技术领域
[0001] 本实用新型涉及
煤炭及
煤层气开采技术领域，具体而言，涉及一种钻孔结构。
背景技术
[0002] 煤炭地下
气化技术是利用煤炭的原位燃烧、气化反应生产煤气或
合成气的技术，在
煤炭地下气化过程中，为了维持反应的进行，通常需要在煤层中设置进气钻孔、出气钻孔和相应的连接进、出气钻孔的气化通道。一般进气钻孔用于向煤层中输送气化剂(如空气、
氧气等)，而送入的气化剂在气化通道内与煤层发生燃烧、气化反应生成高温煤气，高温煤气则通过出气钻孔排出至地面以供后续利用。钻孔联系地上和地下，钻孔的稳定是地下气
化成败的关键之一。
[0003] 煤炭地下气化过程中，煤层燃烧提供了气化反应所需
能量，因反应消耗掉煤炭而在煤层中形成了燃空区。随着反应进行，燃空区尺寸不断扩大，改变了煤层围岩原先的受
力状态。在煤层燃烧的高温以及地
应力作用下，燃空区之上的覆岩会发生垮落、断裂等的岩层位移运动，从而在覆岩中形成垮落带与
断裂带(合称导
水裂隙带)。处在垮落、断裂带内的钻孔，由于受岩层运移所产生的地应力的拉伸、扭曲、剪切等多种作用而发生损毁或断裂。特别是，对于强度差别较大的岩层交界面处(如含水层、泥岩等)，由于岩层强度的突变，更易发生岩层的运移，往往也是钻孔遭受破坏最为严重的区域，国内外现场试验表明，约3％～28％的钻孔由于垂直方向上的移动(拉伸作用)在距离煤层顶板2～9米处遭到破坏。约72％～97％的钻孔由于水平方向上的移动(剪切作用)在距离燃空区20～40米的地方遭到破坏。
因而，煤炭地下气化过程中，对于处在燃空区附近的钻孔，对其
稳定性提出了更高的要求。
[0004]
现有技术钻孔结构单一，一般采用
单层石油
套管或
碳钢管，套管与
地层环空采用耐高温
水泥进行全固井，实际使用过程中，套管因强度不够或脱扣，在含水层与隔水层交界面处，套管损坏最为严重。
专利CN201410289232提供了一种改进方法，在套管易损部位，采用漏斗状结构进行上下套管连接，但是此种结构无法保证可靠密封或难以抵抗地层扭曲、
剪切应力。专利CN201410820229提供了另一种改进方法，在导水裂隙带范围内的地层全部采用金属
波纹管替代石油套管，此种结构对材料和制造工艺要求极高，钻孔成本会大幅提高。实用新型内容
[0005] 鉴于此，本实用新型提出了一种钻孔结构，旨在解决现有钻孔易损坏的问题。
[0006] 一个方面，本实用新型提出了一种钻孔结构。该钻孔包括：钻孔本体、环形缓冲带和应力补偿器；其中，所述钻孔本体于预设
位置设置有所述环形缓冲带，用于降低剪切应力的强度；所述环形缓冲带的直径大于所述钻孔本体的直径；所述环形缓冲带内设置有与其同轴设置的所述应力补偿器，用于抵消地层位移产生的拉伸和剪切
载荷作用；所述钻孔本体内于所述应力补偿器的上方和下方分别套设有第一套管和第二套管，用于固井。
[0007] 进一步地，上述钻孔结构，所述应力补偿器包括：内补偿件和外补偿件；其中，所述外补偿件的内径大于所述内补偿件的外径，并且，所述外补偿件套设于所述内补偿件外；所述第一套管与所述钻孔本体之间设有第一环形通道，并且，所述第二套管与所述钻孔本体之间设有第二环形通道；所述外补偿件的内壁与所述内补偿件的外壁之间设有环形空隙，用于连通所述第一环形通道和所述第二环形通道。
[0008] 进一步地，上述钻孔结构，所述第一环形通道的底端设置有第一膨胀封隔器；所述第二环形通道的顶端设置有第二膨胀封隔器。
[0009] 进一步地，上述钻孔结构，所述第一膨胀封隔器内沿其长度方向设置有第一圆形通孔，用于连通所述第一环形通道与所述环形空隙；和/或，所述第二膨胀封隔器内沿其长度方向设置有第二圆形通孔，用于连通所述第二环形通道与所述环形空隙。
[0010] 进一步地，上述钻孔结构，所述应力补偿器的外壁设置有遇水膨胀
橡胶。
[0011] 进一步地，上述钻孔结构，所述应力补偿器与所述环形缓冲带之间填设有填充物，用于
支撑和保护所述环形缓冲带。
[0012] 进一步地，上述钻孔结构，所述应力补偿器与所述第一套管通过球铰相连接。所述应力补偿器与所述第二套管通过所述球铰相连接。
