煤炭地下气化的钻孔及其构造方法与流程
本发明涉及煤炭开采技术，具体涉及一种煤炭地下气化的钻孔及其构造方法。
背景技术：
煤炭地下气化技术是一种将埋藏在地下的煤炭进行直接的、有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用，产生可燃气体的过程。显然的，为了维持可控制的地下燃烧，需要从地表钻取至煤炭层或者煤炭层底板的一些列钻孔，各钻孔分别用于向地下燃烧区输送各类反应物(如气化剂)，或者由地下燃烧区将反应生产物输出至地表，又或者进行设备(如管线)布置，乃至进行其它物料的输送。
图1为现有技术中钻孔的结构示意图，其从地表延伸至煤炭层，其中从地表延伸至煤炭层的顶板的部分通过套管和水泥进行全固井。如申请号为201010532068.6，公开日为2012.05.23，名称为“一种煤炭地下气化钻孔井身结构及其构造方法”的发明专利申请提供的就是这样的钻孔，通过这样的钻孔在地表和煤炭层之间实现物质输送或设备布置。
现有技术的不足之处在于，煤炭层经过气化后会形成燃空区，原先由煤炭层进行支撑的顶板此时由于支撑开始发生垮塌、变形乃至断裂，这些变化会对钻孔的孔壁和套管施加拉伸、扭曲以及剪切力，如此使得钻孔容易发生损坏乃至损毁，进而失去工作能力。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种煤炭地下气化的钻孔及其构造方法，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤炭地下气化的钻孔构造方法，包括以下步骤：
101、开钻第一孔，所述第一孔从地表延伸至煤炭层的底板；
102、对所述第一孔的侧壁进行洞穴开凿，所述洞穴的顶部位于煤炭层的顶板中，所述洞穴的底部位于所述底板上；
103、在所述洞穴中制造与所述洞穴的外形相契合的支撑体；
104、开钻第二孔，所述第二孔的一端位于所述支撑体顶端并与所述第一孔连通，所述第二孔的另一端位于所述煤炭层中。
上述的钻孔构造方法，步骤101进一步包括以下步骤：
1011、开钻第一孔的第一段，所述第一段由地表延伸至所述煤炭层的顶板；
1012、对所述第一段设置防护套管；
1013、开钻第一孔的第二段，所述第二段从所述第一段的末端延伸至所述煤炭层的底板。
上述的钻孔构造方法，步骤102中，所述洞穴的开凿方法可以是气体动力激动、水力喷射、机械扩径以及爆破造穴中的一种或者多种组合。
上述的钻孔构造方法，步骤103包括：
向所述洞穴中充填水泥浆凝固后形成所述支撑体。
上述的钻孔构造方法，所述第一孔的底部位于所述底板以下0～60米，所述第一孔的深度由钻孔孔径、沉渣量以及煤炭层涌水量中一者或多者进行确定。
上述的钻孔构造方法，步骤102之后还包括：
102’对所述洞穴进行清洗以排出煤屑。
本发明实施例还提供一种煤炭地下气化的钻孔，包括从地表延伸至煤炭层的顶板的第一孔，还包括支撑体、以及贯穿所述支撑体的第二孔，所述支撑体的顶部位于所述煤炭层的顶板中，所述支撑体的底部位于所述底板上，所述第二孔的一端与所述第一孔连通，所述第二孔的另一端位于所述煤炭层中。
上述的钻孔，优选的，所述第二孔有两个或以上，多个所述第二孔在所述第一孔的径向或轴向上交错布置。
上述的钻孔，进一步的，还包括与第一孔连通的口袋孔，所述口袋孔位于所述第一孔的延长线上，所述口袋孔的一端位于所述底板中。
上述的钻孔，优选的，所述支撑体的底部嵌于所述底板中。
在上述技术方案中，本发明提供的煤炭地下气化的钻孔，在煤炭层内设置一支撑体，支撑体从煤炭层的底板支撑到顶板，如此防止顶板变形和塌落，从而保护位于顶板中的钻孔。
