廢棄石油井內(nèi)油氣對(duì)煤層開(kāi)采危害及安全評(píng)價(jià)*

索永錄，劉穎凱，王 帥

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開(kāi)采災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712046)

0 引言

我國(guó)存在著許多煤炭和石油天然氣資源共儲(chǔ)區(qū)，如雙馬灘礦區(qū)、黃陵礦區(qū)、窯街礦區(qū)以及子長(zhǎng)礦區(qū)等[1]。這些共儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的資源在開(kāi)采的過(guò)程中彼此相互制約，其安全高效協(xié)調(diào)開(kāi)采是一個(gè)普遍性的難題[2]。在煤油共儲(chǔ)的情況下，一般優(yōu)先開(kāi)采石油，開(kāi)采后存留的大量廢棄石油井內(nèi)的油氣會(huì)嚴(yán)重威脅到煤炭的后續(xù)安全開(kāi)采[3]，煤炭后續(xù)協(xié)調(diào)開(kāi)采需建立在明確油氣對(duì)煤層安全開(kāi)采影響的基礎(chǔ)上。

以雙馬煤礦為研究背景，針對(duì)廢棄石油井內(nèi)油氣對(duì)井周?chē)簩影踩_(kāi)采影響進(jìn)行研究。分析得出油氣危害形成原因以及具體體現(xiàn)，運(yùn)用作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法(LEC)對(duì)油氣危害進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提出具體的油氣危害防治措施，為全國(guó)范圍內(nèi)受廢棄石油井內(nèi)油氣影響的類(lèi)似煤礦煤炭安全開(kāi)采提供理論指導(dǎo)。

1 油氣危害的成因及體現(xiàn)

1.1 成因分析

要分析油氣危害的成因需要從油氣的導(dǎo)入通道進(jìn)行分析，因此有必要對(duì)雙馬煤礦的石油井基本結(jié)構(gòu)和地層分布狀況進(jìn)行分析。

石油井結(jié)構(gòu)：雙馬礦區(qū)存留170余口廢棄石油井，其中有的無(wú)套管(可稱(chēng)裸眼井)，有的有一層技術(shù)套管，但由于成井久遠(yuǎn)，套管破損嚴(yán)重。石油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井水泥，石油井內(nèi)部可能有也可能沒(méi)有封井水泥，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 石油井結(jié)構(gòu)示意圖

地層分布狀況：馬家灘礦區(qū)含油地層和含煤地層是同一套地層，該地區(qū)含油地層主要分布在三疊系延長(zhǎng)組和侏羅系延安組，所有油井套管貫穿整個(gè)煤系地層。根據(jù)調(diào)查本井田范圍內(nèi)主要采油油層為三疊系延長(zhǎng)組，地層分布如圖2所示。

圖2 油氣地層分布示意圖

三疊系延長(zhǎng)組(T3y)：根據(jù)其巖性自下而上劃分為5個(gè)巖性段，即：T3y1長(zhǎng)石砂巖段(中石油系統(tǒng)油層組劃分為長(zhǎng)1)，T3y2油頁(yè)巖段(中石油系統(tǒng)油層組劃分為長(zhǎng)2、長(zhǎng)3)，T3y3含油段(中石油系統(tǒng)油層組劃分為長(zhǎng)4、長(zhǎng)5、長(zhǎng)6、長(zhǎng)7)，T3y4黃鐵礦結(jié)核段(中石油系統(tǒng)油層組劃分為長(zhǎng)4、長(zhǎng)5、長(zhǎng)6、長(zhǎng)7)和T3y5瓦窯堡煤系(中石油系統(tǒng)油層組劃分為長(zhǎng)10)。雙馬煤礦主要開(kāi)采煤層包括3-2煤、4-1煤、4-2煤、4-3煤、6煤、10煤、12煤、16煤、18煤，當(dāng)前開(kāi)采的為4-1煤層。4-1煤層平均埋深約625.09 m，通過(guò)4-1煤埋深與郭11油井地層分層數(shù)據(jù)相比較，4-1煤處于延2地層的位置，而延2屬于弱含油層，井下開(kāi)采4-1煤時(shí)煤壁漏油以及甲烷硫化氫等有害氣體濃度嚴(yán)重超標(biāo)與此有很大的關(guān)系，因此將4-1煤定義為油氣共生煤層。

