CN1910339B - 用于从地面到达地下地层的多用途井筒和方法 - Google Patents

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Abstract

一种井系统(10)包括至少两个从地面(14)延伸到一地下地层(15)的井筒(12、32)。两个井筒(12、32)中的每一个井筒用于形成在该地下地层(15)里的一散布井系(60、90)，这些散布井系相交于两个井筒(12、32)中的另一个井筒并把来自地下地层(15)的流体输送到两个井筒(12、32)中的另一个井筒，以供被开采到地面。此外，可让两个井筒(12、32)中的每一个井筒工作而收集由通过两个井筒(12、32)中的另一个井筒形成的散布井系(60、90)输送到井筒(12、32)的流体，以供被开采到地面。

Description

用于从地面到达地下地层的多用途井筒和方法
对相关申请的引证
本申请要求享有于2003年11月17日提交、申请号为10/715,300、题目为“Multi-Purpose Well Bores and Method for Accessing a Subterranean Zone from theSurface”的美国专利申请的优先权。
本发明的技术领域
本发明总地涉及从地面到达一地下地层(subterranean zone)，以便开采和/或注入气体或其它流体，尤其涉及从地面到达地下地层的多用途井筒(well bore)和方法。
本发明的背景
地下的煤矿床、油页岩矿床和其它地层结构往往含有大量的甲烷气体。迄今一直用许多竖井和构成一定分布图案的许多散布的竖井到达煤层和油页岩层来开采甲烷气体。近年来，也用沿水平散布的井和互相连接的井筒(well bore)开采煤层和油页岩层的甲烷气体和/或封堵二氧化碳。
本发明的概述
本发明提供用于从地面到达一地下地层的多用途井筒和方法。在一个特定实施例中，钻一组从地面延伸到一地下地层的多用途井筒，这些井连接于该层区里的、至少基本上穿过另一组多用途井筒形成的一地下散布井(subterranean pattern)，并且是用于至少基本上形成该层区里的另一组多用途井筒的一地下散布井。
按照本发明的一个实施例，这种井系统包括至少两个从地面延伸到一地下地层的井筒。这两个井筒中的每一个用于形成该地下地层的一辐射井(well borepattern)，该辐射井相交于两个井筒中的另一个井筒并把来自该地下地层的流体输送到另一个井筒，以供开采到地面。此外，可让两个井筒中的每一个工作而收集由通过另一个井筒形成的辐射井输送到该井筒的流体，以供开采到地面。
一个或多个实施例的技术上的优点包括设置有具有两个或多个多用途井筒的一井系统。每个多用途井筒可用于开采由连接于这个多用途井筒的一地下散布井收集的气体和其它流体，以及用于形成一不同的地下散布井，该辐射井连接于另一个多用途井筒并收集供另一个多用途井筒开采的流体。在一个特定实施例中，一对双用途井筒(dual purpose well bore)中的每一个用于为另一个双用途井筒形成在一地下地层里的一大致水平的泄放散布井(drainage pattern)并开采由连接于该双用途井筒的一不同的大致水平的泄放散布井收集的气体和流体。采用这种多用途的井可减少一个开采工程项目所需要的井数，因此可降低钻井成本和时间。所以，可降低每个煤田所需要的初始资本。此外，对于一项煤田投资，可以提供加速的回报率。
上述和其它技术上的优点将由下文给出的某些或全部实施例来提供和/或证明。此外，从以下的说明、附图和权利要求书可以看出技术上的其它优点。
附图简要说明
图1表示出一井系统的一个实施例，它具有用于为一第二井筒形成一地下散布井的第一井筒；
图2表示出图1的井系统，它具有用于为另一实施例的第二井筒形成一地下散布井的第一井筒；
图3表示出图1的井系统的一个实施例，它具有用于为第一井筒形成一地下散布井的第二井筒；
图4A-B表示出通过图3的井系统的第一和第二井筒从该地下地层进行开采的各实施例；
图5表示出图3的井系统的诸地下散布井的一个实施例；
图6表示出用于形成具有几个多用途井筒的一井系统的方法的一个实施例；以及
图7表示出图3的井系统的诸地下散布井的另一实施例。
本发明的详细说明
图1表示出形成为了扩大地达到一地下地层或地下层区的一井系统10的一个实施例。在这一实施例中，该地下地层是一煤层。该地下地层会是可以达到的其它适当类型的层区，例如开采甲烷气体和其它产品之类的碳氢化合物的层区、贮藏或处理流体的层区、或用作其它用途的层区。例如该地下地层可以是一油页岩层或其它含碳地层(formation)。
