用于煤层脱水的方法和系统

发明的技术领域

本发明总的涉及地表内或地表下的材料的处理，更确切地说，涉及用于对地下 地域副产品处理的方法和系统。

发明的背景技术

石油和其它来自地下地域的有价值材料的生产经常导致水和必须以某种方式 处理的其它的副产品的产生。这种副产品水可能相当干净，或可能含有大量盐水或 其它原料。这些副产品一般通过简单地任其在表面流动而进行处理，或，如有环境 规章的要求，则以较大的费用将它们运送到远处。

发明概要

本发明提供一种改进的用于地下副产品处理的方法和系统，它大致上消除或减 少现有系统和方法带有的缺点和问题。在一特别实施例中，在气体或其它碳氢化合 物产生的过程中从一部分地下地域排出的夹带水可被返回到地下区域或在地下区 域内处理，以减少必须在地面上处置的所产生的水。

按照本发明的一实施例，用于处理地下副产品的方法和系统利用作用在下倾的 地下地域内的流体的重力，以使作为煤的甲烷气生产的副产品产生的水返回到或保 留在地下地域内，并趋于向下流动，但排水样式朝向先前排水的区域远离当前气体 产生的区域。

按照本发明的另一方面，排水样式(drainage pattern)可包括一提供大致上均匀 的、在地下地域内流体流动的样式。这种排水样式可包括一从地下地域内的区域的 第一端延伸至区域的远端的一主孔，且至少一组侧向孔从主孔的一侧向外延伸。

本发明的技术优点包括一种用于更有效地处理作为煤床的甲烷气和其它资源 生产过程的一副产品产生的水用的方法和系统。例如，可接受的是：与气体或碳氢 化合物生产相关的副产品水返回，或将副产品水保持在地下地域内，本发明可减少 与规章负担相关的处理副产品水的成本。

本发明的另一技术优点包括形成一种用于在环境敏感区域生产气体的方法和 系统。作为生产过程的部分必须去除的夹带水可改为在地下处理。这样，可将流泻 或运输减少到最小。

某些实施例可含有这些技术特征和优点中的一个、一些或所有，或一个也没有， 和/或具有额外的技术特征和优点。

从以下的图形，描述和权利要求中，本发明的其它的技术优点将容易明白地呈 现给本技术领域内的熟练人士。

附图简要说明

为了更完全地理解本发明和其优点，现将参照结合附图的下面的描述，其中， 相同的标号指示相同的零件，其中：

图1是一横截面图，它示出按照本发明的一实施例在地下区域内通过一相交于 一垂直的洞穴井的活动连接的表面井的一排水样式的构造；

图2是一横截面图，它示出按照本发明的一实施例通过一垂直的井孔从在地下 区域内的排水样式产生的副产品和气体；

图3是一俯视图，它示出按照本发明的一实施例用于进入地下区域的羽状排水 样式；

图4A-4B示出按照本发明的一实施例从倾斜的地下地域产生气体的一第一组 排水样式的俯视图和横截面图；

图5A-5B示出按照本发明的一实施例用于在时间(2)时从图4的倾斜的地 下地域产生的气体的第一组排水样式和第二组互连的排水样式的俯视图和横截面 图；

图6A-6B示出按照本发明的一实施例用于在时间(3)时，提供来自图4的 倾斜的地下地域的气体的第一和第二组互连的排水样式和第三组互连的排水样式 的俯视图和横截面图；

图7示出按照本发明的一实施例用于从倾斜的含有煤层的地下地域产生的气 体的互连的排水样式区域的俯视图；

图8是一流程图，它示出按照本发明一实施例，用于处理来自地下地域的副产 品的方法。

本发明的详细揭示

图1示出一按照本发明一实施例的在地下地域的钻井系统。一地下地域可包括 煤层、页岩层、油层、蓄水层、地质层或岩层或其它至少部分地定义自然的或人工 的地域，至少部分地在地表下面的，或多个这种地域的组合。在该实施例中，地下 地域是具有近似为0°-20°结构倾斜的煤层。应该认识到，使用本发明的双钻井系 统可同样地进入到其它的低压、超低压、以及低孔隙度地层或其它合适的地下地域， 以便去除和/或产生水、碳氢化合物和其它在地域内的液体，或处理在地域内的矿 物。一钻井系统包括钻井孔和关联的套管和其它设备以及由钻孔组成的排水样式。

