大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式。在地下水封石油洞库的建设中,由于工程体的出现,改变了区域地下水的补给、径流和排泄条件,干扰了原来平衡的地下水渗流场,为保证地下石油洞库的水封效果,需进行裂隙岩体渗透特性及地下水渗流场时空演化研究。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为工程背景,结合现场试验数据分析,运用等效连续介质的方法,采用裂隙岩体各向异性渗透张量,建立三维地下水数值模拟模型,预测不同施工进程时地下水位的变化。分析预测结果表明：在地下洞室开挖过程中,无水幕条件下地下水位逐渐降低,主洞室部分区域出现零水头压力区,无法保证水封性;模拟运营期水幕巷道施加定水压力,地下水位上升至设计高度35 m且趋于稳定,可以满足水封效果要求。研究结果对地下石油洞库的水封性评价具有一定的工程意义和理论价值。     

裂隙随机分布条件下地下石油洞库水封性评价

以国内首个大型地下水封石油洞库工程为背景,在考虑洞库围岩节理裂隙的随机分布特征基础上,采用离散介质 流-固耦合理论对大型地下石油洞库水封性进行了评价。介绍了地下水封储油洞室水封原理与水封准则。通过室内结构面剪切试验获得了结构面参数,采用Barton-Bandis剪胀模型对结构面参数进行了校验。根据库区节理裂隙统计结果,建立了洞库围岩的随机节理裂隙网络模型。分析了不同水幕压力条件下洞室开挖后地下水压力分布情况、涌水量大小和洞库围岩变形与受力情况。分析表明：在水幕压力大于或等于75 kPa的条件下,洞室周围地下水压力满足水封准则;在水幕压力为75 kPa条件下各洞室涌水量在0.003~0.015 m3/d之间,拱顶沉降量在16~32 mm之间。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统设计提供依据。     

黄岛地下储油库渗流场模拟

为预测黄岛地下水封油库洞库运营期间洞库涌水量和研究设置水幕的必要性,利用FEFLOW软件,首先对黄岛地下水封石油洞库分别建立无水幕和有水幕条件下的三维地下水数值模型,进而对两种条件下的洞库涌水量做预测以及洞库上方的水位变化分析,结果指出：洞库在无水幕条件下前期涌水量为530m^3／d,常规涌水量为249m^3／d。有水幕条件下前期涌水量为643m^3／d,常规涌水量为309m^3／d。相对于无水幕条件,有水幕条件下有力保证洞库的水封条件,水封效果较好,有力的保证了地下水封石油洞库的储油安全。     

新建地下水封油库对附近运行油库水封可靠性影响研究

大型地下水封油库分期建设中,新建地下水封油库可能会对已投产的同类洞库水幕系统及渗流场产生一定影响,进而可能导致已建油库发生油气外泄等安全事故,但目前国内外对该问题的研究甚少。以在邻近某一已建大型地下水封油库附近扩建国家三期战略石油储库项目为背景,研究因扩建项目施工改变库区渗流场而导致的对已投产大型水封油库储油安全性的影响。通过洞库实际涌水量资料反演分析获取库区岩体的等效渗透张量,采用COMSOL Multiphysics软件模拟已建成的地下水封油库运营期的渗流场,并将其作为初始渗流场,进而模拟研究新建洞库开挖情况下渗流场的演化规律。以洞库区地下水位线、水封压力及围岩渗水量为评判指标,分析新建洞库对运行洞库水封可靠性的影响,研究表明:当两期洞库间距超过200m时,即使不设置中央垂直分离水幕系统,新建洞库施工也不会对已投产洞库的水封可靠性产生影响,即确保储油安全的最小洞库间距为200m。研究成果对评价在已投产地下水封油库附近修建同类油库的可行性及相互影响程度提供了理论依据。     

