一种地下出气孔结构及其施工方法与流程

本发明涉及煤炭气化地下施工技术领域，具体而言，涉及一种地下出气孔结构及其施工方法。

背景技术：

近年来，煤炭地下气化和煤层气热采技术在国内外取得了众多成果，此类技术无需人工进入地下工作面，而主要利用热作用、化学反应等形成高温反应工作面，将有效的混合可燃气体排采到地面，最终产品均是高温气体，温度可达几百摄氏度。高温气体的排出通道通过地质钻孔实现，现有技术为钻孔内施放单层钢套管，套管外壁由固井水泥与岩、水层密封，气体直接由内壁排出。

现有技术的钻孔结构在地层稳定、温度变化不大的情况下，是可以保证稳定出气和地下水不进入内管的，但实际生产过程中地层错移和套管膨缩是不可避免的。地下煤层气化过程中势必会产生空区，即便出气孔底部不直接燃烧并合理控制空区范围而不产生大面积垮落，可一旦空区形成后顶部岩层即会产生弯曲下沉，此时处于岩层中的钻孔势必产生错移，同样煤层气热采也会形成空区；套管通过固井方式固定于地层中之后，其温度一般就为周边地层实际温度，地层每加深100米，温度升高3摄氏度，一旦生产开始，几百摄氏度的高温气体进入套管后，钢套管即会产生膨胀，同时造成外部的固井水泥环产生一样的效应。地层错移的同时外加套管膨缩，会使固井水泥开裂、脱落，套管被拉伸、错位，产生缝隙，这会导致漏气或者地下水进入生产工作面，造成出气压力紊乱、出气量不稳定、工作面温度降低，严重的会造成生产的中断，甚至终止。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种地下出气孔结构及其施工方法，旨在解决上述问题。

一个方面，本发明提出了一种地下出气孔结构，其特征在于，包括外管和内管，所述外管和内管共同构建出气通道，该内管设置于外管内部，所述外管用于平衡地压和隔离水层，所述内管用于高温气体排采。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，所述外管和所述内管之间留有空隙，外管和内管间还设置有缓冲装置。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，内、外管的顶部和底部均设置有密封结构，所述密封结构用于密封外管内管间的空隙。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，包括测温装置，用于监测钻孔底部温度。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，所述外管底部末端装有内限位装置，所述内管底部末端装有外限位装置，所述内、外限位装置的配合卡住内管。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，所述内、外限位装置截面为坡形，两装置配合还用于密封内、外管底部间的空隙。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，所述内、外部的顶部密封结构为法兰。

进一步地，上述地下出气孔结构，其特征在于，所述外管下入煤层顶板以下，下入深度为煤层总厚度的三分之一。

另一方面，本发明还提出一种地下出气孔结构施工方法，其特征在于，包括

步骤s1，裸孔内下放并固定外管；

步骤s2，在外管内下放内管，并将内管与外管固定连接，构建内部出气通道；

步骤s3，安装密封结构，密封内管和外管间的空隙。

进一步地，上述地下出气孔结构施工方法，其特征在于，包括步骤s4，在地面以上的外管侧壁开孔，通过孔在内外孔间隙下放测温装置，然后密封孔。

本发明的有益效果：

1、外管及固井水泥外侧平衡地压、隔离含水层，内侧不受温度变化造成的膨缩影响，大大提高了套管抵御外部地压及水层的能力，同时增加了套管防护功能的使用寿命。

2、内管内侧通过高温气体，外侧不受地压及含水层影响，大大提高了套管抵御内部膨缩的能力，同时增加了套管出气功能的使用寿命。

3、内、外两层套管的顶、底部均设置为密封结构，达到双层防护，不会因为其中一层出现问题而失去防护、排采作用，使用年限至少是常规出气孔的3倍以上。

4、内管外部装设的缓冲装置，在起到便于下放作用的同时，加固了套管间丝扣连接能力，同时在内管受热膨胀过程中起到一定的缓冲保护作用。

5、两层套管中空部位底部放置测温装置，在保护了测温装置的同时，能够直接监测钻孔底部温度的变化情况。

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结构示意图；

图3是本发明出气孔外套管底部结构示意图；

图4是本发明出气孔内套管底部结构立体图；

图5是本发明出气孔内套管底部结构截面图；

图6是本发明出气孔外管底部限位密封装置结构俯视图；

图7是本发明出气孔外管底部限位密封装置结构立体图

图8是本发明缓冲装置示意图；

图9是图1局部放大图。

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。

实施例一

如图1所示，一种地下出气孔结构，主要包括：法兰1、密封悬挂圈2、测温装置3、外管4、内管5、固井水泥环6、缓冲装置7、内管底部限位密封装置8、外管底部限位密封装置9。

裸孔10施工完成并检测合格后下放外管4至煤层14顶板以下一定位置，(外管由一段段相同类别的套管间焊接或者螺纹丝扣连接)。外管4末端底部加装底部限位密封装置9，这里加装限位密封装置9有多种连接方式可以选择比如铸造、焊接和螺纹连接。下放外管至煤层顶板以下，下入深度为煤层总厚度的三分之一后，采用水泥浆固井，填补裸孔和外管之间的空隙，形成固井水泥环6。为了检查固井质量，需要针对外管进行耐压试验。为便于后期安装测温装置，在外管顶端侧壁上为测温装置3留孔，外管4主要作用是隔离土层11、岩层12、水层13，保护内管5。

外管放置步骤完成后下方内管5，内管5主要作用是排采出高温混合气体，内管上加设有缓冲装置7，缓冲装置7主要作用是加固内管5接口端，减轻两层套管间的碰撞，利于其连续下放。缓冲装置如图8所示，具有多个弧形条，弧形条与外管内壁接触，可以减缓内管下放时产生的冲击。

外管底端内部和内管底端外部设置有相互配合的限位装置8、9，如图2-7所示，限位装置截面为坡形，特别的，外管上的限位装置9设计为径缩结构，包括斜度变化较大的斜段9a和斜度变化较小的斜段9b。采用这样的设计，下方内管至外管底部后，限位装置相互配合不仅可以卡住内管，限制内管向下的位移，还起到了密封内外管间的空隙的作用，具体配合如图2所示。

下放内管至指定位置后，在内、外管顶端安装密封悬挂圈2和法兰1，法兰1主要作用是密封内外管间的空隙、同时固定内管5，法兰中间开设有孔，孔和内管对接，负责排出气体。安装密封悬挂圈2是为了进一步地辅助法兰密封内外管间的空隙，同时固定内管5。密封悬挂圈2为环状密封圈。

完成上述操作后，可以加装测温装置3，测温装置3主要作用是监测钻孔底部温度的变化情况。通过外管上预留的孔下放测温装置至外管底部，然后密封孔。测温装置主体放置在地面上。

完成施工。

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。