一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构及施工方法与流程

本发明涉及煤炭地下气化开采技术领域，具体而言，涉及一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构及施工方法。

背景技术：

煤炭地下气化技术可将煤炭资源进行原位开采，并转化为可燃气体，其开采过程中无需人工进入采煤工作面，而主要利用气化剂与煤的热作用、化学反应等形式形成反应工作面，将煤中可燃成分转化为有效的工业混合气体，混合气体通过地质钻孔排至地表，该技术具有资源节约、清洁环保、安全生产等优势。

通常，在煤层上部地质钻孔内下放石油套管并完成水泥固井后，即完成出气孔的主要施工工作，煤层内部基本为未做防护的裸露状态，一般情况下一口出气孔的使用周期至少需五年以上，但在现场生产过程中，采用上述手段完成的出气孔在正常使用一至两年后，在火力和应力共同作用下，不断出现孔底套管和固井水泥环周围煤层顶板坍塌，导通顶板含水层或者堵塞出气通道，影响工艺稳定运行，造成钻孔提前报废。

现有国内专利cn101749005b提出一种地下钻孔保护工艺，该技术主要针对气化炉构建过程中钻孔底部的保护，而在启动该钻孔用于生产出气之前，需在孔底破坏该保护装置，在生产出气过程中仍然没有对钻孔底部起到防护作用。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构及施工方法，用于钻孔全寿命周期的防护，旨在解决上述问题。

一方面，本发明提出了一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构，其特征在于，石油套管底部被固井材料包围，所述固井材料开设有与所述石油套管连通的孔，所述孔上装有防护管，该孔通向煤层。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构，其特征在于，所述孔与所述石油套管的夹角为预定角度。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构，其特征在于，所述预定角度大小为30度至75度。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构，其特征在于，所述防护管上有卡扣，所述卡扣用于将该防护管固定在所述石油套管上。

另一方面，本发明还提出了一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，包括，

步骤s1，在煤层、顶底板岩层及底板基岩一定范围内，利用变径扩孔钻头钻挖空腔；

步骤s2，下放石油套管至终孔位置，石油套管底部封堵并且底部末端侧面开孔若干，

步骤s3，进行固井，使整个套管外部空腔均被固井材料填充；

步骤s4，固井材料达到预定强度后，放置封堵材料将末端孔堵塞；

步骤s5，用开孔钻头在圆柱状空间中上部开若干斜孔并下放护管，至新鲜煤层部位，完成防护结构及通道构建。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，所述固井材料为适用于超高温、高压条件下的固井材料。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，步骤s4，所述预定强度为抗压强度且强度不低于3.5mpa。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，完成步骤s2，所述石油套管下放完成并经封堵后进行耐压试验，压力损失符合要求后进行步骤s3。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，钻挖所述空腔的半径为所述石油套管半径的5-10倍。

进一步地，上述煤炭地下气化钻孔底部防护结构施工方法，其特征在于，所述空腔顶端距离煤层3-5米，该空腔底端深入基岩层2-3米。

本发明的有益效果：

由于形成了连接气化煤层与钻孔的出气通道，所以气化过程前、中、后的煤层、顶板都有支撑防护，保持孔底结构的基本稳定。

钻孔在出气使用前通过支护结构能够平衡地压、防止塌孔，极大程度的保证了其在几个月的建炉周期内孔底的稳定性，即已完成的钻孔可以长期放置。

钻孔在出气使用过程中通过耐超高温、高压材料保护若干出气斜孔，减轻了热效应对底部套管的影响，出气过程中不会出现套管熔断现象，延长了套管的使用寿命。

钻孔底部周边产生燃空区后，圆柱状实体支护结构上部固结煤层顶板、下部固结底板基岩，为至少是钻孔底部一定范围内的空间提供支撑，防止钻孔周边顶板岩层塌落造成堵塞。

该防护结构施工过程简单，成本低，可靠性好，适用于高温气体的地下排采。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明出气孔整体结构示意图；

