馬興華,黃光利,王 振
(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司雙馬煤礦,寧夏 靈武 750408;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037; 3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)
我國(guó)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(zhì)構(gòu)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(kāi)采在立體上投影重疊,導(dǎo)致資源疊加開(kāi)采相互影響[1-3]。在煤油資源疊加開(kāi)采區(qū)域,煤炭開(kāi)采容易造成覆巖運(yùn)動(dòng)引起油井及輸油管道變形破壞,而油井施工穿過(guò)煤礦開(kāi)采區(qū)域時(shí)也容易發(fā)生井漏事故[4-5]。在早期石油井開(kāi)發(fā)后,資源重疊區(qū)域遺留的廢棄油井不僅給煤礦開(kāi)采設(shè)計(jì)增加難度、造成煤炭資源浪費(fèi),而且廢棄油井中可能儲(chǔ)存有大量油、氣、水等,將會(huì)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(kāi)采石油后遺留的廢棄油井。由于時(shí)間久遠(yuǎn),含油層大量油氣尤其是硫化氫等有害氣體通過(guò)廢棄油井逐漸侵入煤系地層,嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。目前,針對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中受廢棄油井影響導(dǎo)致的硫化氫災(zāi)害治理問(wèn)題,部分學(xué)者圍繞災(zāi)害影響評(píng)估、氣體滲透分布規(guī)律及治理工藝等方面開(kāi)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(zāi)害防治[14-17],尚未建立完整的治理體系,無(wú)法較好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。筆者通過(guò)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(yùn)移機(jī)理并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi),提出了煤油資源重疊區(qū)煤礦開(kāi)采“四位一體”硫化氫綜合防治體系,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,可為類(lèi)似礦區(qū)災(zāi)害防治提供借鑒。
雙馬煤礦是寧東煤田馬家灘礦區(qū)新建的3個(gè)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(zhǎng)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(kāi)采I01采區(qū)4-1、4-2、4-3煤層。
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(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,雙馬井田范圍內(nèi)主要采油油層為三疊系延長(zhǎng)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(gè)煤組,分別為18、17、16、12、10、8、6、4、3煤組。
雙馬煤礦井田范圍內(nèi)共有廢棄油井170個(gè),多數(shù)油井為20世紀(jì)七八十年代所施工,深度700~1 000 m,部分油井深度達(dá)到2 000 m,油井套壓為24~27 MPa。
據(jù)統(tǒng)計(jì),現(xiàn)有的170個(gè)油井中僅35個(gè)油井有資料說(shuō)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(kāi)采的區(qū)域(I01、I02采區(qū))范圍內(nèi)共分布有12個(gè)廢棄油井,目前已揭露4個(gè)廢棄油井。
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(jié)水泥,套管內(nèi)部可能有也可能沒(méi)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(yuǎn),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(chǔ)存的大量硫化氫、甲烷等有害氣體逐漸侵入煤層,其運(yùn)移通道分為3種,如圖1所示。
圖1 廢棄油井油氣災(zāi)害氣體運(yùn)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(wú)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(shí)有害氣體將通過(guò)破損點(diǎn)逸散至煤層;若套管完好廢棄油井內(nèi)有害氣體將無(wú)法與煤層接觸。若套管與油井井壁之間的空隙封堵不嚴(yán),則含油層油氣也將通過(guò)空隙逐漸運(yùn)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(huì)進(jìn)入煤層。因此,對(duì)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(lèi)型、層位關(guān)系等條件確定。
