煤矿开采区域内废弃油井立体封堵技术的应用_马智.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY three dimensional plugging; overlap of coal and oil; application 煤炭资源是宁夏回族自治区重要的优势资源， 在当地国民经济发展中具有重要的战略地位。 宁夏 回族自治区十分重视煤炭资源的勘探、开发和利 用。双马煤矿位于煤炭与石油天然气重叠区内，目 前在双马煤矿井田范围内存在大量的废弃油井， 这 些废弃油井严重影响着矿井的生产布局与安全高 效开采生产。国内外煤油资源共存矿区较少，关于 废弃油井引起的灾害及治理措施研究较少。 为降低 双马煤矿开采中由于废弃油井引起发的灾害威胁， 神华宁夏煤业集团组织相关技术人员对井田内的 废弃油井分布情况进行全面排查， 到中石油长庆油 田分公司收集井田内废弃油井资料， 不断向石油系 统相关专家学习和请教， 并查阅大量国内外相关文 献资料， 经过不断探索和实践总结出一套专门治理 废弃油井的技术。 1废弃油井对煤矿开采的影响及治理的必要性 1.1废弃油井对煤矿开采的影响 1.1.1采油井伴生有害气体对采掘生产的影响 由于石油储层中伴生有大量 H2S、甲烷等气体， 在煤矿采掘过程中，一旦将石油井套管破坏，套管中 及油储层中的积聚的大量气体会突然逸散于煤矿采掘 工作面中对施工人员造成伤害。一般情况下，采出 1 t 油会产生 24 m3气体。 1.1.2天然气井对矿井采掘生产的影响 天然气的储藏特征不同于煤层气，多为大量的游 离气体储藏在岩石孔隙及裂隙中[1]。由于埋藏较深， 往往有很高的储藏压力。正常的天然气井套压在 2427 MPa，最高可达 50 MPa。在煤矿采掘过程中， 采掘机械一旦将天然气井套管破坏，瞬间可造成大量 天然气弥漫整个工作面，造成不可估量的危害。 1.1.3采油注水井对矿井采掘生产的影响 一些油井在开采过程中，由于储层原因需要注水 增产。就是在采油井周边打一些注水钻孔，通过高压 ChaoXing 94煤田地质与勘探第 46 卷 注水使储层裂隙增大，储层的渗透性增强，驱动稠油 从开采井中抽出[2]。由于是高压注水，造成储层压力 增高，含水性增强。煤矿采掘过程中一旦接近这类区 域，会造成突水危险[3-4]。 1.2治理废弃油井的必要性 由于双马煤矿开采区域内的废弃油井均为中石 油长庆油田分公司二十世纪五六十年代所施工， 由于 时间久远， 石油井资料严重缺乏， 废弃油井井内气体 含量、气体压力、孔斜、封井、完井等情况不详。 如果采用留设油井隔离煤柱方法，肯定会造成 煤炭资源的浪费和工作面设计难度增大，巷道布置 复杂，掘进巷道长度增加，工作面搬家次数增加， 导致吨煤成本增大。如果采用直接揭露废弃油井方 法，可能导通强含水层、含油层、含气层等从而导 致水害、有害气体超标、废弃油井井涌或井喷等安 全事故的发生。 从经济、安全和资源节约上综合考虑，采用废 弃油井立体封堵技术可以减少煤炭资源的浪费，同 时可以避免各类安全事故的发生。 2废弃油井立体封堵方法 为确保废弃油井影响范围内煤炭资源的安全开 采，对影响开采的废弃油井进行立体式封堵，其具 体封堵步骤及方法如图 1 所示。 图 1废弃油井施工工艺流程图 Fig.1Process Flow of abandoned oil well construction 2.1地面封堵治理 所有废弃油井地面封堵治理时必须采用全钻孔 水泥浆封堵方法，通过井口查找、开挖、透孔、水 泥封堵、加压验封等工程措施，完成废弃油井地面 封堵治理工程。 2.1.1井口查找与开挖 首先用测量仪器标定井口位置，再以坐标为中 心点向东西方向各 5 m，厚度为 0.5 m，依次向南推 至 5 m 后若没有找到井口，再以坐标为中心向北依 次推至 5 m。 若以上方法没有找到井口，在以上的基础上再 推厚度为 0.5 m， 直至开挖深度为 2 m 时还未找到井 口位置时，扩到井口查找半径，以井口坐标为中心 向外推至 10 m。 2.1.2透孔 透孔主要是检查井筒是否变形、井深是否合格，清 除井内的杂物[5]。通过透孔确保含煤岩系以下 100 m 范 围内井筒畅通，能够顺利的对这段废弃油井井筒进行水 泥浆封堵，达到对油气层、含水层隔绝的目的。 透孔采用回转钻进方法，稀泥浆钻进。钻具组 合Φ60 mm 钻杆Φ68 mm 钻铤Φ175 mm 钻头。 2.1.3气体取样 井场 50 m 内严禁烟火，做好防油气着火、防有 毒有害气体中毒、防井喷工作[6]，在透孔过程中如 果发现有毒气体逸出[7]，应对气体取样，明确气体 成分[8]。 2.1.4测斜 对已透完孔的废弃油井进行测斜，根据透孔长 度每 10 m 一个测点。