海石湾矿风井井筒含油气岩层突出危险性预测.pdf

中国矿业大学学报990 6 0 2 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 海石湾矿风井井筒含油气岩层突出危险性预测 华安增 李晓昭 邱春海 单昌会 周强 李付斌 摘要 为了预防砂岩突出，通过实验室测定了油气岩石的力学性质、岩石成分、 显微结构、油气含量及透气系数，现场测定了片状岩芯的比例、钻孔变形、油气压 力、油气岩石排放半径以及钻孔内油气排放量等. 根据上述多方面的测定结果，综合判 断岩石突出的危险程度，为预防岩层突出提供了参数. 关键词 预测，砂岩突出，危险程度 中图分类号 T D 7 13 Predication of Outburst Danger of Rock Stratum Containing Oil and Gas Hua Aanzeng Li Xiaozhao College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Qiu Chunhai Shan Changhui Zhou Qiang Li Fubin 2nd Engineering Bureau of 5th Company of China Mine Construction, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract For the purpose of preventing outburst in sandstone, a laboratory test was carried out to determine the mechanical properties, composition, microscopic structure, gas content and permeability coefficient of rock. The ratio of schistose core, deation of borehole, fuel gas pressure, and radius of outburst and outburst intensity of oil and gas from borehole were tested in the field. As a result, the danger degree of outburst can be determined, which provides the parameters for outburst prevention. Key words predication, outburst of sandstone, danger degree 海石湾煤矿风井于1995年3月9日掘砌至井深551. 2 m 即标高 1 431. 0 m 水平 ，发生 了我国首次井筒油气砂岩突出，突出岩石量为1 0 18 . 8 t ①. 据地质资料预测从井深 551. 2 ～6 6 2 . 19m 有110 . 99m 危险层. 为了防止再次发生突出，进行了实验室和现场预测. 造成岩石与油气突出的主要因素为岩体应力、岩石力学性质、油气压力、岩石 透气系数等. 我们通过实验室测定油气岩石的力学性质、岩石成分、显微结构、油气含 量及透气系数，以分析其突出危险性. 但更重要的是现场实测. 现场直接测定岩体应力， f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39 中国矿业大学学报990 6 0 2 技术复杂且费用很高. 我们采用间接测定方法，用钻孔取芯法，根据片状岩芯所占的比 例，以及钻孔变形情况，可以间接判断岩体应力的相对大小. 现场可以直接测定油气压 力，并通过测定油气岩石排放半径以及钻孔内油气排放量等，校核实验室测定的岩石 油气含量及透气系数. 根据上述多方面的测定结果，并参考原煤炭工业部1995年元月颁 布的防治煤与瓦斯突出细则［1］，综合判断岩石突出的危险程度. 