专利名称：用于采收地下碳氢化合物的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明要求享有如下专利申请的利益和优先权在2000年5月16日提交的申请序列号为第60/204793号的美国专利申请，其名称为“用于采收地下碳氢化合物的方法和装置”。
本发明涉及用于执行地表下碳氢化合物流体开采的开采井设备。
这种方法和装置针对于通常的多孔岩层，所谓的多孔岩层是指含石油和天然气的地层，这样的地层夹在上下方两个地层之间，上方的地层为流体不能透过的冠岩盖层，下方的地层也不能透过流体。所希望得到的流体通常是碳氢化合物。本发明涉及一种方法和系统，其能解决或避免现有方法和系统所伴随的一些问题，这些现有方法和系统用于从含油气地层中采出所需的碳氢化合物，这些现有技术的特征在于在多孔岩层中、或岩层下方开掘出巷道，并钻入到砂层中，从而使所需的流体在重力作用下排流到巷道内地底上的收集坑中。
现有技术中存在这样的方法和系统利用采矿竖井或带有集油坑的巷道，用于使油砂层中的石油在重力作用下集流到竖井或巷道中，这样的方法和系统通常被称为“石油采矿式”系统或方法。在一种早期的方法中，巷道水平地贯穿含油砂层上方的非渗透性冠岩层，并在巷道的地底上垂直地向下挖出方形的凹坑，使其通向下方几英寸的含油砂层。石油渗流到凹坑中，并被一气压装置周期性地提升到一管道中，该管道通向地面上的油罐中。在靠近德国汉诺威的Pechelbronn油田使用了这样的系统，且公开在美国矿产署(US.BUREAU OF MINES)的G.S.RICE中。
这种方法的另一种变型形式被称为Ranney石油采矿系统，这样的系统公开在1953年由McGRAW-HILL出版的第三版L.C UREN，PETROLEUM PRODUCTION ENGINEERING(石油开采工程)OILFIELD EXPLOITATION(油田开发)中。对于这种系统，在含油岩砂的多孔岩层的上方和下方的非渗透性地层中掘出采矿坑道或巷道，并以很小的间距沿这些坑道钻出通入多孔岩层中的孔。流体经过密封安置在钻出孔中的管道抽吸上来，并通过坑道内的排流管系统被泵送到地面上。
已有人提出了另一种方法，用于从已部分排流后的含油砂层中开采石油，该方法需要钻出贯穿多孔岩层的垂直竖井，并钻出一些长的倾斜孔，它们从竖井的底部沿径向的所有方向辐射通入到油砂层中。石油通过这些倾斜的径向孔排流到位于竖井底部的一个凹坑或集油池中，从而可被泵送到地面上。
这些现有的石油采矿式系统存在着一些相关的问题。例如，如果在多孔岩层中存在高压气体，则上述的现有方法就无效了，原因在于或者是气体会直接冲入到巷道、坑道或竖井中，或者是气体将其自身直接压入到集流管系统中，从而使液体仍留在多孔岩层中而未被开采出来。
不难理解用现有技术开采碳氢化合物会受到很多因素的影响，这些因素包括碳氢化合物所在地层(通常为砂层)的渗透性；存在其它流体(例如为地下水、咸水等)的多相性；碳氢化合物的粘度；以及井筒中的压力和储集层的外部压力。如开采井的数目不够，则就不能最大程度地从储集层开采出碳氢化合物，但反过来，开采井的数目过多又将是不经济的。
本发明的方法是这样的通过长的水平井孔、或接近于水平的井孔来开采浅层原油，其中的井孔是从一地下工作间钻出的，并由该工作间提供保障服务。地表下工作间既作为钻进作业平台，也作为从各个开采井开采出的原油的中央汇聚处。石油集流到一个中央设施中，然后再被泵提升到地面上去。这种方法能在最大程度上控制井孔压力，并使其压力范围达到最大，同时还去掉了高成本的井下泵，并能在采出井流中设置促进开采的装置，这样的装置例如向井内注入加热后的稀释剂。
在用于许多低能浅层油田的情况下，本发明开采方法的设计目标是相比于包括水平、或接近水平开采井的其它常规开采方法，能降低每桶原油的开采成本、提高石油的采收流量、并增大总的经济采收量。成本的降低归功于一些广泛接受的工程概念，这些工程概念表明石油开采受如下这些因素的影响·位于储集层的可开采部分内的井孔表面积与所开采的流体/气体的量之间存在着直接的比例关系；·储集层中流体和/或气体转移(流动)到井孔中的量是储集层压力高于井孔压力的直接结果(即是压差的直接结果)；·储集层中流体和/或气体转移(流动)到井孔中的量随压差的增大而增大，并随压差的降低而减小；·随着转移距离的加长，石油的总经济采收量就降低。
