專利名稱：用于從地面通到地下礦層的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及地下礦藏的開采，更具體地涉及用于從地表面接近地下礦 藏的方法和系統(tǒng)。發(fā)明背景許多年來，對于含有大量攜帶的甲烷氣體的煤的地下礦藏，在從煤層中得 到甲烷氣體是受到限制的。但是，大量的問題阻礙了更廣泛的開發(fā)和使用煤層 中的甲垸氣體。從煤層中得到甲烷氣體的首要問題是煤層可能延伸上至幾千英 畝的較大區(qū)域，煤層在深度上相當(dāng)淺，從幾英寸到幾米。因此，盡管煤層常常 相當(dāng)接近地表面，但鉆入到煤層中用于獲得甲烷氣體的豎直井僅能在煤層中排 放相當(dāng)小的半徑范圍。另外，對于經(jīng)常用來從巖層中增加甲垸氣體產(chǎn)量的壓力 斷裂和其他方法，煤層是不可修復(fù)的。其結(jié)果是， 一旦生產(chǎn)從煤層中的豎直井 可容易排放出的氣體，進(jìn)一步的生產(chǎn)在量上就受到了限制。此外，煤層經(jīng)常與 地下水相關(guān)，地下水必須從煤層中排出以生產(chǎn)甲垸。水平鉆井型式已被嘗試用來延伸暴露于用于氣體收集的鉆孔的煤層的量。 但是，這樣的水平鉆井技術(shù)需要使用從煤層中除去攜帶的水存在困難的輻射的 (radiused)井眼。從地下井中抽取水的最有效的方法一抽吸桿式泵在水平或 輻射的井眼中不能很好地工作。從煤層中在地表面生產(chǎn)氣體的另一問題是由于煤層的多孔性造成的欠平 衡鉆井狀態(tài)所引起的困難。在豎直和水平地表鉆井操作中，鉆井流體用來將鉆 屑從井眼移送到地表面。鉆井流體在巖層上施加一流體靜壓，如果它超過巖層所能承受的流體靜壓，這將致使鉆井流體喪失到巖層中。這使得所攜帶的細(xì)小 巖屑進(jìn)入到巖層中，從而易于阻塞產(chǎn)生氣體所需的孔、裂縫和裂痕。作為從煤層中進(jìn)行地表生產(chǎn)甲烷氣體的這些困難的結(jié)果，在開采之前必須 從煤層中移走的甲垸氣體已通過使用地下方法從煤層中移開。盡管使用地下方 法可從煤層中容易地除去水并消除欠平衡鉆井狀況，但它們僅能夠接近通過當(dāng) 前的開采操作暴露的有限量的煤層。例如，在進(jìn)行長壁開釆時，地下鉆井設(shè)備 用來鉆鑿從正在被開采的面進(jìn)入到而后將被開采的相鄰面中的水平孔。地下鉆 井設(shè)備的局限限制了這些水平孔的到達(dá)范圍，由此限制了能夠有效排水的區(qū)域 。此外，下一個面的脫氣在當(dāng)前面的開采中限制了脫氣時間。其結(jié)果是，必須 鉆鑿許多水平孔以在有限的時間段內(nèi)除去氣體。另外，在較高的氣體含量或氣 體通過煤層移動的情況下，需要中止或延遲開采，直到下一個面被充分地脫氣 。這些生產(chǎn)上的延遲增加了與使煤層脫氣相關(guān)的成本。發(fā)明概述本發(fā)明提供了用于從地表面接近地下礦藏的一改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，該方法 或系統(tǒng)基本消除或減少了與現(xiàn)有系統(tǒng)和方法相關(guān)的缺點(diǎn)和問題。具體講，本發(fā) 明提供了帶有貫穿一水平腔體井的排水型式的一分段的井(articulated well) 。該排水型式提供了從地表面到較大地下區(qū)域的通路，而豎直腔體井允許有效 地移開和/或產(chǎn)生攜帶的水、碳?xì)浠衔锛捌渌练e物。按照本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于從地表面接近地下層的一方法包括從地表 面到該地下層鉆鑿出一大致豎直的井。從地表面到該地下層鉆鑿出一分段的井 。該分段的井在地表面處水平偏離大致豎直的井，并在鄰近地下層的匯合處貫 穿該大致豎直的井。通過分段的井鉆鑿從匯合處進(jìn)入到地下層中的一大致水平 的排水型式。按照本發(fā)明的另一方面，該大致水平的排水型式包括一羽狀型式，該羽狀 型式具有從界定被排水型式覆蓋的一區(qū)域的第一端的該大致豎直的井延伸至該區(qū)域的一遠(yuǎn)端的一大致水平的對角井眼。第一組大致水平的邊側(cè)井眼彼此間 隔開地從該對角井眼延伸至位于該對角井眼的第一側(cè)上的該區(qū)域的邊界。第二 組大致水平的邊側(cè)井眼彼此間隔開地從該對角井眼延伸至位于該對角井眼的相對的第二側(cè)上的該區(qū)域的邊界。按照本發(fā)明的另一方面，用于準(zhǔn)備一地下層以進(jìn)行開采的一方法使用了大 致豎直的井和分段的井以及該排水型式。水通過該排水型式從地下層排放到大 致豎直井的匯合處。通過該大致豎直的井將水從匯合處抽吸到地表面。通過大 致豎直的井和分段的井中的至少一個從該地下層產(chǎn)生氣體。在完成脫氣之后， 通過該排水型式將水和其他附加物注入到地下層中來進(jìn)一步準(zhǔn)備該地下層。按照本發(fā)明的另一方面，設(shè)置一泵定位裝置，以將一井下泵精確地定位在 井眼的腔體中。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提供用于從地表面接近地下礦藏的一改進(jìn)的方法 和系統(tǒng)。具體講，從一分段的地表面井眼在目標(biāo)層中鉆鑿一水平排水型式，以 提供從地表面到該地下層的通路。通過桿式泵單元可有效地除去以及/或產(chǎn)生 從該地下層通過被豎直腔體井眼貫穿的該排水型式排出的攜帶的水、碳?xì)浠?物、及其他流體。其結(jié)果是，從低壓或低孔隙度的巖層中可有效地在地表面處 產(chǎn)生氣體、油、及其他流體。