CN100510315C - 提高进入到地下地带能力的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用来提高从地表进入地下地带的能力的系统包括具有一第一井孔(104)的井孔图形(100)，第一井孔从地表井孔延伸，基本上形成一在地下地带内的区域的第一端至区域的远端。图形还包括多个从第一井孔向外延伸的侧向井孔(110)。从一侧向井孔的一端到地表井孔的距离，对于各侧向井孔可构造成基本上相等，以便于形成侧向井孔。该系统和方法还可包括在地下地带内嵌套两个或多个井孔图形，以提供对地带的均匀覆盖。因此，系统和方法可包括在公共的地表井孔内连通的多个井孔图形，以减小进入到地下地带所要求的地表面积。

Description

提高进入到地下地带能力的方法和系统
技术领域
本发明一般涉及地下勘探和钻探的领域，具体来说，涉及提高进入到地下地带的一种方法和系统。
背景技术
地下埋藏的煤，不管是诸如无烟煤的“硬”煤，还是诸如褐煤或含沥青的煤的“软”煤均含有大量携带的沼气。多年来一直进行有限的生产和从煤层中利用甲烷气体。然而，地下的障碍已阻碍进一步广泛的发展和利用煤层中的甲烷气体的蕴藏量。从煤层中生产甲烷气体的最主要的问题在于，尽管煤层可延伸到大至几千英亩的广大区域，但煤层在深度上却颇浅，从几英寸到几米的范围内变化。因此，尽管煤层通常相当靠近地表，但为获得甲烷气体而钻探到煤层的竖井却只能排出煤层方圆的很小的半径范围。此外，煤层的压裂不能修补，且通常采用其它的方法来从岩层中提高甲烷气体的产量。其结果，一旦气体容易地从在煤层中钻的竖井中排出，进一步的生产在体积上加以限制。此外，煤层往往与地下水相连，为了产出甲烷必须从煤层中排去地下水。
为了扩大暴露在萃取气体的钻孔的煤层的数量，已经试图进行了水平的钻探的形式。然而，传统的水平钻探技术要求使用辐射式的井孔，它在从煤层中去除附带的地下水中出现诸多困难。从地下井中泵去水的最有效的方法，杆式泵在水平的或辐射的孔中不能很好地工作。
此外，现有技术的系统通常要求一便于工作的相当大和平坦的地表面区域。其结果，现有技术的方法不能在阿巴拉契亚地区和其它多山的地形(那里最大的平坦地可能是宽广的车行道)中使用。因此，必须使用不很有效的方法，导致生产的延期，这又增加与从煤层中抽取气体相关的成本。
发明内容
本发明提供一种从有限的地表面区域进入到地下地带的方法和系统，它基本上消除或减少与先前的系统和方法相关的诸多缺点和问题。具体来说，带有在地下矿层上的井孔图形的一环接的井孔延伸到诸腔井中，腔井与煤层上的井孔图形连通。井孔图形提供进入到一大的地下地带的通道，而腔井允许附带的水、碳氢化合物和其它的沉积物汇集在井孔图形中，井孔图形可有效地移去和/或形成。
根据本发明的一实施例，从地表进入到地下地带的一区域中的地下井孔图形，包括一第一井孔，它从大致形成地下地带中的一区域的第一端的地表的井孔延伸到该区域的远端。构成侧向的井孔，以使从每一侧向井孔的一端到地表井孔的距离基本上相等。
根据本发明的另一实施例，一从地表进入地下地带的一区域的方法包括：形成一第一井孔，其从形成地下地带的该区域的第一端的地表井孔延伸到该区域的远端；以及形成多个侧向井孔，其从第一井孔向外延伸，其中，从每一侧向井孔的一端到地表井孔的距离基本上相等。根据本发明的另一实施例，一从地表进入到一地下地带的系统包括：一从地表井孔延伸的第一井孔图形，第一井孔图形形成一第一四边形区域；以及一从地表井孔延伸的第二井孔图形，第二井孔图形形成一第二四边形区域，且其中，第一四边形区域的第一侧设置成与第二四边形区域共有第一侧；其中，第一和第二井孔图形中的至少一个包括：一从地表井孔延伸的主井孔，主井孔从相应四边形区域的第一端延伸到远端；多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
根据本发明的另一实施例，一从地表进入到一地下地带的方法包括：形成一呈第一四边形区域的第一井孔图形，该第一井孔图形从地表井孔延伸；以及形成一呈第二四边形区域的第二井孔图形，该第二井孔图形从地表井孔延伸，且其中，第一四边形区域的第一侧设置成与第二四边形区域共有第一侧；其中，形成第一和第二井孔图形中的至少一个包括：形成一从地表井孔延伸的主井孔，主井孔从相应四边形区域的第一端延伸到远端；形成多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及形成多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
本发明的技术优点包括提供一从地表上的一有限区域进入到地下地带的改进的方法和系统。在一实施例中，多个井孔图形以很接近腔井对应数量，在目标区域从一公共的环接地表井钻孔。该井孔图形与腔井互连，通过该腔井，附带的水、碳氢化合物以及其它的流体可从目标区域有效地移去和/或产生。其结果，来自于低压或低空隙的大的岩层的气体、油和其它的流体，可有效地在地表上的一有限的区域内产生。因此，气体可从位于粗糙地形下的岩层中得以恢复。此外，由于清理和使用的场地区域为最小，所以，对环境的影响也下降到最小。
本发明的另一技术的优点包括提供一用来准备开采煤层或其它地下矿藏以及开采作业后从煤层收集气体的改进的方法和系统。具体来说，在开矿作业之前，使用腔井和环接的井来排出煤层的气体。这可减小对地表区域和地下设备和活动的需要。这还可减少排出煤层气体所需要的时间，因高的气体成分，它将停工降低到最小。此外，在开采作业之前，通过组合的井可将水和添加剂泵送到排气的煤层中，以将尘埃和其它的有害条件降到最小，提高开矿过程的效率，以及提高煤产品的质量。采矿作业之后，组合的井被用来收集采空区的气体。其结果，与收集采空区气体相关的成本可降到最小，以便于从先前开采的煤层收集采空区的气体或使之成为可能。
