用于达到地下地层的系统和方法

本发明的技术领域

本发明总的涉及用于开采地下资源的系统和方法，尤其涉及用于达到地下 地层的系统和方法。

本发明的背景

地下的煤矿床含有大量的甲烷气体。许多年来，一直在从煤矿床有限地开 采和利用甲烷气体。但是，一直有各种严重的障碍影响煤层中的甲烷气体蕴藏 量的更广泛开发和应用。煤层中的甲烷气体开采中的首要问题是：煤层可能漫 延达几千英亩的大区域，可是煤层却相当薄，可能只有几英寸到几米。钻到煤 矿床的用于开采甲烷气体的竖井只能采集到煤矿床区域里一个相当小的半径范 围内的甲烷气体。而且，对于煤矿床，不宜采用通常用于增加从岩石地层的甲 烷气体开采量的压力破碎法和其它方法。因此，一旦从钻到煤层的竖井井筒(well bore)开采出了容易采集到的甲烷气体时进一步的开采量就有限的了。此外，煤 层往往与地下水并存，为了开采甲烷气体必须从煤层排出地下水。

为了使煤层的更大区域暴露于井筒以便采集更多的气体，一直在尝试水平 钻井方式。但是，这种水平钻井技术需要用有弧弯的井筒，而这种井筒难以排 出夹藏在煤层中的水。抽出地下井筒里的水的最有效方法，亦即一种深井活塞 泵，在水平的或小弧弯的井筒里不能很好地工作。

用单一倾斜的井筒用深井活塞泵可以有效地排水，以及吸收水平井系统的 优点，而又不限制在目标区域采用水平的排流模式(drainage pattern)。

本发明的概述

本发明提供一种用于从地面达到地下矿藏区域的倾斜的井系统和方法，其 基本上可消除或减少已有技术的系统和方法中存在的缺点和问题。特别是，本 发明的几个实施例提供一种能够有效地开采煤层中的甲烷气体和排出煤层中的 地下水的倾斜的井系统和方法，而又不需要过分地采用弧弯的或用铰接的井筒， 也不需要用很大的地面区域来进行钻井作业。

按照本发明的一个实施例，一种用于从地面达到地下矿藏区域的系统包括 从地面向下延伸的第一、第二和第三进口井筒(entry well bore)，第一、第二和 第三进口井筒在地面上互相之间的距离不超过1000英尺。从第一、第二和第三 进口井筒中的每一个向地下矿藏区域延伸有一个倾斜的井筒。从各倾斜井筒向 地下矿藏区域延伸有一个大致水平的排流模式。

按照本发明的另一实施例，一种用于从地面达到地下矿藏区域的方法包括 构筑三个或更多个靠近的进口井筒以及从各进口井筒向地下矿藏区域构筑多个 倾斜井筒。这种方法还包括从各倾斜井筒向地下矿藏区域构筑几个排流模式以 及在各倾斜井筒上构筑扩大直径的洞穴。

本发明的各实施例有一个或多个技术上的优点。这些优点是：构筑三个或 更多个互相靠近的进口井筒、多个倾斜井筒以及多个排流模式，可对地下矿藏 区域里的气体和液体资源进行最佳化的采集。这使得可以进行更有效的钻井和 开采，大大降低开采成本，以及避免其它系统和方法中存在的问题。另一个技 术上的优点是：提供一种从地面用多个带有一个或多个扩大直径的洞穴的倾斜 井筒达到地下矿藏区域的方法。各扩大直径的洞穴可使从倾斜井筒向上流动的 气体的流速降低，这有助于除去气体中挟带的液体以及可最佳地从地下矿藏区 域取出资源。

熟悉本技术领域的人，将能从下面的附图、说明和权利要求中明显地看出 本发明的技术上的其它优点。

附图简要说明

为了更好的理解本发明及其优点，下面参照附图进行说明，各附图中类似 的零件用类似的标号，各附图中：

图1表示用于开采一个地下矿藏区域的资源的一个示例性倾斜井系统；

图2A表示用于开采一个地下矿藏区域的资源的一个竖井系统；

图2B更详细地表示出一个示例性的倾斜井系统的一部分；

图3表示用于开采地下构造里的水和气体的一个示例性的方法；

图4表示一个示例性的进口井筒；

图5表示包括一个进口井筒和一个倾斜井筒的一个示例性系统的应用；

图6表示包括一个进口井筒和一个倾斜井筒的一个示例性系统；

图7表示包括一个倾斜井筒和一个用铰接的井筒的一个示例性系统；

图8表示用一个示例性的倾斜井系统开采水和气体

图9表示倾斜井系统采用的示例性排流模式。

本发明的详细说明

图1表示出用于从地面达到一个地下矿藏区域的示例性的倾斜井系统。在 下面将说明的这一实施例中，地下矿藏区域是一个煤层。应该理解：用本发明 的倾斜井系统可以类似地达到其它地下构造和/或区域，来取出和/或开采这个 区域里的水、碳氢化合物和其它流体，在开采作业之前处理矿物，把液体、气 体或其它物质注入或导入这个区域，或用于任何其它合适的目的。

