CN110291269B - 钻出和操作s形状的井 - Google Patents

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Abstract

提供了用于钻出水平取向的井的系统和方法，该井具有S形状的井筒，该S形状的井筒包括上部S部和下部S部，上部S部具有向下弯曲的井筒轨迹，下部S部具有向上弯曲的井筒轨迹。上部S部具有第一轨迹，该第一轨迹具有在井口出口点处的大致水平的梯度并且第一轨迹向下的梯度在拐点处增加至竖向梯度。下部S部具有第二轨迹，该第二轨迹包括在拐点处的竖向梯度并且第二轨迹向下的梯度在井筒的水平过渡点处减小至大致水平梯度。

Description

钻出和操作S形状的井
技术领域
实施例总体上涉及钻井，并且更具体地涉及钻出具有非常规井轨迹的井。
背景技术
井可以包括钻入地下的钻孔(或“井筒”)。井可以提供进入地下地层(地表下的地理构造)的通道，以便于从地下地层中提取自然资源，例如烃和水，以便于将流体注入地下地层，并且以便于地下地层的评估和监测。在石油工业中，通常钻井以从地下地层中提取(或“生产”)烃，例如石油和天然气。术语“油井”通常用于描述设计用于生产石油的井。在油井的情况下，一些天然气通常与石油一起生产。生产石油和天然气的井有时称为“油气井”或“油井”。术语“气井”通常用于描述设计用于主要生产天然气的井。
创建油井通常涉及几个阶段，包括钻井阶段、完井阶段和生产阶段。钻井阶段通常涉及将井筒钻入地下地层中，该地下地层预期含有可以生产的一定浓度的烃。预期含有烃的地层部分通常称为“烃储层”或“储层”。通常由位于地表的竖向钻机来帮助钻井过程。钻机用于操作钻头；提升、降低和转动钻杆和工具；循环钻井液；并且通常控制井下操作(井筒中的操作)。完井阶段包括使井准备好生产烃。在一些情况下，完井阶段包括将流体泵送到井中以破裂、清洁或以其他方式准备储层以生产烃。生产阶段涉及通过井从储层中生产(提取和捕获)烃。在生产阶段期间，通常将钻机移除并替换为一组阀门(通常称为“采油树”或“圣诞树”)，该组阀门调节井筒中的压力、控制来自井筒的生产流量、以及在需要进一步完成工作的情况下提供通向井筒的入口。泵送千斤顶或其他机构可以提供有助于从储层中提取烃的提升，特别是在井中的压力太低以至于烃不能自由地流到地表的情况下。来自采油树的出口阀的流动通常结合到分配网络，例如将生产供应给精炼厂、出口终端等的罐、管道和运输车辆等。
传统上，井包括大致竖向的井筒，该井筒沿大致垂直于地表的方向向下延伸到地下。这样的井通常称为“竖向井”。术语“水平井”通常用于描述具有沿大致水平方向延伸的井筒段的井。水平井通常包括大致竖向或偏斜的井筒，该井筒具有：上竖向井筒部，其沿大致垂直于地表的方向向下延伸到地下；以及下水平井筒部，其沿大致水平方向延伸穿过地下，通常遵循储层的轮廓。在任何一种情况下，竖向钻机通常位于井筒位置上方的地表，并且设置为使钻杆、工具等下降和升高以竖向地进出井筒。
发明内容
申请人已经认识到，尽管在许多情况下竖向取向的井(例如，包括具有井筒的竖向和水平井，其中，井筒具有从地表沿大致垂直于地表的方向向下延伸的上部竖向井筒部)提供了用于生产烃的合适方法，但是这些竖向取向的井仍然具有缺点。例如，在钻井过程中，通常需要提供推动钻头以帮助钻出井筒的动力。在竖向取向的井的情况下，该动力通常由钻柱(包括延伸到井筒中的钻杆)的重量提供。当钻柱旋转时，其重量在旋转钻头上提供向下的力，以帮助钻头切穿地面。在许多情况下，希望具有作用在钻头上的相对高的动力；遗憾的是，当钻竖向取向的井时，钻柱的重量受到限制，因此，钻竖向取向的井的速度和效率受到限制。
申请人还认识到竖向取向的井可能具有地理限制。例如，在许多情况下，竖向取向的水平井用于在远离目标位置延伸距离的下方或附近钻孔。在许多情况下，钻机和井的上部竖向井筒部位于第一位置，而井筒的下部水平部水平地延伸一定距离穿过地表，到达目标位置附近或下方的位置。如果对井位置存在限制，例如要求井距离居住区至少给定距离，则井的水平部可能需要相对较长以从钻井的位置到达目标。遗憾的是，竖向取向的井的局限性(例如能够提供的有限动力)固有地限制井筒的水平部的长度。结果，竖向取向的水平井可能无法延伸到达其目标所需的距离，并且由于无法用常规的竖向取向的井到达储层，所以已知含有烃的储层不能用来生产。
此外，申请人已经认识到，大量的能量用于将流体从井筒提升到地表。这可归因于克服井筒深处的静水压力以将收集的烃带到地表所需的力。在生产过程中，如果储层流体表现出相对低的压力，则该压力可能不足以将流体提升到地表。结果，可能需要人工提升方法来帮助将流体提升到地表。这可以包括增加提升装置，例如泵送千斤顶，或采用强化采油技术(EOR)，例如钻出额外的附近注入井，这些注入井可以用于将流体注入储层中以增加储层压力，从而迫使生产流体进入井筒中并直至地表。遗憾的是，这些解决方案需要大量时间并且增加总体生产成本。
认识到现有竖向取向的井的这些和其他缺点，申请人已经开发出用于钻出水平取向的井的新颖系统和方法。在一些实施例中，水平取向的井包括S形状的(或“S形”)水平取向的井筒。S形状的井筒可包括S部和水平部。S部可包括第一(或“上部”)S部和第二(或“下部”)S部。第一S部可具有向下弯曲的井筒轨迹(相对于水平面逐渐增加的斜率)，第二S部可具有向上弯曲的终止于井筒的水平部的井筒轨迹(相对于水平面逐渐减小的斜率)。井筒的水平部可以以大致水平的轨迹延伸，例如，遵循储层的轮廓延伸。井筒的S部的形状可以提供穿过地层的竖向路径，该竖向路径以大致水平的取向开始并且逐渐增加斜率到更竖向的取向，然后逐渐减小斜率回到大致水平的取向，在此处与井筒的水平部相遇。结果，井筒能够以大致水平的方向进入地下，而不具有陡峭的竖向斜率，该陡峭的竖向斜率通常与竖向取向的井的至少上部大致竖向的井筒部相关联。
有利地，这种S形状的井筒能够使相对高的非竖向动力施加到钻柱上。例如，水平取向的钻井系统可以包括水平地推动钻柱的水平驱动器(例如，车辆或动力油缸)，向钻头提供相对高的动力以便于钻头切割穿过地下。
作为另一个优点，相对于通过竖向取向的井筒将流体提升到地表所需的静水压力，S形状井筒的轨迹的相对缓的斜率能够通过水平取向的S形状的井筒降低将流体提升到地表所需的静水压力。例如，在竖向取向的井中，静水压力主要是由于井筒的竖向部中的流体的积聚，而提升流体所需的力必须足以克服作用在竖向取向的流体柱上的竖向取向的向下重力。然而，在S形状的井筒中，流体柱(或至少流体柱的大部分)不是竖向取向的(例如，为稍微倾斜或几乎水平取向)，使得作用在流体柱上的向下的重力不直接与流体柱的取向对齐。结果，与在竖向取向的流体柱中提升流体所需的力相比，沿S形状的井筒的非竖向方向提升流体所需的力相对较低。结果，与包含大致竖向段的常规井筒的人工提升要求相比，能够消除或减少对于具有S形状的井筒的井的人工提升要求。
此外，在水平取向的井中，钻柱能够以大致水平的角度进入地下，使得不需要竖向钻机，从而减小钻井系统在地表上方延伸的高度。而且，通过井筒将流体提升到地表所需的相对低的静水压力能够消除对泵送-千斤顶(或至少更大和更高的泵送千斤顶)或产生人工提升所需的其他装置的需要。因此，与竖向取向的井的高度轮廓相比，水平取向的井及相关的钻井和生产系统能够具有相对低的高度轮廓，并且在高度限制约束常规的竖向取向的钻井和生产系统的使用的位置中，水平取向的井及相关的钻井和生产系统是可行的选择。
在一些实施例中提供了一种方法，该方法包括以下步骤：安装井口系统，该井口系统具有井口通道，该井口通道从井口系统的井口主体的竖向取向侧中的井口入口点延伸到井口主体的水平取向的下侧中的井口出口点；以及使钻柱穿过井口通道以钻出水平取向的烃井，该烃井具有S形状的井筒，该S形状的井筒包括上部S部和下部S部，上部S部具有向下弯曲的井筒轨迹，下部S部具有向上弯曲的井筒轨迹。上部S部具有第一轨迹，该第一轨迹包括在井口出口点处的大致水平的梯度并且第一轨迹向下的梯度在拐点处增加至竖向梯度，而下部S部具有第二轨迹，该第二轨迹包括在拐点处的竖向梯度并且第二轨迹向下的梯度在井筒的水平过渡点处减小至大致水平梯度。