本發(fā)明的另一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是包括提供了用于鉆鑿進(jìn)入低壓層中的一改進(jìn)的 方法和系統(tǒng)。具體講，使用一井下泵或氣舉來減輕鉆井操作中用來除去鉆屑的 鉆井流體所施加的流體靜壓。其結(jié)果是，可在超低壓的情況下鉆鑿該層，而不 會使鉆井流體喪失到巖層中并阻塞該巖層。本發(fā)明的另一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提供用于接近地下層的一改進(jìn)的水平排水型 式。具體講，具有一主對角線和相對的諸邊側(cè)的一羽狀結(jié)構(gòu)可用來使從單個豎 直井到該地下層的通路最大化。諸邊側(cè)井眼的長度在最接近豎直井的地方最大 并向著主對角井眼的端部減小，以提供至一四邊形或其他格子區(qū)域的一致通路 。這允許該排水型式與長壁表面和其他地下結(jié)構(gòu)對齊，以使開采的煤層或其他 礦藏脫氣。本發(fā)明另一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提供用于準(zhǔn)備煤層或其他地下礦藏以進(jìn)行開采 的一改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。具體講，地表面井眼用來在開采操作之前使煤層脫氣 。這減少了地下設(shè)備和活動并增加了時間以使煤層脫氣，這使得由于較高氣體 含量所導(dǎo)致的故障最小化。此外，水和其他附加物可在開采操作之前注入到脫氣的煤層中，以使灰塵和其他有害狀況最小化，以改進(jìn)采礦工藝的效率，并改 進(jìn)煤產(chǎn)品的質(zhì)量。本發(fā)明的另一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括提供從開采的煤層中產(chǎn)生甲垸氣體的一改進(jìn) 的方法和系統(tǒng)。具體講，在開采操作之前最初用來使煤層脫氣的井眼可在開采操作之后再次用來收集采煤氣體(gobgas)。其結(jié)果是，與采煤氣體的收集相關(guān)的成本被最小化，以便于或使從已開釆的煤層中收集采煤氣體變得可行。 本發(fā)明的另一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是包括提供用于在腔體中定位井下泵和其他設(shè)備的一定位裝置。具體講， 一可轉(zhuǎn)動的腔體定位裝置被構(gòu)制成可以收回以在井眼中移動該設(shè)備并可在井下腔體中延伸以將該設(shè)備最佳地定位在腔體中。這使得能夠?qū)⒕略O(shè)備容易地定位和固定在腔體中。從以下的附圖、描述和權(quán)利要求書中，本發(fā)明的其他技術(shù)優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將變得顯而易見。 附圖的簡要描述為了更完全地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)參見以下結(jié)合附圖的描述，其中相同的標(biāo)號表示相同的部件，在附圖中

圖1是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例通過貫穿一豎直腔體井眼的一分段 的地表面井眼在地下層中形成一水平排水型式的剖視圖；圖2是示出按照本發(fā)明的另一實(shí)施例通過貫穿該豎直腔體井眼的該分段 的地表面井眼在地下層中形成水平排水型式的剖視圖；圖3是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例通過一豎直井從地下層中的水平排 水型式產(chǎn)生流體的剖視圖；圖4是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例用于接近地下層中的礦藏的一羽狀 排水型式的俯視圖；圖5是示出按照本發(fā)明的另一實(shí)施例用于接近地下層中的礦藏的一羽狀 排水型式的俯視圖；圖6是示出按照本發(fā)明的又一實(shí)施例用于接近地下層中的礦藏的一四邊 形的羽狀排水型式的俯視圖；圖7是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例用于脫氣和準(zhǔn)備煤層以進(jìn)行開采操作的位于諸煤層面中的對齊的諸羽狀排水型式的俯視圖；圖8是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例用于準(zhǔn)備煤層以進(jìn)行開采操作的一 方法的流程圖；圖9A-C是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的一腔體井眼定位工具的剖視圖 發(fā)明的詳盡描述圖1示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例、用于從地表面接近一地下層的一個腔 體和分段的井的結(jié)合。在該實(shí)施例中，該地下層是煤層。應(yīng)當(dāng)理解到，使用本 發(fā)明的雙井系統(tǒng)可以相似地接近其他低壓、超低壓和低孔隙度的地下層，以在 該區(qū)域中排出以及/或產(chǎn)生水、碳?xì)浠衔锖推渌黧w并在開采操作之前處理 該區(qū)域中的礦藏。參見圖1， 一大致豎直的井12從地表面14延伸至目標(biāo)煤層15。該大致豎 直的井12穿過煤層15并在煤層15之下繼續(xù)延伸。使用終止在煤層15的高度 或該高度之上的合適的井筒16作為該大致豎直的井的襯里。該大致豎直的井12在鉆井的過程中或之后進(jìn)行測井以精確地定位煤層15 的豎直深度。