的是，本发明可用于其它类型的开矿操作中 的煤层的脱气。

参照图7，煤板块150从长壁152沿纵向延伸。根据长壁开矿的实践，各板块 150基本上从远端朝向长壁152开采，并允许矿顶坍落和开矿过程之后裂缝延伸到 开口。在板块150开采之前，羽形井孔图形100从地表钻探到板块150，以在开矿 操作之前对板块150井进行脱气。各个羽形井孔图形100与长壁152和板块150方 格对齐，并覆盖一个或多个板块150的部分。这样，根据地下结构和约束，矿的一 区域可从地表脱气，使开矿的同时对地下矿层脱气。

图8示出根据本发明的另一实施例用来在位于煤层15下的第二地下地带钻探 井孔图形50的一种方法和系统。在该实施例中，井孔12、放大的腔井20和环接 井孔32如图1中所述的方式定位和形成。在该实施例中，第二地下地带也是一煤 层。应该理解的是，使用本发明的双半径井系统，可同样地进入到其它的地下矿层 和/或其它的低压、超低压和少孔的地下地带，以移去和/或产生水、碳氢化合物和 该地带内的其它的流体，在开矿操作之前处理该地带内的矿物，或者将气体、流体 或其它物质注入或引入到该地带。

在另一实施例中，首先形成井孔12和12’，其后是腔井20和20’。然后，可形 成环接井孔36和36’。应该理解的是，根据生产的要求和地下矿层的预期的开采 计划，形成的次序可作出类似的修改。

参照图8，对煤层15的生产和脱气完成之后，第二煤层15’可遵照用于准 备煤层15的类似的方法进行脱气。用于煤层15的生产设备被移去，并且，井 孔12在煤层15的下面延伸，以形成到达目标煤层15’的井孔12’。井孔12’ 在煤层15’的下面相交、穿透和继续延伸。井孔12’镶衬有一终止在煤层15’的 上高度处或上方的合适的井箱16’。井箱16’可连接到井箱16并从井箱16延伸， 或可形成为一单独的单元，在井箱16后安装并移去，通过井孔12和12’从地 表14延伸。在朝向煤层15’进行生产和钻探操作过程中，井箱16’也用来把腔 井20从井孔12和12’中封锁起来。

为了对煤层15’的准确的垂直深度进行定位，在钻探过程中或钻探之后不断地 记录井孔12’的行进。其结果，在其后用来定位煤层15’的钻探操作和工艺中，不 会错过煤层15’，而在钻探过程中则不采用。在靠近煤层15’处，一放大的腔井20’ 形成在井孔12’中。该放大的腔井20’提供一收集点，其用来在生产操作过程中收 集从煤层15’中排出的流体，并提供一水池，用来从井孔图形中的积累的流体中分 离出水来。

在一实施例中，放大的腔井20’的半径大约为8英尺，而其垂直尺寸等于或 超过煤层15’的垂直尺寸。放大的腔井20’可采用合适的地下铰孔工艺和设备来 形成。井孔12’的一部分在放大的腔井20’下面继续延伸，以形成用于腔井20’ 的一坑22’。

一环接井孔30从地表14延伸到井孔12的放大的腔井20和井孔12’的放大的 腔井20’。环接井孔30包括一个部分32、一个部分34以及一互连部分32和34的 弯曲部分36。环接井孔还包括一个部分32’、一个部分34’以及一互连部分32’和 34’的弯曲部分36’。部分32’、34’和36’如图1中部分32、34和36所述的方式形 成。部分34’基本上位于煤层15’的平面内，且与井孔12’的放大的腔井20’相交。

在所示实施例中，环接井孔30偏离在地表14上的井孔12一足够的距离， 以使在放大腔井20或20’相交之前钻探出大半径弯曲部分36和36’以及任何要 求的部分34和34’。为了提供带有100-150英尺半径的弯曲部分36，环接井 孔30偏离井孔12的距离约为300英尺。采用具有100-150英尺半径的弯曲 部分36，弯曲部分36’将具有比弯曲部分36长的半径，根据在煤层15下面的 煤层15’的垂直深度而定。这个间隔将弯曲部分36的角度减到最小，以便在钻 探操作过程中减小在环接井孔30中的摩擦。其结果，通过环接井孔30的环接 钻探绳的延伸使钻探达到最大。因为较浅的煤层15通常首先生产，所以优化 环接井孔30和井孔12之间的间距，以减小弯曲部分36(而不是弯曲部分36’)的 摩擦。这可实现钻探绳40在煤层15’内形成井孔图形50’的延伸范围。如下文 所讨论的，本发明的另一实施例包括定位非常靠近地表14处的井孔12的环接 井孔30。由此，定位较靠近井孔12’的环接井孔30。

