井下废弃油井影响区域硫化氢来源及治理技术研究
马兴华 陶恩生1黄光利2,3彦鹏
（1．神华宁夏煤业集团有限责任公司双马煤矿，宁夏灵武750408;2．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037;3．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）
摘要 双马井田处于石油、煤炭资源叠加开采区域，井田范围内存在众多废弃石油井，油井内硫化氢等有毒有害气体逐渐渗透至煤层，给工作面安全开采带来严重威胁。针对双马煤矿井下废弃油井影响区域煤层硫化氢治理问题，在对工作面硫化氢来源及成因分析基础上，根据对废弃油井的风险等级分类，提出了废弃油井影响区域煤层硫化氢的分级治理模式，初步建立了采煤工作面硫化氢综合治理技术体系。I0104105工作面过马探31废弃油井期间，通过采取“堵、注、喷、增、降、监、护、撤”八字综合防治方针，实现对硫化氢的有效治理和管控，保障了工作面安全生产。
关键词 废弃油井 采煤工作面 硫化氢 来源分析 分级治理
硫化氢是油气田开采过程中的主要有毒有害气体，也是煤矿开采中的主要有毒有害气体。硫化氢具有剧毒性，其危害性比较大，初步统计我国有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。双马井田与中石油“陕宁蒙鄂尔多斯盆地胡尖山油气勘查”区块重叠，井田范围内存在众多废弃石油井，其中封堵不良废弃油井内积聚的硫化氢等有毒气体通过煤岩裂隙逐渐渗透到煤岩层中，在采动影响下大量逸散至采掘空间，给工作面开采及人员健康带来重大安全隐患。为有效防治煤矿硫化氢灾害，国内外对煤矿硫化氢的成因、涌出规律及控制技术进行了研究，但是对于资源叠加开采矿区井下废弃油井影响区域采掘工作面硫化氢治理的案例较少。鉴于此，针对井下采煤工作面受废弃油井影响区域硫化氢的来源及防治进行了初步研究，对于确保矿井安全生产和职工健康具有重要的意义。
1矿井及工作面概况
双马煤矿位于宁夏回族自治区灵武市东南约60 km处，行政区划分属灵武市和吴忠市盐池县管辖，是宁东煤田马家滩矿区新建的三个矿井之一。井田内含煤地层为侏罗纪中统延安组，为一套内陆盆地边缘相含煤建造。井田共含煤层近30层，主要可采煤层为3-2、4-1、4-2、4-3、6、10、12、17煤层，其他为不可采或局部可采煤层。井田煤层属于相对稳定煤层。井田范围内前期共排查出废弃石油井170口，影响到矿井近10年开采的区域（I01—I02采区）内共有12口废弃石油井。
I0104105工作面设计走向长度2961 m，切眼长度平均283 m，可采储量355.7万t，煤层平均厚度3.85 m，倾角7°，煤质属弱沥青不黏煤，低水分、高挥发分、中高硫，内生裂隙不发育，煤层普氏硬度（f）1.6～2.5。顶底板以沙质泥岩为主。I0104105工作面内有2口废弃石油井，位置关系如图1所示。根据预测，工作面在过马探31、马探30废弃油井期间预计硫化氢涌出浓度将会超过50 ppm。
图1 I0104105工作面废弃油井位置关系图
2工作面硫化氢来源及成因分析
2.1硫化氢来源分析
为了分析硫化氢的来源，通过在马探31废弃油井中心前后100～150 m范围内施工取样测试钻孔，对废弃油井影响区域钻孔气体成分进行了检测。根据测试结果，钻孔内气体成分主要含CH4、H2S、C2H6、CO等，与石油气的主要成分（CH4、C2H6、CO、H2S）相吻合，同时在废弃油井影响区域外施工钻孔进行气体采样分析，钻孔测定气体成分主要为CH4气体，未检测出H2S等气体。根据现场检测结果得出，煤层内的硫化氢来源于废弃油井。
2.2硫化氢成因分析