其結(jié)果是，在隨后的鉆井操作中不會錯過煤層，并且在鉆井時不 必采用用來定位煤層15的技術(shù)。在該大致豎直的井12中的煤層15的高度處 形成一擴(kuò)大直徑的腔體20。如以下的更詳盡的描述，該擴(kuò)大直徑的腔體20提 供了大致豎直的井與用來在煤層15中形成大致水平的排水型式的分段的井相 交的匯合處。該擴(kuò)大直徑的腔體20還提供了在生產(chǎn)操作過程中用于從煤層15 中排出的流體的一收集點(diǎn)。在一個實(shí)施例中，該擴(kuò)大直徑的腔體20具有大約八英尺的半徑和等于或 超過煤層15的豎直尺寸的一豎直尺寸。該擴(kuò)大直徑的腔體20是通過使用適當(dāng) 的地下鉸孔(under-reaming)技術(shù)和設(shè)備來形成的。大致豎直的井12的一豎 直部分在擴(kuò)大直徑的腔體20之下繼續(xù)延伸以形成腔體20的一儲液槽22。一分段的井30從地表面14延伸至大致豎直的井12的擴(kuò)大直徑的腔體20 。該分段的井30具有一大致豎直的部分32、 一大致水平的部分34、以及互連 豎直和水平部分32和34的一彎曲或呈圓角的部分36。水平部分34基本處在煤層15的水平平面中并與大致豎直的井12的擴(kuò)大直徑的腔體20相交。在地表面14上，該分段的井30偏離大致豎直的井12足夠的距離，以在 與擴(kuò)大直徑的腔體20相交之前鉆出以較大半徑彎曲的部分36和所需的水平部 分34。為了提供具有100-150英尺半徑的彎曲部分36，該分段的井30偏離大 致豎直的井12大約300英尺的距離。該間距使得彎曲部分36的角度最小以在 鉆井操作中減小井30中的摩擦。從而使鉸接的鉆柱通過分段的井30可達(dá)到的 距離最大。使用具有適當(dāng)?shù)木埋R達(dá)和鉆頭42的鉸接的鉆柱40來鉆出分段的井30 。鉆井時的測量(MWD)裝置44包含在鉆柱40中，用于控制由馬達(dá)和鉆頭 42所鉆出的井的方位和方向。使用適當(dāng)?shù)木?8作為分段的井30的大致豎直 的部分32的襯里。在擴(kuò)大直徑的腔體20已被分段的井30順利貫穿之后，使用鉸接的鉆柱 40和合適的水平鉆井裝置繼續(xù)鉆孔通過腔體20，以提供位于煤層15中的大致 水平的排水型式50。該大致水平的排水型式50和其他的此類井包括煤層15 或其他地下層的斜坡、波浪形部分或其他傾斜部分。在該操作過程中，Y射線 測井工具和鉆鑿時的傳統(tǒng)測量裝置可用來控制和指引鉆頭的方位，以將排水型 式50保持在煤層15的邊界中并提供煤層15中的所需區(qū)域的基本一致的覆蓋 層。結(jié)合附圖4-7，以下更詳盡地描述了有關(guān)排水型式的其他信息。在鉆出排水型式50的過程中，鉆井液或"泥漿"沿著鉸接的鉆柱40向下 泵送并在鉆頭42的鄰近處流出鉆柱40，在此它被用來沖洗地層并移開形成的 鉆屑。而后鉆屑混入到鉆井液中，該流體通過鉆柱40和井壁之間的環(huán)形空間 向上行進(jìn)，直到到達(dá)地表面14，在此從鉆井液中去除鉆屑，而后重新循環(huán)該流 體。該傳統(tǒng)的鉆井操作產(chǎn)生了具有等于井30的深度的一豎直高度的鉆井液的 標(biāo)準(zhǔn)水柱并產(chǎn)生了對應(yīng)于井深、作用在井身上的流體靜壓。因?yàn)槊簩于呌谑嵌?孔滲水和碎裂的，即使地層中的水也處在煤層15中，它們也不能維持這樣的 流體靜壓。因此，如果允許全部的流體靜壓作用在煤層15上，其結(jié)果是鉆井 液和所攜帶的鉆屑喪失到地層中。這樣的環(huán)境被稱之為"過平衡"鉆井操作， 其中作用在井身上的流體靜壓超過了地層所承受壓力的能力。鉆屑中的鉆井液的喪失不僅在必須彌補(bǔ)所喪失的鉆井液方面是昂貴的，而且它趨于阻塞煤層15 中的孔，這些孔是需要的以排出煤層中的氣體和水。為了防止在排水型式50的形成過程中的過平衡狀態(tài)，設(shè)置空氣壓縮機(jī)60 以沿著大致豎直的井12向下循環(huán)壓縮的空氣并通過分段的井30返回。循環(huán)的 空氣將與圍繞鉸接的鉆柱40的環(huán)形空間中的鉆井液相混合并在鉆井液的液柱 中產(chǎn)生氣泡。這具有減輕鉆井液的流體靜壓和充分減小井下壓力的效果，由此 鉆井狀況不會變得過平衡。鉆井液的通風(fēng)使井下壓力減小到大約150-200磅/ 平方英寸(psi)的壓力。因此，可以鉆鑿低壓的煤層和其他地下層，而不會大 量喪失鉆井液以及由于鉆井液而造成該區(qū)域的污染。當(dāng)鉆鑿分段的井30時，并且如果需要，當(dāng)鉆鑿排水型式50時，壓縮空氣 與水相混合的泡沫也可以通過鉸接的鉆柱40與鉆井泥漿一起向下循環(huán)，以使 環(huán)形空間中的鉆井液充滿氣體。使用氣錘鉆頭或空氣供能的井下馬達(dá)也能夠?qū)?壓縮空氣或泡沫供給到鉆井液中。在該情況下，用來給鉆頭或井下馬達(dá)供能的 壓縮空氣或泡沫從鉆頭42的鄰近處退出。此時，沿大致豎直的井12循環(huán)的更 大量的空氣比通常通過鉸接的鉆柱40供給的空氣給鉆井液充入更多的空氣。圖2示出按照本發(fā)明的另一實(shí)施例用于在煤層15中鉆鑿排水型式50的方 法和系統(tǒng)。在該實(shí)施例中，如同前面結(jié)合圖1進(jìn)行的描述一樣來定位和形成大 致豎直的井12、擴(kuò)大直徑的腔體20和分段的井30。參見圖2，在擴(kuò)大直徑的腔體20被分段的井30貫穿之后，泵52被安裝 在擴(kuò)大直徑的腔體20中以通過大致豎直的井12將鉆井液和鉆屑抽吸到地表面 14。這消除了空氣和流體沿分段的井30向上返回時的摩擦并將井下壓力幾乎 減小至零。因此，可從地表面接近具有低于150psi的超低壓的煤層和其他地下 層。