鑽孔結構及其構造方法與流程
2023-10-09 10:11:09 2
本發明涉及煤炭及煤層氣開採技術領域，具體而言，涉及一種鑽孔結構及其構造方法。
背景技術：
煤炭地下氣化技術是利用煤炭的原位燃燒、氣化反應生產煤氣或合成氣的技術，在煤炭地下氣化過程中，為了維持反應的進行，通常需要在煤層中設置進氣鑽孔、出氣鑽孔和相應的連接進、出氣鑽孔的氣化通道。一般進氣鑽孔用於向煤層中輸送氣化劑(如空氣、氧氣等)，而送入的氣化劑在氣化通道內與煤層發生燃燒、氣化反應生成高溫煤氣，高溫煤氣則通過出氣鑽孔排出至地面以供後續利用。鑽孔聯繫地上和地下，鑽孔的穩定是地下氣化成敗的關鍵之一。
煤炭地下氣化過程中，煤層燃燒提供了氣化反應所需能量，因反應消耗掉煤炭而在煤層中形成了燃空區。隨著反應進行，燃空區尺寸不斷擴大，改變了煤層圍巖原先的受力狀態。在煤層燃燒的高溫以及地應力作用下，燃空區之上的覆巖會發生垮落、斷裂等的巖層位移運動，從而在覆巖中形成垮落帶與斷裂帶(合稱導水裂隙帶)。處在垮落、斷裂帶內的鑽孔，由於受巖層運移所產生的地應力的拉伸、扭曲、剪切等多種作用而發生損毀或斷裂。特別是，對於強度差別較大的巖層交界面處(如含水層、泥巖等)，由於巖層強度的突變，更易發生巖層的運移，往往也是鑽孔遭受破壞最為嚴重的區域，國內外現場試驗表明，約3％～28％的鑽孔由於垂直方向上的移動(拉伸作用)在距離煤層頂板2～9米處遭到破壞。約72％～97％的鑽孔由於水平方向上的移動(剪切作用)在距離燃空區20～40米的地方遭到破壞。因而，煤炭地下氣化過程中，對於處在燃空區附近的鑽孔，對其穩定性提出了更高的要求。
現有技術鑽孔結構單一，一般採用單層石油套管或碳鋼管，套管與地層環空採用耐高溫水泥進行全固井，實際使用過程中，套管因強度不夠或脫扣，在含水層與隔水層交界面處，套管損壞最為嚴重。專利cn201410289232提供了一種改進方法，在套管易損部位，採用漏鬥狀結構進行上下套管連接，但是此種結構無法保證可靠密封或難以抵抗地層扭曲、剪切應力。專利cn201410820229提供了另一種改進方法，在導水裂隙帶範圍內的地層全部採用金屬波紋管替代石油套管，此種結構對材料和製造工藝要求極高，鑽孔成本會大幅提高。
技術實現要素：
鑑於此，本發明提出了一種，旨在解決現有鑽孔易損壞的問題。
一個方面，本發明提出了一種鑽孔結構。該鑽孔包括：鑽孔本體、環形緩衝帶和應力補償器；其中，所述鑽孔本體於第一預設位置設置有所述環形緩衝帶，用於降低剪切應力的強度；所述環形緩衝帶的直徑大於所述鑽孔本體的直徑；所述環形緩衝帶內設置有所述應力補償器，用於抵消地層位移產生的拉伸和剪切載荷作用；所述鑽孔本體內於所述應力補償器的上方和下方分別套設有第一套管和第二套管，用於固井。
進一步地，上述鑽孔結構，所述應力補償器包括：內補償件和外補償件；其中，所述外補償件的內徑大於所述內補償件的外徑，並且，所述外補償件套設於所述內補償件外；所述第一套管與所述鑽孔本體之間設有第一環形通道，並且，所述第二套管與所述鑽孔本體之間設有第二環形通道；所述外補償件的內壁與所述內補償件的外壁之間設有環形空隙，用於連通所述第一環形通道和所述第二環形通道。
進一步地，上述鑽孔結構，所述第一環形通道的底端設置有第一膨脹封隔器；所述第二環形通道的頂端設置有第二膨脹封隔器。
進一步地，上述鑽孔結構，所述第一膨脹封隔器內沿其長度方向設置有第一圓形通孔，用於連通所述第一環形通道與所述環形空隙；和/或，所述第二膨脹封隔器內沿其長度方向設置有第二圓形通孔，用於連通所述第二環形通道與所述環形空隙。