根据对双马煤矿地质条件分析，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硫化氢气体侵入影响。国内外学者通过大量研究将油气井硫化氢的形成机理主要归纳为硫酸盐生物还原（BSR）成因、硫酸盐热化学还原（TSR）成因、含硫化合物热裂解（TDS）成因。石油开采中已知的硫化物主要包括硫化氢（H2S）、硫元素S、硫醇（RSH）、硫醚（R-S-R）、二硫化物（RSSR）及残余硫等，其中H2S为主要的硫化物组分，其他硫化物在一定条件下也可能转化为硫化氢。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。
2.3硫化氢逸散机理
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。矿井为煤层群开采矿井，废弃油井与煤层位置关系如图2所示。
图2废弃油井及煤层的剖面位置关系
双马井田开采油层层位属于三叠系地层，处于矿井最下一层可采煤层以下（18-2煤层、埋深520 m左右），它对油井周围区域煤层的影响主要取决于油井的破坏形式。根据油井与煤层的位置关系，由于油井套管破损或者油井本身为裸眼井，在一定气体压力（浓度）作用下，废弃油井中大量H2S、甲烷等气体通过从油井壁渗透至煤系地层。研究表明，煤体中的硫化氢主要处于吸附状态，同时易溶于水，受采动扰动时煤层硫化氢涌出逸散特别快，因此硫化氢治理难度较大。
3工作面硫化氢气体浓度测定
为掌握废弃油井影响区域硫化氢气体浓度，在马探31废弃油井沿走向250 m范围内共施工钻孔47个，其中回风巷施工26个钻孔，运输巷施工21个钻孔，对钻孔内气体成分进行了测定，钻孔布置如图3所示。测定结果分类统计见表1所示。
图3马探31废弃油井硫化氢浓度测试钻孔布置图
表1马探31废弃油井钻孔硫化氢浓度测定统计表
根据表1统计结果可知，马探31废弃油井影响区域煤层钻孔硫化氢浓度均比较大，大部分钻孔浓度在1000 ×10-6以上，最大值高达12000 ×10-6。从钻孔硫化氢浓度测定结果可以判断，马探31废弃油井影响区域硫化氢对工作面回采影响是比较大的。
4工作面硫化氢综合治理技术
4.1硫化氢分级治理模式的建立
根据前述对硫化氢逸散机理的分析可知，并不是所有的废弃油井对工作面的开采影响都比较大。因此，结合文献对双马煤矿井田内废弃油井的风险等级评价和归类，提出了硫化氢气体的分级治理模式，具体如下：
（1）一类油井：通井压力为0，硫化氢涌出浓度小于6.6 ppm。此类油井处于安全状态，对工作面正常采掘影响不大，主要采取地面封堵+正常通风技术措施。
（2）二类油井：通井压力一般低于5 MPa，硫化氢涌出浓度在6.6～176 ppm范围内。此类油井防治硫化氢气体超标，需要采取地面封堵+煤体喷洒吸收液，采煤机、回风巷中高压喷雾等常规性的井下硫化氢治理措施。
（3）三类油井：通井压力一般大于7 MPa，硫化氢涌出浓度大于176 ppm。此类油井属于对煤矿采掘影响较大的油井，这类废弃油井必须采取地面封堵+井下预注碱性吸收液，采煤机、回风巷中高压喷雾，硫化氢卸压抽采等综合治理技术措施。
4.2硫化氢综合治理技术
根据双马煤矿废弃油井的分级治理模式，I0104105工作面马探31废弃油井安全风险等级按照三级进行管理，工作面过废弃油井期间主要采取“堵、注、喷、增、降、监、护、撤”八字综合防治措施。具体如下：
4.2.1堵——地面封堵油井，切断气体来源
对马探31废弃石油井提前进行封堵，封孔深度在18-2煤以下，有效隔绝各煤层与其他含水层、含油地层的连通，切断硫化氢等有害气体来源。
4.2.2注——采前及采中煤层注碱性吸收液
在废弃油井中心前后100～150 m内采用双巷布孔，采用煤层注吸收液治理措施，主动式吸收煤体中的H2S。同时，在工作面回采过程中，利用检修班时间，在回采工作面中部（注水未湿润区域）施工浅孔注吸收液治理H2S工艺技术措施，有效降低回采期间涌出的H2S浓度。根据现场试验，吸收液浓度2%左右效果最好。
4.2.3喷——中高压喷雾喷洒吸收液
