0 引 言
鄂尔多斯盆地是我国煤炭、石油、天然气等多种矿产资源共生、伴生的盆地[1-2]，受油气区域地质背景影响[3-5]，盆地内已有多个煤矿区的矿井在煤炭开采过程中发生了油气异常涌出现象。如盆地南缘国家亿吨煤炭基地黄陇煤田的黄陵、焦坪、旬耀、彬长和永陇等矿区是我国典型的煤油气共存、共采矿区。焦坪矿区的崔家沟、陈家山矿井采空区60%～70%的瓦斯来自围岩油气，且矿井采掘和井下钻探过程中均多次发生围岩油气异常喷出现象；黄陵矿区一号煤矿、二号煤矿和双龙煤矿均相继发生大面积油气涌出现象，油气异常涌出导致巷道瓦斯体积分数高达8%、瞬时涌出速率高达187.2 m3/min，单个涌出点的涌出气体体积最高达21×104 m3；芦村一号煤矿在井筒检查孔施工至煤层顶板砂岩时发生大量油气井喷现象，井下探孔测得钻孔油气瞬间最大涌出量达16 m3/min。大量油气瞬间涌入采掘空间，导致矿井瓦斯浓度严重超限，矿井停产停掘甚至采掘接续重新调整，给煤矿企业造成了重大的经济损失，给井下工人的生命安全造成了严重威胁。随着煤油气共存矿井开采区域及开采深度的加大，油气异常涌出规模和频次呈现出加剧趋势。
研究认为含煤地层中油气成因类型为油型气[6]，由于含煤地层油型气分布不均，远达不到地面油气开发利用程度，石油天然气勘查中对于含煤地层段的油型气赋存很少关注；煤田地质勘探过程中尽管也发现了含煤地层中有油迹、油侵、油气涌出等现象[7]，但也未做任何具体探测和研究工作。在地质勘查过程中含煤地层油气成为盲区，而在矿井煤炭开采过程中又面临着油气涌出的实际威胁。20世纪70年代，煤炭开采领域开始关注煤炭开采过程中油气涌出问题，据焦坪矿区的研究认为矿井油气分布多受岩性、构造双重控制[8]。黄陵矿区采空区瓦斯中油型气占比为77.61%[9]，远砂坝、河口砂坝和三角洲平原沼泽等微相沉积有利于砂岩透镜体和构造高部位控气[10]，提出了油型气赋存、预测指标及方法[11]、油型气涌出规律及机理[12-13]、油型气探测技术及方法[14]和油型气参与下的围岩巷道变化规律[15-16]。
煤炭安全精准开采是发展必然趋势[17-19]，煤油气共存矿井油型气治理也必需走精准之路。煤油气共存矿井油气与煤层瓦斯在生成母质、成因类型、储集层、赋存状态、涌出规律、气体成分及爆炸特性上不同[20]。无法直接用煤层气(瓦斯)的理论方法来研究煤油气共存矿井油气的成因机制、赋存预测和涌出致灾机理等实际问题，而国内外又没有矿井油气灾害治理的成功经验。为此，在黄陵矿区开展了煤油气共存矿井油型气精准治理技术研究，实践探索油型气赋存、涌出预测及油型气定向长钻孔抽采的精准治理技术，为煤油气共存矿井煤炭资源安全高效开采提供了技术保障。
1 研究区油型气储集层赋存特征
黄陵矿区位于鄂尔多斯盆地南缘，矿区地层由老至新主要有三叠系、侏罗系、白垩系和第四系。侏罗系延安组富含煤炭资源，主采煤层为2号煤层，3号煤层局部可采；三叠系延长组富含油气资源，油气资源储层主要分布在三叠系的瓦窑堡组、永坪组、胡家村组和铜川组(即延长群)，目前油气资源开发主要集中在长4+5和长7[21]。漫长地质演化过程中，延长组深部油气在构造运动作用下向上运移，该部分油气在煤层顶底板砂岩层中保存下来。为查明2号煤层顶底板采掘扰动范围(煤层顶底板各50 m)油型气储集层分布情况，采用地面钻探(取心、测井、录井)和井下钻探绳索取心、油气井资料和煤田勘探钻孔资料再解译技术[22]等工程手段，勘查样品采集钻孔分布如图1所示，查得研究区2号煤层顶底板采掘扰动范围内连续稳定分布的油型气储集层有4层，由上而下分别为直罗组一段砂岩、延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩；根据采集到的岩心样品进行了储集层孔隙度和渗透率测试。4个油型气储集层特征见表1。
图1 研究区油型气储集层勘查样品采集钻孔分布
Fig.1 Engineering site of sample collection of oil-gas reservoir exploration in studying area
表1 研究区油型气储集层及储层特征
Table 1 Oil-type gas reservoirs and their characteristics in study area
