煤的地下沉积物包括大量的夹带的甲烷气体。使用煤沉积物中的甲烷气体的小 批量生产已出现多年了。然而，大量的障碍阻止了使用煤层中的甲烷气体的更广泛 发展。生产煤层中的甲烷气体的主要问题是，当煤层可以遍布上至几千英亩的大面 积时，煤层在深度上相当浅，从几英寸到几米变化。因此，当煤层经常相当接近表 面时，用于获得甲烷气体的钻入煤沉积物的竖直井只能在煤沉积物周围抽空相当小 的范围。而且，煤沉积物不是由压力和其它经常用于从岩层中增加甲烷气体产量的 方法所能处理的。因此，一旦容易地从钻入煤层的竖直井中排出的气体生成，进一 步的生产在量上受限制。另外，煤层经常与地下水关联，地下水必须从煤层中排出 以生产甲烷。
试验了水平钻井模式来扩展煤层的量，该煤层暴露于用于气体抽取的钻孔。然 而，这样的水平钻井技术需要使用辐射式的钻钻孔，该钻钻孔从煤层中去除夹带的 水呈现出困难。最有效的从地下井中抽水的方法，即杆式泵，在水平或辐射式钻孔 里不能很好地工作。

本发明提供了一系统和方法，该系统和方法使用了来自共同表面井的、多个的 枢接(articulated)井和排水井，并充分地消除、减少或最小化了与之前的系统的 方法相关联的不足和问题。本发明的一个实施例尤其提供了一系统和方法，该系统 和方法使用了自单个表面井的、多个的枢接井和排水井以有效地从煤层中生产和移 动夹带的甲烷气体和水，而不需要多个井从表面上钻探。
根据本发明的一个实施例，用于从入口井进入地下区域的系统包括自表面延伸 的入口井。入口井具有一基本竖直的部分。一个或多个排水井从入口井延伸到地下 区域。一个或多个枢接井从入口井延伸到地下区域。枢接井中的至少一个以一紧邻 于地下区域的接头与一个或多个排水井中的至少一个相交。排水系统连接到接头而 形成，并可工作以引导从地下区域到接头中的流体。
本发明的技术优势包括提供了一方法和系统用于使用来自共同表面井的、多个 的枢接井和排水井。技术优势尤其可包括入口井的形成、多个排水井、多个枢接井 和排水系统，该排水系统来自单个表面位置从而最小化需要进入地下区域以排出气 体和液体资源的表面井的数量。这样顾及了更多有效的钻井和生产，大大减少了成 本和与其它系统和方法相关的问题。
通过下面的图、描述和权利要求书，本发明另外的技术优势对于本领域普通技 术人员是显而易见的。
附图说明
为了更完整的理解本发明及其优点，参考了下面的与附图相联系的描述，其中 相同的标号与相同的元件相对应，在这些附图中：
图1是一剖面图，显示了用于通过从共同表面井钻入的多个井进入地下区域的 系统；
图2是一剖面图，显示了根据本发明的一个实施例、通过井孔系统来自地下区 域的流体的生产；
图3显示了图2的井系统的地下排水系统的一个实施例；
图4显示了一示例的方法，用于来自地下区域的流体的生产，该地下区域使用 了图1的井孔系统；
图5A显示了示例的导管束的结构，该导管束用于插入图1的入口井；以及
图5B显示了示例的具有已安装好的导管束的入口井。

图1是一显示了系统10的图，根据本发明的一个实施例，该系统用于进入地 下区域，该地下区域使用来自共同表面井的、多个的枢接井和排水井。在特定的实 施例中，地下区域是煤层。然而，需要理解的是，其它地下区域可以近似地使用本 发明的系统10进入，该系统用于移动和/或生产水、碳氢化合物和其它来自区域的 流体，用于在采矿作业之前处理矿物，或用于注入、引导或贮藏流体或其它进入区 域的物质。
参考图1，系统10包括入口井12、排水井14、枢接井16、空穴18和水坑20。 入口井12从表面22延伸到地下区域24。排水井14从入口井12的终端延伸到地 下区域24，尽管排水井14可以可选择地从入口井12的任何合适的部分延伸。枢 接井16也可以从入口井12的终端延伸到地下区域24，且可以与相应的排水井14 彼此相交。空穴18和水坑20可以位于枢接井16和相应的排水井14的相交处。
