地下石油儲備洞庫水幕系統有效性檢測方法及影響因素分析

李博聞

(中鐵二局第二工程有限公司, 四川成都 610091)

石油源儲備是國家的能源安全戰略，近年來國家加大了石油儲備建設力度，一批大型地下儲油洞庫項目陸續開工建設，地下儲油洞庫的關鍵技術是確保水幕系統的有效性，防止原油逃逸，破壞周邊生態環境。目前水幕形成質量檢測主要有水幕孔連通性測試和巖體含水分布測試兩種方法，前者是微觀檢測方法，后者是對巖體的含水分布情況的宏觀檢測方法。

1 儲油洞庫的水封原理

地下水封洞庫儲油原理就是利用油水不相容且油的質量比水輕的特點，當在洞室四周形成一定壓力的水幕，則可防止原油逃逸，達到儲備目的。因此地下儲油洞庫選址必須滿足兩個條件：一是庫區圍巖完整性好，堅硬程度較好；二是要有良好的水文條件和穩定的地下水位以滿足“隙存水補”保證油品不發生外泄[1]。

因此水封油庫洞室在開挖及運行過程中要求具有嚴格的水封性。由于洞室開挖前，地下水通過節理裂隙等滲透到巖層深部并完全充滿巖層空隙；當巖體開挖形成儲油洞庫后，裂隙水就會流失。為保證洞室開挖不致巖體失水，目前國內外大多采用帶水幕系統開挖洞室方式。水封儲油洞庫工作原理見圖1～圖3。

圖1 人工水幕系統示意

圖2 儲油氣洞室及理論分析等效系統布設示意

圖3 洞室的等效斷面

2 水幕有效性檢測方法

水幕有效性檢測方法包括單孔試驗法、多孔聯合試驗法、物探法。

2.1 單孔注水回落試驗

單孔注水回落試驗的目的是測試水幕孔周圍巖體的滲透系數，分初始試驗、單栓塞全孔試驗、雙栓塞分段試驗三個階段。單栓塞全孔試驗一般在初始試驗后既同步進行，不同之處是延長注水穩壓時間至4 h，注水壓力增加至最大0.8 MPa。雙栓塞試驗屬于沿水幕孔的分段試驗，目的是測試不同孔段的圍巖滲透系數，屬于精細試驗，由于費用高，對工程意義不大，在儲油洞庫項目開展較少。

整個試驗分三個階段，分別為天然狀態階段、注水階段、回落階段，擬通過對壓力、流量觀測記錄、建立壓力-時間變化曲線，根據現有的試井理論以及各標準曲線的特征，確定試驗過程中地下水各個流態對應的階段，選取相應的模型，獲取水幕孔周圍巖體滲透系數[2]。

2.1.1 設備安裝與進度要求

水幕孔施工完成后先進行洗孔，清除鉆孔內泥漿和碎屑并在孔口位置安裝機械栓塞，進行水幕孔前期水文地質試驗。設備安裝如圖4所示，在水幕孔孔口處依次裝上隔離閥、壓力表，水量計、注水閥、止回閥和排水閥。

圖4 水幕孔孔口設備安裝

注水-回落儀器精度要求詳見表1。

表1 注水-回落試驗所需設備與材料

2.1.2 天然狀態階段

在水幕孔成孔之后，安裝機械式栓塞(必要時，可以采用水封式栓塞)，關閉水幕孔進水閥門，使該水幕孔逐漸恢復至天然穩定狀態，該階段壓力恢復穩定需要15 min左右，但為了確保能夠準確獲取各水幕孔穩定的天然壓力，通常該階段約持續1 d左右。

2.1.3 注水階段。

在該階段，需要打開進水閥門，同時，以一定的壓力往水幕孔內注水，其注水壓力為P=P0+ΔP，P0為水幕孔天然壓力(MPa)，ΔP為附加壓力，該壓力根據實際的場地條件進行確定。如果供水壓力穩定并且滿足要求，調整閥門對水幕孔進行注水并且達到規定壓力值，根據相關的工程經驗，水幕孔注水時間一般設置為15 min，具體時間根據巖體裂隙發育程度、通透性進行調整。

2.1.4 回落階段。

當試驗進入到回落階段時，關閉進水閥門，同時，記錄水幕孔內壓力變化值。該階段持續時間為2 h。

單水幕孔試驗作為多水幕孔聯合試驗的前期基礎調查資料，利用注水-回落過程，測試孔內壓力變化，獲取水幕孔周圍巖體水力參數，進一步為多水幕孔聯合試驗提供基礎數據，以及確定水幕補孔位置以及監測方案制定提供相關信息。