由于井孔的表面积越大，采收系数就越大，所以任何能降低井筒表面积钻出成本的开采方法都是受欢迎的，其中的井筒表面积是指在储集层的可开采部分中的表面积。另外，任何能缩短通向井孔的转移距离的方法也是受欢迎的。本发明提出的方法增大了井孔表面积，并缩短了在某一给定区域内的转移距离。井孔表面积的加大能实现更高的采收率，并对压差作出优化。相比于普通的水平钻进方法，如要在相同的时间内开采出相同量的石油或天然气，则本发明方法可节省多达60％的综合成本，此综合成本包括初期投资和运行成本。但是，本发明的方法还能将采收系数提高达100％，从而极大地提高了资源效率。
本发明方法存在着节约成本的可能性，该可能性来源于如下的几个方面·在储集层的几乎整个可开采部分中都钻出了井孔；·井孔全部是从一中央位置处钻出的，从而省去了复制支持装置的成本，以及省去了拆卸、移动和竖起钻机的成本。还可以通过采用已被证明为便宜的钻进技术来进一步降低成本；·常规的井孔在处于静态平衡环境下时是不能进行开采的。随着储集层压力接近于零，由于井孔中的液柱会更快地与储集层压力达到压力平衡，所以开采井就会更为频繁地被排空；因而就停止了井流的输出。由于本发明方法中的井筒是向一中央汇集位置点排流，所以本发明方法使得静态开采条件低达15PSI的真空度，因而可提高总的经济采收量。
·开采的几何结构缩短了转移距离，因而能提高总的经济采收量；·地面设施的合并能进一步减少运行费用；·由于提高了开采设施的监控性和集中性，所以能更为有效地发现和补救泄漏事件，从而能保护环境；·当从储集层到地面的液柱高度超过储集层的压力时，常规的垂直开采井和水平开采井需要设置井下泵来提升原油(对于所有的开采井，这种情况在其寿命达到一定时候时都是会出现的)。对井下泵的维护是昂贵的。为了能保持开采井的采出，就需要频繁地执行拔井操作，利用检查钻机将井下泵提拔上来进行更换。这些拔井操作是非常昂贵的，并在运行成本中占了相当大的比重，并增大了停工时间，从而损失了收入。本发明的方法不再需要井下泵或其它的井下维护。所有的泵送作业都是由可靠而高效的大型中央泵执行的，这些泵设置在易于进行维护的地表下钻井室中。
可以预计从本发明的方法可获得如下的环境利益1.减少了90％+对地表面环境的影响；2.合并了开采设施，并减小地表面上的流通量；3.减小了垦筑工作量；4.消除了流体在井筒内、以及在各岩层之间的相互贯通；5.考虑到对地表面的影响，由于利弊权衡关系的改进，所以显著增大了每英亩土地的采收量；6.中央钻进点的设置改进了对钻进废物和副产品进行处理的作业规模，并更为高效；7.所有设施都设置在中央位置点上，使得全天24小时监控整个开采设施在经济上成为可行的了。不间断的监控能更快地发现泄漏，从而造成更小的环境破坏，使环境治理修复的成本更低。
图8b和8c是对图8a的详细表示；图9a中的示意图表示了本发明，图中，本发明采用了受热环形套管，环形套管中的流动是正向的重复循环；图9b和9c是对图9a所作的详细视图；
图10中的示意图表示了底部钻具组件中的布井防喷管(deploymentlubricator)；图11是流体回流设备的示意图；图12中的示意图表示了流体回流设备的另一实施例；图13a中的示意图表示了挠性管的滚道；图13b是图13a中竖井的详细视图；以及图14中的分解图表示了主牵拉装置。
根据此WS系数，形成一示例性的开采井设备，其中，从一垂直竖井钻出长度不同的开采井。优选的是，开采井的长度有不同的三种，且每种长度的开采井都是围绕垂直竖井均匀分布的。还为优选的是每一开采井最远区段处的一预定长度都被作了打孔处理，用于实现碳氢化合物的采收。但这些打孔段是与垂直竖井分开的。