参照图1，该井系统10包括从地面14延伸到一目标煤层15的一第一井筒12和一第二井筒32。该第一井筒12和第二井筒32在该目标煤层15里相交、贯穿并连续。第一井筒12和第二井筒32可以衬上一适当的井衬筒(well casing)16，其末端可以在目标煤层15深度处或其上面。第一井筒12和第二井筒32可以是大致竖直的或非肘弯的，以允许杆式抽吸泵(rod pump)、Moineau泵和其它适当的杆式泵、螺杆泵和/或其它有效的井筒泵或抽吸系统能够把流体通过井筒提升到地面14。这样，第一井筒12和/或第二井筒32可以有适当的角度，以适应地面14的特点、煤层15的几何特点以及中间地层的特点，并且它们可以倾斜一适当的角度，可使其全长整体倾斜或其长度的某些段倾斜。在各特定实施例中，第一井筒12和第二井筒32可沿其长度或在某些段上倾斜达35°，但不能完全肘弯到水平。第一井筒12和第二井筒32以及其它井筒的尺寸和形状都可以是沿着它们的长度大致均匀的或适当不同的，可以是一次钻井作业形成的或以其它适当方式形成的。
在钻井过程中或其后，应该对第一井筒12和第二井筒32进行记录，以便准确地估计和/或确定煤层15的精确的垂向深度。这样，在此后的其它钻井作业中就不会找不到煤层15。此外，可以不采用一边钻井一边定位煤层15的方法，而用其它适当的方法来确定煤层15的位置。
在第一井筒12里形成一第一洞穴20，它可以在煤层15里或与之靠近。在第二井筒32里形成一第二洞穴34，它可以在煤层15里或与之靠近。洞穴20和洞穴34是井孔(bore hole)的扩大区域并且通过不同的肘弯井筒(articulated well bore)提供第一井筒12和第二井筒32的一相交点，而通过该肘弯井筒来形成在煤层15里的一相关的散布井，这将在下文详细说明。扩大的洞穴20和洞穴34可以在开采作业中作为从煤层15泄放出来的流体的收集点并且可以附加地起到井下气体/水分离室和/或稳压室(surge chamber)的作用。在其它实施例中，可以不设置洞穴20和洞穴34。
洞穴20和洞穴34可以有任何适当的形状。在一个实施例中，洞穴20和洞穴34的半径约为8英尺，垂向尺寸等于或超过煤层15的垂向尺寸。在另一个实施例中，洞穴20和洞穴34可以有一扩大的大致矩形的横断面以使与肘弯井筒交汇，并具有肘弯井筒可从中穿过的一窄的宽度。在这些实施例中，洞穴20和洞穴34可以用适当的井下铰扩技术和设备，诸如依靠离心力的双刀头工具、割锯或动作油缸、位置测绘仪等等来形成。也可以通过造成适当的破碎或断裂的方法来形成洞穴20和洞穴34。第一井筒12的一部分可向下延伸到洞穴20以下，以便为洞穴20形成一底池22。第二井筒32的一部分可向下延伸到洞穴34以下，以便为洞穴34形成一底池36。
在图1所示的实施例中，第二井筒32在地面14上偏置于第一井筒12足够远，以允许在第一井筒12和第二井筒32之间钻出一具有大弯曲半径的肘弯井筒。一肘弯井筒可以是从有第一方位的一个井筒延伸到方位完全不同的另一个井筒或其它适当的偏离一井筒的另一适当的井筒。为了形成一半径为100-800英尺的弯曲部分，第二井筒32可以偏离第一井筒12约300到约2000英尺的距离。这个间距能减小或大大减小弯曲部分的角度，以降低钻井作业过程中肘弯井筒里的摩擦。这样，可增大钻杆穿过肘弯井筒40能达到的距离和/或使该距离最大。在其它实施例中，第二井筒32在地面上相对于第一井筒12的定位可以不是这样的。
第一肘弯井筒40是在洞穴34和/或煤层15的上方从第二井筒32开始(kick-off)引出的。可把一个栓塞或塞子38塞在第二井筒32里，以阻止钻井流体和钻屑进入洞穴34。在一个实施例中，第一肘弯井筒40是用包括一适当的井下(down-hole)马达和钻头52的一钻杆50钻成的。该肘弯的钻杆50可包括一个边钻边测量(MWD)的装置54，用于控制由马达和钻头52钻出的井筒的方位和方向。可以用一钻孔转向楔(whipstock)42、其它工具或钻井技术使肘弯井筒40偏离第二井筒32。
在第一肘弯井筒40相交于第一井筒12的洞穴20之后，用钻杆50把肘弯井筒40继续穿过洞穴20向前钻而形成在该煤层15里的一第一地下井筒散布井60，显然，这个散布井连接于第一井筒12。在其它实施例中，第一井筒12和/或洞穴20与第一散布井60的相对位置可以是另外样子的。例如，在一个实施例中，把第一井筒12和洞穴20向第一散布井60的端部定位。这样，第一井筒12和/或洞穴20可定位在一组散布井60里或几组侧向井之间。并且，散布井60可以以其它适当的方式形成或连接于洞穴20。当第一散布井60处在煤层15里或基本上其全部或大部分处在煤层15里时，可通过第一散布井60把流体送出或送进煤层15。
