废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢分布规律研究_胡全宏.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 在我国西北地区，存在有众多的资源叠加开采 矿区， 区域内赋存有大量的煤炭、 石油、 天然气等资 源。由于石油、 天然气等资源的早期开发， 使得煤矿 区存在众多的废弃石油井，油井中存在大量的水、 气、油等，给矿井的采掘带来重大的安全隐患。其 中， 瓦斯、 硫化氢是油气井田开采过程中存在的主要 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.034 废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢分布 规律研究 胡全宏 1， 彦 鹏 1， 2， 黄光利3， 4 （1．国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 双马煤矿， 宁夏 750408； 2．辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院， 辽宁 兴城 125100； 3．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 4．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 为了充分掌握废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢的分布规律， 通过理论分析和现场 考察， 得到了废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢的赋存状态、 原始分布以及采动涌出分布规 律。研究结果表明 油井套管破损或者油井本身为裸眼井时， 在气体压力 （浓度） 作用下， 石油储 层中的 H2S、 CH4等气体逐渐逸散至煤系地层， 并且吸附在煤层中； 煤体中的硫化氢主要以吸附 状态存在的， 并且只有在采动影响下才会大量释放； 废弃油井影响区域钻孔内硫化氢浓度分布 与采动硫化氢涌出浓度变化趋势一致， 越靠近废弃油井中心越高， 远离油井时逐渐降低； 煤层瓦 斯含量沿油井中心距离的分布总体呈现幂函数降低的趋势， 采动期间瓦斯涌出浓度分布与硫化 氢涌出浓度分布的变化趋势一致。 关键词 废弃油井； 瓦斯； 硫化氢； 赋存规律； 分布规律 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0147-05 Study on Distribution Law of Coal Seam Gas and Hydrogen Sulfide in Area Affected by Abandoned Oil Wells HU Quanhong1, YAN Peng1,2, HUANG Guangli3,4 （1.Shuangma Coal Mine, CHN Energy Ningxia Coal Industry Co., Ltd., Ningxia 750408, China；2.College of Safety Science and Engineering, Liaoning Technical University, Xingcheng 125100, China；3.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China；4.Chongqing Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400037, China） Abstract In order to fully grasp the characteristics and distribution of coal seam gas and hydrogen sulfide in the affected area of abandoned oil well, through theoretical analysis and field investigation, the occurrence state, original distribution and mining- induced emission rule of gas and hydrogen sulfide in coal seam in the affected area of abandoned oil well were obtained. The results show that, under the action of gas pressure（concentration） , when the casing is broken or the well itself is open hole, a large amount of hydrogen sulfide, methane and other gases in the oil reservoir will gradually escape to the coal-bearing strata and adsorb in coal seam. Hydrogen sulfide in coal mainly exists in the adsorption