本发明的另一技术的优点包括一系统和方法，它通过在地下地带内的嵌套的井孔图形，提高从有限的地表区域进入到地下地带的能力。例如，在本发明的一实施例中，可形成各井孔图形来进入到一基本上为四边形构造的区域。然后，两个或多个井孔图形可嵌套在一起，以提供均匀和最佳的区域覆盖。此外，各个嵌套的井孔图形可从两个或多个井孔的亚图形形成。井孔的亚图形一般包括与一公共地表井孔连通的两个或多个考虑周到的井孔图形。因此，可形成各种不同形状的井孔图形，并嵌套在一起以获得一均匀的和最佳的特定地下地带的覆盖。
本发明的其它技术优点，对于本技术领域的技术人员来说，通过下面的附图、描述以及权利要求书，可以容易地理解和明白。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，可参照结合附图的下列的描述，图中，相同的标号代表相同的零件，其中：
图1是示出根据本发明的一实施例提高进入到地下地带的一系统的截面图的视图；
图2是示出根据本发明的另一实施例提高进入到地下地带的一系统的截面图的视图；
图3是示出根据本发明的另一实施例提高进入到地下地带的一系统的截面图的视图；
图4是示出根据本发明的一实施例用来进入到地下地带的一井孔图形的平面图的视图；
图5是示出根据本发明的一实施例用来进入到地下地带的一三羽形的井孔图形的视图；
图6是示出根据本发明的一实施例的图5所示的一三羽形的井孔图形的对齐图形的视图；
图7A是示出根据本发明的一实施例提高进入到地下地带的一系统的截面图的视图；
图7B是示出根据本发明的一实施例提高进入到如图7A所示的地下地带的一系统的平面图的视图；
图8是示出根据本发明的另一实施例用来进入到地下地带的一井孔图形的平面图的视图；
图9是示出根据本发明的另一实施例用来进入到地下地带的一井孔图形的平面图的视图；以及
图10是示出根据本发明的一实施例提高进入到地下地带的一方法的流程图。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一实施例，从一有限的地表区域提高进入到地下地带的一系统10的视图。在该实施例中，地下地带是一煤层。应该理解的是，利用本发明，从矿藏资源去除和/或产生水、碳氢化合物和其它的流体，可同样地进入到其它类型的区域和/或其它类型的低压、超低压和低孔隙的地下矿藏资源，以便在开采作业之前处理矿藏中的矿石，或向地下地带注入或引入气体、流体或其它的物质。
系统10包括一从地表14延伸到目标煤层15的井孔12。井孔12在煤层15的下面相交、穿透和延续。井孔12镶衬有一终止在煤层15高度上的合适的井壁16。在图1中，井孔12表示为基本上垂直；然而，应该理解的是，井孔12也可形成为其它合适的角度，以适应地表14的特征和/或煤层15的几何特征。
为了定位煤层15的准确的垂直深度，在钻探过程中或钻探之后，不断地记录井孔12的行程。结果，在其后用来定位煤层15的钻探操作和工艺中，不会错过煤层15，而在钻探过程中则不采用。在靠近煤层15处，一放大的井腔20形成在井孔12中。如在下文中将会更详细地描述的，放大的井腔20提供一汇合处，以使井孔12和用来形成煤层15中的地下井孔图形的环接井孔相交。该放大的井腔20还可提供一收集点，其用来在生产操作过程中收集从煤层15中排出的流体。
在一实施例中，放大的井腔20的半径大约为8英尺，而其垂直尺寸等于或超过煤层15的垂直尺寸。放大的井腔20可采用合适的地下铰孔工艺和设备来形成。井孔12的一部分在放大的井腔20下面延续，以形成用于井腔20的一坑22。
一环接的井孔30从地表14延伸到井孔12的放大的井腔20。环接的井孔30包括一个部分32、一个部分34，以及一互连部分32和34的弧形或弯曲部分36。在图1中，部分32显示为大致的垂直；然而，应该理解的是，部分32可相对于地表14形成任何合适的角度，以适应地表14的几何特征和层态，和/或煤层15的几何构造或层态。部分34基本上位于煤层15的平面内，并与井孔12的放大的井腔20相交。在图1中，煤层15的平面图示为基本上水平，由此，导致一基本上水平的部分34；然而，应该理解的是，部分34可相对于地表14形成一任何合适的角度，以适应煤层15的几何特征。
在图1所示的实施例中，环接的井孔30偏离地表14处的井孔12一足够距离，以便有一大半径的弯曲部分36，以及在与放大的井腔29相交之前的一任意要求的待钻的部分34。为了提供半径为100—150英尺的弯曲部分36，环接的井孔30偏离井孔12的距离约为300英尺。这个间隔将弯曲部分36的角度减小到最小，以便在钻探操作过程中，减小在环接井孔30中的摩擦。其结果，钻探通过环接井孔30的环接钻探线的延伸达到最大。如下文所讨论的，本发明的另一实施例包括定位非常靠近地表14处的井孔12的环接井孔30。
环接井孔30采用一环接钻杆柱40进行钻探，环接钻杆柱包括一合适的井下电机和钻头42。一在钻孔时测量(MWD)的装置44包括在环接钻杆柱40内，用来控制由电机和钻头42钻探的井孔的定向和方向。环接井孔30的部分32镶衬有合适的井壁38。
在环接井孔30成功地与放大的井腔20相交之后，使用环接钻杆柱40和合适的钻孔机继续钻孔通过井腔20，以在煤层15上提供一地下井孔图形50。在图1中，井孔图形50与基本上水平所示煤层15对应图示为基本上水平；然而，应该理解的是，井孔图形50可以对应于煤层15的几何特征形成为任何合适的角度。井孔图形50和其它这种井孔包括斜坡形的、波浪形的，或煤层15或其它地下矿藏资源的其它倾斜形式。在此操作过程中，可使用γ线行进工具和传统的钻探中测量装置来控制和引导钻头42的定向，以保持井孔图形50在煤层15的范围内，并提供基本上在煤层15内所要求区域的均匀的覆盖。