1 预测方案 从井深551. 2 ～6 6 2 . 19m 有110 . 99m 危险层，为了确定不同的危险程度和制定相应的 对策，以砂岩、煤层及变质片岩为测试的重点对象，以泥灰岩和炭质泥岩作为隔离 层，并结合考虑岩帽厚度、孔深、释放效果可靠性和钻孔效率等，分两段进行测试. 第 一段从井深558 ～6 0 7 m ，重点探测井深58 0 . 2 4～6 0 6 . 44m 段砂岩含油气状况和地应力情 况；第二段从井深6 0 1～6 6 2 m ，重点探测煤的瓦斯赋存状况，并兼顾探测元古代片岩油 气储存状况及地应力情况. 为确保上述测试和试验的准确实现，每个段高必须保证有5 个有效探测钻孔. 在测试中除了按常规方法采用钻孔测定砂岩中油气压力与流量外，同 时还注意观测钻孔钻进过程中油气涌出变化、钻进速度、钻屑量、钻孔变形情况以及 有否喷孔现象等. 以此作为辅助性手段，帮助鉴定油气岩层突出危险性. 2 砂岩段现场探测结果 油气压力先后对砂岩段5个探测孔全部用黄泥加木塞进行了封孔，封孔长度10 m . 由于钻孔内充满石油和水，加之经验不足，封孔质量不好，封孔前均发现孔口管内被 黑色牙膏状石油塞满，打开孔口管高压阀，原油涌出. 测压过程中曾打开测压管，发现 管内被牙膏状石油充满. 再者探测工作面的砂岩裂隙发育，从岩帽可以明显地看到或听 到油气涌 出. 各钻孔测出的油气压力，其最大值为1. 17 m Pa . 测定的压力值估计远比实际值要低得 多. 应判定砂岩有突出危险. 油气涌出情况根据钻进过程中油气涌出随钻孔延深呈曲线 变化，可以看出油气主要来自中细砂岩和中砂岩. 再者本段5个探测孔施工中，有2 个孔 分别在中细砂岩底部和中砂岩段，曾发生油气喷孔现象，喷出孔口以外高度达10 m 以 上. 参照防治煤与瓦斯突出细则第31条第4款，“在工作面预测过程中出现喷孔、顶 钻等动力现象”，“应视为突出危险工作面”，故判断中细砂岩和中砂岩有突出危险. 钻孔变形测量钻孔变形显示了在地应力和油气压力作用下，岩 煤 层的力学性 质，既是岩 煤 和气体突出 或岩煤冲击 危险性的反映，也是检测安全技术措施产生的 释放效果 危险性解除 的重要手段. 本次5个探测孔终孔后，全部进行钻孔变形测量 4号 孔因封孔较早，未测到变形 ，2 号、3号孔均在中细砂岩或中砂岩处有严重变形；尤其 是1号孔在孔深2 6 . 5m 中砂岩与中细砂岩交界处，钻孔终孔后两天就完全自行闭塞. 说明 此处中砂岩段地应力很大. 圆片状岩芯防治煤与瓦斯突出细则第8 8 条“当取出的岩芯中大部分长度 在150 m m 以上，且有裂缝围绕，个别为小圆柱体或圆片时，应预测为一般突出危险地 带；在取出的1m 长的岩芯内，部分岩芯呈现出2 0 ～30 个圆片，其余岩芯长50 ～10 0 m m 的圆柱体并有环状裂隙时，应预测为中等突出危险地带；当1m 长的岩芯内具有2 0 ～40 个凸凹状圆片时，应预测为严重突出危险地带”. 探测段上部粉砂岩，钻进过程中孔口 油气浓度较低，片状岩芯2 5片/ m ，钻孔无明显变形. 细砂岩中圆片状岩芯2 8 ～33片/ m ， 钻进速度正常，钻孔无明显变形，钻进过程中孔口油气浓度较低，所以上述岩层突出 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39 中国矿业大学学报990 6 0 2 危险性不大. 中细砂岩和中砂岩中取出的岩芯大量呈圆片状，其圆片岩芯厚度10 m m 左 右，一面微凹一面微凸，是典型的高应力破碎现象 见图1 . 岩芯圆片数31～37 片/ m ，最 多达58 片/ m . 每当钻进至中细砂岩和中砂岩时，孔口油气浓度急剧增加，所有钻孔均在 10 以上. 3号和5号孔甚至出现剧烈喷孔，该层有严重突出危险. 其下的粉砂岩中圆片状 岩芯2 3～2 6 片/ m ，钻进速度正常，岩石无结构破坏特征，钻进过程中孔口油气浓度中 等，该层突出危险性不大. 但粉砂岩中的中砂岩夹层，圆片状岩芯多达43片/ m . 钻进过程 中，孔口油气浓度有回升现象，钻进速度也有所降低，岩石结构破坏严重，其突出危 险性最大. 