如上所述，环接井孔30采用一包括合适的井下电机和钻头42的环接钻探绳 40进行钻探，一在钻探时测量(MWD)装置44包括在环接钻探绳40内，用来控 制由电机和钻头42钻探的井孔的定向和方向。环接井孔30的部分32镶衬有合适 的井箱38。连接到井箱38的一井箱38’可被用来封闭环接井孔30的部分32’，环 接井孔30通过钻探超过用于弯曲部分36的分离点而形成。井箱38’也被用来封闭 环接井孔30的弯曲半径部分36。

在环接井孔30成功地与放大的井腔20’相交之后，使用环接钻探绳40和合适 的钻孔机继续钻探通过井腔20’，以在煤层15’上提供一井孔图形50’。该井孔图形 50’和其它这种井孔包括斜坡形的、波浪形的或煤层15’或其它地下地带的其它倾斜 形式。在此操作过程中，可使用伽玛射线测井仪和传统的钻探中测量装置来控制和 引导钻头的定向，以保持井孔图形50’在煤层15’的范围内，并提供基本上在煤层 15’内所要求区域的均匀的覆盖。井孔图形50’可类似于上述的井孔50进行构造。 涉及井孔图形的其它的信息将联系上面的图4-7和下面的图12作更为详细的描 述。

与钻探排出图形50’相联系的，可采用钻探井孔图形50中如图1所述的相 同的方式，使用钻探流体或“泥浆”。在环接井孔30与放大的井腔20’相交处 一泵52安装在放大的井腔20’中，以将钻探流体和碎块通过井孔12和12’泵送 到地表14上。这消除向上返回环接井孔30的空气和流体的摩擦，并使井下压 力减小到接近零。因此，从地表进入煤层和其它具有低于150镑/英寸2超低压 的地下地带。此外，可消除井中空气和甲烷混合的危险。

图9A示出根据本发明的另一实施例，用来从地表进入到地下地带的一双半 径环接井组合200。在该实施例中，地下地带是煤层。可以理解的是，可类似 地采用本发明的双半径环接井孔系统进入其它的地下矿层和/或其它的低压、超 低压以及少孔的地下地带，以便去除和/或产生在地下地带的水、碳氢化合物和 其它的流体，在开矿操作之前处理地下地带的矿物，或将气体、流体或其它物 质注入或导入地下地带。

参照图9A，一井孔210从地表14上的有限的钻探和生产区域延伸到第一环接 井孔230。井孔210镶衬合适的井箱215，它终止在环接井孔230和井孔210相交 处的高度上或以上。一第二井孔220从井孔210和第一环接井孔230的相交处延伸 到第二环接井孔235。第二井孔220基本上与第一井孔210对齐，这样，它们一起 形成一连续的井孔。在图9-11中，井孔210和220基本上是垂直的；然而，应该 理解的是，井孔210和220可以相对于地表14的任何合适的角度形成，以适应地 表14的几何特征和/或地下矿藏的几何特征或状态。第二井孔220的延伸部240从 第二井孔220和第二环接井孔235的相交处延伸到煤层15下的深度。    

第一环接井孔230包括一半径的部分232。第二环接井孔235包括一半径 部分237。半径部分232可形成约150英尺的半径。半径部分237小于半径部 分232，可形成约50英尺的半径。然而，也可采用其它合适的形成半径(formation radiu)来形成半径部分232和237。

第一环接井孔230与放大的井腔250连通。放大的腔井250形成在煤层15 高度上的第一环接井孔230的远端。如在下文中更为详细描述的，放大的腔井 250提供一对于井孔235的一部分225的相交的汇合处。井孔235的部分225 基本上形成在煤层15的平面内，并从半径部分237延伸到放大的腔井250。在 一实施例中，放大的腔井250具有一近似为8英尺的半径和等于或超过煤层15 的垂直尺寸的一垂直尺寸。放大的腔井250采用合适的井下扩孔技术和设备来 形成。

井孔235通常形成在第二井孔220的相交处，并延伸通过煤层15进入到放 大的腔井250内。在一实施例中，井孔210和220首先形成，其后形成第二环 接井孔235。然后，形成放大的腔井250，并钻探第二环接井孔230，以与放大 的腔井250相交。然而，也可采用其它合适的钻探顺序。