最后将测斜数据绘制成图，并 与废弃油井附近地质钻孔柱状进行对比，确定废弃 油井在各个煤层中揭露的位置。 2.1.5制作人工井底 透孔至目的层，提完全部的钻杆再向井内下 Φ73 mm 油管，下至目的层处制作人工井底。人工 井底制作透孔至目的层以下 100 m 处，提完全部 的钻杆再向井内下Φ73 mm 油管，下至距目的层以 下 90 m 处，根据油井孔径和 10 m 的封堵长度计算 需要的水泥浆量后，然后向井底注入已计算好的水 泥浆，注入后将Φ73 mm 油管全部提出，待人工井 底候凝 24 h，用水泥车试压，验证封堵效果，施压 25 MPa，30 min 内压力下降不超过 0.5 MPa 合格， 如果压力下降超过 0.5 MPa，注入低黏度高强度凝 胶封堵材料，侯凝 24 h 后，重新验压，直到压力 不降为止[9]。 2.1.6水泥浆封堵 将Φ73 mm 油管下入人工井底图 2， 利用Φ73 mm 油管向全钻孔注入密度≥1.82kg/L 油井水泥浆，水 泥浆高度距井口 1520 m 时，停止注浆，候凝[10]。 ChaoXing 增刊 1马智等 煤矿开采区域内废弃油井立体封堵技术的应用95 图 2废弃油井封堵示意图 Fig.2Schematic diagram of plugging abandoned oil well 2.1.7井口加压验封 水泥浆在钻孔内侯凝 72 h 后，安装好井口，用 水泥车试压，验证封堵效果，施压 15 MPa，30 min 内压力下降不超过 0.5 MPa 合格，如果压力下降超 过 0.5 MPa，继续注入水泥浆，侯凝 24 h 后，重新 验压，直到压力不降为止[11-12]。 2.2井下揭露治理 井下通过废弃油井时，依次采取“探、揭、切、 截、堵”方法进行处理，确保井下安全揭露及通过 废弃油井。 2.2.1探测废弃油井位置 井下工作面揭露油井前， 采用钻孔探眼的方式， 逐步确定油井的具体位置。 在油井距回采工作面 20 m 时，工作面暂停开采，用 ZDK155 钻机向煤壁打钻 孔，钻孔深 30 m，间距 6 m，共 3 个；按此程序一 直循环操作，直至回采工作面通过石油井 20 m 为 止。钻孔位置始终垂直于煤壁，钻孔未发现石油井 具体位置方可继续开采，直至下个循环。 2.2.2揭露废弃油井 在揭露及通过油井过程中，需加强顶板支护， 从而减小油井周围围岩变形，避免油井涌出大量有 害气体。当巷道掘进或回采至废弃油井附近时，要 放慢掘进或回采速度，当废弃油井部分裸露时，停 止使用大型设备进行作业，人工利用铁锹等工具揭 露废弃油井。 2.2.3切割废弃油井套管 揭露油井之前，必须提前备足封堵油井材料及 相关施工工具。对于已经安全揭露的油井，使用电 动角磨机配合锯弓进行切管。切管时必须两人一起 操作，1 人操作角磨机从上向下 45方向斜切，1 人使用水管向切割口处浇水， 防止因切割产生火花， 引燃、引爆管内气体、油料等。使用角磨机切割钢 管时，必须量好切割深度，不可一次割透。快透时 须使用锯弓或锤子铁钉慢慢穿透，打开一小口，此 时进行管内气体、油、水等情况鉴定。 2.2.4截废弃油井套管 如果管内无气体、油、水等涌出，可以直接动 用氧气焊割掉油管。经检查油管周围瓦斯质量分数 低于 0.5，方可实施电气焊，将油管割掉。顶板处 油管切割位置要高于顶板 200 mm， 底板处油管通过 人工挖坑的方法，并将油井周围挖出边长不小于 1 000 mm1 000 mm、深度不低于 1 000 mm 的深 坑，油管切割要低于底板 200 mm图 3。 图 3废弃油井封堵后井下揭露情况 Fig.3Underground disclosure after sealing abandoned oil wells 2.2.5井下废弃油井封堵 废弃油井切割顶板处用铁板烧焊封盖，以便工 作面回采时支架顶梁顺利通过； 废弃油井切割底板处 用混凝土浇灌封堵。 在油管切割完成后， 油管顶板口 可使用高分子充填材料及加固材料， 利用油管与井壁 之间的间隙进行封堵，其封堵高度不小于 60 m，待 高分子材料等凝固达到一定强度后，方可允许工作 面恢复采掘。 3结 论 a. 通过对双马煤矿内废弃油井进行立体封堵 时发现，这些废弃油井为裸眼井或套管井，而且井 内情况比较复杂，有害气体超标严重，由于年代久 远，废弃油井井内变形比较严重，各个含水层、含 油层等相通，而局部区域已被碎砾岩充填，下段聚 集大量的有害气体等。 b. 通过对双马煤矿先期开采区域内废弃油井 立体封堵技术证明，如果不对这些废弃油井进行立 体封堵，在煤矿井下揭露过程中可能会发生不可预 测的重大安全事故，所以对废弃油井进行立体封堵 是必要的。 c. 采用地面和井下对废弃油井进行立体封堵， 双管齐下，为矿井安全开采提供了必要的保障。