一方面，通过在采煤机机身加装2台高压外喷雾装置，割煤期间利用外喷雾装置向上下滚筒喷洒硫化氢吸收液，在滚筒割煤区域形成H2S吸收液水雾包围圈，从采煤机割煤产生H2S源头处吸收H2S。另一方面，对于随风流仍然向外扩散的H2S，利用布置在支架上的自动跟踪喷雾系统喷洒吸收液水雾，对H2S进行拦截捕获，达到有效治理采煤机割煤涌出H2S危害目的。此外，通过在回风巷距煤壁线30 m范围布置两道高压喷雾，对扩散至回风巷H2S进行拦截捕获。根据现场测试，综合考虑H2S降低效率及使用成本，喷雾压力设置为6～8 MPa，喷洒的吸收液添加浓度为1%左右效果较好。
4.2.4增——增加工作面风量，稀释硫化氢气体
在满足防灭火的条件下，合理加大工作面配风量，有效稀释硫化氢气体浓度，保证综采工作面风量满足瓦斯治理的需要。I0104105工作面回采初期配风量为1260 m3/min左右，之后回风硫化氢气体浓度升高后配风量调整至1800～2300 m3/min。
4.2.5降——降低开采强度，控制割煤速度
割煤期间硫化氢超过6.6 ppm时，必须降低割煤速度，以保证硫化氢气体不超限。割煤机速度一般保持在3 m/min，最大不超过5 m/min。
4.2.6监——加强气体监测和人工检测
在综采工作面、上隅角、回风流分别安装1台硫化氢传感器，实现24小时实时监测监控；同时跟班队长、班组长、电工、采煤机司机必须携带便携式甲烷、硫化氢报警仪。
4.2.7护——加强个体防护
在工作面所有作业人员，必须佩戴完好的隔离式自救器、防毒口罩、防毒面具等防护设备，在割煤期间必须全程佩戴全面罩防毒面具。
4.2.8撤——异常情况及时撤人
工作面上端头严格执行“割煤不作业，作业不割煤”和“割煤不行车不行人，行车行人不割煤”，并在撤人路线设置压风自救和自救器接力站。发现硫化氢有异常涌出时，及时撤出相关人员。
4.3硫化氢综合治理效果分析
I0104105工作面过马探31废弃油井期间，风险等级按照三级进行管理。通过地面封堵，从源头上切断了硫化氢气体供给通道；采取采前煤层预注碱性吸收液技术措施以后硫化氢的降低效率达到50%左右；采取中高压喷雾拦截捕捉H2S技术措施以后，割煤机附近硫化氢降低效率达到55%左右，工作面回风流硫化氢降低效率达到60%左右。通过采取上述综合治理技术措施，工作面硫化氢涌出得到了较好的控制。马探31油井于2017年11月14日进行地面封堵，2017年11月22日井下安全揭露油井。
5结论
（1）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硫化氢气体侵入影响，油井内气体在一定气体压力（浓度）作用下向煤层逸散，并且取决于油井的破坏形式。
（2）根据对双马煤矿井田内废弃油井的风险等级评价和归类，提出了双马煤矿废弃油井影响区硫化氢气体的分级治理模式。
（3）I0104105工作面过马探31废弃油井期间按照三级进行管理，通过采取地面提前封堵以及支架、采煤机、回风巷高压喷雾喷洒吸收液、增大工作面通风量、降低采煤机截割速度等主动防控措施，有效降低了回风流中硫化氢气体浓度，将回风流硫化氢浓度控制在安全浓度6.6 ppm以内，确保了矿井安全生产。
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作者简介
马兴华，出生于1973年，宁夏中宁人，高级工程师，1996年毕业于西安矿业学院，现任国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿总工程师，主要从事煤矿技术管理工作。
陶恩生，出生于1982年，本科，工程师，现主要在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿从事矿井一通三防技术管理工作。
黄光利，出生于1986年，四川宜宾人，助理研究员，2014年毕业于重庆大学，国家注册安全工程师，现主要从事煤矿瓦斯灾害防治理论研究及煤矿现场专业化技术服务研究工作。
彦 鹏，出生于1987年，宁夏西吉人，硕士研究生，工程师，毕业于辽宁工程技术大学安全工程专业，现在国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿从事矿井一通三防管理工作。