在钻探井孔图形50的过程中，钻探流体或“泥浆”向下被泵送到环接钻杆柱40，并在钻头42附近循环流出钻杆柱40，在那里，流体用来冲刷矿层并取走矿层的碎块。然后，碎块随同钻探流体，通过钻杆柱40和井孔30的壁之间的环腔向上循环，直到其到达地表14，在地面上，碎块从钻探流体中分离，流体则又进入再循环。这种传统的钻探操作产生一标准的钻探流体柱，其具有的垂直高度等于井孔30的深度，并产生作用于井孔30的流体静压相当于井孔30的深度。因为煤层趋于多孔和碎裂的，所以即使在煤层中存在有地层水，它们也不能承受这样的流体静压力。因此，如果全流体静压允许作用在煤层上，其结果则可失去钻探流体，以及随同的碎块进入到矿层中。这种情况称之为“过平衡”钻探操作，其中，井孔30中的流体静压力超过矿层所能承受这种压力的能力。碎块中失去进入到矿层的钻探流体，不仅在必须补充失去的钻探流体而花费浩大，而且它还趋于堵住需要排出煤层中的气体和水的煤层15中的孔隙。
为了在形成井孔图形50的过程中，防止过平衡操作的情况，设置空气压缩机60来向下对井孔12循环压缩空气，并通过环接的井孔30返回。循环的空气在环绕环接的钻杆柱40的环腔中与钻探流体混合，并在整个钻探流体柱中形成气泡。这可起到减轻钻探流体的流体静压力的作用，并足够地减小进入孔的压力，其使钻探状况不会变得过平衡。对钻探流体的充气，可将进入孔的压力减小到约150—200每平方英寸磅(psi)。因此，可钻探低压煤层和其它的地下矿藏，而不会大量失去钻探流体，以及矿藏被钻探流体污染。
压缩空气和水混合形成的泡沫，连同钻探出的泥浆，可向下通过环接的钻杆柱40循环，以便随着环接井孔30在钻探时，对环腔内的钻探流体充气，如有需要的话，可随着井孔图形50在钻探时进行充气。使用气锤钻头或气动进孔马达来钻探井孔图形50，也可对钻探流体提供压缩空气或泡沫。在这种情形中，对进孔马达和钻头42提供动力的压缩空气或泡沫，在钻头42的附近退出环接的钻杆柱。然而，可以循环到井孔12下的较大体积的空气，比起通常可通过环接的钻杆柱40提供的空气，其允许对钻探流体进行更大程度的充气。
图2是示出根据本发明的另一实施例，从一有限的地表区域提高进入到地下地带的一系统10的视图。在该实施例中，井孔12，放大的腔室20以及环接的井孔30如同图1中所述，进行定位和形成。参照图2，在环接井孔30和放大的腔室20相交之后，一泵52安装在放大的腔室20内，以通过井孔12将钻探流体和碎块泵送到地表14。这消除向上返回环接井孔30的空气和流体的摩擦，并将进入孔的压力下降到接近零。因此，可从地表14进入到煤层和具有低于150psi的超低压的其它地下矿层。因此，消除井孔中空气和甲烷混合的危险。
图3是示出根据本发明的另一实施例的一系统10的视图。在该实施例中，在井孔12和30，以及井孔图形50已钻探之后，环接的钻杆柱40从环接的井孔30中移去，并且给环接井孔30加盖。一井下泵送单元80设置在井孔12的放大的腔室20中。放大的腔室20提供一积蓄流体的水池，以允许间歇地泵送，而没有由井孔12中的积蓄的流体引起的流体静压的压头带来的不利作用。
泵送单元80通过一管线82连接到地表14，并可由向下延伸通过管线82的井孔12的吸入管杆84提供动力。吸入管杆84可由一合适的表面安装的装置驱动进行往复运动，例如，具有动力的摆动梁86来操作泵送单元80。泵送单元80用来通过井孔图形50，从煤层15中取出水和随带的煤的细粒。一旦水被提到地表14上，即可进行处理以分离出溶解在水中的甲烷，并取出随带的细粒。在从煤层15中取出足够的水之后，纯煤层气可通过环绕管线82的井孔12的环腔流到地表14，并通过连接在井楼装置的管道被取走。在地面14上，甲烷被处理、压缩并通过一管线被泵送，如同传统的方式用作燃料。泵送单元80可以连续地或按需要地进行操作，以取出从煤层15排出到放大的腔室20内的水。
图4—6是示出根据本发明的一些实施例，提高进入到地下地带的一井孔图形50的视图。在这些实施例中，井孔图形50包括羽形图形，它具有一主的或中心的井孔，并带有大致对称布置且合适地相隔开、从主井孔的各侧延伸的侧向井孔。羽形图形接近于叶脉的图形或一种羽毛的图案，其具有类似的、基本上平行的辅助的井孔，它们以大致上相等和平行间距布置在一轴线相对侧。具有主或中心的井孔以及基本上对称布置且合适间隔的辅助的侧向井孔的羽形井孔图形提供一均匀的图形，用来从煤层或其它地下的矿层中排出流体，或者用来均匀地将一种物质引入到地下矿层中。如在下文中将会更详细描述的，羽形图形提供基本上均匀的正方形、钻石形、其它四边形或方格面积的覆盖，并可互相间隔开，以准备煤层15用于开矿操作。可以理解的是，根据本发明也可采用其它合适的井孔图形。
从地表钻探的羽形和其它合适的井孔图形，提供进入到地下矿层的表面区域。井孔图形可用来均匀地取出和/或放入流体，或以另外的方式操作地下矿藏。在非煤的应用中，井孔图形可用来对重质原油开始就地的点火，“呼哧”的蒸气操作，以及从低孔隙的油层中取出碳氢化合物。
图4是示出根据本发明的一实施例的井孔图形100的视图。在该实施例中，井孔图形100提供进入到一地下矿藏的大致的钻石形或平行四边形的区域102。多个井孔图形100可用来一起提供均匀进入到一大的地下地带。环接的井孔30形成一第一角形区域102。井孔图形100包括一主井孔104，它对角线地横贯区域102延伸到区域102的远角106。对于排出的应用，井孔12和30定位在区域102上，这样，井孔104沿煤层15的坡度向上钻探。这将便于从区域102中收集水、气体和其它的流体。采用环接的钻杆柱40钻探井孔104，并从放大的腔室20起，与环接井孔30对齐地延伸。
多个侧向井孔110从井孔104的相对侧延伸到区域102。侧向井孔110可在井孔104的相对侧互相成镜面对称，或沿井孔104互相偏离。各个侧向井孔110包括一从井孔104延伸的圆角弯曲部分114，及一形成在弯曲部分114之后的一细长部分116，达到一理想的定向。对于均匀的覆盖区域102，成对的侧向井孔110在井孔104的各侧基本上相等地隔开，并从井孔104以大约60度的夹角延伸。侧向井孔110按照偏离放大直径腔室20的方向，在长度上有所缩短，以便于侧向井孔110的钻探。侧向井孔110的数量和间距可以变化，以适应各种矿藏区域、尺寸和井孔的要求。例如，侧向井孔110可以从井孔104的一单一侧钻探以形成一半的羽形图形。
