廢棄油井影響范圍內(nèi)治理瓦斯和硫化氫的探索

彥 鵬,王曉琪

(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.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院, 遼寧 興城 125105)

在我國一些礦區(qū),尤其是西北地區(qū),存在著煤炭、石油、天然氣等資源共存的現(xiàn)象。由于石油、天然氣等資源的早期開發(fā),資源重疊區(qū)域中存在相當多的廢棄油氣井,這些廢棄油氣井給煤礦區(qū)的開采設計帶來了較大困難,不僅造成資源浪費,而且在煤炭開采過程中,存在水、氣、油等涌入工作面的重大安全隱患,嚴重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)。

隨著煤炭資源的開采,廢棄油井影響區(qū)域瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體的防治已經(jīng)成為煤礦災害治理的又一重大難題。王金國等[1]通過煤礦井田內(nèi)廢棄油井治理的探索與實踐研究,提出禾草溝煤礦采區(qū)范圍內(nèi)廢棄油氣井的地面治理方法;馬智等[2-3]提出廢棄油井風險分類及治理方案,針對廢棄油井的封堵提出立體封堵技術方案;靳華等[4-5]針對廢棄石油井對煤礦采掘活動的危害及現(xiàn)場初步的治理技術提出研究方案;胡全宏等[6-8]針對廢棄油井影響區(qū)域煤層瓦斯和硫化氫分布規(guī)律、來源分析和治理技術等研究,提出適用現(xiàn)場治理技術措施;索永錄等[9-10]針對廢棄石油井周圍煤層中油層氣擴散—滲流規(guī)律進行研究,得出煤層氣隨壓力、時間與擴散半徑的規(guī)律,有效指導現(xiàn)場劃定廢棄石油井內(nèi)有毒有害氣體影響范圍。以上研究為礦區(qū)資源重疊區(qū)域廢棄油井影響范圍內(nèi)瓦斯和硫化氫等有毒有害氣體的高效治理提供了示范。但是具體礦井地質(zhì)條件不同,在廢棄油井影響范圍內(nèi)治理瓦斯和硫化氫仍需要展開研究。

1 馬探23廢棄油井地面封堵情況

1.1 馬探23廢棄油井概況

馬探23廢棄油井位于寧夏鹽池馮記溝鄉(xiāng)岔岱村,處于雙馬煤礦I0104106工作面內(nèi),距離該工作面切眼956 m,距離工作面回風巷154 m,距離運輸巷127 m,距離馬探29廢棄油井905 m. 馬探23廢棄油井揭露地層情況見表1.

表1 馬探23廢棄油井揭露地層情況表

1.2 馬探23廢棄油井地面封堵方案

馬探23油井為有套管油井(有資料),經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該油井有偷采情況,所以認定為無封堵水泥,歸為II類油井,油井中可能含有水、油、氣,可能在揭露時涌出,導致人員傷害。

根據(jù)該廢棄油井治理方案,先進行井上地面封堵治理再進行井下處理,因為油井正在偷采,所以油井封堵前不需要透井。馬探23廢棄油井地面封堵治理參數(shù)見表2.

表2 馬探23廢棄油井地面封堵治理參數(shù)表

1.3 馬探23廢棄油井地面封堵情況

馬探23廢棄油井地面有抽采設備,2019年3月18日開始進行地面封堵工程,并嚴格按照地面封堵程序進行。3月20日,進行洗井作業(yè),確定井內(nèi)無油管及其他異物,在井口向下600 m處施工人工井底,候凝24 h后,對井底進行了耐壓試驗。3月24日,地面封堵治理工作完畢,施工設備進行搬遷,施工地面封堵標示牌、恢復植被。廢棄油井井深結構示意圖見圖1.