2.1.5 初始數據分析

國內外在地下水封洞庫以及地下核廢料處置場所，常用的分析方法主要有Moye公式法、Horner法[3]。惠州項目注水—回落試驗的數據擬用這兩種方法，計算分析確定水幕巷道SM1、SM2、SM3、SM4、SM5、LSM6水平水幕孔的滲透系數，其中SM1、SM2的結算結果(表2)。

表2 單水平水幕孔滲透系數

2.2 雙栓塞分段試驗

2.2.1 試驗方法

雙栓塞分段試驗是精細試驗，在單栓塞全孔試驗基礎上進行，其目的是尋求水幕孔長大范圍內不同區域的巖體滲透特性與滲透系數，試驗原理與單塞全孔試驗相同，但儀器設備與精度有差異，具體見圖5、表3。

圖5 雙栓塞注水-回落試驗水幕孔設備安裝

設備名稱說明SolinstLevelogger探頭最大采集數據點:39999供水水泵最大輸出壓力:1.2MPa電子流量壓力計精度:0.001L/min,0.001MPa自動采集系統工作電壓:二相220V塞間連接桿4×21無縫鋼管雙栓塞長度各為1m,工作壓力量程為5MPa試壓泵最大輸出壓力:6.3MPa水經過細菌要求處理,固體懸浮物總量小于10mg/L雙栓塞配套柔性膨脹管線工作壓力量程:32MPa供水管工作壓力量程:32MPa

2.2.2 擬合分析結果

對SM1-E3孔進行雙栓塞分段試驗，采用Saphir擬合分析獲得的滲透系數見表4，在與初始試驗獲得的數據進行比較，滲透系數誤差對于工程意義不大。

表4 雙栓塞注水-回落試驗滲透系數

2.3 多孔聯合試驗

聯合試驗是檢測水幕有效性的主試驗，需要根據水幕系統規模、分布情況進行分區域試驗，惠州項目共計6條水幕廊道，并在適當位置設置垂直水幕孔，聯合試驗分為2個區域，每個試驗區全部水幕孔均參與試驗。聯合試驗的目的是發現效率低下的水幕孔，分析其原因，提出優化方案。

2.3.1 試驗流程

2.3.1.1 準備階段

在試驗前1 d檢查注水系統狀態、洞內滲水點及滲水現象與滲漏量，記錄各孔壓力與流量，記錄地下水位監測井內水位。

2.3.1.2 第一階段

(1) 測讀記錄試驗區域內所有水幕孔壓力和水表讀數，同時記錄各個壓力計孔壓力。

(2) 關閉試驗區域內所有水幕孔，若其中某個水幕孔壓力下降至0 MPa，需立刻對該孔進行小流量供水，其供水壓力保持在0.05 MPa，并且持續到該階段結束，同時，需要記錄其流量和壓力值。

(3) 測量數據：

①按每天4次的頻率測讀記錄水幕孔的壓力和水表讀數，短時間內若需進行第二次記錄，時間間隔為1～2 h。

②記錄試驗區域內水幕巷道，交通巷道與主洞室內的滲水點流量和位置，并將其投影在相應的平面圖上，同時，記錄洞室進水量與排水量。

③測讀地下水監測井水位。

④按每天4次的頻率測讀記錄試驗區域內水幕總供水管和分支供水管流量與壓力以及水幕巷道注水表流量。

2.3.1.3 第二階段

具體操作步驟如下：

(1) 記錄試驗區域內所有水平水幕孔的壓力和水表讀數。

(2) 打開奇數水幕孔，同時，保持偶數水幕孔、垂直水幕孔處于關閉狀態。

(3) 測量數據：

數據測讀記錄、注意事項與第一階段相同。

2.3.1.4 第三階段

本階段關閉試驗區域內所有偶數水平水幕孔，保持奇數孔、垂直水幕孔處于關閉狀態，數據測讀與記錄、注意事項與第一階段相同。

2.3.2 數據分析

通過圖形分析、波動指數計算、異常孔否決3種判別方法對水幕有效性試驗水、平水幕孔壓力數據進行整理分析，找出效率低下的水幕孔。

(1)圖形分析發是將水幕孔壓力曲線與標準曲線進行比較，如果兩個階段沒有明顯變化，則水幕孔效率低。

(2)波形指數法是分析在閥門切換過程中，孔內壓力變化幅度和速度都呈現劇烈狀態，圖形中出現陡降或陡升的趨勢，該水幕孔被考慮為低效率孔。本項目確定的波動指數不大于0.35時，則該水幕孔為低效水幕孔。