根據(jù)以上分析，井下采煤可能遇到的油氣危害來(lái)源于以下兩種情況(危害示意圖如圖3所示)。①在既無(wú)套管又無(wú)封井水泥的情況下，油氣可能已經(jīng)充滿在石油井形成的空洞中，當(dāng)井下工作面推進(jìn)至石油井附近時(shí)，油氣可能會(huì)通過(guò)煤層裂隙涌入工作面，造成工作面有毒有害氣體嚴(yán)重超標(biāo)，從而引發(fā)各種災(zāi)害；②在有套管但無(wú)封井水泥的情況下，由于井內(nèi)套管能起到一定的隔離作用，井內(nèi)油氣和井周?chē)簩幽芎芎玫乇桓綦x開(kāi)，井周?chē)簩娱_(kāi)采相比情況①較安全，但井內(nèi)更容易積聚高壓油氣，揭井時(shí)可能會(huì)面臨更嚴(yán)重的高壓油氣沖擊工作面的危害。

a-無(wú)套管無(wú)封井水泥；b-有套管無(wú)封井水泥圖3 油氣危害示意圖

1.2 油氣危害具體體現(xiàn)

油氣中的原油主要由烴類(lèi)化合物組成，油氣中的氣體主要指油層伴生氣。原油和油層伴生氣都具有極大危害，油氣危害主要體現(xiàn)在油氣有毒有害、易燃易爆、污染井下環(huán)境以及腐蝕井下設(shè)備4個(gè)方面。

原油和油層伴生氣都具有毒性：原油易揮發(fā)，且成分中含有有毒碳?xì)浠衔锖头翘細(xì)浠衔?，原油被吸入人體后會(huì)引起中毒，輕度中毒會(huì)使人昏迷，重度中毒會(huì)直接導(dǎo)致死亡。油層伴生氣中含有大量的硫化氫和一氧化碳等氣體，這些氣體被吸入后同樣也會(huì)引起中毒。并且硫化氫具有劇毒，吸入少量高濃度硫化氫可于短時(shí)間內(nèi)致命，其濃度較低時(shí)帶臭雞蛋味，濃度較高時(shí)由于能麻痹嗅覺(jué)神經(jīng)所以反而沒(méi)有氣味。

氣體爆炸性：原油中的烷烴化合物和油層伴生氣中的甲烷等氣體都具有易燃易爆性，當(dāng)原油蒸汽和油層伴生氣體分子與空氣中氧氣混合后，在工作面遇高熱能或明火時(shí)會(huì)直接燃燒甚至爆炸，當(dāng)工作面煤塵含量較高時(shí)，其更容易引起煤塵爆炸。

氣體刺激性：油氣中的原油和油層伴生氣都具有一定的刺激性，當(dāng)油氣與新鮮空氣混合后會(huì)嚴(yán)重污染空氣，工人吸入后會(huì)出現(xiàn)神志不清、頭痛、惡心、四肢無(wú)力等癥狀。此外，煤壁滲油以及油層伴生氣異常涌出都會(huì)惡化井下工作環(huán)境。

氣體腐蝕性：油氣中的原油和油層伴生氣中的硫化氫都具有腐蝕性，對(duì)巷道煤壁架設(shè)的各種電纜和管路具有很?chē)?yán)重的腐蝕危害，同樣對(duì)井下各種電氣設(shè)備及金屬材料也有腐蝕危害。

2 油氣危害的安全評(píng)價(jià)及防治措施

由于油氣會(huì)給井下工人帶來(lái)極大危害，并且會(huì)污染井下工作環(huán)境以及腐蝕井下設(shè)備，從而直接威脅到工作面安全高效產(chǎn)煤，因此對(duì)油氣危害進(jìn)行安全評(píng)價(jià)很有必要。

2.1 LEC安全評(píng)價(jià)方法概述

作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法(LEC)[4-5]是一種簡(jiǎn)單易行的對(duì)具有潛在危險(xiǎn)的作業(yè)條件進(jìn)行危險(xiǎn)性半定量評(píng)價(jià)的方法，其原理是將可能導(dǎo)致作業(yè)條件危險(xiǎn)的因素按照特定指標(biāo)量化，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)每個(gè)因素打分，最后通過(guò)函數(shù)關(guān)系對(duì)作業(yè)條件危險(xiǎn)性進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。該方法對(duì)于存在較大不確定性危害的安全評(píng)價(jià)具有很好的適用性。

一般將影響作業(yè)條件危險(xiǎn)性(D)的主要因素分為3個(gè)：事故或危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性(L)、暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的頻率(E)和發(fā)生事故或危險(xiǎn)事件的可能結(jié)果(C)[6-7]。評(píng)價(jià)目標(biāo)與影響因素之間的關(guān)系為