根據(jù)前述對(duì)廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體的運(yùn)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(guān)系的不同,廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體對(duì)礦井采掘的影響也有較大差異。結(jié)合文獻(xiàn)[9,13]研究基礎(chǔ)及雙馬井田實(shí)際考察結(jié)果,將廢棄油井的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為如下3類(lèi):
1)一類(lèi)油井的通井壓力為0,或油井套管完好無(wú)破損,或油井未施工至含油層即被廢棄,且預(yù)計(jì)影響區(qū)域煤層采動(dòng)硫化氫涌出體積分?jǐn)?shù)小于6.6×10-6;
2)二類(lèi)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(diǎn)在含煤地層20~100 m內(nèi),或硫化氫預(yù)計(jì)涌出體積分?jǐn)?shù)為(6.6~166.0)×10-6;
3)三類(lèi)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(diǎn)在含煤地層垂距20 m內(nèi),或硫化氫預(yù)計(jì)涌出體積分?jǐn)?shù)大于166.0×10-6。
根據(jù)廢棄油井的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類(lèi),確定廢棄油井硫化氫對(duì)采掘工作面的安全威脅程度,其中:一類(lèi)油井對(duì)煤層開(kāi)采的影響較小,為安全狀態(tài)(威脅程度一般);二類(lèi)油井對(duì)采掘工作面的影響為氣體超標(biāo)狀態(tài)(威脅程度中等);三類(lèi)油井對(duì)采煤工作面的影響較大(威脅程度嚴(yán)重)。針對(duì)廢棄油井對(duì)采掘工作面安全威脅程度的不同,可以采取分類(lèi)防治措施,從而提高災(zāi)害防治的針對(duì)性和精細(xì)化管理。
在對(duì)廢棄油井內(nèi)硫化氫的運(yùn)移機(jī)理、安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類(lèi)及威脅程度研究基礎(chǔ)上,提出了以“分類(lèi)治理”為核心思想的“超前探測(cè)→評(píng)估分類(lèi)→綜合治理→效果評(píng)價(jià)”四位一體硫化氫綜合防治體系。
超前探測(cè)包括在地面和井下分別對(duì)廢棄油井位置進(jìn)行精確探測(cè)及硫化氫體積分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確探測(cè)。通過(guò)超前探測(cè),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?jǐn)?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(zāi)害的評(píng)估分類(lèi)及治理提供依據(jù)。
1)探測(cè)前油井資料調(diào)研統(tǒng)計(jì)。在廢棄油井超前探測(cè)前,通過(guò)調(diào)研石油系統(tǒng)相關(guān)原始資料,確定油井的類(lèi)型、位置、完井方式、井身結(jié)構(gòu)、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(cè)提供依據(jù)。
2)地面油井位置探查及氣體探測(cè)。主要在對(duì)油井完井資料分析基礎(chǔ)上,確定廢棄油井井口坐標(biāo)中心,并查找井口確切位置;之后進(jìn)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(shí)探測(cè)油井井內(nèi)壓力、氣體成分等;對(duì)已透完孔的廢棄油井進(jìn)行裸孔測(cè)斜等。
3)井下油井位置探查及氣體探測(cè)。在掘進(jìn)工作面臨近廢棄油井區(qū)域向采煤工作面傾向施工探測(cè)鉆孔,探測(cè)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(cè)范圍根據(jù)掘進(jìn)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(guò)程中,當(dāng)其接近廢棄油井區(qū)域時(shí),還必須向工作面煤壁前方施工探測(cè)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。
在超前探測(cè)基礎(chǔ)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(jìn)行災(zāi)害評(píng)估分類(lèi),確定廢棄油井的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及威脅程度,找出對(duì)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(yùn)移機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)指標(biāo),在進(jìn)行評(píng)估分類(lèi)時(shí),由于廢棄油井資料缺失,應(yīng)重點(diǎn)根據(jù)地面及井下硫化氫超前探測(cè)結(jié)果最終確定硫化氫災(zāi)害分布規(guī)律、威脅程度及影響范圍。
