地下水封洞库深部岩体结构面连通性研究

地下水封洞库工程是我国正在大力实施的战略石油储备重点工程,研究建库裂隙岩体的连通性是评价水封效果的关键。结合地下水封洞库工程的岩体特征,以钻孔电视成像技术为手段,通过分析影像中结构面位置、地质特征等,建立不同钻孔间结构面连通的条件,并分析了钻孔ZK11和ZK12,ZK12和ZK14的变质分异结构面的几何连通性;以洞库区钻孔地下水位的陡降与施工巷道开挖的相关关系,建立了巷道地下水排泄与钻孔水位下降的水力联系,分析了结构面的水力连通性;通过几何连通和水力连通的综合分析,确定了深部岩体结构面的连通性。研究结果表明,施工巷道开挖引起钻孔地下水位的显著下降,两者存在明显水力联系;变质分异结构面(J)在钻孔ZK12、ZK11和①号施工巷道0+379.424m处满足位置连通、结构面特征连通和水力连通,为连通性结构面;结构面(J′)在钻孔ZK12和ZK14处满足位置连通和结构面特征连通,不满足水力连通,为非连通性结构面。这对地下工程深部岩体结构面连通性的研究具有参考和借鉴价值。     

地下水封石油洞库深部岩体二维裂隙网络模拟

低渗透性的裂隙岩体是地下水封石油洞库建库的最佳选择.为研究深部岩体的稳定性及裂隙渗流特征,对深部洞库区进行了二维裂隙网络模拟.通过深部钻孔裂隙统计和地表裂隙测量统计相结合的方法,得出了洞库区剖面二维裂隙网络图和线密度图.分析了运用钻孔成像结果获得深部裂隙统计参数的优点,并对模拟结果做了进一步分析,结果显示,模拟区主要发...     

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。     

基于离散裂隙网络法和水流数值模拟技术的地下水封洞库水封性研究

水封性是保证地下水封洞库安全运营的关键,目前研究地下水封洞库水封性的主要难点在于裂隙岩体含水层强烈的非均质性和各向异性.以某地下水封洞库工程为背景,通过实测裂隙几何参数分析裂隙发育特征,建立了研究区离散裂隙网络模型.之后对研究区进行网格化划分计算了各单元体渗透系数张量,基于对裂隙渗流基本规律的理解和假设建立了研究区高精...     

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。     

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。     

基于孔内影像的岩石节理粗糙度特征研究

目前对岩石结构表面粗糙度的研究往往只局限于地表,难以反映深部岩石节理粗糙度的特征。钻孔孔壁上节理轮廓线包含有三维信息的特点,本文开展了基于数字钻孔摄像技术的岩石节理粗糙度分形特征的研究,利用数字钻孔摄像系统获取地下深度岩石节理全景图,采用边缘检测技术从全景图中提取出节理轮廓线,对其进行空间变换和视距离变换得到地下岩石节理粗糙表面轮廓线的真实状况。与Barton提出的10条标准剖面曲线进行对比得到每条轮廓线的JRC值,并计算其分形维数,根据最小二乘法原理拟合出JRC与分形维数之间的关系为:(D)=JRC=-541.9x2+1362x-818.53。本文研究内容为描述地下深部天然节理的结构及其特征提供了基础,对更深入地研究地下深部岩石节理的表面空间状况有重要的意义。     

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。     

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。     

高放废物地质处置的岩体深部结构面特征研究——以甘肃北山高放废物地质处置地下实验室工程为例

岩体深部结构面是岩体工程质量评价、三维地质建模、钻孔水文地质试验和地下实验室工程设计等研究的重要影响因素.甘肃北山新场花岗岩地段已被确定为中国高放废物地质处置地下实验室的推荐场址.基于超声波钻孔电视技术和其他地质资料对场址岩体深部结构面特征开展研究,结果表明:场址内花岗岩体具有很好的完整性,有利于地下实验室的工程建造.场址周边断裂构造纵向延伸范围有限,断裂带规模和横向影响范围随深度增加而逐渐减小.结构面产状特征与区域构造特征相一致,为区域构造特征研究提供了佐证.研究成果为地下实验室工程的开挖设计提供了重要参考依据,并为区域基础地质研究提供参考资料.     