此外，還消除了使井中的空氣和甲垸相混合的危險。圖3示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例從煤層15中的水平排水型式50來生產(chǎn) 流體。在該實(shí)施例中，在大致豎直和分段的井12和30、以及所需的排水型式 50被鉆出之后，將鉸接的鉆柱40從分段的井30中取出，并蓋上該分段的井。 對于以下描述的多重羽狀結(jié)構(gòu)，分段的井30可在大致水平的部分34中被堵塞 。另外，分段的井30也可以不被堵塞。參見圖3， 一井下泵80被設(shè)置在大致豎直的井12中的擴(kuò)大直徑的腔體20 中。該擴(kuò)大的腔體20給積聚的流體提供蓄水池，從而允許間歇的抽吸，而沒 有由井中的積聚流體所導(dǎo)致的流體靜壓頭的不利效果。井下泵80借助于管柱82連接于地表面14并由通過管柱的井身12向下延 伸的抽吸桿84供能。抽吸桿84通過適當(dāng)?shù)谋砻姘惭b裝置例如一動力推動的游 梁86作往復(fù)運(yùn)動以操作井下泵80。井下泵80被用來從煤層15中通過排水型 式50除去水和所攜帶的煤粉。 一旦水被移至地表面，對水進(jìn)行處理以分離溶 解在水中的甲烷并除去所攜帶的煤粉。在足夠多的水已從煤層中被除去之后， 純凈的煤層氣體可通過圍繞管柱82的大致豎直的井12的環(huán)形空間流動至地表 面14，并通過連接于井口裝置的管道系統(tǒng)被移送。在地表面處，處理、壓縮并 通過管道抽吸甲垸，以傳統(tǒng)方式用作燃料。該井下泵80可持續(xù)運(yùn)作或按照需 要運(yùn)作以除去從煤層15排到擴(kuò)大直徑的腔體20中的水。圖4-7示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例用于接近煤層15或其他地下層的大 致水平的排水型式50。在該實(shí)施例中，該排水型式包括具有一中心對角線并帶 有從該對角線的每一側(cè)延伸的大致對稱設(shè)置并適當(dāng)間隔開的支線的羽狀樣式。 該羽狀樣式與葉脈的樣式或羽毛的圖案近似，它具有設(shè)置成大致相等和平行的 間距或設(shè)置在一軸線的相對側(cè)的相似的大致平行的輔助排水孔。帶有中心孔和 位于每一側(cè)的大致對稱設(shè)置并適當(dāng)間隔開的輔助排水孔的該羽狀排水型式提 供了從煤層或其他地下地層排出流體的一致模式。如以下更詳盡的描述，該羽 狀型式提供了正方形、其他四邊形、或柵格區(qū)域的基本一致的覆蓋范圍并可與 準(zhǔn)備煤層15進(jìn)行開采操作的長壁開采面對齊。應(yīng)理解到，按照本發(fā)明也可以 使用其他合適的排水型式。從地表面鉆鑿出的該羽狀和其他合適的排水型式提供了至地下地層的表 面通路。該排水型式可用來一致地去除以及/或加入流體或者另外用來處理地 下礦藏。在不是煤的應(yīng)用中，該排水型式可用來開始地下燃燒、用于重質(zhì)原油 的"蒸汽吞吐"蒸汽操作、以及從低孔隙度的蓄集層中除去碳?xì)浠衔铩D4示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的一羽狀排水型式100。在該實(shí)施例中， 該羽狀排水型式IOO提供了至一地下層的大致方形區(qū)域102的通路。多個羽狀型式50可一起使用以提供至較大地下層的一致通路。參見圖4，擴(kuò)大直徑的腔體20界定了區(qū)域102的第一角部。羽狀型式100 具有沿對角延伸通過區(qū)域102至區(qū)域102的遠(yuǎn)角106的一大致水平的主井眼 104。較佳地，大致豎直和分段的井12和30定位在區(qū)域102之上，以致對角 的井眼104被鉆鑿在煤層15的斜坡上。這便于從區(qū)域102收集水和氣體。對 角的井眼104是使用鉸接的鉆柱40鉆鑿出的并從與分段的井30對齊的擴(kuò)大的 腔體20處延伸。多個邊側(cè)井眼110從對角井眼104的相對側(cè)延伸至區(qū)域102的周邊112。 諸邊側(cè)井眼110可以是對角井眼104的相對側(cè)上的彼此的鏡像，或者沿著對角 井眼104彼此相對偏離。每個邊側(cè)井眼110具有離開對角井眼104的一半徑彎 曲部分114和彎曲部分114已到達(dá)所需位置之后形成的一延長部分116。為了 一致地覆蓋方形區(qū)域102，成對的邊側(cè)井眼110大致均勻地分布在對角井眼104 的每一側(cè)上并以大約45度的角度從對角線104延伸。邊側(cè)井眼110隨著逐漸 遠(yuǎn)離擴(kuò)大直徑的腔體20縮短其長度以便于鉆鑿邊側(cè)井眼110。使用單個對角井眼104和五對邊側(cè)井眼110的羽狀排水型式IOO可對大約 150英畝的煤層區(qū)域進(jìn)行排水。在較小的區(qū)域需要排水的情況下，或者在煤層 具有不同的形狀，例如細(xì)長的狹窄形狀或者由于地表面或地下的地形，通過改 變邊側(cè)井眼110相對對角井眼104的角度以及邊側(cè)井眼110的方位，可以應(yīng)用 其他的羽狀排水型式。另外，可以僅在對角井眼104的一側(cè)鉆鑿邊側(cè)井眼110 以形成半個羽狀型式。通過使用鉸接的鉆柱40和合適的水平鉆井裝置鉆鑿?fù)ㄟ^擴(kuò)大直徑的腔體 20來形成對角井眼104和邊側(cè)井眼110。在該操作過程中，Y射線測井工具和 鉆鑿時的傳統(tǒng)測量技術(shù)可用來控制鉆頭的方向和方位以將排水型式保持在煤 層15的邊界中并保持對角和邊側(cè)井眼104和110的適當(dāng)間距和方位。在具體的實(shí)施例中，對角井眼104在各個邊側(cè)造斜點(diǎn)108處被鉆鑿出一斜 面。