采掘扰动影响内油型气储集层相对2号煤层距离/m储集层厚度/m孔隙度/%渗透率/(10-3 μm2)岩 性直罗组一段砂岩5.5～115.9/83.31.1～9.0/4.73.90～6.82/5.310.173～0.347/0.240中粒、细粒砂岩延二段七里镇砂岩0～28.8/1.52.8～23.8/7.22.11～2.33/2.230.036～0.063/0.048细粒砂岩富县组下部砂岩0～23.3/6.35.7～15.0/9.01.83～3.11/2.400.033～0.076/0.051细粒砂岩瓦窑堡组顶部砂岩2.2～101.7/32.72.0～17.8/6.81.71～3.03/2.310.035～0.071/0.047细粒砂岩
注：最小值～最大值/平均值。
由表1可知，4个油型气储集层厚度不稳定，同一储集层与2号煤层的间距变化也比较大，4个储集层均以细粒砂岩为主。延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩孔隙度整体小于5%，渗透率小于0.1，属于致密低渗储集层；致密低渗储集层未受到人为改造或采掘扰动影响下，气体较难产出，抽采钻孔影响范围有限，煤炭采掘扰动后储集层气体极易涌向采场空间。
2 油型气涌出规律及原因分析
2.1 油型气涌出规律
为查明工作面煤炭回采扰动过程中煤层底板油型气涌出规律，在409工作面辅运巷布置了22个底板油型气抽采钻孔，检测工作面煤炭回采前、回采中和回采后的底板抽采钻孔油型气抽采数据，以此分析煤层底板油型气涌出与工作面煤炭回采扰动的时空关系。据检测结果统计，有13组钻孔检测到了油型气涌出，9组未检测到油型气涌出现象。有油型气涌出的13组钻孔施工参数与油型气检测数据见表2，部分钻孔的油型气抽采量和浓度与钻孔距回采工作面距离之间的关系如图2所示。
表2 回采工作面采掘扰动下煤层底板油型气涌出检测数据
Table 2 Detection data of oil-type gas emission from coal seam floor under mining and excavation disturbance
钻孔编号与煤层底板垂距/m钻孔与巷帮距离/m终孔相对回采工作面距离/m钻孔持续出气时间/d钻孔持续出气长度/m钻孔最大涌出量/(m3·min-1)1-422.2423-10.4～-29.9419.50.051-523.4164-0.2～-39.31039.10.101-625.5632-2.6～-39.5536.90.411-1122.70109-13.1～-29.3316.20.171-1223.60114-9.6～-34.5624.90.051-1324.27119-5.5～-30.5524.90.741-1423.37113-1.3～-20.8519.50.211-1723.82116-11.5～-41.5630.00.031-1825.84129-9.1～-39.1830.00.201-1928.99150-9.6～-65.11755.50.161-2025.99150-8.0～-25.7217.70.191-2125.02124-7.2～-36.01128.80.401-2233.26120-4.2～-40.21036.00.13
图2 油型气抽采量、体积浓度与钻孔相对工作面距离关系
Fig.2 Relationship between oil type gas production，oncentration and distance between borehole and working face
由表2可知，有油型气涌出的钻孔垂深为22.24～33.26 m，平均25.77 m，钻孔与工作面巷帮距离为23～150 m，平均102.3 m，采掘扰动过程中抽采钻孔持续出气范围(开始出气与停止出气点至回采工作面的距离)为-0.23～-65.14 m，钻孔持续出气距离(长度)为16.20～55.50 m，平均30.05 m，钻孔持续出气时间为2～17 d。根据图2可知，工作面煤炭回采前抽采钻孔检测不到油型气涌出量，进入煤炭回采扰动范围后抽采钻孔开始出气，油型气产气量呈现先增大后降低规律，钻孔油型气涌出量为0.03～0.74 m3/min，煤炭回采后钻孔由呈现不产气现象。有9组钻孔未出气，其垂深为3.28～12.1 m，平均8.4 m，钻孔距工作面巷帮距离为0～36 m，平均13.5 m；因这9组钻孔布置层位距离2号煤层均较近，钻孔上覆岩层厚度薄，且岩层中采动裂隙发育，无法有效封堵卸压涌出的油型气，而是沿着采动裂隙直接涌向了采空区，故抽采钻孔往往抽采不到油型气。
