0 引 言
由于地质构造等原因，在我国一些矿区，存在着煤炭、石油、天然气等资源共存的现象[1-4]。 鄂尔多斯盆地神府煤田作为我国已探明的最大煤田和陆上探明的最大整装气田，矿区内赋存有丰富的煤炭、石油、天然气、岩盐资源等；鄂尔多斯盆地西缘马家滩矿区存在着煤炭资源与石油共存的现象；陕西黄陵、甘肃窑街等煤矿区也存在煤炭资源与石油等共生现象。 由于石油、天然气等资源的早期开发，资源重叠区域中存在相当多的废弃油气井，这些废弃油气井给煤矿区的开采设计带来了较大困难，不仅造成资源浪费，而且对于油气井邻近煤层的开采也有重大的安全隐患，采掘巷道一旦揭露油气井，存在水、气、油等涌入工作面的重大安全隐患，严重制约着煤矿的安全高效生产[5-7]。
双马井田与中石油“陕宁蒙鄂尔多斯盆地胡尖山油气勘查”区块重叠。 双马煤矿位于煤炭与石油开采重叠区域，井田范围内共有废弃石油井170 口，近十年对采掘工作面有影响的废弃油井10 口，油井中伴有大量的瓦斯、硫化氢等有害气体并逐渐逸散至煤层内。 废弃油井影响范围内瓦斯、硫化氢浓度突然增大，给矿井采掘工作面的安全开采带来了极大的隐患。 尤其是废弃油井影响范围内硫化氢的突然涌出，不仅造成人员伤害，还具有爆炸性和腐蚀煤矿井下设备及监控监测设施等危害[8-10]。
硫化氢是煤矿井下常见的有毒有害气体，针对煤矿硫化氢的严重危害，国内外开展了对煤矿硫化氢通风稀释、煤体抽采、喷洒碱性溶液以及煤体预注碱性吸收液等方面的防治技术研究[11-14]，取得了一定效果，但是对于煤矿硫化氢富集规律特别是废弃油井影响范围内瓦斯、硫化氢等有毒有害气体赋存规律的研究较少[15-16]。 废弃石油井对煤层瓦斯和硫化氢富集、分布及影响范围是制定各项治理措施的依据。 对此，笔者针对双马煤矿石油井影响下瓦斯和硫化氢来源及分布规律、影响范围等开展研究，从而为废弃油井影响范围内瓦斯、硫化氢治理措施设计提供理论依据。
1 废弃油井影响区域气体来源分析
1.1 工作面掘进期间气体来源统计
根据现场统计[8-9]，双马煤矿自投产以来，已回采结束的Ⅰ0104102 工作面、Ⅰ0104103 工作面内或附近均无废弃的石油井，工作面在掘进和回采期间，从未出现过H2 S。 采掘工作面首先出现H2 S 是在Ⅰ0104104 工作面回风巷、Ⅰ0104105 工作面回风巷、Ⅰ0104105 工作面运输巷以及Ⅰ0104106 工作面回风巷。 根据矿井采掘布置，该区域主要为马探30 和马探31 废弃油井，2 个油井走向距离460 m，掘进工作面与H2S 涌出位置关系如图1 所示。
图1 掘进工作面H2S 涌出位置关系
Fig.1 Emission position of H2S on driving face
根据图1 所示H2S 涌出位置关系，统计了工作面掘进期间H2S 的涌出情况，见表1。
根据表1 所示统计结果，结合图1 位置关系可知，只有在马探30 和马探31 废弃油井附近区域作业时，才会涌出H2S，并且距离废弃油井距离越近，掘进工作面H2S 涌出浓度越大。
1.2 探测钻孔气体成分分析
在Ⅰ0104105 工作面回风巷Ⅱ段掘进至距5 号联络巷1 050 m 位置时，通过在工作面施工2 个探测钻孔(K1钻孔、K2钻孔分别距马探31 废弃油井中心85、60 m)，然后采集孔内气样进行气体检测分析，同时在距掘进工作面15 m 位置进行了巷道气体取样，钻孔布置如图2 所示，测定结果见表2。
表1 掘进工作面不同位置H2S 涌出情况统计
Table 1 Statistical of hydrogen sulfide emission at different locations of driving face
日期 地点及位置涌出气体体积分数/10-6现场情况2014-09-17—2014-10-14Ⅰ0104104 回风巷掘进，距 5 号联络巷404～508 m，距马探30 油井212 m— 局部顶板裂隙渗油2014-10-15Ⅰ0104104 回风巷掘进，距马探 30 油井158 m 3.5～15.0 闻到巷道空气中有臭鸡蛋味2015-03-07Ⅰ0104105 回风巷掘进，距 5 号联络巷331 m，距马探 30 油井251 m 1.5～50.0 闻到有臭鸡蛋味2016-11-29Ⅰ0104105 运输巷掘进，距2 号通风措施巷 627 m， 距 马 探30、 31 油 井 150、435 m 60～80最远 445 m 处涌出 体 积 分 数45×10-6 2017-02-09Ⅰ0104106 回风巷掘进，开口距马探30、马探 31 油井 296、313 m 60～80 掘进期间割煤有H2S 涌出