在一些实施例中提供了一种烃井钻井系统，其包括井口系统，该井口系统包括设置在地表处的井口主体。井口主体包括井口通道，井口通道适于将钻柱从水平取向引导至具有S形井轨迹的井筒的向下倾斜取向。井口通道从井口主体的竖向取向侧处的井口入口延伸到井口主体的水平取向的下侧的井口出口。烃井钻井系统还包括适于穿过井口通道的钻柱，并且包括水平取向的起始端和适于穿过地下地层钻孔以形成具有S形状的井轨迹的井筒的钻头。井筒包括从井口出口延伸到井筒的拐点的第一S部。拐点位于井口出口的井下处。井筒的第一S部包括第一轨迹，该第一轨迹在井筒的井口出口处大致水平并且在拐点处的斜率增加到第一梯度。井筒还包括从井筒的拐点延伸到井筒的过渡点的第二S部。过渡点位于拐点的井下处。井筒的第二S部包括第二轨迹，在拐点处该第二轨迹与井筒的第一S部的第一梯度相一致并且该第二轨迹的斜率在过渡点处减小至第二梯度。烃井钻井系统还包括钻控系统，钻控系统包括动力系统，动力系统适于向钻柱的水平取向的起始端施加水平动力以产生力，从而便于钻头钻孔穿过地下地层以产生具有S形井轨迹的井筒。
在一些实施例中，井口主体部分地设置在地表下方，使得井口入口设置在地表上方，而井口主体的水平取向的下侧设置在地表下方。在某些实施例中，井口系统包括井口稳定器，井口稳定器包括设置在井口主体的上部上方的保持架，以约束井口主体的水平或竖向移动。在一些实施例中，保持架包括固定到地表的延伸部。在某些实施例中，保持架包括一个或多个横向保持架元件和一个或多个纵向保持架元件，横向保持架元件横向延伸穿过井口主体的上部，纵向保持架元件纵向延伸穿过井口主体的上部。在一些实施例中，井口通道包括井上部和井下部，井上部具有水平取向的轨迹，井下部具有向下倾斜轨迹，该向下倾斜轨迹终止于井口出口。在某些实施例中，井口通道的井上部包括吊架段，该吊架段包括一个或多个集成肩部，用于支撑设置在井筒中的部件。在一些实施例中，井口通道的井下部具有第一内径，吊架段包括以下部分：由井口通道的井上部的套管吊架部限定的套管吊架肩部，其具有比第一内径大的第二内径；以及由井口通道的井上部的生产管吊架部限定的生产管吊架肩部，其具有比第二内径大的第三内径，生产管吊架部位于套管吊架部的井上处。在某些实施例中，动力系统包括适于沿水平方向前进以向钻柱的起始端施加水平动力的车辆。在一些实施例中，动力系统包括适于沿水平方向前进以向钻柱的起始端施加水平动力的动力油缸(ram)。在某些实施例中，第一轨迹在井口出口处的大致水平部包括与水平方向成5°至30°范围内的入口角。在一些实施例中，第一轨迹在井筒的拐点处的第一梯度包括与竖向方向成0°至45°范围内的拐角。在某些实施例中，第二轨迹在过渡点处的第二梯度包括与水平方向成0°至10°范围内的过渡角。在一些实施例中，井筒包括从井筒的过渡点延伸的井筒的水平部，其中，井筒的水平部包括第三轨迹，在过渡点处第三轨迹与井筒的第二S部的第三梯度相一致并且第三轨迹具有沿着其长度的水平梯度。在某些实施例中，井筒的水平部的水平梯度包括与水平方向成0°至15°范围内的梯度。
在一些实施例中提供了一种钻出烃井的方法。该方法包括安装井口系统，包括在地表处设置井口主体。井口主体包括井口通道，井口通道适于将钻柱从水平取向引导至具有S形井轨迹的井筒的向下倾斜取向，井口通道从井口主体的竖向取向侧处的井口入口延伸至井口主体的水平取向的下侧处的井口出口。该方法还包括将钻柱插入井口通道中(钻柱包括水平取向的起始端和钻头)以及向钻柱的水平取向的起始端施加水平动力以产生使钻头钻孔穿过地下地层的力，从而形成具有S形井轨迹的井筒。井筒包括从井口出口延伸到井筒的拐点的第一S部。拐点位于井口出口的井下处。井筒的第一S部具有第一轨迹，该第一轨迹在井筒的井口出口处大致水平并且在拐点处的斜率增加到第一梯度。井筒还包括从井筒的拐点延伸到井筒的过渡点的第二S部。过渡点位于拐点的井下处。井筒的第二S部具有第二轨迹，在拐点处该第二轨迹与井筒的第一S部的第一梯度相一致并且该第二轨迹的斜率在过渡点处减小至第二梯度。
在一些实施例中，在地表处设置井口主体包括将井口主体的下部设置在地表下方，使得井口入口设置在地表上方，而井口主体的水平取向的下侧设置在地表下方。在一些实施例中，安装井口系统包括安装井口稳定器，该井口稳定器包括设置在井口主体的上部上方的保持架，以约束井口主体的水平或竖向移动。在某些实施例中，保持架包括固定到地表的延伸部。在一些实施例中，保持架包括一个或多个横向保持架元件和一个或多个纵向保持架元件，横向保持架元件横向延伸穿过井口主体的上部，纵向保持架元件纵向延伸穿过井口主体的上部。在某些实施例中，井口通道包括井上部和井下部，井上部具有水平取向的轨迹，井下部具有向下倾斜轨迹，该向下倾斜轨迹终止于井口出口。在一些实施例中，井口通道的井上部包括吊架段，该吊架段包括一个或多个集成肩部，用于支撑设置在井筒中的部件。在某些实施例中，井口通道的井下部具有第一内径，吊架段包括以下部分：由井口通道的井上部的套管吊架部限定的套管吊架肩部，其具有比第一内径大的第二内径；以及由井口通道的井上部的生产管吊架部限定的生产管吊架肩部，其具有比第二内径大的第三内径，其中，生产管吊架部位于套管吊架部的井上处。在一些实施例中，向钻柱的水平取向的起始端施加水平动力包括使车辆沿水平方向前进以向钻柱的起始端施加水平动力。在一些实施例中，向钻柱的水平取向的起始端施加水平动力包括使动力油缸沿水平方向前进以向钻柱的起始端施加水平动力。在某些实施例中，第一轨迹在井口出口处的大致水平部包括与水平方向成5°至30°范围内的入口角。在一些实施例中，第一轨迹在井筒的拐点处的第一梯度包括与竖向方向成0°至45°范围内的拐角。在某些实施例中，在过渡点处的第二轨迹的第二梯度包括与水平方向成0°至10°范围内的过渡角。在一些实施例中，井筒包括从井筒的过渡点延伸的井筒的水平部，其中，井筒的水平部包括第三轨迹，在过渡点处第三轨迹与井筒的第二S部的第三梯度相一致并且第三轨迹具有沿着其长度的水平梯度。在某些实施例中，井筒的水平部的水平梯度包括与水平方向成0°至15°范围内的梯度。
附图说明
图1是示出根据一个或多个实施例的井环境的图。
图2A和图2B是示出了根据一个或多个实施例的水平取向的井系统的示例地表系统的图。
图2C和图2D是示出了根据一个或多个实施例的采用轨道的水平取向的井系统的示例地表系统的图。
图3是示出了根据一个或多个实施例的不同井轨迹的图。
图4A和图4B是示出了根据一个或多个实施例的井轨迹的示例梯度的图。
图5A-图6B是示出了根据一个或多个实施例的水平取向的井系统的示例井口系统的图。
图7是示出了根据一个或多个实施例的钻出和操作水平取向的井的方法的流程图。
图8是示出了根据一个或多个实施例的示例计算机系统的图。
虽然本公开易于进行各种修改和替换形式，但是在附图中以示例的方式示出了特定实施例，并且将对这些特定实施例进行详细描述。附图可能不按比例绘制。应当理解，附图和具体实施方式并非旨在将本公开限制于所公开的特定形式，而是旨在公开落入由权利要求限定的本公开的精神和范围内的修改、等同物和替代物。
具体实施方式
描述了用于钻出水平取向的井的系统和方法的实施例。在一些实施例中，水平取向的井包括S形状的(或“S形”)水平取向的井筒。S形状的井筒可包括S部和水平部。S部可包括第一(或“上部”)S部和第二(或“下部”)S部。第一S部可具有向下弯曲的井筒轨迹(相对于水平面逐渐增加的斜率)，第二S部可具有向上弯曲的终止于井筒的水平部的井筒轨迹(相对于水平面逐渐减小的斜率)。井筒的水平部可以以大致水平的轨迹延伸，例如，遵循储层的轮廓延伸。井筒的S部的形状可以提供穿过地层的竖向路径，该竖向路径以大致水平的取向开始并且逐渐增加斜率到更竖向的取向，然后逐渐减小斜率回到大致水平的取向，在此处与井筒的水平部相遇。结果，井筒能够以大致水平的方向进入地下，而不具有陡峭的竖向斜率，该陡峭的竖向斜率通常与竖向取向的井的至少上部大致竖向的井筒部相关联。
有利地，这种S形状的井筒能够使相对高的非竖向动力施加到钻柱上。例如，水平取向的钻井系统可以包括水平地推动钻柱的水平驱动器(例如，车辆或动力油缸)，向钻头提供相对高的动力以便于钻头切割(或者钻孔)穿过地下。
作为另一个优点，相对于通过竖向取向的井筒将流体提升到地表所需的静水压力，S形状井筒的轨迹的相对缓的斜率能够通过水平取向的S形状的井筒降低将流体提升到地表所需的静水压力。例如，在竖向取向的井中，静水压力主要是由于井筒的竖向部中的流体的积聚，而提升流体所需的力必须足以克服作用在竖向取向的流体柱上的竖向取向的向下重力。然而，在S形状的井筒中，流体柱(或至少流体柱的大部分)不是竖向取向的(例如，为稍微倾斜或几乎水平取向)，使得作用在流体柱上的向下的重力不直接与流体柱的取向对齐。结果，与在竖向取向的流体柱中提升流体所需的力相比，沿S形状的井筒的非竖向方向提升流体所需的力相对较低。结果，与包含大致竖向段的常规井筒的人工提升要求相比，能够消除或减少对于具有S形状的井筒的井的人工提升要求。