進一步地，上述鑽孔結構，所述應力補償器的外壁設置有遇水膨脹橡膠。
進一步地，上述鑽孔結構，所述應力補償器與所述環形緩衝帶之間填設有填充物，用於支撐和保護所述環形緩衝帶。
進一步地，上述鑽孔結構，所述應力補償器與所述第一套管通過球鉸相連接。所述應力補償器與所述第二套管通過所述球鉸相連接。
本發明提供的鑽孔結構不僅通過設置的環形緩衝帶降低剪切應力的強度，而且通過設置的應力補償器當應力超過補償器允許值時，應力補償器可以被拉伸一定的長度，從而補償過大地應力對第一套管和第二套管的拉伸破壞，即應力補償抵消地層位移所產生的拉伸、剪切載荷作用，能夠使鑽孔適應巖層的變化，提高鑽孔穩定性，避免地下氣化過程鑽孔的損壞進而影響煤炭的氣化。
另一個方面，本發明提出了一種鑽孔結構的構造方法。該方法包括如下步驟：鑽孔加工步驟，由地面向下通過鑽具鑽出鑽孔本體，並在預設位置處進行擴鑽以鑽出環形緩衝帶；套管設置步驟，向所述鑽孔本體內下放套管以使第二套管的底端進入煤層的預設深度時停止，在所述第二套管的上方於所述環形緩衝帶處放置應力補償器後，向所述鑽孔本體內在所述應力補償器的上方下放第一套管；隔離器設置步驟，在所述第一套管與所述鑽孔本體之間的第一環形通道的底端放置第一膨脹封隔器，所述第二套管與所述鑽孔本體之間的第二環形通道的頂端放置第二膨脹封隔器；環形緩衝帶填充步驟，在所述環形緩衝帶與所述應力封隔器之間填充填充物。
進一步地，上述鑽孔結構的構造方法，所述環形緩衝帶填充步驟之後還包括：固井步驟，對所述第一環形通道和所述第二環形通道進行注水泥以完成固井。
進一步地，上述鑽孔結構的構造方法，所述環形緩衝帶填充步驟之前還包括：橡膠設置步驟，在所述應力補償器的外壁整周包覆一層遇水膨脹橡膠。
本發明提供的鑽孔結構的構建方法不僅通過鑽設的環形緩衝帶降低剪切應力的強度，而且通過放置的應力補償器當應力超過補償器允許值時，應力補償器可以被拉伸一定的長度，從而補償過大地應力對第一套管和第二套管的拉伸破壞，即應力補償器抵消地層位移所產生的拉伸、剪切載荷作用，能夠使鑽孔適應巖層的變化，提高鑽孔穩定性，避免地下氣化過程鑽孔的損壞進而影響煤炭的氣化。
附圖說明
通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
圖1為本發明實施例提供的鑽孔結構的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的鑽孔結構的又一結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的鑽孔結構的構建方法的又一結構示意圖；
圖4為本發明實施例提供的鑽孔結構的構建方法的又一結構示意圖；
圖5為本發明實施例提供的的鑽孔結構的構建方法的又一結構示意圖。
具體實施方式
下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，並且能夠將本公開的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
鑽孔結構實施例：
參見圖1和圖2，該鑽孔結構可以包括：鑽孔本體1、環形緩衝帶2和應力補償器3。具體地，本領域技術人員應當理解的是，鑽孔本體1為由地面向下鑽至煤層的裸孔。