井孔104和侧向井孔110可使用环接的钻杆柱40和合适的钻机，通过放大的腔室20的钻探而形成。在此操作过程中，可采用γ射线测井仪和传统的钻探中测量(MWD)技术来控制钻头的方向和定向，以保持井孔图形100在煤层15的范围内，并使井孔104和侧向井孔110保持合适的间距和定向。如图4所示，侧向井孔110这样构造：从周缘112量测到腔室20或井孔12或30的各侧向井孔110的距离或长度，基本上相等，由此，便于各侧向井孔110的钻探。
在一特定的实施例中，井孔104在多个侧向始造斜位置的点108中的各点以斜度钻探。在井孔104完成之后，环接钻杆柱40倒退到各相继的侧向点108，一侧向井孔110在井孔104的各侧从侧向点108起钻探。应该理解的是，井孔图形100可根据本发明以其它合适的方式形成。
图5示出根据本发明的另一实施例的井孔图形140。井孔图形140包括三个离散的井孔图形100，各排出一被井孔图形140覆盖的区域142的一部分。各个井孔图形100包括一井孔104和一组从井孔104延伸的侧向井孔110。在如图5所示的三羽形图形的实施例中，各个井孔104和110从一公共的环接井孔144钻探，且流体和/或气体可从地下地带通过与各井孔104连通的井孔146取出，或被引入到地下地带。这可允许地面生产设备更紧凑间距，井孔图形的更广泛的覆盖，并减少钻探设备和其操作。
各井孔104在相对于其它井孔104的位置形成，以适应进入到特定的地下地带。例如，井孔104可形成具有一在相邻的井孔104之间的间距或距离，以使用进入到一地下地带，这样，只需要三个井孔104。因此，可变化相邻的井孔104之间的间距以适应变化的地下地带的集中的矿藏。因此，相邻的井孔104之间的间距可以基本上相等，或变化，以适应一特定地下矿藏的独特的特征。例如，在图5所示的实施例中，各井孔104之间的间距基本上等于互相之间大约120度的夹角，由此，导致各井孔图形100沿大致约120度的方向离一相邻的井孔图形100延伸。然而，也可使用其它合适的井孔间隔角、图形或定向，以适应一特定地下矿藏的特征。因此，如图5所示，各井孔104和对应的井孔图形100从井孔144向外沿不同的方向延伸，由此，形成一基本上对称的图形。如下文中将会详细描述的，对称地形成的井孔图形可互相相邻地定位或嵌套，以提供基本均匀地进入地下地带。
在如图5所示的实施例中，各井孔图形100还包括一组从侧向井孔110延伸的侧向井孔148。侧向井孔148可在侧向井孔110的相对侧互相成镜面对称，或可沿侧向井孔110互相偏离。各侧向井孔148包括一从侧向井孔110延伸的圆角弯曲部分160，且一形成在弯曲部分160之后的一细长部分162，达到一理想的定向。对于均匀的覆盖区域142，成对的侧向井孔148在侧向井孔110的各侧基本上相等地隔开。此外，从一侧向井孔110延伸的侧向井孔148可设置成在从相邻侧向井孔110延伸的侧向井孔148之间或靠近其间延伸，以提供均匀覆盖的区域142。然而，侧向井孔148的数量和间距以及角度定向可以变化，以适应各种矿藏区域、尺寸和井孔的要求。
如上结合图4所述，各井孔图形100通常提供进入一四边形面积或区域102。在图4中，区域102基本上呈钻石形或平行四边形。如图5所示，井孔图形100可布置成：各四边形区域148的侧边基本上互相设置在公共边上，以提供对区域142的均匀的覆盖。
图6示出根据本发明的一实施例的在一地下地带内的井孔图形的对齐排列或嵌套排列。在该实施例中，三个离散的井孔100用来形成一系列的大致为六角形构造的井孔150，例如，类似于如图5所示的井孔图形140。因此，井孔图形150包括一组诸如井孔图形100的井孔亚图形，以获得所要求的几何构造或进入形状。井孔图形150可相互之间定位，以致井孔图形150嵌套成大致的蜂窝形布置，由此，使用较少的井孔图形150，可使进入地下矿藏的面积最大化。在地下资源开矿之前，可从地表钻探井孔图形150，以在开矿操作之前排出地下矿藏中的气体。
考虑周到的井孔图形100的数量也可改变，以形成其它形式几何构造的井孔图形，这样，最终形成的井孔图形可嵌套而形成均匀覆盖的地下矿藏。例如，在图5—6中，所示三个考虑周到的井孔图形100与中心井孔104连通，由此，形成一六边形构造的井孔图形140和150。然而，也可使用比三个考虑周到的井孔图形100多一些或少一些的井孔图形，以与中心井孔104连通，这样，多个合成的多边的井孔图形可嵌套在一起，以提供均匀覆盖的地下矿藏和/或适应一特定的地下矿藏的几何特征。
图7A和7B示出一根据本发明的另一实施例用来从有限的地表区域提高进入地下矿层的双圆角环接井系统200。在该实施例中，地下矿层是一煤层。应该理解的是，使用本发明的双圆角环接井系统200，可同样地进入到其它的地下矿层和/或其它的低压、超低压以及低空隙的地下矿藏，以去除和/或形成水、碳氢化合物和在矿藏中的其它流体，以便在开矿操作之前，处理矿藏中的矿物，或引入或注入一流体到地下地带中。在该实施例中，三个考虑周到的井孔图形形成与单一的井孔连通。为了图示的方便，一单一井孔图形结合图7A来描述；然而，应当理解的是，井孔图形的形成可以复制而形成另外的井孔图形。
图7A是示出根据本发明的一实施例的系统200的截面图的视图。一井孔210从地表14延伸到第一环接井孔230。井孔210镶衬合适的壁215，它终止在环接井孔230的高度上或以上。一第二井孔220从井孔210和第一环接井孔230的相交处延伸到第二环接井孔235。第二井孔220基本上与第一井孔210对齐，这样，它们一起镶衬一连续的井孔。第二环接井孔235的延伸部240从第二井孔220和第二环接井孔235的相交处延伸到煤层15以下的深度。在图7A中，井孔210和220基本上为垂直示出；然而，应该理解的是，井孔210和220也可以其它倾斜的定向形成，以适应地表14和/或煤层15的几何特征。
