废弃油井影响范围内治理瓦斯和硫化氢的探索

2023-11-25王晓琪

山西焦煤科技 2023年9期

彦鹏,王晓琪

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿, 宁夏灵武 750408;2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院, 辽宁兴城 125105)

在我国一些矿区,尤其是西北地区,存在着煤炭、石油、天然气等资源共存的现象。由于石油、天然气等资源的早期开发,资源重叠区域中存在相当多的废弃油气井,这些废弃油气井给煤矿区的开采设计带来了较大困难,不仅造成资源浪费,而且在煤炭开采过程中,存在水、气、油等涌入工作面的重大安全隐患,严重制约着煤矿的安全高效生产。

随着煤炭资源的开采,废弃油井影响区域瓦斯、硫化氢等有毒有害气体的防治已经成为煤矿灾害治理的又一重大难题。王金国等[1]通过煤矿井田内废弃油井治理的探索与实践研究,提出禾草沟煤矿采区范围内废弃油气井的地面治理方法;马智等[2-3]提出废弃油井风险分类及治理方案,针对废弃油井的封堵提出立体封堵技术方案;靳华等[4-5]针对废弃石油井对煤矿采掘活动的危害及现场初步的治理技术提出研究方案;胡全宏等[6-8]针对废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢分布规律、来源分析和治理技术等研究,提出适用现场治理技术措施;索永录等[9-10]针对废弃石油井周围煤层中油层气扩散—渗流规律进行研究,得出煤层气随压力、时间与扩散半径的规律,有效指导现场划定废弃石油井内有毒有害气体影响范围。以上研究为矿区资源重叠区域废弃油井影响范围内瓦斯和硫化氢等有毒有害气体的高效治理提供了示范。但是具体矿井地质条件不同,在废弃油井影响范围内治理瓦斯和硫化氢仍需要展开研究。

1 马探23废弃油井地面封堵情况

1.1 马探23废弃油井概况

马探23废弃油井位于宁夏盐池冯记沟乡岔岱村,处于双马煤矿I0104106工作面内,距离该工作面切眼956 m,距离工作面回风巷154 m,距离运输巷127 m,距离马探29废弃油井905 m. 马探23废弃油井揭露地层情况见表1.

表1 马探23废弃油井揭露地层情况表

1.2 马探23废弃油井地面封堵方案

马探23油井为有套管油井(有资料),经调查发现该油井有偷采情况,所以认定为无封堵水泥,归为II类油井,油井中可能含有水、油、气,可能在揭露时涌出,导致人员伤害。

根据该废弃油井治理方案,先进行井上地面封堵治理再进行井下处理,因为油井正在偷采,所以油井封堵前不需要透井。马探23废弃油井地面封堵治理参数见表2.

表2 马探23废弃油井地面封堵治理参数表

1.3 马探23废弃油井地面封堵情况

马探23废弃油井地面有抽采设备,2019年3月18日开始进行地面封堵工程,并严格按照地面封堵程序进行。3月20日,进行洗井作业,确定井内无油管及其他异物,在井口向下600 m处施工人工井底,候凝24 h后,对井底进行了耐压试验。3月24日,地面封堵治理工作完毕,施工设备进行搬迁,施工地面封堵标示牌、恢复植被。废弃油井井深结构示意图见图1.

2 瓦斯和硫化氢超前探测及分布规律

为了掌握23废弃油井影响区域气体原始浓度分布规律,利用在该废弃油井影响区域施工的注硫化氢吸收液钻孔进行了气体成分测定。该废弃油井距离I0104106综采工作面切眼956 m,其中油井前后200 m范围内,在I0104106回风巷、运输巷分别设计施工41个钻孔,实际初期在I0104106回风巷施工30个钻孔(F14～F44),后期补充施工完成10个钻孔。I0104106工作面该废弃油井影响区域硫化氢浓度测试钻孔布置见图2.

图2 硫化氢浓度测试钻孔布置图

I0104106工作面马探23废弃油井影响区域注碱性吸收液钻孔施工期间,在油井地面封堵前后通过取样分析对钻孔内气体成分进行了测试(主要分析成分:CH4、CO2、H2S、CO、O2等)。根据测定结果统计,初期在该废弃油井影响区域沿I0104106工作面走向在回风巷共施工钻孔27个,测定钻孔内硫化氢浓度最高为2600×10-6(F38钻孔,距废弃油井中心170 m),另外F35钻孔(距废弃油井中心140 m)硫化氢浓度为2400×10-6,其他钻孔硫化氢浓度均在1000×10-6以下。预注碱性吸收液钻孔施工完成后再次测定,F38钻孔实测硫化氢浓度1300×10-6,F35钻孔实测硫化氢浓度68×10-6,其他钻孔除F26(191×10-6)、F30(124×10-6)以外硫化氢浓度均在100×10-6以下(约2/3钻孔硫化氢浓度在10×10-6以下)。马探23废弃油井影响域内钻孔硫化氢浓度测定结果分类统计见表3,表4.