state, and only under the influence of mining will be released in large quantities. The concentration distribution of hydrogen sulfide in boreholes in the affected area of abandoned oil well was consistent with that of hydrogen sulfide gushing from mining and the closer to the center of the abandoned well, the higher it was, and the lower it was as it moved away from the well. The distribution of gas content in coal seam along the center distance of oil well shows a trend of power function decreasing and the concentration distribution of gas emission during mining is consistent with that of hydrogen sulfide emission. Key words abandoned well； gas； hydrogen sulfide； occurrence law； distribution law 基金项目中煤科工集团重庆研究院有限公司重点研发资助项目 （2019ZDXM10） ； 国家能源集团科技创新资助项目 （SHGF- 18- 87） 分析 探讨 147 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 1废弃油井井身结构示意图 图 2废弃油井与煤层位置关系 有毒有害气体，也是煤矿开采主要的有毒有害气 体。特别是硫化氢作为剧毒气体危害严重，全国各 地有 100 多个煤矿发生过 H2S 气体突然涌出现象， 并造成了严重的人员伤亡事故[1]。针对煤矿硫化氢 灾害的严重威胁，国内外开展了对煤层硫化氢吸附 特性、 成因及防治技术的相关研究[2-10]。这些研究为 煤矿硫化氢的治理提供了依据，但是对于资源叠加 开采矿区废弃油井影响区域瓦斯、硫化氢赋存特征 及分布规律的研究甚少， 仅有部分学者[11-13]对油井 封堵及煤层硫化氢治理进行了初步研究。对此， 针 对双马煤矿废弃油井影响范围内瓦斯、硫化氢赋存 及分布规律进行研究，从而为废弃油井影响区域采 煤工作面瓦斯、 硫化氢的高效治理提供理论依据。 1废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢赋存特征 1.1煤层瓦斯和硫化氢的成因 煤层瓦斯主要来源于煤层及煤系地层，受地质 构造作用影响。煤矿硫化氢异常区的形成一般分为 3 类[2,5] 生物化学成因； 热化学成因 （TDS、 TSR） ； 岩 浆成因。石油开采中， H2S 为主要的硫化物组分， 由 于原油多为烃类物质， H2S 在其中的溶解能力比较 强， 随着原油的开采， 地层中含有的 H2S 也会随着原 油从地层中涌出。双马煤矿井田煤层本身不含硫化 氢，废弃油井影响区域主要受废弃油井中瓦斯、 硫 化氢等气体影响。 双马煤矿井田范围内的油井有勘探井也有生产 井， 都为垂直井， 有套管的油井井身结构， 废弃油井 井身结构示意图如图 1。 矿井为煤层群开采矿井， 含 油层位于煤系地层以下，废弃油井与煤层位置关系 如图 2。根据油井的井身结构以及与煤层的位置关 系，由于石油储层中伴生有大量 H2S、 CH4等有毒有 害气体，导致废弃油井中一般存在有一定压力（浓 度） 的瓦斯和硫化氢等混合气体，由于油井套管破 损或者油井本身为裸眼井， 在气体压力 （浓度） 作用 下，石油储层中大量 H2S、 CH4等气体通过从油井壁 渗透至煤系地层， 并且吸附在煤层中。 根据相关文献[12]对废弃油井风险等级的分类 可知，影响废弃油井附近区域煤层硫化氢、甲烷等 气体富集的主要因素为含油地层与含煤地层的距离 和有无套管、套管破损情况及破损点位置等。一般 来说，油井套管无破损或破损点在含煤地层 100 m 以下时废弃油井内硫化氢、甲烷等气体不易逸散至 煤层中； 套管有破损并且在含煤地层以下 100 m 范 围内以及套管破损并且位于含煤地层中时对工作面 的采掘有不同程度的影响。 1.2煤层瓦斯和硫化氢的赋存状态分析 煤体为富含孔隙、 裂隙的多孔双重介质， 因此瓦 斯以游离状态和吸附状态 2 种形式赋存于煤体中， 主要以吸附为主且处于动态平衡状态。对于煤层硫 化氢的赋存状态， 相关学者开展了煤对 CO2、 CH4、 N2 的吸附实验，结果表明被吸附物质的吸附能力随气 体沸点的增高而增大[2-3]。由于 H2S 气体的最低沸点 为-60.33 ℃， 高于 CO2、 CH4、 N2等气体， 相比上述气 体煤对 H2S 具有更强的吸附能力。 同时， 由于硫化氢 的极化率 3.6410-30m3大于甲烷气体极化率 2.60 10-30m3， 相比甲烷气体煤对硫化氢气体的吸附能力 更强[1-3]。 根据双马煤矿 I0104105 工作面掘进和回采期 间对马探 31 废弃油井影响区域硫化氢涌出浓度衰 减规律的实测结果，在采动扰动时煤层硫化氢涌出 逸散特别快， 但停止割煤时涌出硫化氢快速减小， 并 很快衰减直至检测不到硫化氢。