基于模糊綜合評價法的煤礦廢棄油井風險分類及災害防治技術

張 剛

(西安科技大學能源學院， 西安 710054)

在中國陜西、山西、內蒙古和寧夏等礦區存在很多煤炭與油氣資源重疊區，先期油氣資源開采遺留的大量廢棄石油天然氣井對后續煤炭資源的安全高效開采形成嚴重威脅[1-2]。廢棄油井對井下煤礦開采危害的防治技術是這些礦區亟待解決的一項重大技術難題。

為了有效避免因廢棄油井造成的各類煤礦災害發生，通常采用的油氣井隔離煤柱不僅會造成巨大的煤炭資源損失，而且難以布置工作面，嚴重影響煤炭高效開采[3-4]。為此，王永杰等[5]、王金國等[6]利用危險源辨識與風險評價理論對禾草溝煤礦廢棄油井的不同致災類型的風險等級進行了評估，開展了廢棄油井封堵新工藝實踐研究。馬興華等[7]、劉忠全等[8]、黃光利等[9]針對煤礦開采過程中受廢棄油井影響導致的硫化氫災害，在分析有害氣體侵入煤系地層運移機理的基礎上，采取了地面封堵與井下綜合治理措施。總體來說，近年來對于煤炭與油氣資源重疊區的深度開發相關研究和實踐并不多，學者們多致力于受廢棄油井影響的井下有害氣體綜合治理工作，對其治理多采用全面注漿技術，造成了不必要的工程投資浪費。因此，為了有效防止廢棄油井災害，并節約工程投資，必須綜合分析廢棄油井種類及其致災等級，并有針對性的制定科學合理的防治技術措施，才能保證受廢棄油井影響的井下煤礦資源的安全合理開采。

為此，以雙馬煤礦煤油共儲區為具體的工程背景，對井田內的廢棄油井進行資料整理和分析，結合廢棄油井原始影響因素的特性，綜合運用層次分析法和模糊綜合評判法對油井的風險等級進行評價劃分，并進行實際工程驗證，以期為今后煤礦廢棄油井危害安全防控技術措施的實施提供理論依據和實踐參考。

1 廢棄油井對煤礦安全開采的影響

寧夏靈武礦區雙馬井田內含煤地層為侏羅系中統延安組，含氣和含油地層主要分布在三疊系延長組和侏羅系延安組，石油和煤炭資源在垂向上相互重疊。自20世紀五六十年代開始，石油開采在礦區內遺留下近170個石油鉆孔，遍布在礦區的各個區域。這些油井深度一般在700～1 500 m，部分井深度在2 000 m以上，油井均貫穿整個煤系地層。先期開采油氣資源遺留的大量廢棄油井不僅給礦區的設計開采帶來了困難，還嚴重威脅著后續煤炭資源的安全高效開采。

普通油井在鉆井完成后下技術套管和生產套管，并在套管之間注入水泥漿固井，如圖1所示。根據已收集油井資料和現場開挖情況顯示，雙馬煤礦范圍內的廢棄油井多只有一層生產套管或無套管，井口表面和底部都有封井水泥，套管外與巖石的縫隙之間有固井水泥。大部分油井套管內有封井水泥，少數廢棄油井沒有進行封井工作，無封井水泥。

4-1煤是雙馬煤礦的主要可采煤層之一，4-1煤層開采后的頂板導水裂隙帶觸及直羅組砂巖含水層和2～6煤間砂巖含水層組，煤層開采存在頂部水害威脅。另外，4-1煤為油氣共生煤層，其處于延2弱含油氣層范圍內，開采該煤層時會出現油氣異常涌出，造成瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體超標現象。雙馬煤礦內廢棄油井通過的地層(煤層、油氣層和含水層)示意圖如圖2所示。

圖1 普通油井結構示意圖

圖2 雙馬礦區普通油井通過地層示意圖

雙馬井田內的廢棄石油生產井、勘探井等各類油井遍布在礦區的各個區域，這些油井不僅給礦區的設計開采帶來了困難并造成了資源浪費，而且是煤礦開采的重大安全隱患，煤礦在采掘過程中一旦揭露油氣井容易造成不可預測的安全事故發生。根據現場調研結果，結合油井結構中套管和水泥的存在情況和地層分布情況，推斷廢棄油井對井下煤炭資源開采可能產生的影響主要有以下幾個方面。

