CN101749005B - 地下钻孔保护工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下钻孔保护工艺，包括：对于定向钻孔（8），在完成竖直段钻孔套管（9）固井之后，向水平段钻孔下入水平钻孔支护管或充填混合发泡固化剂；和/或对于竖直钻孔（1）先加固钻孔孔底，再下入钻孔保护装置（10）或充填混合发泡固化剂。本发明在钻孔完成后对裸孔段进行有效保护，既保证了在钻孔利用前，钻孔不被堵塞，又保证了在利用时，钻孔的保护措施不影响流体在钻孔和煤层间的自由流动。

Description

地下钻孔保护工艺

技术领域

本发明涉及地下深处小型工程施工建设，尤其是在地下煤层中防止钻孔缩径、塌孔、积淤、堵塞等的保护工艺。

背景技术

在采煤层气和煤炭地下气化过程中，尤其是在无井式煤炭地下气化中需要不断延长气化通道，提供新的可气化煤炭资源，这就要求提前不断补充由地面到煤层的钻孔。通常，由于钻孔的直径比较小，施工完毕的钻孔如果不进行很好的保护，就很容易因地层蠕动、岩屑剥落、涌水等被堵塞，在煤炭地下气化钻孔施工中，煤层以上部分钻孔内下有钻孔套管，管外通过注浆水泥固井，而进入煤层及以下钻孔部分通常是裸露的，方便流体进出煤层。由于钻孔直径比较小（一般小于1000mm）、煤层松软、完井后不能马上使用以及各种因素影响，煤层段的钻孔及水平定向钻孔等容易出现缩径、塌孔、积淤等，造成使用时钻孔不够完好、需要再次处理，甚至造成钻孔报废等难题。这就使得在钻孔完成后需要对裸孔段进行保护，在实施保护时既要保证在利用前，钻孔不被堵塞，又要保证在利用时钻孔的保护措施不影响流体在钻孔和煤层间的自由流动。

发明内容

针对以上技术难题，本发明公开一种适用于煤炭地下气化的钻孔保护工艺，包括：对于定向钻孔，在完成竖直段钻孔套管固井之后，向水平段钻孔下入水平钻孔支护管或充填混合发泡固化剂；而对于竖直钻孔需先进行评估钻孔保护装置（区别于水平段下入的钻孔支护管）下入深度，加固钻孔孔底，再下入钻孔保护装置或充填混合发泡固化剂。对于定向钻孔和竖直钻孔的保护工艺可以任选其一，也可同时选用，优选同时选用。

定向钻孔的水平段保护措施相对简单。在完成定向钻进及煤层以上部分钻孔固井后，向水平段钻孔下入钻孔支护管或充填混合发泡固化剂。

所述向水平段钻孔下入支护管通常是一段一段的，在下入时串连在一起，在水平钻孔中无间断铺设。

所述的支护管具有一定的机械强度，在钻孔利用期间不阻碍气体在煤层和钻孔间的流通，材质可以是开有一定数量小孔的普通钢管（筛管）、玻璃钢管，或者可燃烧的塑料管、竹子或木头等，但不局限于以上几种，重要的是保持钻孔不被堵塞，在使用时经过或不经过简单处理，流体可以在钻孔和煤层之间自由流通。

所述向水平段钻孔充填混合发泡固化剂为聚氨酯泡沫体。聚氨酯发泡工艺已经很成熟，在此选用半预聚体法，将部分聚醚多元醇（白料）和二异氰酸酯（黑料）先制成预聚体，然后将另一部分的聚醚或聚多元醇和二异氰酸酯、水、催化剂、表面活性剂、其它添加剂等加入，通过细管高速注入所述水平段钻孔后混合进行发泡。硬质的聚氨酯泡沫具有一定的机械强度，充填后可以支撑钻孔壁不塌落，而且该泡沫体易燃，在钻孔利用时将泡沫体烧掉煤层即可裸露出来。

而竖直钻孔的保护工艺，可以为向煤层段钻孔下入钻孔保护装置10或充填混合发泡固化剂。

所述钻孔保护装置10，能够将钻孔套管7下端和孔底之间裸露的煤层屏蔽起来，防止水、岩层碎屑、污泥、煤块等落入孔中造成堵塞。钻孔保护装置具有一定的机械强度、防渗漏。材质可以是但不局限于玻璃钢、竹子、木桩或塑胶皮囊等，但要满足在钻孔使用时通过简单处理后不影响气体进出煤层的流通。