参照图1，倾斜井系统10包括进口井筒15、倾斜井20、铰接的井筒24、 洞穴26以及“老鼠洞”27。进口井筒15从地面11向地下矿藏区域22延伸。 倾斜井20从每一进口井筒15的筒底延伸到地下矿藏区域22，当然倾斜井20 或者也可以从进口井筒15的任一其它适当的部分延伸出去。就这里所用而言， “每一”是指所有特定的子系统。在各个不同的深度处有多个地下矿藏区域22 的情况下，如在所示的例子中，倾斜井20延伸依次穿过距离地面最近的矿藏区 域22而最终达到距离地面最远的矿藏区域22。铰接的井筒24可以从每一倾斜 井20延伸到每一地下矿藏区域22。可以沿着一个倾斜井20设置一个或多个洞 穴26，并且在每一倾斜井20的底端设置一个洞穴26和一个“老鼠洞”27。

在图1和4-8中，进口井筒15表示为基本上是竖直的，但是，应该理解： 进口井筒15可以相对于地面11有任何适当的夹角，以适应地面的地形和地貌 和/或一片地下资源的几何形状或形态。在所示的实施例中，每一倾斜井20对 进口井筒15有一个夹角α，其在所示的实施例中约为20°。应该理解：每一倾 斜井20对进口井筒15可以有其它的夹角，以适应地面的地形和类似于影响进 口井筒15的那些因素的其它因素。在所示的实施例中，各个倾斜井20互相之 间以大约60°的夹角分开。应该理解：各个倾斜井20之间也可以是其它的角度， 这取决于目标煤层22的区域和位置的地形和地理。

各进口井筒15在地面上布置为相距β英尺。在所示的实施例中，各进口 井筒15相距约为20英尺。应该理解：各进口井筒15可以有其它的间距，以适 应地面的地形和/或地下资源的几何形状或形态。

在某些实施例中，各进口井筒15的间距可以在2英尺到100英尺之间。在 某些实施例中，各进口井筒15可以处在同一个钻井台上。就这里的用法而言， “在同一个钻井台上”是指各井的钻井作业在同一个钻井场所进行。在某些实 施例中，各进口井筒15可以靠近在一起。就这里的用法而言，“靠近”是指 在同一个钻井台上。

各洞穴26可以沿着倾斜井20间隔地布置在一个或多个铰接井筒24的上 方。例如，可以在每个铰接井筒24的上方设置一个洞穴26。各洞穴26也可以 布置为接近倾斜井20和铰接井筒24的连接处。就这里的用法而言，“接近”是 指就在倾斜井20和铰接井筒24的连接处之上、之下或其处。应该理解：也可 以用其他适当的距离，以适应例如地下土层的几何形状和形态和/或地下资源的 几何形状或形态。倾斜井20还可以包括一个设置在其底端的洞穴26和/或一个 “老鼠洞”27。倾斜井20可以包括一组或两组洞穴26和“老鼠洞”27，也可 以根本不包括它们。

图2A和2B以对比方式表示出有斜角的倾斜井20相对于竖井的优点。参 照图2A，竖直井筒30表示为有一个延伸到煤层22里的铰接井筒32。如图所 示，从煤层22采集到铰接井筒32里的流体必须沿着铰接井筒32向上流进竖直 井筒30，它们要走过近似w英尺的距离才能进入竖直井筒30。这一w英尺的 距离人所共知为静压头(hydrostatic hesd)，必须使流体克服这一静压头才能将其 收集到竖直井筒30里。对照看图2B，一个倾斜井34表示为有一个延伸到煤层 22里的铰接井筒36。倾斜井34表示为相对于垂向有一个角度α。如图所示， 从煤层22收集的流体必须沿着铰接井筒36向上进入倾斜井34，其走过垂向距 离w’英尺。这样，与基本上垂向的系统相比，倾斜井系统的静压头减小了。而 且，由于倾斜井34有倾斜角α，与竖直井筒30的铰接井筒32相比，从切点或 分支点38钻出的铰接井筒36有较大的弯曲半径。这使得铰接井筒36可以比铰 接井筒32长(钻杆柱对弯曲部分的摩擦力可减小)，因而铰接井筒36穿进煤层 22的长度较长而可采集更多的煤层气。

图3表示出钻成一个倾斜井20的示例性方法。图3中的各步骤将在图4- 8中进一步表示。该方法从构筑进口井筒的步骤100开始。在步骤105，把一个 淡水套管或其他适当的套管装进在步骤100中构筑成的进口井筒，在步骤110 把淡水套管在步骤100的进口井筒的内部加固在位。