第一环接井孔230包括一圆角部分232。第二环接井孔235包括一圆角部分237。圆角部分237通常尺寸小于圆角部分232，以适应第二环接井孔235与第一环接井孔230的相交。第一环接井孔230与一放大的腔室250连通。放大的腔室250形成在煤层15高度上的第一环接井孔230的远端。如在下文中详细描述的，放大的腔室250提供一对于地下通道或井孔225的相交的汇合处。
在一实施例中，放大的腔室250形成具有一大约为8英尺的半径，以及一垂直尺寸等于或超过煤层15的垂直尺寸。使用合适的井下扩眼技术和设备来形成放大的腔室250。然而，放大的腔室250可以形成具有其它的合适的几何特征，以适应放大的腔室250内的流体的积蓄。
井孔225形成在第二井孔220和第二环接井孔235的相交处。井孔225延伸通过煤层15并进入到放大的腔室250内。在图7A中，井孔225显示为基本上为水平；然而，应该理解的是，井孔225可以形成为其它的倾斜定向，以适应煤层15的几何特征。在第一环接井孔230形成之后，放大的腔室250形成在煤层中。在放大的腔室250已形成之后，继续钻探通过腔室250以形成在煤层15中的井孔图形50。井孔图形50和其它这样的井孔包括坡度的、波浪形的或其它的倾斜形的煤层15或其它的地下矿藏。在该操作过程中，可采用γ射线测井仪和传统的钻探中测量(MWD)技术来控制和引导钻探的定向，以保持井孔图形50在煤层15的范围内，并在煤层15内提供基本均匀覆盖的所要求的区域。井孔图形50可包括如图4—6所示的图形；然而，也可使用其它合适的井孔图形。可以与图1—3中所述的相同的方式进行泥浆钻探和防止过平衡的操作。
在井孔图形50形成之后，第二井孔220可形成。如上所述，第二井孔220形成在第一井孔210和第一环接井孔230的相交处。在井孔220钻探到煤层15的深度之后，第二环接井孔235和井孔225形成。第二环接井孔235可使用传统的环接钻探技术形成。井孔225使用传统的钻探技术形成并通过第二环接井孔235，互连第二井孔220和放大的腔室250。从井孔图形50收集到的流体流过放大的腔室250，并沿井孔225通过第二井孔220和第一井孔210取出到地表14上。通过这种方式的钻探，地下矿层的地下地带可从地表上的一小的区域排出或进入。
图7B是示出根据本发明实施例的如图7A所示的系统200的俯视平面图。如图7B所示，三个环接井孔230和井孔225的每一个在相互隔开120度的位置上从井孔210延伸。井孔210在所要求的总的井孔区域的近似中心的地表位置处进行钻探。如上所述，环接井孔230从靠近或与井孔210共同的地表位置进行钻探。井孔图形50在目标地下矿藏内从各环接井孔230进行钻探。还从各个环接的井孔230，形成放大的腔室250，以收集从井孔图形50排出的矿藏。钻探三个地下通道或井孔225中的各个，来连接各个放大的腔室250和如上图7A中所述的井孔210。
从目标地下矿藏来的矿藏排入到井孔图形50，其中，矿藏被收集在放大的腔室250中。一旦矿藏被收集到井孔210中，它们通过上述的方法移到地表上。
图8示出根据本发明的另一实施例的呈羽形图形的井孔图形300。在该实施例中，一环接的井孔330形成一第一角的矿藏区域332。井孔图形300包括一横贯区域332对角延伸到区域332的远端角336的主井孔334。较佳地，一井孔320和环接井孔330定位在区域332的上方，这样，井孔334沿煤层15的坡度向上钻探。这将便于从区域332收集水、气体和其它的流体。井孔334从一放大的腔室322延伸并与环接井孔330对齐。
多个侧向井孔340从井孔334的相对侧延伸到区域332的周缘342。侧向井孔340可在井孔334的相对侧互相成镜面对称，或沿井孔334互相偏离。各个侧向井孔340包括一从井孔340延伸的第一圆角弯曲部分344，以及一细长的部分346。位于腔室322附近的第一组侧向井孔340还可包括一在第一圆角弯曲部分344已达到一所要求的定向之后形成的一第二圆角弯曲部分348。在该组中，一细长的部分346形成在第二弯曲部分348达到所要求的定向之后。这样，第一组侧向井孔340突转或返回朝向放大直径的腔室322，然后向外延伸通过矿层，由此，返回朝向腔室322延伸井孔区域，以提供均匀的覆盖区域332。对于均匀覆盖区域332，成对的侧向井孔340基本上均匀地在井孔334的各侧分布，且以大致60度的夹角从井孔334延伸。侧向井孔340按照偏离放大直径腔室322的方向，在长度上有所缩短，以便于侧向井孔340的钻探。
井孔334和侧向井孔340使用环接的钻杆柱40和合适的钻机，通过钻探通过放大的腔室322而形成。在此操作过程中，可采用γ射线测井仪和传统的钻探中测量(MWD)技术来控制钻头的方向和定向，以保持井孔图形300在煤层15的范围内，并保持井孔334和侧向井孔340的合适的间隔和定向。在一特定的实施例中，井孔334在多个侧向突转点350的各点上以斜度钻探。在井孔334完成之后，环接的钻杆柱40向上返回到各相继的侧向点350上，从该点侧向井孔340在井孔334的各侧钻探。应该理解的是，羽形井孔图形300可根据本发明以其它合适的方式形成。
图9是示出根据本发明的一实施例的井孔图形400的平面视图。在该实施例中，井孔图形400包括两个考虑周到的井孔图形402，各提供进入到被井孔图形400覆盖的区域404的一部分。各个井孔图形402包括一井孔406和一组从井孔406延伸的侧向井孔408。在如图9所示的实施例中，各井孔406和408从公共的环接井孔410钻探，流体和/或气体可通过与各井孔406连通的井孔412，从地下地带取出或引入地下地带。在该实施例中，井孔410和412显示为互相偏离，然而，应该理解的是，井孔图形400也可采用公共表面的井孔构造(诸如图7A所示)来形成。这可允许地面生产设备更紧凑间距，井孔图形的更广泛的覆盖，并减少钻探设备和其操作。