例如，在井孔210形成之后可采用包括合适的井下电机和钻头42的环接钻 探绳40钻探第一环接井孔图形230。一钻探中测量(MWD)装置44被包括在 环接钻探绳40内来控制由电机和钻头42钻探井孔的定向和方向。在第一环接 井孔230形成之后，放大的腔井250形成在煤层上。可通过旋转装置、可膨胀 的切削工具、水喷射切割工具或其它用于在地下矿层形成腔井的合适的方法， 来形成放大的腔井250。在放大的腔井250形成之后，使用环接钻探绳40和合 适的钻探装置通过腔井250继续钻探，以提供井孔图形50在煤层15的范围内。 井孔图形50和其它这样的井孔包括斜坡形的、波浪形的或煤层15或其它地下 地带的其它倾斜形式。在此操作过程中，可使用伽玛射线测井仪和传统的钻探 中测量装置来控制和引导钻头的定向，以保持井孔图形50在煤层15的范围内， 并提供基本上在煤层15内所要求区域的均匀的覆盖。涉及井孔图形的其它的 信息将联系上面的图4-7和下面的图12作更为详细的描述。可以与图1中所 述的相同的方式进行泥浆钻探和防止过平衡的操作。在井孔图形50形成之后， 环接钻探绳40从井孔移去，并用来形成井孔220。如上所述，第二井孔220享 有与环接井孔230公共的部分。

在井孔220钻探到煤层15的深度之后，由环接井孔235形成一地下通道。 第二环接井孔235可采用传统的环接钻探技术来形成，并互连第二井孔220和 放大的腔井250。如结合下面的图10所作的更为详细的描述，这使通过井孔图 形50收集的流体流过放大的腔井250，并沿井孔235通过第二井孔220和第一 井孔210移到地表14。通过以这种方式的钻探，一地下矿层大的区域可从地表 上的小的区域中排出或产生。

图9B示出根据本发明的另一实施例通过相交在地表处的一单一腔井的多 个环接的地表井形成在地下地带的多个井孔图形。在该实施例中，单一的腔井 孔210用来将从井孔图形50中收集到的矿藏收集和移到地表上。应该理解的 是，根据地下矿层的地质、所要求的总的排出区域、产量要求和其它因素，可 采用数量变化的多个井孔图形50、放大的腔井250和环接的井230和235。

参照图9B，在所要求的总的排出区域的大致中心的地表位置，对井孔210和 220进行钻探。如上所述，环接井孔230从靠近或与井孔210和220公共的地表位 置处进行钻探。井孔图形50从各环接井孔230在目标地下地带内进行钻探。也从 各环接井孔230形成放大的腔井250，以便收集从井孔图形50中排出的矿层。如 上面结合图9A所述的，钻探井孔235以连接每个放大的腔井250和井孔210和220。

采自目标地下地带的矿藏排出到井孔图形50，其中，矿藏被收集在放大的腔 井250中。从放大的腔井250，矿藏通过井孔235进入到井孔210和220。一旦矿 藏已收集到井孔210和220中，它们可通过上述的方法移到地表。

图10示出根据本发明的另一实施例，从在煤层15上的井孔图形50生产流体 和气体。在该实施例中，在井孔210、220、230和235以及所要求的井孔图形50已 被钻探之后，环接的钻探绳40从诸井孔移去。在该实施例的一个方面，第一环接 井孔230被包围起来，井孔220镶衬一合适的井箱216。在该实施例所示的方面， 仅有井孔220被井箱216包围，留下第一环接井孔230与第一井孔210连通。

参照图10，一井下泵80设置在延伸部240上方的井孔220的下部。延伸部240 提供一用来积蓄流体的水池，以便间歇地泵送流体，并不造成由井孔中积蓄的流体 引起的静压压头的不利影响。

井下泵80通过一管绳82连接到地表14，并可由向下延伸通过管绳82的井孔 210和220的深井泵吸入杆84提供动力。深井泵吸入杆84可由一合适的表面安装 的装置驱动进行往复运动，例如，具有动力的摆动梁86来操作井下泵80。井下泵 80用来通过井孔图形50，从煤层15中取出水和随带的煤的细粒。一旦水被提到地 表14上，即可进行处理以分离出溶解在水中的甲烷，并取出随带的细粒。在从煤 层15中取出足够的水之后，纯煤层气可通过环绕管绳82的井孔210和220的环腔 流到地表14，并通过连接在井楼装置的管道被取走。或者，或另外地，纯煤层气 可被允许通过第一环接井孔230的环腔流到地面14上。在地表上，甲烷被处理、 压缩并通过一管绳被泵送，如同传统的方式用作燃料。井下泵80可以连续地或按 需要地进行操作，以取出从煤层15排出到延伸部240内的水。

