CN101166888A - 通过地层坍塌接近地下资源 - Google Patents

Abstract

通过形成从地面12延伸进入地下区域14的井筒10可以从地面12接近地下区域14。井筒10内提供管柱32，扩孔器40通过管柱32到达地下区域14的特定位置。运行扩孔器在井筒内形成了扩大腔体44，管柱32周围的地下区域14坍塌。可以降低扩大腔体44内的压力以利于地下区域14在管柱32周围坍塌。管柱32在被定位在井筒10之前或之后提供有孔眼46，以允许流体流入管柱32内部。来自地下区域14的流体可以通过管柱32抽出。

Description

通过地层坍塌接近地下资源

相关申请的参考

本申请要求以下优先权：申请号为11/019,694、名称为“扩大具有油管的井筒”的美国申请；申请号为11/019,748、名称为“穿孔管”的美国申请；申请号为11/019,757、名称为“通过地层坍塌接近地下资源”的美国申请。

技术领域

本申请通常涉及地下资源的开采，更具体地，本申请涉及从地下储层开采资源的系统、装置和方法。

背景技术

煤的地下储层，也称作煤层，包括大量附连资源，例如煤层气(包括甲烷气或其它天然产生的气体)。从煤层中生产和使用煤层气已经出现了许多年。但是，实质的障碍阻碍了煤层中煤层气储层的更大量的开发和使用。

在过去，煤层气是通过多个从地面钻入地下储层的垂直井开采的。煤层可以延伸穿过大于几千英亩的范围。钻入煤层获取甲烷气的垂直井仅能开采井周围煤层内非常小的半径内。因此，为了有效地开采煤层气储层，必须钻很多垂直井。很多时候，预期能开采气体的价值不能证明钻许多垂直井的成本是合理的。

为了扩大暴露于用于开采气体的钻孔的煤层的数量，已经尝试了水平钻井模式。但是，水平钻井模式需要复杂昂贵的钻井设备，例如，用于跟踪钻头位置和定向钻排水模式的设备。因此，钻水平井模式是昂贵的，其成本必须由开采气体的价值来证明其合理性。

发明内容

目前的公开集中于通过促进地下区域坍塌进入井筒的方法接近具有井筒的地下区域。井筒上提供有管柱，通过管柱可以开采来自地下区域的流体。

本发明一个示意性的实施例包括从地面接触地下区域的方法。在该方法中，形成一从地表面进入地下区域的井筒。在井筒中提供管柱。该井筒被扩大到选定的尺寸以使管子周围至少一部分地下区域坍塌。此后，可以使用管子从地下区域开采流体。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括当管柱在井筒内时对管柱穿孔。井筒内的流体压力可以被降低以促进井筒周围至少一部分地下区域的坍塌。在一些例子中，压力可以从过平衡状态降低到欠平衡状态。该方法可以应用到包括煤层的地下区域中。在一些例子中，形成井筒包括形成从地面进入地下区域的第一井筒和形成穿过第一井筒的基本上水平的第二井筒。该方法还进一步包括形成穿过第一井筒的基本上水平的第三井筒。第一井筒可以基本上垂直、倾斜或其它方式延伸。第一井筒在它端部可以包括鼠洞。

本发明另一个示意性实施例包括从地表面接近地下区域的系统。该系统包括从地面进入地下区域的井筒。井筒内存在管柱。井筒包括扩大的腔体，其尺寸选定为能使地下区域在管柱上向里坍塌。

在一些实施例中，扩大腔体的尺寸可以这样选择，当腔体内压力过平衡时，腔体保持基本上稳定，基本上不向里坍塌，并且当腔体内压力降低时坍塌。扩大腔体的尺寸可以被选择以便当腔体内的压力被降低到欠平衡时坍塌。尺寸可以包括扩大腔体横向的尺寸。管柱可以锚定在井筒内。井筒可以包括第一部分，其从连接的地表延伸到定向为基本水平的第二部分。第一部分延伸超过第二部分以限定水坑。第一部分基本上垂直或倾斜。井筒包括多个与主钻孔连通的水平定向的钻孔，管柱可以包括多个管柱。地下区域可以包括煤层。

另一个示意性实施例包括在井筒中用于形成腔体的扩孔器。该扩孔器包括液压马达，该马达具有围绕纵轴布置的第一主体和第二主体。当流体通过第一和第二主体之间时，第一主体适于围绕纵轴相对于第二主体旋转。液压马达更进一步限定了纵向管子通道，该通道适于允许液压马达通过管柱。扩孔器也包括至少一个连接的切削臂，其与液压马达的第一主体一起旋转。至少一个切削臂径向延伸至与井筒内部啮合来形成腔体。

在一些示意性扩孔器的实施例中，至少一个切削臂枢轴连接到第一主体以便当受到离心力时径向向外旋转。至少一个切削臂从径向收回位置延伸，该径向收回位置适于允许扩孔器通过井筒。

另一个示意性实施例包括在井筒内形成腔体的方法。该方法中，扩孔器通过井筒内的管柱到达腔体的期望位置。流体流过扩孔器以运行扩孔器来形成腔体。

在示意性方法的一些实施例中，运行扩孔器包括把至少一个切削臂从收回位置到延伸位置径向向外延伸，其中收回位置使得扩孔器能够通过井筒的内部，在延伸位置至少一个切削臂与井筒内部啮合。在一些例子中，把至少一个切削臂从收回位置到延伸位置径向向外延伸包括旋转部分扩孔器，这样离心力作用在至少一个切削臂上以径向向外转动至少一个切削臂。旋转部分切削臂包括使流体流动通过扩孔器的容积式马达。该方法进一步包括使扩孔器通过管柱以从井筒收回扩孔器。运行形成腔体的扩孔器包括在一个选定的横向尺寸运行形成腔体的扩孔器以使腔体坍塌。