入口井12显示成基本竖直；然而，应该理解的是，入口井12可以任何合适的 相对于表面22的角度来形成，以适应诸如表面的几何形状和姿态和/或地下资源的 几何形状或姿态。在所示的实施例中，排水井14以倾斜的井形成，角度偏离入口 井12以所示的α角。α角部分地取决于地下区域24的深度。应该理解的是，排水 井14可以其它角度来形成，以适应表面布局和其它类似的影响入口井12的因素。 另外，尽管排水井14显示了遍及其全部长度(在入口井12下)具有相同的倾斜角 度，排水井14可以在入口井12下有具有不同角度的两个或更多的部分。例如， 形成空穴18和/或与相应的枢接井16相交的排水井14的部分可以是基本竖直的。 在所示的实施例中，排水井14相互之间以一β角形成。在一个实施例中，β角等 于α角的两倍。应该理解的是，排水井14可以其它的角度分隔，该角度同样地取 决于表面的布局和地理条件以及地下区域24的位置。
在特定的实施例中，一扩大的空穴18可以从在地下区域24层面处的各排水井 14形成。如下面将更详细说明的，通过使用的相应的枢接井16，空穴18提供了用 于与排水井14相交的连接，以在地下区域24形成一地下排水井孔系统。空穴18 也提供了一用于在生产操作期间从地下区域24排出的流体的收集点。在一个实施 例中，空穴18具有一约8英尺的半径；然而，可使用任何适当的直径的空穴。空 穴18可以使用合适的井下扩孔技术和设备而形成。排水井14的一部分可以延伸到 空穴18下以形成空穴18的水坑20。尽管空穴18和水坑20如图所示，应该理解 的是，特定的实施例不包括空穴和/或水坑。
每个枢接井16从入口井12的终端延伸到相应的排水井14的空穴18(或到排 水井14，假如空穴未形成)。每个枢接井16包括第一部分34、第二部分38和一与 部分34和部分36相互连接的弯曲的或圆弧的部分36。在图1中，部分34显示成 基本竖直的；然而，应该理解的是，部分34可以任何相对表面22的合适的角度形 成来适应表面22的地理特征和姿态和/或地下区域24的几何外形或姿态。部分38 基本平躺在地下区域24的平面上以及与相应的排水井14的大直径的空穴18相交。 在图1中，地下区域24的平面显示成基本水平的，因此导致了基本水平的部分38； 然而，应该理解的是，部分38可以任何相对表面22的合适的角度形成来适应地下 区域24的地理特征。每个枢接井16可以使用枢接钻杆柱26来钻井，该枢接钻杆 柱包括一合适的向下钻洞发动机和一钻头28。一随钻测量(MWD)装置30可以 包括在枢接钻杆柱26中用于控制由发动机和钻头28钻的钻井的方位和方向。任何 合适的枢接井16的部分可以用合适的套管加衬。
在显示的实施例中，排水井14足够地远离相应的枢接井16成一角度，以允许 大圆弧的、弯曲的部分36和任何所需的部分38在与空穴18相交前被钻井。在特 定的实施例中，弯曲的部分36可以具有100到150英尺的半径；然而，可以使用 任何合适的半径。可以选择α角来最小化弯曲的部分36的角度，以减少钻井操作 期间在枢接井16中的摩擦。因此，最大化了枢接井16的长度。
在空穴18通过枢接井16成功的相交之后，使用枢接钻杆柱26使得钻井继续 通过空穴18，以在地下区域24提供一排水井孔系统32。在图1中，对应于基本水 平的所示地下区域24，排水井孔系统32显示成基本水平的；然而，应该理解的是， 对应于地下区域的地理特征，排水井孔系统(drainage bore pattern)32可以任何合 适的角度形成。操作期间，可以使用伽马线测井工具和传统MWD装置来控制和 引导钻头28的方向，从而保持排水井孔系统32在地下区域24的范围内以及为在 地下区域24中的所需的地方提供足够地相同覆盖。排水井孔系统32可以包括延伸 入地下区域24的单个的排水井孔(bore)，或者它可以包括几个排水井孔。关于示 例的排水井孔系统32的更多信息，将在下文中详述。另外，尽管系统32显示成自 空穴18延伸，枢接井16的部分38可以适当地延伸以致于部分38具有从地下区域 24中排出流体的功能。