为使适应于煤层15的几何特点，第一散布井60可以是大致水平的。第一散布井60可包括深入煤层15或其它地层区的斜坡的、起伏的或其它倾斜的部分。在形成第一散布井60的过程中，可以用伽玛射线记录仪和常规的MWD装置控制和指引钻头52的方位，以保持第一散布井60处于煤层15的范围内并在煤层15里形成基本上均匀的所希望的开采区域。
在一个实施例中，如后面将要较详细描述的，泄放散布井60可以是全方位的散布井，可使它们可工作地相交于由散布井60所遍及的煤层15的区域里的大部分或其它适当数目的裂缝。在泄放散布井60相交于它的开采区域和平面里的大多数裂缝时，它就相交于煤层15的大量裂缝。在其它实施例中，泄放散布井60可相交于散布井60的开采区域和平面里的大多数或绝大多数裂缝。开采区域可以是诸散布井60之间的区域。
第一散布井60可以是一羽状的散布井系(pattern)、其它适当的多侧向或多分支的散布井系、具有一侧向或其它井筒网络的其它散布井系、或由占井筒总长的大部分的方位不同的一个或多个井组成的其它散布井系。在25％到75％的辐射井互相之间的方位角度为至少20°时，有不同方位的井的百分比就足够大了。在一个特定实施例中，散布的各个散布井60可以有三个或更多主要方位，每个方位包括井总数的至少10％。拿羽状散布井系的散布井来说，随着散布井系从洞穴或各井相交的地方向外伸展，各个侧向的井逐个地缩短。此外，从相交的井筒到每个侧向井的远端的距离可以是大致相等的。
在钻散布井60的过程中，可通过钻杆50泵送钻井流体俗称“泥浆”，并使其在钻头52附近流出来，用于冲刷地层和带走地层钻屑。钻屑被携带在钻井流体里，钻井流体通过钻杆50与肘弯井筒40和第二井筒32之间的环形通路流回地面从而把钻屑带到地面14，在地面把钻屑从钻井流体分离出来，而钻井流体再被循环使用。为了防止在形成散布井60的过程中出现超平衡状态，可用设置在地面14的空气压缩机把压缩空气打进第一井筒12并通过肘弯井筒40向上流回来。循环的压缩空气将与在围绕钻杆50的环形通路里的钻井流体(drilling fluid)相混合并产生遍及钻井流体柱的气泡。这有一种减轻钻井流体的静压的效应，可使井下压力充分地降低，进而能防止出现超平衡钻井状态。钻井流体的掺气可将井下压力降低到低于泥浆柱的静压。例如，在某些地层中，可将井下压力降低到约150-200磅/英寸2。因此，可对低压煤层和其它地下地层资源进行钻采，而不会大量损失钻井流体，钻井流体也不会沾染地下地层资源。
在钻肘弯井筒40的过程中，以及如果需要，在钻散布井60的过程中，为了给在环形通路里流动的钻井流体掺气，还可使可用压缩空气混合于水或其它流体的泡沫随钻井泥浆一起沿着钻杆50流动。用空气锤钻头或空气动力井下马达钻散布井60也能给钻井流体提供压缩空气或泡沫。在这种情况中，用于给井下马达和钻头52提供动力的压缩空气或泡沫可在钻头52附近从钻杆50流出来。但是，可被沿着第一井筒12打进的空气量较大，这样可使钻井流体掺入的空气一般比通过钻杆50可能供给的空气多。
图2表示出按照另一实施例的井系统10中的肘弯井筒40的欠平衡状态(underbalanced formation)。在这一实施例中，在把肘弯井筒40钻到与洞穴20相交之后，在洞穴20里安装一个Moineau泵或其它适当的泵64，用以把钻井流体和钻屑通过第一井筒12泵送到地面14。这可消除或降低沿着肘弯井筒40向上回流的空气和流体的压头压力和摩擦，以及把井下压力降低到0。因此，可从地面14达到并开采压力低于150磅/英寸2的超低压煤层15和其它地下地层资源。此外，还可消除空气和甲烷气体在井里混合的危险。
图3表示出井系统10中的第二肘弯井筒80的形成。在所示的这一实施例中，第二肘弯井筒80是形成为从第一井筒12偏离出去。这里用的“第一”和“第二”是为了便于区别相同的或类似的井，而不表示它们的钻成顺序。这样，例如，可以在钻成第一井筒12之后、在第二井筒32和第一肘弯井筒40钻成之前就钻出第二肘弯井筒80。在这样的实施例中，可以通过第二肘弯井筒80进行钻扩并相交于第二井筒32来钻成洞穴34，或者，在第二井筒32里钻成洞穴34，来把已经钻成的井筒32和80连接起来。如上该，洞穴是可以省略的。
参照图3，在肘弯井筒40和相关的第一散布井60钻成之后，可把钻井架再定位在第一井筒12的上方，来形成第二肘弯井筒80。可用一个栓塞38堵在洞穴20和第二肘弯井筒80的偏离点之间的第一井筒12里，以防止钻屑沉积到洞穴20和底池22里。可以用一个钻孔转向楔42使第二肘弯井筒80偏离出去。