参照图1，一基本上垂直的钻井孔12从地表面14延伸到目标煤层15。基本上 垂直的钻井孔12横断、穿透并继续延伸到煤层15下方。基本上垂直的井孔与到煤 层15或在煤层15水平面上终止的一合适的钻井套管16对齐。应该认识到：如果 倾斜的或其它基本上不是垂直的钻井适于提供以能用于副产品的泵送，那么这种钻 井也可被使用。

为了定位在钻井孔12的位置处的煤层15的精确的垂直深度，无论是在钻挖期 间或之后，记录基本上垂直的钻井孔12。可使用一倾斜计(dipmeter)或类似向下钻 进工具来确认煤层的结构倾斜(structural dip)。由于这些步骤，在用来定位煤层15 的后来的钻挖操作和技术中不会错过煤层，而不需进行钻挖。在基本上垂直的钻井 孔12内于煤层15的水平处形成有一扩大直径的空腔18。如下面更详细地所述， 扩大直径的空腔18提供一汇合处，它用于基本上垂直的钻井孔和用于形成在煤层 15内的一基本上倾斜平行的排水样式的活动连接钻井孔的相交。扩大直径的空腔 18还提供一用于在生产操作过程中从煤层15排出副产品的收集点。

在一实施例中，扩大直径的空腔18具有一近似为2到8英尺的半径和一2到8 英尺的垂直尺寸。使用合适的扩孔技术和诸如一缩放仪类型的空腔形成工具的设备 (其中，一可滑动的安装轴环和两个或更多个组合臂枢转地固定至纵向轴的一端， 这样，当轴环移动时组合臂从中心轴沿径向延伸)可形成扩大直径的空腔18。基 本上垂直的钻井孔12的一垂直部分继续在扩大直径的空腔18下面，以形成用于空 腔18的集水坑20。

活动连接钻井孔22从地表面14延伸至基本上垂直的钻井孔12的扩大直径的 空腔18。活动连接钻井孔22包括一基本上垂直的部分24、一倾斜平行部分26以 及互连垂直的和倾斜平行部分24和26的曲线的或圆弧部分28。倾斜平行部分26 基本上位于倾斜的煤层15的平面内，并与基本上垂直的钻井孔12的扩大直径的空 腔18相交。应该理解到：倾斜平行部分26的路径不需要是直线的，在不离开本发 明的情况下，可具有适度的棱角或弯曲。

在地表面14处，活动连接钻井孔22偏离基本上垂直钻井孔12一足够的距离， 以在相交于扩大直径的空腔18之前允许钻挖较大的弯曲半径部分28和任何想要的 倾斜平行部分26。为了提供一100-150英尺半径的曲线部分28，活动连接钻井孔 22偏离基本上垂直的钻井孔12一约300英尺的距离。这距离使曲线部分28的角 度最小化，以减少钻挖过程中钻孔22内的摩擦。其结果，钻挖通过活动连接钻井 孔22的钻具组的范围达到最大。

使用一传统的钻具组32来钻挖活动连接钻井孔22，它包括一合适的向下钻进 的电机和钻头。一钻挖测量设备(MWD)36包括在钻具组32内，以便控制由电 机和钻头34钻挖的钻井孔的方位和方向，使得与扩大直径的空腔18相交。活动连 接钻井孔22的基本上垂直的部分24与一合适的套管30对齐。

在扩大直径空腔18成功地与活动连接钻井孔22相交后，使用钻具组32和合 适的钻挖器械(诸如，一向下钻进的电机和钻头)继续钻挖穿过空腔18，以在煤 层15内形成一基本上倾斜平行的排水样式38。在该操作过程中，可使用γ射线记 录工具和传统的钻挖测量设备来控制和引导钻头的方位，以保持在煤层15界限内 的排水样式38，并提供在煤层15内的一要求区域的基本上均匀的覆盖。参照图3 下面将更详细地描述关于排水样式进一步的信息。

