地下儲油洞庫群水幕系統(tǒng)水封有效性研究.pdf

1、在全球能源緊張的背景下，許多國家相繼啟動或擴(kuò)大石油儲備。根據(jù)國際能源組織建議應(yīng)保有90天以上石油進(jìn)口量儲備，我國需建立年消費(fèi)量10～15％（200億～300億立方米）的地下儲備庫，以確保能源安全。水封地下庫石油存儲方式是將石油及其產(chǎn)品重新注入所選異地地下空間，是國內(nèi)外石油儲備的最佳選擇和重點(diǎn)發(fā)展方向。儲庫洞群必須建在穩(wěn)定地下水位線以下適當(dāng)深度，人工水幕的人為水壓補(bǔ)給填補(bǔ)開挖階段和運(yùn)營階段自然地下水的補(bǔ)給可能達(dá)不到水封效果的不足，以保證洞

2、庫周圍的地下水壓力大于洞內(nèi)儲存介質(zhì)的壓力實(shí)現(xiàn)油庫密封。因此，水幕系統(tǒng)的水封有效是地下儲油工程的關(guān)鍵。
　　本文以錦州和惠州兩個地下國儲項(xiàng)目為背景，綜合采用技術(shù)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)與測試、計算機(jī)編程、歸納和總結(jié)等手段，針對水幕系統(tǒng)的水封有效性展開了水幕系統(tǒng)建造技術(shù)、不同水幕系統(tǒng)狀態(tài)水封性能影響、不同水幕系統(tǒng)設(shè)計水封性能影響、水幕系統(tǒng)質(zhì)量檢測技術(shù)、水封油庫注漿平衡性和水幕系統(tǒng)有效性評價研究。本文從水幕系統(tǒng)建造技術(shù)

3、著手，對水幕系統(tǒng)水封有效性進(jìn)行了理論分析研究，到水幕系統(tǒng)修造完成開展了水封有效性的測試研究，同時考慮了儲油洞庫特殊工程的注漿平衡性，最后進(jìn)行了水幕系統(tǒng)水封有效性的判斷評價研究。本論文主要研究工作和研究成果體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　(1)系統(tǒng)整理和闡釋了水幕系統(tǒng)的構(gòu)成和修建方式，并且分析了水封密封性原理。同時，統(tǒng)計遞推了錦州項(xiàng)目采用的Q系統(tǒng)巖石分級中Q值與巖石力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)函數(shù)關(guān)系，得到了L關(guān)系式組，實(shí)現(xiàn)了Q值與等效力學(xué)參數(shù)的互

4、推，并且比較了Q值法與我國其他同類方法，提高Q值的準(zhǔn)確性，為后續(xù)水封性研究分析提供了便利。另外，對水幕系統(tǒng)整個建造體系進(jìn)行了全面的關(guān)鍵技術(shù)全過程系統(tǒng)化總結(jié)研究。
　　(2)通過improved transient3D-UPNM建立了三維離散裂隙管道網(wǎng)絡(luò)模型，直觀的研究了不同的水幕系統(tǒng)狀態(tài)下水封有效性，分析了施工和運(yùn)營兩個階段下不同水幕系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)和不同水幕孔注水壓力對水封性能的影響。得出結(jié)論:水幕系統(tǒng)的施設(shè)是非常必要的;水平水幕系

5、統(tǒng)的作用遠(yuǎn)大于豎直水幕系統(tǒng);給出了錦州水幕孔注水壓力建議值0.4MPa，既保證了水封性能又滿足施工期排水量要求。
　　(3)通過可視性好，直觀性強(qiáng)的improved transient3D-UPNM，觀察到了傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型無法觀測的局部非飽和區(qū)域，避免了水封性能分析誤判造成的局部水封失效;分析了不同幾何設(shè)計的水幕系統(tǒng)（水幕孔間距、角度、長度）的水封有效性，得出水幕孔長度的減少和水幕孔間距的增加都將減小水幕系統(tǒng)的密封性能，而水平