双 马煤矿 I01 采区由于受马探 31、 马探 30 两口废弃油 井的影响在油井附近 300 m 范围内有害气体超标严 重等，采用废弃油井立体封堵技术后井下已经依次 ChaoXing 96煤田地质与勘探第 46 卷 安全揭露和通过了这两口废弃油井。 参考文献 [1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M]. 北京 煤 炭工业出版社，2016. [2] 郑世书，陈江中，刘汉湖. 专门水文地质学[M]. 徐州中国 矿业大学出版社，1999. [3] 国家安全生产监管总局， 国家煤矿安全监察局. 煤矿防治水规 定[M]. 北京煤炭工业出版社，2009. [4] 中国石油化工集团公司科技部. 废弃井封井处置规QSH 06532015[S]. 北京中国石油化工集团公司，2015. [5] 王永东，徐岗，宋鹏军. 子长油田煤炭采空区定向井钻井 技术[J]. 石油钻采工艺，2012，34515-17. WANG Yongdong ， XU Gang ， SONG Pengjun. Directional drilling technology in coal goaf of Zichang oilfield[J]. Petroleum Drilling Technology，2012，34515–17. [6] 刘名阳. 煤矿采空影响区油气管道的危险性评价[D]. 西安 西安科技大学，2009. [7] 赵罡， 彭振华. 煤矿采空区油气管道安全保护与管理[J]. 石油 工业技术监督，2009，2565–8. ZHAOGang ， PENGZhenhua.Safetyprotectionand management of oil and gas pipelines in goaf[J]. Technical Supervision of Oil Industry，2009，2565–8. [8] 华安增，沈尉安，李建森，等. 海石湾煤矿风井含油气岩层防 突技术[J]. 煤炭学报，1999，24154–57. HUA Anzeng ， SHEN Weian ， LI Jiansen ， et al. Outburst prevention technology of oil and gas-bearing ation in ventilation roadway of Haishiwan coal mine[J]. Journal of China Coal Society，1999，24154–57. [9] 曾金源. 南桐矿区砚石台煤矿延深勘探 802 号钻孔油气井喷 及成因分析[J]. 中国煤田地质，1993，5219–25. ZENG Jinyuan. Oil and gas blowout and genesis analysis of No. 802 borehole in Yanshitai coal mine in Nantong mining area[J]. China Coalfield Geology，1993，5219–25. [10] 孟贤正，靳全，周建民，等. 煤矿岩石与油气突出机理及预测 的探讨[J]. 矿业安全与环保，2003，30422–24. MENG Xianzheng， JIN Quan， ZHOU Jianmin， et al. Discussion on the mechanism and prediction of coal mine rock and oil gas outburst[J]. Mining Safety and Environmental Protection，2003， 30422–24. [11] 王金国， 李慧平， 陈盼. 煤矿井田内废弃油井治理的探索与实 践[J]. 煤炭技术，2014，334262–264. WANG Jinguo， LI Huiping， CHEN Pan. Exploration and practice of abandoned oil well management in coal mine field[J]. Coal Technology，2014，334262–264. [12] 王金国，陈盼. 禾草沟煤矿采掘工作面过油气井关键技术 研究[J]. 煤炭技术，2017，36486–89. WANG Jinguo，CHEN Pan. Research on key technique of mining and excavation faces through oil and gas wells region in Hecaogou coal mine[J]. Coal Technology，2017，364 86–89. ChaoXing