达西定律是一个用在整个石油工业中的普遍方程。该定律是一个描述流体流经储集层的定量表达式。方程1是该定律在线性坐标中的一般表达形式。
v＝-(k dp)/(μdl)方程1式中
v-流动速度μ-流体粘度k-材料的渗透率dp/dl-压力梯度在目前的采油工程实践中，已将达西定律发展成为能适于用在同时有多于一种单液体发生流动的情况。方程2代表了从一储集层外部边界流向一井筒的稳态流。可展示任何几何构造的流动，但为了本发明的描述，是提供了径向流的形式。
qi＝7.07krikah(Pe-Pw)/(μiln(re/rw))方程2式中qi-液体相i(对于石油相i为o，对于水相i为w)的流量，单位为桶/天kri-相i的相对渗透率，无量纲ka-岩石的绝对渗透率，单位为达西h-产油区的厚度，单位为英尺Pe-外部边界压力，单位为磅/平方英寸(psia)Pw-井筒压力，单位为磅/平方英寸μi-相i的粘度(对于石油相i为o，对于水相i为w)，单位为厘泊re-外部边界的半径，单位为英尺rw-井筒的半径，单位为英尺。
方程3描述了储集层中石油在稳态条件下径向流动的情况。
qo＝7.07koh(Pe-Pw)/(μoln(ro/rw)) 方程3式中o-代表石油相ko-代表Kro，Ka(单位为达西)，其中，Kro为石油的相对值，Ka为绝对值。
根据石油开采手册，开采井的开采能力通常由一“采油指数”来确定。大约在1930年左右首次提到采油指数这一指标。
在方程3的基础上，可由方程4确定出采油指数(PI)。如石油开采手册所指出的那样，方程4表明了采油指数是岩层特性、流体特性以及储油区的系统特性。
PI＝qo/ΛP7.07kah/μolnro/rw方程4式中，ΛP＝Pe-Pw如图1所示，在现有技术中，利用采油指数来确定储油区的渗透率。图1中表示出了实际数据趋向与理论分析之间的差异。但理论结果的精确度对于工程评价而言是足够了。
可将方程3中各个变量之间的关系变形为方程5的表达式，qoμo/[7.07koh(Pe-Pw)]＝1/(ln(rc/rw))方程5可从方程5确定出井距采油指数(WSPI)，该指数表示在方程6中。
WSPI＝1/(ln(rc/rw)) 方程6由于rc是储油区流动边界的函数，且对于尺寸固定的开采井，rw基本上为常数，方程6描述了一个基于流域半径的井距系数。利用方程6，可计算出任意给定rc的WSPI。
利用方程6的流域半径，可由方程7确定并距(WS)。
WS＝πrc2/43560方程7式中，WS-井距，单位为英亩π-3.141593(常数)rc-流动边界的半径。
另外，如方程8所给出的关系，累积产油量是石油开采率的函数，Np＝f(qo) 方程8式中，Np-累积产油量，单位为桶qo-石油开采率，单位为桶/天由于累积产油量是石油开采率的函数，因而累积产油量也是井距采油指数(WSPI)的函数，此关系表示在方程9中。
Np＝f(WSPI) 方程9图2中给出了一个图形结果，该结果用于确定作为石油开采面积函数的井距。该图线表示了随着井距的减小到一个非常小的数值，从该给定面积开采出的石油量得以增加。
图2还表示出随着WSPI接近于一最小值，井距接近于一最大值。为了此处的目的，最大井距被定义为井距的减小对累积产油量(Np)的增加已无关紧要时的间距。最好将这样的情况定义为采油量无关紧要的增加井距变化3英亩时，采油量的增大小于2％。利用这些参数，得到一个最大的井距24.6英亩。该数值被定义为最大井网间距(MWPS)，在理论上，该数值是与储油区的物理特性无关的。
参见图2，大于MWPS的井距并不能为作为函数的采油量带来任何的益处。同样，如果井距从MWPS减小，给定面积的累积开采量还能进一步增大。但是，开采量的增大在经济上并不能与所要多加的开采井数目相称一也就是说，每个开采井的开采量增大并不经济。
基于24.6英亩的最大井距，本发明人在本文中提出了对油井的一种示例性设备。参见图3和图4中的非限定性实施例，图中表示了用于地下碳氢化合物开采的开采井的设备。该设备基本上是以一垂直竖井10为中心的，该竖井穿透一梯级面。竖井10相对于梯级面的具体角度对于本发明的实施不是至关重要的。从竖井10径向地钻掘出具有三种不同长度的开采井12、14和16，这些开采井基本上位于同一平面上，它们可以是倾斜的。