另一个示意性实施例包括用于给井筒内的管柱穿孔的装置。该装置包括适于容纳在管柱内的管状壳体。至少一个穿孔主体位于壳体内，并且其具有适于穿透管柱的尖端。活塞容纳在壳体内并配置成这样：施加到活塞第一边的压力使活塞在第一方向上移动。致动主体容纳在壳体内并配置成与活塞一起在第一方向上移动。致动主体具有斜的楔形表面，当致动主体在第一方向上被移动时，该斜的楔形表面适合于径向向外楔入至少一个穿孔主体以穿透管柱。

在示意性穿孔装置的实施例中，弹簧适于在基本上与第一方向相反的第二方向上移动致动主体。该壳体可以具有至少一个穿过其侧壁的窗口，至少一个穿孔主体的尖端在穿透管柱时延伸穿过至少一个窗口。至少一个穿孔主体可以由窗口的边缘表面导向。至少一个穿孔主体可以包括适于与致动主体的外形互锁的外形。该外形相对于致动主体径向保持至少一个穿孔主体。斜的楔形表面包括基本上为圆锥形的表面，至少一个穿孔主体包括多个围绕基本上为圆锥形表面布置的穿孔主体。

另一个示意性实施例包括对管柱和井筒穿孔的方法。在该方法中，连接到工作管柱的穿孔工具定位在管柱内部。穿孔工具具有活塞和至少一个适于穿透管柱的穿孔主体。通过工作管柱向活塞施加压力以移动活塞。响应于活塞的移动，至少一个穿孔主体径向向外延伸以穿透管柱。

在一些示意性方法的实施例中，径向向外延伸至少一个穿孔主体包括响应于活塞的移动而移动楔形致动器和与楔形致动器主体一起径向向外挤入至少一个穿孔主体。该方法进一步包括径向向里收回至少一个穿孔主体，在管柱内部定位穿孔工具和第二位置，重复向活塞施加压力的步骤，延伸至少一个穿孔主体以在第二位置穿透管柱。

另一个示意性实施例包括从地面接近地下区域的方法。在该方法中，形成一从地面进入地下区域的井筒。在井筒内提供管柱。扩孔器穿过管柱到达地下区域内的特定位置。运行扩孔器在井筒内形成扩大的腔体。降低扩大腔体内的压力以利于管子周围的地下区域坍塌。在管柱上提供开口以允许流体进入管柱内部。

本发明一个或多个示意性实施例的细节在下面的附图和描述中说明。本发明的其它特征、目的和优势通过描述和附图以及从权利要求变得明显。

附图说明

现在下面与附图结合的描述中作了附图标记，其中相同的附图标记代表相同的部件：

附图1是描述了根据本发明在地层中形成示意性井筒的横截面图；

附图2A是描述了根据本发明地层中另一示意性井筒的横截面图，该井筒与附图1中的类似，但是具有水坑；

附图2B是描述了根据本发明的地层中另一示意性井筒的横截面图；

附图3是根据本发明的附图1中其中接纳管柱的示意性井筒的横截面图；

附图4是根据本发明的围绕附图1的示意性井筒钻出的扩大腔体的横截面图；

附图5是根据本发明的附图4中围绕管柱坍塌的扩大腔体的横截面图；

附图6A是根据本发明的附图4中围绕管柱坍塌的扩大腔体及通过管柱生产流体的横截面图；

附图6B是根据本发明的管柱中示意性开口的详细横截面图；

附图7是根据本发明完成井的示意性方法的流程图；

附图8A是根据本发明的示意性腔体切削工具的横截面图；

附图8B是附图8A中示意性腔体切削工具沿剖面线B-B方向的横截面图；

附图8C显示附图8A中示意性腔体切削工具切削臂收回的横截面图；

附图9A是根据本发明的示意性管道穿孔工具的分解图；

附图9B显示了附图9A中示意性管道穿孔工具在楔子径向延伸时的透视图；

附图9C显示了附图9A中示意性管道穿孔工具在楔子径向收回时的透视图。

具体实施方式

参见附图1，钻出根据本发明的示意性井筒10以从地面12延伸到地下区域14，例如地下煤层。井筒10可以限定从地面12延伸的主要或第一部分16，至少部分与地下区域14重合的第二部分18，和与部分16和18相交的弯曲或圆角部分20。在一些情况下，如附图2A和2B所示，第一部分16可以钻到延伸通过弯曲部分20以限定水坑22和/或提供通向另外的地下区域14的通道，例如，通过钻另外的弯曲部分20和第二部分18。此外，尽管第一部分16在附图1中显示为基本上垂直，第一部分16可以相对于地面12成任何角度以适应地面12的几何特征和状态、地下区域14的几何结构或状态，或者例如井筒附近的其他情况的其它有关因素。例如，附图2B中第一部分16的角度适应从相同的地面区域或相同的钻台钻的邻近井筒10。

重新参见附图1，第二部分18基本上位于地下区域的平面内。在附图1中，地下区域14的平面显示为基本上水平，因此产生基本上水平的第二部分18。但是，在地下区域14相对于水平方向上下倾斜时，第二部分18也相应地倾斜。弯曲部分20的半径可以基于地下区域14的几何特征和井筒10的期望轨迹来选择。弯曲部分的半径也可以或者作为选择可以被选择为减少管道或钻柱通过井筒10时的摩擦。例如，弯曲部分小的半径比更大的半径将对管道或钻柱产生更大的摩擦力。在一个例子中，弯曲部分20的半径在100和150英尺之间。