此外，在水平取向的井中，钻柱能够以大致水平的角度进入地下，使得不需要竖向钻机，从而减小钻井系统在地表上方延伸的高度。而且，通过井筒将流体提升到地表所需的相对低的静水压力能够消除对泵送-千斤顶(或至少更大和更高的泵送千斤顶)或产生人工提升所需的其他装置的需要。因此，与竖向取向的井的高度轮廓相比，水平取向的井及相关的钻井和生产系统能够具有相对低的高度轮廓，并且在高度限制约束常规的竖向取向的钻井和生产系统的使用的位置中，水平取向的井及相关的钻井和生产系统是可行的选择。
图1是示出根据一个或多个实施例的井环境100的图。在所示实施例中，井环境100包括位于地下地层(“地层”)104中的烃储层(“储层”)102和井系统(或“井”)106。
地层104可包括位于地表108下方的多孔或破裂岩层。储层102可包括地层104的含有(或至少确定或预期含有)烃(例如石油和天然气)的地下池的部分。储层102可包括具有不同特性(例如不同程度的渗透率、孔隙度和电阻率)的不同岩石层。在井106作为生产井操作的情况下，井106可以便于从储层102中提取(或“生产”)烃。在井106作为注入井操作的情况下，井106可以便于将诸如水的流体注入到储层102中。在井106作为监测井操作的情况下，井106可以便于监测储层102的各种特性，例如储层压力。
井106可包括井筒120、钻柱122、井口系统124和钻控系统126。钻柱122可包括钻杆130和钻头132。如图所示，钻杆130可以从地表位置(例如，在地表108处或上方)延伸到井筒120中。钻控系统126可包括动力系统128和控制系统134。动力系统128可以提供动力以将钻柱122推入井筒120中，以例如便于钻头132以有效的方式切割穿过地层104。动力系统128可以提供动力以拉动钻柱122，以例如从井筒120中抽出钻柱122。控制系统134可以控制井106的各种操作，例如钻井操作，井注入操作以及井和地层监测操作。在一些实施例中，控制系统134包括计算机系统，该计算机系统与至少参照图8描述的计算机系统1000相同或相似。
井筒120可包括在入口点(或“起始点”)133处进入地表108的钻孔，并且井筒120延伸穿过地层104进入目标区域或位置，例如储层102。井筒120可以例如通过钻头132切割穿过地层104并进入储层102而形成。井筒120能够提供在钻井操作期间钻井液的循环、在生产操作期间烃(例如，石油和天然气)从储层102到地表108的流动、在注入操作期间流体向地层104和储层102中一者或两者中的注入、以及在监测操作(例如，原位测井操作)期间监测设备(例如，测井工具)向地层104和储层102中一者或两者的连通。井筒120可以加套或开孔。例如，井筒120可包括具有加套管上部和不加套管下部的细长钻孔，加套管上部包括从地表108向下延伸到钻孔的上部中的套管，不加套管(或“开放”)下部不包括钻孔中的套管。套管可包括例如环形套管，例如延伸到井筒120的钻孔中的中空圆筒形(或“管状”)钢管和位于套管的外表面和井筒120的钻孔的内表面之间的套管-钻孔圆环域中的一层或多层水泥。生产管道可以安装在井筒120中以便于烃向地表108的流动。例如，生产管道可以穿过套管的内部，以提供用于烃或其他生产流体流过井筒120的管道。
井筒120可以是S形状的(或“S形”)水平取向的井筒。例如，井筒120可包括S部140和水平部142。S部140可包括第一(或“上部”)S部140a和第二(或“下部”)S部140b。第一S部140a可以包括向下弯曲的井筒轨迹，该向下弯曲的井筒轨迹具有逐渐增加的斜率(相对于水平面)，而第二S部140b可以包括向上弯曲的井筒轨迹，该向上弯曲的井筒轨迹具有逐渐减小的斜率(相对于水平面)，其终止于井筒120的水平部142。井筒120的水平部142可以以大致水平的轨迹延伸，例如，从水平面起穿过地层104和储层102中的一者或两者具有+/-15°的斜率(或“梯度”)。井筒120的水平部142可以例如遵循储层102的轮廓。
井筒120的第一S部140a可具有向下弯曲的井筒轨迹，该向下弯曲的井筒轨迹在井筒120的入口点133处或附近具有大致水平的轨迹(例如，平行于地表108)，并且第一S部140a的向下斜率(相对于水平面)在拐点144处增加至稍微竖向的轨迹，在拐点144处第一S部140a与第二S部140b相遇。井筒120的第二S部140b可以具有向上弯曲的井筒轨迹，第二S部140b与第一S部140a在拐点144处共享相同的向下斜率，并且第二S部140b的向下斜率(相对于水平面)在井筒120的水平过渡点146处或附近减小至大致水平的轨迹(例如，遵循储层102的水平轮廓)。因此，井筒120的第一S部140a可以逐渐下降到拐点144，而井筒120的第二S部140b可以逐渐变平到过渡点146，在过渡点146处第二S部140b与井筒120的水平部142相遇。
在一些实施例中，第一S部140a在井筒120的入口点133处或附近的大致水平的轨迹可具有0°至30°范围内的入口角(θ1)。入口角(θ1)可以定义为水平面(例如，平行于地表108)(由水平轴线148a表示)与井筒120的纵向轴线150在入口点133处的角度(由轴线150a表示)之间的角度。在一些实施例中，第一S部140a和第二S部140b在井筒120的拐点144处的稍微竖向的轨迹具有0°至45°范围内的拐角(θ2)。拐角(θ2)可以定义为竖向面(例如，垂直于地表108)(由竖向轴线152表示)与井筒120的纵向轴线150在拐点144处的角度(由轴线150b表示)之间的角度。
在一些实施例中，第二S部140b在井筒120的过渡点146处或附近的大致水平的轨迹与井筒120在过渡点146处或附近的水平部142共享相同的角度。因此，井筒120可以具有从井筒120的S部140到井筒120的水平部142的平滑过渡。在一些实施例中，第二S部140b在井筒120的过渡点146处或附近的大致水平的轨迹具有0°至10°范围内的过渡角(θ3)。过渡角(θ3)可以定义为水平面(例如，平行于地表108)(由水平轴线148b表示)与井筒120的纵向轴线150在过渡点146处的角度(由轴线150c表示)之间的角度。井筒120的水平部142可以沿大致水平的方向延伸，例如具有与水平方向成0°至15°范围内的斜率(例如，与水平方向成15°至+15°)。井筒120的水平部142可以以不同量的向上和向下斜率推进，以遵循用于使一个或多个目标区域或位置(例如储层102)相交的合适路径。例如，井筒120的水平部142可以大致遵循储层102的水平轮廓。井筒120的水平部142可以跨越储层102的高度(或“深度”)推进，以提供与储层102增加的接触。
在一些实施例中，井口系统124为井106的钻井和生产设备提供结构和压力容纳界面。例如，井口系统124可包括支撑井筒120中从井口系统124悬挂的套管或其他井下部件的重量的结构。此外，井口系统124可包括密封件和阀门，密封件和阀门提供对井筒120的一些部分(例如套管层之间或外套管与井筒120的钻孔的壁之间的不同环形区域)的受控通路。在钻井操作期间，防喷器可以联接到井口系统124(例如，在井口入口162处)以控制井筒120中的压力。在生产操作期间，采油树可以联接到井口系统124(例如，在井口入口162处)以控制生产流速和压力。
在一些实施例中，井口系统124包括井口通道160。井口通道160可以与井筒120连通并且可以包含井筒120的入口点133。井口通道160可以从井口系统124的井口主体的竖向取向侧处的井口入口162延伸到井口主体的水平取向的下侧处的井口出口163。第一S部140a在井口出口163处或附近的大致水平的轨迹可以与井筒120的入口点133处的大致水平的轨迹相同或相似(例如，在井口出口163处的入口角(或“井口出口角”)的范围为5°至30°)。井口出口处的入口角或井口出口角可以定义为水平面(例如，平行于地表108)与井筒120的纵向轴线150在井口出口163处的角度之间的角度。井口通道160可以是用于引导部件前进到井筒120中的导管。例如，部件可以通过井口通道160的井口入口162插入井口系统124中，并且通过井口通道160的形状引导到井筒120中。在一些实施例中，井口通道160包括这样的轨迹：提供从大致水平取向(例如，与水平方向成-15°至+15度)至井筒120在入口点133或井口出口163处或附近的轨迹的平滑过渡。例如，井口通道160可具有由井口通道160的井上部160a和井口通道160的井下部160b限定的向下弯曲的轨迹，井口通道160的井上部160a具有在井口入口162处或附近的水平的轨迹(例如，平行于地表108)，井口通道160的井下部160b的向下斜率增加以与井筒120的纵向轴线150在入口点133或井口出口163处或附近的大致水平的轨迹(由轴线150a表示)相一致。因此，井口通道160可提供从水平取向到井筒120在井筒120的入口点133或井口出口163处或附近的大致水平的轨迹的逐渐过渡。这种逐渐过渡可帮助将部件引导到井筒120中。例如，当钻杆130或钻柱122的其他部件被动力系统128沿水平方向推动时，井口通道160的壁可将相关的力沿着钻柱122的长度从水平方向引导为部分向下的方向，从而将部件引导到井筒120中。这样的井口通道160可以使动力系统能够沿水平方向提供推力，而不会在进入井筒120期间使钻杆130弯曲。在一些实施例中，井口通道160具有约20英寸的直径164。至少参照图5A-图6B更详细地描述井口系统124的实施例。