由于上述钻孔具有上述技术效果，该钻孔的构造方法也应具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中钻孔的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的钻孔构造方法的开凿洞穴步骤的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的钻孔构造方法的制造支撑体步骤的结构示意图；
图4为本发明一种实施例提供的钻孔的结构示意图；
图5为本发明另一种实施例提供的钻孔的结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明再一种实施例提供的钻孔的结构示意图；
图8为图7的俯视图；
图9为本发明再一种实施例提供的钻孔的结构示意图；
图10为图9的俯视图；
图11为本发明一种实施例提供的钻孔构造方法的流程图；
图12为本发明另一种实施例提供的钻孔构造方法的流程图；
图13为本发明实施例提供的钻孔构造方法的第101步骤的细化流程图。
附图标记说明：
现有技术：
1’、地表；2’、顶板；3’、套管；4’、水泥环；5’、燃空区。
本发明：
1、地表；2、顶板；3、底板；4、煤炭层；5、第一孔；6、支撑体；7、第二孔；8、口袋孔；9、外层套管；10、内层套管；11、水泥环；12、洞穴。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
本发明提供的煤炭地下气化的钻孔，可以是用于煤炭地下气化的进气孔、排气孔，安装线缆等设备的其它钻孔，或者用于其它功能的钻孔等等。
如图2-4/11所示，本实施例提供的一种煤炭地下气化的钻孔构造方法，包括以下步骤：
101、开钻第一孔5，所述第一孔5从地表1延伸至煤炭层4的底板3；
具体的，通过钻孔设备从地表1向煤炭层4进行钻孔操作，这里延伸至底板3可以理解为到达底板3的顶表面，而不穿凿底板3，但优选的，第一孔5可以从地表1、煤炭层4的顶板2、煤炭层4延伸到底板3的内部，即第一孔5的底部位于底板3中。
本实施例中，第一孔5的底部位于所述底板3以下0～60米，其具体深度由钻孔孔径、沉渣量以及煤炭层4涌水量中一者或多者进行确定。
102、对所述第一孔5的侧壁进行洞穴12开凿，所述洞穴12的顶部位于煤炭层4的顶板2中，所述洞穴12的底部位于所述底板3上；
如图2所示，对第一孔5的侧壁进行挖掘以扩大其径向尺寸，如此形成洞穴12，挖掘范围的顶部为顶板2，底板3为底板3，同样的，底部可以是位于底板3的顶表面上，但优选的，底部位于底板3中。洞穴12直径的大小取决于造穴方式、煤层机械强度、顶板2岩性、填充材料的强度等，如洞穴12的直径介于0.5～5m之间。洞穴12的开凿方法可以是气体动力激动、水力喷射、机械扩径以及爆破造穴中的一种或者多种的组合。凿穴挖出的煤炭由相应的输送管道输送到地面。
本实施例中，较为优选的，先将水力喷射造穴工具下至指定造穴位置，本实施例为顶板2下0.15m处造洞穴12起始井深处(或洞穴12顶部)，对设定的需要造穴段进行水力射流作业，直至造穴工具下至设计洞穴12底部后，如煤炭层4底板3以上0.15m，完成射流造穴施工。再将机械造穴工具下至洞穴12底部，实施机械造穴作业扩大洞穴12直径，由下向上逐步上提造穴工具进行扩孔，直到钻具上提距离达到设计的洞穴12的高度，起出造穴工具，造穴作业完成；注循环泥浆清洗钻孔，并将煤屑等排出孔外，造穴结束，形成洞穴12。