弯曲部分20和第二部分18，以及有些例子中的第一部分16，是利用包括井下马达和钻头26的分节钻柱24钻出。第一部分16可以分别从弯曲部分20和第二部分18钻出。例如，先钻第一部分16，接着一个或多个弯曲部分20和第二部分18可以通过第一部分16钻出。分节钻柱24中可以包括随钻测量(MWD)装置28以跟踪马达和钻头26的位置来控制它们的方位和方向。套管30可以紧随钻进被水泥胶结到部分井筒10中，或者套管30也可以被省略。

在钻井筒10的过程中，钻井流体或“泥浆”沿着分节钻柱24向下泵入，并在马达和钻头26周围循环流出钻柱24。泥浆用于冲洗地层并移走钻进过程中产生的地层岩屑，否则这些岩屑将存在于井筒10内。岩屑夹带在钻井流体中，钻井流体通过钻柱24和井筒10的井壁之间的环空循环到地面12。在地面12，岩屑从钻井泥浆中清除，接着泥浆被重新循环。井筒内泥浆的流体静压在井筒10内部施加了压力。在钻进过程中，井筒10内泥浆的密度可以被选择以便地下区域14内的钻井泥浆的流体静压大于储层压力，并大于地下区域14内的流体(例如煤层气)的压力。井筒内钻井泥浆的压力大于地层(例如地下区域14)的压力的情况称作“过平衡”。

参见附图3，井筒10被钻出后，分节钻柱24从井筒10中收回。钻井泥浆仍然留在井筒10内以保持井筒10过平衡。接着把管柱32下入并固定在井筒10内。在井筒10包括多个第二部分18和弯曲部分20的例子中，管柱32可以提供给每个第二部分18和弯曲部分20(参见附图2B)。然而，用于多个第二部分18和弯曲部分20的每一个的管柱不用同时引入。在一些情况下，希望在向另外的第二部分18和弯曲部分20提供管柱之前完成下面描述的一个或多个操作。

管柱32可以锚定在井筒10内，例如，通过管柱32端部的锚定装置34锚定。管柱32限定了管柱32和井筒10或套管30的壁之间的环空。锚定装置34适于穿过环空以抓住或否则与井筒10的内表面啮合，并基本上阻止沿着井筒10的纵轴的运动。有大量装置可以用作锚定装置34。例如，锚定装置34可以是引入环空的水泥，当凝固后，水泥将锚定管柱32。在另一种情况，一些可以用作锚定装置34的例子具有径向扩张的构件36，例如滑块或挡块，它们被机械或水力致动扩张以啮合并抓住井筒10的内表面或井筒10内附加的另一个物体。附图3描述了具有楔形扩张构件36的锚定装置34，该构件与楔形主体37邻接，这样管柱32离开井筒10的运动有助于把扩张构件36挤入以与井筒10内部啮合。可供选择地，少量水泥可以被放置以锚定管柱。

现在参见附图4，给工具串38提供腔体切削工具40，该工具串38具有足够大的内径以内部接收或通过管柱32。腔体切削工具40也适于内部接收管柱32。工具串38和腔体切削工具40通过管柱32被引入并在井筒10内运行。在一个例子中，管柱32至少部分由具有基本上相同外径的平接式管道构成，以减少在其上悬挂工具串38或腔体切削工具40的外径阶梯变化的数量。腔体切削工具40是适于通过井筒10到达特定位置的装置，一旦到达井筒10的特定位置，该装置被运行以切出具有比井筒更大尺寸(例如直径)的扩大腔体。虽然有大量在井筒10内切削腔体的工具可以用于这里讨论的方法，示意性腔体切削工具40根据附图8A-C在下面更加详细的描述。附图8A-C中描述的示意性腔体切削工具40是利用扩展切削臂836来切入地层的机械切削装置。一些腔体切削工具40的其它示意性类型包括水力切削装置，例如利用加压流体射流来切入地层，或者火焰切削装置，例如利用火焰在地层中炸开腔体。

腔体切削工具40可以沿着井筒10的端部周围布置，接着被致动以开始切削扩大腔体44。此后，腔体切削工具40沿着井筒10的纵轴向上拉以沿着井筒10的纵轴延长扩大的腔体44。但是，这里描述的方法的范围包括在井筒10内其它位置开始切削扩大腔体44，以及在井筒10内多个位置开始切削以沿着井筒10产生多个不连续的扩大腔体44。

现在参见附图5，当扩大腔体44被切开后，井筒10和腔体44可以维持过平衡。扩大腔体44的稳定性部分取决于其横向尺寸。因此，选择扩大腔体的几何尺寸，尤其是横向尺寸，以便在这种过平衡状态下，腔体44保持基本稳定，很少或没有向里坍塌。但是，当泥浆的静水压力降低到腔体44周围的就地岩石压力以下(即欠平衡)时，腔体44趋向于向里坍塌。因此，当腔体44完成后而且腔体切削工具40从腔体44中移出后，井筒内泥浆的密度和/或泥浆深度可以被调整，以便腔体44变得欠平衡并向里坍塌到管柱32上。坍塌后松散堆积，因此高渗透的地下区域14的遗留物52存留在管柱32的周围。众所周知的，扩大腔体44可以在井筒10主要部分不坍塌的情况下坍塌。