在煤层或其它合适的地层中钻排水井孔系统32过程期间，钻探流体或“泥浆” 可能会沿枢接钻杆柱26向下被抽出以及在钻头28附近从枢接钻杆柱26向外流动， 这样用于冲刷地层和移动岩屑。然后岩屑夹带在钻探流体中，钻探流体通过在枢接 钻杆柱26和枢接井16的壁之间的环形空间向上流动，直到钻探流体到达表面22， 这样岩屑从钻探流体中移除然后流体再流动。这种传统的钻井操作，生成了具有等 于枢接井16的深度的竖直高度的钻探流体的标准柱。以及生成了与钻井深度对应 的钻井上的静水压。由于煤层趋向于多孔渗水和断裂，即使地层水也在地下区域 24中出现，煤层可能也不能够支撑这样的静水压。因此，假如全部的静水压允许 作用在地下区域24上，结果可能是在夹带的岩屑进入地层时钻探流体的损失。这 样的情况被称作“过平衡”的钻探操作，这里钻井的静水压超出了地层所能承受的 压力。进入地层的钻探流体和岩屑的损失，不仅在损失钻探流体方面是花费巨大的， 该钻探流体必须是人工的，而且趋向于堵塞地下区域24中的小孔，该小孔用来从 煤层中排出气体和水。
为了防止排水井孔系统32形成期间的过平衡钻井状况，可以提供空气压缩机 或其它合适的泵，使得压缩空气或其它合适的流体循环沿排水井14向下以及通过 相应的枢接井16向上返回。循环的空气或其它流体会与在枢接钻杆柱26周围的环 形空间中的钻探流体混合，以及生成遍及钻探流体柱的气泡。这能起到减轻钻探流 体的静水压和显著地减少向下钻进压力的效果，从而钻探状况不会变成过平衡。钻 探流体的通风减少向下钻进压力至约150-200磅每平方英寸(psi)。因此，低压的 煤层和其它地下区域可以被钻探，而没有钻探流体的大量损失和钻探流体带来的区 域的污染物。可选择的是，管道可以插入排水井14中，这样，向下通过管道而充 入的空气使得流体通过管道和排水井14之间的环形空间返回。
在另一个实施例中，泵40可以安装在空穴18中，如图1所示，从而通过排水 井抽出钻探流体和岩屑至表面22。这消除了空气和通过枢接井16返回的流体间的 摩擦，可减少向下钻进压力至几乎为零。
泡沫，即可以是与水混合的压缩空气，也可以与钻探泥浆一起通过枢接钻杆柱 26向下流动，从而当枢接井16被钻探时以及所需的当排水井孔系统32被钻探时， 充气至环形空间中的钻探流体。使用气锤钻头或气动井下扩孔发动机来钻探排水井 孔系统32，也会提供压缩空气或泡沫给钻探流体。在本案例中，用于驱动井下扩 孔发动机和钻头28的压缩空气或泡沫从钻头28附近的枢接钻杆柱26排出。然而， 沿排水井14向下流动的大量空气允许钻探流体的比通常的更好的通风，通常的通 风可能是通过经过枢接钻杆柱26提供的空气。
图2显示了根据本发明的一个实施例、来自在地下区域24中的排水井孔系统 32a和32b的流体的生产。在本实施例中，在井14和16以及所需的排水井孔系统 32分别被钻探之后，枢接钻杆柱26从枢接井16中移除。在特定的实施例中，枢 接井可以合适地堵塞以防止气体从枢接井16流动到表面22上。
参看图2，井下扩孔泵40或其它合适的泵装置的入口位于各自的空穴18中的 排水井14中。每个空穴18提供了一蓄水池，用于积聚流体以允许间歇的抽吸，而 没有由在钻井中积聚的流体引起的静水压头的不利影响。每个空穴18也提供了一 腔室，用于气/水从自排水井孔系统32积聚的流体中分离。
每个井下扩孔泵40通过各自的管索42连接到表面22上，且由通过管索42的 井14向下延伸的抽油杆驱动。抽油杆通过一安装于表面的装置往复运动，诸如动 力步进梁46，来运作每个井下扩孔泵40。每个井下扩孔泵40用于通过排水井孔系 统32从地下区域24中移动水和夹带的煤发现物。在煤层的情况下，一旦水被移出 表面，可以进行处理，用于可能溶于水的甲烷的分离以及用于夹带的发现物的移除。 足够的水从地下区域24移除之后，纯的煤层气体可被允许通过管索42周围的井 14的环形空间流动到表面22上以及通过连接到井口装置的管道被移动。在表面22 上，甲烷被处理、压缩和通过管道充气，以传统的方式作为燃料使用。每个井下扩 孔泵40可以连续地运作或者根据需要运作，来移动从地下区域24排出的水进入空 穴18。