图1片状岩芯 Fi g . 1 Sc h i s t o s e c o r e 综上分析，可判定中细砂岩、中砂岩以及下部粉砂岩中的中砂岩夹层为突出危险 层 3层共计铅垂厚19. 1m ，粉砂岩中下部突出危险性不大. 油气岩石排放半径3号探测孔的喷孔地点距井筒中心1号孔仅5. 5m ，而1号孔已先 于3号孔14 d 就钻进到了这一层位. 3号孔的喷孔现象表明，相距5. 5m 的钻孔之间没有影 响. 再如，最后施工的5号孔在钻进至中砂岩时也发生了喷孔现象. 5号孔距1号孔只有 2 m ，5号孔喷孔时对1号孔油气压力影响不大. 待5号孔终孔时，1号孔的油气压力非但没 有下降，反而从0 . 42 m Pa 升至0 . 5m Pa . 所以，可确定岩石排放半径为2 m 左右. 3 砂岩段实验室试验结果 我们在现场测试的同时，在实验室将已突出砂岩与预测砂岩从其成分、显微结构 及孔隙分级等方面入手，进行对比分析，以确定其突出危险性. 3. 1 成分分析 海石湾井田砂岩颗粒主要成分为石英和长石，并有良好的结晶，强度很高. 它的宏 观特征主要决定于颗粒间的接触类型和胶结物，其胶结物有硅质胶结、钙质胶结和泥 质胶结3种. 以硅质胶结为主时强度大，呈脆性；以钙质胶结为主时强度中等，也呈脆 性；以泥质胶结为主时强度小，却呈韧性. 表1列出了各砂岩试样胶结成分百分比，表 中岩石均按沉积相对位置排列. 从表1中可以看出，8 号已突出砂岩与13号中细砂岩及9号中砂岩的钙质胶结百分比 相近，均以硅质和钙质胶结为主，呈脆性，易于发生冲击性破碎. 表1 油气砂岩胶结成分实验结果 T a b l e 1 La b o r a t o r y r e s u l t s o n c e m e n t i n g c o m p o s i t i o n o f s a n d s t o n e c o n t a i n i n g o i l a n d g a s f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39 中国矿业大学学报990 6 0 2 试样编号岩石名称 分 析 结 果/ 备 注 硅质钙质泥质 8中砂岩652已突出砂岩 4中砂岩1031～2预测砂岩 1细砂岩2 ～31 预测砂岩 13中细砂岩104～51预测砂岩 2细砂岩3＜1≤1预测砂岩 9中砂岩＞10＞5＜1预测砂岩 5中砂岩3 预测砂岩 12中砂岩 ＜1＜1预测砂岩 3中砂岩 2 ～3 预测砂岩 6中砂岩夹层1014预测砂岩 10中砂岩夹层≥82 ～34预测砂岩 11中砂岩夹层1033预测砂岩 14粉砂岩 1≥2预测砂岩 3. 2 显微结构分析 为了更深入地了解油气砂岩原始破裂结构，我们采用英国剑桥S-2 50 M K Ⅲ扫描电 子显微镜，对砂岩的显微结构进行了观测研究. 对油气层段7 个试样进行喷金后观察， 并将部分观察结果放大10 0 倍以上，共摄取照片2 3张，分析如表2 . 从表2 及照片 见图2 可以看出，1号已突出砂岩、3号中细砂岩及4号中砂岩均有褶 皱及擦痕，6 号中砂岩夹层裂隙发育，均有突出危险. 表2 砂岩显微结构简析 T a b l e 2 Si m p l i f i e d a n a l y s i s o n m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e o f s a n d s t o n e 试样编号岩石名称观测概况备注 1中砂岩有褶皱及孔洞已突出砂岩 2中细砂岩有大块岩屑及孔洞预测砂岩 3中细砂岩有褶皱、擦痕及孔洞预测砂岩 4中砂岩有褶皱及孔洞预测砂岩 5细砂岩有擦痕及孔洞预测砂岩 6中砂岩夹层有大孔、碎屑、裂隙发育预测砂岩 7粉砂岩较致密、孔隙小预测砂岩 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39 中国矿业大学学报990 6 0 2 a 已突出中砂岩 b 中细砂岩 c 中砂岩 d 中砂岩夹层 图2 砂岩显微结构 Fi g . 