在钻挖排水样式38的过程中，钻挖液体或“泥浆”泵送到钻具组32下，且在 钻头34的附近的钻具组32之外循环，它用来冲刷岩层和用来去除岩层碎片。然后， 碎片留在向上循环穿过钻具组32与钻井孔壁之间的环面的钻挖液体内，直到液体 到达地表面14，碎片从钻挖液体中去除，然后液体再循环。该传统的钻挖操作产 生一标准的钻挖流体柱，该流体柱具有一等于钻井孔22的深度的垂直高度，以及 在钻井孔中产生一对应于钻井孔深度的流体静压力。因为煤层倾向于渗水和断裂， 即使在煤层15内还出现地层水，它们不能承受这种流体压力。因此，如果允许全 部的流体静压力作用于煤层15，结果可能会失去钻挖流体并将碎片留在岩层内。 这种情况称作为“过度平衡”钻挖操作，其中，钻井孔内的流体静压力超过岩层压 力。丧失钻挖流体致使碎片进入到岩层内，由于必须补足失去的钻挖流体，所以不 仅十分昂贵，而且它趋于堵塞在煤层15内的细孔，而细孔需要排出煤层的气体和 水。

为了在形成排水样式38过程中防止过度平衡钻挖的情况，提供空气压缩机40 来循环压缩空气至基本上垂直的钻孔12下，并穿过活动连接钻井孔22返回。循环 的空气将混合于钻具组32附近的环面内的钻挖液体，并引起贯穿钻挖流体柱的气 泡。这具有减轻钻挖流体的流体静压力的作用，且减少足以使钻挖条件不变成过度 平衡的向下钻进压力。钻挖流体的充气使向下钻进压力减少至约150-200磅/英寸2 。因此，可在基本上不损耗钻挖流体以及钻挖流体污染地域的情况下钻挖低压煤 层和其它地下地域。

当活动连接钻井孔22钻挖时和排水样式38钻挖时(如果要求的话)，为了给 环面内的钻挖流体充气，由压缩空气和水的混合的泡沫也可随同钻挖泥浆向下循环 通过钻具组32。使用气锤钻头或气动向下钻进马达(air powered down-hole motor) 来钻挖排水样式38，也可对钻挖流体提供压缩空气或泡沫。在这种情形下，用来 供给钻头或向下钻进马达动力的压缩空气或泡沫在钻头34的附近排出。然而，可 循环向下至基本上垂直的钻井孔12的大量的空气允许钻挖流体的充气大于一般可 能由空气供给通过钻具组32的充气。

图2示出按照本发明一实施例，泵送来自煤层15内倾斜平行排水样式38的副 产品。在该实施例中，在钻挖基本上垂直的和活动连接的钻井孔12和22以及排水 样式38之后，钻具组32从活动连接的钻井孔22撤离，并且遮盖活动连接的钻井 孔。或者，钻井孔可以不遮盖，且用来钻挖其他活动连接的钻井。

参照图2，在扩大直径的空腔18内的基本上垂直的钻井孔12内设置有一入口 42。扩大直径的空腔18结合集水坑20提供一用于累积的副产品的蓄水池，以在没 有由钻井孔内累积副产品引起的流体静压力头(hydrostatic head)反作用力的情况下 允许间歇地泵送。

入口42经一管具组44连至地表面14，并且可由向下延伸穿过管具组井孔12 的深井泵活塞杆(sucker rod)46供以动力。深井泵活塞杆46由一合适的表面安装的 器械(诸如，一供以动力的步进梁抽水机(powered walking beam pump)48)使其上 下移动。抽水机48可用来经排水样式38和入口42将水从煤层15去除。

当去除夹带的水在煤层15的压力中引起一足够的下落时，纯净的煤层气可允 许通过管具组44周围的基本上垂直的钻井孔12的环面流到地表面14，并经连至 井口装置的管子予以去除。一在钻井孔12上和管具组44周围的顶盖47可帮助擒 住气体，气体然后经出口49排出。在地表面上，甲烷被加工、压缩和通过一管道 泵送，以便以传统的方式作为燃料使用。可持续地或当需要时运行泵48。

如下面更详细地所述，从煤层15移去的水可在地面释放或在远处处理。或者， 如同下面进一步讨论的，水可返回到地下，并允许通过先前钻挖的向下倾斜的排水 样式进入地下地域。