图2A和图2B是分别示出了根据一个或多个实施例的水平取向的井系统106的示例地表系统200的正视图和俯视图的图。在一些实施例中，地表系统200包括钻控系统126和井口系统124。如上所述，钻控系统126可包括动力系统128和控制系统134。在一些实施例中，动力系统128包括水平取向的动力设备202，可操作水平取向的动力设备202以将诸如钻柱122、生产管和测井工具的部件插入(或“下降”)到井筒120中，并且从井筒120抽出(或“升起”)部件。例如，动力系统128可以包括动力设备202，动力设备202能够提供如下的一者或两者：将钻柱122或其他部件推入井筒120中的足够的推力(例如，通常水平地沿箭头204的方向)，以及从井筒120中抽出钻柱122或其他部件的足够的拉力(例如，通常水平地箭头206的方向)。如上所述，能够有益的是向钻柱122施加相对高的推力，进而在钻头132处提供足够的推力，以便于钻头132以有效的方式切割地面。这在水平取向的井系统106中尤其如此，使得能够钻出相对长的水平井筒段。而且，能够有益的是向钻柱122施加相对高的拉力以从井筒120中抽出钻柱122。这在水平取向的井系统106中尤其如此，该井系统106具有相对长的水平井筒部142，并且又具有相对长且重的钻柱122。在一些实施例中，动力设备202提供钻井和操作水平取向的井系统所需的大量动力。动力设备202能够提供将部件推进井筒120中所需的大的推力和从井筒120中抽出部件的大的拉力中的一者或两者。在一些实施例中，沿线性方向(例如，通常水平地沿箭头204或206的方向并且平行于被插入井筒120或从井筒120移除的部件的纵向轴线)施加动力，以确保动力沿着被插入井筒120或从井筒120移除的部件的长度纵向传递，并且确保动力不会产生使部件弯曲或变形的足够大的横向力。
在一些实施例中，插入操作包括将一个或多个部件(例如钻柱122)插入井筒120中。例如，插入操作可以包括将动力设备202(沿箭头206的方向)缩回到插入起始位置，该插入起始位置在动力设备202的前端212和井口系统124的井口入口162之间提供足够的空间以接收钻杆130的第一段。钻杆130的第一段的尾端213可以联接到动力设备202的前端212。然后，动力设备202可以推进(沿箭头204的方向)约钻杆130的该段的长度的距离，以将钻柱122(包括钻杆130的第一段)以该距离推向和进入井口系统124和井筒120中的一者或两者。井口通道160的壁可以引导钻杆130前进到井筒120中的路径。一旦钻杆130的第一段插入，动力设备202可再次缩回到(沿箭头206的方向)插入起始位置，钻杆130的第二段的前端可以联接到钻杆130的第一段的尾端213，钻杆130的第二段的尾端213可以连接到动力设备202的前端212，而动力设备202可以再次推进(沿箭头204的方向)约钻杆130的第二段的长度的距离，以将钻柱122(包括钻杆130的第一段和第二段)以该距离推向和进入井口系统124和井筒120中的一者或两者。这样的插入操作可以重复钻杆130和钻柱122的其他部件的许多段，以将钻柱122推进到井筒120中。可以进行类似的插入操作以将各种部件插入井筒120中。
在一些实施例中，钻杆130的第一段的前端联接到钻头132的尾端，并且钻杆130的这些段在它们前进时旋转以提供钻头132的旋转。钻头132的旋转和由动力设备202通过钻杆130提供的推力可以在钻柱122前进到井筒120中时便于钻头132切穿地面。在一些实施例中，钻杆130的旋转由水平取向的驱动系统214(例如水平取向的旋转台或侧驱动系统)提供。井方向上的旋转台深度或长度能够在换管期间足以维持钻杆，并且能够抵靠钻台而稳定。
在一些实施例中，抽出操作包括从井筒120抽出一个或多个部件，例如钻柱122。抽出操作通常可以与插入操作相反。例如，参考钻柱122的抽出，动力设备202可定位在井口系统124处或附近的抽出起始位置，钻杆130的顶部(或“井上”)段的尾端213可以联接到动力设备202的前端212。然后，动力设备202可以缩回(沿箭头206的方向)约钻杆130的该段的长度的距离，以将钻柱122(包括钻杆130的顶部段)以该距离拉离和拉出井口系统124和井筒120中的一者或两者。井口通道160的壁可以引导钻杆130从井筒120中抽出的路径。可以从动力设备202的前端212移除钻杆130的该段，并且动力设备202可以再次推进(沿箭头204的方向)到抽出起始位置。钻杆130的下一顶部(或“井上”)段的尾端213可以联接到动力设备202的前端212，动力设备202也可以再次缩回(沿箭头206的方向)约钻杆130的该段的长度的距离，以将钻柱122(包括钻杆130的顶部段)以该距离拉离和拉出井口系统124和井筒120中的一者或两者，钻杆130的顶部(或“井上”)段可以从动力设备202的前端212移除。这样的抽出操作可以重复钻杆130和钻柱122的其他部件的许多段，以将钻杆130和钻柱122的其他部件从井筒120中抽出。可以进行类似的提取操作以从井筒120中抽出各种部件。
在一些实施例中，动力设备202包括可水平前进的动力油缸，例如能够提供如下中的一者或两者的液压或气动驱动的活塞：将部件推进井筒120中所需的大的推力和从井筒120中抽出部件的大的拉力。例如，在动力设备202包括动力油缸的实施例中，动力油缸的活塞可以延伸(例如，通过液压或气动致动)(沿箭头204的方向)成使得活塞的前端212推动抵靠部件(例如，钻柱122)的井上端以将部件推入井筒120中。动力油缸的活塞可以缩回(例如，通过液压或气动致动)，同时联接到部件(例如，钻柱122)的井上端，以将部件拉出井筒120。
在一些实施例中，动力设备202包括可水平前进的车辆，例如能够提供如下中的一者或两者的机车(例如柴油机车)、卡车或拖拉机：将部件推进井筒120中所需的大的推力和从井筒120中抽出部件的大的拉力。例如，在动力设备202包括车辆的实施例中，车辆可以被向前驱动(例如，通过液压或气动致动)(沿箭头204的方向)，使得车辆的前端212推动抵靠部件(例如，钻柱122)的井上端以将部件推入井筒120中。车辆可以被反向驱动，同时联接到部件(例如，钻柱122)的井上端，以将部件拉出井筒120。
在一些实施例中，动力设备202在轨道上行进，类似于在铁路轨道上行进的柴油列车机车的轨道。图2C和图2D是分别示出了根据一个或多个实施例使用轨道的水平取向的井系统106的示例地表系统200a的正视图和俯视图的图。在这样的实施例中，动力设备202可以包括车辆，而动力系统128可以包括水平取向的轨道段208，轨道段208引导车辆的向前和向后运动以将部件分别推进到井筒120中和从井筒120中抽出部件。这种水平取向的轨道段208能够引导车辆的向前和向后运动，以沿线性方向(例如，通常水平地沿箭头204或206的方向并且平行于被插入井筒120或从井筒120移除的部件的纵向轴线)施加推力和拉力，以确保动力沿着被插入井筒120或从井筒120移除的部件的长度纵向传递，并且确保动力不会产生使部件弯曲或变形的足够大的横向力。轨道段208可包括具有长度210的直段，该直段允许车辆使用动力设备202移动等于或大于待安装在井筒120中的最长部件的长度的距离。例如，在使用动力设备202的待安装在井筒120中的最长部件是钻柱122的钻杆130的十米段并且动力设备202是长度为五米的车辆的实施例中，轨道段208可具有至少十五米的长度210，使得动力设备202能够在轨道段208上移动至少十米。这可以提供用于插入和抽出诸如钻杆130的部件的必要的行程长度。