海岛环境下地下水封油库竖直水幕系统水封可靠性研究

我国地下水封油库多建造在沿海地区陆地岸线以内,在海岛建造地下水封油库尚未有先例。海岛四周为海水包围,地下洞室的开挖会导致海水入侵,影响地下油库的使用寿命。为保证地下洞库的水封可靠性需布置水幕系统,现今已建油库的水幕系统多以水平水幕为主,尚未有专门针对竖直水幕系统水封可靠性的相关研究。竖直水幕系统相比于水平水幕系统具有操作简单、对原岩扰动小等优点,且可以起到对海水的"屏障"作用,因此开展海岛环境下地下水封油库竖直水幕系统的水封可靠性研究具有重要意义。论文采用数值模拟方法,研究竖直水幕孔的布置方式,根据正交试验确定竖直水幕孔的最佳布置参数;以浙江某海岛地下水封油库为依托,通过无水幕、设置水平水幕和设置竖直水幕3种情况的对比分析,研究竖直水幕系统的水封可靠性。研究得出:在只设置竖直水幕系统情况下,可以满足水封条件,且相较于水平水幕系统,竖直水幕系统可以更好地隔绝相邻主洞室间的串油。该研究成果为海岛环境下地下水封油库水幕系统优化设置提供了理论依据。     

多孔联合水幕效率试验方法及应用实例

我国地下水封洞库主要修建在结晶岩体中,岩体裂隙发育程度和空间展布的非均质各向异性使得水封洞库的水封条件十分复杂。水幕系统是保证地下水封洞库密封性的核心要素,因此所设计的水幕孔与围岩间的水力联系是否满足密封性需求,需进行检验。前人在进行相关问题研究时往往将地质体简化为均质各向同性介质,个别文献在实验室尺度对地质体各向异性进行讨论,但工程适用性不强。为分析场地尺度岩体渗透性能各向异性对水幕孔水力传输效率的影响,并探究考虑这种影响的水幕系统优化方法,本文借鉴工程经验,引入水幕效率的概念,设计一种多孔联合水幕效率试验,以烟台地下水封洞库工程项目为依托,进行场地试验并利用阈值法得到试验结果,进而对水幕孔进行相应补充以优化水幕系统网络,最终使水幕系统网络在考虑地质体各向异性的实际影响下满足气密性要求。实践证明,该方法能显著加强水幕系统在各向异性场区的水力传输能力,比现行的等间距设置水幕系统钻孔更适于工程实际。     

基于正交设计的地下水封洞库群优化

大型地下水封石洞油库是目前国内外石油战略储备的重要方式,为保证该类大断面不支护地下洞室群的稳定,需优化洞室群的布置。在分析山东某地下水封洞库群工程地质条件的基础上,建立洞室群数值模型。根据三轴试验、围岩RMR（rock mass rating）分类和广义Heok-Brown准则估计了II、III和IV类围岩的岩体力学参数。以洞室埋深、轴向和间距为因素,采用正交设计的方法进行数值试验,以关键点位移和塑性区面积作为评价指标对试验结果进行直观分析,得到对洞室围岩变形和塑性区面积影响最显著的为洞室轴向,并研究了轴向对围岩变形和塑性区面积的影响,得到该水封洞库洞室群的最优布置方案为埋深-60.0 m,轴向N30°W,间距为25 m。其研究结果对地下水封洞库洞室群的布置具有一定工程意义和理论价值。     

基于COMSOL的地下水封油库围岩流固耦合特征模拟研究

地下水封油库通常建造于完整性好的结晶岩体内部,利用隙存水封的原理将油气封闭于地下洞室内部,洞库围岩在施工及运营期间具有典型的流固耦合特征。论文基于裂隙岩体流固耦合理论,采用COMSOL Multiphysics 软件对洞库围岩不同工况下流固耦合特征进行了模拟研究。研究结果表明:地下洞库在不设置人工水幕情况下,开挖后洞室顶部地下水位明显下降,并形成降落漏斗,可能导致洞室油气外溢; 设置人工水幕后,洞室顶部地下水位下降趋势得到明显控制,有效确保了水封的可靠性; 在设置水幕的情况下,洞室直墙及洞室拱顶与底板角点处出现明显的应力集中,但围岩仍未出现连贯塑性区,洞室最大位移不超过5mm,洞室围岩稳定性良好。分析成果对于指导洞库优化设计及施工具有一定的参考价值。     