因此进一步证明煤 体中的硫化氢主要以吸附状态存在，并且在没有相 当能量的外因作用下，煤体中吸附状态的硫化氢是 难以释放出来[10]。 此外， 研究表明还有一部分硫化氢 气体在煤体中处于游离状态，由于硫化氢气体易溶 148 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 3工作面采动硫化氢涌出衰减规律 图 4气体浓度测试钻孔布置示意图 图 5钻孔气体浓度分布规律 图 6煤层可解吸瓦斯含量沿径向的分布规律 于水， 硫化氢也以溶于水的状态赋存， 形成硫酸或亚 硫酸等。工作面采动硫化氢涌出衰减规律如图 3。 2废弃油井影响区域煤层瓦斯和硫化氢分布规律 2.1钻孔瓦斯和硫化氢气体浓度分布规律 为了得到废弃油井影响区域煤层瓦斯、硫化氢 的分布规律，鉴于目前煤层硫化氢含量测试技术及 装备的限制，通过测定废弃油井影响区域煤层钻孔 内瓦斯、 硫化氢气体浓度， 可以间接反映瓦斯、 硫化 氢分布规律。以马探 31 废弃油井为例， 该油井中心 点距 I0104105 工作面回风巷 80 m（垂距） 、运输巷 203 m （垂距） ， 设计以马探 31 废弃油井为中心， 在 I0104105 工作面回风巷沿走向前后 100～150 m 范围 内施工 26 个钻孔，钻孔施工完成后立即进行封堵， 待孔内气体逸散平衡后再进行现场取样测试和地面 气样分析。气体浓度测试钻孔布置示意图如图 4。 根据测试结果， 以马探 31 废弃油井为中心， 得到 了 I0104105 工作面回风巷各钻孔瓦斯、 硫化氢气体浓 度沿工作面走向的分布规律， 钻孔气体浓度分布规律 如图 5。根据图 5 可以得出 以废弃油井为中心， 沿 走向方向越靠近废弃油井中心， 钻孔内瓦斯、 硫化氢 浓度越高， 靠近油井中心点硫化氢气体浓度最大。 2.2煤层瓦斯含量测定及分布规律 在废弃油井影响区域， 由于油井中的瓦斯、 硫化 氢等气体经过较长时期逐渐逸散至煤层中，一般来 说在废弃油井影响区域内煤层瓦斯含量应该比影响 区域外要大。通过测定废弃油井影响区域煤层原始 瓦斯含量， 可以得出瓦斯含量的分布规律， 还能间接 反映废弃油井对煤层硫化氢分布的影响。 2.2.1煤层瓦斯含量测定结果 通过在 I0104105 工作面马探 31 废弃油井影响 区域施工取样测试钻孔（主要利用图 4 气体浓度测 试钻孔进行取样） ，每钻进 20 m 进行 1 次取样， 对 4-1 煤层原始瓦斯含量进行直接测定。根据测定数 据得出， 马探 31 废弃油井影响区域煤层可解吸瓦斯 含量沿径向的分布规律如图 6。 根据测定结果， 马探 31 废弃油井影响区域 4-1 煤层最大可解吸瓦斯含量为 1.28 m3/t。根据图 6 可 知，距废弃油井距离越近，煤层可解吸瓦斯含量越 高，废弃油井影响区域煤层瓦斯含量沿油井中心距 离的分布总体呈现幂函数降低的趋势。通过数据拟 距离废弃油井中心走向距离 /m 149 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 7过马探 31 油井期间瓦斯和硫化氢涌出变化趋势 合得到煤层可解吸瓦斯含量分布模型为 y-0.283lnx2.029 3， R20.815 4 式中 y 为 4-1 煤层可解吸瓦斯含量， m3/t， x 为 距离废弃油井中心的径向距离， m。 2.2.2煤层瓦斯含量测定结果对比分析 为验证废弃油井对煤层瓦斯含量的影响，通过 在 I0104106 工作面回风巷 05B4 钻场向南 100、 150、 200 m 处施工 3 个钻孔（距马探 31 废弃油井距离 300 m 以上） ，钻孔深度 80 m，分别在 40、 60、 80 m 深度采取煤样进行煤层瓦斯含量的直接测试，得出 废弃油井影响范围外 4-1 煤层可解吸瓦斯含量最 大值为 0.72 m3/t （平均值 0.64 m3/t） 。 因此，废弃油井影响区域煤层可解吸瓦斯含量 要一般要大于废弃油井影响区域外煤层可解吸瓦斯 含量。但是， 由于双马煤矿 4-1 煤层瓦斯含量本身 较小，在充分考虑不同开采区域煤层瓦斯含量分布 的差异性以及减小误差基础上，废弃油井对煤层瓦 斯含量有一定影响， 但影响程度相对较小。 3煤层采动瓦斯和硫化氢涌出分布规律 以 I0104105 工作面马探 31 废弃油井为例， 研究 考察了该工作面回采通过废弃油井影响区域期间瓦 斯、 硫化氢的涌出分布规律。 I0104105 工作面马探 31 废弃油井距工作面切眼 375 m，废弃油井影响区域 钻孔测定硫化氢浓度最大达到 0.012， 可解吸瓦斯含 量最大值为 1.28 m3/t。回采初期配风量 1 260 m3/min 左右，之后回风瓦斯浓度升高后配风量调整至 1 800 ～2 300 m3/min。根据气体涌出数据统计， 过马探 31 油井期间瓦斯和硫化氢涌出变化趋势如图 7。 根据现场数据和图 7 可知工作面在推进至废 弃石油井位置前，瓦斯浓度呈上升趋势，随着工作 面推进远离废弃油井时，瓦斯浓度呈下降趋势。受 废弃油井影响，工作面上隅角存在瓦斯异常涌出， 并且在靠近油井中心之前便达到最大值，工作面、 回风瓦斯浓度在经过油井中心前后区域均存在增大 的趋势。由于马探 31 废弃石油井为裸眼井、无套 管，且未提前进行地面封堵，油气地层的瓦斯通过 裂隙侵入到煤系地层，且吸附在煤岩层中，煤岩层 中的瓦斯受采动影响， 瓦斯大量逸散至采动空间。 另外，工作面从开始回采至推过油井 150 m 期 间，工作面倾向硫化氢涌出浓度均比较大，倾向平 均涌出浓度在 4010-6～12010-6之间。