图11示出根据本发明的另一实施例，用来钻探位于煤层15下面的第二地下地 带内的井孔图形50的一种方法和系统。在该实施例中，井孔210和220、环接井 孔230和235、放大腔井250和井孔图形50，如上面结合图9A所述的进行定位和 形成。在该实施例中，第二地下地带也是一煤层。可以理解的是，可类似地采用本 发明的双半径环接井孔系统，进入其它的地下矿层和/或其它的低压、超低压以及 少孔的地下地带，以便去除和/或产生在地下地带的水、碳氢化合物和其它的流体， 在开矿操作之前处理地下地带的矿物，或将气体、流体或其它物质注入或引导入地 下地带。

参照图11，在煤层15完成生产和脱气之后，可遵照用于准备煤层15类似的 方法对第二煤层15’进行脱气。用于煤层15的生产设备移去，井孔220延伸到煤 层15的下面，以形成一井孔260到目标煤层15’。井孔260在煤层15’的下面相交、 穿透和继续，并终止在延伸部285。井孔260镶衬有一终止在煤层15’上部高度处 或上方的合适的井箱218。井孔218可连接和从井箱216延伸，或形成为一单独的 单元，在井箱216移去之后安装，并从地表14通过井孔210、220和260延伸。在 朝向煤层15’的生产和钻探操作的过程中，井箱260也可用来从井孔210和220封 闭环接井孔230和235。井孔260基本上与井孔210和220对齐，这样，它们一起 形成一连续的井孔。在图11中，井孔260表示为基本上是垂直的；然而，应该理 解的是，井孔260也可相对于地表14和/或井孔210和220形成为任何合适的角度， 以适应地下矿藏的几何构造或层态。

在类似于上面图9A中所述的一方式中，以与煤层15’相对比的关系形成一第 一环接井孔270、一放大的腔井290、一井孔图形50’以及一第二环接井孔275。类 似地，以与上面图10中所述的基本上相同的方式，从煤层15’中产生水、碳氢化 合物和其它的流体。例如，采自目标煤层15’的矿藏排出到井孔图形50’，其中， 矿藏被收集在放大的腔井290中。从放大的腔井290，矿藏通过井孔275的部分280 进入到井孔210、220和260。一旦矿藏已收集在井孔210、220和260中，它们可 通过上述的方法移到地表上。

图12示出根据本发明的另一实施例的呈羽形图形的井孔图形300。在该实施 例中，羽形井孔图形300提供进入到地下地带的大致正方形区域302。多个羽形图 形300可一起用于二、三和四个的羽形结构，以提供进入到大的地下地带的均匀通 道。

参照图12，放大的腔井250形成区域302的一第一角，羽形井孔图形300在 其上延伸。放大的腔井250形成一区域302的第一角。羽形图形300包括一横贯区 域302对角地延伸到区域302的远端角306的主井孔304。较佳地，井孔210和230 定位在区域302的上方，这样，井孔304沿煤层15的坡度向上钻探。这将便于从 区域302收集水、气体和其它的流体。井孔304采用环接的钻探绳40进行钻探， 从放大的腔井250延伸并与环接井孔230对齐。

多个侧向井孔310从井孔304的相对侧延伸到区域302的周缘312。侧向井孔 310可在井孔304的相对侧互相成镜面对称，或沿井孔304互相偏离。各个侧向井 孔310包括一从井孔304延伸的第一半径弯曲部分314以及一细长的部分318。位 于腔井250附近的第一组侧向井孔310还可包括一在第一半径弯曲部分314已达到 一所要求的定向之后形成的一第二半径弯曲部分316。在该组中，细长部分318形 成在第二弯曲部分316达到所要求的定向之后。这样，第一组侧向井孔310突转或 返回朝向放大的腔井250，然后向外延伸通过矿层，由此，返回朝向腔井250延伸 排出区域，以提供均匀的覆盖区域302。对于均匀覆盖区域302，成对的侧向井孔 310基本上均匀地在井孔304的各侧分开，且以大致45°的夹角从井孔304延伸。 侧向井孔310根据背离放大腔井250的行进，在长度上有所缩短，以便于侧向井孔 310的钻探。

使用一单一的井孔304和五对侧向井孔310的羽形井孔图形300，可排出约 150英亩大小的煤层区域。在排出较小区域的地方，或煤层具有不同形状的地方， 例如，一长形、一窄形或由于地表或地下地形引起的其它形状，可通过变化相对于 井孔304的侧向井孔310的角度和侧向井孔310的定向使用交替的羽形井孔图形。 或者，侧向井孔310可只从井孔304的一侧钻探，以形成一半的羽形图形。