图3是一俯视图，示出按照本发明的一实施例用于进入在地下区域内的沉积物 的一基本上倾斜平行的羽状排水样式。在该实施例中，排水样式包括一羽状样式， 该羽状样式具有一中心对角线以及大致对称地排列和从对角线每一侧延伸的适当 地隔开的支线。如在这里使用的，每一术语表示至少一子集被识别项目中的每一项。 该羽状样式接近叶脉的样式或羽毛的结构，其中，它具有排列在一轴线的基本上相 等且平行间隔或相对侧的相似的、基本上平行的、辅助的排水孔。带有中心孔和在 每一侧大致对称地排列且合适地隔开的诸辅助排水孔的羽状排水样式提供了用于 从煤层或其它地下岩层排出副产品的均匀的样式。采用这种样式，依靠地质和水文 条件，出现在煤层15的一给定区域内的80％或更多的副产品可被可行地移去。羽 状样式提供基本上均匀的正方形、其它四边形或格子区域的覆盖范围，并可与预备 的用于煤层15开采操作的采矿区长壁工作面对齐。应该认识到：按照本发明也可 使用其它合适的排水样式。

参照图3，扩大直径的空腔18限定了区域50的第一拐角。羽状样式38包括 一主钻井孔52，它对角地横跨区域50延伸至区域50的远端角54。通过使用钻具 组32钻挖对角线孔52，该孔从与活动连接的钻井孔22对齐的扩大空腔18延伸。

许多侧向钻井孔58从对角线孔52的相对侧延伸至区域50的外围60。侧向孔 58可在对角线孔52相对侧彼此镜面对称，或可沿对角线孔52彼此偏移。每一侧 向孔58包括一从钻井孔52延伸的第一半径弯曲部分62，和一细长部分64。位于 空腔18附近的第一组侧向钻井孔58还可包括一第二半径弯曲部分63，它形成在 第一弯曲部分62达到一要求方位之后。在该组中，细长部分64在第二弯曲部分 63达到一要求的方位之后形成。这样，第一组侧向钻井孔58在向外延伸通过岩层 之前朝向扩大空腔18反冲或返回，由此，反向朝空腔18延伸排水区域，以提供均 匀的区域50的覆盖范围。对于均匀的正方形区域50的覆盖区域，在一特定的实施 例中，多对侧向钻井孔58基本上在钻井孔52的每一侧均匀地隔开，并以近似45° 的角度从钻井孔52延伸。侧向钻井孔58根据远离扩大的空腔18的行进缩短长度， 以便于侧向钻井孔58的钻挖。

使用一单个对角线孔52和五对侧向钻井孔58的羽状排水样式38可排放大约 150-200英亩的煤层地域。如果是排放一较小的区域，或煤层具有一诸如狭长形的 不同的形状，或因为表面或地下地形，座则通过改变侧向孔110相对于对角线孔 52和侧向孔58方位的角度，可使用交替的羽状排水样式。或者，可仅从对角线孔 52的一侧钻挖侧向孔58，以形成一半羽状样式。

通过使用钻具组32和合适的钻挖设备(诸如一向下钻进马达和钻头)钻挖贯 穿扩大直径的空腔18来形成对角线孔52和侧向孔58。在该操作过程中，可使用 γ射线记录工具和传统的钻挖测量技术来控制钻头的方向和方位，以保持在煤层 15界限内的排水样式38，并保持对角线排水及侧向孔52和58的合适的间隔和方 位。

在一特定的实施例中，对角线孔52在每一多个侧向分离点56钻挖有一倾斜驼 峰。完成对角线孔52之后，钻具组32倒退至每一连续的侧向点56，从该点在对 角线孔52的每一侧钻挖侧向孔110。应该理解到：按照本发明可合适地形成别样 的羽状排水样式38。

图4A-4B是示出按照本发明一实施例的、包含煤层和第一钻井系统的倾斜地 下地域的俯视图和横截面图，该地域在时间(1)位于地下地域的向下倾斜点。

参照图4A-4B，包含排水样式38的第一钻井系统68排放倾斜煤层66和由此 产生气体。应该理解到：图3所示的羽状结构或其它合适的样式可包括排水样式 38。在特定的实施例中，系统68如图3所示形成有多对羽状排水样式38，每一对 具有相交在公共点下倾处的主孔56。主孔56向上倾斜延伸，近似平行于倾斜方向， 这样，一对侧向钻井孔58基本上平行倾斜方向走向，其它组侧向钻井孔58基本上 垂直于倾斜方向(即，基本上平行于走势方向)走向。这样，系列68的排水样式 38沿煤层走势形成一基本上均匀的覆盖区域。