2 瓦斯和硫化氫超前探測及分布規(guī)律

為了掌握23廢棄油井影響區(qū)域氣體原始濃度分布規(guī)律,利用在該廢棄油井影響區(qū)域施工的注硫化氫吸收液鉆孔進行了氣體成分測定。該廢棄油井距離I0104106綜采工作面切眼956 m,其中油井前后200 m范圍內(nèi),在I0104106回風巷、運輸巷分別設計施工41個鉆孔,實際初期在I0104106回風巷施工30個鉆孔(F14～F44),后期補充施工完成10個鉆孔。I0104106工作面該廢棄油井影響區(qū)域硫化氫濃度測試鉆孔布置見圖2.

圖2 硫化氫濃度測試鉆孔布置圖

I0104106工作面馬探23廢棄油井影響區(qū)域注堿性吸收液鉆孔施工期間,在油井地面封堵前后通過取樣分析對鉆孔內(nèi)氣體成分進行了測試(主要分析成分:CH4、CO2、H2S、CO、O2等)。根據(jù)測定結果統(tǒng)計,初期在該廢棄油井影響區(qū)域沿I0104106工作面走向在回風巷共施工鉆孔27個,測定鉆孔內(nèi)硫化氫濃度最高為2600×10-6(F38鉆孔,距廢棄油井中心170 m),另外F35鉆孔(距廢棄油井中心140 m)硫化氫濃度為2400×10-6,其他鉆孔硫化氫濃度均在1000×10-6以下。預注堿性吸收液鉆孔施工完成后再次測定,F38鉆孔實測硫化氫濃度1300×10-6,F35鉆孔實測硫化氫濃度68×10-6,其他鉆孔除F26(191×10-6)、F30(124×10-6)以外硫化氫濃度均在100×10-6以下(約2/3鉆孔硫化氫濃度在10×10-6以下)。馬探23廢棄油井影響域內(nèi)鉆孔硫化氫濃度測定結果分類統(tǒng)計見表3,表4.

表3 鉆孔初期硫化氫濃度分類統(tǒng)計表

表4 鉆孔后期硫化氫濃度分類統(tǒng)計表

為進一步分析廢棄油井影響范圍內(nèi)瓦斯、硫化氫氣體濃度的分布規(guī)律,以馬探23廢棄油井中心為基準,I0104106工作面馬探23廢棄油井地面鉆孔封堵前后鉆孔甲烷、硫化氫濃度分布規(guī)律見圖3—6. 由圖3—6可知:

圖5 后期鉆孔硫化氫濃度分布規(guī)律圖

1) 由于煤層瓦斯含量較小,鉆孔測定甲烷濃度均比較小,大部分鉆孔無甲烷。

2) 馬探23廢棄油井地面封堵前測定硫化氫濃度相對較高,地面封堵后鉆孔測定硫化氫濃度均比較小(與鉆孔瓦斯?jié)舛确植家?guī)律一致),并且在遠離廢棄油井130～200 m局部區(qū)域有增大的趨勢,其分布具有不均衡性特征。

3 馬探23廢棄油井影響區(qū)域瓦斯和硫化氫治理

根據(jù)廢棄油井地面封堵及井下揭露情況,馬探23廢棄油井有雙層套管并且套管完好。但該廢棄油井影響區(qū)域的瓦斯含量和硫化氫氣體濃度測定結果顯示,廢棄油井對采煤工作面的安全影響較大。

1) 瓦斯治理效果。

通過增加風量稀釋瓦斯,并且利用預注堿性吸收液鉆孔進行瓦斯超前排放,I0104106工作面回采過馬探23廢棄油井期間瓦斯治理效果較好。工作面進入廢棄油井影響區(qū)域后,初期風量增大至1900～2100 m3/min,工作面、上隅角、回風瓦斯?jié)舛然颈３衷?.1%～0.2%,最大為0.25%;在工作面距馬探23廢棄油井中心位置200 m以后直至揭露油井期間,工作面風量增加至2600～2700 m3/min,工作面、回風流瓦斯?jié)舛认陆递^為明顯,基本控制在0.1%以下,上隅角瓦斯?jié)舛仍诰植繀^(qū)域有所增大,最大達到0.68%,但是在接近油井中心位置時逐漸下降至0.2%以下。I0104106工作面過馬探23廢棄油井期間工作面、上隅角、回風瓦斯涌出變化規(guī)律見圖7.