参照图9，井孔406以近似的180度夹角基本上互相相对地设置，由此，导致各井孔图形402沿相对方向延伸。然而，也可使用其它合适的井孔间距角。图形或定向来适应一特定的地下矿藏的特征。在如图9所示的实施例中，各井孔图形402包括从井孔406延伸的侧向井孔408。侧向井孔408可以在井孔406的相对侧互相成镜面对称，或沿井孔406可互相偏离。各侧向井孔408包括一从井孔406延伸的圆角弯曲部分418，以及一形成在弯曲部分418已达到所要求的定向之后的细长部分420。对于均匀覆盖的区域404，成对的侧向井孔408可基本上在井孔406的各侧上等距离间隔。然而，可改变侧向井孔408的数量、间距和角向定向，以适应各种矿藏、尺寸和井孔要求。如上所述，侧向井孔408可以这样形成：随着各自的侧向井孔408和井孔410或412之间的距离增加，各侧向井孔408的长度减小。因此，沿各侧向井孔408，从井孔410或412至区域404的周缘的距离基本上相等，由此，提供井孔形成的方便。
在该实施例中，井孔图形402通常提供进入到三角形区域或地区422。三角形区域422通过基本上正交于井孔406设置侧向井孔408而形成。该三角形区域422互相靠近地设置，这样，各区域422具有基本上互相共同的边424。区域422的组合由此形成一基本上四边形的区域404。如上所述，多个井孔图形400可嵌套在一起，以提供基本上均匀进入到地下地带。
图10是一流程图，示出根据本发明的一实施例，提高进入到诸如煤层15的地下矿藏的一种方法。在该实施例中，方法开始于步骤500，其中，识别被排出的区域和用于该区域的井孔图形。可使用羽形井孔图形来提供对该区域的优化的覆盖。然而，应该认识到，也可使用其它合适的井孔图形。
进到步骤502，第一井孔12从地表14钻探到通过煤层15的预定深度。接下来，在步骤504，利用进入孔的测井仪以便准确地识别在井孔12中的煤层的位置。在步骤506，放大的腔室22形成在煤层15的位置上的第一井孔12中。如上所述，放大的腔室20可通过扩孔和其它传统的技术而形成。
在步骤508，一第二井孔12从地表14钻探到通过煤层15的预定深度。第二井孔12在地表14上偏离于第一井孔12而设置。接下来，在步骤510，利用进入孔的测井仪以便准确地识别在第二井孔12中的煤层的位置。在步骤512，放大的腔室22形成在煤层15的位置上的第二井孔12。在步骤514，一第三井孔12从地表14钻探到通过煤层15的预定深度。第三井孔12在地表14上偏离于第一和第二井孔12而设置。例如，如上所述，第一、第二和第三井孔可设置具有互相间隔约120度，并与井孔区域的中间位置等距离地间隔。接下来，在步骤516，利用进入孔的测井仪以便准确地识别在第三井孔12中的煤层15的位置。在步骤518，放大的腔室22形成在煤层15的位置上的第三井孔12中。
接下来，在步骤520，钻探环接的井孔30，以与形成在第一、第二和第三井孔12中的放大的腔室22相交。在步骤522，用于羽形井孔图形的井孔104通过环接的井孔30钻探到从各放大的腔室20延伸的煤层15中。在形成井孔104之后，在步骤524，钻探用于羽形井孔图形的侧向井孔110。用于羽形井孔图形的侧向井孔148形成在步骤526。
在步骤528，环接的井孔30加盖。接下来，在步骤530，清洁放大的腔室22以便准备安装井下的生产设备。可通过泵送压缩空气下到第一、第二和第三井孔12和其它合适的技术，来清洁放大的腔室22。在步骤532，生产设备安装在第一、第二和第三井孔12中。生产设备可包括往下延伸到腔室22、用来从煤层15中取出水的杆式泵。水的取走将下降煤层的压力和使甲烷气体扩散，并形成第一、第二和第三井孔12的环腔。
进到步骤534，从井孔图形排出而进入到腔室22的水，可被泵送到地表14。水可以连续地或间断地按需要进行泵送，以将其从腔室22中取出。在步骤536，从煤层15扩散的甲烷气体被连续地收集到地表14。接下来，在决定性的步骤538，确定是否完成从煤层15生产气体的过程。在一实施例中，气体的生产可在收集气体的成本超过由井产生的财政收入之后即可完成。在另一实施例中，气体可从井中继续生产，直到煤层15中的气体的剩余水平低于矿业操作所要求的水平。如果气体的生产未完成，则方法返回到步骤534和536，其中，水和气体继续从煤层15中取出。一旦生产完成，方法进到步骤540，其中，取出生产设备。
接下来，在决定性的步骤542，确定煤层15是否继续准备用于矿业操作。如果煤层15继续准备用于矿业操作，则方法进到步骤544，其中，水和其它添加物可注回到煤层15以再水合煤层15，从而尽可能降低尘埃，提高开矿的效率和提高矿业产品的质量。
如果不要求用于开矿的煤层15的其它的准备，则方法从步骤542进到步骤546，其中，煤层15被开采。从煤层15中取走煤，造成矿顶坍落和开矿过程之后裂缝延伸到开口。坍塌的矿顶形成采空区气体，它们可在步骤548通过第一、第二和第三井孔12收集。因此，不要求额外的钻探操作来从开矿的煤层15中恢复采空区的气体。步骤548引导到过程的结束，由此，煤层15有效地从地表上排出气体。该方法对开矿前取走不希望的气体的矿以及开矿过程之前的再水合煤，提供一共生的关系。
尽管本发明已描述了若干个实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，可提出各种改变和变型。本发明欲涵盖落入附后的权利要求书的范围内的这些改变和变型。

Claims (54)

1.一种地下井孔图形，其用来从地表进入到地下地带的一个区域，包括：
一第一井孔，其从一基本上形成地下地带内的区域的第一端的地表井孔延伸到区域的远端；以及
多个侧向井孔，其从第一井孔向外延伸，其中，从每一侧向井孔的一端到地表井孔的距离基本上相等。
2.如权利要求1所述的井孔图形，其特征在于，多个侧向井孔包括：
第一组侧向井孔，其从第一井孔的第一侧向外延伸；以及
