废弃石油井内油气对煤层开采危害及安全评价*

索永录，刘颖凯，王 帅

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712046)

0 引言

我国存在着许多煤炭和石油天然气资源共储区，如双马滩矿区、黄陵矿区、窑街矿区以及子长矿区等[1]。这些共储区内的资源在开采的过程中彼此相互制约，其安全高效协调开采是一个普遍性的难题[2]。在煤油共储的情况下，一般优先开采石油，开采后存留的大量废弃石油井内的油气会严重威胁到煤炭的后续安全开采[3]，煤炭后续协调开采需建立在明确油气对煤层安全开采影响的基础上。

以双马煤矿为研究背景，针对废弃石油井内油气对井周围煤层安全开采影响进行研究。分析得出油气危害形成原因以及具体体现，运用作业条件危险性评价法(LEC)对油气危害进行安全评价，并针对评价结果提出具体的油气危害防治措施，为全国范围内受废弃石油井内油气影响的类似煤矿煤炭安全开采提供理论指导。

1 油气危害的成因及体现

1.1 成因分析

要分析油气危害的成因需要从油气的导入通道进行分析，因此有必要对双马煤矿的石油井基本结构和地层分布状况进行分析。

石油井结构：双马矿区存留170余口废弃石油井，其中有的无套管(可称裸眼井)，有的有一层技术套管，但由于成井久远，套管破损严重。石油井口表面都有表层封井水泥，套管的底部和岩石的缝隙之间都有固定套管的固井水泥，石油井内部可能有也可能没有封井水泥，其结构示意图如图1所示。

图1 石油井结构示意图

地层分布状况：马家滩矿区含油地层和含煤地层是同一套地层，该地区含油地层主要分布在三叠系延长组和侏罗系延安组，所有油井套管贯穿整个煤系地层。根据调查本井田范围内主要采油油层为三叠系延长组，地层分布如图2所示。

图2 油气地层分布示意图

三叠系延长组(T3y)：根据其岩性自下而上划分为5个岩性段，即：T3y1长石砂岩段(中石油系统油层组划分为长1)，T3y2油页岩段(中石油系统油层组划分为长2、长3)，T3y3含油段(中石油系统油层组划分为长4、长5、长6、长7)，T3y4黄铁矿结核段(中石油系统油层组划分为长4、长5、长6、长7)和T3y5瓦窑堡煤系(中石油系统油层组划分为长10)。双马煤矿主要开采煤层包括3-2煤、4-1煤、4-2煤、4-3煤、6煤、10煤、12煤、16煤、18煤，当前开采的为4-1煤层。4-1煤层平均埋深约625.09 m，通过4-1煤埋深与郭11油井地层分层数据相比较，4-1煤处于延2地层的位置，而延2属于弱含油层，井下开采4-1煤时煤壁漏油以及甲烷硫化氢等有害气体浓度严重超标与此有很大的关系，因此将4-1煤定义为油气共生煤层。

根据以上分析，井下采煤可能遇到的油气危害来源于以下两种情况(危害示意图如图3所示)。①在既无套管又无封井水泥的情况下，油气可能已经充满在石油井形成的空洞中，当井下工作面推进至石油井附近时，油气可能会通过煤层裂隙涌入工作面，造成工作面有毒有害气体严重超标，从而引发各种灾害；②在有套管但无封井水泥的情况下，由于井内套管能起到一定的隔离作用，井内油气和井周围煤层能很好地被隔离开，井周围煤层开采相比情况①较安全，但井内更容易积聚高压油气，揭井时可能会面临更严重的高压油气冲击工作面的危害。

a-无套管无封井水泥；b-有套管无封井水泥图3 油气危害示意图

1.2 油气危害具体体现

油气中的原油主要由烃类化合物组成，油气中的气体主要指油层伴生气。原油和油层伴生气都具有极大危害，油气危害主要体现在油气有毒有害、易燃易爆、污染井下环境以及腐蚀井下设备4个方面。

原油和油层伴生气都具有毒性：原油易挥发，且成分中含有有毒碳氢化合物和非碳氢化合物，原油被吸入人体后会引起中毒，轻度中毒会使人昏迷，重度中毒会直接导致死亡。油层伴生气中含有大量的硫化氢和一氧化碳等气体，这些气体被吸入后同样也会引起中毒。并且硫化氢具有剧毒，吸入少量高浓度硫化氢可于短时间内致命，其浓度较低时带臭鸡蛋味，浓度较高时由于能麻痹嗅觉神经所以反而没有气味。

气体爆炸性：原油中的烷烃化合物和油层伴生气中的甲烷等气体都具有易燃易爆性，当原油蒸汽和油层伴生气体分子与空气中氧气混合后，在工作面遇高热能或明火时会直接燃烧甚至爆炸，当工作面煤尘含量较高时，其更容易引起煤尘爆炸。