其中，鑽孔本體1於預設位置可以設置有環形緩衝帶2，用於降低剪切應力的強度。環形緩衝帶2的直徑可以大於鑽孔本體1的直徑。具體地，預設位置可以設置垮落帶、斷裂帶發育地層中具有最大橫向位移的位置，例如在垮落帶、斷裂帶發育地層的。本領域技術人員所公知的是，垮落帶、斷裂帶發育範圍內不同巖層的交界面處，巖層橫向剪切運動強烈，具有最大橫向位移，故預設位置可以設置在垮落帶、斷裂帶發育地層的巖層交界面，環形緩衝帶2的高度可以為5～40m且沿巖層交界面上下(相對於圖1所示的位置而言)對稱設置。環形緩衝帶2的設置增大孔的直徑，以便降低剪切應力的強度。其中，優選地，為進一步低剪切應力的強度，環形緩衝帶2的直徑可以為第一套管4直徑的2～4倍。
環形緩衝帶2內可以設置有應力補償器3，用於抵消地層位移產生的拉伸和剪切載荷作用。具體地，為進一步抵消地層位移產生的拉伸和剪切載荷作用，應力補償器3可以與環形緩衝帶2同軸設置。
鑽孔本體1內於應力補償器3的上方和下方可以分別套設有第一套管4和第二套管5，用於固井。具體地，本領域技術人員所公知的是，為了防止煤層鑽孔在煤氣抽採過程中短時間內塌孔堵死，以提高鑽孔煤氣抽放效率，通常會對煤層鑽孔鑽杆內下放套管。其中，第一套管4和第二套管5可以由多串套管串焊接而成，第一套管4和第二套管5的直徑可以相同。應力補償器3可以為多個，第二套管5中套管串之間可以於煤層頂板14上方距離其預設距離處設置應力補償器3。本領域技術人員所公知的是，煤層頂板位於垮落帶，部分煤層發生垮落時，垮落帶覆巖會對與其連接的套管產生向下的拉力，具有最大軸向位移，預設距離可以為採高。
可以看出，本實施例中提供的鑽孔結構不僅通過設置的環形緩衝帶2降低剪切應力的強度，而且通過設置的應力補償器3當應力超過補償器允許值時，應力補償器3可以被拉伸一定的長度，從而補償過大地應力對第一套管4和第二套管5的拉伸破壞，即應力補償器3抵消地層位移所產生的拉伸、剪切載荷作用，能夠使鑽孔適應巖層的變化，提高鑽孔穩定性，避免地下氣化過程鑽孔的損壞進而影響煤炭的氣化。
在上述實施例中，應力補償器3可以包括：內補償件31(圖中未示出)和外補償件32(圖中未示出)。
其中，外補償件32的內徑可以大於內補償件31的外徑，並且，外補償件(32)可以套設於內補償件(31)外。第一套管4與鑽孔本體1之間可以設有第一環形通道6，並且，第二套管5與鑽孔本體1之間可以設有第二環形通道7。外補償件32可以與內補償件31同軸設置，外補償件32的內壁與內補償件31的外壁之間可以設有環形空隙，用於連通第一環形通道6和第二環形通道7。本領域技術人員所公知的是，的直徑均小於鑽孔本體1的直徑，第一套管4和第二套管5可以與鑽孔本體1同軸設置，以使第一套管4與鑽孔本體1之間設有第一環形通道6及第二套管5與鑽孔本體1之間設有第二環形通道7。以便加強鑽孔結構的強度，第一環形通道6和第二環形通道7內可以填設有水泥漿。
本實施例中提供的應力補償器3，通過內補償器31和外補償器32之間的環形空隙連通第一環形通道6和第二環形通道7，以便固井時水泥漿的流動，促使了水泥漿流動的均勻性，以便增大該鑽孔結構的穩定性和強度，同時保證環形緩衝帶2不被水泥漿封固。
在上述實施例中，第一環形通道6的底端設置有第一膨脹封隔器8。第二環形通道7的頂端設置有第二膨脹封隔器9。具體地，為均勻封隔套管與煤層，第一膨脹封隔器8可以於第一環形通道6的底端沿第一環形通道6的整周設置，第二膨脹封隔器9可以於第二環形通道7的底端沿第一環形通道6的整周設置。第一膨脹封隔器8和第二膨脹封隔器9在遇水膨脹後沿環形通道的整周設置，以便封隔煤層和套管。
可以看出，本實施例中，通過第一膨脹封隔器8和第二膨脹封隔器9的設置遇水膠筒體積膨脹後不僅可以封隔煤層和套管，同時，可以封隔第一環形通道6與第二環形通道7和環形緩衝帶2，可以防止第一環形通道6與第二環形通道7固井後的水泥漿進入環形緩衝帶2。