第二肘弯井筒80可以大致类似于第一肘弯井筒40，也是包括一个弯曲的或弧形的部分和一个大致水平的部分。在一个实施例中，大致水平的部分相交于第二井筒32的洞穴34。如前面针对第一肘弯井筒40该，第二肘弯井筒80的大致水平的部分可以形成为对地面14有任何适当的角度，并且弯曲的或弧形的部分可直接相交于洞穴34。在一个实施例中，第二肘弯井筒80的弯曲的或弧形的部分的半径可以与第一肘弯井筒40的相同或类似。
可以用包括井下马达和钻头52以及MWD装置54的钻杆50来钻第二肘弯井筒80，这些钻具前面已针对形成第一肘弯井筒40进行了说明。在第二肘弯井筒80与第二井筒32的洞穴34相交之后，继续用钻杆50穿过洞穴34向前钻而形成在煤层15里的第二地下散布井90。在其它实施例中，第二井筒32和/或洞穴34相对于第二散布井90和第二肘弯井筒80的位置关系可以不是这样的。
根据煤层15的几何特点，第二散布井90可以是大致水平的。可以用前面针对第一散布井60该欠平衡状态或其它适当的状态来钻第二散布井90。第二散布井90可以是羽状的散布井系、其它适当的多侧向或多分支的散布井系、或有侧向或其它井筒网络的其它散布井系、或由占井筒总数中的大部分的、方位不同的井筒中的一个或多个组成的其它散布井系。
图4A-B表示出用按照本发明的几个实施例的井系统10从煤层15开采气体和其它流体。具体地说，图4A表示用气体升液方法(gas lift)从煤层15开采流体。图4B表示用一杆式泵(rod pump)从煤层15开采流体。在一个实施例中，可以先用气体升液方法进行初始开采，以清扫洞穴20并开始开采。在放出流体之后，用杆式泵取代气体升液设备，进一步在井的开采寿命内抽取流体。这样，尽管可以在井的开采寿命内用气体升液方法开采流体，但是出于很多理由，可以用杆式泵取代气体升液系统来进一步和/或继续从洞穴20抽取流体，直到井的寿命终结。在这些和其它实施例中，可把从煤层15里的煤释放出来并被开采到地面14的煤层气(evolving gas)收集在井头(well head)里，并且把其中的流体分离出来，然后可把这些气体点燃烧掉，或储存起来，或送入管道。
参照图4A，在第一井筒12和第二井筒32以及第一散布井60和第二散布井90钻成之后，可在第一井筒12和第二井筒32里各插进一根管系100，使管子的端口102处在洞穴20和洞穴34里。洞穴20和洞穴34各形成一个流体集蓄层，它们收集从煤层15通过第一散布井60和第二散布井90出来的水或其它流体。在一个实施例中，管系100可以是在气体升液设备用完之后安装的一个杆式泵的外套管，并且端口102可以是杆式泵的吸入口。在这一实施例中，这个管系可以是例如用于杆式泵的27/8英寸的管子。应能理解，也可以用能够输送适用于气体升液设备的空气或其它气体或物料的其它适当的管系。
在地面14，把一个或多个压气机104连接于每一管系100。把压气机的压缩空气打进每一管系100并使压缩空气从端口102出来而进入对应的洞穴20和洞穴34。用于气体升液设备和/或用于前面说明的欠平衡钻井的空气可以是开采现场的环境空气或可以是或包括任何其它适当的气体。例如，可把采得的气体返回洞穴并用于气体升液设备。在洞穴20和洞穴34里压缩空气膨胀而把这些容积里的液体小滴悬浮于其中并上升而把液滴带到地面。在一个实施例中，对于深度在1000英尺左右的浅煤矿床15，可把空气压缩到300-350磅/英寸2，并以900英尺3/分钟的流量向井里压送。以这样的流量和压力，气体升液系统每天可把3000，4000或5000桶水提升到地面。
在地面，把从第一井筒12和第二井筒32开采出来的空气和流体送入一流体分离机。开采的气体和提升空气可从空气/气体出口108流出来并点燃烧掉，而剩下的流体从流体出口110出来，可把这些流体输送出去或以其它方式送走，或重新注入地下或放流于地面。应该理解，可以用其它适当的手段弄走洞穴20和洞穴34和/或散布井60和90里的水，而不把它们开采到地面。例如，可用泵把水打进一邻近的或其它的地下结构，或让水流向其它结构。
在气体升液过程中，可以调整打进洞穴20和洞穴34里的压缩空气的流量和/或压力，以控制开采到地面的水量。在一个实施例中，可把具有足够大流量和压力的压缩空气打进洞穴20和洞穴34，以把洞穴收集的、来自煤层15的水完全或基本上完全提升到地面。这可使煤层15的开采层区里的压力迅速下降并可使井筒12和32开始自维持(self-sustain)流动一周、两周或几周时间。在其它实施例中，由于受到对生产的水的处置的限制和/或高生产率可能损坏煤层15或生产设备，可以控制打进井里的空气的流量和/或压力，而把水的产量限制在可达到的产量以下。在一个特定实施例中，可在井头处用一个混浊度测量仪监测开采的水中存在的颗粒物。如果颗粒物量超过了规定的限制，控制器可调整流量控制阀来降低生产率。控制器可把流量控制阀调整到特定的流量，和/或用来自混浊度测量仪的反馈把流量控制阀调整到一个点，在这一点水中的颗粒物含量为一规定的量。