图2是本发明出气孔底部防护结构示意图；

其中：1-石油套管、2-侧壁固井材料、3-石油套管侧孔、4、斜孔护管、5-斜孔护管卡扣、6-圆柱状空腔、7-固井材料、8-封堵材料、9-石油套管底端侧孔、10-第四系表土、11-岩层(顶底板)、12-含水层、13-煤层、14-基岩层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1、2所示，一种煤炭地下气化钻孔底部防护结构，主要包括：石油套管1、侧壁固井材料2、石油套管侧孔若干3、斜孔护管若干4、斜孔护管卡扣5、圆柱状空腔6、固井材料7、封堵材料8、石油套管底端侧孔若干9。

石油套管底部被固井材料7包围，所述固井材料7开设有与所述石油套管连通的孔，所述孔上装有防护管，该孔通向煤层。

石油套管侧孔3与石油套管1的夹角为预定角度，预定角度大小为30度至75度。进一步地优选为55度至65度，更便于施工。

防护管4上有卡扣5，所述卡扣5用于将该防护管5固定在所述石油套管1上。

一般施工需要先钻挖地质裸孔：

地质垂直钻孔依次穿越第四系表土10、岩层11、含水层12、煤层顶板岩层11、煤层13、煤层底板岩层11，钻入基岩层142-3米，形成地质裸孔。

地质裸孔经测井并检查合格后，进行下列步骤：

步骤s1，在煤层、顶底板岩层及底板基岩一定范围内，利用变径扩孔钻头钻挖空腔：

步骤s2，下放石油套管至终孔位置，石油套管底部封堵并且底部末端侧面开孔若干，

步骤s3，进行固井，使整个套管外部空腔均被固井材料填充；

步骤s4，固井材料达到预定强度后，放置封堵材料将末端孔堵塞；

步骤s5，用开孔钻头在圆柱状空间中上部开若干斜孔并下放护管，至新鲜煤层部位，完成防护结构及通道构建。

当然，也可以针对已经挖掘好的裸孔进行改造，省去上述钻挖裸孔的过程，但对于裸孔深度不满足要求的需要进一步地钻挖直至钻入基岩层142-3米。

步骤s1，利用变径扩孔钻头从顶板岩层11距离煤层3-5米范围内(具体数值取决于顶板岩石力学性质)开始扩孔、造穴制造空腔，孔穴穿过煤层13、煤层底板岩层11，进入基岩层142-3米，形成圆柱状空腔6，孔穴半径是裸孔半径的5-10倍，裸孔直径与石油套管直径近乎相等，所以孔穴半径近乎等于石油套管直径的5-10倍。

然后进行步骤s2，下放含有3-5个底端孔9的底部密封石油套管1。石油套管放置稳定后，下放封堵材料8将石油套管底端孔9封堵，加压验证套管密闭性，压力损失符合要求后取出封堵材料8。将固井材料7通过底端侧孔9压入地层与石油套管1之间的空隙。本方案采用g级以上油井水泥及相应物料颗粒级配进行固井(如果有其它适用于超高温、高压条件下的固井材料也可以作为替代方案)。

固井材料候凝12-24小时，且其抗压强度不低于3.50mpa时，下放封堵材料8将石油套管底端孔9封堵，用小口径开孔钻头在固井材料的中上部一定位置开若干侧孔3并下放带有卡扣5的斜孔护管4至新鲜煤层13，完成防护结构及出气通道构建。

由于形成了连接气化煤层与钻孔的出气通道，所以气化过程前、中、后的煤层、顶板都有支撑防护，保持孔底结构的基本稳定。

钻孔在出气使用前通过支护结构能够平衡地压、防止塌孔，极大程度的保证了其在几个月的建炉周期内孔底的稳定性，即已完成的钻孔可以长期放置。

钻孔在出气使用过程中通过耐超高温、高压材料保护若干出气斜孔，减轻了热效应对底部套管的影响，出气过程中不会出现套管熔断现象，延长了套管的使用寿命。

钻孔底部周边产生燃空区后，圆柱状实体支护结构上部固结煤层顶板、下部固结底板基岩，为至少是钻孔底部一定范围内的空间提供支撑，防止钻孔周边顶板岩层塌落造成堵塞。

该防护结构施工过程简单，成本低，可靠性好，适用于高温气体的地下排采。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。