基于GIS的中国东部沿海地区地下水封油库建造适宜性研究

地下水封油库以其经济、环保、安全、便捷、适合战略储备等优点, 成为国家石油储备的首选形式。我国石油战略储备库建设方兴未艾, 与众多大型地下洞室一样, 水封油库的选址对其顺利建设及安全运营均起着决定性作用。论文以中国东部沿海地区为研究区域, 在分析地下水封油库储油原理及其自身特点的基础上, 选取地震烈度、活动断裂、最大水平地应力、地层岩性、地下水埋深、年均降雨量、与大型码头距离、与大型炼油厂距离等8个评价指标构建用于地下水封油库建造适宜性综合评价的指标体系。在此基础上采用层次分析法确定指标权重并应用ArcGIS的空间分析功能对研究区的地下水封油库建造适宜性进行研究, 得到了中国东部沿海区域地下水封油库建造适宜性分区评价成果, 为我国东部沿海地区地下水封油库科学选址提供了参考依据。     

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。     

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。     

地下水封油库场区膨胀性蚀变岩的工程地质分析

地下水封油库作为国家的石油战略储备库,对库址区水文地质工程地质条件要求较高。然而,在实际的场区中,总是存在着各种不良地质体,直接影响着库址区的水文地质工程地质条件。本文以锦州地下水封油库为例,对地下水封油库场区膨胀性蚀变岩进行工程地质分析。场区的蚀变岩属中基性岩脉侵入的热液蚀变型,具有弱膨胀性。通过崩解试验,发现该蚀变岩具有一定的崩解性。通过岩矿薄片鉴定和X射线衍射分析,发现黏土矿物为蒙脱石。根据膨胀性蚀变岩的性质,地下油库在膨胀性蚀变岩段施工时应采取相应的治理措施。     

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。     

Analysis of the behavior of large underground oil storage caverns in salt rock

The storage of petroleum products above ground surface has many constraints and limitations. A viable alternative is to excavate large underground spaces in rock to provide a safer way for oil storage. Soft rock formations such as salt domes provide suitable conditions from environmental and operational aspects. The potential for high volume storage and low permeability are among advantages of oil storage in caverns excavated in salt rocks. The complicated shape of oil storage caverns, complex behavior of salt rock, and boundary conditions associated with large underground openings are major challenges in the design of salt caverns excavated for oil storage purposes. In this study, the deformation mechanism and stability of salt caverns were investigated. A comprehensive 3D numerical study was carried out to investigate the effects of cavern size and depth, salt rock deformation modulus, and ground in‐situ stress regime on the behavior of large salt caverns. The stress field and deformation mechanisms were studied numerically aiming at shedding lights into the design aspects of salt caverns for oil storage. The analysis results show that the cavern safety factor is reduced as a function of cavern depth and storage volume. Also, with decrease in k (ratio of horizontal to vertical in‐situ stress), the stability of salt caverns will increase; however, with increase in salt rock young modulus, the sensitivity of cavern stability to k ratio is reduced. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于权重反分析和功效系数法的地下储油洞库围岩分类模型及应用研究

选取岩石抗压强度、完整系数、结构面状态、地下水发育情况、洞轴线与软弱结构面的夹角作为地下储油库工程围岩稳定性的评价因素,并采用权重反分析的方法确定各指标的权重,建立了基于权重反分析方法和功效系数法的洞库围岩稳定性评价模型。最后,将建立的围岩分类模型应用于实际工程,通过与实际开挖结果对比表明,模型判别结果与实际开挖揭露围岩类别相吻合,证明了该方法用于地下储油洞库围岩分类的合理性和有效性,为地下储油洞库围岩稳定性判别提供了一种新思路。     

Effects on ground water caused by excavation of rock store caverns

Unlined rock caverns for oil storage are very common in Sweden. Most of them are excavated in hard rocks (compact, non-carbonate, non-volcanic rocks). The fundamental idea of underground oil storage is that the rock caverns are located below the natural ground water level. Hereby the ground water keeps the oil inside the caverns and prevents products migration.

During the excavating period the water seeping through the fractures of a cavern is pumped up to avoid flooding. This discharge causes a local drop in the ground-water level around the cavern and a cone of depression develops.

A local study of the development of such a cone of depression has been made by means of a network of observation holes around the cavern. On enlargement of an oil storage (by constructing new caverns close to the old ones), the cone of depression moves according to the progress of the new excavations. This process has been studied and described in two cases.

Underground storages in Sweden are very often closely spaced in order to use common facilities such as entrance tunnel, pumping station, housing etc. Therefore an artificial ground-water divide sometimes must be arranged between different caverns in order to prevent products migration. This paper describes how such an artificial recharge of water between some caverns is made. The control of its effectiveness is shown as well as the method for sealing off undesirable leakage.