103、在所述洞穴12中制造与所述洞穴12的外形相契合的支撑体6；
如图3所示，从第一孔5中向洞穴12中下入相应的材料填充洞穴12，直至形成稳固的、具有一定支撑强度的支撑体6，较为优选的，通过第一孔5输入流体如水泥、混凝土、又或者其它的建筑浇筑材料，这些材料进一步优选为耐火材料，如铝酸盐水泥、高铝水泥等；各种耐火浇注料(由耐火材料、结合剂、水配制而成)，如高铝水泥耐火浇注料、硅酸盐水泥耐火浇注料、磷酸盐耐火浇注料等等。这些浇筑材料经凝固养护后形成稳固的支撑体6。作为理论可行的方案，支撑体6也可以是支架类结构，将支架类结构下入洞穴12中自动展开形成支撑体6，支撑体6的外形与洞穴12的外形相一致，即其顶部支撑顶板2，底部位于底板3上，如此顶板2的压力通过支撑体6传递到底板3上。
104、开钻第二孔7，所述第二孔7的一端位于所述支撑体6顶端并与所述第一孔5连通，所述第二孔7的另一端位于所述煤炭层4中。
如图4-10所示，从第一孔5底部的支撑体6开钻，通过侧向或者斜向开钻到支撑体6侧部的煤炭层4中，如此第二孔7得以连通煤炭层4和第一孔5，对于水泥等建筑材料构筑的支撑体6，可以从支撑体6的顶部开钻形成第二孔7，要是支架类结构的支撑体6，可以下入套管固定到支架上以形成第二孔7。
本实施例中，第二孔7可以为一个，也可以有多个，其数量根据煤炭层4的厚度和气化加工的需求确定，第二孔7可以直孔，即由第一孔5的孔壁垂直开钻以形成第二孔7，也可以是斜孔，即由第一孔5的孔壁倾斜开钻以形成第二孔7。多个第二孔7可以在第一孔5的轴向上交错布置，也可以在第一孔5周向上的不同位置布置。
本实施例提供的煤炭地下气化的钻孔，当煤炭层4气化形成燃空区后，第一孔5和第二孔7所处区域的顶板2由于得到支撑体6的支撑较为稳固，而不会发生变形乃至垮塌。
如图13所示，本实施例中，进一步的，步骤101进一步包括以下步骤：
1011、开钻第一孔5的第一段，所述第一段由地表1延伸至所述煤炭层4的顶板2；
1012、对所述第一段设置防护套管；
1013、开钻第一孔5的第二段，所述第二段从所述第一段的末端延伸至所述煤炭层4的底板3。
第一孔5包括相连的两段，第一段为地表1至煤炭层4顶板2的部分，这一部分是不会进行洞穴12的部分，第二段为顶板2至煤炭层4底板3的部分，在后续凿穴步骤中，该段为开凿洞穴12的部分。在第一孔5开凿过程中，对第一段和第二段分段开凿，先开凿第一段并设置防护套管，如单层石油套管或碳钢管，在第一段稳固完成后，再开钻第二段，分步施工可以先完善第一段，使得后续的孔段和洞穴12的开凿更为顺利。
本实施例中，更进一步的，对于上述第1011步骤，第一段再次分为两段，第一段中靠近地表1的一端设置有相套的两个套管：外层套管9和内层套管10，外层套管9和内层套管10具有一膨胀间隙，如此使得防护套管具有一定的膨胀余量，避免受热应力影响而使水泥石环破坏，同时防止煤层被压裂，另外，防护套管与钻孔的孔壁之间由水泥浆进入封堵裂隙，实施过程中需要控制固井水泥返高，较为优选的，泥浆返高控制在煤层顶板2以上50～200m，其具体返高数据可依据煤层破裂压力梯度、泥浆密度等进行计算。
较为优选的，水泥返高h1的计算公式如下：
上式中，假设hc为煤层埋深为，单位为米，pf为煤层破裂压力梯度，单位为kpa/m，ρm为固井时泥浆密度，单位为g/cm3，ρc最大水泥浆平均密度，单位为g/cm3，其中：最大水泥浆平均密度为ρc可以按照以下公式计算：
如图13所示，上述的钻孔构造方法，步骤102和103之间还包括：