尽管上面描述的钻井作业和扩大腔体44的形成是在过平衡状态下进行的，钻井作业和/或扩大腔体44的形成不需要在过平衡状态下进行。例如，钻井作业和/或扩大腔体44的形成可以在井筒10的压力平衡或欠平衡状态下进行。也就是说，选择腔体44的几何尺寸，例如横向尺寸，以便在平衡或欠平衡状态下，腔体44保持基本稳定，很少或没有向里坍塌。但是，当压力降低时，腔体44趋向于坍塌。此外，这里描述的概念可以用于形成具有扩大腔体44而没有利用压力变化以利于扩大腔体44坍塌的井筒10。例如，可以选择腔体44的尺寸，例如横向尺寸，以在没有例如腔体44内压力降低的外来因素的进一步影响的情况下坍塌。

扩大腔体44的坍塌不仅破坏了围绕扩大腔体44的地下区域14的物质，从而释放了存在那里的流体，而且增加了流体从中可以通过以从地下区域14中开采出来的暴露的表面积，并增加了从中可以开采流体的进入地下区域的范围。增加从中可以开采流体的暴露的表面积增加了流体的量和开采流体的速度。坍塌了的扩大腔体44具有比井筒10大的横向尺寸，也具有比扩大腔体44大的横向尺寸，因为围绕扩大腔体44的物质已经向里坍塌。更大的横向尺寸改善了进入地下区域14的深度(即范围)，流体从中可以开采而不需要流体不得不移动通过地下区域14的物质。此外，坍塌很可能引发从坍塌腔体44的内部延伸甚至深入地下区域14的裂纹或裂缝54。裂缝54形成通道，存留在地下区域14中的流体可以从中流入坍塌的腔体44并被开采，而且使得井筒(10)表皮之上的传导率通过形成腔体44而堵塞或损害。因此，通过坍塌扩大腔体44，与裸眼井筒10或井筒10和扩大腔体44相比有更多的地下区域可以被开采。众所周知，虽然附图6A描述了腔体44的全部坍塌，仅仅部分腔体44的坍塌也能够在接近地下区域14上获得类似的改进。

参见附图6A和6B，管柱32可以包括开槽、穿孔或者相反加筛管的部分，或者管柱32可以在井筒10内一次穿孔以限定孔眼46(附图6B)，该孔眼允许流体，例如煤层气，从地下区域14流入管柱32的内部并到达地面。虽然存在大量能用于根据这里描述的方法而对管柱32穿孔的不同工具，下面根据附图9更加详细地描述了示意性油管穿孔工具50。孔眼46的尺寸可以基本上防止微粒进入管柱32的内部，例如可能堵塞管柱32内部的微粒。

地下区域14可以通过管柱32开采，从地下区域14、穿过孔眼46并向上通过管柱32来开采流体56。井筒10可以被关闭，管柱32连接到地面生产管道48。此后，可以通过穿过管柱32的内部到达地面生产管道48来开采流体而开采地下区域14。在包括水坑22(附图2A)的实施例中，来自地下区域14的液体，例如来自煤层的水和其它液体，将收集在水坑22中。因此，液体趋向于不会在管柱32内形成防碍从地下区域14生产气体(例如煤层气)的静水压头。可以通过井筒10引入泵管柱58，使其与管柱32相邻，并进入水坑22以抽走在水坑22内累积的液体。作为选择，泵管柱58可以通过第二垂直井筒(未具体示出)引入，例如，该第二垂直井筒与井筒10在第二垂直井筒内的腔体处相交。

附图7显示了从地下区域开采气体的示意性方法的流程图。示意性方法开始于模块710，此模块是从地面向地下区域钻一井筒。正如上面讨论的，井筒可以采取各种形式。例如，井筒可以是分节的井筒，其具有从地面延伸的第一部分，至少部分与地下区域重合的第二部分以及与第一和第二部分相交的弯曲或圆角部分。井筒的第一部分可以被钻出而延伸超过弯曲部分，以限定水坑和/或例如通过钻另外的弯曲部分和第二部分(参见例如附图2A和2B)向另外的地下区域提供通道。井筒的第一部分可以以某一角度形成，例如形成斜井，或者一部分以某一角度形成，例如垂直入口井与斜井连接(参见例如附图2A)。井筒可以在过平衡状态下钻出，这样例如钻井泥浆这样的井筒内流体的压力大于井筒周围地下区域内流体的压力。

在模块712中，在井筒中提供管柱。正如上面讨论的，管柱引入井筒并在此后被锚定，以防止管柱沿着井筒的纵轴移动。

在模块714中，井筒被扩大以形成扩大腔体。选择扩大腔体的尺寸，例如横向尺寸，以利于地下区域向井筒内在管柱坍塌。正如上面描述的，扩大腔体可以是由腔体切削工具形成的，该切削工具通过管柱引入并在井筒内运行。一旦到达开始形成扩大腔体的期望位置，例如在井筒的端部，致动腔体切削工具以开始切削扩大腔体。当腔体切削工具被运行以切削地下区域时，它可以沿着井筒的纵轴向上拉以延伸扩大腔体。腔体切削工具可以在井筒内的多个位置被运行以产生多个不连续的扩大腔体，或者被运行以产生单个延伸的扩大腔体。当扩大腔体被切削时，井筒和腔体可以保持过平衡。作为选择，当切削腔体时，压力可以降低中间值或降低到平衡或欠平衡状态，从而帮助切削。腔体内维持的压力不管是否过平衡，都可以提供支撑以防止扩大腔体形成过程中腔体坍塌入井筒内。此后可以收回腔体切削工具。

