Mitigation Technologies for Wellbore Blockage Caused by Coal Powder Ejection from Surface Wells in Mining-Disturbed Areas: A Case Study

ملخص تقني: تقنيات التخفيف من انسداد الآبار الناتجة عن قذف مسحوق الفحم من الآبار السطحية في المناطق المتأثرة بالتعدين

بيان المشكلة
تُعد الآبار السطية المحفورة في المناطق المتأثرة بالتعدين آلية فعالة لتصريف الغاز لتخفيف الضغط في طبقات الفحم اللينة والمعرضة للانفجار. ومع ذلك، في بيئات التعدين العميق التي تتميز بالإجهاد الموقعي العالي، وضغط الغاز المرتفع، والاضطراب التعديني المكثف (تحديداً في مناطق تعدين هوايبي وهواناي)، تواجه هذه الآبار نمط فشل حرج: وهو الانسداد الشديد لثقب البئر الناتج عن قذف مسحوق الفحم.

في منجم لولينج للفحم، كشفت الملاحظات الميدانية أنه مع اقتراب وجه العمل التعديني من البئر السطحي، تتعرض طبقات الفحم اللينة العلوية (الأرقام 7 و8 و9) لتركيز الإجهاد والتفتت. وفي الوقت نفسه، يؤدي تخفيف الضغط الناجم عن التعدين إلى إزالة غاز سريعة، مما يخلق قوة دفع نيوماتيكية (هوائية) قوية تقذف كميات كبيرة من مسحوق الفحم إلى ثقب البئر. ويمكن أن يصل هذا التراكم إلى ارتفاعات تتجاوز 100 متر، مما يؤدي فعلياً إلى سد الأنبوب (القميس). وتكون العواقب مزدوجة: تنخفض كفاءة تصريف الغاز بشكل حاد (انخفاض معدلات التدفق القصوى بأكثر من 50% في الحالات غير المعالجة)، كما يمنع الانسداد تصريف المياه من البئر إلى منطقة التعدين (الغوآف)، مما يعيق استخراج الغاز بشكل أكبر ويشكل مخاطر أمنية. وقد وُجد أن استراتيجيات التخفيف الحالية للآبار المتصدعة قبل التعدين غير كافية لهذه الظروف المحددة الناتجة عن اضطرابات التعدين.

المنهجية
استخدمت الدراسة مزيجاً من دراسات الحالة الميدانية، والاختبارات التشغيلية، والتجارب المختبرية لتقييم ثلاث تقنيات تخفيف متميزة في منجم لولينج للفحم (تحديداً في أوجه العمل 1022 و1024):

1. الغسل بالغاز عالي الضغط: تضمنت هذه الطريقة حقن غاز عالي الضغط (7.0–8.5 ميجا باسكال) عبر أنبوب حفر لطرد مسحوق الفحم المتراكم والمياه من البئر. واختبرت الدراسة الغسل في مراحل مختلفة من التقدم التعديني: عندما كان وجه العمل على بعد >100 م، وعندما كان مباشرة تحت البئر، وعندما كان قد تجاوز البئر بالفعل.
2. تركيب أنبوب الوقوف (Standpipe): تم تركيب أنبوب وقوف صلب بقطر 127 ملم داخل أنبوب الإنتاج المشقوق بقطر 219 ملم للحفاظ على قناة واضحة لتدفق الغاز. وتم دمج ثقوب تصريف في الأسفل أو على طول جدار الأنبوب للسما_للسماح بتصريف المياه مع محاولة منع دخول مسحوق الفحم.
3. مرشح الشبكة المعدنية: تم لف مرشح شبكة معدنية حول الجزء الخارجي من الأنبوب المشقوق لمنع دخول مسحوق الفحم فيزيائياً إلى ثقب البئر. ولتحسين هذا النهج، تم بناء جهاز تجريبي مختبري لمحاكاة قذف مسحوق الفحم. واختبر هذا الجهاز أحجام شبكات مختلفة (0.5 ملم، 1.0 ملم، 2.0 ملم) وضغوط حقن مختلفة لتحديد المقايضة بين احتجاز المسحوق وسعة تدفق الغاز.