开采井12的延伸半径最短。在所示的设备中，每个开采井12都包括900英尺长的流体输送段20，该输送段例如是直径为3的管道。从每一流体输送段20延伸出一开采段22，该段的长度最好为2000英尺的管状段，该段上开有孔眼，用于进行碳氢化合物的采收。因而，每一开采井12的总长都为2900英尺。还可优选的是，设置八条开采井12，且这些开采井围绕竖井10均匀分布，间隔角为45度。
开采井14、16也以类似的方式形成，但它们的延伸半径较大。开采井14具有3800英尺长的流体输送段24，并具有从该输送段延伸出的、长度也为2000英尺的开采段26。因而，每个开采井14的总长为5800英尺。最好是设置16条开采井14，并优选为绕垂直竖井10等间距分布，相互直径的间隔角为22.5度(即图3中的22度30分)。
开采井16被制成包括6700英尺长的流体输送段28，并从输送段的端部延伸出一2000英尺长的开采段30。每一开采井16的总长为8700英尺。最好是设置24条开采井16，且这些开采井绕竖井10以18度的间隔角均匀分布。
优选的是，开采段22、26、30是与垂直竖井10分开的。
图4表示了在所公开的设备中开采井12、14、16围绕垂直竖井10的完整布置图。如图4中所示意性表示的那样，开采井12、14、16的各个开采段22、26、30与工作面积A相对应。不难理解各个开采井12、14、16的工作面积A将在一定程度上相互重叠。将上述计算出的24.6英亩的MWPS值应用于图3和图4所示的设备，其中，在沿各个开采井12、14、16开采段22、26、30上的每一点上，井距都为24.6英亩。例如，在点S处，等于24.6英亩的井距会限定出一个面积为24.6英亩的区域K，在此区域内，不存在相邻开采井的开采段。类似地，点Sπ也处于一个面积为24.6英亩的区域K内，在该区域内也不存在相邻开采井的开采段。但是，点Sm所处的24.6英亩的区域K却与点S和点Sπ的区域K发生重叠。同一开采段上点S、Sm、Sπ的区域K发生重叠是允许的。而不同开采段上的区域K发生重叠则是不允许的。
本文所述的布井方案、以及上文公开的计算技术形成了一种平面设备，该方案未考虑储油区的深度。换言之，参见图4，在垂直于图4所处纸面的方向上，储油区的深度可以为100英尺或5000英尺。储油区的实际深度并不影响油井的布置。在某些特定环境中，碳氢化合物可能是从很深的储油区中开采出的，则就可以在垂直竖井的不同深度上制出多层级的开采井。
本发明还采用了这样的设计利用挠性管技术来对井孔进行钻进和下套管。在此之前，是用螺纹管来进行地下钻井平台的钻进作业。但对于这样的压力区其压力高于预计的PSI值超低环境中压力，用螺纹管来进行钻进会带来问题。出于对开采井控制和安全的考虑，优选的是用挠性管来取代螺纹管执行钻进。另外，挠性管操作所固有的高开采率非常适于从一个位置处横向钻出几百到几千英尺长的小眼井。通常，低压浅储集层最好是在欠平衡的条件下进行钻进的，这样的作业适合于挠性管。挠性管在经济性和技术上的组合优势使得该技术成为了钻孔技术发展中的优选方法。尽管挠性管的日成本消耗较高，但单一装备很高的日开采量使得最终成本有相当大的节省。
采用本发明的挠性管钻进包括几个专用的装置，这些装置包括转台、止推承座、受热环形套管、布井防喷管、流体回流系统、挠性管滚道、主牵拉装置以及保障窗口，这些装置表示在图5a到图14中。参见图5a到图6b，转台32将一挠性管带34定向于水平方位上。通过一止推承座36将钻索34从精确的垂直定向转变为水平或近似水平的定向。止推承座36通过常规的紧固件连接到转台32上；在图5a和图5b中，采用的是相互对正的螺栓孔。转台32通过转动其所连接的止推承座36，而将从止推承座36伸出的钻索34与罗经盘上的所需位置(即某一方位)对正。枢销以简单的剪切原理工作。通过采用地下水平定向装置，止推承座36使得挠性管能从一个地面位置钻进到几乎为无限个的水平方向中。转台32还包括轴环38(见图6a和图6b)，用于在钻井室中实现360度的旋转。防爆器(BOP)74和主注入器100与钻索34同轴地设置在转台32上，其中下文将参照图10对其中的防爆器进行描述，并参照图12和图14对主注入器进行描述。通过BOP 74而使底部钻具组件(BHA)可按照倒转姿态或水平姿态被布置到充气油井中。主注入器100被设置在一地下钻井室中的转台32上，并通过带有可转向钻进组件的挠性管单元110而向钻头施加作用力。
