海石灣礦井1100運輸石門過高壓油氣層施工技術

宿敬北 劉向陽

（1.甘肅金遠煤業有限任公司，甘肅 環縣745700；2.甘肅煤炭第一工程有限責任公司,甘肅 白銀730913）

1 工程概況

海石灣礦井設計年產150 萬噸，從1993 年礦井建設開工至2005年首采面試生產，我公司承擔了大部分建井工程任務。 1100 運輸石門近600m 要穿過高壓油氣層，1100 石門設計長度為987.189m， 掘進高度4.12m，掘進寬度5.24m，均支護形式采用錨噴支護。

2 地層與油氣簡況

2.1 地層

從井口開始，自上而下發育的巖層分別是∶

①第四系（Q3m）風積層黃土與（Q2l）洪積層未膠結的卵石層，充填中細粒散沙。

②白堊系下統河口群第四巖組（K1hk4）褐棕色泥巖組。

③侏羅系上統享堂群（J3xt）。 自上而下依次為∶第三巖組（J3xt3）為紅棕色、暗棕色泥巖、泥質粉砂巖與紫灰色、綠灰色粉細砂巖互層。 第二巖組（J3xt2）為蘭灰色、暗棕色泥巖與淺灰綠色中細砂巖互層。第一巖組（J3xt1）—下部為草綠色礫巖、礫狀砂巖、砂巖為主，微含油斑。

④侏羅系中統窯街群∶A、第五組砂泥巖段（J2yj5），為灰白、灰綠色砂巖和灰綠、淺棕色泥巖。 上部以砂巖為主，局部夾含油砂巖薄層，以油臭、油斑為主要特征，承壓。 中部為泥、砂巖互層，含油斑，油氣承高壓；下部以泥巖、砂質泥巖為主。

B、第四組油頁巖、油砂巖段（J2yj4），上部為黑色、黑褐色巨厚油頁巖層，夾菱鐵礦條帶及薄層鮞狀菱鐵礦泥巖；中部為灰白、灰色長石石英砂巖及粉砂巖， 含油， 具油臭、 油斑及油浸狀， 含油氣承壓達6.83MPa；下部為灰色、灰白色石英細砂巖、粉砂巖、油頁巖互層，含油斑、高壓油氣。

C、第三組泥灰巖段（J2yj3），由黑色、黑褐色及暗綠、墨綠色泥灰巖組成。 普遍含菱鐵礦。

D、 第二組含煤段（J2yj2）。 E、 第一組砂礫巖段（J2yj1），底部為褐紅色砂礫巖、含鐵錳質結核及條帶。下部為礫巖夾砂巖或礫狀砂巖，呈深灰色。

2.2 礦井油氣情況

海石灣井田區域的煤油共生田，分為北部的Fh-2與Fh-3斷層形成的斷鼻隆起帶和南部（Fh-3、Fx斷層以南、Fh-4西南）斷塊間坳陷兩個聚油圈閉。

北部為斷鼻隆起帶裂隙油藏，含油面積1.3km2，含油高度100m；南部為斷塊間坳陷巖性油藏，含油面積5km2，含油高度200m～400m，初步估算油田儲量大于180 萬噸。在南部湟水河兩岸的虎頭崖村與馬場垣村建有多個采油井（大于30 個），單井產量每天25 噸。

在以前建井過程中，風立井穿侏羅系窯街群第四組（J2yj4）含油巖層時發生了砂巖與油氣突出，突出巖石2037.6t，涌出油氣0.9Mm3左右。在油砂巖層掘進期間測得油氣壓力高達3.5～6.83MPa，并發生過油氣噴出50 余次，燃燒5 次。

1100 運輸石門所穿地層處于煤一和煤二層超覆沉積零點邊界之外，將穿過J3xt3、J3xt2 的泥巖蓋層，進入含油氣巖層J3xt1、J2yj5、J2yj4三層儲集油氣層。經綜合分析，將主斜井1544m～1640m 段劃分為含低壓油氣無突出危險區；1100 石門0m～230m 為J2yj5 含高壓油氣層，存在嚴重突出危險性；230m～442m 段為J2yj4含承高壓油氣層組，存在嚴重突出危險性。

有濃烈煤油味，油氣包括液體原油及油氣體，油氣成分多達12 種之多，其中多數為有害、可燃、易爆氣體，主要是CH4。

3 施工技術方案

過高壓油氣的方案是∶“地質勘查與分段探放”、“防治突出”、“防燃防爆”和“綜合治理”。

3.1 地質勘查與分段探放方案∶堅持“有疑必探，先探后掘”的原則，從現有地質預測圖上J2yj5層面法線向上100m 位置處的主斜井位置（1465m 處停止掘進）開始進行地質勘查，探明油氣層具體層位和賦存情況，并據此確定分段探放方案。詳見圖1-5，1100 石門油氣層抽放鉆孔總體布置示意圖等。