第二组侧向井孔，其从第一井孔的第二侧向外延伸。
3.如权利要求2所述的井孔图形，其特征在于，还包括一第三组侧向井孔，其从第一和第二组侧向井孔向外延伸。
4.如权利要求1所述的井孔图形，其特征在于，多个侧向井孔各延伸到区域的周缘。
5.如权利要求1所述的井孔图形，其特征在于，各多个侧向井孔基本上互相均匀地隔开。
6.如权利要求1所述的井孔图形，其特征在于，多个侧向井孔的至少一个包括：
一第一圆角部分，其从第一井孔延伸；
一第二圆角部分，其从第一圆角部分延伸；以及
一细长的部分，其从第二圆角部分延伸。
7.如权利要求6所述的井孔图形，其特征在于，第二圆角部分朝向地表井孔延伸。
8.如权利要求1所述的井孔图形，其特征在于，区域基本上包括一四边形，其中，各端部包括四边形的远端。
9.如权利要求8所述的井孔图形，其特征在于，各多个侧向井孔延伸到四边形的周缘。
10.一从地表进入地下地带的一区域的方法，包括：
形成一第一井孔，其从形成地下地带的该区域的第一端的地表井孔延伸到该区域的远端；以及
形成多个侧向井孔，其从第一井孔向外延伸，其中，从每一侧向井孔的一端到地表井孔的距离基本上相等。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔包括：
形成第一组侧向井孔，其从第一井孔的第一侧向外延伸；以及
形成第二组侧向井孔，其从第一井孔的第二侧向外延伸。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔包括：
形成第一组侧向井孔，其从第一井孔的第一侧向外延伸；
形成第二组侧向井孔，其从第一井孔的第二侧向外延伸；以及
形成第三组侧向井孔，其从第一和第二组侧向井孔向外延伸。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔包括将各多个侧向井孔延伸到该区域的周缘。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔包括将各多个侧向井孔互相均匀地间隔开。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔中的至少一个井孔包括：
形成从第一井孔延伸的一第一圆角部分；
形成从第一圆角部分延伸的一第二圆角部分；以及
形成从第二圆角部分延伸的一细长部分。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，形成第二圆角部分包括朝向地表井孔延伸第二圆角部分。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成第一井孔和多个侧向井孔包括：设置第一井孔和多个侧向井孔以形成一四边形区域，其中，第一井孔的诸端部包括四边形区域的远端。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔还包括将各侧向井孔延伸到四边形区域的周缘。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，形成多个侧向井孔包括：
形成第一组侧向井孔，其从第一井孔的第一侧向外延伸；以及
形成第二组侧向井孔，其从第一井孔的第二侧向外延伸，第二侧与第一侧相对。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，形成第一和第二组侧向井孔包括：形成与第二组侧向井孔对应的一个相对的各第一组侧向井孔。
21.一从地表进入到一地下地带的系统，包括：
一从地表井孔延伸的第一井孔图形，第一井孔图形形成一第一四边形区域；以及
一从地表井孔延伸的第二井孔图形，第二井孔图形形成一第二四边形区域，且其中，第一四边形区域的第一侧设置成与第二四边形区域共有第一侧；
其中，第一和第二井孔图形中的至少一个包括：
一从地表井孔延伸的主井孔，主井孔从相应四边形区域的第一端延伸到远端；
多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及
多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，在多个第一侧向井孔中，从每一第一侧向井孔的一端到地表井孔的距离相等。
23.如权利要求21所述的系统，其特征在于，各多个第一侧向井孔互相等距离地相隔。
24.如权利要求21所述的系统，其特征在于，还包括一从地表井孔延伸的第三井孔图形，第三井孔图形形成一第三四边形区域，且其中，第三四边形区域的第一侧设置成与第一四边形区域共有第二侧。
25.如权利要求21所述的系统，其特征在于，各多个第一侧向井孔的长度随着从该第一侧向井孔到地表井孔的距离的增加而减小。
26.一种从地表进入到一地下地带的方法，包括：
形成一呈第一四边形区域的第一井孔图形，该第一井孔图形从地表井孔延伸；以及
形成一呈第二四边形区域的第二井孔图形，该第二井孔图形从地表井孔延伸，且其中，第一四边形区域的第一侧设置成与第二四边形区域共有第一侧；
其中，形成第一和第二井孔图形中的至少一个包括：
形成一从地表井孔延伸的主井孔，主井孔从相应四边形区域的第一端延伸到远端；
形成多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及
形成多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括这样形成多个第一侧向井孔：从每一第一侧向井孔的一端到地表井孔的距离相等。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，各多个第一侧向井孔互相等距离地相隔。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括形成一呈第三四边形区域的第三井孔图形，第三井孔图形从地表井孔延伸，且其中，第三四边形区域的第一侧设置成与第一四边形区域的第二侧共有。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，各多个第一侧向井孔的长度随着从该第一侧向井孔到地表井孔的距离的增加而减小。