2 m i c r o s c o p i c s t r u c t u r e o f s a n d s t o n e 3. 3 孔隙分级试验 孔隙率及孔隙分级是砂岩最重要的特征，孔隙率大则渗透率高，微孔含量高则容 易吸附瓦斯. 我们采用美国9310 型微孔结构分析仪，对已突出砂岩和中砂岩试样进行压 汞方法测定其孔隙分级，结果见表3. 表3 砂岩孔隙试验结果 T a b l e 3 La b o r a t o r y r e s u l t s o n p o r o s i t y o f s a n d s t o n e 测试项目单位 测 试 对 比 已突出砂岩中砂岩 压汞体积c m3/ g0 . 0 11 70 . 0 2 1 2 孔隙面积m2/ g0 . 2 33 60 . 412 9 中值孔径 体积μm0 . 2 6 3 43. 135 3 中值孔径 面积μm0 . 133 20 . 0 10 4 平均孔径μm0 . 2 0 0 80 . 2 12 5 密度g / c m32 . 7 6 8 22 . 457 5 骨架密度g / c m32 . 8 6 1 02 . 597 5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39 中国矿业大学学报990 6 0 2 孔隙率3. 2 0 0 05. 40 0 0 毛细孔7 . 0 0 5 417 . 42 7 5 从表3中可以看出，两种岩样的平均孔径相同，中砂岩的孔隙率大于已突出砂岩. 在同样的油气压力下，中砂岩油气含量将大于已突出砂岩，故中砂岩突出危险性大于 已突出砂岩. 再者两种岩样平均孔径均大于0 . 1μm ，吸附瓦斯较少，易于排放. 3. 4 砂岩力学性质 砂岩力学性质由地质资料提供，其平均指标如下抗压强度32 m Pa ，抗拉强度 2 . 6 m Pa ，内摩擦角40 ，粘结力5. 6 m Pa ，弹性模量33. 5 G Pa ，坚固性系数5. 2 . 3. 5 砂岩含瓦斯参数 砂岩瓦斯放散初速度Δp 2 6 7 ～40 0 Pa ，瓦斯含量系数α 1. 2 7 ～1. 48 . 4 砂岩段预测结论 1 根据现场实际预测和实验室试验分析，两者结果非常一致，所以我们判定井深 58 2 . 2 ～58 3. 2 m 的中细砂岩、井深58 4. 45～594. 6 8 m 的中砂岩以及井深599. 92 ～6 0 1. 33m 的 中砂岩夹层为突出危险层，3层共计厚12 . 6 4m . 根据这一判断，将突出危险层限定在一个 很小范围之内，减少了安全技术措施工作量. 在上述危险段的释放钻孔施工过程中，共 发生6 次喷孔现象，其喷孔层位与预测层位也完全一致，说明预测是正确的. 2 现场预测过程中，在无其它辅助方法时，用喷孔顶钻等动力现象，以及圆片状 岩芯的鉴别方法，可以正确判定突出危险性层位. 3 根据实验室中的砂岩成份、显微结构及孔隙分级等试验资料作出判断，与现场 测试结果相一致. 煤与片岩段预测方案类似，不再叙述. 根据以上预测提供的参数，限定了危险层范 围，制定了有效的预防措施，取得了良好的经济效益. 江苏省煤炭基本建设公司第二工程处，中国矿业大学. 海石湾煤矿风井井筒含油气岩层 防突技术 鉴定报告 . 1996 作者简介华安增，男，1932 年生，教授，博士生导师 作者单位华安增 李晓昭 中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 邱春海 单昌会 周 强 李付斌 中煤第五建设公司第二工程处 江苏徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 煤炭工业部. 防治煤与瓦斯突出细则. 北京煤炭工业出版社，1995 收稿日期1999－0 6 －2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 2 . h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 39