3.2 防突方案∶根據《煤礦安全規程》、《防突規定》，采用打鉆探放、突出危險性預測、效果檢驗、安全防護四位一體的防突方案，防突分為揭穿含油氣巖層防突和安全防護措施下掘進的工作面防突。

3.3 防燃防爆方案∶采用“邊探邊掘、短段掘砌、超前預抽、邊抽邊掘、隔氧小炮、炮后滅火”和加強“一通三防”管理的方案，防止油氣突出、噴出、積聚超限和放炮引起的油氣燃燒、爆炸事故。

3.4 綜合治理方案∶成立以總工程師為核心的“過油氣巖層防突領導小組”，健全各項管理制度，配備過油氣層所需的安全設施與群防群治的綜合方案。

圖1 1100 石門油氣層探抽鉆孔總體布置示意圖

4 過油氣巖層施工方法與措施

4.1 地質勘查

孔數設計為3 個，1# 孔設計長度85m、方位角46°、仰角-45°（巷底左部）；2# 孔設計長度85m、方位角40°、仰角-25°（巷中心）；3# 孔設計長度85m、方位角34°、仰角-45°（巷底右部）。 鉆孔直徑φ94mm，為取芯鉆孔。 鉆進方法采用機械回轉孔底沖洗液環狀鉆進與全孔取芯法。 沖洗液使用普通泥漿與鈉羧甲基纖維素化學泥漿。

4.2 分段探放方法

①區段劃分∶1100 車場繞道及1100 石門探放共分13 個區段，每段段長60m，預留10m 保護巖柱。 當本次地質勘查完成后，依據成果調整已劃分的探放區段。

②孔數的確定，孔數確定為3 個，作為基本孔。第一個為取芯前探鉆孔（1# 孔），鉆孔方位為40 度，仰角為-25 度，鉆孔孔徑為Φ94mm。鉆孔施工完畢后，及時封孔測壓，并詳細記錄各時間段瓦斯壓力情況，直至瓦斯壓力穩定。

③主要鉆進探放設施∶XY-2 型液壓煤礦安全鉆機2 臺，NBB——200/40 型泥漿泵2 臺，φ42mm 防突鉆桿，φ94mm 環形鉆頭、φ94mm 三翼復合鉆頭、球形復合鉆頭，鉆場系統，井內供電、供水與供風系統，排（抽）放管路系統。

4.3 預測孔

以1#孔，取巖芯確定層厚、層位，并作為井筒中心油氣壓力測量孔。 以2#～5#孔∶油氣壓力、流量測量孔，孔底距巷道周界5m。

4.4 突出危險性預測

①根據巖性法預測∶當取出的巖芯中大部分長度在150mm 以上，且有裂隙圍繞，個別為小圓柱體或圓片時，預測為一般突出危險地帶；在取出的1m 長的巖芯內，部分巖芯呈現出20～30 個圓片，其余巖芯長為50～100mm 的圓柱體并有環狀裂隙時， 預測為中等突出危險地帶；當1m 長的巖芯內具有20～40 個凹凸狀圓片時，預測為嚴重突出危險地帶；巖芯中沒有圓片和巖芯表面上沒有環狀裂隙時，預測為無突出危險地帶。

②根據鉆孔動力現象預測∶無油氣噴孔時可預測為無突出危險性。

③根據油氣壓力法預測∶當油氣壓力小于0.74MPa 時，確定該油氣巖層無突出危險性；反之則具有突出危險性。

4.5 排放和抽放

①排放孔設計布置∶根據《防突細則》、《煤礦安全規程》，排放鉆孔布置到巷道周界3～5m 的油氣巖（煤）層；排放鉆孔的直徑為94mm，孔底間距5m；施工時先間隔施工鉆孔，然后對已施工鉆孔進行抽放，若能達到預期效果，則剩余部分鉆孔可不施工或選擇施工。 在排放鉆孔的控制范圍內，如果預測指標降到突出危險臨界值以下，措施有效；

其中[α]是許用壓力角。δmax、δmin的最大可取值區間是[0,180]，由式(12)前2式知α1、α2的最大可取值區間是[-90,90]，由式(13)、式(15)有

②抽放鉆孔∶每個抽放段抽放孔總數量為41 個 （包括5 個觀測孔）。

圖2 鉆孔布置終孔位置圖

③抽放∶在油氣抽放孔終孔后接通管路到泵站抽放。 在地面按設一臺YWB-3 型移動抽放泵站（抽放量40m3/min，抽放負壓80kpa，電機功率55kw），配DN200mm 抽放管進行抽

