馬興華，黃光利，王 振

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司雙馬煤礦，寧夏 靈武 750408；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國內(nèi)蒙古、陜西等西部地區(qū)尤其是鄂爾多斯盆地煤炭、石油、天然氣等礦產(chǎn)資源豐富，但由于地質構造影響，煤炭、石油、天然氣等資源共存，淺部煤炭和深部油、氣資源開采在立體上投影重疊，導致資源疊加開采相互影響[1-3]。在煤油資源疊加開采區(qū)域，煤炭開采容易造成覆巖運動引起油井及輸油管道變形破壞，而油井施工穿過煤礦開采區(qū)域時也容易發(fā)生井漏事故[4-5]。在早期石油井開發(fā)后，資源重疊區(qū)域遺留的廢棄油井不僅給煤礦開采設計增加難度、造成煤炭資源浪費，而且廢棄油井中可能儲存有大量油、氣、水等，將會涌入采掘空間。

鄂爾多斯盆地西緣馬家灘礦區(qū)雙馬井田處于陜寧蒙鄂爾多斯盆地胡尖山油氣勘查區(qū)塊重疊區(qū)，井田范圍內(nèi)存在大量先期開采石油后遺留的廢棄油井。由于時間久遠，含油層大量油氣尤其是硫化氫等有害氣體通過廢棄油井逐漸侵入煤系地層，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。目前，針對煤礦開采過程中受廢棄油井影響導致的硫化氫災害治理問題，部分學者圍繞災害影響評估、氣體滲透分布規(guī)律及治理工藝等方面開展了初步研究[6-13]，而煤礦硫化氫治理大多是基于煤層本身含硫化氫的災害防治[14-17]，尚未建立完整的治理體系，無法較好地指導工程實踐。筆者通過分析雙馬煤礦井田范圍內(nèi)廢棄油井硫化氫侵入煤系地層的運移機理并進行風險分類，提出了煤油資源重疊區(qū)煤礦開采“四位一體”硫化氫綜合防治體系，并進行現(xiàn)場應用，可為類似礦區(qū)災害防治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 礦井概況

雙馬煤礦是寧東煤田馬家灘礦區(qū)新建的3個礦井之一，位于寧夏靈武市東南60 km處，行政區(qū)劃屬銀川市靈武市和吳忠市鹽池縣管轄。井田范圍東西寬4.0～4.9 km，南北長13.7 km。

雙馬煤礦為低瓦斯礦井，井田共含煤層近30層，可采煤層為3-1、3-2、4-1、4-2、4-3、6、10、12、17、18-1、18-2煤層，其中3-2、4-1、4-2、4-3、6、10、12、17煤層為主要可采煤層，其他為局部可采煤層。目前開采I01采區(qū)4-1、4-2、4-3煤層。

1.2 煤油地層情況

馬家灘礦區(qū)煤油資源重疊區(qū)含油地層和含煤地層屬同一套地層，主要分布在三疊系延長組和侏羅系延安組，所有油井套管貫穿整個煤系地層。根據(jù)調查，雙馬井田范圍內(nèi)主要采油油層為三疊系延長組。含煤地層具體為侏羅系中統(tǒng)延安組，該組地層按其巖性、巖相組合特征及其含煤性等，自下而上劃分為5段，共含9個煤組，分別為18、17、16、12、10、8、6、4、3煤組。

1.3 廢棄油井分布情況

雙馬煤礦井田范圍內(nèi)共有廢棄油井170個，多數(shù)油井為20世紀七八十年代所施工，深度700～1 000 m，部分油井深度達到2 000 m，油井套壓為24～27 MPa。

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有的170個油井中僅35個油井有資料說明，其他油井資料缺失，封堵情況不詳。能影響到礦井近10年開采的區(qū)域(I01、I02采區(qū))范圍內(nèi)共分布有12個廢棄油井，目前已揭露4個廢棄油井。

2 廢棄油井硫化氫運移機理及風險分類

2.1 廢棄油井內(nèi)硫化氫的運移通道

雙馬煤礦井田范圍內(nèi)廢棄油井一般只有一層生產(chǎn)套管(油井的深度較小)，井口表面都有表層封井水泥，套管的底部和巖石的縫隙之間都有固定套管的固結水泥，套管內(nèi)部可能有也可能沒有封井水泥[18]。另外，部分廢棄油井直接為裸孔且施工深度各異。由于廢棄油井的施工年代久遠，有套管的廢棄油井中，大部分套管也已遭受破壞，裸眼井及套管破損以后，油井中可能儲存的大量硫化氫、甲烷等有害氣體逐漸侵入煤層，其運移通道分為3種，如圖1所示。