在步骤115，把一根钻杆柱插进进口井筒，并且用它穿过套管向下钻进约50 英尺。在某些实施例中，构筑一个短的弧弯的井筒。在某些实施例中，弧弯的 井筒可以是200英尺长并且在其整个长度上转弯35°。应该理解：也可以根据 当地的地质和地形采用其它的长度和角度。在步骤120把钻具定向于所希望的 倾斜井角度，在步骤125把倾斜井筒向下钻进并穿过目标地下矿藏区域。在步 骤130在倾斜井筒上构筑一个或多个洞穴。

在步骤135安装倾斜井套管。接着，在步骤140向目标煤层钻进一个短半 径的弯曲井筒。接着，在步骤145沿着煤层钻一个大致水平的井筒。应该理解： 考虑到煤层走向的变化，大致水平的井筒可能需要偏离水平的取向。接着，在 步骤150从大致水平的井筒向煤层里钻进一个排流模式。该排流模式可以包括 羽状的模式、乌鸦脚形的模式或其他适当的模式。在需要做决定的步骤155， 例如在地面之下的不同深度处存在多个煤层区域的情况下，应确定是否要开采 附加的煤层区域。如果要采集附加的煤层区域的气体，对于每一附加的煤层区 域可重复进行步骤140到155。如果不想采集附加的煤层区域的气体，过程就 继续到步骤160。

在需要做决定的步骤160，应决定是否需要钻附加的倾斜井。如果需要钻 附加的倾斜井，过程将沿着“是”分支回到步骤100并一直重复到步骤155。 可以为每一个倾斜井筒构筑一个单独的进口井筒。这样，对于每一倾斜井，过 程都是从步骤100开始，在这一步骤中钻一个大致竖直的井筒。但是，在某些 实施例中，可以从一个进口井筒钻出多个倾斜的井。

如果不需要钻附加的倾斜井，过程将沿着“否”分支继续到步骤165。

在步骤165把开采设备安装到每一倾斜井里，并在步骤170从地下煤层区 域开采出水和气体，从而结束过程。

虽然已经按一定的顺序说明了各步骤，但是应该理解：这些步骤可以以任 何其他适当的顺序进行。而且如果适当，可以省略一个或多个步骤，还可添加 一些步骤。

例如，在有多个目标区域的情况下(在步骤155做决定)，可以在钻任何短 弧弯井筒(140)之前，在每一目标区域的上面构筑一个扩大直径的洞穴(步骤 130)。或者，在构筑任何扩大直径的洞穴(步骤130)之前，可在每一目标区 域都构筑短弧弯井筒(步骤140)。熟悉本技术领域的人也可以做出其它适当的 改变。

图4表示出进口井筒15和套管44的工作方式，其正在准备钻一个倾斜井 20。对应于图3的步骤100，可现场浇筑一个或者安装一个现成的水泥套管46。 该水泥套管可以是任何混合物或物质的，只要其能够把套管44相对于进口井筒 15保持在所需要的位置即可。把钻杆50定位成能开始钻倾斜井。为了保持钻 杆50在套管44里相当对中，可以采用一个稳定器52。稳定器52可以是一环 带翼片型稳定器(ring and fin type stabilizer)或任何其它能够保持钻杆50的对中 的稳定器。为使稳定器52处在进口井筒15里一个所需要的深度处，可以采用 一个挡止环53。该挡止环53可以是橡胶的、金属的或任何其他适用于井下环 境的材料的。

图5表示出一个示例性倾斜井系统20。对应于图3的步骤115，井筒60钻 成穿过进口井筒15的底端约50英尺(当然也可以钻出任何其它适当距离)，井 筒60向外钻离套管44，以便降低磁干扰以及改善司钻人员向所需方向引导钻 头的能力。如上面结合图3所述那样，井筒60也可以包括一个在200英尺长度 内弧弯35°的铰接井筒。

对应于图3的步骤120，钻头定向为准备钻倾斜井筒64。对应于图3的步 骤125，倾斜井筒64从弧弯井筒62的底端钻出并钻进地下矿藏区域22。或者， 倾斜井20可以直接从进口井筒15钻出，而不包括切向的井筒60或弧弯井筒62。 也钻一个“老鼠洞”66，其是倾斜井筒64的一个延伸部分。“老鼠洞”66也可 以是一个扩大直径的洞穴或其它适当的结构。对应于图3的步骤130，在倾斜 井筒64上构筑一个洞穴26。