首先，是向煤层段钻孔下入钻孔保护装置10的保护工艺，具体内容如下：

从地面向地下煤层钻成一眼竖直钻孔，钻进至钻孔套管7下端位置深度H₂，注入水泥浆对H₂位置以上钻孔进行固井，候凝后，继续钻进至煤层底板5内，根据前期钻井取心和测井资料明确煤层所在位置、各煤层厚度、煤质、各层夹矸厚度、煤层底板特性等情况，估算钻孔套管7和钻孔保护装置10下入位置。具体计算可参照以下公式或类似算法：

钻孔保护装置10下端位置深度：

H₁=H₀+∑(h₁，h₂… h_n)+∑(M₁，M₂… M_n)-c

其中：H₁为钻孔保护装置下端位置深度（m），H₀为煤层顶板深度（m），h_n为各夹矸层厚度(m)，M_n为各净煤层厚度(m)，c为经验常数，取值范围为0.5～1.5。

钻孔套管7下端位置深度：

H₂= H₁-∑(h₁，h₂… h_n）-∑（M₁*A₁，M₂*A₂… M_n*A_n）-b

其中：H₂为钻孔套管下端位置深度（m），A_n为各净煤层的灰分（%），b为经验常数，取值范围为1～2。

计算好相关参数后，向钻孔底部注入水泥至钻孔保护装置10下端位置H₁，进行钻孔底部加固6；候凝后，煤层内剩余的一段钻孔此时为裸孔状态，向该裸孔段下入钻孔保护装置10。

所述钻孔保护装置10通常采用玻璃钢管、竹子、木桩等硬质管材，优选玻璃钢管，硬质管材与钻孔套管7通过部分重叠或套接在一起保护裸孔段的煤层。

所述的钻孔保护装置10也可以是塑胶皮囊，通过充气和泄气来实现钻孔璧的保护和皮囊的下入与取出。具体为：如果该钻孔保护装置10是塑胶皮囊，需要配有充气设备，在下入过程中不充气，下至预期位置后充气鼓起填满裸孔段，支护孔壁避免塌陷。在钻孔需要启用时，通过泄气，体积变小，取出该钻孔保护装置10，钻孔即可利用。

该钻孔保护装置10如果是硬质的，其长度应略长于裸孔段，直径略小于钻孔套管7的直径，下端至钻孔底部H₁位置，上端一部分与钻孔套管7重叠或者与钻孔套管7套接在一起。

该保护装置的材质具有一定的硬度可以支撑钻孔壁不塌陷，容易切割或在一定温度下可以燃烧破碎，另外保护装置10最好为中空的。

另外，所述钻孔保护装置10也可采用与钻孔套管7套接的形式。即可以从地面向煤层底板钻成一眼钻孔，根据钻井资料以及上述计算公式计算钻孔套管7下端下放位置、钻孔保护装置10下端下入位置，以及孔底加固需要的注浆水泥量，按量向钻孔注入水泥浆，候凝。在地面将合适长度的钻孔保护装置10与钻孔套管7连接在一起，保护装置的下端封闭，侧面开有窗口15，方便固井水泥返浆。孔底加固的水泥浆候凝好之后，将连有钻孔保护装置的钻井套管下入钻孔，钻孔保护装置在下，下入至孔底。向钻孔套管7内注入水泥浆，泥浆通过钻孔保护装置10底部的窗口15从保护装置10和套管7外壁返回地面，完成固井。

在实施煤炭地下气化之前或在气化过程中，通过技术手段使钻孔壁附近的煤层通过钻孔能够与外界大气接触，该技术手段可以是切割、射孔、燃烧或将钻孔保护装置提出钻孔，包括但不局限于以上几种。

另外，还可以利用充填混合发泡固化剂来保护钻孔，具体为：将几种流体掺混后发泡固化来支护钻孔，比如上述的聚氨酯发泡填充工艺，即所述流体混合后发泡固化为硬质聚氨酯泡沫。通过几支流体输送管将流体输送到需要支护的钻孔段后按一定的比例混合，混合后产生泡沫充满该钻孔段，经过一定时间固化成具有一定能够承压能力的支护材料，在遇到高温（250℃以上）能够燃烧或消泡软化。