在完成對角井眼104之后，鉸接的鉆柱返回至連續(xù)的每個邊側(cè)造斜點(diǎn)108， 在對角圖5示出按照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一羽狀排水型式120。在該實(shí)施例中，羽狀排水型式120對煤層15的大致矩形區(qū)域122進(jìn)行排水。羽狀排水型式120 具有如同關(guān)于圖4所示的對角和邊側(cè)井眼104和110所述的那樣形成的一主對 角井眼124和多個邊側(cè)井眼126。然而，對于大致矩形的區(qū)域122，位于對角 井眼124的第一側(cè)上的邊側(cè)井眼126具有一較小的角度，而位于對角井眼124 的相對側(cè)上的邊側(cè)井眼126具有一陡峭的角度，以一起提供區(qū)域12的一致覆 蓋范圍。圖6示出按照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一四邊形的羽狀排水型式140。該四 邊形的排水型式140具有四個不連續(xù)的羽狀排水型式100，每個排水型式100 對羽狀排水型式140所覆蓋的區(qū)域142的四分之一部分進(jìn)行排水。每個羽狀排水型式IOO具有一對角井眼104和從對角井眼104延伸的多個 邊側(cè)井眼110。在該四邊形的實(shí)施例中，每一對角和邊側(cè)井眼104和IIO是從 共同的分段的井141鉆鑿出的。這允許地表面生產(chǎn)設(shè)備的較緊密的間距、排水 型式的更廣的覆蓋范圍、以及減少鉆井設(shè)備和操作。圖7示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例用于煤層的脫氣和準(zhǔn)備以進(jìn)行開采操 作的羽狀排水型式IOO與煤層的地下結(jié)構(gòu)的對齊。在該實(shí)施例中，使用長壁工 藝開采煤層15。應(yīng)理解到，對于其他類型的開采操作，本發(fā)明也可用來使煤層 脫氣。參見圖7，煤層面150從長壁152沿縱向延伸。按照長壁開采的實(shí)踐，每 個面150從遠(yuǎn)端向著長壁152被連續(xù)開采，在開采過程之后，開采的頂部允許 下陷和斷裂成開口。在開采面150之前，羽狀排水型式IOO從表面鉆鑿到面150 中，以在開采操作之前使煤層面150脫氣。每個羽狀排水型式IOO與長壁152 和面150的格子對齊并覆蓋一個或多個面150的部分。以此方式，依據(jù)地下結(jié) 構(gòu)和限制，可從地表面使礦藏的一個區(qū)域脫氣。圖8是按照本發(fā)明的一個實(shí)施例準(zhǔn)備煤層15以進(jìn)行開采操作的一方法的 流程圖。在該實(shí)施例中，該方法以步驟160開始，在此確定需要排水的區(qū)域和 用于諸區(qū)域的排水型式50。較佳地，諸區(qū)域與用于該地層的開采平面的格子對 齊。羽狀結(jié)構(gòu)100,120和140可用來提供該地層的最優(yōu)的覆蓋范圍。應(yīng)理解到，其他合適的型式也可用來使煤層15脫氣。進(jìn)行步驟162，從地表面14穿過煤層15來鉆鑿大致豎直的井12。下一步， 在步驟164，利用井下測井裝置來精確地確定大致豎直的井12中的煤層的位置 。在步驟164，擴(kuò)大直徑的腔體22形成在大致豎直的井12中、煤層15的位置 處。如前面的討論，擴(kuò)大直徑的腔體20可通過地下鉸孔和其他傳統(tǒng)技術(shù)來形 成。下一步，在步驟166，鉆鑿分段的井30以貫穿擴(kuò)大直徑的腔體22。在步 驟168，用于羽狀排水型式100的主對角井眼104被鉆鑿穿過分段的井30而進(jìn) 入到煤層15中。在形成主對角井眼104之后，在步驟170鉆鑿用于羽狀排水 型式100的邊側(cè)井眼110。如前面的描述，邊側(cè)造斜點(diǎn)在其成型過程中形成在 對角井眼104中以便于鉆鑿邊側(cè)井眼110。在步驟172，分段的井30被蓋住。下一步，在步驟174，擴(kuò)大的對角腔體 22在準(zhǔn)備中被清空以安裝井下生產(chǎn)設(shè)備。擴(kuò)大直徑的腔體22可通過沿大致豎 直的井12向下泵送的壓縮空氣或其他適當(dāng)?shù)募夹g(shù)被清空。在步驟176，生產(chǎn)設(shè) 備被安裝在大致豎直的井12中。該生產(chǎn)設(shè)備具有向下延伸進(jìn)入到腔體22中以 從煤層15中除去水的一桿式泵。水的去除將降低煤層的壓力并允許甲烷氣體 擴(kuò)散并形成在大致豎直井12的環(huán)形空間中。進(jìn)行步驟178，從排水型式100排入到腔體22中的水通過桿式抽吸單元 被抽吸到地表面面上。按照需要，持續(xù)地或間歇地抽吸水以從腔體22中將它 移送走。在步驟180，從煤層15中擴(kuò)散出的甲垸氣體在地表面14被持續(xù)地收 集。下一步，在判斷性步驟182，確定來自煤層15的氣體的產(chǎn)生是否完成。在 一個實(shí)施例中，在收集氣體的成本超過井所產(chǎn)生的收益之后，氣體的產(chǎn)生是完 成的。在另一實(shí)施例中，氣體可以從井中連續(xù)地產(chǎn)生，直到煤層15中保留的 氣體程度低于開采操作所需的程度。如果氣體的產(chǎn)生未完成，判斷性步驟182 的否分支返回至步驟178和180，在此繼續(xù)從煤層15中除去水和氣體。直到生 產(chǎn)完成，判斷性步驟182的是分支引導(dǎo)至步驟184，在該步驟移開生產(chǎn)設(shè)備。下一步，在判斷性步驟186，確定為了開采操作是否需要進(jìn)一步準(zhǔn)備煤層 15。