CN101100937A - 用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于抽取地下地层区域里的流体的方法，包括：钻出一个从地面到地下地层区域的节接井筒；在所述节接井筒里成形一个被扩大了的洞穴；把一个有一个泵进口的泵吸装置的一部分安装通过所述节接井筒的一个弯曲部分；把所述泵进口定位在所述扩大的洞穴里，使所述泵进口偏离从地下地层区域流出的沿着所述井筒流动的气体流；以及使一个泵吸装置工作以通过所述泵进口开采出液体。本发明还相应地提供一种用于抽取地下地层区域里的流体的系统。

Description

用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的方法和系统

本申请是申请号为03825107.8、申请日为2003年9月23日、发明名称为“用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的方法和系统”的分案申请。

技术领域

本发明总地涉及地下矿藏的开采，更具体地说，涉及一种用被扩大了的洞穴抽取地下地层区域里的液体用的方法和系统。

背景技术

地下地层区域，诸如煤层，包含大量夹带的甲烷气体。地下地层区域也常常与诸如地下水之类的液体有关，为了开采出甲烷气体，必须把水从地下地层区域排出。在用泵系统抽取这类液体、夹带的细煤和其它液体时，甲烷气体可能进入泵的进口，这将会降低泵的效率。

发明内容

本发明提供一种用被扩大了的洞穴抽取地下地层区域里的流体的方法和系统，这种方法和系统可基本上消除或减少现有的方法和系统的至少某些缺点和问题。

按照本发明的一个方面，提供一种抽取地下地层区域里的流体的方法，其包括：钻出一个从地面到地下地层区域的节接井筒，以及在所述节接井筒里成形一个被扩大了的洞穴。这种方法还包括：把一个有一个泵进口的泵吸装置的一部分安装通过所述节接井筒的一个弯曲部分；把所述泵进口定位在所述扩大的洞穴里，使所述泵进口偏离从地下地层区域流出的沿着所述井筒流动的气体流；以及使一个泵吸装置工作以通过所述泵进口开采出液体。

按照本发明的另一个方面，抽取地下地层区域里的流体的一种系统包括：一个从地面延伸到地下地层区域的节接井筒；一个成形在所述节接井筒里的被扩大了的洞穴；一个有一个泵进口的泵吸装置，所述泵吸装置的一部分从地面延伸通过所述节接井筒的一弯曲部分，所述泵进口定位在所述扩大的洞穴里，并偏离从地下地层区域流出的、沿着所述井筒流动的气体流；其中，所述泵吸装置工作时可通过所述泵进口开采出液体。

本发明在技术上的优点包括，在节接井筒里成形的扩大的洞穴可把从地下地层区域流出的、沿着所述井筒流动到所述扩大的洞穴处的挟带液体的气体流中的液体分离出来。扩大的洞穴也使使用者可把一个泵进口偏置于沿着所述井筒流动的气体流。这样，从地下地层区域通过节接井筒抽取出来的流体和挟带的细煤就将几乎不含气体，这可提高泵的效率。

扩大的洞穴可以成形在节接井筒的基本上水平的部分或基本上垂向的部分。如果扩大的洞穴是成形在节接井筒的基本上水平的部分，可把设置在扩大的洞穴里的泵进口垂向地偏离基本上水平的部分的纵向轴线。如果扩大的洞穴是成形在节接井筒的基本上垂向的部分，可把设置在扩大的洞穴里的泵进口水平地偏离基本上垂向的部分的纵向轴线。以这样的方式定位泵进口，在通过节接井筒抽取流体和/或挟带的细煤时可使从地下地层区域出来的气体从泵进口的旁边流过。

熟悉本技术领域的人，可从本发明的附图、说明和权利要求书明显地看出其技术上的其它优点。而且，尽管上面已经列举了一些具体的优点，但是，各个实施例中，有的可能包括全部这些优点，有的可能仅包括某些优点，有的也可能不包括这些优点。

附图说明

为了更完全地理解本发明的各特定实施例及其优点，下面参照附图进行说明，各附图中：

图1表示出本发明的一个实施例的、采用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的一个示例性井系统，其扩大的洞穴设置在节接井筒的大致垂向的部分；

图2表示出本发明的一个实施例的、采用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的一个示例性井系统，其扩大的洞穴设置在节接井筒的大致水平的部分；