4.6 效果檢驗

通過對巖芯圓片數及孔內穩定壓力測定方法檢驗措施效果。檢驗孔孔數為4 個，其中巷道中間一個，位于措施孔之間（為取芯孔，對巖芯進行觀測），其他3 個孔位于巷道上部和兩側，終孔位置位于措施控制范圍的邊緣線上。 檢驗指標都符合《防突細則》要求（孔內穩定壓力小于0.74Mpa，巖芯中沒有圓片和巖芯表面上沒有環狀裂隙時），則認為措施有效；反之，認為措施無效，這時必須增設抽放鉆孔，延長抽放時間，直到檢驗孔壓力低于0.74MPa 即可停止抽放，進行掘進施工。

4.7 揭穿油氣層施工

在揭穿油氣層施工前，對工作面上以前留下的勘探孔、抽排孔、檢驗孔等全部按規程規定用水泥砂漿封堵。

在施工工作面距油氣層5～2m（垂距）時，采用短支短掘、淺孔爆破的施工方法施工；當工作面距油氣層2m（垂距）時，采用深孔爆破一次性全斷面揭穿油氣層。 炮眼深度不小于2.6m。

揭穿油氣層后，連續通風2 小時，然后在井口回風流中檢測瓦斯、CO2、CO 濃度，觀察監測探頭顯示的瓦斯、CO2、CO 濃度數據，符合安全要求時，施工人員可入井施工。

5 防爆防燃措施

5.1 在施工過程中必須堅持“封、堵、引、防、排、抽”的原則，嚴格加強安全防與燃防突管理工作。

5.2 掘進施工必須采取遠距離淺眼爆破，放炮地點設在井口處。 炮眼最大深度不得大于2m， 施工中嚴格按照掘進措施爆破圖表的要求鉆眼、裝藥。

5.4 爆破用的炸藥必須采用三級煤礦許用安全乳化炸藥。 引爆的雷管必須采用8# 覆銅毫秒延期電雷管（雷管腳線不小于3m，總延期時間不超過130 毫秒）。 嚴禁混合使用不同廠家生產的炸藥、雷管，不合格或變質的炸藥、雷管嚴禁使用，裝藥前炮眼必須洗吹干凈。

5.5 每個裝藥眼裝完藥卷后，先向炮眼內裝150g 用防水袋裝的食鹽（起消焰作用），再在食鹽上部裝2 節水炮泥，剩余部分的炮眼必須嚴格按《煤礦安全規程》規定的炮泥充填封堵嚴實，充填長度必須符合不小于0.5m 的要求。

5.6 裝藥前， 對已打的露在工作面的排放鉆孔和所打的超前探眼必須用黃土∶水泥∶砂子（1∶0.5∶2）的混合物充填嚴實，封泥長度不小于3m，超前小探眼的封泥長度不小于2m。

5.7 瓦檢員嚴格執行“一炮三檢”制度，放炮地點及其附近20m 范圍內油氣濃度超過0.5%，嚴禁放炮。 不裝藥的炮眼和有油氣涌溢的炮眼必須用黃土、水泥、砂子的混合物充填嚴實。

5.8 聯線方式必須采用串聯。 爆破時必須采用正向爆破，嚴禁反向起爆。

5.9 放炮前，必須由瓦檢員檢查工作面的瓦斯、CO2等氣體濃度，符合《煤礦安全規程》要求后，方可由放炮員聯線放炮，否則嚴禁裝藥放炮。放炮前切斷該巷道內全部非本質安全型電氣設備電源。

5.10 放炮后，等待通風排煙1 小時以后，通過監測系統檢查工作面油氣、溫度、CO2、CO 濃度無異常時，先由專業安全瓦斯油氣檢測人員入井檢查井筒及工作面的油氣、CO、CO2的濃度，確認無問題后，方可通知其他人員入井作業。

6 結論

我公司的過高壓油氣層施工技術，是一項成熟技術，本次通過應用上述 “過高壓油氣層施工技術”， 有一次得到了驗證。 海石灣礦井1100 運輸石門自2008 年6 月以來，到2010 年8 月，歷時26 個月，共打地質鉆孔12 萬余米， 抽放油氣30 萬立方米， 將油氣壓力從6.83 MPa 降到0.74 MPa 以下。 井巷工程安全高效地穿過了800 余米高壓油氣層，圓滿地實現了預定的目標；此技術即為企業解決了井巷施工難題，也為國家節約了寶貴資金。 也必然給國內同類工程提供了了良好的技術參考。

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