如果煤層15需要進(jìn)一步準(zhǔn)備以進(jìn)行開采操作，判斷性步驟186的是分支將引導(dǎo)至步驟188，在該步驟，為了使灰塵最小化，水和其他附加物被注入到 煤層15中以再水合煤層，以改進(jìn)開采效率，并改進(jìn)開采出的產(chǎn)品。步驟188和步驟186的否分支將引導(dǎo)至步驟190，在該步驟開采煤層15 。在開采過程之后，從煤層中移開煤致使開采的頂部下陷和斷裂成開口。坍塌 的頂部產(chǎn)生通過大致豎直的井12在步驟192被收集的采煤氣體。因此，不需 要其他的鉆井操作以從開釆的煤層中回收采煤氣體。步驟192引導(dǎo)至該過程的 結(jié)束，通過該過程從地表面有效地使煤層脫氣。該方法提供了與開采的一協(xié)同 關(guān)系以在開采之前除去不想要的氣體并在開采過程之前再水合煤礦。圖9A至9C是示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例配置井內(nèi)腔體泵200的視圖 。參見圖9A，井內(nèi)腔體泵200包括一井眼部分202和一腔體定位裝置204。井 眼部分202包括用于將容納在腔體20中的井內(nèi)流體汲取和傳送至豎直井12的 表面的一入口 206。在該實(shí)施例中，腔體定位裝置204可轉(zhuǎn)動地連接在井眼部分202上以提供 腔體定位裝置204相對井眼部分202的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。例如， 一銷釘、軸或其他適 當(dāng)?shù)姆椒ɑ蜓b置(未明確示出)可用來將腔體定位裝置204可轉(zhuǎn)動地連接在井 眼部分202上，以提供腔體定位裝置204相對井眼部分202圍繞軸線208的轉(zhuǎn) 動運(yùn)動。因此，腔體定位裝置204可在其一端210和一端212之間連接在井眼 部分202上，以致相對井眼部分202能夠可轉(zhuǎn)動地操縱端部210和212。腔體定位裝置204還包括一均衡部分214以在未支承的狀態(tài)下控制端部 210和212相對井眼部分202的位置。例如，腔體定位裝置204相對井眼部分 202圍繞軸線208伸出懸臂。均衡部分214沿腔體定位裝置204設(shè)置在軸線218 和端部210之間，由此在井內(nèi)腔體泵200相對豎直井12和腔體20的配置和收 回過程中，均衡部分204的重量或質(zhì)量均衡腔體定位裝置204。在操作中，腔體定位裝置204被設(shè)置到豎直井12中，其端部210和均衡 部分214被定位在大致縮回狀態(tài)，由此將端部210和均衡部分214設(shè)置成靠近 井眼部分202。當(dāng)井內(nèi)腔體泵200沿箭頭216所示的方向在豎直井12中向下行 進(jìn)時，腔體定位裝置204的長度將防止自身相對井眼部分202的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。例 如，當(dāng)井內(nèi)腔體泵200在豎直井12中向下行進(jìn)時，均衡部分214的質(zhì)量致使均衡部分214和端部212通過與豎直井12的豎直壁218的接觸而被支承住。參見圖9B，當(dāng)井內(nèi)腔體泵200在豎直井12中向下行進(jìn)時，在腔體定位裝 置204從豎直井12移動至腔體20時，均衡部分214導(dǎo)致腔體定位裝置204相 對井眼部分202的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。例如，當(dāng)腔體定位裝置204從豎直井12移動至 腔體20中時，均衡部分214和端部212變得不再被豎直井12的豎直壁218支 承。當(dāng)均衡部分214和端部212變得不被支承時，均衡部分214自動地導(dǎo)致腔 體定位裝置204相對井眼部分202的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。例如，均衡部分214通常致使 端部210轉(zhuǎn)動或相對豎直井12沿箭頭220所指的方向向外延伸。此外，腔體 定位裝置204的端部212相對豎直井12沿箭頭222所指的方向向外延伸或轉(zhuǎn) 動。腔體定位裝置204的長度被構(gòu)制成當(dāng)其從豎直井12轉(zhuǎn)移到腔體20中時， 使其端部210和212變得不再被豎直井12支承，由此允許均衡部分214使端 部212相對井眼部分202向外并在儲液槽22的環(huán)面部分224之上作轉(zhuǎn)動運(yùn)動 。因此，在操作中，當(dāng)腔體定位裝置204從豎直井12轉(zhuǎn)移到腔體20中時，均 衡部分214使端部212沿箭頭222所指的方向向外轉(zhuǎn)動或延伸，由此井內(nèi)腔體 泵200的繼續(xù)的向下行進(jìn)將引起端部212與腔體20的水平壁226的接觸。參見圖9C，當(dāng)井內(nèi)腔體泵200繼續(xù)向下行進(jìn)時，端部212與腔體20的水 平壁226的接觸致使腔體定位裝置204相對井眼部分202的進(jìn)一步的轉(zhuǎn)動。例 如，端部212和水平壁226之間的接觸以及井內(nèi)腔體泵200的向下行進(jìn)致使端 部210沿箭頭228所指的方向相對豎直井12向外延伸或轉(zhuǎn)動，直到均衡部分 214接觸腔體20的水平壁230。 一旦腔體定位裝置204的均衡部分214和端部 212變得被腔體20的水平壁226和230支承住，井內(nèi)腔體泵200的繼續(xù)的向下 行進(jìn)被阻止，由此將入口 206定位在腔體20中的預(yù)定位置。因此，入口 206可沿著井眼部分202定位在各個位置，以致腔體定位裝置 204在腔體20中降至最低點(diǎn)時，入口 206被設(shè)置在腔體20中的預(yù)定位置。