如图2所描述的或使用其它合适的方法，通过垂直孔12，从来自于和周围由 系统68覆盖的区域的煤层移除水。这水可在表面释放在地表上或运输到厂区外处 理。当已移除足够的水以允许煤甲烷气产生时，从系统68产生的气体前进通过垂 直孔12。钻井、空腔排水样式和/或泵的尺寸设置为从第一部分去除水和从煤层66 或其它岩层的其它部分移除再充入的水。再充入的量可由煤层的角度和渗透性、断 裂或诸如此类性质决定。

图5A-5B是示出按照本发明一实施例的、图4的倾斜地下地域在时间(2) 的俯视图和横截面图。

参照图5A-5B，由钻井组68覆盖的区域可排空气体。时间(2)可以是时间 (1)后的一年，或是较大或较小的间隔。一包括排水样式38的第二钻井系统70 形成为系统68排水样式终端向上倾斜。系统70以与系统68相同的方式形成，这 样，系统70的排水样式38沿煤层走向形成一基本上均匀的覆盖区域。

通过连接系统68和系统70，可形成一系列地下水力连系(subterranean hydraulic connection)72。这些水力连系可包括管道系统、钻井孔段、机械地或化学地强化的 断层、断裂、细孔或渗透区域，或允许水行进通过地下地域的其它连接。本发明的 一些实施例仅可以使用地表面生产和回灌。在后者的实施例中，该水力连系可包括 不能在任一时间持续地连接的管道系统和储存罐。

可使用系统68的钻井孔或系统70的钻井孔中的任一种来钻挖水力连系72。 使用重力，连系72允许水从系统70的区域流到系统68的区域。如果这种自流不 能产生从系统70区域移除足够的水，以用于从系统区域70气体制造，则泵送可提 升额外的水至地表面，以便立刻或在临时储存和/或处理之后返回地下。经系统70 的钻井孔水可返回到地下煤层，一部分水可流动通过连系72并经系统68的排水区 域流入煤层。当移除足够的水以允许煤层甲烷气产生时，从系统70产生的气体行 进通过垂直孔12。

图6A-6B是示出按照本发明的一实施例、图4的倾斜地下地域在时间(3) 的俯视图和横截面图。

参照图6A-6B，由系统68和系统70覆盖的区域可排空气体。时间(3)可是 时间(2)后的一年或是较大或较小的间隔。一包括排水样式38的第三钻井系统 74形成有向上倾斜的系统70排水样式的终端。系统74以与系统68和70相似的 方式形成，这样，系统74的排水样式38沿煤层走向形成一基本上均匀的覆盖区域。

连接系统68与70和系统74，可形成一系列地下水力连系76。可使用系统70 的钻井孔和系统74的钻井孔中的任一种来钻挖连系76。通过重力的帮助，连系76 可允许水从系统74的区域流到系统68和70的区域。如果这种自流不能产生从系 统74区域移除足够的水以用于从系统区域74气体制造，则泵送可将额外的水提升 至地表面，立刻或在临时储存之后返回地下。经系统74的钻井孔水可返回到地下 煤层，一部分水可流动通过连系72并经系统68和70的排水区域流入煤层。当移 除足够的水以允许煤层甲烷气产生时，从系统74产生的气体行进通过垂直孔12。

图7是示出按照本发明的一实施例的、包括带有煤层的倾斜地下地域的领域的 俯视图。

参照图7，来自领域80内向南倾斜的煤层的煤层甲烷气已从八个钻井系统81， 82，83，84，85，86，87和88产生。每一钻井系统包括6个排水样式38，每一单 个覆盖大约150-200英亩的区域。这样，领域80覆盖一近似7200-9600英亩的 总面积。在该实施例中，钻井系统81可在领域80的开采的第一年的进程上钻挖和 生产。每一钻井系统81，82，83，84，85，86，87和88可包括一年的钻挖和泵送 的效用。这样，领域80基本上可在8年期间耗尽。在每年的进程过程中的一些点， 在新钻挖的钻井系统的排水样式38与那些向下倾斜的钻井系统之间产生连系90， 以允许水从新钻挖钻井系统的地下体积中移动到向下倾斜的钻井系统的地下体积。