2.2 油型气涌出原因分析
煤油气共存矿井工作面煤炭开采后形成了自由空间，打破了地层原有应力平衡，在强大地应力作用下岩层重新寻找新的平衡点，应力出现重新分布，沿工作面方向地层应力分布表现为原始应力、应力集中、卸压和应力恢复4种状态。不同的应力状态也引起底板岩层依次呈现不同的变形，其变形依次表现为正常、压缩、膨胀和压实恢复4种状态[23-24]，随着工作面向前推进，4种应力、应变状态区交替重复出现。煤层底板岩层应力和变形分布如图3所示。黄陵矿区2号煤层底板发育有2层连续稳定分布的油型气储集层，距2号煤层底板平均距离分别为6.3 m和32.7 m，从工作面回采扰动数值模拟显示[15，20]2个储集层均分布在回采扰动影响范围内，2个储集层是回采工作面油型气涌出的主要来源。因2号煤层底板油型气储集层孔隙度低、渗透性差，在原始应力或应力集中状态下储集层中油型气较难抽出，故在工作面底板布置的抽采钻孔在原始应力区或应力集中区呈现钻孔不出气或出气极低现象。随着回采工作面向前推进，底板抽采钻孔进入到卸压区后，因地层应力降低，油型气储集层渗透性得到提高，卸压岩体膨胀变形又产生了较多的离层裂隙和穿层裂隙，将更大范围的油型气储集岩体沟通，综合作用促使储集层中的油型气涌出并在该部位聚集，所以在卸压区有利于底板钻孔抽采油型气。当抽采钻孔进入到压实恢复区后，因上覆岩层垮落，垂直应力增加，岩层重新恢复压实，渗透性下降，钻孔油型气抽采量也随之降低。因此，底板钻孔油型气抽采量主要受到岩层应力和变形的控制，卸压区是底板钻孔抽采油型气有利区域，由表2和图2可知，在黄陵矿区这有利区域主要集中在相对回采工作面-0.23～-65.14 m 。
图3 回采工作面采动应力分布及卸压导气带形成示意
Fig.3 Distribution of mining stress and formation of pressure relief gas conduction zone in working face
3 油型气精准抽采治理
3.1 精准立体抽采模式
基于研究区油型气赋存特征、油型气储集层物性特点和回采扰动下油型气涌出的时空规律，利用定向钻探施工工艺技术对钻孔轨迹的精确控制，在2号煤层围岩中沿工作面走向分别布置定向长钻孔实施油型气的精准立体综合抽采。工作面煤炭回采前，定向长钻孔实施围岩油型气的探、抽工作；工作面煤炭回采过程中，拦截抽采采掘扰动下涌向工作面的油型气；工作面煤炭回采后，继续抽采涌向采空区的油型气。在空间上，建立煤油气共生矿井回采工作面顶板、底板和煤层的立体、分源抽采；在时间上，形成采前探抽、采中卸压抽、采后采空区抽采的立体综合精准抽采模式。油型气精准立体综合抽采模式如图4所示。针对黄陵矿区，底板定向长钻孔优先布置在距离2号煤层底板20～30 m的油型气储集层或砂岩层中，对顶板定向长钻孔优先布置在回采扰动影响范围内、距2号煤层顶板15～45 m连续稳定的油型气储集层或砂岩层中；抽采钻孔终孔直径ø96 mm以上，确保钻孔沿预定层位，钻孔轨迹垂向偏差需小于孔深的0.7%。
图4 油型气精准立体综合抽采模式示意
Fig.4 Mode of three-dimensional comprehensive precise drainaging oil-type gas
3.2 工程应用试验
205工作面走向长3 500 m，倾向宽240 m，顶板七里镇砂岩厚度3～27 m，整个工作面均有分布，顶面标高+740—+800 m，高差约60 m。工作面附近勘探钻孔显示有2层相对连续分布的稳定细粒砂岩层，可以看出，2号煤层顶除七里镇砂岩外，上部还有2层细粒砂岩，厚度分别为6.4、6.0～14.0 m。底板垂深50 m内富县组和瓦窑堡组分别各有1组相对连续稳定分布的砂岩层，其厚度分别为0～11.1 m和10.0～23.0 m。在该工作面3个钻孔测得油型气压力(表压力)分别为0.48、0.85、1.12 MPa，估算得1 m3 砂岩含油型气0.11～0.48 m3。