图3显示了用于进入地下区域24或其它地下区域的地下系统32a和32b的一 实施例。系统32a和32b可以用于移动或注入水、气体或其它流体。每个地下系统 32a和32b包括多侧井的系统，该系统具有一主井孔和从主井孔的每一侧延伸出的、 通常对称安置并适当地间隔的侧井。如在此所使用的，术语“每个”的意思是确定 的物的至少一个子集的每一个。应该理解的是，可使用任何合适的多枝的或其它系 统，该系统包括或连接到表面生产钻井。参看图3，每个系统32a和32b各自地包 括一主井孔150，主井孔延伸自相应的空穴18a或18b或延伸自沿着覆盖区域的中 心到覆盖区域的远端的相交的井14或16。主井孔150包括一个或多个初级侧井孔 152，该初级侧井孔从主井孔150延伸到至少接近于覆盖区域的外围。初级侧井孔 152可以延伸自主井孔150的相对的边。初级侧井孔152可以与主井孔150的相对 的边的另外一个彼此对称，或者与另外一个沿主井孔150彼此偏离。每个初级侧井 孔152可以包括一延伸自主井孔150的圆弧的、弯曲的部分以及一直线的部分，该 直线的部分在弯曲的部分到达所需的方位后形成。为了统一覆盖，初级侧井孔152 可以基本均匀地间隔于主井孔150的每一边，以及自主井孔150以大约45度的角 度延伸。基于远离相应的空穴18a或18b的进展，初级侧井孔152可以在长度上缩 短。因此，对于每个初级侧井孔152而言，空穴或相交的钻井与通过系统的每个初 级侧井孔152的远端之间的距离可以基本相等。
一个或多个次级侧井孔154可以在一个或多个初级侧井孔152后形成。在特定 的实施例中，一组次级侧井孔154可以在最靠近于相应的空穴18a和18b的每个系 统32a和32b的初级侧井孔152后形成。次级侧井孔154可以在系统32a和32b的 初级侧井孔152之间的区域提供覆盖。在特定的实施例中，第一初级侧井孔152 可以包括一翻转的弯曲的部分，以提供地下区域24更多的统一覆盖。
地下系统32a和32b具有中心钻井以及在每边通常对称安置的、适当间隔的辅 助钻井，并可以提供基本统一的系统用于从地下区域24或其它地下区域排出流体。 侧井孔的数目和间隔可以被调整，取决于绝对的、相对的和/或有效的煤层的渗透 性以及被系统所覆盖的区域大小。被系统所覆盖的区域可以是系统排出的区域、设 计了系统来排出的具有间隔单元的区域、在系统的远端或外围的区域和/或在系统 的外围和外围中间邻近或接近系统的周围区域中的区域。覆盖区域也包括煤层的深 度或厚度或者对于厚煤层而言的煤层的厚度的一部分。因此，系统可以包括除水平 的分支之外的、向上或向下延伸的分支。覆盖区域可以是正方形的、或四边形的、 或多边形的、圆形的、卵形的或其它椭圆形的或者栅格形的区域，而且可以是与其 它相同或近似类型的系统相嵌套的。可以理解的是，也可使用其它合适的排水井孔 系统。
如上文所述，系统32a和32b的主井孔150和侧井孔152和154，通过使用合 适的钻井装置中的枢接钻杆柱26来经过相应的空穴18a和18b钻探而形成。操作 期间，可以使用伽马线测井工具和传统MWD装置来控制钻头28的方向和方位， 从而使得排水井孔系统保持在地下区域24的范围中，使得井150和152维持合适 的间隔和方位。在特定的实施例中，每个系统32a和32b的主井孔150被钻探，并 具有在多个侧分支点156中的每个点上的斜坡。当主井孔150完成后，钻杆柱26 向上返回至每个相继的侧点156，自该侧点，初级侧井孔152钻探在在钻井150的 每一边上。次级侧井孔154可以类似地形成。可以理解的是，地下系统32a和32b 可以另外合适的方式形成。此外，如上所述，系统(如图3所示)或另外的可以在 枢接井16的部分38后形成(其也具有钻井150的作用)，从而空穴18位于部分 38/钻井150的末端。