图3表示出本发明的一个实施例的、采用扩大的洞穴抽取地下地层区域里的液体的一个示例性井系统，其扩大的洞穴设置在节接井筒的弯曲的部分；

图4表示出本发明的一个实施例的、用于抽取地下地层区域里的液体的一个示例性井系统，它采用一个扩大的洞穴和节接井筒的一个分支集液池；

图5表示出本发明的一个实施例的、用于成形扩大的洞穴的扩孔器；

图6表示出按照本发明的一个实施例，图5的扩孔器装有一个切割器，该切割器处于半张开状态；

图7表示出按照本发明的一个实施例，图5的扩孔器装有一个切割器，该切割器处于全张开位置；

图8是一个等角投影图，它表示本发明的一个实施例的、一般为圆柱形的扩大的洞穴。

具体实施方式

图1表示出一个用于抽取地下地层区域里的液体的典型的井系统。一个节接井筒430从地面414延伸到地下地层区域415。在这一实施例中，地下地层区域415包括煤层，但是，按照本发明的其它实施例，地下地层区域可以包括其它的构造，诸如油页岩。

节接井筒430包括一个大致垂向的部分432、一个大致水平的部分434以及一个把大致垂向的部分432和大致水平的部分434连接起来的弯曲或弧形部分436。水平的部分434基本上处在地下地层区域415的水平平面上。在各特定的实施例中，节接井筒430可能不包括水平的部分，例如，如果地下地层区域415不是水平的，就是如此。在这样的情况中，节接井筒430可以包括一个基本上与地下地层区域415处于同一平面内的部分。节接井筒430可以用节接钻杆来钻成。节接井筒430可以用一个适当的衬管438衬起来。

节接井筒430还包括成形在其大致垂向部分432上的一扩大的洞穴420。在这一实施例中，该扩大的洞穴420是大致圆柱形的，但是在本发明的其它实施例中，扩大的洞穴420可以是其它形状的。可以用适当的扩孔技术和设备来成形该扩大的洞穴420，这将在下面参照图5-7加以说明。节接井筒430里有流体450。流体450可以包括钻节接井筒430所用的钻井流体和/或钻井泥浆、水、从地下地层区域415释放出来的甲烷气体之类的气体，或其它液体和/或气体。在所示的这一实施例中，甲烷气体452是在节接井筒430钻完之后释放出来的。

由于扩大的洞穴420的横断面大于节接井筒430的其它部分的横断面，所以扩大的洞穴420可起到一个气体和液体分离室的作用。这使得甲烷气体452可继续沿着节接井筒430向上流，而液体从挟带液体的气体流中分离出来并处在扩大的洞穴420里，可以用泵抽取液体。这种分离之所以能够发生，是因为挟带液体的气体流在沿着节接井筒430向上流到扩大的洞穴420处时其速度会降低到低于其能够挟带液体的速度，这样，气体和液体就在扩大的洞穴420里分离了。这种速度的降低是由于扩大的洞穴420的横断面大于挟液气体流经过的节接井筒430的其它部分的横断面。扩大的洞穴420的横断面越大，沿着井筒流动的挟液气体流在其处的速度降也就越大。

泵吸装置440设置在节接井筒430里。在这一实施例中，泵吸装置440包括布置在扩大的洞穴420里的弯的管段442和泵进口444。泵吸装置440工作时可从节接井筒430抽出液体、挟带的细煤以及其它流体。如上所述，这些流体可被从沿着节接井筒430流到扩大的洞穴420处的挟液气体流中分离出来。泵吸装置440的弯管段442使泵进口444在扩大的洞穴420里处在一个水平地偏离流经扩大的洞穴420的气体流452的位置。在这一实施例中，泵进口444水平地偏离节接井筒430的大致垂向的部分432的纵向轴线。泵进口444处在这样的位置可降低气体流452进入泵进口444的量，因为气体在从地下地层区域415释放出来并沿着节接井筒430向上流时从泵进口444的旁边通过，而如果在扩大的洞穴420里泵进口444不是水平地偏离在节接井筒430里流动的气体流452，从地下地层区域415释放出来的气体流452就可能进入泵进口444。若出现那种情况，泵系统的效率就将降低。

因此，给节接井筒430设置一个扩大的洞穴420可把流经节接井筒430的流体450中的液体和气体分离开来。扩大的洞穴420也可使使用者在扩大的洞穴420内把泵进口444偏置于在节接井筒430里流动的气体流452。这样，从地下地层区域415通过节接井筒430抽取出来的流体和挟带的细煤中就几乎不含气体，这可提高泵的效率。

图2表示出用于从地下地层区域抽取流体的另一示例性井系统。一个节接井筒530从地面514延伸到地下地层区域515。节接井筒530包括一个大致垂向的部分532、一个大致水平的部分534以及一个把大致垂向的部分532和大致水平的部分534连接起来的弯曲部分536。节接井筒530衬有一个适当的衬管538。节接井筒530还包括成形在其大致水平的部分534的扩大的洞穴520。