在一实施例中，对于包括多个钻井系统的领域，每一个钻井系统可包括多个覆 盖约150-200英亩的排水样式，在领域的地下地域至少可产生约80％的气体。副 产品在从第一钻井系统初次移除和处理之后，基本上均匀的流体流动和排水样式允 许在地下地域内处理或再注入基本上所有的副产品水。

图8是一流程图，示出按照本发明的一实施例的、用于处理来自地下地域的副 产品的方法。

参照图8，该方法以步骤100开始，其中，一第一钻井系统钻挖到一地下地域 内。该钻井系统可包括一个或多个排水样式，并且还包括如图4-6所述排列的一 系列排水样式。该钻井系统可包括参照图1-2所述的一双钻井系统或其它合适的 钻井系统。

在步骤102，水通过泵送到地表面或其它合适的方法从地下地域的第一体积中 移除。地下地域的第一体积可包括这样一部分体积，它包括的区域由钻井系统的排 水样式覆盖的面积乘以地下地域的垂直高度(例如，煤层高度)。在步骤102移去 的水可以传统的方式处理，如果环境规章允许的话可在地表面处理水，否则将水运 送至厂区外。

在步骤104，当足够的水已从地下地域的第一体积移除时气体从地下地域产生。 在决策步骤106，决定气体产生是否完成。完成气体产生可能花几个月或一年或更 长的时间。在气体产生过程中，额外的水必须从地下地域移除。只要气体产生持续 进行，决策步骤106的“是”分支返回到步骤104。

当确定气体产生完成时(或者，在另一实施例中，在气体产生下降的过程中， 或在另一合适的时间)，方法进行至步骤108，其中，下一个钻井系统钻挖至地下 地域内，是先前井系统终端的向上倾斜。在步骤110，水通过泵送或其它的方法从 地下地域的下一个体积移除至先前的地域。地下地域的下一个体积可包括一部分体 积，它包括的区域由新钻挖的钻井系统的排水样式覆盖的面积乘以该区域的地下地 域的垂直高度。水从新钻挖体积的移动可通过在钻井系统之间形成一水力连系来实 现。如果水力连系在地下(例如，在地下地域内)，根据地质条件，则由于重力对 水的作用，可能出现水移动穿过地下连系。另外，可使用某些泵送或其它方法来帮 助水移动至早先的排水的体积。或者，来自新钻挖体积的水可泵送至地表面临时地 储存，然后，经一钻井系统再注入地下地域内。在地表面上，泵送的水可临时地储 存和/或加工。

应该理解到，在其它的实施例中，从下一个钻井泵送的水或其它副产品可放置 在不从下一个钻井倾斜的早先的排水钻井系统，但代之以横向倾斜或从下一个钻井 向上倾斜。例如，如果地下地域的地质渗透性低到足以阻止从向上倾斜钻井系统再 注入水的快速向下倾斜移动，则可以适当地向上倾斜地添加水至早先的排水钻井系 统。在这种条件下和这种实施例中，本发明还允许沿向下倾斜方向钻挖相继的钻井 系统(代替参照图8所述的相继的向上倾斜的方向)，以及按照本发明处理副产品。

在步骤112，当足够的水从地下地域新钻挖的体积移除时，气体从地下地域产 生。在决策步骤114，决定气体产生是否完成。完成气体产生可能花几个月或一年 或更长的时间。在气体产生过程中，额外的水必须从地下地域移除。如果确定气体 产生未完成，则继续气体产生(即，方法返回到步骤112)。

如果完成从新钻挖钻井系统的气体产生，在该区域(即，开采含有资源的地下 地域的区域)完成，则在决策步骤116该方法到达其结束点。如果，向上倾斜，该 区域还有些部分留待开采，那么方法返回到步骤108，以进一步钻挖，移动水和产 生气体。

虽然本发明已描述了几个实施例，但本技术领域内的熟练人士可提出各种变化 和改型。本发明意在包含这种落入在附后的权利要求书的范围内的变化和改型。