(1)廢棄油井內的殘余石油經過多年分解會產生大量的H2S、C2H6、CO、CH4等油層伴生氣體，在廢棄石油井內積聚[10]。這些氣體會通過煤層采動裂隙涌入采煤工作面，造成工作面有毒有害氣體嚴重超標，如圖3所示。例如，馬探31號地面通井探查發現其油井內部氣體壓力高達6.8 MPa，而且氣體涌出量巨大。同時根據工作面氣體監測情況，發現了H2S氣體，通過對比在馬探31油井附近預注H2S氣體吸收液前后的監測數據，證明了H2S氣體的來源就是馬探31油井。

(2)廢棄油井與油層、地下含水層、地面水體溝通，含水層水易沿油井滲流下來。廢棄油井內部如果沒有用封井水泥封堵，其內部空洞將會成為油水積累區和潰水通道，如圖4所示。另外，一些油井在開采時通過注水增產，使油井附近含水性增強。當工作面接近這些油井時，會導致工作面涌水量加大，甚至造成突水事故的發生。

(3)由于廢棄油井施工年代久遠且資料丟失嚴重，對油井井內套管下設和破損情況不明，在采掘過程中采煤機和綜掘機觸碰后容易產生火星和高溫，可能會引燃、引爆油井周圍或油管內瓦斯，從而造成瓦斯爆炸事故。

(4)廢棄油井的金屬套管會對工作面頂板巖層起到“超級錨桿”或錨索的作用，導致工作面回采后的頂板不易垮落，從而形成大面積懸頂，一旦采場內的頂板巖層大范圍自然垮落，可能會將采空區的有毒有害氣體逼入工作面或者產生暴風對工作面設備和人員進行損害。

圖3 廢棄油井油氣災害示意圖

圖4 廢棄油井潰水災害示意圖

2 廢棄油井風險等級模糊綜合評價模型

礦區廢棄油井較多，但其對采掘工作面的影響程度不同。為了對廢棄油井實施針對性的處理措施，必須綜合考慮廢棄油井對井下煤礦開采的多方面影響因素，建立合理的評價指標體系，進行風險等級劃分，從而為制定廢棄油井的科學防治技術措施提供參考。

2.1 評價指標體系的構建

現綜合分析油井對井下開采的影響，主要考慮油井因素、煤油水地層位置關系以及油井伴生氣體因素三個方面。選取油井套管破損狀況、封井水泥情況、通井壓力、油煤地層層間距、含水層因素、油水地層干擾情況、硫化氫涌出體積分數和甲烷涌出量8個評價指標[11]，并根據評價指標將油井風險類別劃分為三類，詳細的評價指標及分類標準如表1所示。

表1 廢棄油井風險等級評價指標體系及分類標準

2.2 評價指標權重的確定

對于各評價指標的權重值，利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)來確定[12-13]。邀請行業專家對各層評價指標的相對重要性給予判斷，通過對各評價指標進行兩兩比較打分，分別構建準則層和指標層評價指標的判斷矩陣，經過運算和一致性檢驗求出各層指標的權重如表2～表5所示。

表2 準則層指標判斷矩陣及權重

表3 油井指標判斷矩陣及權重

表4 煤油水地層位置關系指標層判斷矩陣及權重

表5 油井伴生氣體指標層判斷矩陣及權重

3 廢棄油井風險模糊綜合評價模型

工程風險評價方法包括綜合打分評價法、因子分析法等。因為在評價廢棄油井的指標中，量化指標、定性指標占據多數，所以對于定性指標，則以半定量的評價法將其轉化為定量指標。因此結合雙馬煤礦的實際地質情況，選擇模糊綜合評價法建立雙馬煤礦廢棄油井風險模糊綜合評價模型。

3.1 評價集的構建

通過總結以往的廢棄油井危險性評價成果，并結合實際煤礦井下揭露油井案例的現場狀況，綜合分析各評價指標的影響作用，將廢棄油井的風險程度劃分為3個等級，評語集V={低風險Ⅰ，中風險Ⅱ，高風險Ⅲ}。