D=L·E·C

(1)

實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中，L、E和C的分值分別取自表1、表2和表3，風(fēng)險(xiǎn)值D的危險(xiǎn)性等級(jí)參照表4進(jìn)行劃分。

表1 事故或危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性(L)

表2 暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的概率(E)

表3 發(fā)生事故或危險(xiǎn)事件的可能后果(C)

2.2 各因素分值的確定

事故或危險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性(L)取值：4-1煤層為油氣共生煤層，工作面揭露石油井附近煤層時(shí)，人的因素、設(shè)備因素及自然因素均有可能引發(fā)油氣危害，這雖然屬于小概率事件，仍可能發(fā)生，所以取L=3。

表4 危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的概率(E)取值：工作面推進(jìn)的過(guò)程中，井下工人在每天工作時(shí)間內(nèi)頻繁暴露于有可能發(fā)生油氣危害的危險(xiǎn)環(huán)境中，所以取E=6。

發(fā)生事故或危險(xiǎn)事件的可能結(jié)果(C)取值：一旦發(fā)生工作面或巷道煤壁油氣異常涌出危害時(shí)，巷道內(nèi)有毒有害氣體濃度會(huì)急劇升高，井下工作人員容易中毒，情形非常嚴(yán)重，并且如果疏散不及時(shí)，一旦油氣起火，高燃燒溫度和高輻射熱量將對(duì)人員和設(shè)備造成極大危害，甚至有可能發(fā)生爆炸，造成人員傷亡，所以取C=15。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(1)，計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)值D為270，其處于160～320之間，油氣危害危險(xiǎn)性等級(jí)屬于“高度危險(xiǎn)，需立即整改”的范疇。由此可見(jiàn)，廢棄石油井內(nèi)油氣對(duì)煤層安全開(kāi)采已構(gòu)成重大安全生產(chǎn)事故隱患，必須立即采取措施對(duì)該高度危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行整改。

2.4 油氣危害防治措施

廢棄石油井內(nèi)的油氣對(duì)煤層安全開(kāi)采構(gòu)成嚴(yán)重危害，必須將“預(yù)防為主，防治結(jié)合”作為工作的指導(dǎo)方針，從油氣危害產(chǎn)生的根源以及管理等方面進(jìn)行防治，具體防治措施如下：①對(duì)石油井進(jìn)行地面治理，先通井，再封堵，從而將含油層內(nèi)的油氣徹底封堵?。虎趯?duì)石油井進(jìn)行井下切割，切割套管和水泥柱時(shí)必須采用物理切割，嚴(yán)禁電焊切割，切割時(shí)持續(xù)灑水；③在開(kāi)采前設(shè)置隔離帶，無(wú)關(guān)人員不得隨意進(jìn)入工作區(qū)域；④加強(qiáng)油氣檢查，把油氣控制在安全指標(biāo)以?xún)?nèi)，試采工作面設(shè)專(zhuān)職檢查人員，放炮前后、有油地段，定人、定位嚴(yán)格檢查，并實(shí)行檢查人員現(xiàn)場(chǎng)交接班制度；⑤加強(qiáng)通風(fēng)管理，完善通風(fēng)系統(tǒng)，盡量采取獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量隨著工作面油氣濃度變化隨時(shí)調(diào)節(jié)；⑥工作人員必須佩戴正壓式空氣呼吸器并佩戴防腐手套；⑦工作人員應(yīng)定期做健康檢查，其檢查年限和時(shí)間應(yīng)根據(jù)崗位性質(zhì)、油氣濃度、勞動(dòng)工時(shí)等因素來(lái)確定，對(duì)發(fā)現(xiàn)有因油氣危害引發(fā)職業(yè)病癥狀的作業(yè)人員及時(shí)責(zé)令其進(jìn)行醫(yī)治，做到早發(fā)現(xiàn)早治療；⑧加強(qiáng)事故的應(yīng)急演練。

3 結(jié)論

(1)油氣危害產(chǎn)生于廢棄石油井，將煤層與含油層導(dǎo)通后，開(kāi)采井周?chē)簩訒r(shí)工作面油氣濃度嚴(yán)重超標(biāo)。

(2)油氣危害主要體現(xiàn)在油氣有毒有害、易燃易爆、污染井下環(huán)境以及腐蝕井下設(shè)備4個(gè)方面。

(3)油氣危害的作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)為2級(jí)，其高度危險(xiǎn)，需立即整治，針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了有效的油氣危害防治措施。