圖7 廢棄油井影響區(qū)域瓦斯涌出變化規(guī)律圖

2) 硫化氫涌出治理效果。

根據(jù)現(xiàn)場考察,I0104106工作面馬探23廢棄油井影響區(qū)域硫化氫治理采取地面封堵治理為主、井下治理為輔綜合防治措施,取得了較好的效果。

通過持續(xù)開展煤層注堿性吸收液工業(yè)性試驗,累計向馬探23廢棄油井超前鉆孔控制區(qū)域注堿性吸收液50.7 t,有效降低了采動硫化氫涌出濃度。根據(jù)現(xiàn)場考察,采取預注堿性吸收液后,工作面傾向20#—110#支架有大量淋水,煤體濕潤效果較好,該區(qū)域采煤機割煤期間硫化氫涌出濃度明顯下降。

I0104106工作面回采期間,采取采煤機中高壓噴霧、架間噴霧以及回風巷中高壓噴霧等措施,噴霧系統(tǒng)霧化效果較好,有效降低了采動硫化氫濃度。I0104106工作面距馬探23廢棄油井不同距離下工作面瓦斯和硫化氫絕對涌出量的變化規(guī)律見圖8.

圖8 I0104106工作面瓦斯和硫化氫涌出量變化規(guī)律圖

根據(jù)圖8分析可知,I0104106工作面在馬探23廢棄油井影響區(qū)域,從距馬探23廢棄油井500 m至揭露油井范圍內(nèi),瓦斯和硫化氫涌出量變化總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。I0104106工作面瓦斯和硫化氫涌出量在距廢棄油井150～380 m較大,瓦斯涌出量最大達到5.08 m3/min(距廢棄油井173.4 m位置),硫化氫涌出量最大達到0.5×10-6m3/min(距廢棄油井167.5 m位置)。在距馬探23廢棄油井150 m至揭露油井期間,瓦斯涌出量特別小,硫化氫涌出量則呈逐漸下降的趨勢。

根據(jù)廢棄油井影響區(qū)域瓦斯和硫化氫超前探測鉆孔實測結果可知,在遠離廢棄油井130～200 m鉆孔瓦斯和硫化氫濃度局部區(qū)域有增大的趨勢,鉆孔測定瓦斯?jié)舛仍诰鄰U棄油井180 m位置最大,鉆孔測定硫化氫濃度在距廢棄油井170 m位置最大,這與圖8所示瓦斯和硫化氫涌出量最大值的位置完全吻合。

4 結 語

1) 由于煤層瓦斯含量較小,鉆孔測定甲烷濃度均比較小,大部分鉆孔無甲烷。馬探23廢棄油井地面封堵前測定硫化氫濃度相對較高,地面封堵后鉆孔測定硫化氫濃度均比較小(與鉆孔瓦斯?jié)舛确植家?guī)律一致),并且在遠離廢棄油井130～200 m局部區(qū)域有增大的趨勢,其分布具有不均衡性特征。

2) 通過從地面封堵到井下治理、從主動控制到被動防治,最終將硫化氫涌出濃度降低至6.6×10-6以下。

3) 針對雙馬煤礦井下廢棄油井影響區(qū)域煤層H2S、CH4治理問題,采用廢棄油井影響區(qū)域油井立體封堵、預注堿性吸收液、噴灑吸收液治理采動涌出硫化氫等關鍵技術,實現(xiàn)了廢棄油井影響范圍內(nèi)瓦斯和硫化氫的高效治理,確保了礦井安全生產(chǎn),具有較好的經(jīng)濟及社會效益。