根据表2 中气体成分分析结果，K1钻孔内H2S体积分数为38 033.52×10-6，K2钻孔内 H2S 体积分数为25 599.14×10-6，回风流H2S 涌出体积分数为63×10-6。
根据钻孔气体成分分析，钻孔内CH4、H2S 浓度较高，同时出现C2H6、CO 等气体，与石油井内主要气体成分(CH4、C2H6、CO、H2S 等) 相同，进一步说明工作面H2S 主要来源于废弃油井，并且在废弃油井影响区域一定范围内富集。
图2 探测钻孔布置示意
Fig.2 Schematic diagram of exploration borehole layout
表2 Ⅰ0104105 工作面回风巷探测钻孔气体检测结果
Table 2 Drilling gas detection result for air return roadway detection of Ⅰ0104105 working face
样品编号 检测地点倾角/(°)长度/m孔径/mm φ(H2S)/10-6 H2S-C-2015-0024 K1钻孔 7 40 94 38 033.52 H2S-C-2015-0025 K2钻孔 6 35 94 25 599.14 H2S-C-2015-0026回风流至掘进工作面15 m 处——63
2 油井与煤层位置关系及破坏形式分析
2.1 双马井田油井的井身结构
根据相关研究资料，双马矿区范围内的油井有勘探井也有生产井，都为垂直井。 油井(含油层)深度一般在700 ～900 m，部分油井深度在2 000 m 以上，其套压为 24 ～27 MPa，多为 20 世纪七、八十年代甚至五、六十年代施工，大部分调查出来的石油钻孔只有坐标位置，封孔情况、下设套管情况、钻孔深度和孔斜资料不详。 由于油井的深度相对较小，油井只有1 层生产套管，井口表面都有表层封井水泥，套管的底部和岩石的缝隙之间都有固定套管的固结水泥，套管内部可能有也可能没有封井水泥，完井结构如图3 所示。
图3 废弃油井结构示意
Fig.3 Schematic diagram of abandoned oil well structure
2.2 油井与煤系地层位置关系
根据对马探30 和马探31 废弃油井的相关地质资料分析，马探30 和马探31 废弃油井穿过地层情况及厚度见表3。双马井田内含煤地层为侏罗系中统延安组，共含煤层近 30 层，可采煤层主要有 3-1、3-2、4-1、4-2、4-3、6、10、12、17、18-1、18-2 煤层共 11 层，煤层平均总厚32.71 m，含煤系数为10%。 根据地测资料，Ⅰ0104105工作面范围内马探30 和马探31 油井所在区域各煤层埋深为 185.71 ～513.66 m，其中，Ⅰ0104105 工作面开采的4-1 煤层平均厚度为3.8 m，埋深为226.86 m，与下伏4-2、4-3 煤层层间距分别为10、35 m，煤层平均倾角7°，煤层顶底板岩性主要以粉砂岩、砂质泥岩为主。
表3 废弃油井穿过地层情况及厚度统计
Table 3 Statistical table of formation condition and thickness of abandoned oil well
层厚/m 层厚/m油井 侏罗系 三叠系第四系古近系 安定组直罗组延安组延长组累深/m马探30 10 81.8 — 134.7 344.7 666 1 237.2马探31 15 64.0 63.1 67.9 290.0 666 1 166.0
因此，从油井与煤层位置关系分析及现场论证，含煤地层内局部区域存在含油层，但是对采掘影响较小。 双马井田油井开采油层层位属于三叠系地层，处于矿井最下一层可采煤层以下(18-2 煤层、埋深520 m 左右)，其对废弃油井区域煤层的影响主要取决于油井的破坏形式。
2.3 油井破坏形式及影响