参见图6a和6b，止推承座36用于通过一种机械装置、以很小的转弯半径将挠性管式钻索(coiled tubing drill string)34从垂直方向转变为水平或近似水平的定向，其中的转弯半径为20英尺或更小。所述机械装置被设计成可利用挠性管式钻索34固有的弹性(临时变形)和塑性(永久变形)，其中，钻索的塑性使得挠性管式钻索34(管件)可作小半径的弯曲而不会导致结构上的损坏。止推承座36被设计成可将挠性管式钻索34的定向从垂直方向转变为水平或近似水平方向，且其中的转弯半径可小到10英尺、并大到30英尺。定向的改变是这样来实现的将挠性管式钻索送到止推承座36的曲形或弧形部分中，并从此部分中拉出，止推承座36具有滚道48，滚道48具有用于减小摩擦的装置50，这些装置可以用滚子、衬套或轴环112构成，这些装置上喷涂了低摩擦材料或用低摩擦材料制成，其中的低摩擦材料例如为尼龙和特氟隆。作用在挠性管式钻索34上的压力足以将止推承座36中的钻索34弯曲，同时还不造成结构上的衰退。止推承座36可承受横向力的作用，这些横向力是由于力矩臂而产生的。止推承座32的独特之处在于其可在地下位置处几乎是以最小的半径对挠性管进行弯折。利用这种能力，可借助于一地下钻井平台以及水平或近似水平的井筒，从地面上远程控制挠性管的钻进操作和维护操作。
参见图7a到图9c，受热环形套管52能改进粘重原油被从井筒中提取出来的性能。图7a到7c中所示的、带有稀释注入剂的受热环形套管52被设计成通过减小API(美国石油组织的)重度和升高温度来降低石油的粘度。石油的粘度与提取的容易性成直接的反比关系。因而，随着粘度的增加，原油提取的难度就加大。带有稀释注入剂的受热环形套管52是一种独特的装置，其能在井筒的末端54(TD意味着“总井深”)处引入稀释剂和热量。稀释剂被加热到其不发生热衰退的最高允许温度，并被泵送到TD处，用于注入到采出流中。在井筒的套管58中设置了一根注入管线56，其长度几乎为井筒的全长。从稀释剂传出的热量加热了设置在井筒内井流中的环形套管。环形套管52发出的热量加热了井流(即混有稀释剂的原油)。稀释剂是煤油或其等效物质，其是一种API比重很高的碳氢化合物(即很轻的碳氢化合物)。当稀释剂与很重(低API比重)的原油混合到一起时，原油的API比重增加，并使井流的粘度减小。
图8a到图9c表示了不带稀释注入剂的受热环形套管52(采用了正流或反流的循环方法)，其同样是用来改进粘重原油从井筒流出的可提取性。这种带有重复循环管路的装置是通过提高温度来降低石油粘度的。石油的粘度与提取的容易性成直接的反比关系。因而，随着粘度的增加，原油提取的难度就加大。受热环形套管52是这样一种独特的装置其带有重复循环的热油，并能将热量传给井流。环形套管中的加热流体被加热到其不发生热分解的最大允许温度，并被泵送到TD处，并从此处发生循环。与图7a到7c中实施例不同的是，环形套管52包括一同心管60，其位于井筒套管58中，延伸长度几乎为井筒的全长。从环形套管中加热流体发出的热量加热了环形套管52，环形套管52布置在井筒内的井流中。环形套管52发出的热量加热了井流(原油)。图7a到图9c中的三个实施例中还包括与泵64相连接的稀释剂罐62、以及与泵64和锅炉相连接的热交换器66，流体从热交换器66流出而进入到环形套管52中。在图7a到7c中，流入到环形套管52中的流体从其经过而进入到井套管58中，然后再流经脱轻烃站70而进入到原油管线中。在图8a到8b以及9a到9c中，流入到环形套管52中的流体还要流出环形套管52而返回到稀释剂罐62中。