[0013] 本实用新型提供的钻孔结构不仅通过设置的环形缓冲带降低剪切应力的强度，而且通过设置的应力补偿器当应力超过补偿器允许值时，应力补偿器可以被拉伸一定的长度，从而补偿过大地应力对第一套管和第二套管的拉伸破坏，即应力补偿抵消地层位移所产生的拉伸、剪切载荷作用，能够使钻孔适应岩层的变化，提高钻孔稳定性，避免地下气化过程钻孔的损坏进而影响煤炭的气化。
附图说明
[0014] 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，而并不认为是对本实用新型的限制。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：
[0015] 图1为本实用新型
实施例提供的钻孔结构的结构示意图；
[0016] 图2为本实用新型实施例提供的钻孔结构的又一结构示意图。
具体实施方式
[0017] 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，本实用新型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实用新型。
[0018] 钻孔结构实施例：
[0019] 参见图1和图2，该钻孔结构可以包括：钻孔本体1、环形缓冲带2和应力补偿器3。具体地，本领域技术人员应当理解的是，钻孔本体1为由地面向下钻至煤层的裸孔。
[0020] 其中，钻孔本体1于预设位置可以设置有环形缓冲带2，用于降低剪切应力的强度。环形缓冲带2的直径可以大于钻孔本体1的直径。具体地，预设位置可以设置垮落带、断裂带发育地层中具有最大
横向位移的位置，例如在垮落带、断裂带发育地层的。本领域技术人员所公知的是，垮落带、断裂带发育范围内不同岩层的交界面处，岩层横向剪切运动强烈，具有最大横向位移，故预设位置可以设置在垮落带、断裂带发育地层的岩层交界面例如第一岩层12与第二岩层13的交界面，环形缓冲带2的高度可以为5～40m且沿岩层交界面上下(相对于图1所示的位置而言)对称设置。环形缓冲带2的设置增大孔的直径，以便降低剪切应力的强度。其中，优选地，为进一步低剪切应力的强度，环形缓冲带2的直径可以为第一套管4直径的2～4倍。
[0021] 环形缓冲带2内可以设置有应力补偿器3，用于抵消地层位移产生的拉伸和剪切载荷作用。具体地，为进一步抵消地层位移产生的拉伸和剪切载荷作用，应力补偿器3可以与环形缓冲带2同轴设置。
[0022] 钻孔本体1内于应力补偿器3的上方和下方可以分别套设有第一套管4和第二套管5，用于固井。具体地，本领域技术人员所公知的是，为了防止煤层钻孔在煤气抽采过程中短时间内塌孔堵死，以提高钻孔煤气抽放效率，通常会对煤层钻孔
钻杆内下放套管。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的直径可以相同。应力补偿器3可以为多个，第二套管5中套管串之间可以于煤层顶板上方距离其预设距离处设置应力补偿器3。本领域技术人员所公知的是，煤层顶板14位于垮落带，部分煤层发生垮落时，垮落带覆岩会对与其连接的套管产生向下的拉力，具有最大轴向位移，预设距离可以为采高。
[0023] 可以看出，本实施例中提供的钻孔结构不仅通过设置的环形缓冲带2降低剪切应力的强度，而且通过设置的应力补偿器3当应力超过应力补偿器3允许值时，应力补偿器3可以被拉伸一定的长度，从而补偿过大地应力对第一套管4和第二套管5的拉伸破坏，即应力补偿器3抵消地层位移所产生的拉伸、剪切载荷作用，能够使钻孔适应岩层的变化，提高钻孔稳定性，避免地下气化过程钻孔的损坏进而影响煤炭的气化。
[0024] 在上述实施例中，应力补偿器3可以包括：内补偿件31(图中未示出)和外补偿件32(图中未示出)。
[0025] 其中，外补偿件32的内径可以大于内补偿件31的外径，并且，外补偿件(32)可以套设于内补偿件(31)外。第一套管4与钻孔本体1之间可以设有第一环形通道6，并且，第二套管5与钻孔本体1之间可以设有第二环形通道7。外补偿件32可以与内补偿件31同轴设置，外补偿件32的内壁与内补偿件31的外壁之间可以设有环形空隙，用于连通第一环形通道6和第二环形通道7。本领域技术人员所公知的是，第一套管4和第二套管5的直径均小于钻孔本体1的直径，第一套管4和第二套管5可以与钻孔本体1同轴设置，以使第一套管4与钻孔本体1之间设有第一环形通道6及第二套管5与钻孔本体1之间设有第二环形通道7。以便加强钻孔结构的强度，第一环形通道6和第二环形通道7内可以填设有水泥浆。