节接井筒530里有流体550。流体550可以包括钻节接井筒430所用的钻井流体和/或钻井泥浆、水、从地下地层区域415释放出来的甲烷气体之类的气体、或其它液体和/或气体。在所示的这一实施例中，甲烷气体552是在节接井筒530钻完之后从地下地层区域515释放出来的。扩大的洞穴520可起一个气体和液体分离室的作用，这很像上述图1中的扩大的洞穴420。

泵吸装置540设置在节接井筒530里。在这一实施例中，泵吸装置540包括布置在扩大的洞穴520里的弯管段542和泵进口544。泵吸装置540工作时可从节接井筒530抽出液体、挟带的细煤以及其它流体。如上所述，这些流体可被从沿着节接井筒530流到扩大的洞穴520处的挟液气体流552中分离出来。泵吸装置540的弯管段542使泵进口544在扩大的洞穴520里处在一个垂向地偏离在扩大的洞穴520里流动的气体流552的位置。在这一实施例中，泵进口544垂向地偏离节接井筒430的大致水平的部分534的纵向轴线。泵进口544处在这样的位置可降低气体流552进入泵进口544的量，因为气体流552在从地下地层区域515释放出来并沿着节接井筒530向上流时从泵进口544的旁边通过。而如果在扩大的洞穴520里泵进口544不是垂向地偏离气体流552，从地下地层区域515释放出来的气体流552就可能进入泵进口544。若出现那种情况，泵系统的效率就将降低。

扩大的洞穴520也可使使用者把泵进口544在扩大的洞穴520内偏置于在节接井筒530里流动的气体流552。这样，从地下地层区域515通过节接井筒530抽取出来的流体和挟带的细煤中就几乎不含气体，这可提高泵的效率。

图3表示出用于从地下地层区域抽取流体的另一典型的井系统。一个节接井筒230从地面214延伸到地下地层区域215。节接井筒230包括一个大致垂向的部分232、一个大致水平的部分234以及一个把大致垂向的部分232和大致水平的部分234连接起来的弯曲部分236。

节接井筒230包括成形在其弯曲部分236扩大的洞穴220。节接井筒230里有流体250。流体250可以包括钻节接井筒230所用的钻井流体和/或钻井泥浆、水、从地下地层区域215释放出来的甲烷气体之类的气体、或其它液体和/或气体。在所示的这一实施例中，甲烷气体252是在节接井筒230钻完之后从地下地层区域215释放出来的。扩大的洞穴220可起一个气体和液体分离室的作用，这很像上述图1中的扩大的洞穴420。

泵吸装置240设置在节接井筒230里。泵吸装置240包括布置在扩大的洞穴220里的泵进口244。泵吸装置240工作时可从节接井筒230抽出液体、挟带的细煤以及其它流体。如上所述，这些液体可被从沿着节接井筒230流到扩大的洞穴220处的挟液气体流252中分离出来。如图3所示，在扩大的洞穴220里泵进口244偏置于在节接井筒230里流动的气体流252。这可降低气体流252进入泵进口244的量，因为气体流252在从地下地层区域215释放出来并沿着节接井筒230向上流动时从泵进口244的旁边通过。

这样，给节接井筒230设置扩大的洞穴220可将流到扩大的洞穴220里的流体250中的液体分离出来。扩大的洞穴220也可使使用者把泵进口244在扩大的洞穴220内偏置于在节接井筒230里流动的气体流252。这样，从地下地层区域215通过节接井筒230抽取出来的流体和挟带的细煤中就几乎不含气体，这可提高泵的效率。

图4表示出用于从地下地层区域抽取流体的另一典型的井系统。一个节接井筒130从地面114延伸到地下地层区域115。节接井筒130包括一个大致垂向的部分132、一个大致水平的部分134、一个把大致垂向的部分132和大致水平的部分134连接起来的弯曲部分136以及一个分支集液池137。

节接井筒130包括一个扩大的洞穴120。对于在节接井筒130钻完之后从地下地层区域115释放出来的流体，该扩大的洞穴120可起到将其中的气体和液体分离开来的分离室的作用。这使得气体流152沿着节接井筒130向上流动，而液体153被从流体分离出来并留在扩大的洞穴120和分支集液池137里，可供抽取。分支集液池137构成了一个液体收集区域，可将收集在这个区域里的液体153抽取到地面。