参照图4B，第一井筒12和第二井筒32各设有一个延伸到对应的洞穴20和洞穴34的抽吸装置120。洞穴20和洞穴34为蓄积的流体提供了流体集蓄层，它们起到一稳压罐的作用，并且它们允许进行间歇的抽吸而不受由蓄积在第一井筒12和第二井筒32里的流体引起的静压头的不利影响。结果，洞穴20和洞穴34里可收集大量的流体，而又不会有收集的水形成的任何压力或任何较大的压力作用于开采地层。这样，即使在不抽吸的非延长期间，水和/或气体也可从散布井60和90连续流出并蓄积在洞穴20和洞穴34里。
抽吸装置120包括在洞穴20和洞穴34里的一进口122并可包括一管系124，该管系124具有穿过它的诸抽吸杆(sucker rod)126。每个进口122可定位在对应的洞穴20或洞穴34的高度的中央或略在其上面一点，以避免气锁(gas lock)以及避免抽吸积聚在底池36里的钻屑。抽吸进口122可对洞穴形成或在洞穴内对其形成适当的角度。
由安装在地面上的一适当的装置诸如一摇梁128使杆式抽吸泵126往复运动，这样，抽吸装置120就开始工作。在另一个实施例中，抽吸装置120可包括Moineau泵或其它能够垂向地或大致垂向地抽吸流体的适当的泵。抽吸装置120用于抽出从煤层15通过散布井60和90流出的水和水中挟带的煤粉。一旦把水抽到地面，就把水送进气体/水分离机106里进行处理，分离出可能溶解在水中的甲烷和水中挟带的煤粉。
在通过气体升液系统、抽吸或其它适当的方式从煤层15开采出足够量的水之后，或井下的压力已经降低了之后，煤层气体可能会从煤层15通过第一井筒12和第二井筒32里的、围绕着诸管系(tubing string)的环形通路流到地面14，并把它们通过连接于一井头装置(wellhead apparatus)的管路取出。
可以让抽吸装置120连续地工作或在需要时工作以抽出从煤层15流出到洞穴20和洞穴34里的水。在一个特定实施例中，让气体升液系统连续工作，直到各个井变成自维持流动状态，在这时可以把井关闭，以便把气体升液系统换成流体抽吸设备。然后，把井恢复到自维持流动状态，并在需要维护、不需要气体等情况下定期地把井关闭。每当关井之后重新开井时，都需要抽吸几个循环、几个小时、几天或几周，以使井重新达到自维持流动状态或其它适当的气体开采流量。在一个特定实施例中，每个杆式泵每分钟可把约8加仑的水从对应的洞穴20或洞穴34抽吸到地面。在气体的流动能够提升任何开采的水以致井可以延续工作6周或更长时间时，该井就达到了自维持流动状态而不必进行抽吸或人工气体升液。这样，在每两个自维持流动周期之间，可能需要对井进行周期性的抽吸。
图5表示出用于达到煤层15或其它地下地层的地下散布井60和90的一个实施例。各个散布井可用于采出或灌注水、气体或其它流体。每个地下散布井60和90都包括许多侧向散布井并有一个主干井，这两个散布井系对称地布置，并且各散布井从主干井的每一侧以适当的间距向外延伸。就本文中的用法而言，所谓“每”意味着认为是相同的各个事项中的至少一个子项中的每一个。应能理解，也可以采用包括或连接于地面开采井筒的其它适当的多分支或其它散布井系。例如，散布井系60和90都可以包括一单个主井筒。
参照图5，散布井系60和90都包括一个从对应的洞穴20或34延伸出去的或相交于竖直井筒12或32的侧向主干井150，它沿着开采层区的中心线延伸到开采层区的远端。主干井150具有一个或多个从其延伸到或至少几乎延伸到开采层区的周边的初级侧向井152。该初级侧向井152可从主干井150向两侧延伸。各个初级侧向井152可以相对于主干井150镜面对称或沿着主干井150互相偏置。每个初级侧向井152包括从主干井150延伸出去的一圆弧形部分和在该圆弧形部分达到所希望的方位之后继续延伸下去的一直的部分。对于一个均匀的开采范围，各个初级侧向井152可以大致均匀地布置在主干井150的每一侧并且对主干井150的角度约为45°。
根据到对应的洞穴20或34的距离，初级侧向井152的长度可以减短。因此，对于每个初级侧向井152，洞穴或相交的井筒和每个初级侧向井152的远端之间的距离可以是大致相等的。
可从一个或多个初级侧向井152向外延伸一个或多个二级侧向井154。在一个特定实施例中，可从散布井系60和90的、最靠近对应的洞穴20和34的第一初级侧向井152向外延伸一组二级侧向井154。二级侧向井154可对散布井系60和90的各初级侧向井152之间的开采层区进行开采。在一个特定实施例中，第一个二级侧向井154可包括一个弯曲方向相反的圆弧形部分，以便对煤层15进行更均匀的开采。