[0026] 本实施例中提供的应力补偿器3，通过内补偿器31和外补偿器32之间的环形空隙连通第一环形通道6和第二环形通道7，以便固井时水泥浆的流动，促使了水泥浆流动的均匀性，以便增大该钻孔结构的稳定性和强度，同时保证环形缓冲带2不被水泥浆封固。
[0027] 在上述实施例中，第一环形通道6的底端设置有第一膨胀封隔器8。第二环形通道7的顶端设置有第二膨胀封隔器9。具体地，为均匀封隔套管与煤层，第一膨胀封隔器8可以于第一环形通道6的底端沿第一环形通道6的整周设置，第二膨胀封隔器9可以于第二环形通道7的底端沿第一环形通道6的整周设置。第一膨胀封隔器8和第二膨胀封隔器9在遇水膨胀后沿环形通道的整周设置，以便封隔煤层和套管。
[0028] 可以看出，本实施例中，通过第一膨胀封隔器8和第二膨胀封隔器9的设置遇水胶筒体积膨胀后不仅可以封隔煤层和套管，同时，可以封隔第一环形通道6与第二环形通道7和环形缓冲带2，可以防止第一环形通道6与第二环形通道7固井后的水泥浆进入环形缓冲带2。
[0029] 在上述实施例中，第一膨胀封隔器8内沿其长度方向(如图1所示的上下方向)可以设置有第一圆形通孔，用于连通第一环形通道6与环形空隙；和/或，实用新型第二膨胀封隔器9内沿其长度方向(如图1所示的上下方向)可以设置有第二圆形通孔，用于连通第二环形通道7与环形空隙。具体地，第一圆形通孔和第二圆形通孔的轴向可以与钻孔本体1的轴向平行设置，并且，第一圆形通孔和第二圆形通孔均可以为多个，以便进一步便于水泥浆的流动。
[0030] 可以看出，本实施例中通过第一圆形通孔和第二圆形通孔连通第一环形通道6、第二环形通道7和环形空隙，以便固井时水泥浆的流动。
[0031] 在上述各实施例中，应力补偿器3的外壁设置有遇水膨胀橡胶。具体地，雨水膨胀橡胶可以沿应力补偿器3的外壁整周设置。可以看出，本实施例中，通过遇水膨胀橡胶的设置可以吸收地层水，体积逐渐膨胀后可对环形缓冲带2填充支护，以便防止环形缓冲带2周围煤层的塌、缩、淤。
[0032] 在上述各实施例中，应力补偿器3与环形缓冲带2之间可以填设有填充物10，用于支撑和保护环形缓冲带2。其中，填充物10可以为
硅胶、聚
氨酯、
膨润土、橡胶、
沥青及其他高分子材料等，作为填充支护材料。
[0033] 可以看出，本实施例中通过填充物10填充支护环形缓冲带2可以进一步防止环形缓冲带2周围煤层的塌、缩、淤。当垮落带、断裂带内地层发生运移时，特别是强烈的剪切运动时，填充物10可以抵消岩层横向运动所造成的位移或者削弱位移的强度，以保护第一套管4或第二套管5不被错断。
[0034] 在上述各实施例中，应力补偿器3与第一套管4通过球铰11相连接。应力补偿器3与第二套管5通过球铰11相连接。为便于球铰11的扭转，优选地，球铰的偏转
角度可以为15°～20°。其中，应力补偿器3与第一套管4和第二套管5之间也可以为其它连接方式例如
轴承连接、旋转连接，当然球铰11可以为
万向节等其他结构件，本实施例中对其不做任何限定。
[0035] 可以看出，岩层横向位移发生时，球铰11可以发生偏转，同时与应力补偿器2配合，使第一套管4和第二套管5可跟随岩层的移动而伸缩、偏移、扭转，而在最大剪力区外，主要发生垂直拉伸运动，由于第二环形通道7被水泥浆填充固定，可以随地层的运动而整体运动，以使第二套管5适应岩层的变化，保护套管串不被拉断、错断、拧断。
[0036] 综上所述，本实施例中提供的钻孔结构不仅通过设置的环形缓冲带2降低剪切应力的强度，而且通过设置的应力补偿器3当应力超过应力补偿器3允许值时，应力补偿器3可以被拉伸一定的长度，从而补偿过大地应力对第一套管4和第二套管5的拉伸破坏，即应力补偿器3抵消地层位移所产生的拉伸、剪切载荷作用，能够使钻孔适应岩层的变化，提高钻孔稳定性，避免地下气化过程钻孔的损坏进而影响煤炭的气化。
[0037] 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些
修改和变型属于本实用新型
权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