31.一从地表进入到一地下地带的系统，包括：
一延伸到地下地带的地表井孔；
多个设置在地下地带内的井孔图形，它们各从地表井孔沿不同的方向延伸，多个井孔图形关于地表井孔对称地设置；
其中，第一和第二井孔图形中的至少一个包括：
一从地表井孔延伸的主井孔；
多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及
多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，多个第一侧向井孔设置成互相均匀地间隔。
33.如权利要求31所述的系统，其特征在于，各多个第一侧向井孔的长度随着从该第一侧向井孔到地表井孔的距离的增加而减小。
34.如权利要求31所述的系统，其特征在于，从各多个第一侧向井孔到地表井孔的距离相等。
35.如权利要求31所述的系统，其特征在于，各多个侧向井孔图形形成一四边形的形状。
36.如权利要求31所述的系统，其特征在于，多个第一侧向井孔包括一第一组侧向井孔，该第一组侧向井孔各自与一第二组侧向井孔对应的一个相对地设置。
37.一种从地表进入到地下地带的方法，包括：
形成一延伸到地下地带的地表井孔；
形成设置在地下地带内的多个井孔图形，它们各从地表井孔沿不同的方向延伸，多个井孔图形关于地表井孔对称地设置；
其中，形成至少一个井孔图形包括：
形成一从地表井孔延伸的主井孔；
形成多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及
形成多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括：将各第一侧向井孔设置成互相均匀地隔开。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括这样形成各第一侧向井孔：各第一侧向井孔的长度随着从该第一侧向井孔到地表井孔的距离的增加而减小。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括这样形成各第一侧向井孔：从各第一侧向井孔到地表井孔的距离相等。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，形成各多个井孔图形包括：形成具有四边形形状的各多个井孔图形。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括：形成一第一组侧向井孔，该第一组侧向井孔各自与一第二组侧向井孔对应的一个相对设置。
43.一从地表进入到一地下地带的系统，包括：
一设置在地下地带内且从第一地表井孔延伸的第一井孔图形，第一井孔图形包括：一从第一地表井孔延伸的主井孔；多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸；以及
一设置在地下地带内且从第二地表井孔延伸的第二井孔图形，第一和第二井孔图形构造成在地下地带内互相靠近地嵌套。
44.如权利要求43所述的系统，其特征在于，各第一和第二井孔图形包括：
多个从各地表井孔向外延伸的主井孔；
多个从各多个主井孔向外延伸的第一侧向井孔；以及
多个从各多个第一侧向井孔向外延伸的第二侧向井孔。
45.如权利要求44所述的系统，其特征在于，多个主井孔关于各地表井孔对称地设置。
46.如权利要求44所述的系统，其特征在于，各第一侧向井孔的长度随着该侧向井孔和各地表井孔之间的距离的增加而减小。
47.如权利要求43所述的系统，其特征在于，多个第一侧向井孔包括：从主井孔的第一侧向外延伸的一第一组侧向井孔；以及从主井孔的第二侧向外延伸的一第二组侧向井孔。
48.如权利要求47所述的系统，其特征在于，各第一组侧向井孔与第二组侧向井孔中的对应的一个相对地设置。
49.一种从地表进入到地下地带的方法，包括：
形成一从第一地表井孔延伸并设置在地下地带内的第一井孔图形，第一井孔图形包括：一从第一地表井孔延伸的主井孔；多个第一侧向井孔，其从主井孔向外延伸；以及多个第二侧向井孔，其从多个第一侧向井孔向外延伸；以及
形成一从第二地表井孔延伸并设置在地下地带内的第二井孔图形，第一和第二井孔图形布置成在地下地带内互相靠近地嵌套。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，形成各第一和第二井孔图形包括：
形成从相应地表井孔向外延伸的多个主井孔；
形成从各多个主井孔向外延伸的多个侧向井孔；以及
形成多个从各多个第一侧向井孔向外延伸的第二侧向井孔。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，形成多个主井孔包括：形成多个关于各地表井孔对称地设置的主井孔。
52.如权利要求50所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括：形成各多个第一侧向井孔，其具有的长度随着该第一侧向井孔和相应地表井孔之间的距离的增加而减小。
53.如权利要求49所述的方法，其特征在于，形成多个第一侧向井孔包括：形成从主井孔的第一侧向外延伸的一第一组侧向井孔；以及形成从主井孔的第二侧向外延伸的一第二组侧向井孔。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，形成各第一组侧向井孔包括：形成各第一组侧向井孔与第二组侧向井孔中的对应的一个相对。
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