带有中央井筒和大致对称地以适当间距布置在其每一侧的许多辅助井(auxiliary bore)的地下散布井系60和90为流体从煤层15或其它地层泄放出来提供了基本上均匀的散布井系。可以根据煤层的绝对的、相对的和/或有效的渗透性以及由散布井系覆盖的区域的大小，调整侧向井的数目和间距。由这个系统覆盖的区域可以是通过这个散布井系可泄放的区域、为泄放而设计的散布井系的间距区域、这个散布井系的各个远端或周边之内的区域、和/或这个系统的周边之内的以及直接邻近这个系统的周边的外围区域。开采范围还包括煤层的深度或厚度，或对于很厚的煤层则为煤层的一部分。这样，这个散布井系还可包括除水平的分支之外的向上和向下的分支。开采区域可以是四方形的、四边形的、多边形的、圆的、卵圆形的或其它椭圆形的，或网格形的区域，并且可以与相同或类似形式的其它散布井系相互交叠。应能理解，也可以采用其它适当的散布井系。
如上该，散布井系60和90的主干井150和侧向井152和154可以用钻杆50和适当的钻井装置通过对应的洞穴20和40来钻成。在钻井作业中，可以用伽玛射线记录工具和常规的MWD技术控制钻头52的方向和方位，以把散布井系保持在煤层15的范围内以及保持各个井150和152的正确间距和方位。在一个特定实施例中，可在每个侧向分支点156处把散布井系60和90的主干井150钻成有一定的倾斜度。在主干井150钻成之后，把钻杆50抽回到每个侧向分支点156，从那里钻主干井150的两侧的初级侧向井152。可以类似地钻成二级侧向井154。应能理解，地下散布井系60和90可以用其它适当的方法来钻成。
图6表示出从地面开采一地下地层的气体的方法的一个实施例。在这一实施例中，该地下地层是一煤层，有一对洞穴的井系统10是用于从煤层开采气体。应能理解，该地下地层可能包括含气的油页岩和其它适当的矿层，还应理解，井系统10可以具有用于把气体开采到地面的、并为其它开采井形成井筒的任何适当数目的多用途井。
参照图6，这一方法在已经确定了要泄放的区域和为这一区域设计的地下散布井系的形式之后开始。在一个实施例中，可以用任何适当的羽状的、能够使开采区域里的被阻挡而开采不到的范围小于10％乃至5％的、其它大致均匀的散布井系、全方位的或多分支的散布井系来对这个区域进行开采。
在步骤200，在采用多个双用途井的实施例中，从地面14向煤层15钻出一大致竖直的或其它适当的井12。例如，也可以用斜的和其它适当的井构造。在一斜井构造中，可从一斜井或在地面处有竖直或其它井段的一井的一倾斜部分来钻成泄放散布井系。
接着，在步骤202，用井下测井记录设备精确地确定煤层15相对于第一井筒12的位置。在步骤204，在煤层15的位置，在第一井筒12里钻成第一个大直径的洞穴20。如前该，可以用扩孔和其它适当的技术形成第一洞穴20。例如，可通过破碎来形成这个洞穴。
接着，在步骤206，从地面14钻出穿过煤层15的、大致竖直或其它适当的第二个井32。也可以用斜的或其它适当的井构造。在步骤208，用井下测井记录设备精确地确定煤层15相对于第二井筒32的位置。在步骤210，在煤层15的位置在第二井筒12里钻成第二个大直径洞穴34。也可以用其它适当的技术方法来形成该第二洞穴34。
接着，在步骤212，钻出偏离第二井筒32的第一肘弯井筒40以使其相交于第一井筒12的大直径洞穴20。在步骤214，通过第一肘弯井筒40向煤层15里钻出第一散布井系60的主干井150。如上该，在钻主干井150过程中，可以沿着主干井150形成几个侧向偏离点或拐点，以便从这些点钻侧向井152和154。在主干井150被钻成之后，在步骤216钻地下散布井系的侧向井152和154。
在步骤218，钻出偏离第一井筒12的第二肘弯井筒80以使其相交于第二井筒32的大直径洞穴34。在步骤220，通过第二肘弯井筒80向煤层15里钻第二散布井系90的主干井150。如上该，在钻主干井150过程中，可以沿着主干井150形成几个侧向偏离点或拐点，以便从这些点钻侧向井152和154。在步骤222，钻地下散布井系90的侧向井152和154。
在步骤224，把气体升液设备安装在第一井筒12和第二井筒32的井口以备向井里吹空气。在步骤226，向大致竖直的第一井筒12和第二井筒32里打进压缩空气以进行吹风。压缩空气在洞穴20和40里膨胀，使被收集在该洞穴容积里的这些流体悬浮于其中并把流体提升到地面。在地面，把空气和开采的甲烷气体或其它气体从水中分离出来，并把没用的气体烧掉。可把水就地放掉，或进行回注，或送到远的地方被处置。除进行气体升液之外，向下吹风可以清扫洞穴20和40以及竖井筒12和32里的钻屑并开始开采以使井开始进入自维持流动状态。在一个特定实施例中，吹风可能需要持续一周、两周或几周时间。