地下水封石油洞库水幕系统水力试验及水幕钻孔施工

水幕系统是地下水封储油库最为关键的部分,主要由水幕巷道、水幕孔、附加水幕孔、监测井和仪表井组成。水力试验成果是水幕系统评价的依据,而水幕孔的施工质量又是水力试验顺利和试验效果的保证。结合辽宁某地下水封洞库工程,阐明了水幕系统在施工期间的水文试验方法,分析了施工期间各水文试验的作用及其相关性;介绍了水幕钻孔施工技术。     

地下水封洞库水幕孔注水试验及岩体等效渗透参数分析

地下水封洞库渗流场分析和渗水量预测是水幕系统水封效果评价的核心内容,目前多采用连续等效模型进行这类大范围的渗流场分析,分析结果是否可靠的关键在于能否合理、可靠地获取裂隙岩体的等效渗透参数。施工期进行了大量的与水幕孔有关的现场水力学试验,可以用于分析和确定岩体等效渗透参数,但试验的理论背景、试验过程的合理性和数据分析方法还有待深入研究。首先简要介绍了黄岛石油储备洞库工程的4种水幕孔现场水力学试验的试验过程和特点;然后,采用三维渗流数值分析方法,研究了施工期因水幕廊道排水作用对水幕孔围岩渗流场的影响。基于施工期水幕孔注水试验,在达西流假定下,建立了围岩等效渗透系数与水幕孔注水量的经验关系,由此,可以根据水幕孔注水量反算出围岩等效渗透系数。采用裂隙-孔隙渗流分析模型,对比解释了裂隙不同发育特征对水幕孔注水量及岩体宏观渗透参数的影响。最后,对实测试验资料进行了分析,获得了水幕系统围岩等效渗透系数分区图。研究结果对水幕孔有关的渗透性试验的理论分析、裂隙岩体渗透参数取值研究等具有参考价值。     

海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究

海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

水幕系统对地下水封洞库藏品安全的影响分析

为了解水幕系统对地下水封洞库的储藏安全的作用,验证水幕系统设置的必要性,基于多相流理论,依托烟台某地下水封洞库工程,以其丙烷子洞库为例,分别设计无水平水幕系统、设置单一水平水幕系统和设置水平与垂直双水幕系统三种工况形式,选用TOUGH2软件中TMVOC模块,进行藏品水-油-气三相流运移模拟。模拟结果显示:丙烷在储藏过程中会逐步形成围绕在洞室周边的污染晕,且污染晕的水平延伸较为显著。相邻洞室间污染晕随着时间的推移相互贯通。在无水幕系统的工况下,藏品在储藏9个月内,污染晕水平迁移距离便达到风险阈值,其余工况下,污染晕在藏品储藏100年后仍未达到风险阈值,并圈闭在一定范围内。在垂直水幕的作用下,污染晕的水平迁移受到明显抑制。因此,仅依赖天然地下水补给,藏品极易发生泄露,带来安全隐患,为保证地下水封洞库的储藏安全,设置水幕系统是必要且有效的。     

利用电导率测井与压水试验联合评价岩体渗透性的方法

进行地下水封洞库的水封条件分析评价必须获得准确可靠的建库岩体渗透性参数,而获取岩体渗透系数常用的传统水文地质试验方法存在明显的不足。为了试验数据的精确性,文章基于广义径向流（GRF）理论,依托烟台某地下水封洞工程,以丙烷洞库交通巷道钻孔为例,开展压水试验并采用非稳定流理论的GRF模型优化解析试验数据,结合电导率测井试验确定导水裂隙位置并求出裂隙范围内的渗透系数。试验结果表明:GRF模型比稳定流模型解析结果大1~2倍。原因在于裂隙岩体进行分段压水时,各段水流维度不一,传统稳定流理论假设水流维度只有二维流,而GRF模型为空间n维裂隙流用压水过程全部数据进行拟合,不同时段在相应维度下进行计算,因此其求算的渗透系数K更接近于试验段真值,具有更好的兼容性和实用性。同时利用电导率测井试验计算长度（导水裂隙范围）远远小于压水试验段计算长度的特点,可将GRF模型解析得出的分段渗透系数做进一步细化平均以提高压水试验解析结果的精度,为水封洞库效果评价、洞库涌水量预测提供更加科学可靠的数据基础。