如所讨论的，水平取向的井系统能够提供优于现有的竖向取向的井系统的某些优点。这些优点可以包括以下内容：提供更高的钻柱和钻头的负载的能力，这转而又能够钻出延伸了长度的水平井筒段；通过井筒将流体提升到地表所需的静水压力降低，这转而又能够消除对泵送-千斤顶(或至少更大的/更高的泵送千斤顶)或产生具有在地表上方延伸的高轮廓的人工升举的其他设备的需求；或当与竖向取向的井相比时相对较低的高度轮廓，这能够使水平取向的井系统成为在高度限制阻碍使用常规的竖向取向的钻井和生产系统的位置处的可行选择。
图3是示出了根据一个或多个实施例的不同井轨迹的图。图4A和图4B是示出了根据一个或多个实施例的井轨迹的示例梯度的图。与常规的竖向取向的井系统相比，这些图可以有助于说明水平取向的井系统的某些优点。首先参考图3，该图示出了为了比较而彼此叠加的水平取向的井系统300和竖向取向的井系统302的示例轮廓。水平取向的井系统300可具有水平地表部件304和水平取向的S形状的井筒306。水平地表部件304可包括例如井口系统、动力系统(例如，车辆或动力油缸)或相对短的泵送千斤顶，水平地表部件304具有竖向高度H1。S形状的井筒306可包括水平长度为L1的S部306a和水平长度为L2的水平部306b。竖向取向的井系统302可具有竖向地表部件310和常规的竖向取向的井筒312。竖向地表部件310可包括例如竖向取向的井口系统、竖向取向的钻机或相对高的泵送千斤顶，竖向地表部件310具有竖向高度H2。竖向取向的井筒312可包括竖向部312a和水平长度为L3的水平部312b。
水平取向的井系统300的水平取向的S形状的井筒306的水平部306b可以被钻孔以具有比竖向取向的井系统302的竖向取向的井筒312的水平部312b更大的长度，使得L2大于L3。这可能是在钻井操作期间水平取向的井系统300能够在钻柱122上提供增加的推力的结果。结果，水平取向的井系统300能够从比竖向取向的井系统302更大的水平距离到达目标位置320。例如，水平取向的井系统300的地表部件304可以位于距目标位置320约L1和L2的总和的距离处，而竖向取向的井系统302的地表部件310可以位于距目标位置320等于仅约L3或更小的距离处。除了水平取向的井系统300的水平延伸优点之外，与水平地表部件304相关联的高度(H1)可以显著小于与竖向地表部件310相关联的高度(H2)。结果，水平取向的井系统300在高度限制阻碍使用高地表部件的位置(例如常规的竖向取向钻井系统302的那些部件)处可以为可行的选择。
参考图4A和图4B，关于井轨迹的斜率(或“梯度”)，图4A示出了根据一个或多个实施例的水平取向的井系统300的井筒306的轨迹的示例梯度400的曲线图，以及图4B示出了根据一个或多个实施例的竖向取向的井系统302的井筒312的轨迹的示例性梯度402的曲线图。可以看出，水平取向的井系统300的井筒306的轨迹的梯度400可以保持为相对低的(例如，不超过约0.25的值)，而竖向取向的井系统302的井筒312的轨迹的梯度402可以为相对高的(例如，达到约1的最大值，对应于真垂直(true vertical))。可以理解，更低的梯度可以减小将流体提升到地表108所需的静水压力，并且可以减小支撑井筒306中的部件(例如，钻柱)的力以及从井筒306中抽出部件的力。如所讨论的，通过井筒306将流体提升到地表所需的相对低的静水压力能够消除对泵送-千斤顶(或至少更大和更高的泵送千斤顶)或用于产生可以延伸到地表108上方的人工提升的其他装置的需求。而且，用于支撑井筒306中的部件(例如，钻柱122)的减小的力和从井筒306中抽出部件的减小的力能够消除对用于支撑和抽出部件的较大的动力设备(或其他设备)的需求。
如这里所述，井口系统124可以为井106的钻井和生产设备提供结构和压力容纳界面。例如，井口系统124可以包括抵抗竖向力和水平力以及流体力的固定结构组件，竖向力和水平力例如通过与井部件(例如前进通过井口系统124时的钻杆130)的机械相互作用所施加的力，流体力例如由井筒120中的高压生产流体所产生的力。至关重要的是，在井106的开发期间，井口系统124保持结构完整性并保持静止，因为井口系统124的移动能够产生级联问题。例如，即使井口系统124的相对小的移动也会导致井筒120中的套管移动，这转而又可能导致套管周围的套管水泥破裂或与地层分离。套管的完整性的这种破坏可能导致井的失效，包括物质不受控制地绕过套管。在一些实施例中，井口系统124采用刚性结构，该刚性结构固定在适当位置以防止井口系统124的不期望的移动。
图5A和图5B是分别示出了根据一个或多个实施例的水平取向的井系统106的示例井口系统124的正视图和俯视图的图。在一些实施例中，井口系统124包括井口主体502。井口主体502可包括安装在井筒120的入口点133处或附近的单元。例如，井口主体502可包括矩形单元，该矩形单元具有约5-10米(m)的高度504、约3-5米的宽度506和约10-50米的长度508，井口主体502包括形成在井口主体502中的井口通道160。
井口主体502可具有足够的长度以便于井口通道160具有渐变曲率，使得井口通道160能够在井口主体502的竖向取向侧(例如，在井口入口162处)以水平取向进入，并且从井口主体502的水平取向的下侧(例如，在井口出口163处)以更竖向取向离开。例如，如果井口通道160需要约30米的长度以从水平取向过渡到更竖向取向，井口主体502可以具有约50米的长度以容纳井口通道160的水平跨度。井口主体502可具有足够的高度以便于井口通道160具有渐变曲率，使得井口通道160能够在井口主体502的竖向取向侧(例如，在井口入口162处)以水平取向进入，并且从井口主体502的水平取向的下侧(例如，在井口出口163处)以更竖向取向离开。例如，如果井口通道160需要约7米的高度以从水平取向过渡到更竖向取向，则井口主体502可以具有约10米的高度以适应井口通道160的竖向跨度。
在一些实施例中，井口主体502的至少一部分安装在地表108下方。例如，井口主体502可以安装在约2-5米的深度510处。在地表108(或“地下”)下方安装井口主体502的至少底部部分能够约束井口主体502的水平(或“侧向侧”)移动。井口主体502在地表108上方延伸的部分可以称为井口主体502的“顶部”或“上部”部分，而井口主体502在地表108下方延伸的部分可以称为井口主体502的“底部”或“下部”部分。
在一些实施例中，井口主体502由相对重的材料形成。例如，井口主体502可以由混凝土或钢形成。使用相对重的材料可导致井口主体502具有相对高的重量，一旦安装，这能够有助于防止井口主体502和井口系统124的移动。
在一些实施例中，井口主体502包括基脚。例如，井口主体502可包括基脚512，基脚512包括从井口主体502的一些或所有竖向侧的基部沿水平方向延伸的横向突起。基脚512可具有约1-3m的宽度514，宽度514由基脚512从井口主体502的竖向侧延伸的距离限定。基脚512可以从井口主体502的每个竖向侧以相等或不同的距离延伸。当安装井口主体502时，基脚512的顶表面(或“肩部”)516可以位于地表108下方，并且可以用另一种材料(例如泥土、岩石或混凝土)覆盖，以约束井口主体502和井口系统124的竖向(或“上下”)移动。
在一些实施例中，井口主体502在钻井现场形成并随后安装。例如，井口主体502可以在场外预制，或甚至在井场预制，在地表108中在井筒120的入口点133处或附近形成井口凹陷(或“井口孔”)518(例如，至少井口主体502的长度和宽度的孔，并且孔的深度对应于井口主体502的底部将被浸没在地表108下方的深度)，并且将井口主体502输送到并安装在井口凹陷518中。在安装期间，填充材料520(例如泥土、岩石或混凝土)可定位在井口主体502的外部周围以将井口主体502固定在适当位置。在一些实施例中，井口主体502在钻井现场就地形成。例如，可以在地表108中在井筒120的入口点133处或附近形成井口凹陷518，可以将模具(或“模板”)安装在井口凹陷518中和周围，可以将材料(例如作为水泥)浇注到模具中以在井口凹陷518中就地形成井口主体502。一旦井口主体502已经固化，可以移除模具并且可以根据需要将填充材料520(例如泥土、岩石或混凝土)定位在井口主体502的外部周围，以将井口主体502固定在适当位置。