圖1 廢棄油井油氣災害氣體運移通道示意圖

由圖1可知，油井廢棄以后井內(nèi)可能充滿帶壓的有害氣體，在無套管直接為裸孔情況下，有害氣體直接與煤系地層接觸逐漸滲透至煤層。在有套管情況下，若套管有破損時有害氣體將通過破損點逸散至煤層；若套管完好廢棄油井內(nèi)有害氣體將無法與煤層接觸。若套管與油井井壁之間的空隙封堵不嚴，則含油層油氣也將通過空隙逐漸運移至煤系地層。此外，若油井深度較淺，未施工至含油層即被廢棄以后，含油層油氣將不會進入煤層。因此，對于鄰近廢棄油井區(qū)域采掘工作面是否受廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體影響，必須根據(jù)廢棄油井的完井狀態(tài)、破壞類型、層位關系等條件確定。

2.2 廢棄油井的安全風險等級劃分

根據(jù)前述對廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體的運移通道分析，由于油井的完井方式、破壞形式，以及與煤系地層的位置關系的不同，廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體對礦井采掘的影響也有較大差異。結合文獻[9，13]研究基礎及雙馬井田實際考察結果，將廢棄油井的安全風險等級劃分為如下3類：

1)一類油井的通井壓力為0，或油井套管完好無破損，或油井未施工至含油層即被廢棄，且預計影響區(qū)域煤層采動硫化氫涌出體積分數(shù)小于6.6×10-6；

2)二類油井的通井壓力一般小于5 MPa，或油井套管有破損且破損點在含煤地層20～100 m內(nèi)，或硫化氫預計涌出體積分數(shù)為(6.6～166.0)×10-6；

3)三類油井的通井壓力一般大于7 MPa，或油井為裸眼井，或油井套管有破損且破損點在含煤地層垂距20 m內(nèi)，或硫化氫預計涌出體積分數(shù)大于166.0×10-6。

2.3 廢棄油井硫化氫的安全威脅程度

根據(jù)廢棄油井的安全風險等級分類，確定廢棄油井硫化氫對采掘工作面的安全威脅程度，其中：一類油井對煤層開采的影響較小，為安全狀態(tài)(威脅程度一般)；二類油井對采掘工作面的影響為氣體超標狀態(tài)(威脅程度中等)；三類油井對采煤工作面的影響較大(威脅程度嚴重)。針對廢棄油井對采掘工作面安全威脅程度的不同，可以采取分類防治措施，從而提高災害防治的針對性和精細化管理。

3 “四位一體”硫化氫綜合防治體系

在對廢棄油井內(nèi)硫化氫的運移機理、安全風險等級分類及威脅程度研究基礎上，提出了以“分類治理”為核心思想的“超前探測→評估分類→綜合治理→效果評價”四位一體硫化氫綜合防治體系。

3.1 超前探測

超前探測包括在地面和井下分別對廢棄油井位置進行精確探測及硫化氫體積分數(shù)的準確探測。通過超前探測，可以確定廢棄油井地面及井下具體位置，為安全揭露油井提供依據(jù)并提前掌握油井內(nèi)氣體體積分數(shù)高低，以及廢棄油井影響區(qū)域煤層硫化氫賦存情況，從而為災害的評估分類及治理提供依據(jù)。

1)探測前油井資料調研統(tǒng)計。在廢棄油井超前探測前，通過調研石油系統(tǒng)相關原始資料，確定油井的類型、位置、完井方式、井身結構、生產(chǎn)及廢棄情況等，為確定井上下油井位置及氣體超前探測提供依據(jù)。

2)地面油井位置探查及氣體探測。主要在對油井完井資料分析基礎上，確定廢棄油井井口坐標中心，并查找井口確切位置；之后進行透孔，檢查油井套管或裸眼井鉆孔是否變形、井深是否合格，清除生產(chǎn)套管或裸眼井井內(nèi)的雜物；同時探測油井井內(nèi)壓力、氣體成分等；對已透完孔的廢棄油井進行裸孔測斜等。

3)井下油井位置探查及氣體探測。在掘進工作面臨近廢棄油井區(qū)域向采煤工作面傾向施工探測鉆孔，探測確定廢棄油井的初步位置及廢棄油井影響區(qū)域硫化氫的賦存情況，探測范圍根據(jù)掘進期間硫化氫涌出具體位置確定，一般以廢棄油井為中心沿走向前后100～150 m。此外，在工作面回采過程中，當其接近廢棄油井區(qū)域時，還必須向工作面煤壁前方施工探測鉆孔，確定廢棄油井的具體位置，避免工作面誤揭油井引起傷亡事故。

3.2 評估分類

在超前探測基礎上，為防止采掘工作面因硫化氫等有害氣體超限而發(fā)生安全事故，需要進行災害評估分類，確定廢棄油井的安全風險等級及威脅程度，找出對采掘工作面影響較大的硫化氫富集區(qū)，從而為硫化氫治理方案的制訂提供依據(jù)。