泵吸装置140设置在节接井筒130里。泵吸装置140包括布置在集液池137里的泵进口144。泵吸装置140工作时可从节接井筒130抽出液体153和挟带的细煤。如上所述，这些液体153是被从沿着节接井筒130流动的挟液气体流152中分离出来的。这样，给节接井筒130设置扩大的洞穴120可使液体153从流经节接井筒130的挟液气体流中分离出来。因此，从地下地层区域115通过节接井筒130抽取出来的液体和挟带的细煤中就几乎不含气体，这可提高泵的效率。

如上所述，图1-4分别表示出成形在节接井筒的大致垂向的部分、大致水平的部分和弯曲部分的扩大的洞穴。应该理解：本发明的各实施例可以包括成形在节接井筒的任一部分、大致垂向的井筒的任一部分、大致水平的井筒的任一部分、或诸如斜的井筒的任何其他井筒的任一部分的扩大的洞穴。

图5表示出用于成形诸如图1的扩大的洞穴420的扩大的洞穴的一个典型的扩孔器610。扩孔器610包括两个可枢转地连接于壳体612的切割器614。也可以用有一个或多个而不是两个切割器614的其它扩孔器来成形扩大的洞穴420。在一个实施例中，两个切割器614通过销轴615连接于壳体612，但是也可以用其它适当的方法使切割器614能相对于壳体612枢转或转动。壳体612是表示为大致垂向地布置在井筒611里，但是把壳体612布置在其它位置，也可以用扩孔器610成形扩大的洞穴。例如，可以用扩孔器610成形图2的处于大致水平位置的扩大的洞穴520。

扩孔器610包括一个传动机构616，其一部分可滑动地安装在壳体612的压力腔622内。该传动机构616有一个流体通路621。该流体通路621的出口625允许流体从流体通路621进入壳体612的压力腔622。压力腔622有出口627，其允许流体流出压力腔622而进入井筒611。在各特定实施例中，可将出口627连接于一根软管，以便把从出口627出来的流体输送到地面或另一个地方。传动机构616还包括一个加大的部分620，在这一实施例中，加大的部分620有一个锥面部分624。但是，其它实施例中的传动机构可能有其它角度、形状或结构的加大部分，诸如立方体形状、球形、圆锥形或水滴形的。传动机构616还包括压力凹槽631。

图5中，切割器614被表示为处于缩回位置，围着传动机构616被套叠起来。切割器614的长度可以是约2-3英尺，但是在其它实施例中，切割器614的长度可能是不同的。切割器614被表示为有斜的端部，但是在其它实施例中，切割器614的端部可能不是斜的，而是曲线的，这取决于加大的部分620的形状和结构。切割器614有侧向切割表面654和端头切割表面656。切割器614还有几个尖头，在使用中这些尖头可能磨损，所以它们是可更换的。在这样的情况中，尖头可包括端头切割表面656。切割表面654和656以及各尖头可以用各种不同的切割材料包覆，诸如但不限于多晶金刚石、碳化钨镶嵌件、碳化钨砂轮磨料、具有碳化钨耐磨焊料的硬的表面材料、或其他适当的切割结构物和材料，以适应特定的地层构造。此外，可以在切割器614上机械加工出或成形出各种形状的切割表面654和656，以增强切割器614的切割特性。

在操作中，把加压流体打入传动机构616的流体通路621。这可以用一个钻管连接器(drill pipe connector)连接于壳体612来做到。加压流体流经流体通路621，从出口625流出而进入压力腔622。在压力腔622内，加压流体对传动机构616的粗的部分637施加一个第一轴向力640。为了防止加压流体从粗的部分637的圆周表面流过，可以给粗的部分637加装一个圆周密封圈。作用在传动机构616的粗的部分637上的第一轴向力640使传动机构616相对于壳体612运动。这一运动使加大的部分620的锥面部分624接触于切割器614，而使切割器614绕销轴615转动并相对于壳体612沿径向向外张开。由于切割器614张开了，随着侧向切割表面654和端头切割表面656向井筒611的表面的接触，扩孔器610就能进行径向切割而成形一个被扩大的扩大的洞穴。

在切割器614沿径向向外张开时，可以转动壳体612，以帮助切割成扩大的洞穴642。可以用连接于钻管连接器的钻杆来使壳体612转动，但是也可以用其他适当的方法来转动壳体612。例如，可以用一个装在井筒611里的电动机来转动壳体612。在各特定实施例中，可以同时用装在井筒里的电动机和钻杆来转动壳体612。钻杆也有助于把壳体612稳定在井筒611里。