在一些实施例中，在井口主体502中预先形成井口通道160中的一些或全部。例如，在井口主体502安装在井场的井口凹陷518中之前，井口通道160可以在井口主体502形成时形成(例如，模制或钻孔)在井口主体502中。这种技术能够消除在井口主体502安装在井场之后对钻井口通道160的需求。在一些实施例中，在井口主体502安装在井场之后，在井口主体502中形成井口通道160中的一些或全部。例如，在井口主体502安装在井场的井口凹陷518中之后，可以穿过井口主体502钻出井口通道160。这种技术能够以适应特定井的需求的方式为井操作者提供钻井口通道160的灵活性。作为另一示例，在井口主体502安装在井场的井口凹陷518中之前，井口通道160的第一部分(例如，包括吊架段)在井口主体502形成时形成在井口主体502中，在井口主体502安装在井场的井口凹陷518中之后，穿过井口主体502钻出井口通道160的剩余部分。这种技术能够消除在井场形成井口通道160的复杂特征的需求，同时仍然以适应特定井的需求的方式为井操作者提供钻井口通道160的井下部的灵活性。
在一些实施例中，井口通道160包括通道衬里521。通道衬里521可包括作井口通道160衬里的套筒或管，以在部件移动通过井口主体502的井口通道160时便于部件相对于井口通道160的井的滑动。通道衬里521可以由钢、钛、塑料或陶瓷形成。在一些实施例中，通道衬里521是可移除的。因此，例如，可以移除已经磨损的第一通道衬里521，并且能够安装新的或者未磨损的第二通道衬里521，以便于部件通过井口通道160的移动。这种通道衬里521能够保护形成井口通道160的井口主体502的壁免受磨损。因此，例如，井口主体502可以由易于磨损的相对重的、低成本的材料(例如混凝土或低等级钢)形成，通道衬里521可以由耐磨材料(例如高强度钢或钛)形成，这对于抑制井口主体502形成井口通道160的壁的磨损提供了有成本效益的解决方案。在一些实施例中，通道衬里521可用于保护井口主体502和井口通道160的某些特征。例如，如果井口通道160包括吊架段(例如，具有如参照至少图6A和图6B所描述的套管和生产管肩部)，则在第一组钻井操作期间，可以安装覆盖至少吊架段的第一通道衬里521以防止钻柱122损坏吊架段，并且可以安装覆盖井口通道160的剩余部分的第二通道衬里521以防止钻柱损坏井口通道160从吊架段井下的部分。一旦井筒120准备好安装套管，就可以移除第一通道衬里521以露出吊架段，并且套管吊架和生产吊架可以分别安装到吊架段的套管肩部和生产管肩部。
在一些实施例中，井口系统124包括井口稳定器522。例如，井口系统124可包括井口稳定器522，井口稳定器522包括放置在井口主体502的顶部上方的保持架523。保持架523可以具有横向延伸部524，横向延伸部524通过紧固设备528固定到地表108，紧固设备528距离井口主体502的侧面一定距离526(例如，5m或更远)安装在基脚512的范围之外(f theextent of the footing 512)。井口稳定器522可将井口主体502固定在适当位置，以约束井口主体502和井口系统124的水平或竖向移动。保持架523可以包括一个或多个横向保持架元件530或一个或多个纵向保持架532元件，横向保持架元件530横向延伸穿过井口主体502的顶部的宽度，纵向保持架532元件纵向延伸穿过井口主体502的顶部的长度。在一些实施例中，横向或纵向保持架元件530或532包括围绕井口主体502的外部竖立的刚性结构，例如钢梁。在一些实施例中，横向或纵向保持架元件530或532包括围绕井口主体502的上部的外部拉伸的柔性结构，例如钢缆。紧固设备528可包括延伸到地表108中并联接到保持架523以约束保持架523的水平或竖向移动的螺纹紧固件、钉或桩。由井口稳定器522提供的固定力可允许井口主体502的尺寸或重量保持为相对低的，因为井口稳定器522的固定力可有益于井口主体502或基脚512的重量，以约束井口主体502和井口系统124的水平或竖向移动。井口主体502的相对低的重量或尺寸能够减少形成井口主体502所需的材料，并且可以便于井口主体502的输送，有助于减少形成和安装井口系统124的时间和成本。
在一些实施例中，井口系统124的井口通道160包括便于安装钻井和完井部件(例如井筒套管和生产管)的各种特征。例如，井口通道160可包括吊架段，该吊架段包括用于在井筒120中安装(或“悬挂”)套管的套管肩部或用于在井筒120中安装(或“悬挂”)生产管的生产肩部。
图6A和图6B是分别示出了根据一个或多个实施例的包括井口通道160的示例井口系统124的正视图和俯视图的图。在一些实施例中，井口通道160包括吊架段602。吊架段602可包括井口通道160的一部分，该部分适于提供井筒120内套管或生产管的固定。
在一些实施例中，吊架段602位于井口通道160的井上部160a中。例如，吊架段602可以从井口入口162延伸到井口主体502中。在井口通道160的井上端设置吊架段602能够提供相对容易的进入吊架段602和安装在吊架段602中的部件，例如套管吊架、生产管吊架、套管和生产管。这能够有助于降低与吊架段602或安装在吊架段602中的部件的安装、检查或维护相关的成本和复杂性。
在一些实施例中，吊架段602是水平取向的直段。例如，吊架段602可以限定井口通道160的具有直的水平取向的井上部160a，井上部160a终止于井口通道160的的井下部160b，井下部160b提供从水平取向到井筒120在井筒120的入口点133或井口出口163处或附近的大致水平轨迹的逐渐过渡，例如向下弯曲。在一些实施例中，吊架段602包括套管吊架段604和生产吊架段606。套管吊架段604可包括套管吊架肩部610。在套管安装操作期间，可以通过井口通道160安装套管，套管吊架的固定到套管的井上端的肩部可以与套管吊架肩部610接合，使得套管吊架肩部610支撑从套管吊架向井下延伸的套管的重量。套管吊架段604可以由井口通道160的一部分限定，该部分具有的直径612大于井口通道160的直径164。例如，直径612可以为约25英寸。生产管吊架段606可包括生产管吊架肩部620。在生产管安装操作期间，生产管可以通过井口通道160安装在已安装的套管内部，生产管吊架的固定到生产管的井上端的肩部可以与生产管吊架肩部620接合，使得生产管吊架肩部620支撑从生产管吊架向井下延伸的生产管的重量。生产管吊架段606可以由井口通道160的一部分限定，该部分具有的直径622大于井口通道160的直径164或套管吊架段604的直径612。例如，直径622可以为约30英寸。
尽管为了清楚起见，井口系统124的某些实施例彼此独立地描述，但是实施例可以结合不同实施例的特征。例如，井口系统124可包括井口主体502，井口主体502具有基脚512并被保持架523围绕，如参照图5A和图5B所示的，并且井口主体502具有带有吊架段602的井筒120，如参照图6A和图6B所示的。这些特征的组合可以提供安全的井口组件124，其引导S形状的井筒120的钻井，这便于井筒120中的套管和生产管的安装和固定，并且提供坚固且稳定的基础以约束井筒120中套管的损坏。图7是示出了根据一个或多个实施例的钻井和操作水平取向的井系统的方法700的流程图。方法700通常可包括：为水平取向的井系统安装地表钻井系统(方框702)；钻出S形状的井筒(方框704)；安装地表生产部件(方框706)；以及进行生产操作(方框708)。
在一些实施例中，为水平取向的井系统安装地表钻井系统(方框702)包括安装地表部件以便于钻出S形状的井筒。例如，为水平取向的井系统安装地表钻井系统可包括安装井口系统124，以及钻控系统126，钻控系统126包括动力系统128和控制系统134。井口系统124的安装可以包括如所述的安装井口主体502，如所述的安装井口稳定器522，或者如所述的形成井口通道160(例如，包括吊架段602)。动力系统128可包括动力设备202，例如车辆或动力油缸。
在一些实施例中，钻出S形状的井筒(方框704)包括使用安装的地表钻井系统钻出S形状的井筒120。例如，钻出S形状的井筒可以包括相继插入并推进钻柱122的部件(例如，包括钻杆130的段)到井筒120中以沿着井筒120的轨迹推进钻头132。这可以包括操作动力系统128以在钻柱122上提供大致水平的动力，该动力由井口系统124的井口通道160沿着钻柱122的长度引导。在一些实施例中，控制系统134控制动力系统128和水平取向的驱动系统214的操作，以使钻头132遵循对应于期望的S形状的轨迹的路径。例如，控制系统134可以控制动力系统128和水平取向的驱动系统214的操作，以向钻柱122提供推力和旋转的合适组合，使钻头132遵循对应于期望的S形状的井轨迹的路径。井筒轨迹可以类似于参照至少图1描述的井筒120的轨迹。例如，井筒120可包括S部140和水平部142。S部140可包括第一(或“上部”)S部140a和第二(或“下部”)S部140b。第一S部140a可以包括向下弯曲的井筒轨迹，该向下弯曲的井筒轨迹具有逐渐增加的斜率(相对于水平面)，而第二S部140b可以包括向上弯曲的井筒轨迹，该向上弯曲的井筒轨迹具有逐渐减小的斜率(相对于水平面)，其终止于井筒120的水平部142。井筒120的水平部142可以以大致水平的轨迹延伸，例如，从水平面起穿过地层104和储层102中的一者或两者具有约+/-15°的斜率(或“梯度”)。井筒120的水平部142可以例如遵循储层102的水平轮廓。