根據(jù)廢棄油井硫化氫運移機理及風險分類指標，在進行評估分類時，由于廢棄油井資料缺失，應重點根據(jù)地面及井下硫化氫超前探測結果最終確定硫化氫災害分布規(guī)律、威脅程度及影響范圍。

3.3 綜合治理

根據(jù)廢棄油井的安全風險等級分類及災害威脅程度的不同，采取分類治理方法。不同風險等級廢棄油井硫化氫治理措施見表1。

表1 不同風險等級廢棄油井硫化氫治理措施

廢棄油井分類治理關鍵工藝技術如下：

1)地面超前封堵。針對各類廢棄油井，采用全鉆孔水泥漿封堵方法，按照圖2所示工藝流程[10]，完成廢棄油井地面封堵治理，封堵深度為煤系地層最下一層可采煤層底板以下至少100 m。

圖2 廢棄油井地面封堵施工工藝流程圖

2)采前煤層預注堿性吸收液。主要針對三類廢棄油井，根據(jù)廢棄油井的具體影響范圍，通過在工作面運輸巷或回風巷，單巷或雙巷布置順層鉆孔，向煤層預注堿性吸收液?；夭善陂g，可根據(jù)實際效果考察情況，在工作面傾向中部短孔注堿性吸收液，實現(xiàn)區(qū)域和局部范圍長、短鉆孔協(xié)同控制。堿性吸收液選型為KXL-Ⅰ型吸收劑，其主要由碳酸鈉、碳酸氫鈉基液，以及濕潤劑、催化劑等通過配比試驗得到[19-20]。

3)回采期間中高壓噴堿性吸收液。根據(jù)煤層采動硫化氫涌出分布及隨風流擴散情況，利用采煤機外噴霧、支架噴霧等硫化氫源自動跟蹤噴霧系統(tǒng)，主動吸收采動涌出的硫化氫；同時在工作面回風巷設置凈化水幕連接工作面中高壓噴霧系統(tǒng)，逐級控制有效降低硫化氫涌出擴散體積分數(shù)。

此外，工作面回采期間還應采取增加工作面風量、降低割煤速度、強化監(jiān)測和人工檢測、加強個體防護、緊急情況下撤人等組織管理措施。在此基礎上，形成了以地面超前封堵為基礎、采前預注堿性吸收液主動治理和回采期間中高壓噴堿性吸收液逐級防控為關鍵工藝的“堵、注、噴、增、降、監(jiān)、護、撤”技術管理體系，從而實現(xiàn)對采煤工作面硫化氫治理的精細化管理。

3.4 效果評價

廢棄油井影響區(qū)域采煤工作面硫化氫治理效果評價一般以控制硫化氫氣體涌出體積分數(shù)為表征指標，進行分級控制。重點針對二類和三類廢棄油井，從地面封堵到井下治理，實現(xiàn)各級措施的逐級控制，最終將采煤工作面回風流硫化氫體積分數(shù)降低至6.6×10-6以下。評價指標應滿足如下要求：

1)廢棄油井地面超前封堵，有效切斷油井內(nèi)硫化氫等有害氣體繼續(xù)向煤層滲透，同時為安全揭露油井提供保障。

2)煤層超前預注堿性吸收液治理工藝，硫化氫在煤層的吸收率應能達到60%以上，工作面采動硫化氫涌出氣體體積分數(shù)應能降低60%～70%，并控制在166.0×10-6以下。

3)工作面回采期間，采煤機、支架中高壓噴霧攔截吸收，硫化氫降低效率應能達到70%以上，對應工作面下風流硫化氫涌出擴散體積分數(shù)降低70%～80%，并控制在50.0×10-6以下。

4)工作面回采期間，回風巷中高壓噴霧攔截吸收隨風流擴散硫化氫，硫化氫涌出氣體體積分數(shù)降低至6.6×10-6以下。

4 現(xiàn)場工程應用

4.1 試驗概況

為了分析硫化氫災害防治體系在不同類型廢棄油井的工程應用情況，以雙馬煤礦I0104105工作面馬探31、馬探30和I0104106工作面馬探29、馬探23等4個廢棄油井為例，進行現(xiàn)場實踐。各廢棄油井穿過地層情況及厚度統(tǒng)計見表2，與采煤工作面位置關系如圖3所示。

表2 廢棄油井穿過地層情況及厚度統(tǒng)計

圖3 廢棄油井與采煤工作面的位置關系示意圖

4.2 廢棄油井超前探測及風險等級劃分

根據(jù)對各廢棄油井的完井資料分析，結合地面及井下探查情況，確定了各廢棄油井的完井狀態(tài)、影響范圍及廢棄油井的風險等級，見表3。

表3 不同類型廢棄油井基本情況統(tǒng)計

4.3 硫化氫綜合治理措施的實施

4.3.1 一類油井的治理

馬探30廢棄油井有套管且套管完好，馬探29廢棄油井為裸孔且深度較淺，安全風險等級均屬一類。在馬探30和馬探29廢棄油井影響區(qū)域實測鉆孔硫化氫體積分數(shù)均為0，對工作面開采安全威脅程度較小。在進行地面超前封堵基礎上，過廢棄油井期間采取通風措施及相應的組織管理措施，工作面安全通過馬探30和馬探29廢棄油井。