在上述實施例中，第一膨脹封隔器8內沿其長度方向(如圖1所示的上下方向)可以設置有第一圓形通孔，用於連通第一環形通道6與環形空隙；和/或，所述第二膨脹封隔器9內沿其長度方向(如圖1所示的上下方向)可以設置有第二圓形通孔，用於連通第二環形通道7與環形空隙。具體地，第一圓形通孔和第二圓形通孔的軸向可以與鑽孔本體1的周向平行設置，並且，第一圓形通孔和第二圓形通孔均可以為多個，以便進一步便於水泥漿的流動。
可以看出，本實施例中通過第一圓形通孔和第二圓形通孔連通第一環形通道6、第二環形通道7和環形空隙，以便固井時水泥漿的流動。
在上述各實施例中，應力補償器3的外壁設置有遇水膨脹橡膠。具體地，雨水膨脹橡膠可以沿應力補償器3的外壁整周設置。可以看出，本實施例中，通過遇水膨脹橡膠的設置可以吸收地層水，體積逐漸膨脹後可對環形緩衝帶2填充支護，以便防止環形緩衝帶2周圍煤層的塌、縮、淤。
在上述各實施例中，應力補償器3與環形緩衝帶2之間可以填設有填充物10，用於支撐和保護環形緩衝帶2。其中，填充物10可以為矽膠、聚氨酯、膨潤土、橡膠、瀝青及其他高分子材料等，作為填充支護材料。
可以看出，本實施例中通過填充物10填充支護環形緩衝帶2可以進一步防止環形緩衝帶2周圍煤層的塌、縮、淤。當垮落帶、斷裂帶內地層發生運移時，特別是強烈的剪切運動時，填充物10可以抵消巖層橫向運動所造成的位移或者削弱位移的強度，以保護第一套管4或第二套管5不被錯斷。
在上述各實施例中，應力補償器3與第一套管4通過球鉸11相連接。應力補償器3與第二套管5通過球鉸11相連接。為便於球鉸11的扭轉，優選地，球鉸的偏轉角度可以為15°～20°。
可以看出，巖層橫向位移發生時，球鉸11可以發生偏轉，同時與應力補償器2配合，使第一套管4和第二套管5可跟隨巖層的移動而伸縮、偏移、扭轉，而在最大剪力區外，主要發生垂直拉伸運動，由於第二環形通道7被水泥漿填充固定，可以隨地層的運動而整體運動，以使第二套管5適應巖層的變化，保護套管串不被拉斷、錯斷、擰斷。
綜上所述，本實施例中提供的鑽孔結構不僅通過設置的環形緩衝帶2降低剪切應力的強度，而且通過設置的應力補償器3當應力超過補償器允許值時，應力補償器3可以被拉伸一定的長度，從而補償過大地應力對第一套管4和第二套管5的拉伸破壞，即應力補償器3抵消地層位移所產生的拉伸、剪切載荷作用，能夠使鑽孔適應巖層的變化，提高鑽孔穩定性，避免地下氣化過程鑽孔的損壞進而影響煤炭的氣化。
方法實施例：
參見圖1和圖3，該方法可以包括如下步驟：
鑽孔加工步驟s1，由地面向下通過鑽具鑽出鑽孔本體，並在預設位置處進行擴鑽以鑽出環形緩衝帶。
具體地，可以通過隨鑽取芯方式，測量擬設置鑽孔區域巖層結構、巖石力學強度等地層特性參數，通過經驗參數、理論計算、模擬試驗等方法，找出對應煤層採高時，覆巖垮落帶、斷裂帶發育高度，確定預設位置即關鍵巖層交界面的位置。本實施例垮落帶高度為煤層設計採高的2倍，斷裂帶為煤層設計採高的3倍左右。預設位置即關鍵巖層交界面位於斷裂帶內第一巖層12例如粉砂巖與第二巖層13例如泥巖之間。通過經驗關聯式，計算環形緩衝帶2的高度和直徑。也可採用經驗值，環形緩衝帶2的高度一般為5～40m，可以在關鍵巖層交界面上下(相對於圖1所示的位置而言)對稱分布；環形緩衝帶2的孔徑一般為鑽孔套管即第一套管4孔徑的2～4倍。本實施例環形緩衝帶2設計高度16m，孔徑為第一套管4孔徑的2倍。假設鑽孔本體1的孔徑db、套管直徑dc、環形緩衝帶2高度hp、環形緩衝帶2直徑dp，鑽孔地表至環形緩衝帶2頂部的高度為h1，環形緩衝帶2底部至煤層中終孔位置即鑽孔本體1的底部的高度為h2。首先，可以通過鑽機用直徑為db的鑽頭，由地表向下鑽進，並鑽至預設位置即關鍵巖層交界面以下環形緩衝帶2底部處，即孔深h1+hp處，形成孔徑為db的鑽孔本體1。然後，更換尺寸為db*dp擴孔鑽頭對預設位置即關鍵巖層交界面上下的環形緩衝帶2所在的範圍(即交界面上下各hp/2處)進行擴孔，擴至環形緩衝帶2設計孔徑dp。最後，重新更換直徑為db的鑽頭，繼續向下鑽進直至其鑽至煤層終孔位置深度h2處。