3.2 評價指標隸屬度矩陣的構建

對于現場實際廢棄油井，建立評價指標U到評語集V的模糊關系矩陣R。其中Rij代表的是在第i個評價指標處，實際油井處于j級風險等級的隸屬度。

對于u3、u4、u7和u8等定量指標的隸屬度，直接通過分段連續函數式(1)和式(2)確定[14-15]。

(1)

(2)

式中：rij、rim為第i個評價指標為j級、m級風險的隸屬度；xi為第i個評價指標的實測值；sij、sim為表1中所述的i指標相對第j級和第m級風險的區域值。

對于u1、u2、u5和u6這類定性指標，直接進行隸屬度量化處理[16-17]，指標所處的實際風險等級隸屬度取值為0.8，其余兩個風險等級隸屬度分別取值為0.1。例如，對于u6指標，如果某廢棄油井的油水地層間沒有溝通，則其Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類風險等級的隸屬度分別為0.8、0.1和0.1。

3.3 綜合模糊評判結果

雙馬煤礦Ⅰ01-04首采區內共有油井162個，前期影響到工作面開采的油井有11個。其中馬探31油井位于Ⅰ01采區04105工作面內，南距工作面開切眼377.09 m，西距工作面回風順槽75.95 m，東距工作面運輸順槽203.25 m，大約在工作面119#支架處通過油井，具體位置如圖5所示。

馬探31油井封井詳細資料丟失，通過在目標區域內進行地面勘查，才找到了井眼，發現井眼以內只剩表層套管，現場測量直徑400 mm，深度3.9 m，測量井筒深度為8.5 m以下被沙土掩埋，現場探測如圖6所示。

圖5 馬探31油井位置圖

圖6 馬探31油井地面探查

根據馬探31油井的實測資料顯示：油井套管含煤地層中有破損，封井水泥不完整，通井壓力為6.8 MPa；油煤地層層間距70 m，煤層上方含水層處于煤層采動裂隙帶內，但層間油氣水竄并不嚴重；井下工作面靠近馬探31油井，測量硫化氫涌出體積分數為260×10-6，甲烷涌出量為0.68。

依據上述各指標實測數據，結合表1，通過式(1)和(2)建立各指標層的隸屬度矩陣R如下所示：

根據表3～表5得到的各指標層的權重AU1=[0.257 8, 0.301 5, 0.440 8]，AU2=[0.100 7, 0.225 5, 0.673 8]，AU3=[0.666 7, 0.333 3]。計算指標層二級指標的模糊評價向量B=A×R。計算結果如下：

B1=[0.055 9, 0.663 7, 0.280 5]，B2=[0.120 1, 0.632 1, 0.247 8]，B3=[0, 0.233 3, 0.777 7]。

然后，結合目標層權重A=[0.581 5,0.309 0,0.109 5]，對指標層進行二級模糊評價，即可計算得到目標層指標的多級模糊綜合評價值：

因此，根據最大隸屬原則，可得到馬探31廢棄油井的風險等級屬于中風險Ⅱ等級。

4 廢棄油井災害防治技術

4.1 災害防治技術及實施

根據現場探查和開采實踐，依據模糊綜合評價法得到的廢棄油井風險等級，提出了“必先地面封堵，再井下防治”的煤礦廢棄油井“上治下防”的系統性災害防治技術，確保礦井安全生產。不同風險等級油井的具體防治技術方案如圖7所示。

圖7 不同風險等級廢棄油井防治技術方案

馬探31為有套管油井，在工作面過油井期間，可能存在頂部突水、有毒有害氣體涌入工作面、瓦斯爆炸等重大安全隱患，因此必須首先進行地面治理，然后再進行井下治理。

地面治理主要采用全井筒注漿封孔方法，主要包括透孔、測井、水泥封堵、加壓驗封和井場恢復等工程措施。具體步驟如下：

(1)透孔、洗井。采用回轉鉆進方法清除油井生產套管內的雜物，如圖8所示。通過透孔確保含煤巖系以下100 m范圍內井筒暢通，并檢查井筒是否變形、井深是否合格，對油井井壁坍塌情況進行評估。

(2)測井。對已透完孔的廢棄石油井進行測斜，確定廢棄石油井在各個煤層中揭露的位置。并采用測井技術確定廢棄油井內是否存在高壓水、油氣等危險因素，推斷油井對含水層和油氣層溝通情況，并為制定有效的封堵方案提供可靠依據。