6、水幕孔角度的增大并不能提高水封性能，任意較小的裂隙都可能影響水流動，所以在裂隙巖體中必須保證充足的水幕孔數(shù)量;進(jìn)行了不同地質(zhì)條件下水幕系統(tǒng)幾何設(shè)計與不同復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的最佳水封性能組合研究，得出只有有效連接的裂隙才能夠保證良好的水封性能，水幕系統(tǒng)的關(guān)鍵在于利用水幕孔形成連接的裂隙載水網(wǎng)絡(luò);綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和水封有效性，并且考慮到施工期排水量控制標(biāo)準(zhǔn)，給出了錦州儲庫水幕系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)為:幾何布置最大值的水幕孔長度(水平向?yàn)?2.25m，豎直向?yàn)?/p>

7、58m);0°水平水幕孔與xz平面夾角;水幕孔間距在Q小于10取20m，Q大于10初步設(shè)計為10m。
　　(4)整體研究了從水幕孔分別形成質(zhì)量測驗(yàn)到整個水幕系統(tǒng)形成質(zhì)量測試對水幕系統(tǒng)有效性的檢測技術(shù)，給出了水幕系統(tǒng)質(zhì)量檢測試驗(yàn)路線:單個水幕孔鉆孔完成（壓水試驗(yàn)）→水幕巷道全部水幕孔完成（水幕有效性試驗(yàn)）→儲油洞庫施工完成（水幕系統(tǒng)整體性試驗(yàn)），并且在每個階段，對水文地質(zhì)（特別是地下水位和滲水量）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過一整套試驗(yàn)，保障了

8、水幕形成質(zhì)量?；阱\州和惠州兩個國儲工程首次利用瞬變電磁對低電阻體（含水體）的高敏感性，檢測了水幕形成前（水幕孔未充水前）、水幕形成后（水幕孔充水后）、洞庫水幕區(qū)巖體內(nèi)裂隙、節(jié)理等構(gòu)造的含水情況，通過前后對比分析，直觀的判斷了水幕形成質(zhì)量。
　　(5)從裂隙巖體賓漢流體流動規(guī)律出發(fā)到建立裂隙網(wǎng)絡(luò)pipe管網(wǎng)模型對漿液進(jìn)行了迭代計算求得了注漿長度，并且基于注漿強(qiáng)度值概念，提出了適用于對注漿效果不那么“嚴(yán)格”的地下儲油洞庫的GIN能量

9、法注漿，給出了GIN包絡(luò)線各項(xiàng)參數(shù)的計算方法，并基于錦州4條儲油洞庫進(jìn)行了GIN值選擇。
　　(6)建立了四階段(S1-S4)水封性能整體評價體系對整個水幕系統(tǒng)從儲油洞庫施工前期、進(jìn)行期和后期進(jìn)行水封有效性評估，對水幕系統(tǒng)的水封性能進(jìn)行全過程完整性保障;結(jié)合呂榮試驗(yàn)、水幕孔有效性實(shí)驗(yàn)和瞬變電磁檢測，創(chuàng)建了水幕系統(tǒng)連通性的判別準(zhǔn)則，從而推導(dǎo)出洞庫水幕系統(tǒng)的連通性;基于錦州儲庫，同時考慮傾向、傾角、跡長、開度、間距、表面形態(tài)、填充物、

10、地下水作用優(yōu)勢和時間優(yōu)勢指標(biāo)9個性質(zhì)，建立了巖體結(jié)構(gòu)面多參數(shù)優(yōu)勢分組的數(shù)學(xué)模型，采用了模糊c-均值聚類算法，結(jié)合五種聚類有效性指標(biāo)提出了平均有效性指標(biāo)系數(shù)Ⅵm，擇取了最佳聚類數(shù)目，從而得到最終優(yōu)勢組劃分。
　　通過本文研究成果在地下大型儲油洞庫群設(shè)計及施工中的應(yīng)用，確保了儲油洞庫安全、優(yōu)質(zhì)、高效完成，為中國在巖石地層中修建大型水封式地下儲油洞庫群水幕系統(tǒng)設(shè)計提供科學(xué)參考，也為國內(nèi)外其它類似地下工程提供了可供借鑒的理論依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)