参见图10，布井防喷管72能对充气油井实施井控，同时还允许刚性的钻具伸入到地下井口中。止推承座36有限的半径防止了刚性钻具在钻索34进入到止推承座36之前就放置到钻索34中。润滑器72的功用是作为一关压阀，其能允许刚性工具(底部钻具组件)被放置到地下井口处，并对其进行连接和维护。润滑器72是通过这样的设计来实现上述的功效的在靠近防爆器(BOP)74的水平井段76中形成一个腔室，水平井段76通过一球阀78可与井筒中的压力隔绝。除了BOP 74之外，润滑器72还具有一冗余的安全机构，该机构是一截断器或剪断器80，它们的作用力足以切断储集层74中的任何工具或装置，并永久地封闭开采井。当地下安全阀78开启时，开采井的功能就与井筒中任意的普通段相同，并允许钻具和钻索34自由地移动。当地下安全阀78关闭时，润滑器72就与井筒中的压力隔绝；因而使润滑器72内的流体和压力能通过一些阀件82、84、86得以解除，这些阀件用于实现通气和流体排出。当润滑器72的压力与大气压达到平衡时，可安全地打开接收槽72，使其通向地下钻井室，从而能接近刚性钻具(底部钻具组件)。
压井管线79是一泵入端口，在钻井过程中，如果出现了要执行井控的情形，则就切断开采井。填料箱83用于在钻索(挠性管)34被放入到井筒、或从井筒中撤出来时，向钻索34施加动态压力或静态压力。钻机马达85使钻头87发生转动，定向器89则保证了钻头的对正。
图11表示了工作方式，在该工作方式中，只在地面上使用了一牵拉装置(主注入器100)，且止推承座36和BOP 74组成的套件被设置在钻井室内的地表下。在钻井室内执行所有的钻具部署工作。参见图11，止推承座36的弯曲滚道48构成了挠性管卷轴100上管带从地面部署到钻井室中的导路。钻索34通过滚道的一延伸部进入到钻井室中，并通过设置成适当弯角的止推承座36而进入到井筒中。底部钻具组件在保障窗口处被部署到钻井室中，并与挠性管式钻索34相连接。然后，钻具和钻索穿过整个防爆器74而通入到开采井中。通过泵101将冲洗循环液从地面送入到挠性管式钻索34中，并使其流经底部钻具组件，然后再回流到钻井室中，并利用设置在钻井室中的泵送回到地面上。所有的回流液随后都被输送到地面上，切屑被除去后，流体或者可被重新利用，或者是被处理掉。在此操作过程中，所有的顶戳力或拔拉力都是由地表上的注入器传递来的，在地面上，切屑被除去，流体可被重新利用或处理掉。在此操作过程中，所有的顶戳力或拔拉力都是由地表上的注入器(即主注入器100)传递来的。所有的布井工具和安全屏障都位于地下的钻井室中。
参见图12，对于图11和图12中相同的元件，可参见上文结合图11所作的描述。与图11中的实施例不同的是在图12所示的实施例中，除了主注入器100之外，还设置了一辅助注入器111。此外，还设置了一保障窗口98。保障窗口98是用于围护和支持主注入器100的装置。设置保障窗口98的目的是将主注入器装置100与回送到地面的钻井液流相隔离，并应付主注入器装置100的流体压力和排流流体。这样就能在大气压条件下接近主注入器100并对其进行维护，而无需撤拉出钻索34(在执行维护操作的过程中需要停止钻进作业)。在钻进作业中，保障窗口98通过将钻井液回流导向一带有阀件的T型压力接头，而使主注入器100与钻井液的回流相隔离。通过采用能增大流体流速的文氏管，可使固态物质在进入到旁路中之前保持悬浮态或再次变为悬浮态。
参见图13a和13b，曲颈管121将钻索34支撑在挠性管单元110和主注入器100之间。挠性管滚道108使得挠性管式钻索34可从安装在地面上的挠性管单元110远程插入到地下井口中。滚道108使挠性管式钻索34在受到顶戳力(压力)作用时能具有方向上的稳定性，其中的顶戳力用于迫使钻索34通过地下的止推承座36，并向钻头施加作用力—如果需要施加钻头力的话。由于挠性管式钻索34是柔性的，所以当其被顶戳力和阻力对压时，会呈现为正弦曲线的形状，而构成螺旋的形式，其中的阻力被定义为弯曲抗力、钻头压力、拖滞阻力等等。滚道108为钻索提供了横向支撑和对正，从而能在最大程度上减小对顶戳力的横向释放，而顶戳力是用来将钻索34顶过止推承座36、并形成钻头力的。通过滚轮112、轴环或衬套来实现钻索34在滚道108内的对正，这些装置上涂敷有减摩材料、或用减摩材料制成，这些材料例如为尼龙和特氟隆。