由于废弃油井主要为生产井、注水井等油气井，部分油井为裸眼井，其他油井有套管，但是由于成井时间较长，废弃油井内套管由于锈蚀、腐蚀等，大部分油井套管破坏，石油储层中大量H2S、甲烷等气体逐渐逸散至煤层中。 根据对油井风险等级分类[6]，影响废弃油井附近区域煤层H2S、甲烷等气体富集的主要因素为含油地层与含煤地层的距离和有无套管、套管破损情况及破损点位置等。 一般来说，油井套管无破损或破损点在含煤地层100 m 以下时，废弃油井内H2S、甲烷等气体不易逸散至煤层中；套管有破损并且在含煤地层以下100 m 范围内，以及套管破损，并且位于含煤地层中时，对工作面的采掘有不同程度的影响。 根据井下揭露油井情况及气体分析结果以及马探30 和马探31 油井钻孔封闭情况分析，马探30 油井套管基本完好，马探31 油井在煤系地层内完全遭受锈蚀破坏，因此马探31 油井对煤层H2S、甲烷富集影响较大。
综合上述分析可知，由于双马煤矿井田范围内含油地层和含煤地层为同一套地层，煤层顶板中含有一定量的石油，从含量上看，顶板可能含有贫油层，但是对采掘工作面影响很小。 采掘工作面局部区域涌出H2S 主要受封闭不良、套管有破损并且在含煤地层以下100 m 范围内以及套管破损并且位于含煤地层中的废弃油井影响较大。
3 瓦斯和硫化氢分布规律考察
3.1 硫化氢浓度测定及分布规律
马探31、马探30 废弃油井均位于Ⅰ0104105 工作面开采范围内，至开切眼距离分别为376、836 m。为了进一步分析废弃油井影响范围内H2S 分布规律，在马探31 废弃油井沿工作面走向前后100 ～150 m 内进行了H2S 浓度的直接测试和取样分析。 在Ⅰ0104105 工作面回风巷沿走向前后100 ～150 m 内施工了26 个钻孔，在Ⅰ0104105 工作面运输巷沿走向前后100 m 范围内施工了21 个钻孔，钻孔布置如图4 所示。 根据测试分析结果，以马探31 油井中心为基准，Ⅰ01041 05 工作面回风巷、运输巷各钻孔H2S 和瓦斯等气体浓度沿走向的分布规律如图5所示。
图4 马探31 油井H2S 浓度测试钻孔布置
Fig.4 Drilling arrangement for hydrogen sulfide concentration test of oil well Matan 31
根据马探31 废弃油井沿走向前后100 ～150 m区域内测定的钻孔气体成分分析结果，结合瓦斯、H2S 浓度分布沿工作面走向的变化规律(图5)，可以得出：沿工作面走向，越靠近油井中心，钻孔内瓦斯、H2S 浓度越高，瓦斯、H2S 浓度分布变化趋势是以油井为中心，在-100 ～100 m 内呈现逐渐降低的趋势。 由于煤矿H2S 异常富集区的形成一般是受地质作用所控制，呈现分散分布与区域化富集，但是受废弃油井影响，在局部区域硫化氢气体分布仍然是以油井为中心向外部区域逐步逸散。
3.2 瓦斯含量测定及分布规律
煤体为富含孔隙、裂隙的多孔双重介质，由于孔隙裂隙的存在，瓦斯一般以游离状态和吸附状态2种形式赋存于煤体中，并且处于动态平衡状态和不断的交换之中。 废弃油井中存在的瓦斯气体，在气体压力作用下，通过反渗流从油井进入煤层，因此废弃油井影响区域内煤层瓦斯含量一般要比影响区域外要大。
图5 马探31 油井影响范围内气体浓度分布规律
Fig.5 Distribution law of gas concentration in influence range of oil well Matan 31
为了掌握废弃油井影响范围内煤层瓦斯含量的分布规律，在Ⅰ0104105 工作面马探31、Ⅰ0104106工作面马探23 等废弃油井影响范围内施工取样测试钻孔，进行了废弃油井影响区域煤层原始瓦斯含量的测定。 由于煤层本身瓦斯含量较小，为了避免工作面不同开采区域煤层瓦斯含量分布的差异性以及测量误差造成的影响，在现场取样时通过避开地质构造区域，并采用瓦斯含量直接快速测定方法，尽可能使测定数据准确可靠。 根据测定结果，得到Ⅰ0104105工作面、Ⅰ0104106 工作面废弃油井影响范围内煤层瓦斯含量的分布规律，如图6 所示。
为了进一步验证废弃油井对煤层瓦斯含量分布的影响，通过在Ⅰ0104106 工作面回风巷05B4 钻场向南 100、150、200 m 处施工 3 个钻孔(距最近废弃油井距离300 m 以上)，钻孔深度80 m，分别在40、60、80 m 深度采取煤样，测定了废弃油井影响范围外4-1 煤层的可解吸瓦斯含量。 与废弃油井影响范围内(马探31、马探23 废弃油井区域分别施工了47 个、21 个测试钻孔)测定结果对比见表4。
根据表4 对比结果可知，马探23、马探31废弃油井影响范围内4-1 煤层可解吸瓦斯含量远大于废弃油井影响范围外煤层可解吸瓦斯含量。
图6 废弃油井附近煤层可解吸瓦斯含量分布规律
