廢棄石油井內油氣對煤層開采危害及安全評價*

索永錄，劉穎凱，王 帥

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 咸陽 712046)

0 引言

我國存在著許多煤炭和石油天然氣資源共儲區，如雙馬灘礦區、黃陵礦區、窯街礦區以及子長礦區等[1]。這些共儲區內的資源在開采的過程中彼此相互制約，其安全高效協調開采是一個普遍性的難題[2]。在煤油共儲的情況下，一般優先開采石油，開采后存留的大量廢棄石油井內的油氣會嚴重威脅到煤炭的后續安全開采[3]，煤炭后續協調開采需建立在明確油氣對煤層安全開采影響的基礎上。

以雙馬煤礦為研究背景，針對廢棄石油井內油氣對井周圍煤層安全開采影響進行研究。分析得出油氣危害形成原因以及具體體現，運用作業條件危險性評價法(LEC)對油氣危害進行安全評價，并針對評價結果提出具體的油氣危害防治措施，為全國范圍內受廢棄石油井內油氣影響的類似煤礦煤炭安全開采提供理論指導。

1 油氣危害的成因及體現

1.1 成因分析

要分析油氣危害的成因需要從油氣的導入通道進行分析，因此有必要對雙馬煤礦的石油井基本結構和地層分布狀況進行分析。

石油井結構：雙馬礦區存留170余口廢棄石油井，其中有的無套管(可稱裸眼井)，有的有一層技術套管，但由于成井久遠，套管破損嚴重。石油井口表面都有表層封井水泥，套管的底部和巖石的縫隙之間都有固定套管的固井水泥，石油井內部可能有也可能沒有封井水泥，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 石油井結構示意圖

地層分布狀況：馬家灘礦區含油地層和含煤地層是同一套地層，該地區含油地層主要分布在三疊系延長組和侏羅系延安組，所有油井套管貫穿整個煤系地層。根據調查本井田范圍內主要采油油層為三疊系延長組，地層分布如圖2所示。

圖2 油氣地層分布示意圖

三疊系延長組(T3y)：根據其巖性自下而上劃分為5個巖性段，即：T3y1長石砂巖段(中石油系統油層組劃分為長1)，T3y2油頁巖段(中石油系統油層組劃分為長2、長3)，T3y3含油段(中石油系統油層組劃分為長4、長5、長6、長7)，T3y4黃鐵礦結核段(中石油系統油層組劃分為長4、長5、長6、長7)和T3y5瓦窯堡煤系(中石油系統油層組劃分為長10)。雙馬煤礦主要開采煤層包括3-2煤、4-1煤、4-2煤、4-3煤、6煤、10煤、12煤、16煤、18煤，當前開采的為4-1煤層。4-1煤層平均埋深約625.09 m，通過4-1煤埋深與郭11油井地層分層數據相比較，4-1煤處于延2地層的位置，而延2屬于弱含油層，井下開采4-1煤時煤壁漏油以及甲烷硫化氫等有害氣體濃度嚴重超標與此有很大的關系，因此將4-1煤定義為油氣共生煤層。

根據以上分析，井下采煤可能遇到的油氣危害來源于以下兩種情況(危害示意圖如圖3所示)。①在既無套管又無封井水泥的情況下，油氣可能已經充滿在石油井形成的空洞中，當井下工作面推進至石油井附近時，油氣可能會通過煤層裂隙涌入工作面，造成工作面有毒有害氣體嚴重超標，從而引發各種災害；②在有套管但無封井水泥的情況下，由于井內套管能起到一定的隔離作用，井內油氣和井周圍煤層能很好地被隔離開，井周圍煤層開采相比情況①較安全，但井內更容易積聚高壓油氣，揭井時可能會面臨更嚴重的高壓油氣沖擊工作面的危害。

a-無套管無封井水泥；b-有套管無封井水泥圖3 油氣危害示意圖

1.2 油氣危害具體體現

油氣中的原油主要由烴類化合物組成，油氣中的氣體主要指油層伴生氣。原油和油層伴生氣都具有極大危害，油氣危害主要體現在油氣有毒有害、易燃易爆、污染井下環境以及腐蝕井下設備4個方面。

原油和油層伴生氣都具有毒性：原油易揮發，且成分中含有有毒碳氫化合物和非碳氫化合物，原油被吸入人體后會引起中毒，輕度中毒會使人昏迷，重度中毒會直接導致死亡。油層伴生氣中含有大量的硫化氫和一氧化碳等氣體，這些氣體被吸入后同樣也會引起中毒。并且硫化氫具有劇毒，吸入少量高濃度硫化氫可于短時間內致命，其濃度較低時帶臭雞蛋味，濃度較高時由于能麻痹嗅覺神經所以反而沒有氣味。

氣體爆炸性：原油中的烷烴化合物和油層伴生氣中的甲烷等氣體都具有易燃易爆性，當原油蒸汽和油層伴生氣體分子與空氣中氧氣混合后，在工作面遇高熱能或明火時會直接燃燒甚至爆炸，當工作面煤塵含量較高時，其更容易引起煤塵爆炸。