气体刺激性：油气中的原油和油层伴生气都具有一定的刺激性，当油气与新鲜空气混合后会严重污染空气，工人吸入后会出现神志不清、头痛、恶心、四肢无力等症状。此外，煤壁渗油以及油层伴生气异常涌出都会恶化井下工作环境。

气体腐蚀性：油气中的原油和油层伴生气中的硫化氢都具有腐蚀性，对巷道煤壁架设的各种电缆和管路具有很严重的腐蚀危害，同样对井下各种电气设备及金属材料也有腐蚀危害。

2 油气危害的安全评价及防治措施

由于油气会给井下工人带来极大危害，并且会污染井下工作环境以及腐蚀井下设备，从而直接威胁到工作面安全高效产煤，因此对油气危害进行安全评价很有必要。

2.1 LEC安全评价方法概述

作业条件危险性评价法(LEC)[4-5]是一种简单易行的对具有潜在危险的作业条件进行危险性半定量评价的方法，其原理是将可能导致作业条件危险的因素按照特定指标量化，并根据实际情况对每个因素打分，最后通过函数关系对作业条件危险性进行安全评价。该方法对于存在较大不确定性危害的安全评价具有很好的适用性。

一般将影响作业条件危险性(D)的主要因素分为3个：事故或危险事件发生的可能性(L)、暴露于危险环境的频率(E)和发生事故或危险事件的可能结果(C)[6-7]。评价目标与影响因素之间的关系为

D=L·E·C

(1)

实际评价过程中，L、E和C的分值分别取自表1、表2和表3，风险值D的危险性等级参照表4进行划分。

表1 事故或危险事件发生的可能性(L)

表2 暴露于危险环境的概率(E)

表3 发生事故或危险事件的可能后果(C)

2.2 各因素分值的确定

事故或危险事件发生的可能性(L)取值：4-1煤层为油气共生煤层，工作面揭露石油井附近煤层时，人的因素、设备因素及自然因素均有可能引发油气危害，这虽然属于小概率事件，仍可能发生，所以取L=3。

表4 危险性等级划分

暴露于危险环境的概率(E)取值：工作面推进的过程中，井下工人在每天工作时间内频繁暴露于有可能发生油气危害的危险环境中，所以取E=6。

发生事故或危险事件的可能结果(C)取值：一旦发生工作面或巷道煤壁油气异常涌出危害时，巷道内有毒有害气体浓度会急剧升高，井下工作人员容易中毒，情形非常严重，并且如果疏散不及时，一旦油气起火，高燃烧温度和高辐射热量将对人员和设备造成极大危害，甚至有可能发生爆炸，造成人员伤亡，所以取C=15。

2.3 评价结果

根据式(1)，计算得出风险值D为270，其处于160～320之间，油气危害危险性等级属于“高度危险，需立即整改”的范畴。由此可见，废弃石油井内油气对煤层安全开采已构成重大安全生产事故隐患，必须立即采取措施对该高度危险环境进行整改。

2.4 油气危害防治措施

废弃石油井内的油气对煤层安全开采构成严重危害，必须将“预防为主，防治结合”作为工作的指导方针，从油气危害产生的根源以及管理等方面进行防治，具体防治措施如下：①对石油井进行地面治理，先通井，再封堵，从而将含油层内的油气彻底封堵住；②对石油井进行井下切割，切割套管和水泥柱时必须采用物理切割，严禁电焊切割，切割时持续洒水；③在开采前设置隔离带，无关人员不得随意进入工作区域；④加强油气检查，把油气控制在安全指标以内，试采工作面设专职检查人员，放炮前后、有油地段，定人、定位严格检查，并实行检查人员现场交接班制度；⑤加强通风管理，完善通风系统，尽量采取独立通风系统，风量随着工作面油气浓度变化随时调节；⑥工作人员必须佩戴正压式空气呼吸器并佩戴防腐手套；⑦工作人员应定期做健康检查，其检查年限和时间应根据岗位性质、油气浓度、劳动工时等因素来确定，对发现有因油气危害引发职业病症状的作业人员及时责令其进行医治，做到早发现早治疗；⑧加强事故的应急演练。

3 结论

(1)油气危害产生于废弃石油井，将煤层与含油层导通后，开采井周围煤层时工作面油气浓度严重超标。

(2)油气危害主要体现在油气有毒有害、易燃易爆、污染井下环境以及腐蚀井下设备4个方面。

(3)油气危害的作业条件危险性评价等级为2级，其高度危险，需立即整治，针对评价结果，提出了有效的油气危害防治措施。