陳舟，林牧，王靖，張文章

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098

地下水封儲油洞庫滲流及油品儲存試驗研究

陳舟，林牧，王靖，張文章

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098

文章以實際地下水封石油洞庫為原型，在室內(nèi)構(gòu)建了花崗巖的洞庫模型，以等比例縮尺設(shè)計了水平裂隙和傾斜裂隙，并開展了滲漏、油品儲存試驗。對比了裂隙滲透系數(shù)的立方定律計算值和達西定理計算值，發(fā)現(xiàn)達西定理計算值只有立方定律計算值的15%左右。觀察與計算了油水界面的變化規(guī)律及滲流場的運動規(guī)律，得出：連通器原理可用于計算地下水水位提升時的油水界面，地下水位小幅度下降時水墊層排水有助于保持洞室內(nèi)儲油的穩(wěn)定。

地下水封；儲油洞庫；滲流；裂隙；試驗研究

0 引言

在世界經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，能源問題日益突出，應(yīng)對能源危機的能力已經(jīng)成為衡量一個國家整體實力的潛在標(biāo)準(zhǔn)。因此，在以石油為主的世界能源體系中，建立必要的石油儲備體系成為了保障國家社會經(jīng)濟安全，應(yīng)對突發(fā)事件的必要手段。石油儲備設(shè)施從存儲形式上可分為陸上儲罐、地下儲罐、地下洞庫等。由于地下洞庫相對于其他存儲方式具有占地少、投資少、污染小、運營管理費用低、安全度高等優(yōu)點，因此這種儲備方式已經(jīng)被越來越多的國家所采用[1-4]。目前，日本、韓國、瑞典等國家都已經(jīng)建立和完善了相應(yīng)的地下洞庫儲油體系[5]，而我國地下水封石油洞庫建設(shè)才剛剛起步。

地下水封儲油洞庫一般是選擇適宜的場地通過人工在巖體中開挖而形成的。為做到安全、有效地儲存石油，地下水封儲油洞庫必須具備兩個條件：其一是密閉，其二是穩(wěn)定，以確保油品安全儲存不滲漏、不揮發(fā)[6]。密閉一般是通過洞庫周邊圍巖地下水內(nèi)滲實現(xiàn)的。為保證洞庫使用期的安全穩(wěn)定，洞庫圍巖必須滿足一定的完整性和強度要求[7]。

為研究地下水封洞庫中油-水-氣-固的相互作用，楊明舉與關(guān)寶樹結(jié)合我國第一座地下儲氣洞庫工程，對水封式地下儲氣洞庫的建設(shè)原理及設(shè)計進行了論述，并運用數(shù)值模擬方法對地下水封洞庫從理論上進行了探討，為我國地下儲氣洞庫工程的設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)[8]。劉青勇等人通過數(shù)值模擬研究了地下水封石油洞庫對地下水的影響[9]。陳祥[10]、時洪斌[2]就黃島地下水封洞庫巖體質(zhì)量及圍巖穩(wěn)定性進行了分析與評價。劉琦等討論了水封液化石油氣儲藏洞庫修建的關(guān)鍵技術(shù)[11]。

目前研究多集中在數(shù)值模擬和原理上，不同尺度的試驗研究尚不多見。為在試驗室尺度揭示地下水封洞庫中油-水滲流規(guī)律，本試驗以某地下水封洞庫為原型，在室內(nèi)采用自然花崗巖構(gòu)建洞庫模型，并在不同裂隙條件下進行地下水封洞庫滲流與油品滲漏規(guī)律試驗研究。試驗?zāi)康氖轻槍α严稁r體進行滲流分析，討論在固、氣、液三相狀態(tài)下，裂隙巖體中具有一般性的地下水封儲油洞庫的滲流規(guī)律，以指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)計和施工建設(shè)，并為進一步完善有關(guān)規(guī)范積累資料。

1 試驗內(nèi)容與試驗方案

為反映自然巖體中地下水滲流和油品滲漏規(guī)律，試驗設(shè)計選擇某地下水封洞庫作為參照對象[2，10]，制作了等比例縮尺模型。具體模型設(shè)計和尺寸見圖1。

圖1 試驗裝置示意/cm

洞室的巖體選擇肉紅色斑狀花崗巖，巖體正反兩面采用光滑切割面，巖體規(guī)格為40 cm×40 cm×2.7 cm（長×寬×厚）。巖體中部切割成模擬洞室的形狀，根據(jù)實際地下水封洞庫形狀，設(shè)計為城門洞式洞室（下部近似矩形+上部拱形結(jié)構(gòu)），并在洞室底部添加水墊層[12]，以便模擬排水情形和最大進油量。洞室的矩形尺寸為10 cm×10 cm（長×寬），半圓拱頂半徑為5 cm，下部水墊層尺寸為5 cm×3 cm（長×寬）。