采用本发明的钻孔保护工艺，已钻好的钻孔可以放置很长时间再进行利用，再利用时无需进行复杂的钻孔清理，只需在井下破坏钻孔保护装置即可。

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

附图说明

图1 是实施钻孔保护后的定向钻孔和竖直钻孔纵向剖视图

图2 是实施钻孔保护后的竖直钻孔纵向剖视图

图3 是采用套接式保护工艺的钻孔纵向剖视图

图中，1--竖直钻孔；2--地表土层；3--岩层、煤层顶板；4--煤层；5--煤层底板；6--钻孔底部加固；7--钻孔套管；8--定向钻孔；9--定向钻孔套管；10--钻孔保护装置；11--水平钻孔支护管；12—支护管连接段；13--钻孔保护装置与钻孔套管套接部分；14--封闭端；15--窗口。 

其中，图1为摘要附图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

实施例一：

在本实施例中，将要构建定向钻孔和竖直钻孔，并实施两者的钻孔保护工艺，在此，结合图1给出具体的实施步骤。

首先，从地面向煤层底板5经过地表土层2、岩层、煤层顶板3和煤层4构建竖直钻孔1，根据前期钻孔资料和本发明给出的计算公式估算出钻孔套管下端位置H₂和钻孔保护装置下端位置H₁，在新奥无井式煤炭地下气化乌兰察布试验基地的弓沟煤田情况二者到地面的深度分别为277米和289米。在钻至预期钻孔套管下端位置H₂时，向钻孔1中下入钻孔套管7，通过注浆水泥将钻孔套管和地层固结在一起，即固井。固井完成后，继续钻进至煤层底板5的内部，根据钻孔进入煤层底板5的深度、钻孔直径以及钻孔保护装置下端位置H₁计算孔底加固需要的注浆水泥量，按量将水泥浆注入钻孔，候凝，形成钻孔底部加固6。

其次，在距钻孔1一定距离处施工定向钻孔8，一开钻至煤层顶板底部开始造斜至煤层中上部完成，方向为向竖直钻孔1方向，在一开段下入钻孔套管9并实施注浆水泥固井。完成固井后，二开钻进继续造斜至煤层中下部，此时钻进趋于水平向前。在竖直钻孔1中下入定向钻目标靶点至煤层中下部，继续定向钻孔8的施工，直至打通定向钻孔8与竖直钻孔1，取出钻孔设备。

然后，向二开的造斜及水平段钻孔下入水平钻孔支护管11（在此为筛管），筛管为开有一定数量小孔的钢管，各筛管段通过一小段的玻璃钢管12 连接或丝扣连接，筛管从钻孔8的一开段末端铺至竖直钻孔1的底部。

最后，向竖直钻孔1的煤层裸露段下入钻孔保护装置10，此处的保护装置为充气皮囊，皮囊在下入过程中为泄气状态，下入裸孔段之后开始为其充气，充至体积大小与裸孔段的形状相似，在井口固定好输气管，切断与地面上充气装置的连接即可。在钻孔即将启用的时候，通过输气管放出皮囊中的气体，体积减小，即可取出皮囊，保护完好的钻孔就可以利用了。

实施例二：

结合图2说明竖直钻孔保护工艺的实施步骤。

首先，利用钻机从地面向煤层底板5，依次经过地表土层2、岩层、煤层顶板3、煤层4钻成一眼钻孔1，参考乌兰察布弓沟煤田前期钻井工作，此时煤层大致埋深、厚度等情况已经掌握，可以估算出钻孔套管下端位置H₂为277米深和钻孔保护装置下端位置H₁为289米深，在钻至预期钻孔套管下端位置H₂时，洗井，向钻孔1中下入钻孔套管7至孔底（钻孔套管7下端），注入水泥浆固井，将钻孔套管7与地层固结在一起。候凝后，再次启钻钻进至煤层底板中，根据钻孔保护装置10下端位置H₁、钻孔直径以及钻孔深度估算出加固孔底需要的水泥浆量。

其次，对钻孔进行洗井，在清理完钻孔用的泥浆之后，注入估算的泥浆量对孔底进行加固，候凝，形成钻孔底部加固6。

最后，待孔底加固施工完成后，钻孔套管7下端以下与加固孔底6之间的钻孔为裸露。将钻孔保护装置10（在此为玻璃钢管）下入煤层裸露段的钻孔中，确保钻孔保护装置10的上端与钻孔套管7的下端有一段重叠，以避免岩屑、泥沙、地层水等从上端进入钻孔保护装置10。在钻孔需要利用时，可以将玻璃钢管取出或直接在孔底烧掉。