在模块716中，腔体内的压力被降低。压力的降低减少了压力对扩大腔体内部提供的支撑，因此利于腔体向里坍塌入井筒内。在井筒内压力过平衡的情况下，可以把压力降低到欠平衡。在井筒内的压力处于平衡或欠平衡的情况下，压力可以进一步降低。坍塌后，松散堆积因此高渗透率的地下区域的残留物存留在管柱周围。

在模块718中，如果管柱还没有提供缝隙或孔眼，管柱可以被穿孔。在一个例子中，管柱通过提供通过管柱内部引入的穿孔工具而穿孔。穿孔工具可以布置在管柱的内部，并被致动以对管柱穿孔。此后，穿孔工具可以重新定位并致动以开始在不同的位置对管柱穿孔，或者被收回。

最后，在模块718中，流体，例如煤层气，可以从地下区域通过管柱收回。流体可以通过孔眼流入管柱，向上通过管柱到达地面。在一个例子中，管柱可以连接有生产管线，气体从地下区域通过管柱内部收回。当井筒包括水坑时，液体，例如来自地下区域的水，将沿着井筒向下流动并在水坑内收集。此后，水坑内的液体可以周期性地收回。允许液体在水坑内收集降低了开采到地面的流体中液体的量，因此，液体在管柱内形成静水压头并防碍开采气体到地面的可能性降低了。

众所周知，当井筒具有另外的弯曲部分和第二部分，例如用于接近另外的地下区域，模块712到模块720的作业可以为每一个另外的弯曲部分和第二部分重复。用于不同弯曲部分和第二部分的模块712到模块720的多个作业可以同时发生，或者用于不同弯曲部分和第二部分的模块712到模块720的作业也可以单独进行。

附图8A描述了根据本发明构造的示意性腔体切削工具40。示意性腔体切削工具40包括管状主壳体810。主壳体810的一端限定了工具管柱啮合部分812，其适于把腔体切削工具40连接到工具管柱38的剩余部分。在附图8的示意性腔体切削工具40中，工具管柱啮合部分812具有适于啮合工具管柱38的管道42的配合螺纹814的螺纹814。主壳体810限定了容纳内部主体818和外部主体820的内部腔体。内部主体818和外部主体820一起分别限定了容积式马达的转子和定子。内部主体818是管状以使得腔体切削工具40能够通过管柱32。内部主体818在壳体810内支撑在轴承822上，该轴承布置在内部主体818和壳体810之间，并使得内部主体818相对于外部主体820围绕腔体切削工具40的纵轴旋转。轴承822也可以被构造以轴向相对于外部主体820保持内部主体818。在附图8的示意性腔体切削工具40中，通过把轴承822构造成圆锥形，而且轴承对着分别在内部主体818和壳体810上限定的相应的圆锥轴承圈824、826，轴承822轴向保持内部主体818。轴承822成对提供，每对中的一个轴承定向为支撑内部主体818在一个方向上的轴向运动，每对中的另一个轴承822定向为支撑内部主体818在相反方向上的轴向运动。

正如在附图8B中能看得最清楚的，内部主体818具有多个沿长度螺旋状延伸的径向凸耳830(附图8B中显示了四个)。外部主体820在其内部具有更多数量的凹腔832(附图8B中显示了五个)，这些凹腔沿着其长度螺旋状延伸，并且适于容纳径向凸耳830。在内部主体818和外部主体820之间通过流体使得内部主体818围绕外部主体820的内周移动，从而把凸耳830置于凹腔832内，以在作为定子的外部主体820内使内部主体818作为转子旋转。外部主体820附连到主壳体810上，以便内部主体818相对于主壳体810旋转。流体通道834(附图8A)引导从壳体810内部的工具管柱38接收的流体842通过内部主体818和外部主体820并流出壳体810的基部。一个或多个密封件840可以被布置以密封来防止流体通过管柱32和内部主体818内部之间的环空。

参见附图8A-8C，多个切削臂836在其端部连接到内部主体818以径向向外在枢轴上转动。因此，当通过在内部主体818和外部主体820之间通过流体而旋转内部主体818时，离心力导致切削臂836向外延伸，挤压井筒10的内壁，并切入井筒10的井壁。当内部主体818静止时，切削臂836基本上与腔体切削工具40的其余部分(附图8C)成一直线悬挂。切削臂836被构造为，当其与腔体切削工具40的其余部分成一直线悬挂时，它们基本上不延伸到超过腔体切削工具40的外径。同样地，这允许腔体切削工具40通过井筒10的内部。切削臂836具有硬化并变锋利的外部边缘844以移走物质形成腔体44。切削臂836的长度决定了由切削工具40切削的腔体44的横向尺寸。例如，长的切削臂836将比短的切削臂836切出更大直径的腔体44。

在运行中，示意性腔体切削工具40连接到工具管柱38上。包括腔体切削工具40的工具管柱38连接在管柱32上并下入井筒10内。当腔体切削工具40到达井筒10内期望开始有腔体44的点时，例如钻井泥浆的流体沿着工具管柱38泵入腔体切削工具40内。流体通过内部主体818和外部主体820之间以使内部主体818开始旋转。流体在工具基部离开腔体切削工具40，并向上通过工具管柱38和井筒10内部之间的环空而重新循环。离心力作用在切削臂836上，使得切削臂836径向向外在枢轴上转动与井筒10的内部接触。内部主体818的连续旋转使得切削臂836从井筒10内部移走物质从而形成腔体44。腔体切削工具40可以维持在井筒10内的恰当位置，直到切削臂836已经移走足够多的物质以完全伸展。此后，腔体切削工具40可以通过井筒10向上沿着钻孔向上拉以延伸腔体44。众所周知，在作业过程中，切削臂836可以不延伸到基本上垂直于腔体切削工具40的纵轴，而是当完全伸展后，与纵轴成锐角。当实现了腔体44的期望长度，通过腔体切削工具40的流体循环可以停止了。停止通过腔体切削工具40的流体循环停止了内部主体818的旋转，并允许切削臂836收回而与腔体切削工具40的剩余部分成一直线。此后，工具管柱38可以从井筒10收回。