图4是一流程图，显示了根据本发明的特定实施例、用于使地下区域24准备 于采矿操作的方法。示例的方法开始于步骤400，在这一步骤中入口井与表面基本 竖直地被钻探。步骤402中，具有导管的套管安装入入口井12。步骤404中，套 管用水泥粘合在入口井12内的位置。
步骤406中，钻杆柱26通过入口井和导管束中的导管中的一个被插入。步骤 408中，使用钻杆柱26钻探约50英尺而经过套管。步骤410中，钻头定位于排水 井14所需的角度，然后在步骤412中，排水钻井14向下钻探进入和通过目标地下 区域24。
步骤414中，可以利用井下扩孔测井设备来确定地下区域24的位置。步骤416 中，空穴18a在地下区域24的位置的第一个排水井14中形成。如上文所论述的， 空穴18可以用井下扩孔或其它传统的技术来形成。在判断的步骤418中，假如需 要钻探另外的排水井，该方法回到步骤406。假如不需要钻探另外的排水井，则该 方法进一步到步骤420。
步骤420中，枢接井16被钻探并与空穴18相交。步骤422中，排水井孔系统 被钻探入地下区域24。步骤424中，安装生产设备于排水井14中，以及步骤426 中，随着从地下区域24生产流体(例如水和气体)此过程终止。
尽管这些步骤以一定的顺序叙述，可以理解的是，它们也可以其它合适的顺序 来实施。此外，一个或多个步骤可以省略，或者可以实施适当的附加步骤。
图5A显示了如图4的步骤402中所述的、与导管束相关的套管的形状。三导 管48以侧视图和端试图被显示。诸导管48排列好以致于它们各自平行。在所示的 实施例中，导管48是95/8″的结合套管。可以理解的是，也可使用其它合适的材 料。作为示例，导管48a和48b起到了管子的作用，通过该管子，排水井14a和 14b分别被钻探。在这个例子里，导管48c用作枢接井16a和16b通过其被钻探的 管子。可以理解的是，也可使用其它合适的排列。在另一个实施例中，诸导管48 可以连接到套管接箍上，从而诸导管48和套管接箍组成了导管束。
图5B显示了入口井12，该入口井12具有导管48和水泥粘合在入口井12上 的套管接箍50。入口井12自表面22到目标深度(在特定的实施例中，约300英 尺)而形成。在特定的实施例中，入口井具有约24英寸的直径。形成入口井12 对应于图4的步骤400。导管48显示成粘附到套管接箍50上。套管接箍50可以 是任何合适的应用于井下扩孔操作的套管。将套管接箍50和导管束48插入入口井 12对应于图4的步骤402。
对应于图4的步骤404，水泥承转器52被浇注或以其它方式安装于入口井12 内的套管周围。水泥套管可以是任何混合物或其它合适的物质，从而在所需的相对 于入口井12的位置维持套管50。
在操作中，安置钻杆柱26来进入导管48中的一个。为了保持钻杆柱26在套 管50中相对居中，可以使用稳定器54。稳定器54可以是环形和飞翅形或者任何 其它合适的稳定器，来保持钻杆柱26相对居中。为了保持稳定器54在钻井12中 的所需深度，可以使用止动环56。止动环56可以采用橡胶、金属或任何其它合适 的异质的井下扩孔的环境材料。钻杆柱26可以随意地插入多个导管48中的任意一 个，或者钻杆柱26可以引入选择好的导管48a。这对应于图4的步骤406。
尽管本发明已用几个实施例进行了描述，本领域的普通技术人员可能被暗示了 可作出多种变化和修正。这意味着，本发明包括了这样的落入所附的权利要求书的 范围的变化和修正。
相关申请的交叉参照
本申请要求2004年2月27日提交的美国专利申请第10/788,694号、发明名称 为“用于来自共同表面位置的多个井的系统和方法”的优先权。