套管設置步驟s2，向鑽孔本體內下放套管以使第二套管的底端進入煤層的預設深度時停止，在第二套管的上方於環形緩衝帶處放置應力補償器後，向鑽孔本體內在應力補償器的上方下放第一套管。
具體地，首先向鑽孔本體1中下放第二套管5，直至第二套管5的底端(相對於圖1所示的位置而言)進入煤層的預設深度即終孔位置時停止，然後在第二套管5的上方(相對於圖1所示的位置而言)於環形緩衝帶2處放置應力補償器3，最後，向鑽孔本體1內在應力補償器3的上方(相對於圖1所示的位置而言)下放第一套管4。其中，第一套管4、第二套管5和應力補償器3的長度分別h1、hp和h2。
隔離器設置步驟s3，在第一套管與鑽孔本體之間的第一環形通道的底端放置第一膨脹封隔器，第二套管與鑽孔本體之間的第二環形通道的頂端放置第二膨脹封隔器。
具體地，為了保證環形緩衝帶2不被水泥漿封固，首先，在第一環形通道6的底端內放置一組第一膨脹封隔器8，然後在第二環形通道7的頂端放置一組第二膨脹封隔器9，遇水後膠筒體積膨脹，從而將第一環形通道6和第二環形通道7封隔。
環形緩衝帶填充步驟s4，在環形緩衝帶與應力封隔器之間填充填充物。
具體地，在環形緩衝帶2與應力封隔器3之間填充填充物10，填充物10可以為矽膠、聚氨酯、膨潤土、橡膠、瀝青及其他高分子材料等，作為填充支護材料。
參見圖4，圖4為本實施例中提供的鑽孔結構的構建方法的又一流程示意圖。該方法可以包括如下步驟：
鑽孔加工步驟s1，由地面向下通過鑽具鑽出鑽孔本體，並在預設位置處進行擴鑽以鑽出環形緩衝帶。
套管設置步驟s2，向鑽孔本體內下放套管以使第二套管的底端進入煤層的預設深度時停止，在第二套管的上方於環形緩衝帶處放置應力補償器後，向鑽孔本體內在應力補償器的上方下放第一套管。
隔離器設置步驟s3，在第一套管與鑽孔本體之間的第一環形通道的底端放置第一膨脹封隔器，第二套管與鑽孔本體之間的第二環形通道的頂端放置第二膨脹封隔器。
環形緩衝帶填充步驟s4，在環形緩衝帶與應力封隔器之間填充填充物。
固井步驟s5，對第一環形通道和第二環形通道進行注水泥以完成固井。
參見圖5，圖5為本實施例中提供的鑽孔結構的構建方法的又一流程示意圖。該方法可以包括如下步驟：
鑽孔加工步驟s1，由地面向下通過鑽具鑽出鑽孔本體，並在預設位置處進行擴鑽以鑽出環形緩衝帶。
套管設置步驟s2，向鑽孔本體內下放套管以使第二套管的底端進入煤層的預設深度時停止，在第二套管的上方於環形緩衝帶處放置應力補償器後，向鑽孔本體內在應力補償器的上方下放第一套管。
隔離器設置步驟s3，在第一套管與鑽孔本體之間的第一環形通道的底端放置第一膨脹封隔器，第二套管與鑽孔本體之間的第二環形通道的頂端放置第二膨脹封隔器。
橡膠設置步驟s6，在應力補償器的外壁整周包覆一層遇水膨脹橡膠。
環形緩衝帶填充步驟s4，在環形緩衝帶與應力封隔器之間填充填充物。
固井步驟s5，對第一環形通道和第二環形通道進行注水泥以完成固井。
由於鑽孔結構實施例具有上述效果，所以該構造方法實施例也具有相應的技術效果。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。