النتائج الرئيسية

• الغسل بالغاز عالي الضغط: كان توقيت الغسل أمراً حاسماً. فالغسل الذي تم عندما كان وجه العمل على بعد >100 م وفر راحة مؤقتة فقط؛ حيث تراكم مسحوق الفحم مجدداً مع تقدم التعدين. كما كان الغسل الذي تم بعد تجاوز الوجه للبئر غير فعال أيضاً، لأن الكسور الناتجة عن التعدين سمحت للغاز المحقون بالهروب إلى منطقة التعدين بدلاً من حمل المسحوق إلى السطح. وكان الغسل الأكثر فعالية هو الذي حدث عندما كان وجه العمل في وضع مباشرة تحت البئر. في هذه الحالات (الآبار 1022-14 إلى 1022-17)، وصل متوسط ذروة معدل تدفق الغاز إلى 30.9 م³/دقيقة، وامتدت مدة التدفق فوق 10 م³/دقيقة إلى متوسط 57.5 يوماً.
• تركيب أنبوب الوقوف: ثبت عدم فعالية هذه الطريقة. فبينما حدد أنبوب الوقوف ذو ثقوب التصريف الدنيا (البئر 1022-19) التراكم عند 15 متراً، عانت الآبار ذات ثقوب التصريف الواسعة (الآبار 1022-20 و1022-21) من انسداد شديد (69–86 متراً) بسبب دخول مسحوق الفحم عبر ثقوب التصريف. وخلصت الدراسة إلى أن أنابيب الوقوف لا يمكنها منع دخول المسحوق بفعالية دون المساس بتصريف المياه أو اشتراط تكوينات معقدة للثقوب.
• مرشح الشبكة المعدنية: أكدت الاختبارات المختبرية أن مرشحات الشبكة المعدنية تحجز مسحوق الفحم بفعالية. ومع ذلك، فإن الشبكات الأنعم قللت بشكل كبير من سعة تدفق الغاز بسبب الانسداد.
  • الشبكة 0.5 ملم حجزت المسحوق جيداً ولكنها قللت تدفق الغاز بنسبة 22–92%.
  • الشبكة 2.0 ملم كان لها تأثير ضئيل على التدفق ولكنها سمحت بدخول كميات كبيرة من المسحوق.
  • الشبكة 1.0 ملم قدمت التوازن الأمثل، حيث قللت تدفق الغاز بنسبة 5–31% فقط مع الاحتفاظ بمسحوق الفحم بفعالية.
  • التطبيق الميداني: حققت الآبار 1024-2 و1024-3، المجهزة بشبكة 1.0 ملم، متوسط ذروة معدل تدفق قدره 27.29 م³/دقيقة وحافظت على التدفق فوق 10 م³/دقيقة بمتوسط 45.5 يوماً. وتم الحد من أقصى ارتفاع لتراكم المسحوق إلى 10–12 متراً خارج الأنبوب، مما منع الانسداد الداخلي.

الأهمية والادعاءات
ترى الورقة أن الأسباب الرئيسية لانسداد ثقب البئر في المناطق المتأثرة بالتعدين هي الجمع بين الفحم اللين القابل للتفتت تحت الإجهاد وضغط الغاز العالي الذي يوفر قوة الدفع للقذف. وتوضح الدراسة أنه بينما يعد الغسل بالغاز عالي الضغط إجراءً فعالاً إذا تم توقيته بدقة (عندما يكون وجه العمل مباشرة تحت البئر)، إلا أنه يظل إجراءً علاجياً (رد فعل).

ويزعم المؤلفون أن مرشح الشبكة المعدنية (تحديداً 1.0 ملم) يمثل أكثر تقنيات التخفيف الاستباقية واعدة. فمقارنة بالغسل وأنابيب الوقوف، يتميز منهج الشبكة بكونه:

• أكثر فعالية: لأنه يمنع الانسداد بدلاً من مجرد تنظيفه.
• أكثر اقتصادية: حيث يتضمن تكاليف إنشاء وعمالة أقل من تركيب أنابيب الوقوف أو القيام بعمليات غسل متكررة.
• مرضٍ من حيث الأداء: تؤكد البيانات الميدانية أنه يحافظ على معدلات عالية لتصريف الغاز مع النجاح في تخفيف تراكم مسحوق الفحم داخل ثقب البئر.

وتخلص الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم مرجعاً عملياً لتصريف الغاز لتخفيف الضغط في بيئات طبقات الفحم المماثلة التي تتسم بالليونة والتعرض للانفجار، حيث يشكل قذف مسحوق الفحم خطراً تشغيلياً حرجاً.