為模擬洞庫周圍的地下水流場，將洞庫放置在有機玻璃制水箱中，水箱的規(guī)格為100 cm×40 cm×70 cm（長×寬×高），在水槽進出水端安置了溢流槽以控制水箱中的水位。由于試驗采用的天然石板較薄，洞室中的滲流場可近似為二維情況。在天然巖體中，裂隙和節(jié)理發(fā)育積極復(fù)雜，在應(yīng)力破碎帶中更是無規(guī)律可循，但在大多數(shù)圍巖分類良好的位置，完整花崗巖中的節(jié)理往往成組發(fā)育。試驗根據(jù)現(xiàn)場平均節(jié)理密度，在模型中制作了2條裂隙，以模擬真實情況，其中一條為水平單裂隙，距洞室底5 cm，長15 cm，寬度3 mm；另外一條為傾斜單裂隙，位于洞室拱角，角度45°，長21 cm，寬3 mm。兩條裂隙高度均為10 mm。

由于本試驗用水量較大，且水的天然水理參數(shù)對試驗影響較小，因此試驗用水采用自來水。試驗油品采用93#汽油，密度為0.725 g/mL，其易揮發(fā)性也可模擬洞室內(nèi)的氣壓變化情況。在試驗中，采用蘇丹紅染色劑對汽油進行染色，染色后的汽油與透明自來水、巖體顏色的對比度良好，易于觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 滲流試驗

地下水滲流場的分析和評價是地下水封洞室工程設(shè)計施工中非常重要的一步，而裂隙的發(fā)育情況、產(chǎn)狀和其他參數(shù)的獲取是滲流場分析中的重要環(huán)節(jié)。滲流試驗的目的是測定裂隙的滲透系數(shù)，因此，試驗將分別針對水平單裂隙和傾斜單裂隙情況展開。由達西定理可知單裂隙的滲透系數(shù)為[12]：

式中K——滲透系數(shù)；

Q——單位時間滲流量；

A——過水?dāng)嗝婷娣e；

I——水力梯度；

他忽然嘆了口氣：“你要打聽也沒處打聽了，秀容兵早就散了。我來這里，是想把秀容元帥的尸骨挖出來，重新找個地方安葬?！?/p>

L——過水路徑；

H——進水端水頭高度；

h——出水端水頭高度。

通過進出口的溢流裝置調(diào)節(jié)總水頭的水位，溢流裝置保持水頭高度H不變；出水口持續(xù)排水，同時計算單位流量的出水時間以便計算滲流量。先封堵傾斜裂隙以便完成水平裂隙的滲流試驗，完成后再封堵水平裂隙，就可以進行傾斜單裂隙試驗，所得的試驗數(shù)據(jù)見表1。

由光滑平行板裂隙水流滲流的立方定律（LCL）得單裂隙滲透系數(shù)的理論計算公式為[13]：

本試驗?zāi)Ｐ偷牧严秾挾萣為3.0 mm，試驗水溫為20℃，運動黏滯系數(shù)ν取1×10-6m2/s，裂隙與水平夾角θ為45°，重力加速度g取9.81 m/s2。用立方定律計算傾斜單裂隙和水平單裂隙的理論值，而后把該理論值與本次試驗的計算結(jié)果進行對比，見表2。

表1 滲流試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2 裂隙滲透系數(shù)值比較

由文獻可知[12]，立方定律源自達西定理，因此立方定律計算值應(yīng)該與達西定理的計算值相近。然而通過試驗發(fā)現(xiàn)，由達西定理計算得到的計算值遠小于立方定律的計算值，其數(shù)值只有立方定律計算值的14.1%（傾斜單裂隙）和15.0%（水平單裂隙）。該計算結(jié)果與Zimmerman R W和Yeo IW[13]所得出的立方定律過于放大了裂隙巖體的真實滲透系數(shù)，其實際滲透系數(shù)只有立方定律計算值的15%～30%的結(jié)論一致。本次試驗是首次采用真實巖體進行地下洞室滲流試驗的，它證明了在實際生產(chǎn)中，即使工況條件與試驗假設(shè)的條件比較接近，確定其滲透系數(shù)也需要考慮立方定律計算值可能偏大的因素，因此需要通過現(xiàn)場試驗來最終確定其滲透系數(shù)值。