图6表示出图5的扩孔器610处于半张开状态。图6中，切割器614相对于壳体612处于半张开状态并已在成形扩大的洞穴642。在有第一轴向力640作用(见图5)以及传动机构616相对于壳体612运动时，传动机构616的粗的部分637将最终接触于压力腔622的上端面。在这一位置，加大的部分620接近壳体612的端面。切割器614张开到图6所示的位置时其间形成一个角度。在这一实施例中，该角度约为60°，但是在其它实施例中，该角度可能不同，这取决于锥面部分624的角度或加大的部分620的形状。在传动机构616的粗的部分637到达压力腔622的端面644时，压力腔622里的加压流体可以流出压力腔622而通过压力凹槽631进入井筒611。加压流体也可通过出口627流出压力腔622。本发明的其它实施例可提供其它的使加压流体流出压力腔622的办法。

图7表示出图6的扩孔器610处于全张开状态。一旦已经有足够大的第一轴向力640作用在传动机构616的粗的部分637上以使粗的部分637接触于压力腔622的端面644而使切割器614张开到图6所示的半张开状态，就可以对扩孔器610施加一个第二轴向力。可以通过使扩孔器610相对于井筒611运动来施加第二轴向力。这样的运动可通过使连接于钻管连接器的钻杆运动来达到，或者用任何其他的技术方法。第二轴向力648迫使切割器614绕销轴615转动并相对于壳体612进一步沿径向向外张开。648的作用还进一步使切割器614张开到近乎垂直于壳体612的纵轴线的位置，如图7所示。壳体612可包括一个斜面或称“止动结构”，以防止切割器614过分地转过图7所示的、大致垂直于壳体612的纵轴线这一特定位置。

如上所述，在使切割器614沿径向向外张开时可使壳体612在井筒611里转动以有助于切割成扩大的洞穴642。还可把扩孔器610在井筒611里提高和放低以进一步成形扩大的洞穴642。应该理解：用扩孔器610也能在地层里切割出形状不同于扩大的洞穴642的形状的洞穴。图8是一个大致为圆柱形的扩大的洞穴660的示意性立体图，其可用图5-7所示的扩孔器610切割成形。可通过提高和/或放低扩孔器610并同时转动扩孔器610来切割成扩大的洞穴660。扩大的洞穴660也是图1的洞穴420之一例。

尽管已经以图例说明了大致圆柱形的扩大的洞穴，但是应该理解：按照本发明的各特定实施例，可以用其它形状的扩大的洞穴。而且，扩大的洞穴可以用这里描述的扩孔器来成形，或者用其他适当的技术和方法来成形，诸如用炸药炸出或用溶液溶解出一个洞穴。

尽管已经详细地说明了本发明，但是熟悉本技术领域的人可以做出各种改变和变型。所以，本发明包括属于其权利要求书范围内的所有改变和变型。

Claims (6)

1.一种用于抽取地下地层区域里的流体的方法，包括：

钻出一个从地面到地下地层区域的节接井筒；

在所述节接井筒里成形一个被扩大了的洞穴；

把一个有一个泵进口的泵吸装置的一部分安装通过所述节接井筒的一个弯曲部分；

把所述泵进口定位在所述扩大的洞穴里，使所述泵进口偏离从地下地层区域流出的沿着所述井筒流动的气体流；以及

使一个泵吸装置工作以通过所述泵进口开采出液体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述节接井筒包括一个基本上水平的部分；

在所述节接井筒里成形一个扩大的洞穴包括在所述节接井筒的基本上水平的部分里成形一个扩大的洞穴；以及

把一个泵进口定位成使所述泵进口偏离从地下地层区域流出的、沿着所述节接井筒流动的挟带液体的气体流包括把所述泵进口定位成垂向地偏离所述节接井筒的基本上水平的部分的纵轴线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在所述节接井筒里成形一个扩大的洞穴包括在所述节接井筒的弯曲部分里成形一个扩大的洞穴。

4.一种用于抽取地下地层区域里的流体的系统，包括：

一个从地面延伸到地下地层区域的节接井筒；

一个成形在所述节接井筒里的被扩大了的洞穴；

一个有一个泵进口的泵吸装置，所述泵吸装置的一部分从地面延伸通过所述节接井筒的一弯曲部分，所述泵进口定位在所述扩大的洞穴里，并偏离从地下地层区域流出的、沿着所述井筒流动的气体流；以及

其中，所述泵吸装置工作时可通过所述泵进口开采出液体。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：

所述节接井筒包括一个基本上水平的部分；

成形在所述节接井筒里的扩大的洞穴包括成形在所述节接井筒的基本上水平的部分里的一个扩大的洞穴；以及

所述泵进口垂向地偏离所述节接井筒的基本上水平的部分的纵轴线。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于：

成形在所述节接井筒里的扩大的洞穴包括成形在所述节接井筒的弯曲部分里的一个扩大的洞穴。

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