井孔304和侧向井孔310使用环接的钻探绳40和一合适的钻机，通过钻探通 过放大腔井250而形成。在此操作过程中，可采用伽玛射线测井仪和传统的钻探中 测量(MWD)技术来控制钻头的方向和定向，以保持井孔图形在煤层15的范围 内，并保持井孔304和310的合适的间隔和定向。在一特定的实施例中，井孔304 在多个侧向突转点308的各点上以倾斜钻探。在井孔304完成之后，环接的钻探绳 40向上返回到各相继的侧向点308上，从该点侧向井孔310在井孔304的各侧钻 探。应该理解的是，羽形井孔图形300可根据本发明以其它合适的方式形成。

图13是一流程图，示出根据本发明的另一实施例，为开矿操作准备煤层15 的一种方法。在该实施例中，方法开始于步骤500，其中，识别被排出的区域 和用于该区域的用来提供排出的井孔图形50。较佳地，诸区域与用于该区域的 开矿计划的方格(grid)对齐。可使用羽形结构100、120、140、144和300来提 供对该区域的优化的覆盖。应该认识到，也可使用其它合适的图形来对煤层15 脱气。

进到步骤505，第一环接井孔230钻探到煤层15。在步骤515，利用井下 的测井仪以便准确地识别在第一环接井孔230中的煤层的位置。在步骤520， 放大的腔井250形成在煤层15的位置上的第一环接井孔230中。如上所述， 放大的腔井250可通过地下扩孔和其它传统的技术而形成。在步骤525，用于 羽形井孔图形100的井孔104通过环接井孔30钻探到煤层15。在井孔104形 成之后，用于羽形井孔图形100的侧向井孔110在步骤530时钻探。如上所述， 侧向突转点在其形成的过程中可形成在井孔104中，以便于侧向井孔110的钻 探。

接下来，在步骤535，清理放大的井孔250，以准备安装井下的生产设备。 放大腔井250可采用压缩空气向下泵送到井孔210和230或其它的合适的技术 被清洗。接下来，在步骤540，第二井孔220从环接井孔230或靠近其进行钻 探，以与煤层15相交。在步骤545，形成第二环接井孔235和延伸部。接着， 在步骤550，钻探井孔225以与放大腔井250相交。

在步骤555，生产设备安装在井孔210和220中。生产设备包括深井杆式 泵，其向下延伸到井孔220的底部，在延伸部240的上方，以便从煤层15中 除去水。水的除去将降低煤层的压力，并允许甲烷气体弥散和向上形成在井孔 210和220和环接井孔230的环腔中。

进到步骤560，从井孔图形100排出而进入到井孔220的底部的水，可采 用杆式泵送单元被泵送到地表。可以连续地或间断地按需要从井孔220的底部 移去水。在步骤565，从煤层15扩散的甲烷气体被连续地收集到地表14。接 下来，在决定性的步骤570，确定是否完成从煤层15生产气体的过程。在一实 施例中，气体的生产可在收集气体的成本超过由井产生的财政收入之后即可完 成。在另一实施例中，气体可从井中继续生产，直到煤层15中的气体的剩余 水平低于矿业操作所要求的水平。如果气体的生产未完成，则决定在方块图中 的步骤570的“否”分支返回到步骤560和565，其中，水和气体继续从煤层 15中取出。一旦生产完成，决定步骤570的“是”分支进到步骤575，其中， 取出生产设备。

接下来，在决定性的步骤580，确定煤层15是否继续准备用于矿业操作。 如果煤层15继续准备用于矿业操作，则决定步骤580的“是”分支进到步骤 585，其中，水和其它添加物可注回到煤层15，以再水合(re-hydrate)煤层15， 从而尽可能降低尘埃，提高开矿的效率和提高矿业产品的质量。

步骤585和决定步骤580的“否”分支进到步骤590，其中，煤层15被开 采。从煤层15中取走煤，造成矿顶坍落和开矿过程之后裂缝延伸到开口。坍 塌的矿顶形成采空区气体，它们可在步骤595通过井孔210和220和/或第一环 接井孔230进行收集。因此，不要求额外的钻探操作来从开矿的煤层中恢复采 空区的气体。步骤595引导到过程的结束，由此，煤层有效地从一最小的地表 区域排出气体。该方法对开矿前取走不希望的气体的矿以及开矿过程之前的再 水合煤，提供一共生的关系(symbiotic relationship)。此外，该方法允许在陡的、 粗糙的或其它限制的地形中有效地脱气。

尽管本发明已描述了若干个实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，可提 出各种改变和变型。本发明欲涵盖落入附后的权利要求书的范围内的这些改变和变 型。