2.2 油品儲存及運移試驗研究

根據(jù)實際經(jīng)驗，油品在地下儲存過程中常常存在因為地下水水位的升高，導(dǎo)致洞庫內(nèi)底部水墊層向上部空間施加壓力升高的情況（或洞壁兩側(cè)的水頭由于排水過度而低于洞室頂部的壓強），此時洞內(nèi)儲存的油品由于壓力的增大會向洞頂入滲，導(dǎo)致油品流失，甚至使整個地下儲油庫失去功用，并對地下水產(chǎn)生難以估計的污染。因此，需在儲油條件下，通過模擬水箱內(nèi)水位（以下簡稱水頭）的上升和下降，來研究油品在洞室中的儲存和運移變化規(guī)律，試驗裝置實況照片見圖2。

圖2 水頭上升和水頭下降變化時的試驗實況

2.2.1 水頭上升條件下的試驗

通過排水，將洞室內(nèi)的水位降低至洞室下段的排水口后，注入染色后的汽油，注入油量分別為50、75、100 mL，試驗中水平裂隙和傾斜裂隙均不封堵。注油后開始提升水頭，油品注入后，由于油密度小于1 g/mL，洞室內(nèi)汽油液面的高度會略高于水箱中的水頭高度。持續(xù)注水，直至水箱中的水面升高至50 cm處（以水箱底為水平線），停止注水并記錄油量變化。

試驗發(fā)現(xiàn)，在提升水頭過程中，油層厚度無變化，汽油高度的提升速度與水箱中的水頭抬升速度基本一致。當(dāng)洞室內(nèi)油面的高度高于洞室的拱角時，油品開始流進傾斜單裂隙，此時可觀察到其油水界面高于外部水頭。當(dāng)注油量分別為50、75、100 mL，水頭分別提升至31.5、31.2、31.0 cm時，油品開始從傾斜單裂隙中溢出，直至洞室內(nèi)油品全部滲漏完。

2.2.2 水頭下降條件下的試驗

用橡膠封堵水平和傾斜裂隙，將水頭調(diào)整至50 cm，并快速排干洞室內(nèi)的水至洞底，調(diào)整溢流槽，保持水箱內(nèi)的水頭高度不變。緩慢注入50 mL汽油，注油的同時打開傾斜單裂隙的橡皮塞。注油結(jié)束后，打開水平單裂隙的橡皮塞，并保證排水孔處于排水狀態(tài)。水頭下降通過溢流槽控制，為滿足水頭快速下降的要求，排水流速控制在5.30 L/s。在排水過程中，隨著水頭的下降，油品高度和水面高度起初保持不變。但當(dāng)水頭高度降至19.8 cm時，洞內(nèi)油面和水面開始同時下降，油層厚度先保持不變，隨著排水孔的排水和水頭的繼續(xù)下降，油面及水面持續(xù)下降，油面下降的速度大于水頭下降的速度，直至隨排水孔全部排出。再將箱內(nèi)水頭升至50 cm，分別加入75、100 mL汽油，并重復(fù)試驗。水頭上升及下降時的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

2.2.3 試驗分析

在水頭上升試驗階段，由于水的密度（1 g/mL）大于93#汽油的密度（0.725 g/mL），因此洞室內(nèi)的油面高度略高于水面高度。在水頭提升過程中，當(dāng)水頭高度低于傾斜單裂隙入口高度時，由于連通器的原理，裂隙內(nèi)油品界面相當(dāng)于自由面（傾斜單裂隙最高端高度為45.0 cm），其高度高于洞外水頭。

表3 水頭上升及水頭下降試驗時的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

設(shè)油和水面的高度分別為h油、h水。由于液面高度與液體密度呈反比，根據(jù)連通器原理，油品滲漏時水頭的高度為：

油品滲漏時的水頭高度見表4。

表4 油品滲漏時的水頭高度

連通器原理可以解釋當(dāng)水頭H達到31.0 cm左右時，油品開始從裂隙滲漏的原因。三組試驗結(jié)果顯示，油品滲漏時水頭的高度與洞室內(nèi)的注油量有關(guān)。在三種不同的注油量情況下，油品泄漏時的實際水頭高度H分別為31.5、31.2、31.0 cm，呈下降趨勢，其原因是油品越多，油面也越高，因此也越容易通過裂隙滲漏。比較理論值與試驗值，考慮到試驗誤差，兩者基本相符。由此可知，即使水箱水頭高于洞室高度，如果存在裂隙，洞室內(nèi)的油品也可能從裂隙中滲出。因此，在實際工程中首先要確定裂隙的產(chǎn)狀等條件，并根據(jù)連通器原理計算油品可能發(fā)生滲漏的高度，當(dāng)油品可能發(fā)生滲漏時，可通過采取水墊層排水的措施解決問題。