在205工作面8联络巷布置钻场，在煤层顶板、底板和煤层中布置5个钻孔，其中顶板3个、底板2个。顶板定向钻孔布置垂高为20～40 m，底板钻孔布置垂深为20 m层位。定向抽采钻孔采用三级结构，一级钻孔直径ø193 mm，下ø168 mm套管；二级钻孔直径ø153 mm，下ø146 mm套管；三级钻孔为裸眼孔，其直径ø113 mm，沿着预定层位钻进。定向长钻孔施工采用ZDY-6000LD履带式全液压定向钻机，配置BWD-350/10型泥浆泵、ø73 mm中心通缆钻杆和YHD1-1000随钻测量系统。钻孔施工过程中安全防喷水汽分离装置，便于钻探施工过程中涌出的油型气及时进入抽采系统，钻孔施工完成后及时封孔、连接油型气抽采管路系统，全程检测煤炭回采过程中钻孔油型气抽采情况。该钻场5个定向长钻孔工程施工参数及钻孔油型气抽采数据见表3。
表3 定向长钻孔施工参数及油型气抽采情况
Table 3 Construction parameters of directional long boreholes and oil-type gas extraction conditions
钻孔编号布置层位与煤层垂距/m钻长/m孔径/mm至巷帮距离/m钻孔油型气抽采情况体积分数/%流量/(m3·d-1)累计量/m312顶板2062011324028.030022 0003067911314028.02386 6673407481134017.02908 70845底板206561131604.301014 424207221137020.01788 524
205工作面正常回采期间监测上隅角CH4浓度，将围岩定向长钻孔覆盖区域和未实施围岩抽采钻孔区域上隅角CH4浓度进行对比，对比结果如图5所示。从图中可以看出在未实施围岩抽采钻孔区域，上隅角CH4体积分数为0.32%～2.0%，CH4体积分数均值为0.81%，多次发生上隅角CH4浓度超限现象；在围岩定向长钻孔覆盖区域，上隅角CH4体积分数为0.8%～0.25%，CH4体积分数均值下降为0.48%，上隅角未发生CH4浓度超限现象。围岩定向长钻孔精准抽采减少了回采工作面风排瓦斯量，有效降低了工作面上隅角CH4浓度，保障了工作面煤炭安全高效回采。
图5 回采工作面上隅角CH4浓度监测数据统计
Fig.5 Statistical chart of CH4 concentration monitoring data in upper corner of working face
4 结 论
1)研究区2号煤层顶底板50 m内共发育有4层连续稳定分布的油型气储集层，其中顶板的2个油型气储集层分别为直罗组一段砂岩和延二段七里镇砂岩，底板的2个油型气储集层分别为富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩。油型气储集层以细粒砂岩为主，总体上属于致密低渗储集层，原始储层条件下油型气较难产出，而采掘扰动下油型气又能迅速涌向采场空间。
2)试验显示回采扰动下底板油型气抽采钻孔布置在垂深22.24～33.26 m，平均25.77 m，抽采钻孔持续出气(开始出气与停止出气点相对回采工作面的距离)-0.23～-65.14 m。分析认为在回采工作面卸压区因地层应力降低、岩层膨胀变形产生较多的离层裂隙和穿层裂隙，促使周围油型气涌向卸压区并在该部位聚集，这是底板钻孔抽采卸压区油型气的最佳位置。
3)依据油型气储集层赋存特征和油型气涌出的时空分布规律，建立了基于定向长钻孔回采工作面油型气精准立体综合抽采模式，实现了油型气采前探抽、采中卸压抽和采后采空区抽采精准抽采治理。工程应用实践表明：抽采后工作面上隅角CH4体积分数均值由0.81%下降到0.48%，且上隅角未发生CH4浓度超限现象。
4)油型气精准治理技术不仅适用于煤油气共存矿井，也可在围岩瓦斯含量较大或多煤层开采矿井中推广应用，具有广阔的应用前景。
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