在步骤228，在大致竖直的井筒12和32的井口安装开采设备以取代气体升液设备。开采设备可包括一井头和向下延伸到洞穴20和40里的一杆式抽吸泵(sucker rod pump)，用以抽出煤层15里的水。如果井被关了某一段时间，水就会累积在洞穴20和40里或者会停止自维持流动，可以用泵抽出水而使煤层15里的压力下降，以允许甲烷气体继续扩散并被沿着大致竖直的井筒的环形通路开采上来。
在步骤230，从煤层15扩散出来的甲烷气体被连续地开采到地面14。可以用包括水的两相流(two-phase flow)来开采甲烷气体，或者用水来开采，和/或在适当降低流体集蓄层压力(reservoir pressure)之后进行开采。随后进行到步骤232，用杆式抽吸装置把通过泄放井排放到诸洞穴里的、还没有被生产气体提升上来的水抽吸到地面。根据需要，可以连续地或间歇地抽出洞穴20和40里的水。
接着，在判断步骤234确定从煤层15开采气体是否已完成。在一个特定实施例中，在完成气体开采时可开采出煤层的开采区域里的总含气量的大约75％。在对一个井开采气体的成本超过其能够给出的回报时，就应该结束这个井的气体开采。或者，可以继续从井开采气体，直到煤层15里的气体残留程度降低到采煤或其它作业所允许的程度以下。如果不结束气体开采，过程就以“否”从步骤234回到步骤230和232，此时继续从煤层15抽取气体和水。一旦开采结束，过程就以“是”从步骤234进行到结束，从而就结束开采煤层气体的过程。应能理解可以修改、省略或以不同的顺序执行一个或多个步骤。也可以添加附加的步骤。
图7表示出用于达到煤层15或其它地下地层的地下散布井系60和90的另一实施例。如上该，散布井系60和90都是多侧向散布井系，其中有一个主干井，从该主干井向其两侧以适当的间距对称地延伸出几个侧向井。在图7的实施例中，散布井系60和90都形成有从主干井延伸出去的多个侧向井，而主干井相交于对应的洞穴20或40。
参照图7，散布井系60和90都包括沿着一开采区域的中央穿过一对应的洞穴20或40或相交于井筒12或32的一主干井250。该主干井250包括从它延伸到或几乎延伸到开采区域的周边的一个或多个初级侧向井252。各个初级侧向井252可从主干井250向两侧延伸。可从一个或多个初级侧向井252延伸出一个或多个二级侧向井254。在一个特定实施例中，可从散布井系60和90各自的初级侧向井252钻出一组二级侧向井254。
散布井系60和90可形成为带有处在诸初级侧向井252之间的洞穴20和40以达到所希望的间距。例如，井12和32，进而洞穴20和34，可以是竖直的并且互相离开一个最小的法定的井间距(well statutory spacing)，这个间距是通过形成洞穴20和34之间的侧向井252和254而形成的。于是，例如，在一个实施例中，可以满足这些间距要求和/或通过特殊的免除或许可申请来避免，然而同时仍能达到开采区域。
尽管已经以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。所以，这里提出，本发明涵盖在后附权利要求和与之等同物的范围之内的全部改变和变型。

Claims (22)

1.一种井系统，包括：
一个第一井筒，它从地面延伸到一地下地层；
一个第二井筒，它从地面延伸到该地下地层；
一个第一肘弯井筒，它从该第一井筒偏离出去，该第一肘弯井筒相交于并延伸穿过该第二井筒并连接于一第一散布井系，该第一散布井系通过第一肘弯井筒形成在该地下地层里；
一个第二肘弯井筒，它从该第二井筒偏离出去，该第二肘弯井筒相交于并延伸穿过该第一井筒并连接于一第二散布井系，该第二散布井系通过第二肘弯井筒形成在该地下地层里；
该第一散布井系可把来自该地下地层的流体输送到第二井筒，以供被开采到地面；以及
该第二散布井系可把来自该地下地层的流体输送到该第一井筒，以供被开采到地面。
2.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，第一和第二散布井系各自包括一大致水平的主干井。
3.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，第一和第二散布井系各自包括一大致水平的主干井和从该大致水平的主干井延伸出去的多个侧向井。
4.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，第一和第二散布井系都是一大致水平的羽状散布井系。
5.如权利要求3所述的井系统，其特征在于，从每个侧向井的一远端沿着这个侧向井和大致水平的主干井到相交的井筒的距离是大致相等的。
6.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，它还包括：
