海石湾矿井1100运输石门过高压油气层施工技术

宿敬北 刘向阳

（1.甘肃金远煤业有限任公司，甘肃 环县745700；2.甘肃煤炭第一工程有限责任公司,甘肃 白银730913）

1 工程概况

海石湾矿井设计年产150 万吨，从1993 年矿井建设开工至2005年首采面试生产，我公司承担了大部分建井工程任务。 1100 运输石门近600m 要穿过高压油气层，1100 石门设计长度为987.189m， 掘进高度4.12m，掘进宽度5.24m，均支护形式采用锚喷支护。

2 地层与油气简况

2.1 地层

从井口开始，自上而下发育的岩层分别是∶

①第四系（Q3m）风积层黄土与（Q2l）洪积层未胶结的卵石层，充填中细粒散沙。

②白垩系下统河口群第四岩组（K1hk4）褐棕色泥岩组。

③侏罗系上统享堂群（J3xt）。 自上而下依次为∶第三岩组（J3xt3）为红棕色、暗棕色泥岩、泥质粉砂岩与紫灰色、绿灰色粉细砂岩互层。 第二岩组（J3xt2）为兰灰色、暗棕色泥岩与浅灰绿色中细砂岩互层。第一岩组（J3xt1）—下部为草绿色砾岩、砾状砂岩、砂岩为主，微含油斑。

④侏罗系中统窑街群∶A、第五组砂泥岩段（J2yj5），为灰白、灰绿色砂岩和灰绿、浅棕色泥岩。 上部以砂岩为主，局部夹含油砂岩薄层，以油臭、油斑为主要特征，承压。 中部为泥、砂岩互层，含油斑，油气承高压；下部以泥岩、砂质泥岩为主。

B、第四组油页岩、油砂岩段（J2yj4），上部为黑色、黑褐色巨厚油页岩层，夹菱铁矿条带及薄层鲕状菱铁矿泥岩；中部为灰白、灰色长石石英砂岩及粉砂岩， 含油， 具油臭、 油斑及油浸状， 含油气承压达6.83MPa；下部为灰色、灰白色石英细砂岩、粉砂岩、油页岩互层，含油斑、高压油气。

C、第三组泥灰岩段（J2yj3），由黑色、黑褐色及暗绿、墨绿色泥灰岩组成。 普遍含菱铁矿。

D、 第二组含煤段（J2yj2）。 E、 第一组砂砾岩段（J2yj1），底部为褐红色砂砾岩、含铁锰质结核及条带。下部为砾岩夹砂岩或砾状砂岩，呈深灰色。

2.2 矿井油气情况

海石湾井田区域的煤油共生田，分为北部的Fh-2与Fh-3断层形成的断鼻隆起带和南部（Fh-3、Fx断层以南、Fh-4西南）断块间坳陷两个聚油圈闭。

北部为断鼻隆起带裂隙油藏，含油面积1.3km2，含油高度100m；南部为断块间坳陷岩性油藏，含油面积5km2，含油高度200m～400m，初步估算油田储量大于180 万吨。在南部湟水河两岸的虎头崖村与马场垣村建有多个采油井（大于30 个），单井产量每天25 吨。

在以前建井过程中，风立井穿侏罗系窑街群第四组（J2yj4）含油岩层时发生了砂岩与油气突出，突出岩石2037.6t，涌出油气0.9Mm3左右。在油砂岩层掘进期间测得油气压力高达3.5～6.83MPa，并发生过油气喷出50 余次，燃烧5 次。

1100 运输石门所穿地层处于煤一和煤二层超覆沉积零点边界之外，将穿过J3xt3、J3xt2 的泥岩盖层，进入含油气岩层J3xt1、J2yj5、J2yj4三层储集油气层。经综合分析，将主斜井1544m～1640m 段划分为含低压油气无突出危险区；1100 石门0m～230m 为J2yj5 含高压油气层，存在严重突出危险性；230m～442m 段为J2yj4含承高压油气层组，存在严重突出危险性。

有浓烈煤油味，油气包括液体原油及油气体，油气成分多达12 种之多，其中多数为有害、可燃、易爆气体，主要是CH4。

3 施工技术方案

过高压油气的方案是∶“地质勘查与分段探放”、“防治突出”、“防燃防爆”和“综合治理”。

3.1 地质勘查与分段探放方案∶坚持“有疑必探，先探后掘”的原则，从现有地质预测图上J2yj5层面法线向上100m 位置处的主斜井位置（1465m 处停止掘进）开始进行地质勘查，探明油气层具体层位和赋存情况，并据此确定分段探放方案。详见图1-5，1100 石门油气层抽放钻孔总体布置示意图等。