氣體刺激性：油氣中的原油和油層伴生氣都具有一定的刺激性，當油氣與新鮮空氣混合后會嚴重污染空氣，工人吸入后會出現神志不清、頭痛、惡心、四肢無力等癥狀。此外，煤壁滲油以及油層伴生氣異常涌出都會惡化井下工作環境。

氣體腐蝕性：油氣中的原油和油層伴生氣中的硫化氫都具有腐蝕性，對巷道煤壁架設的各種電纜和管路具有很嚴重的腐蝕危害，同樣對井下各種電氣設備及金屬材料也有腐蝕危害。

2 油氣危害的安全評價及防治措施

由于油氣會給井下工人帶來極大危害，并且會污染井下工作環境以及腐蝕井下設備，從而直接威脅到工作面安全高效產煤，因此對油氣危害進行安全評價很有必要。

2.1 LEC安全評價方法概述

作業條件危險性評價法(LEC)[4-5]是一種簡單易行的對具有潛在危險的作業條件進行危險性半定量評價的方法，其原理是將可能導致作業條件危險的因素按照特定指標量化，并根據實際情況對每個因素打分，最后通過函數關系對作業條件危險性進行安全評價。該方法對于存在較大不確定性危害的安全評價具有很好的適用性。

一般將影響作業條件危險性(D)的主要因素分為3個：事故或危險事件發生的可能性(L)、暴露于危險環境的頻率(E)和發生事故或危險事件的可能結果(C)[6-7]。評價目標與影響因素之間的關系為

D=L·E·C

(1)

實際評價過程中，L、E和C的分值分別取自表1、表2和表3，風險值D的危險性等級參照表4進行劃分。

表1 事故或危險事件發生的可能性(L)

表2 暴露于危險環境的概率(E)

表3 發生事故或危險事件的可能后果(C)

2.2 各因素分值的確定

事故或危險事件發生的可能性(L)取值：4-1煤層為油氣共生煤層，工作面揭露石油井附近煤層時，人的因素、設備因素及自然因素均有可能引發油氣危害，這雖然屬于小概率事件，仍可能發生，所以取L=3。

表4 危險性等級劃分

暴露于危險環境的概率(E)取值：工作面推進的過程中，井下工人在每天工作時間內頻繁暴露于有可能發生油氣危害的危險環境中，所以取E=6。

發生事故或危險事件的可能結果(C)取值：一旦發生工作面或巷道煤壁油氣異常涌出危害時，巷道內有毒有害氣體濃度會急劇升高，井下工作人員容易中毒，情形非常嚴重，并且如果疏散不及時，一旦油氣起火，高燃燒溫度和高輻射熱量將對人員和設備造成極大危害，甚至有可能發生爆炸，造成人員傷亡，所以取C=15。

2.3 評價結果

根據式(1)，計算得出風險值D為270，其處于160～320之間，油氣危害危險性等級屬于“高度危險，需立即整改”的范疇。由此可見，廢棄石油井內油氣對煤層安全開采已構成重大安全生產事故隱患，必須立即采取措施對該高度危險環境進行整改。

2.4 油氣危害防治措施

廢棄石油井內的油氣對煤層安全開采構成嚴重危害，必須將“預防為主，防治結合”作為工作的指導方針，從油氣危害產生的根源以及管理等方面進行防治，具體防治措施如下：①對石油井進行地面治理，先通井，再封堵，從而將含油層內的油氣徹底封堵住；②對石油井進行井下切割，切割套管和水泥柱時必須采用物理切割，嚴禁電焊切割，切割時持續灑水；③在開采前設置隔離帶，無關人員不得隨意進入工作區域；④加強油氣檢查，把油氣控制在安全指標以內，試采工作面設專職檢查人員，放炮前后、有油地段，定人、定位嚴格檢查，并實行檢查人員現場交接班制度；⑤加強通風管理，完善通風系統，盡量采取獨立通風系統，風量隨著工作面油氣濃度變化隨時調節；⑥工作人員必須佩戴正壓式空氣呼吸器并佩戴防腐手套；⑦工作人員應定期做健康檢查，其檢查年限和時間應根據崗位性質、油氣濃度、勞動工時等因素來確定，對發現有因油氣危害引發職業病癥狀的作業人員及時責令其進行醫治，做到早發現早治療；⑧加強事故的應急演練。

3 結論

(1)油氣危害產生于廢棄石油井，將煤層與含油層導通后，開采井周圍煤層時工作面油氣濃度嚴重超標。

(2)油氣危害主要體現在油氣有毒有害、易燃易爆、污染井下環境以及腐蝕井下設備4個方面。

(3)油氣危害的作業條件危險性評價等級為2級，其高度危險，需立即整治，針對評價結果，提出了有效的油氣危害防治措施。