根據(jù)廢棄油井的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類(lèi)及災(zāi)害威脅程度的不同,采取分類(lèi)治理方法。不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)廢棄油井硫化氫治理措施見(jiàn)表1。
表1 不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)廢棄油井硫化氫治理措施
廢棄油井分類(lèi)治理關(guān)鍵工藝技術(shù)如下:
1)地面超前封堵。針對(duì)各類(lèi)廢棄油井,采用全鉆孔水泥漿封堵方法,按照?qǐng)D2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(yù)注堿性吸收液。主要針對(duì)三類(lèi)廢棄油井,根據(jù)廢棄油井的具體影響范圍,通過(guò)在工作面運(yùn)輸巷或回風(fēng)巷,單巷或雙巷布置順層鉆孔,向煤層預(yù)注堿性吸收液。回采期間,可根據(jù)實(shí)際效果考察情況,在工作面傾向中部短孔注堿性吸收液,實(shí)現(xiàn)區(qū)域和局部范圍長(zhǎng)、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(rùn)劑、催化劑等通過(guò)配比試驗(yàn)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(dòng)硫化氫涌出分布及隨風(fēng)流擴(kuò)散情況,利用采煤機(jī)外噴霧、支架?chē)婌F等硫化氫源自動(dòng)跟蹤噴霧系統(tǒng),主動(dòng)吸收采動(dòng)涌出的硫化氫;同時(shí)在工作面回風(fēng)巷設(shè)置凈化水幕連接工作面中高壓噴霧系統(tǒng),逐級(jí)控制有效降低硫化氫涌出擴(kuò)散體積分?jǐn)?shù)。
此外,工作面回采期間還應(yīng)采取增加工作面風(fēng)量、降低割煤速度、強(qiáng)化監(jiān)測(cè)和人工檢測(cè)、加強(qiáng)個(gè)體防護(hù)、緊急情況下撤人等組織管理措施。在此基礎(chǔ)上,形成了以地面超前封堵為基礎(chǔ)、采前預(yù)注堿性吸收液主動(dòng)治理和回采期間中高壓噴堿性吸收液逐級(jí)防控為關(guān)鍵工藝的“堵、注、噴、增、降、監(jiān)、護(hù)、撤”技術(shù)管理體系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面硫化氫治理的精細(xì)化管理。
廢棄油井影響區(qū)域采煤工作面硫化氫治理效果評(píng)價(jià)一般以控制硫化氫氣體涌出體積分?jǐn)?shù)為表征指標(biāo),進(jìn)行分級(jí)控制。重點(diǎn)針對(duì)二類(lèi)和三類(lèi)廢棄油井,從地面封堵到井下治理,實(shí)現(xiàn)各級(jí)措施的逐級(jí)控制,最終將采煤工作面回風(fēng)流硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低至6.6×10-6以下。評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)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(shí)為安全揭露油井提供保障。
2)煤層超前預(yù)注堿性吸收液治理工藝,硫化氫在煤層的吸收率應(yīng)能達(dá)到60%以上,工作面采動(dòng)硫化氫涌出氣體體積分?jǐn)?shù)應(yīng)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(jī)、支架中高壓噴霧攔截吸收,硫化氫降低效率應(yīng)能達(dá)到70%以上,對(duì)應(yīng)工作面下風(fēng)流硫化氫涌出擴(kuò)散體積分?jǐn)?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(fēng)巷中高壓噴霧攔截吸收隨風(fēng)流擴(kuò)散硫化氫,硫化氫涌出氣體體積分?jǐn)?shù)降低至6.6×10-6以下。
為了分析硫化氫災(zāi)害防治體系在不同類(lèi)型廢棄油井的工程應(yīng)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(gè)廢棄油井為例,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。各廢棄油井穿過(guò)地層情況及厚度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2,與采煤工作面位置關(guān)系如圖3所示。
表2 廢棄油井穿過(guò)地層情況及厚度統(tǒng)計(jì)
圖3 廢棄油井與采煤工作面的位置關(guān)系示意圖
根據(jù)對(duì)各廢棄油井的完井資料分析,結(jié)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(fēng)險(xiǎn)等級(jí),見(jiàn)表3。