(3)井筒封堵。廢棄油井采用分段封堵的方法隔絕油氣層和含水層。在煤系地層以下和以下區域采用高分子材料將油井封堵100 m，將煤系地層與其上下的油氣層進行隔離；煤系地層內用水泥漿進行封堵，將煤系地層與含水層進行隔離。

(4)套管和井壁之間縫隙的封堵。套管和井壁之間縫隙的封堵通過在套管內不同位置打射孔進行分段封堵。

(5)加壓驗封。水泥漿侯凝3 d后，用水泥車試壓驗證封堵效果，壓力在規定時間內無下降，滿足驗收要求。

(6)井口封堵。在井口上方打邊長0.5 m的立方體水泥墩進行井口封堵。

(7)井場恢復。對井場的地貌、環境進行恢復。

井下通過廢棄石油井時，依次采取“監測-探查-揭露-切割-截斷-封堵”的順序進行油井治理方法。具體步驟如下：

(1)監測。工作面與巷道采掘至距油井300 m范圍內時，對工作面氣體成分以及氣體濃度進行實時監測。

(2)探查。探巷掘進至距離油井預測位置20 m時，工作面暫停掘進，使用鉆機施工探眼，探查水、有毒有害氣體等賦存情況，確認無突水、無有毒有害氣體突出等威脅后，方可繼續掘進。并在工作面回采至油井分別為15、10和5 m時，通過在油井周邊10 m范圍內不斷加密探測鉆孔，以確定油井的具體位置。具體鉆孔布置示意圖如圖9所示。

(3)揭露。在揭露及通過油井過程中，需加強頂板支護，從而減小油井周圍圍巖變形，避免油井涌出大量有害氣體。當巷道掘進或回采至廢棄石油井附近時，要放慢掘進或回采速度，當廢棄石油井部分裸露時，停止使用大型設備進行作業，人工利用鐵鍬等工具揭露廢棄石油井。井下揭露馬探31如圖10所示。

(4)切割。對于已經安全揭露的油井，使用電動角磨機配合鋸弓進行切管。油管切割位置要延伸至工作面頂板和底板內0.2 m。

(5)截斷。如果管內無氣體、油、水等涌出，可以直接動用氧氣焊割掉油管。

(6)封堵。對于可能產生突水和有害氣體異常涌出的高風險和中風險油井必須進行向上60 m的水泥漿封堵；無導水和油氣通道的低風險油井可不用封堵。

圖9 廢棄油井位置探查鉆孔布置圖

圖10 井下揭露廢棄油井

4.2 綜合防治效果

目前，利用模糊綜合評價方法對雙馬煤礦I01采區04105、04106工作面內的馬探31、馬探30、馬探29等8個廢棄油井進行了危險等級劃分，并進行了相應的防治措施。通過先從地面封堵廢棄石油井，阻斷石油井與油層的油氣通道，再進行井下防治處理的廢棄石油井危害防治技術方案，安全揭露和通過全部8個油井。項目實施后，減少了煤柱留設，節約煤炭資源334.62萬t，避免搬家停產影響增加產量250.93萬t，取得顯著的經濟效益和安全效益。

5 結論

(1)為了綜合評價廢棄油井對煤礦安全高效開采造成威脅，從油井因素、煤油水地層位置關系以及油井伴生氣體因素三個方面出發，建立了煤礦廢棄油井風險等級評價指標體系，并利用AHP法確定了各指標權重值。

(2)構建了廢棄油井風險等級模糊綜合評估模型，并在綜合分析雙馬煤礦I01采區04105工作面內馬探31油井實際情況的基礎上，利用該模型對其進行了風險等級評價，評價結果為中風險Ⅱ等級。

(3)針對不同風險等級的廢棄油井，提出了“必先地面封堵，再井下防治”的煤礦廢棄油井“上治下防”的系統性災害綜合防治技術，并安全揭露和開采過程中順利通過8口廢棄油井，實踐驗證了防治技術方案安全合理。由此可見，基于模糊綜合評價方法的煤礦廢棄油井風險分類和防治技術能夠有效預防油井對井下煤炭資源開采的影響，并取得了顯著的經濟和安全效益，對受廢棄油井威脅的井下煤炭資源安全高效開采具有一定的指導意義。