参见图13b，第一钻井泥浆管线123是一条钻井液回流管。通气管125是一条从钻井室引出的导管，用于将气体输送到地面设施。第二钻井泥浆管线127的作用是减小如果只采用第一钻井泥浆管线123时产生的摩擦压力。出油管129是一条从钻井室延伸出的导管，用于将开采出的流体输送到地面设施。动力导管131用于连接在钻井室和地面之间的主供电电缆。压井管线133是一个端口，当在钻井过程中出现需要井控的情形时，用该压井管线来执行封井。通讯导管135内包封了连接在地面和钻井室/开采室设施之间的所有遥测缆、控制缆、电话缆。水管线137使得水可从地面流到钻井室/开采室中。压缩空气管线139将空气从地面输送到钻井室/开采室设施。
参见图14，主注入器100从一位于地面下的位置处向钻头施加作用力，其中该位置处远离挠性管单元110。主注入器100被设计成与辅助注入器101同步，辅助注入器设置在地面上，且紧邻挠性管卷轴单元110。主注入器100向钻索34(挠性管)施加拉力，而将其从地下止推承座36中拉出，并对位于钻头和牵拉装置之间的钻索34施加压力。主注入器100具有一中央孔腔116，钻索或挠性管34从该孔腔中穿过。一液压马达118通过链条122和滑枕124驱动着夹块120，使其在中央孔腔内与钻索34接触。在主注入器100的一端处，设置了残油刮板126、带有全封闭防井喷闸板130的切割器128、以及带有闸板134的滑瓦132。主注入器100具有的优点是相比于在地面高度上执行推顶操作，对钻头施加作用力位置点与钻头间的距离缩短了。由于钻索34的物理特性和其固有的弹性趋势，这样的条件是有利的。当在顶戳力和阻力之间的对顶程度足够大时，钻索呈现为正弦曲线的形状。随着顶戳力与阻力之间的作用距离加大，呈现为正弦曲线形状时的作用力就会降低。因而，将施力位置从地面挪到地下，能增大用挠性管所能钻出的水平井孔的长度。将主注入器100设置在“井下”，并使其从垂直移动转变为水平移动，还能消除在钻头和牵拉装置之间产生的弯曲阻力。从而同样能增大用挠性管实现的水平钻进总距离。主注入器100可按照如下的方式来工作的1.水平工作2.在地下远离挠性管源的位置处工作3.与地上单元同步地工作4.工作方式为用于将挠性管从垂直状态拉(牵引)到水平或近似水平的定向状态。
权利要求
1.一种用于从地下采收碳氢化合物的地下碳氢化合物采收设备，所述设备包括一从地面延伸向下的竖井；以及从所述竖井径向辐射出的多条开采井，每一所述开采井具有一穿孔的开采段，所述穿孔开采段能允许碳氢化合物排流到对应的开采井中，其中，沿所述开采段的每一个位置点都被设置在一个面积小于或等于24.6英亩的区域内，在所述区域内不存在其它开采井的开采段。
2.一种用于从地下采收碳氢化合物的地下碳氢化合物采收设备，所述设备包括从地面延伸出的一垂直竖井；从所述垂直竖井径向辐射出的多条第一开采井，其半径为第一半径；以及从所述垂直竖井径向辐射出的多条第二开采井，其半径为第二半径，所述第二半径大于所述第一半径。
3.一种用于从地下采收碳氢化合物的地下碳氢化合物采收设备，所述设备包括从地面延伸出的一垂直竖井；从所述垂直竖井径向辐射出的多条开采井，每一所述开采井具有一穿孔的采油段和一封闭的流体输送段，所述流体输送段将所述采油段与所述垂直竖井相连接，从而使得所述采油段与所述垂直竖井分开。
4.一种用于从地下采收碳氢化合物的方法，其包括步骤部署从地面延伸向下的竖井；以及部署多条从所述竖井径向辐射出的开采井，每一所述开采井具有一穿孔的开采段，所述穿孔开采段能允许碳氢化合物排流到对应的开采井中，其中，沿所述开采段的每一个位置点都被设置在一个面积小于或等于24.6英亩的区域内，在所述区域内不存在其它开采井的开采段。