在一些实施例中，安装地表生产部件(方框706)包括安装适合于通过水平取向的井从储层中提取烃的设备。例如，如果储层压力足够高至使得烃(例如，石油和天然气)以适当的速率通过井筒120从储层102流到地表108，则安装地表生产部件可包括将采油树安装到井口系统124。这样的井口系统124和采油树可以通过井筒120控制从储层102生产的流速和压力，并且将产品发送到分配网络，例如将产品供应到炼油厂、出口码头等的罐、管道和运输车辆。如果储层压力不高到足以使烃以适当的速率通过井筒120从储层102流到地表108，则安装地表生产部件可包括在井口系统124处安装提升设备(例如，泵送千斤顶)来提供人工提升，以通过井筒120从储层102中抽取烃。在一些实施例中，与采油树一起提供提升装置。
在一些实施例中，进行生产操作(方框708)包括从水平取向的井中生产烃。例如，进行生产操作可以包括使控制系统134操作安装的采油树和提升设备中的一者或两者，以提供烃从储层中经由井筒120的受控的提取。可以将生产的烃发送到生产分配网络。
图8是示出了根据一个或多个实施例的示例计算机系统(或“系统”)1000的图。在一些实施例中，系统1000为可编程逻辑控制器(PLC)。系统1000可以包括存储器1004、处理器1006和输入/输出(I/O)接口1008。存储器1004可以包括非易失性存储器(例如，闪存、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、带电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM))、或大容量存储器(例如，CD-ROM或DVD-ROM、硬盘驱动器)。存储器1004可以包括非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质具有存储在存储器1004中的程序指令1010。程序指令1010可以包括程序模块1012，程序模块1012可由计算机处理器(例如，处理器1006)执行以进行所述的功能操作，例如关于控制系统134和方法700中的至少一者或两者所述的那些功能操作。
处理器1006可以是能够执行程序指令的任何合适的处理器。处理器1006可以包括中央处理单元(CPU)，中央处理单元执行程序指令(例如，程序模块1012的程序指令)以执行所述的算术、逻辑和输入/输出操作。处理器1006可以包括一个或多个处理器。I/O接口1008可以提供用于与一个或多个I/O设备1014通信的接口，I/O设备1014例如为操纵杆、计算机鼠标、键盘或显示屏(例如，用于显示图形用户界面(GUI)的电子显示器)。I/O设备1014可以包括一个或多个用户输入设备。I/O设备1014可以通过有线连接(例如，工业以太网连接)或无线连接(例如，Wi-Fi连接)连接到I/O接口1008。I/O接口1008可以提供用于与一个或多个外部设备1016(例如其他计算机和网络)通信的接口。在一些实施例中，I/O接口1008包括天线和收发器中的一者或两者。在一些实施例中，外部设备1016包括动力设备202、水平取向的驱动系统214和井下传感器中的一个或多个。
鉴于本说明书，本领域技术人员将清楚本公开的各个方面的进一步修改和替代实施例。因此，该描述仅被解释为说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施实施例的一般方式。应理解，本文示出和描述的实施例的形式将被视为实施例的示例。元件和材料可以代替本文示出和描述的元件和材料，可以颠倒或省略部件和工艺，并且可以独立地利用实施例的某些特征，在得益于实施例的该描述后，所有这些对于本领域技术人员来说都是明白易懂的。在不脱离所附权利要求中描述的实施例的精神和范围的情况下，可以对本文描述的元件进行改变。此处使用的标题仅用于组织目的，并不意味着用于限制说明书的范围。
应当理解，本文描述的过程和方法是可以根据本文描述的技术采用的过程和方法的示例实施例。可以修改过程和方法以便于其实现和使用的变化。可以改变所提供的过程和方法以及操作的顺序，并且可以增加、重新排序、组合、省略、修改各种元件等。可以用软件或硬件实现部分过程和方法。过程和方法的一些或所有部分可以由本文描述的处理器/模块/应用中的一个或多个来实现。
如在本申请全文中所使用的，词语“可以”以允许的含义(即，意味着具有潜力)使用，而不是强制含义(即，意味着必须)。词语“包括”意味着包括但不限于。除非上下文另有明确说明，否则如本申请全文中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也包括复数对象。因此，例如，对“一个元件”的引用可以包括两个或更多个元件的组合。除非另有说明，否则如本申请全文中所使用的术语“或”以包含的含义使用。也就是说，包括A或B的元件的描述可以指包括A和B中的一个或两个的元件。如本申请全文中所使用的，短语“基于”不将相关操作限制为仅基于特定项目。因此，例如，“基于”数据A的处理可以包括至少部分地基于数据A并且至少部分地基于数据B的处理，除非文中另有明确说明。如在本申请全文中所使用的，术语“从(from)”不限制相关操作为直接来自。因此，例如，从“实体”接收项目可以包括直接从实体接收项目或者间接地从实体接收项目(例如，通过中间实体)。除非另外特别说明，否则从讨论中可以明显看出，应当理解，在整个说明书讨论中使用的术语诸如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”等指的是特定装置(例如专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备)的动作或处理。在本说明书的上下文中，专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备能够操纵或转换信号，该信号通常表示为专用计算机或类似的专用电子处理/计算设备的存储器、寄存器或其他信息存储设备、传输设备或显示设备中的物理、电子或磁性量。

Claims (31)

1.一种烃井钻井系统，包括：
井口系统，其包括设置在地表处的井口主体，所述井口主体包括井口通道，所述井口通道构造成将钻柱从水平取向引导至具有S形井轨迹的井筒的向下倾斜取向，所述井口通道从所述井口主体的竖向取向侧处的井口入口延伸到所述井口主体的水平取向的下侧处的井口出口；
钻柱，其构造成穿过所述井口通道，所述钻柱包括水平取向的起始端和钻头，所述钻头构造成钻孔穿过地下地层以形成具有S形井轨迹的井筒，所述井筒包括：
第一S部，其从所述井口出口延伸到所述井筒的拐点，所述拐点位于所述井口出口的井下处，所述井筒的第一S部包括第一轨迹，所述第一轨迹在所述井筒的井口出口处大致水平并且所述第一轨迹在所述拐点处的斜率增加至第一梯度；和
第二S部，其从所述井筒的拐点延伸到所述井筒的过渡点，所述过渡点位于所述拐点的井下处，所述井筒的第二S部包括第二轨迹，在所述拐点处所述第二轨迹与所述井筒的第一S部的所述第一梯度相一致并且所述第二轨迹在所述过渡点处的斜率减小至第二梯度；以及
钻控系统，其包括：
动力系统，其构造成向所述钻柱的水平取向的起始端施加水平动力以产生便于所述钻头钻孔穿过所述地下地层的力，从而形成具有所述S形井轨迹的所述井筒。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述井口主体部分地设置在所述地表下方，使得井口入口设置在所述地表上方，而所述井口主体的水平取向的下侧设置在所述地表下方。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述井口系统包括井口稳定器，所述井口稳定器包括设置在所述井口主体的上部上方的保持架，以约束所述井口主体的水平或竖向移动。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述保持架包括固定到所述地表的延伸部。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述保持架包括一个或多个横向保持架元件和一个或多个纵向保持架元件，所述横向保持架元件横向延伸穿过所述井口主体的上部，所述纵向保持架元件纵向延伸穿过所述井口主体的上部。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述井口通道包括井上部和井下部，所述井上部具有水平取向的轨迹，所述井下部具有向下倾斜轨迹，该向下倾斜轨迹终止于所述井口出口。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述井口通道的井上部包括吊架段，所述吊架段包括一个或多个集成肩部，用于支撑设置在所述井筒中的部件。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述井口通道的井下部具有第一内径，并且其中，所述吊架段包括以下部分：