3.2 防突方案∶根据《煤矿安全规程》、《防突规定》，采用打钻探放、突出危险性预测、效果检验、安全防护四位一体的防突方案，防突分为揭穿含油气岩层防突和安全防护措施下掘进的工作面防突。

3.3 防燃防爆方案∶采用“边探边掘、短段掘砌、超前预抽、边抽边掘、隔氧小炮、炮后灭火”和加强“一通三防”管理的方案，防止油气突出、喷出、积聚超限和放炮引起的油气燃烧、爆炸事故。

3.4 综合治理方案∶成立以总工程师为核心的“过油气岩层防突领导小组”，健全各项管理制度，配备过油气层所需的安全设施与群防群治的综合方案。

图1 1100 石门油气层探抽钻孔总体布置示意图

4 过油气岩层施工方法与措施

4.1 地质勘查

孔数设计为3 个，1# 孔设计长度85m、方位角46°、仰角-45°（巷底左部）；2# 孔设计长度85m、方位角40°、仰角-25°（巷中心）；3# 孔设计长度85m、方位角34°、仰角-45°（巷底右部）。 钻孔直径φ94mm，为取芯钻孔。 钻进方法采用机械回转孔底冲洗液环状钻进与全孔取芯法。 冲洗液使用普通泥浆与钠羧甲基纤维素化学泥浆。

4.2 分段探放方法

①区段划分∶1100 车场绕道及1100 石门探放共分13 个区段，每段段长60m，预留10m 保护岩柱。 当本次地质勘查完成后，依据成果调整已划分的探放区段。

②孔数的确定，孔数确定为3 个，作为基本孔。第一个为取芯前探钻孔（1# 孔），钻孔方位为40 度，仰角为-25 度，钻孔孔径为Φ94mm。钻孔施工完毕后，及时封孔测压，并详细记录各时间段瓦斯压力情况，直至瓦斯压力稳定。

③主要钻进探放设施∶XY-2 型液压煤矿安全钻机2 台，NBB——200/40 型泥浆泵2 台，φ42mm 防突钻杆，φ94mm 环形钻头、φ94mm 三翼复合钻头、球形复合钻头，钻场系统，井内供电、供水与供风系统，排（抽）放管路系统。

4.3 预测孔

以1#孔，取岩芯确定层厚、层位，并作为井筒中心油气压力测量孔。 以2#～5#孔∶油气压力、流量测量孔，孔底距巷道周界5m。

4.4 突出危险性预测

①根据岩性法预测∶当取出的岩芯中大部分长度在150mm 以上，且有裂隙围绕，个别为小圆柱体或圆片时，预测为一般突出危险地带；在取出的1m 长的岩芯内，部分岩芯呈现出20～30 个圆片，其余岩芯长为50～100mm 的圆柱体并有环状裂隙时， 预测为中等突出危险地带；当1m 长的岩芯内具有20～40 个凹凸状圆片时，预测为严重突出危险地带；岩芯中没有圆片和岩芯表面上没有环状裂隙时，预测为无突出危险地带。

②根据钻孔动力现象预测∶无油气喷孔时可预测为无突出危险性。

③根据油气压力法预测∶当油气压力小于0.74MPa 时，确定该油气岩层无突出危险性；反之则具有突出危险性。

4.5 排放和抽放

①排放孔设计布置∶根据《防突细则》、《煤矿安全规程》，排放钻孔布置到巷道周界3～5m 的油气岩（煤）层；排放钻孔的直径为94mm，孔底间距5m；施工时先间隔施工钻孔，然后对已施工钻孔进行抽放，若能达到预期效果，则剩余部分钻孔可不施工或选择施工。 在排放钻孔的控制范围内，如果预测指标降到突出危险临界值以下，措施有效；

其中[α]是许用压力角。δmax、δmin的最大可取值区间是[0,180]，由式(12)前2式知α1、α2的最大可取值区间是[-90,90]，由式(13)、式(15)有