5.一种用于从地下采收碳氢化合物的方法，其包括步骤部署一从地面延伸出的垂直竖井；部署多条从所述垂直竖井径向辐射出的第一开采井，其半径为第一半径；以及部署多条从所述垂直竖井径向辐射出的第二开采井，其半径为第二半径，所述第二半径大于所述第一半径。
6.一种用于从地下采收碳氢化合物的方法，其包括步骤部署一从地面延伸出的垂直竖井；部署多条从所述垂直竖井径向辐射出的开采井，每一所述开采井具有一穿孔的采油段和一封闭的流体输送段，所述流体输送段将所述采油段与所述垂直竖井相连接，从而使得所述采油段与所述垂直竖井分开。
7.一种用于从地下采收碳氢化合物的地下碳氢化合物采收设备，所述设备包括挠性钻索；用于对所述挠性钻索执行松卷操作的装置，从而使挠性管通入到一从地面延伸出的、并基本上为垂直的竖井中；用于对所述钻索执行重新定向的装置，用于在地下将钻索从基本为垂直的定向状态转变为基本为水平的定向状态，从而使所述钻索能通入到地下碳氢化合物蕴藏层的侧部或底部中。
8.根据权利要求7所述的地下碳氢化合物采收设备，其特征在于用于对所述钻索执行重新定向的所述装置包括一止推承座，其具有一弧形段，利用所述弧形段可改变所述钻索的定向。
9.根据权利要求8所述的地下碳氢化合物采收设备，其特征在于所述设备还包括一可转动的转台，其连接到所述止推承座上，用于将所述钻索的定向改变一预定的量。
10.根据权利要求7所述的地下碳氢化合物采收设备，其特征在于所述设备还包括一布井防喷管，所述布井防喷管形成了一个腔室，所述腔室可与井筒中的压力隔绝，从而能对地下井口处的工具进行安装、连接和维护。
11.一种用于从地下采收碳氢化合物的地下碳氢化合物采收设备，所述设备包括挠性钻索；用于对所述挠性钻索执行松卷操作的装置，从而使挠性管通入到一从地面延伸出的、并基本上为垂直的竖井中；用于对所述钻索执行重新定向的装置，用于在地下将钻索从基本为垂直的定向状态转变为基本为水平的定向状态，从而使所述钻索能通入到地下碳氢化合物蕴藏层的侧部或底部中，用于对所述钻索执行重新定向的所述装置包括一止推承座，其具有一弧形段，利用所述弧形段可改变所述钻索的定向。
12.根据权利要求11所述的地下碳氢化合物采收设备，其特征在于所述设备还包括一可转动的转台，其连接到所述止推承座上，用于将所述钻索的定向改变一预定的量。
13.根据权利要求11所述的地下碳氢化合物采收设备，其特征在于所述设备还包括一布井防喷管，所述布井防喷管形成了一个腔室，所述腔室可与井筒中的压力隔绝，从而能对地下井口处的工具进行安装、连接和维护。
14.一种用于从地下采收碳氢化合物的方法，其包括步骤部署一从地面延伸出的、基本上垂直的竖井；松卷钻索，使其穿过从地面延伸出的、基本上垂直的竖井；以及在地下对所述钻索执行重新定向操作，使钻索从基本为垂直的定向状态转变为基本为水平的定向状态，从而使所述钻索能通入到地下碳氢化合物蕴藏层的侧部或底部中
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于对钻索的重新定向是通过一止推承座进行的，其具有一弧形段，利用所述弧形段可改变所述钻索的定向。
全文摘要
本发明公开了改进的水平钻进系统和方法，其包括从一些开采井(12、14、16)开采出原油，这些开采井是从一地下开采设施钻出的。井口被设置在储油层的下方，由于存在从井筒流向井口的重力流，所以能提高流量和采收量，使得井筒中的开采压力能达到非常低的流体压力，甚至可低至15PSI。本发明的方法通过钻出长的水平井孔、或接近于水平的井孔来开采浅层原油，其中的井孔是从一地下工作间钻出的，并由所述工作间提供保障服务。地下工作间可作为从各个开采井开采出的原油的中央汇聚处。石油集流到一个中央设施中，然后再被泵(64)提升到地面上。
文档编号E21B7/08GK1451075SQ01812849
公开日2003年10月22日 申请日期2001年5月16日 优先权日2000年5月16日
发明者韦恩·L·凯利, 安德鲁·M·阿什比, 罗伯特·L·尤恩, 罗伯特·H·特伦特 申请人:奥梅加石油公司