102’对所述洞穴12进行清洗以排出煤屑。即在洞穴12开凿后，对洞穴12进行清洗以清除包括煤屑在内的杂物，如此保证后续填充进来的建筑材料不会含有杂质，进而保证形成的支撑体6较为稳固。
本实施例中，在步骤104之后还包括：开钻口袋孔8，口袋孔8位于所述第一孔5的延长线上，所述口袋孔8的一端位于所述底板3中，即口袋孔8与第一孔5位于同一直线上，其口袋孔8的大部分位于底板3中，口袋孔8的作用在于承载钻孔构造和使用过程中形成的各类杂物，如沉降煤气中夹带的灰渣、煤块、煤气积液等等，防止这些杂物堵塞第二孔7。
本实施例中，口袋孔8的底部位于底板3以下0～60米，其具体深度由钻孔孔径、沉渣量以及煤炭层4涌水量中一者或多者进行确定，作为优选的，本实施例提供以下深度计算公式：
上市中，h为口袋孔8的深度，q为出气流量，ω为煤气在流出过程中夹带的焦油、灰渣等的含量，γ为煤气在流出过程中夹带的焦油、灰渣等的密度，d为钻孔的直径，t为钻孔的平均维护周期。
假定钻孔为直径d为200mm(内径)，钻孔为出气孔，出气流量q约3500nm3/h(标方)，煤气在流出过程中夹带的焦油、灰渣等的含量ω为2000mg/nm3，其密度γ大致为1.32g/cm3，焦油、渣等在从套管流出过程中部分沉降、部分沉积在套管壁，大部分随煤气流出至地面，其中沉降部分被设计的钻孔口袋收集，该部分大致占总含量百分比
如图1-10所示，本发明实施例还提供一种煤炭地下气化的钻孔，包括从地表1延伸至煤炭层4的顶板2的第一孔5，还包括支撑体6、以及贯穿所述支撑体6的第二孔7，所述支撑体6的顶部位于所述煤炭层4的顶板2中，所述支撑体6的底部位于所述底板3上，所述第二孔7的一端与所述第一孔5连通，所述第二孔7的另一端位于所述煤炭层4中。
如上述方法部分所述，钻孔包括相连的第一孔5和第二孔7，第一孔5由地表1延伸至煤炭层4的顶板2，第二孔7位于支撑体6中，其由煤炭层4的顶板2延伸至煤炭层4，支撑体6为能够支撑住煤炭层4顶板2的结构，其底部抵接于煤炭层4的底板3上，或者嵌于煤炭层4的底板3中，其顶部位于顶板2中，如此开设有钻孔的部分的顶板2的重力被支撑体6承受，支撑体6再将该重力传递给底板3。较为优选的，支撑体6为由建筑材料形成的墩状结构，如水泥墩、混凝土墩等等，可选的，支撑体6也可以是其它的支撑机构，如钢结构的支架等等。
本实施例中，进一步的，所述第二孔7有两个或以上，多个所述第二孔7在所述第一孔5的径向或轴向上交错布置。如图7-8所示，两个钻孔在第一孔5的轴向上的相同位置布置，在第一孔5的径向上相差180度，又或者如图9-10所示，两个钻孔在第一孔5的轴向上的不同位置布置，在第一孔5的径向上相差10-30度。设置多个第二孔7的作用在于对不同部位的煤炭进行气化，便于气化加工。
本实施例中，进一步的，如图5所示，还包括与第一孔5连通的口袋孔8，所述口袋孔8位于所述第一孔5的延长线上，所述口袋孔8的一端位于所述底板3中，即口袋孔8与第一孔5位于同一直线上，其口袋孔8的大部分位于底板3中，口袋孔8的作用在于承载钻孔构造和使用过程中形成的各类杂物，如沉降煤气中夹带的灰渣、煤块、煤气积液等等，防止这些杂物堵塞第二孔7。
本发明提供的煤炭地下气化的钻孔，在煤炭层4内设置一支撑体6，支撑体6从煤炭层4的底板3支撑到顶板2，如此防止顶板2变形和塌落，从而保护位于顶板2中的钻孔。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
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