在工作面开 始回采时煤层受采动影响硫化氢便大量涌出，之后 硫化氢涌出浓度保持较高浓度值呈现波动变化， 在 油井封堵完成直至工作面远离油井以后，硫化氢涌 出浓度逐渐下降。 4结论 1） 根据油井的井身结构以及与煤层的位置关 系，双马煤矿采煤工作面废弃油井影响区域硫化氢 来源主要受废弃石油井影响，油井套管有破损并且 在含煤地层以下 100 m 范围内以及套管破损并且 位于含煤地层中时对工作面影响较大。 2） 废弃油井影响区域煤体中的硫化氢主要以吸 附状态存在，石油储层中含有一定压力（浓度） 的 H2S、 CH4等气体，经过较长时期逐渐逸散至煤系地 层， 并且吸附在煤层中， 在采动作用影响下大量解吸 释放。 3） 废弃油井影响区域钻孔硫化氢浓度的分布以 废弃油井为中心， 越靠近油井浓度越高， 远离油井时 逐渐降低；煤层可解吸瓦斯含量沿油井中心径向分 布总体呈现幂函数降低的趋势。 4） 废弃油井影响区域煤层采动瓦斯、 硫化氢涌 出浓度分布及变化趋势大体与煤层瓦斯含量分布、 150 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 钻孔硫化氢浓度分布及变化趋势一致，硫化氢涌出 对工作面影响较大。由于煤层硫化氢赋存状态的特 殊性，仅通过通风稀释不能解决涌出治理问题， 可 采取采前煤层注吸收液以及采动期间喷雾吸收等主 被动治理方法。 参考文献 ［1］ 刘奎．综掘工作面硫化氢分布规律及泡沫治理技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （2） 71－75． ［2］ 路露．不同煤级煤对 H2S 的吸附性实验研究 ［D］ ．徐 州 中国矿业大学， 2014． ［3］ 薛景战， 傅雪海， 范春杰， 等．不同煤级煤对 H2S 气体 的吸附差异及吸附模型 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2016， 44 （6） 75－78． ［4］ 苗永春， 付玉凯．煤矿硫化氢赋存机理及综合治理方 法研究 ［J］ ．煤炭技术， 2015， 34 （3） 227－230． ［5］ 傅雪海， 何也， 刘小辉， 等．乌鲁木齐西山井田原位煤 层瓦斯中 H2S 含量的影响因素及成因分析 ［J］ ．中国 煤炭地质， 2015， 27 （1） 28－30． ［6］ 马忠辉．新疆部分煤矿硫化氢赋存机理危害治理研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （S2） 133． ［7］ 姚亚虎， 黄中峰， 刘军．急倾斜特厚煤层硫化氢涌出规 律及控制技术研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （1） 56. ［8］ 孟庆安．煤层注碱治理硫化氢工艺参数研究 ［J］ ．煤矿 安全， 2017， 48 （11） 17－20． ［9］ 蒋新军．急倾斜厚煤层采动时硫化氢涌出运移特征研 究 ［J］ ．煤炭科学技术， 2017， 45 （S1） 139－142． ［10］ 王坤．乌东煤矿北区硫化氢防治技术研究 ［J］ ．中州煤 炭， 2015 （11） 49－51． ［11］ 靳华， 马兴华， 张刚， 等．废弃石油井对煤矿采掘活动 的危害及治理技术研究 ［J］ ．神华科技， 2018， 16 （5） 26－30． ［12］ 马智， 张刚， 马兴华， 等．煤矿井田内废弃油井风险分 类及治理方案的选择 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2018， 46 （S1） 97－99． ［13］ 周东， 周学军．双马煤矿 H2S 气体来源初步分析及防 治技术 ［J］ ．神华科技， 2017， 15 （9） 25－28． 作者简介 胡全宏 （1974） ， 男， 内蒙古赤峰人， 高级工 程师， 本科， 1998 年毕业于辽宁工程技术大学， 现任国家能 源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿矿长，主要从事煤 矿安全管理工作。 （收稿日期 2019-06-14； 责任编辑 王福厚） 形成机理及防控技术 ［J］ ．煤炭科学技术， 2018， 46 （8） 107－113． ［6］ 王海文， 张有前， 李崇茂， 等．厚煤层综放工作面综合 防灭火技术 ［J］ ．煤矿安全， 2013， 44 （10） 85－87． ［7］ 张渊， 雷世军．近距离易自燃煤层群开采防灭火技术 ［J］ ．矿业安全与环保， 2017， 44 （5） 86－89． ［8］ 苏志伟， 张立辉， 秦清河， 等．补连塔煤矿井上下联合 注浆防灭火技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （S1） 27－29． ［9］ 吴玉海．近距离自燃煤层回撤工作面防灭火技术研究 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （8） 134－137． ［10］ 崔杰．易自燃煤层工作面末采回撤期间防灭火技术 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （6） 54－61． 作者简介 王伟东 （1988） ， 男， 山东莱西人， 助理研究 员， 硕士， 主要从事煤矿安全研究工作。 （收稿日期 2018-12-06； 责任编辑 陈洋） （上接第 146 页） 151 ChaoXing