4.3.2 三類油井的治理

馬探31為裸孔，馬探23為有套管油井，均屬于三類油井。在廢棄油井影響區(qū)域實測鉆孔硫化氫體積分數(shù)最大分別達到1.20%和0.26%，預測工作面回采期間硫化氫涌出氣體體積分數(shù)均可能超過0.02%，其沿走向的分布規(guī)律如圖4所示。

(a)馬探31

根據(jù)馬探31和馬探23廢棄油井影響區(qū)域煤層實測鉆孔硫化氫大小、分布范圍及預計涌出情況，按照分類治理原則，在進行地面超前封堵基礎上，均采取了采前煤層預注堿性吸收液、回采期間中高壓噴堿性吸收液，以及相應的組織管理措施。

1)采前預注堿性吸收液治理硫化氫工藝布置。I0104105工作面回采進入馬探31廢棄油井影響區(qū)域前，沿走向200～250 m內(nèi)，在回風巷施工了26個鉆孔、運輸巷施工了21個鉆孔，鉆孔走向間距10 m。I0104106工作面回采進入馬探23廢棄油井影響區(qū)域前，沿走向290 m范圍內(nèi)，在回風巷施工了30個鉆孔。鉆孔具體布置如圖5所示。

圖5 煤層預注堿性吸收液鉆孔布置示意圖

采前預注堿性吸收液治理硫化氫工藝的實施系統(tǒng)主要由吸收液自動添加裝置、注水泵、供水管路、吸收液配比箱、SGS雙功能水表、注水封孔器等組成。注水泵流量選型為200 L/min，最大注液壓力 20 MPa，硫化氫吸收液質量分數(shù)為1.2%～1.5%。

2)回采期間中高壓噴堿性吸收液工藝布置。實施系統(tǒng)主要由添加吸收液裝置、配比箱、噴霧泵、過濾器、雙功能水表、滾筒噴霧裝置、機面噴霧攔截裝置、下風流跟蹤噴霧攔截裝置、供水系統(tǒng)等組成，如圖6所示。系統(tǒng)噴霧壓力6～10 MPa，噴霧流量60～160 L/min，硫化氫吸收液質量分數(shù)為0.8%～1.2%。

圖6 噴吸收液治理采動涌出硫化氫系統(tǒng)組成示意圖

3)組織管理措施的實施。過廢棄油井期間工作面風量由1 500 m3/min逐漸增加至2 500 m3/min；采煤機割煤速度保持在3 m/min左右；工作面、上隅角、回風流安裝量程為200×10-6的硫化氫傳感器，跟班管理人員、采煤司機、瓦斯檢查員等攜帶便攜式硫化氫報警儀；割煤期間人員全程佩戴防毒面具；加強人員管理，撤人路線設壓風自救和自救器接力站，緊急情況及時撤出井下人員。

4.4 硫化氫綜合治理效果

馬探30和馬探29廢棄油井按照一類安全風險等級進行管理，采取地面封堵+通風稀釋治理措施，工作面安全揭露并通過廢棄油井。揭露油井時僅短時期內(nèi)檢測到硫化氫氣體，其體積分數(shù)為10×10-6～15×10-6，并且揭露后無油、氣涌出。

馬探31和馬探23廢棄油井按照三類安全風險等級進行管理，采取地面封堵+井下綜合治理措施，煤層采動硫化氫涌出得到了較好控制，各級治理措施硫化氫治理效率達到65%～72%，工作面回風流硫化氫體積分數(shù)最終降低至6.6×10-6以下。

5 結論

1)分析了煤油資源重疊區(qū)不同類型廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體侵入煤系地層的運移機理，并將廢棄油井的安全風險等級及威脅程度進行三類劃分，為實現(xiàn)對廢棄油井的分類治理提供了依據(jù)。

2)提出了以“分類治理”為核心思想的“超前探測→評估分類→綜合治理→效果評價”四位一體硫化氫綜合防治體系，在雙馬煤礦得到成功應用。

3)構建形成了地面超前封堵為基礎、采前預注堿性吸收液主動治理和回采期間中高壓噴堿性吸收液逐級防控為關鍵工藝的“堵、注、噴、增、降、監(jiān)、護、撤”技術管理體系，實現(xiàn)了對廢棄油井影響區(qū)域煤礦開采硫化氫防治的精細化管理。