尽管上面的描述具有相对于工具管柱38固定的外部主体820，并具有相对于工具管柱38旋转的内部主体818，外部主体820和内部主体818可以被构造成不同的，例如内部主体818相对于工具管柱38固定(作为定子运行)，外部主体820相对于工具管柱38旋转(作为转子运行)。在这样不同结构中，切削臂836将连接到外部主体820。此外，内部主体818和外部主体820不需要是上面描述的螺旋式凸耳状内部主体818以及相应的外部主体820。内部主体818和外部主体820可以是大量其它类型的能够把流体流动转换为旋转运动的装置，例如翅状涡轮和涡轮壳体或者阿基米德螺旋和螺旋壳体。

附图9描述了根据本发明构造的示意性穿孔工具50的分解图。示意性穿孔工具50包括壳体910，其可以由可连接的上部壳体部分912和下部壳体部分914这两个部分构成。壳体910的尺寸被设置成能通过管柱的内部，例如管柱32(附图6A)，管柱容纳在井筒内，并与井筒内壁间隔开。上部壳体部分912包括管柱啮合部分916，其适于把穿孔工具50连接到管柱920的管子918上。管子918可以是刚性管或连续管。在附图9的示意性穿孔工具50上，工具管柱啮合部分916具有适于啮合管子918的配合螺纹924的螺纹922。上部壳体部分912是管状的，其适于可滑动地在那里容纳基本上圆柱状的活塞926。活塞926可以包括密封件928，其适于把活塞926与上部壳体部分912的内壁密封。管柱920内的流体压力作用在活塞926上，导致活塞轴向通过上部壳体部分912向着下部壳体部分914移动。

下部壳体部分914适于连接到上部壳体部分912，例如通过包括适于啮合到上部壳体部分912的配合螺纹932的螺纹930。下部壳体部分914是管状的，包括多个侧面窗体934。示意性下部壳体914包括三个相等间距的窗体934；但是，可以预料到可以提供其它数量的窗体934。窗体934允许相等数量的穿孔楔936从中穿过，每个窗体934(附图9B)中都有穿孔楔936。穿孔楔936被窗体934的上部和下部边缘表面以及窗体934的侧面边缘表面限制，以便穿孔楔936由这些边缘表面引导而相对于下部壳体914径向而不是基本上轴向或周向移动。

每个穿孔楔936具有向外的表面937和向内的表面938。向内的表面938相对于向外的表面937倾斜，并包T形突起946。向外的表面937具有一个或多个适于刺穿管子(例如管柱32的管子)的角锥形或圆锥形穿孔尖端939。附图9A的示意性穿孔工具50包括穿孔楔936，其中每个向外的表面937上有一个穿孔尖端939。下部壳体部分914内部容纳致动主体940，以可滑动地容纳在下部壳体部分914中。致动主体940包括圆锥部分942，其通常在倾斜度上相应于向内的表面938，在直径上从致动主体940的中间向着上端部增加。穿孔楔936的T形突起946容纳在致动主体940的相应的T形槽948中。T形突起946和T形槽948互锁以使穿孔楔936保持与致动主体940相邻，但是允许穿孔楔936沿着圆锥部分942的表面纵向移动。当致动主体940向下移动时，圆锥部分942和向里的表面938合作以径向向外把穿孔楔936挤入。

致动主体940反抗弹簧952，例如通过径向延伸的法兰950靠近圆锥部分942的端部。反过来，弹簧952反抗连接到下部壳体914端部的帽954。帽954包括螺纹956，其容纳在下部壳体914的配合螺纹958上。弹簧952运行以使致动主体940偏向上。法兰950运行以通过紧靠穿孔楔936而限制致动主体940向上的运动。

因此，在运行中，示意性穿孔工具50定位在例如管柱32(附图6A)之类的管子中穿孔管子的期望位置。其后，提供通过管柱920的压力，使示意性穿孔工具50被致动，以伸展穿孔楔936。这样的压力作用在活塞926上，而活塞又作用在致动主体940上，从而使二者在壳体910内向下运动。致动主体940的向下运动将穿孔楔936从壳体910径向向外挤入，从而迫使穿孔尖端939穿透管子(例如管柱32)。在管柱920内部释放压力使由弹簧952向上偏压的活塞926和致动主体940向上移动并使穿孔楔936收回。接着示意性穿孔工具50在管子内的另一个位置重新定位，重复穿孔，或者示意性穿孔工具50从管子中收回。

正如附图6B中看得最清楚的，因为示意性穿孔工具50利用尖端939在管柱32内穿孔，产生的孔眼46是圆锥形的，在管柱32外部周围的直径比内部周围的直径小。孔眼46运行可以防止颗粒进入管柱32的内部。孔眼46防止桥塞或者不会被任何颗粒堵塞，因为其最小直径在孔眼46的外部。