因 此，入口 206可精確地定位在腔體20中以基本防止吸入儲液槽或鼠洞22中的 巖屑或其他材料并防止由于入口 206放置在狹窄的井眼中所造成的氣體干擾。 此外，入口 206可定位在腔體20中以使從腔體20中收回的流體最大化。在逆向的操作中，井內(nèi)腔體泵200的向上行進(jìn)致使釋放均衡部分214和端 部212分別與水平部分230和226之間的接觸。當(dāng)腔體定位裝置204變得不再 被支承在腔體20中時，設(shè)置在端部212和軸線208之間的腔體定位裝置204 的質(zhì)量將致使腔體定位裝置204沿與圖9B示出的箭頭220和222所指的方向 相反的方向轉(zhuǎn)動。此外，均衡部分214與設(shè)置在端部212和軸線208之間的腔 體定位裝置204的質(zhì)量相協(xié)作以大致對齊腔體定位裝置204和豎直壁12。因此， 當(dāng)從腔體20中收回井內(nèi)腔體泵200時，腔體定位裝置204自動地變得與豎直 井12對齊。而后井內(nèi)腔體泵200的進(jìn)一步的向上行進(jìn)可用來從腔體20和豎直 井12中取出腔體定位裝置204。因此，通過將井內(nèi)腔體泵200的入口 206確定地定位在腔體20中的預(yù)定 位置，本發(fā)明比現(xiàn)有的系統(tǒng)和方法提供了更強(qiáng)的可靠性。此外，可有效地從腔 體20中取出井內(nèi)腔體泵200,而不需要其他解鎖或?qū)R工具以便于從腔體20 和豎直井12中收回井內(nèi)腔體泵200。盡管已通過幾個實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可進(jìn)行各種 變化和改型。本發(fā)明涵蓋了處于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的此類變化和改型。
權(quán)利要求
1.一種用于地表面生產(chǎn)來自煤層的氣體的方法，包括形成一井眼；形成貫穿所述井眼的一大致水平井眼，所述大致水平井眼位于所述煤層中，并可操作以便將水和氣體從所述煤層引導(dǎo)至水平偏離所述井眼的一井眼匯合處；將水和氣體從煤層通過所述大致水平井眼引導(dǎo)至所述井眼匯合處，所述井眼匯合處與至少局部位于所述大致水平井眼下方的一井眼的一部分相連；在流體收集區(qū)域中收集來自所述大致水平井眼的水，用于生產(chǎn)至地表面；將來自所述井眼匯合處的水泵送至所述地表面；以及將來自所述井眼匯合處的氣體生產(chǎn)至所述地表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括鉆鑿所述大致水平井 眼使其貫穿一延伸至所述地表面且具有一輻射部分的井眼。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括欠平衡地鉆鑿所述大 致水平井眼。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括利用泡沫欠平衡地鉆 鑿所述大致水平井眼。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在所述煤層中的一斜 坡上鉆鑿所述大致水平井眼。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括將來自從所述大致水平井眼延伸的多個邊側(cè)井眼的水和氣體引導(dǎo)至所述 井眼匯合處；以及在所述井眼匯合處收集來自所述大致水平井眼和所述多個邊側(cè)井眼的水， 用于生產(chǎn)至所述地表面。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括欠平衡地鉆鑿所述大 致水平井眼和所述多個邊側(cè)井眼。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括利用泡沫欠平衡地鉆鑿所述大致水平井眼和所述多個邊側(cè)井眼。
9. 一種用于從地表面接近煤層的方法，包括-鉆鑿從所述地表面至所述煤層的一大致豎直井眼；鉆鑿從所述地表面至所述煤層的一分段的井眼，所述分段的井眼在所述地 表面水平偏離所述大致豎直井眼，并在接近所述煤層的一匯合處貫穿所述大致 豎直井眼；鉆鑿所述分段的井眼使其以一種水平井眼型式通入到所述煤層中；以及 欠平衡地鉆鑿所述井眼型式。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述井眼型式包括一主水平 井眼和從所述主水平井眼延伸的多個邊側(cè)井眼。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述井眼型式包括一種羽狀 型式。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述煤層包括低滲透煤。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括位于所述匯合處的一 擴(kuò)大的腔體。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在地表面處偏離300 英尺的所述大致豎直井眼和所述分段的井眼。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在鉆鑿所述水平豎直 井眼之后鉆鑿分段的井眼。
16. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將一泵安裝在所述匯 合處中，以便將從所述煤層收集的水通過所述大致豎直井眼泵送至所述地表面