水頭下降階段試驗可以模擬地下水水位下降時洞室內(nèi)油品儲存情況。通過試驗可知，水位的小幅度變化不會造成洞室內(nèi)油水面位置的變化，這也證明了在實際工況中排水對于控制儲油洞室內(nèi)的油品高度、減少油品損失有著明顯的效果。但是，當(dāng)?shù)叵滤怀霈F(xiàn)持續(xù)下降的情況時，特別是油品較多時（以100 mL情況為例），即使水箱水頭（地下水水位）的高度為28.8 cm，比洞室頂部的高度25 cm高，油品亦開始移動。說明在水墊層排水的條件下，油品的儲存與儲油量和地下水水位有關(guān)，油品越多、地下水水位越低時儲油效果越差。

3 結(jié)束語

本文以實際花崗巖為原材料制作了仿自然條件的地下水封石油洞庫，并開展了洞庫存在裂隙條件下的水流滲漏和油品儲存及運移試驗，分析了地下水水位變動、油品儲存量和水墊層排水等對于儲油的影響。

水封式地下儲油洞庫是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到了圍巖、地下水以及油品液、氣二相之間的諸多相互作用，本試驗僅對簡單條件下的油水儲存情況進行了研究，對于汽油的揮發(fā)等問題仍有待進一步研究。

[1]段亞剛.地下大型儲備庫洞室斷面形狀優(yōu)化及合理間距研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[2]時洪斌.黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]張棟杰.石油戰(zhàn)略儲備方式的成本分析及選擇[J].長安大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2011，13（4）：57-61.

[4]李文龍，譚家華.我國戰(zhàn)略石油儲備方式研究[J].中國海上油氣（工程），2002，14（3）：9-14.

[5]陳德勝，雷家骕.法、德、美、日四國的戰(zhàn)略石油儲備制度比較與中國借鑒[J].太平洋學(xué)報，2006，（2）：61-71.

[6]譚忠盛，萬姜林，張振剛.地下水封式液化石油氣儲藏洞庫修建技術(shù)[J].土木工程學(xué)報，2006，39（6）：88-99.

[7]王者超，李術(shù)才，薛翊國，等．大型地下水封石油洞庫圍巖完整性、變形和穩(wěn)定性分析［J］．山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011，41（3）：112-117．

[8]楊明舉，關(guān)寶樹．地下水封裸洞儲存LPG耦合問題的變分原理及應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（4）：515-520．

[9]劉青勇，萬力，張保祥，等.地下水封石油洞庫對地下水的影響數(shù)值模擬分析［J］.水利水電科技進展，2009，29（2）：61-65．

[10]陳祥.黃島地下水封石油洞庫巖體質(zhì)量評價及圍巖穩(wěn)定性分析［D］．北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2007．

[11]劉琦，盧耀如，張鳳娥.地下水封儲油庫庫址的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，（4）：1-5.

[12]IwaiK.Fundamentalstudies of fluid flow through a single fracture [D].Berkeley，USA:University of California at Berkeley，1976.

[13]Zimmerman R W，Yeo I W.Fluid flow in rock fractures:From the Navier-Stokes equations to the cubic law，in Dynamics of Fluids in Fractured Rock[M].Washington DC:AGU，2000.213-224.

Experimental Study of Seepage and Oil Storage for Groundwater Sealed Oil Storage Cavern

Chen Zhou，Lin Mu，Wang Jing，Zhang Wenzhang
Schoolof Earth Science and Engineering，HehaiUniversity，Nanjing 210098，China

A lab-scale cavern is constructed by granite rock according to a practical groundwater sealed storage cavern.Also, horizontaland inclined fractures are designed based on actualcavern scaling.Then the experimentalstudy of seepage and oil storage is conducted.It is found from comparison of permeability values calculated by the Darcy law and the Cubic law that the value calculated by the Darcy law is about 15%of the value by the Cubic law；the theory of communicating vessel can be used to find the oil-water interface when groundwater level raising；the drainage by water subfillcan help to stabilize the oilstorage when the groundwater levelkeeps smallchange.

groundwater sealed；oilstorage cavern；seepage；fracture；experimentalstudy

江蘇省自然科學(xué)基金-青年基金項目（BK20130830）；江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK2012814）。

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.016

陳舟（1983-），男，安徽涇縣人，講師，2012年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)巖石礦物礦床專業(yè)，博士，現(xiàn)從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)的研究和教學(xué)工作。

2014-09-01