已经描述了本发明的多个实施例。但是，应当认识到可以进行各种改变而不脱离本发明的精神和范围。例如，虽然这里描述的概念是根据煤层描述的，应当认识到这些概念适用于其它类型的地下含有流体的储层。因此，其它实施例也在所附权利要求的范围内。

Claims (67)

1.一种从地表接近地下区域的方法，包括：

形成从地面延伸进入地下区域的井筒；

在井筒内提供管柱；和

扩大井筒到选定的尺寸以使管子周围至少部分地下区域坍塌。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，利用井筒内的管柱对管柱穿孔，以允许流体从管柱外部进入管柱内部。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括降低井筒内流体的压力，以利于使井筒周围至少部分地下区域坍塌。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，形成从地面延伸进入地下区域的井筒包括在过平衡状态下钻井筒，其中降低井筒内流体的压力包括降低井筒内流体的压力使其处于欠平衡状态。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，地下区域包括煤层。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成从地面延伸进入地下区域的井筒包括：

形成从地面延伸进入地下区域的第一井筒；和

形成穿过第一井筒并基本水平延伸的第二井筒。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括形成穿过第一井筒并基本水平延伸的第三井筒。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，第三井筒从第二井筒垂直偏移。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，形成从地面延伸进入地下区域的第一井筒包括：形成至少一个基本垂直的井筒或倾斜井筒。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成穿过第一井筒并基本水平延伸的第二井筒包括形成在地面和第一井筒端部中间的第二井筒，以在第一井筒端部限定鼠洞。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在鼠洞中收集来自地下区域的液体。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从井筒中通过管柱收回流体。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成从地面延伸进入地下区域的井筒包括形成分节井筒，该井筒具有第一部分、基本水平的第二部分，以及第一和第二部分之间的弯曲部分。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扩大井筒以利于地下区域的坍塌包括：

在井筒内布置具有径向延伸切削臂的腔体切削工具；

伸展径向延伸切削臂与井筒内壁接触；

围绕井筒纵轴旋转径向延伸切削臂以切削扩大腔体。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在井筒内布置具有径向延伸切削臂的腔体切削工具包括通过管柱引入工作管柱上的腔体切削工具。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，围绕井筒纵轴旋转径向延伸切削臂以切削扩大腔体包括使流体流过工具管柱内部以运行腔体切削工具中的容积式马达。

17.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对管柱穿孔包括：

在管柱内部布置穿孔工具；和

运行穿孔工具以对管柱穿孔。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，穿孔工具是液压致动以对管柱穿孔的。

19.一种从地表接近地下区域的系统，包括：

从地面延伸进入地下区域的井筒；

井筒内的管柱；和

井筒内的扩大腔体，其尺寸被选择以导致地下区域向里坍塌到管柱上。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，扩大腔体的尺寸被选择为当腔体内的压力过平衡时腔体基本保持稳定而基本没有向里的坍塌，当腔体内压力降低时坍塌。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，扩大腔体的尺寸被选择为当腔体内的压力降低到欠平衡时坍塌。

22.如权利要求19所述的系统，其特征在于，尺寸包括扩大腔体的横向尺寸。

23.如权利要求19所述的系统，其特征在于，管柱被锚定在井筒内。

24.如权利要求19所述的系统，其特征在于，井筒包括从地面延伸的第一部分，其连接到基本上水平的第二部分。

25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，第一部分延伸到超过第二部分以限定水坑。

26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，第一部分基本垂直。

27.如权利要求19所述的系统，其特征在于，井筒包括多个与主井筒连通的水平定向的井筒，管柱包括多个管柱。

28.如权利要求19所述的系统，其特征在于，地下区域是煤层。

29.一种从地表接近地下区域的方法，包括：

形成从地面延伸进入地下区域的井筒；

在井筒内提供管柱；

通过管柱把扩孔器运输到地下区域内的特定位置；

运行扩孔器以在井筒中形成扩大腔体；

降低扩大腔体内的压力以利于使管子周围至少部分地下区域坍塌；和

在管柱上提供孔眼以使流体进入管柱内部。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，形成从地面延伸进入地下区域的井筒和运行扩孔器以在井筒中形成扩大腔体的步骤都是在过平衡状态下进行的。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，降低扩大腔体内的压力以利于坍塌包括把压力降低到欠平衡状态。

32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，运行扩孔器以在井筒中形成扩大腔体包括使流体流过扩孔器的容积式马达以相对于井筒内壁移动至少一个切削构件。

33.如权利要求29所述的方法，其特征在于，在管柱上提供孔眼包括使穿孔装置穿过管柱内部并致动穿孔装置以对管柱的壁进行穿孔。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括在管柱内重新定位穿孔装置并致动穿孔装置以对管柱的壁进行穿孔。

35.如权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括在井筒内锚定管柱。

36.一种在井筒内形成腔体的扩孔器，包括：

液压马达，其具有围绕纵轴排列的第一主体和第二主体，当流体通过第一主体和第二主体之间时，第一主体适于绕纵轴相对于第二主体旋转，液压马达还限定了纵向管子通道，该通道适于允许液压马达通过管柱；和