Fig.6 Gas content distribution rule near the abandoned oil well
表4 废弃油井影响范围内、外煤层可解吸瓦斯含量测定结果对比
Table 4 Comparison of gas content determination results in the influence area of abandoned oil well and outer coal seam
油井 瓦斯含量/(m3·t-1)影响范围内 影响范围外马探23 1.15(平均值) 0.64(平均值)马探31 1.28(最大值) 0.72(最大值)
为了进一步研究废弃油井对煤层瓦斯含量分布的影响规律，以马探31 废弃油井为例，在马探31 废弃油井影响区域(径向160 m 范围内)，利用图4 所示浓度测试钻孔进行煤层可解吸瓦斯含量测试，得到了距离废弃油井不同径向距离煤层可解吸瓦斯含量的分布规律，如图7 所示。
图7 煤层可解吸瓦斯含量沿径向的分布规律
Fig.7 Distribution rule of desorption gas content in coal seam along the radial direction
根据图6 和图7 所示结果可以看出，距废弃油井距离越近，煤层可解吸瓦斯含量越高，马探31 废弃油井影响区域煤层瓦斯含量沿油井中心距离的分布呈现幂函数降低的趋势。
4 瓦斯和H2S采动涌出影响范围考察
为了考察废弃油井对煤层瓦斯、H2S 的影响范围，根据Ⅰ0104105 工作面过马探31 废弃油井期间瓦斯和H2S 涌出统计，Ⅰ0104105 工作面自2017 年9 月26 日回采至过马探31 油井期间，采动瓦斯和H2S 涌出变化趋势如图8 所示。
图8 过马探31 油井期间瓦斯、H2S 涌出变化趋势
Fig.8 Trends of gas and hydrogen sulfide emission during the exploration of Matan 31
根据图8，Ⅰ0104105 工作面过马探31 油井期间瓦斯和H2S 涌出变化趋势，并结合掘进期间出现H2S 位置以及废弃油井影响范围内瓦斯和H2S 分布规律，可以得出：
1)工作面在推进至废弃石油井位置前，瓦斯、H2S 浓度呈上升趋势，随着工作面推进远离废弃石油井时，瓦斯、H2S 浓度呈下降趋势。 由于马探31废弃石油井为裸眼井、无套管，且未提前进行地面封堵，油气地层的瓦斯、H2S 通过裂隙侵入到煤系地层，且吸附在煤层中，受采动影响，大量逸散至采动空间。
2)马探31 废弃油井距Ⅰ0104105 工作面开切眼走向距离376 m 左右，根据H2S 浓度变化趋势，在Ⅰ0104105 工作面开始推进时便出现H2S，与前述工作面掘进期间气体来源统计完全一致，Ⅰ01041 05工作面过马探31 废弃油井期间，马探31 废弃油井在走向上影响的范围在600 m 以上。
3)Ⅰ0104105 工作面在掘进和采煤期间均出现不同程度瓦斯、H2S 浓度超限，同时在工作面推进80 m 后上隅角出现瓦斯超限，最高体积分数达到1.13%，通过掘进期间和采煤期间瓦斯、H2S 出现位置和浓度变化情况，同时根据长期跟踪测定，提出了马探 31 废弃油井影响区域“半径 300 m 逸散圈”——即以废弃油井为圆心，油井内H2 S 等有害气体扩散半径在300 m 以上。
5 结 论
1)双马井田煤系地层属于煤、油共存地层，顶板贫油层对采掘工作面影响很小，局部区域涌出H2S 主要来源于封闭不良废弃油井内气体的长期性扩散和运移，并且与距含油层的距离、油井有无套管、套管破损情况及破损点位置等因素有关。
2)Ⅰ0104105 工作面马探31 废弃油井影响区域，沿走向越靠近油井中心，钻孔内瓦斯、H2S 浓度越高，以油井为中心呈现逐渐降低的趋势；煤层可解吸瓦斯含量沿油井中心距离的分布呈幂函数降低的趋势；采动期间工作面越靠近油井中心瓦斯、H2S 涌出浓度越大，远离油井时呈下降趋势。
3)研究得出双马煤矿马探31 废弃油井影响区域瓦斯和H2S 对Ⅰ0104105 工作面的影响半径至少为300 m，提出了废弃油井影响范围内气体“逸散圈”分布的设想，但是由于煤岩物理性质、硫化氢吸附特性、地质构造等因素影响，废弃油井影响区域瓦斯、H2S 分布及影响范围可能存在差异性，下一步将综合考虑上述因素进行深入研究。
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