表3 不同類(lèi)型廢棄油井基本情況統(tǒng)計(jì)
4.3.1 一類(lèi)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(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均屬一類(lèi)。在馬探30和馬探29廢棄油井影響區(qū)域?qū)崪y(cè)鉆孔硫化氫體積分?jǐn)?shù)均為0,對(duì)工作面開(kāi)采安全威脅程度較小。在進(jìn)行地面超前封堵基礎(chǔ)上,過(guò)廢棄油井期間采取通風(fēng)措施及相應(yīng)的組織管理措施,工作面安全通過(guò)馬探30和馬探29廢棄油井。
4.3.2 三類(lèi)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(lèi)油井。在廢棄油井影響區(qū)域?qū)崪y(cè)鉆孔硫化氫體積分?jǐn)?shù)最大分別達(dá)到1.20%和0.26%,預(yù)測(cè)工作面回采期間硫化氫涌出氣體體積分?jǐn)?shù)均可能超過(guò)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(shí)測(cè)鉆孔硫化氫大小、分布范圍及預(yù)計(jì)涌出情況,按照分類(lèi)治理原則,在進(jìn)行地面超前封堵基礎(chǔ)上,均采取了采前煤層預(yù)注堿性吸收液、回采期間中高壓噴堿性吸收液,以及相應(yīng)的組織管理措施。
1)采前預(yù)注堿性吸收液治理硫化氫工藝布置。I0104105工作面回采進(jìn)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(fēng)巷施工了26個(gè)鉆孔、運(yùn)輸巷施工了21個(gè)鉆孔,鉆孔走向間距10 m。I0104106工作面回采進(jìn)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(fēng)巷施工了30個(gè)鉆孔。鉆孔具體布置如圖5所示。
圖5 煤層預(yù)注堿性吸收液鉆孔布置示意圖
采前預(yù)注堿性吸收液治理硫化氫工藝的實(shí)施系統(tǒng)主要由吸收液自動(dòng)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(zhì)量分?jǐn)?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(shí)施系統(tǒng)主要由添加吸收液裝置、配比箱、噴霧泵、過(guò)濾器、雙功能水表、滾筒噴霧裝置、機(jī)面噴霧攔截裝置、下風(fēng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%~1.2%。
圖6 噴吸收液治理采動(dòng)涌出硫化氫系統(tǒng)組成示意圖
3)組織管理措施的實(shí)施。過(guò)廢棄油井期間工作面風(fēng)量由1 500 m3/min逐漸增加至2 500 m3/min;采煤機(jī)割煤速度保持在3 m/min左右;工作面、上隅角、回風(fēng)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(jī)、瓦斯檢查員等攜帶便攜式硫化氫報(bào)警儀;割煤期間人員全程佩戴防毒面具;加強(qiáng)人員管理,撤人路線設(shè)壓風(fēng)自救和自救器接力站,緊急情況及時(shí)撤出井下人員。
馬探30和馬探29廢棄油井按照一類(lèi)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行管理,采取地面封堵+通風(fēng)稀釋治理措施,工作面安全揭露并通過(guò)廢棄油井。揭露油井時(shí)僅短時(shí)期內(nèi)檢測(cè)到硫化氫氣體,其體積分?jǐn)?shù)為10×10-6~15×10-6,并且揭露后無(wú)油、氣涌出。
馬探31和馬探23廢棄油井按照三類(lèi)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行管理,采取地面封堵+井下綜合治理措施,煤層采動(dòng)硫化氫涌出得到了較好控制,各級(jí)治理措施硫化氫治理效率達(dá)到65%~72%,工作面回風(fēng)流硫化氫體積分?jǐn)?shù)最終降低至6.6×10-6以下。
1)分析了煤油資源重疊區(qū)不同類(lèi)型廢棄油井內(nèi)硫化氫等有害氣體侵入煤系地層的運(yùn)移機(jī)理,并將廢棄油井的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及威脅程度進(jìn)行三類(lèi)劃分,為實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄油井的分類(lèi)治理提供了依據(jù)。
2)提出了以“分類(lèi)治理”為核心思想的“超前探測(cè)→評(píng)估分類(lèi)→綜合治理→效果評(píng)價(jià)”四位一體硫化氫綜合防治體系,在雙馬煤礦得到成功應(yīng)用。
3)構(gòu)建形成了地面超前封堵為基礎(chǔ)、采前預(yù)注堿性吸收液主動(dòng)治理和回采期間中高壓噴堿性吸收液逐級(jí)防控為關(guān)鍵工藝的“堵、注、噴、增、降、監(jiān)、護(hù)、撤”技術(shù)管理體系,實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢棄油井影響區(qū)域煤礦開(kāi)采硫化氫防治的精細(xì)化管理。