至少一个连接以与第一主体一起旋转的切削臂，至少一个切削臂径向伸展与井筒的内部啮合以形成腔体。

37.如权利要求36所述的扩孔器，其特征在于，至少一个切削臂枢轴连接到第一主体以径向向外旋转。

38.如权利要求37所述的扩孔器，其特征在于，至少一个切削臂通过离心力径向向外旋转。

39.如权利要求36所述的扩孔器，其特征在于，至少一个切削臂从适于允许扩孔器通过井筒的收回位置径向延伸。

40.如权利要求36所述的扩孔器，其特征在于，还包括纵向管子通道中的密封件，其适于基本密封管柱和管子通道内部之间的流体的通道。

41.如权利要求36所述的扩孔器，其特征在于，第一主体包括多个沿着第一主体长度方向螺旋延伸的凸耳；和

其中第二主体包括多个沿着第二主体长度方向螺旋延伸的腔，其适于容纳凸耳，腔的数量超过凸耳的数量。

42.如权利要求36所述的扩孔器，其特征在于，第二主体适于连接到管子上，管子包括至少一个刚性管或挠性管。

43.一种在井筒内形成腔体的方法，包括：

使扩孔器通过井筒中的管柱到达腔体的期望位置；和

使流体流过扩孔器以运行扩孔器来形成腔体。

44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，使流体流过扩孔器以运行扩孔器来形成腔体包括：

从收回到伸展位置径向向外延伸至少一个切削臂，收回位置的至少一个切削臂使得扩孔器通过井筒内部，延伸位置的至少一个切削臂与井筒内部啮合。

45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，至少一个切削臂枢轴连接到部分扩孔器上，和

其中从收回到伸展位置径向向外延伸至少一个切削臂包括旋转部分扩孔器，以便作用在至少一个切削臂上的离心力以使至少一个切削臂径向向外枢转。

46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，旋转部分扩孔器包括使流体流过扩孔器的容积式马达。

47.如权利要求43所述的方法，其特征在于，使流体流过扩孔器以运行扩孔器来形成腔体包括使流体流过扩孔器的容积式马达以旋转部分扩孔器。

48.如权利要求44所述的方法，其特征在于，还包括使扩孔器通过管柱以从井筒中收回扩孔器。

49.如权利要求44所述的方法，其特征在于，使流体流过扩孔器以运行扩孔器来形成腔体包括运行扩孔器以形成选定的能引起腔体坍塌的横向尺寸的腔体。

50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，还包括在运行扩孔器以形成腔体的同时把井筒内部和腔体加压到过平衡状态。

51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括降低腔体内部的压力以利于腔体围绕管子坍塌。

52.一种对井筒中的管柱穿孔的装置，包括：

适于通过管柱的管状壳体；

壳体内的至少一个穿孔主体，至少一个穿孔主体具有适于穿透管柱的尖端；

容纳在壳体内的活塞，活塞被构造为施加到活塞第一侧面的压力使活塞在第一方向上移动；和

容纳在壳体内的致动主体，其被构造为与活塞一起在第一方向上移动，致动主体具有倾斜楔形表面，当致动主体在第一方向上被移动时，该表面适于把至少一个穿孔主体径向向外挤入以利用尖端穿透管柱。

53.如权利要求52所述的装置，其特征在于，还包括在与第一方向基本相反的第二方向上移动致动主体的弹簧。

54.如权利要求52所述的装置，其特征在于，壳体具有通过其侧壁的至少一个窗体，其中至少一个穿孔主体的尖端在穿透管柱时延伸通过至少一个窗体。

55.如权利要求54所述的装置，其特征在于，至少一个穿孔主体由窗体的边缘表面导向。

56.如权利要求52所述的装置，其特征在于，至少一个穿孔主体的外形适于与致动主体的外形互锁并相对于致动主体径向保持至少一个穿孔主体。

57.如权利要求56所述的装置，其特征在于，至少一个穿孔主体和致动主体的互锁外形允许穿孔主体和致动主体相对轴向运动。

58.如权利要求56所述的装置，其特征在于，至少一个穿孔主体的外形基本为T型。

59.如权利要求52所述的装置，其特征在于，倾斜楔形表面是基本圆锥表面，其中至少一个穿孔主体包括围绕基本圆锥表面排列的多个穿孔主体。

60.如权利要求52所述的装置，其特征在于，管状壳体适于连接到至少一个刚性管或挠性管上。

61.如权利要求52所述的装置，其特征在于，管柱与井筒中的套管柱内部间隔开，其中管状壳体适于通过管柱的内部。

62.一种对井筒内的管柱穿孔的方法，包括：

使连接到工作管柱的穿孔工具通过管柱内部到达进行穿孔的期望位置，穿孔工具具有活塞和适于穿透管柱的至少一个穿孔主体；

通过工作管柱对活塞施加压力以移动活塞；

响应于活塞的移动径向向外延伸至少一个穿孔主体。

63.如权利要求62所述的方法，其特征在于，还包括：

径向向里收回至少一个穿孔主体；

在管柱内部的第二位置定位穿孔工具；和

重复向活塞施加压力的步骤并延伸至少一个穿孔主体以在第二位置穿透管柱。

64.如权利要求62所述的方法，其特征在于，响应于活塞的移动径向向外延伸至少一个穿孔主体以穿透管柱包括响应于活塞的移动而移动楔形致动主体，并与楔形致动主体一起径向向外挤入至少一个穿孔主体。

65.如权利要求64所述的方法，其特征在于，至少一个穿孔主体连接到楔形致动主体上；和

其中该方法还包括响应于楔形致动主体的移动径向向里收回至少一个穿孔主体，楔形致动主体的移动方向与引起致动的移动方向基本相反。

66.如权利要求62所述的方法，其特征在于，在管柱内部定位穿孔工具包括把穿孔工具定位在其上的地下区域已经坍塌的管柱内。

67.如权利要求62所述的方法，其特征在于，至少一个穿孔主体被偏压收回，其中延伸至少一个穿孔主体包括克服偏压。

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