一个第一洞穴，它连接于该第一井筒并可工作而收集由第二散布井系输送来的流体，以供被开采到地面；
一个第二洞穴，它连接于该第二井筒并可工作而收集由第一散布井系输送来的流体，以供被开采到地面。
7.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，该地下地层包括一煤层。
8.如权利要求7所述的井系统，其特征在于，该流体包括水和煤矿床甲烷(CBM)气体。
9.如权利要求1所述的井系统，其特征在于：
所述第一肘弯井筒包括设置在第一井筒和第二井筒的相交点之间的一栓塞；所述第二肘弯井筒包括设置在第二井筒和第一井筒的相交点之间的一栓塞。
10.如权利要求1所述的井系统，其特征在于，第一和第二散布井系共同包括一个在地下地层里的至少为600英亩(243公顷)的开采区域。
11.如权利要求3所述的井系统，其特征在于，第一散布井系的一个侧向井在相交于第二井筒之前从大致水平的主干井延伸，以及，第二散布井系的一个侧向井在相交于第一井筒之前从大致水平的主干井延伸。
12.一种井系统，包括：
至少两个井筒，它们从地面延伸到一个地下地层；
该两个井筒中的每一个用于形成在该地下地层里的一大致水平的散布井系，这个散布井系相交于该两个井筒中的另一个井筒并延伸穿过该另一个井筒并可把来自该地下地层的流体输送到该另一个井筒，以供被开采到地面；以及
该两个井筒中的每一个都可工作而收集由通过该两个井筒中的另一个井筒形成的该大致水平的散布井系输送到该井筒的流体，以供被开采到地面。
13.如权利要求12所述的井系统，其特征在于，各大致水平的散布井系都包括一个主干井和从该主干井延伸出去的多个侧向井。
14.如权利要求12所述的井系统，其特征在于，各大致水平的散布井系都是一羽状的散布井系。
15.如权利要求13所述的井系统，其特征在于，对于每个散布井系，从每个侧向井的远端沿着该侧向井和主干井到相交的井筒的距离是大致相等的。
16.如权利要求12所述的井系统，其特征在于，该两个井筒中的每一个包括一个在该地下地层里的、能够收集由连接的散布井系输送的流体的洞穴。
17.如权利要求12所述的井系统，其特征在于，该地下地层包括一煤层。
18.一种用于形成一种井系统的方法包括：
形成一个从地面延伸到一个地下地层的第一井筒；
形成一个从地面延伸到一个地下地层的第二井筒；
在该地下地层之上方从该第一井筒开始形成在该地下地层里的一第一地下散布井系，使该第一地下散布井系连接于该第二井筒并可工作而把来自该地下地层的流体输送到该第二井筒，以供通过该第二井筒被开采到地面；
在该地下地层之上方从该第二井筒开始形成在该地下地层里的一第二地下散布井系，使该第二地下散布井系连接于该第一井筒并可工作而把来自该地下地层的流体输送到该第一井筒，以供通过该第一井筒被开采到地面。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，第一和第二地下散布井系中的至少一个是在一欠平衡状态下钻成的。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，它还包括：
形成一个在第一井筒里的、接近该地下地层的第一洞穴；
形成一个在第二井筒里的、接近该地下地层的第二洞穴；以及
其中，第一地下散布井系相交于第二井筒的第二洞穴，以及，第二地下散布井系相交于第一井筒的第一洞穴。
21.一种用于形成一种井系统的方法包括：
形成一个第一井筒，该第一井筒具有接近一地下地层的一个洞穴；
形成一个第二井筒，该第二井筒具有接近一地下地层的一个洞穴；
在该地下地层之上方从第一井筒开始形成在该地下地层里的一第一地下散布井系，使该第一地下散布井系相交于该第二井筒并可工作而把来自该地下地层的流体输送到该第二井筒，以供通过第二井筒被开采到地面；
在该地下地层之上方从第二井筒开始形成在该地下地层里的一第二地下散布井系，使该第二地下散布井系相交于该第一井筒并可工作而把来自该地下地层的流体输送到该第一井筒，以供通过第一井筒被开采到地面。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包括用气体升液方法进行该第一和第二井筒的初始开采。
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CN1333858A (zh) * 1998-11-20 2002-01-30 Cdx天然气有限公司 用于从地表面接近地下矿藏的方法和系统

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