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括通過所述大致豎直 井眼從所述煤層生產(chǎn)氣體。
18. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括通過所述大致豎直井 眼從位于所述型式的區(qū)域中的煤層生產(chǎn)大約75%的氣體。
19. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將一抽吸桿式泵安裝 在所述匯合處，以便將從所述煤層收集的水通過所述大致豎直井眼泵送至所述地表面。
20. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在鉆鑿所述井眼型式 的過程中通過將氣體沿著所述大致豎直井眼向下泵送來欠平衡地鉆鑿所述井 眼型式。
21. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在鉆鑿所述井眼型式 的過程中通過將鉆取的流體沿著所述大致豎直井眼向上泵送來欠平衡地鉆鑿 所述井眼型式。
22. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括通過使壓縮空氣循環(huán) 以及使該空氣與所述鉆取流體混合而降低由所述鉆取流體施加的井下壓力來 進(jìn)行欠平衡地鉆鑿。
23. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將井下壓力降低至接 近于零。
24. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將井下壓力降低至大 約每平方英寸150-200磅。
25. —種用于地表面生產(chǎn)來自煤層的氣體的系統(tǒng)，包括 從所述地表面延伸至煤層的一分段的井眼； 與所述分段的井眼相連的一大致水平井眼；與所述大致水平井眼相連的多個邊側(cè)井眼，所述大致水平井眼和多個邊側(cè) 井眼可操作以便將來自所述煤層的流體引導(dǎo)至一井眼匯合處；所述井眼匯合處與至少局部位于所述大致水平井眼下方的一流體收集區(qū) 域相連，所述流體收集區(qū)域可操作以便收集來自所述大致水平井眼的流體，用 于生產(chǎn)至所述地表面；以及其中氣體可從所述煤層生產(chǎn)至所述地表面。
26. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述大致水平井眼 相連的四個或更多個邊側(cè)井眼。
27. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括從所述地表面延伸至 所述煤層的一豎直井眼，所述豎直井眼在所述匯合處處截取所述分段的井眼。
28. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括從所述大致水平井眼延伸的多個邊側(cè)井眼。
29. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述煤層是低滲透煤層。
30. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述大致水平井眼和多個邊 側(cè)井眼呈現(xiàn)一種半羽狀型式。
31. —種用于地表面生產(chǎn)來自煤層的氣體的方法，包括 鉆鑿從所述地表面延伸至煤層的一分段的井眼； 欠平衡地鉆鑿與所述分段的井眼相連的一大致水平井眼； 欠平衡地鉆鑿與所述大致水平井眼相連的多個邊側(cè)井眼；將來自所述煤層的流體通過所述大致水平井眼和多個邊側(cè)井眼引導(dǎo)至一井 眼匯合處，所述井眼匯合處與至少局部位于所述大致水平井眼下方的一流體收 集區(qū)域相連；在所述流體收集區(qū)域收集來自所述大致水平井眼和多個邊側(cè)井眼的流體， 用于生產(chǎn)至所述地表面；以及將氣體從所述煤層生產(chǎn)至所述地表面。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，還包括鉆鑿與所述大致水平 井眼相連的四個或更多個邊側(cè)井眼。
33. 如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括鉆鑿從所述地表面延 伸至所述煤層的一豎直井眼，所述豎直井眼在所述匯合處處截取所述分段的井 眼。
34. 如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括鉆鑿從所述大致水平 井眼延伸的多個邊側(cè)井眼。
35. 如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述煤層是低滲透煤層。
全文摘要
用于從地表面接近地下礦藏的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)基本消除或減少了現(xiàn)有系統(tǒng)和方法相關(guān)的缺點(diǎn)和問題。具體講，本發(fā)明提供了帶有一排水型式的一分段的井，該排水型式與一水平腔體井相交。該排水型式提供了從地表面至較大地下層的通路，而豎直腔體井允許有效地取出和/或產(chǎn)生攜帶的水、碳?xì)浠衔锛捌渌练e物。
文檔編號E21B43/40GK101328791SQ20081013340
公開日2008年12月24日 申請日期1999年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月20日
發(fā)明者J·A·朱潘伊克 申請人:Cdx天然氣有限公司