实施例三：

在此结合图3具体陈述套接式钻孔保护工艺的实施方法。

首先，从地面向地下煤层构建竖直钻孔1，经过地表土层2、岩层、煤层顶板3、煤层4，钻进甚至钻穿煤层底板5，根据乌兰察布弓沟煤田钻井资料及煤层取心情况，估算钻孔套管下端位置H₂为277米深和钻孔保护装置下端位置H₁为289米深，再根据钻孔直径和钻进深度估算孔底加固需要的注浆水泥量。

其次，对钻孔进行洗井，在清理完钻孔用的泥浆之后，注入估算的泥浆量对孔底进行加固，候凝，形成钻孔底部加固6。

最后，根据计算结果，取长度合适的钻孔保护装置10（在此用的是玻璃钢管）一端与钻孔套管7套接在一起，套接部分见图3位置13，一端封闭，在封闭端14的侧面开两个小窗口15，封闭端14在下，钻孔套管下入到钻孔1中，通过向套管内注入固井水泥浆，在压力作用下，水泥浆通过小窗口向钻孔套管7外的空间流通，通过压排，将钻孔套管7及钻孔保护装置10与岩层间的空隙充满，候凝，即完成固井和煤层段钻孔的保护。

在需要利用钻孔时，向煤层段的钻孔保护装置10内下入射孔设备，射开钻孔保护装置10以及附近的固井水泥环，煤层和钻孔间的流体即可自由流通了。

Claims (10)

1.一种地下钻孔保护的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、从地面向地下煤层钻成一眼竖直钻孔(l)，钻进至钻孔套管(7)下端位置深度H₂，对H₂位置以上的钻孔进行固井；

步骤B、继续钻进至煤层底板(5)内，估算钻孔套管(7)和钻孔保护装置(10)下入位置，对钻孔底部至钻孔保护装置10下端位置H₁间的钻孔进行加固(6)；

步骤C、煤层内剩余的一段钻孔此时为裸孔状态，向竖直钻孔(1)中的该裸孔段下入钻孔保护装置(10)或充填混合发泡固化剂；

步骤D、在实施煤层地下气化前或在气化过程中，去除或销毁钻孔保护装置(10)或充填混合发泡固化剂，使煤层能够与外界大气接触，至此钻孔保护装置(10)或充填混合发泡固化剂的钻孔保护作用结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤B与步骤C之间，还包括下述步骤：

步骤1、实施定向钻孔(8)，一开钻至煤层顶板底部开始造斜至煤层中上部完成，方向为向竖直钻孔(l)方向，在一开段下入钻孔套管(9)并实施注浆水泥固井；

步骤2、完成固井后，二开钻进继续造斜至煤层中下部，此时钻进趋于水平向前；在竖直钻孔(l)中下入定向钻目标靶点至煤层的中下部，继续定向钻孔(8)的施工，直至打通定向钻孔(8)与竖直钻孔(l)，取出钻孔设备；

其中，对于定向钻孔(8)，向水平段钻孔下入水平钻孔支护管或充填混合发泡固化剂。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：支护管材质为普通钢管、玻璃钢管、可燃烧的塑料管、竹子或木头；钻孔保护装置(10)材质为玻璃钢、竹子、木桩或塑胶皮囊。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：钻孔保护装置(10)采用硬质管材时，硬质管材与钻孔套管(7)部分重叠或套接的形式屏蔽裸孔段的煤层。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：钻孔保护装置(10)如果是硬质管材，其长度略长于裸孔段，直径略小于钻孔套管(7)的直径，管材下端至钻孔底部H₁位置，上端一部分与钻孔套管(7)重叠。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：钻孔保护装置(10)采用套接式时，是将钻孔保护装置(10)与钻孔套管(7)连接在一起，保护装置(10)的下端封闭，侧面开孔。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用充填混合发泡固化剂保护钻孔是将几种流体掺混后发泡固化来支护钻孔。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述充填混合发泡固化剂为硬质聚氨酯泡沫。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：钻孔保护装置(10)采用塑胶皮囊，通过充气和泄气来实现钻孔的保护和皮囊的下入与取出。

10.根据权利要求l～9中所述的任意一种方法，其特征在于：对于竖直钻孔(l)，下入钻孔保护装置(10)或充填混合发泡固化剂前先加固钻孔孔底(6)。

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