该洞穴26作为一个降速室(velocity reduction chamber)，用于从将被送到地 面的气体中分离出其挟带的液体。如果不在比起最浅的横向井筒更靠近地面的 地方设置至少一个洞穴26，那么气体中挟带的液体就会形成雾，而这种雾会使 井内压力升高。流出的气体中挟带的液体会使摩擦力增大，而产生增大的背压 (井下压力)。通过降低气体流速把气体流速降低到低于其能够挟带液体的速 度，就可以把液体从其中分离出来。洞穴26可将气体的流速降低到足以分离出 所挟带的液体的程度，从而使气体更有效地流向地面。

在所示的实施例中，洞穴26表示为就在用于后续的短弧弯井筒的预定的分 支点的上面。应该理解：洞穴26可以适当地设置在别处。但是，也应该理解： 也可以在钻成水平的排流模式之后构筑洞穴26。

图6表示出套管在倾斜的井筒64里的定位。为了便于表示，只表示出一个 倾斜井筒64。对应于图3的步骤135，一个造斜套管(whipstock casing)70安装 进倾斜井筒64。在所示的实施例中，该造斜套管70包括一个造斜器72，其用 于机械地使钻杆指向所希望的方向。应该理解：也可以采用其它适当的技术方 法，并且在采用其它适当的把钻头定向为能使倾斜井筒64钻到地下矿藏区域22 的方法时，也可以不必用造斜器72。造斜套管70应定向为使造斜器72定位成 能使后续的钻头对准地钻进地下矿藏区域22一个所希望的深度。

图7更详细地表示出造斜套管70和倾斜井筒64。如前面结合图6所讨论 的那样，造斜套管70在倾斜井筒64里定位成使钻杆50定向为在一个所希望的 切点或分支点38处穿过倾斜井筒64。这对应于图3的步骤140。钻杆50用于 在切点或分支点38处钻穿倾斜井筒64而形成铰接井筒36。在一个特定实施例 中，铰接井筒36的半径约为71英尺，每100英尺的弯曲程度约为80°。在同 一实施例中，倾斜井筒64以大约10°偏离垂向。在这一实施例中，开采中产生 的静压头大约为30英尺左右。但是应该理解：也可以用任何其他适当的半径、 弯曲度和倾斜角度。

图8表示出在用钻杆50钻成铰接井筒36之后的倾斜井筒64和铰接井筒 36。在一个特定实施例中，随后可以在地下矿藏区域22里钻成水平的井和排流 模式，这由图3的步骤145和150表示。

参照图8，造斜套管70设置在“老鼠洞”66的底部而准备开采油和气体。 可以用一个密封环74套在造斜套管70上以防止从铰接井筒36开采的气体逸出 到造斜套管70的外面。气体口76允许逸出的气体进入造斜套管70并沿着它向 上流而被在地面收集起来。如上所述，可以在位于铰接井筒36的上方的扩大直 径的洞穴26里把流出的气体中挟带的液体分离出来。随着液体从气体中分离出 来，液体沿着倾斜井筒64向下流而被收集在“老鼠洞”66里。“老鼠洞”66也 可以包括一个扩大直径的洞穴(未示)，用以收集从上面流下来的液体。

一个泵吸管线78和潜液泵80用于排出从地下矿藏区域22通过铰接井筒36 收集起来的水和其它液体。如图9所示，液体在重力和地下矿藏区域22里的压 力的作用下流经铰接井筒36沿着倾斜井筒64进入“老鼠洞”66。液体再从那 里进入造斜套管70的造斜器72上的开口，在其处液体接触安装的泵吸管线78 和潜液泵80。潜液泵80可以是适于用在井下环境中排出液体的各种类型的潜 液泵，潜液泵80把液体通过泵吸管线78泵送到地面。泵吸管线78和潜液泵80 的安装对应于图3的步骤165。液体和气体的开采对应于图3的步骤步骤170。

图9表示出一个可从铰接井筒36向各方向钻去的示例性的排流模式90。 在对应于排流模式90的中央的地面上有多个在一个钻井台(drilling pad)92上的 进口井筒15。在一个实施例中，各进口井筒15的间距约为20英尺。应该理解： 也可以采用其他适当的间距。

一个倾斜井20连接于一个进口井筒15。如上所述，在倾斜井20的底端连 接着几个大致水平的井筒94，各个井筒94从每一倾斜井20伸出以大致形成一 个“乌鸦脚”形状的排流模式。应该理解：也可以采用任何其它适当的排流模 式，例如羽状模式。在一个示例性的实施例中，每一个大致水平的井筒94的水 平延伸距离约为300英尺。此外，各平行的大致水平的井筒94的侧向间距约为 800英尺。在这一特定的实施例中，可达到约为640英亩的采集面积。

尽管已经用几个实施例说明了本发明，但是熟悉本技术领域的人可以提出 各种改变和变型。因此应该认为，本发明包括那些属于所附权利要求的范围内 的那些改变和变型。