由所述井口通道的井上部的套管吊架部限定的套管吊架肩部，其具有比所述第一内径大的第二内径；以及
由所述井口通道的井上部的生产管吊架部限定的生产管吊架肩部，其具有比所述第二内径大的第三内径，所述生产管吊架部位于所述套管吊架部的井上处。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述动力系统包括构造成沿水平方向前进以向所述钻柱的起始端施加水平动力的车辆。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述动力系统包括构造成沿水平方向前进以向所述钻柱的起始端施加水平动力的动力油缸。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述第一轨迹在所述井口出口处的大致水平部包括与水平方向成5°至30°范围内的入口角。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述第一轨迹在所述井筒的拐点处的所述第一梯度包括与竖向方向成0°至45°范围内的拐角。
13.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述第二轨迹在所述过渡点处的所述第二梯度包括与水平方向成0°至10°的过渡角。
14.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，所述井筒包括从所述井筒的所述过渡点延伸的所述井筒的水平部，所述井筒的水平部包括第三轨迹，在所述过渡点处所述第三轨迹与所述井筒的第二S部的第三梯度相一致并且所述第三轨迹具有沿着其长度的水平梯度。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述井筒的水平部的水平梯度包括与水平方向成0°至15°的梯度。
16.一种钻出烃井的方法，所述方法包括：
安装井口系统，包括在地表处设置井口主体，所述井口主体包括井口通道，所述井口通道构造成将钻柱从水平取向引导至具有S形井轨迹的井筒的向下倾斜取向，所述井口通道从所述井口主体的竖向取向侧处的井口入口延伸到所述井口主体的水平取向的下侧处的井口出口；
将钻柱插入所述井口通道中，所述钻柱包括水平取向的起始端和钻头；以及
向所述钻柱的水平取向的起始端施加水平动力以产生使所述钻头钻孔穿过地下地层的力，从而形成具有S形井轨迹的所述井筒，所述井筒包括：
第一S部，其从所述井口出口延伸到所述井筒的拐点，所述拐点位于所述井口出口的井下处，所述井筒的第一S部包括第一轨迹，所述第一轨迹在所述井筒的井口出口处大致水平并且所述第一轨迹在所述拐点处的斜率增加至第一梯度；和
第二S部，其从所述井筒的拐点延伸到所述井筒的过渡点，所述过渡点位于所述拐点的井下处，所述井筒的第二S部包括第二轨迹，在所述拐点处所述第二轨迹与所述井筒的第一S部的所述第一梯度相一致并且所述第二轨迹在所述过渡点处的斜率减小至第二梯度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述地表处设置所述井口主体包括将所述井口主体的下部设置在所述地表下方，使得所述井口入口设置在所述地表上方，而所述井口主体的水平取向的下侧设置在所述地表下方。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，安装所述井口系统包括安装井口稳定器，所述井口稳定器包括设置在所述井口主体的上部上方的保持架，以约束所述井口主体的水平或竖向移动。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述保持架包括固定到所述地表的延伸部。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述保持架包括一个或多个横向保持架元件和一个或多个纵向保持架元件，所述横向保持架元件横向延伸穿过所述井口主体的上部，所述纵向保持架元件纵向延伸穿过所述井口主体的上部。
21.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述井口通道包括井上部和井下部，所述井上部具有水平取向的轨迹，所述井下部具有向下倾斜轨迹，该向下倾斜轨迹终止于所述井口出口。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述井口通道的井上部包括吊架段，所述吊架段包括一个或多个集成肩部，用于支撑设置在所述井筒中的部件。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述井口通道的井下部具有第一内径，并且其中，所述吊架段包括：
由所述井口通道的井上部的套管吊架部限定的套管吊架肩部，其具有比所述第一内径大的第二内径；以及
由所述井口通道的井上部的生产管吊架部限定的生产管吊架肩部，其具有比所述第二内径大的第三内径，其中，所述生产管吊架部位于所述套管吊架部的井上处。
24.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，向所述钻柱的水平取向的起始端施加水平动力包括使车辆沿水平方向前进以向所述钻柱的起始端施加所述水平动力。
25.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，向所述钻柱的水平取向的起始端施加水平动力包括使动力油缸沿水平方向前进以向所述钻柱的起始端施加所述水平动力。
26.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述第一轨迹在所述井口出口处的大致水平部包括与水平方向成5°至30°范围内的入口角。
27.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述第一轨迹在所述井筒的拐点处的所述第一梯度包括与竖向方向成0°至45°范围内的拐角。
28.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述第二轨迹在所述过渡点处的所述第二梯度包括与水平方向成0°至10°的过渡角。
29.根据权利要求16-20中任一项所述的方法，其中，所述井筒包括从所述井筒的所述过渡点延伸的水平部，所述井筒的水平部包括第三轨迹，在所述过渡点处所述第三轨迹与所述井筒的第二S部的第三梯度相一致并且所述第三轨迹具有沿着其长度的水平梯度。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述井筒的水平部的水平梯度包括与水平方向成0°至15°的梯度。
31.一种钻出烃井的方法，所述方法包括：
安装井口系统，所述井口系统包括井口通道，所述井口通道从所述井口系统的井口主体的竖向取向侧中的井口入口点延伸到所述井口主体的水平取向的下侧中的井口出口点；以及
使钻柱穿过所述井口通道以钻出水平取向的烃井，所述烃井包括S形状的井筒，所述S形状的井筒包括上部S部和下部S部，所述上部S部包括向下弯曲的井筒轨迹，所述下部S部包括向上弯曲的井筒轨迹，
所述上部S部具有第一轨迹，所述第一轨迹包括在所述井口出口点处的大致水平的梯度并且所述第一轨迹向下的梯度在拐点处增加至竖向梯度，并且
所述下部S部具有第二轨迹，所述第二轨迹包括在所述拐点处的竖向梯度并且所述第二轨迹向下的梯度在所述井筒的水平过渡点处减小至大致水平梯度。
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