②抽放钻孔∶每个抽放段抽放孔总数量为41 个 （包括5 个观测孔）。

图2 钻孔布置终孔位置图

③抽放∶在油气抽放孔终孔后接通管路到泵站抽放。 在地面按设一台YWB-3 型移动抽放泵站（抽放量40m3/min，抽放负压80kpa，电机功率55kw），配DN200mm 抽放管进行抽

4.6 效果检验

通过对岩芯圆片数及孔内稳定压力测定方法检验措施效果。检验孔孔数为4 个，其中巷道中间一个，位于措施孔之间（为取芯孔，对岩芯进行观测），其他3 个孔位于巷道上部和两侧，终孔位置位于措施控制范围的边缘线上。 检验指标都符合《防突细则》要求（孔内稳定压力小于0.74Mpa，岩芯中没有圆片和岩芯表面上没有环状裂隙时），则认为措施有效；反之，认为措施无效，这时必须增设抽放钻孔，延长抽放时间，直到检验孔压力低于0.74MPa 即可停止抽放，进行掘进施工。

4.7 揭穿油气层施工

在揭穿油气层施工前，对工作面上以前留下的勘探孔、抽排孔、检验孔等全部按规程规定用水泥砂浆封堵。

在施工工作面距油气层5～2m（垂距）时，采用短支短掘、浅孔爆破的施工方法施工；当工作面距油气层2m（垂距）时，采用深孔爆破一次性全断面揭穿油气层。 炮眼深度不小于2.6m。

揭穿油气层后，连续通风2 小时，然后在井口回风流中检测瓦斯、CO2、CO 浓度，观察监测探头显示的瓦斯、CO2、CO 浓度数据，符合安全要求时，施工人员可入井施工。

5 防爆防燃措施

5.1 在施工过程中必须坚持“封、堵、引、防、排、抽”的原则，严格加强安全防与燃防突管理工作。

5.2 掘进施工必须采取远距离浅眼爆破，放炮地点设在井口处。 炮眼最大深度不得大于2m， 施工中严格按照掘进措施爆破图表的要求钻眼、装药。

5.4 爆破用的炸药必须采用三级煤矿许用安全乳化炸药。 引爆的雷管必须采用8# 覆铜毫秒延期电雷管（雷管脚线不小于3m，总延期时间不超过130 毫秒）。 严禁混合使用不同厂家生产的炸药、雷管，不合格或变质的炸药、雷管严禁使用，装药前炮眼必须洗吹干净。

5.5 每个装药眼装完药卷后，先向炮眼内装150g 用防水袋装的食盐（起消焰作用），再在食盐上部装2 节水炮泥，剩余部分的炮眼必须严格按《煤矿安全规程》规定的炮泥充填封堵严实，充填长度必须符合不小于0.5m 的要求。

5.6 装药前， 对已打的露在工作面的排放钻孔和所打的超前探眼必须用黄土∶水泥∶砂子（1∶0.5∶2）的混合物充填严实，封泥长度不小于3m，超前小探眼的封泥长度不小于2m。

5.7 瓦检员严格执行“一炮三检”制度，放炮地点及其附近20m 范围内油气浓度超过0.5%，严禁放炮。 不装药的炮眼和有油气涌溢的炮眼必须用黄土、水泥、砂子的混合物充填严实。

5.8 联线方式必须采用串联。 爆破时必须采用正向爆破，严禁反向起爆。

5.9 放炮前，必须由瓦检员检查工作面的瓦斯、CO2等气体浓度，符合《煤矿安全规程》要求后，方可由放炮员联线放炮，否则严禁装药放炮。放炮前切断该巷道内全部非本质安全型电气设备电源。

5.10 放炮后，等待通风排烟1 小时以后，通过监测系统检查工作面油气、温度、CO2、CO 浓度无异常时，先由专业安全瓦斯油气检测人员入井检查井筒及工作面的油气、CO、CO2的浓度，确认无问题后，方可通知其他人员入井作业。

6 结论

我公司的过高压油气层施工技术，是一项成熟技术，本次通过应用上述 “过高压油气层施工技术”， 有一次得到了验证。 海石湾矿井1100 运输石门自2008 年6 月以来，到2010 年8 月，历时26 个月，共打地质钻孔12 万余米， 抽放油气30 万立方米， 将油气压力从6.83 MPa 降到0.74 MPa 以下。 井巷工程安全高效地穿过了800 余米高压油气层，圆满地实现了预定的目标；此技术即为企业解决了井巷施工难题，也为国家节约了宝贵资金。 也必然给国内同类工程提供了了良好的技术参考。

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