表3 钻孔初期硫化氢浓度分类统计表

表4 钻孔后期硫化氢浓度分类统计表

为进一步分析废弃油井影响范围内瓦斯、硫化氢气体浓度的分布规律,以马探23废弃油井中心为基准,I0104106工作面马探23废弃油井地面钻孔封堵前后钻孔甲烷、硫化氢浓度分布规律见图3—6. 由图3—6可知:

图5 后期钻孔硫化氢浓度分布规律图

1) 由于煤层瓦斯含量较小,钻孔测定甲烷浓度均比较小,大部分钻孔无甲烷。

2) 马探23废弃油井地面封堵前测定硫化氢浓度相对较高,地面封堵后钻孔测定硫化氢浓度均比较小(与钻孔瓦斯浓度分布规律一致),并且在远离废弃油井130～200 m局部区域有增大的趋势,其分布具有不均衡性特征。

3 马探23废弃油井影响区域瓦斯和硫化氢治理

根据废弃油井地面封堵及井下揭露情况,马探23废弃油井有双层套管并且套管完好。但该废弃油井影响区域的瓦斯含量和硫化氢气体浓度测定结果显示,废弃油井对采煤工作面的安全影响较大。

1) 瓦斯治理效果。

通过增加风量稀释瓦斯,并且利用预注碱性吸收液钻孔进行瓦斯超前排放,I0104106工作面回采过马探23废弃油井期间瓦斯治理效果较好。工作面进入废弃油井影响区域后,初期风量增大至1900～2100 m3/min,工作面、上隅角、回风瓦斯浓度基本保持在0.1%～0.2%,最大为0.25%;在工作面距马探23废弃油井中心位置200 m以后直至揭露油井期间,工作面风量增加至2600～2700 m3/min,工作面、回风流瓦斯浓度下降较为明显,基本控制在0.1%以下,上隅角瓦斯浓度在局部区域有所增大,最大达到0.68%,但是在接近油井中心位置时逐渐下降至0.2%以下。I0104106工作面过马探23废弃油井期间工作面、上隅角、回风瓦斯涌出变化规律见图7.

图7 废弃油井影响区域瓦斯涌出变化规律图

2) 硫化氢涌出治理效果。

根据现场考察,I0104106工作面马探23废弃油井影响区域硫化氢治理采取地面封堵治理为主、井下治理为辅综合防治措施,取得了较好的效果。

通过持续开展煤层注碱性吸收液工业性试验,累计向马探23废弃油井超前钻孔控制区域注碱性吸收液50.7 t,有效降低了采动硫化氢涌出浓度。根据现场考察,采取预注碱性吸收液后,工作面倾向20#—110#支架有大量淋水,煤体湿润效果较好,该区域采煤机割煤期间硫化氢涌出浓度明显下降。

I0104106工作面回采期间,采取采煤机中高压喷雾、架间喷雾以及回风巷中高压喷雾等措施,喷雾系统雾化效果较好,有效降低了采动硫化氢浓度。I0104106工作面距马探23废弃油井不同距离下工作面瓦斯和硫化氢绝对涌出量的变化规律见图8.

图8 I0104106工作面瓦斯和硫化氢涌出量变化规律图

根据图8分析可知,I0104106工作面在马探23废弃油井影响区域,从距马探23废弃油井500 m至揭露油井范围内,瓦斯和硫化氢涌出量变化总体上呈现先增大后减小的趋势。I0104106工作面瓦斯和硫化氢涌出量在距废弃油井150～380 m较大,瓦斯涌出量最大达到5.08 m3/min(距废弃油井173.4 m位置),硫化氢涌出量最大达到0.5×10-6m3/min(距废弃油井167.5 m位置)。在距马探23废弃油井150 m至揭露油井期间,瓦斯涌出量特别小,硫化氢涌出量则呈逐渐下降的趋势。

根据废弃油井影响区域瓦斯和硫化氢超前探测钻孔实测结果可知,在远离废弃油井130～200 m钻孔瓦斯和硫化氢浓度局部区域有增大的趋势,钻孔测定瓦斯浓度在距废弃油井180 m位置最大,钻孔测定硫化氢浓度在距废弃油井170 m位置最大,这与图8所示瓦斯和硫化氢涌出量最大值的位置完全吻合。