(3)對于在供水閥門關閉階段，孔內壓力降為0.05 MPa后重新供水的水幕孔，均被考慮為低效率孔。

2.4 物探法測試巖體含水程度及其分布情況

物探法就是瞬變電磁儀檢測方法，利用瞬變電磁儀對低電阻體的敏感性，在水幕系統注水前后對巖體的含水情況進行探測，比較前后探測所得色譜圖變化情況，即可直觀發現注水后巖體的含水變化情況，并將探測結果與注水-回落試驗結果進行比較，即可驗證注水-回落試驗的有效性，又可進一步補充其不足之處。

2.4.1 檢測方法

水幕系統注水效果檢測采用偶極共面法，水在幕系統注水前和主洞室第一、二層開挖完成后檢測。注水前將高頻接收線圈與發射線圈垂直布置在左右邊墻，且保證其間距為10 m，進行數據采集；主洞室一二層開挖完成后，分別將高頻接收線圈與發射線圈布置在左右邊墻并與底板呈60°斜向下進行數據采集；底板檢測時，將高頻接收線圈與發射線圈水平布置在底板上，進行數據采集，線圈間距10 m。

2.4.2 測線布置

檢測范圍為整個水幕形成區，共布置5條測線，每條測線檢測2次；分別為水幕巷道左右邊墻水平方向，水幕巷道左右邊墻斜向下60°及底板中線下(圖6)。

根據現場情況，選擇干擾最小的檢測測線，并用紅油漆對檢測的測點進行標識，確保每個檢測點的間距為10 m，方便檢測過程中控制高頻接收線圈與發射線圈的間距。

2.4.3 數據處理與圖像解析

以底板測線作為分析案例，水幕巷道底板向下100 m的視電阻率剖面圖(圖7、圖8)。視電阻率剖面圖內等值線數值為巖層視電阻率值，此值越小(對應顏色越藍)表示此處巖層裂隙發育或相對富水性越好，反之說明巖體完整性較好，含水裂隙較少[4]。

圖6 瞬變測線布置示意

在瞬變電磁探測中，由于發射線圈關斷時間導致的觀測延遲使得瞬變電磁無法獲得關斷時間內的二次場信息，因此，淺層0～10 m為探測盲區。從圖中可已看出：從底板往下至55 m處，圍巖整體顯示低阻，結合前期獲得的水幕孔信息，可初步判斷，由于深度為58 m的垂直水幕孔已注水，水幕孔通透性好，水沿著孔內節理裂隙向孔四周滲透，導致此段巖體內部含水量高電阻率較低。為進一步了解此段范圍內的局部詳細變化，在此基礎上使用電阻率對數進行分析。

由圖7、圖8可以發現在20～50 m深度范圍內，巖體電阻率進一步降低。分析可知：水幕巷道下方30～40 m核心低阻異常為主洞室上層開挖后進行的金屬支護影響范圍，屬于低阻干擾。

圖7 水幕巷道1瞬變電磁探測電阻率剖面

圖8 水幕巷道1瞬變電磁探測電阻率對數剖面

3 影響因素分析

影響水幕系統有效性因素復雜，要素多樣，并且由于受到國外技術封鎖，加之國內建設項目不多，積累的經驗不足，需要在現有工程項目建設中不斷探索，筆者認為影響因素主要包括水幕系統參數設計因素、施工質量因素、試驗儀器因素、軟件模擬因素幾個方面。

3.1 水幕系統設計因素

在水幕系統設計階段需要看著以下影響因素研究，優化水幕系統參數。

(1)庫區工程地質勘探與水文地質調查是否細致、準確，精度是否足夠。

(2)水幕系統布置參數是否設計合理，是否與洞室地質條件匹配[5]。

(3)水幕孔參數是否與洞室尺寸結構、圍巖條件匹配。

3.2 施工因素

施工因素主要是水幕孔鉆孔質量，包括孔深、空間、方向，影響鉆孔質量的因素主要有以下方面。

(1)機型性能是否滿足巖性要求。

(2)鉆桿穩定性是否滿足精度要求。

(3)是否具有導向和自動糾偏功能。

3.3 注水-回落試驗因素

注水-回落試驗影響因素主要儀器儀表因素和模擬分析軟件兩方面影響因素。

(1)儀器儀表測試精度、耐壓強度是否滿足需要。

(2)安裝密封程度是否滿足需要，系統是否出現滲漏現象。

(3)模擬分析軟件是否適宜。

(4)專業工程師是否經驗足夠，參數設置是否合理。

4 幾點認識

(1)地下水封儲油洞庫水幕系統是否有效，是決定項目建設成敗，運營成本高低的關鍵，但是由于國外技術封鎖，國內建設項目不多，經驗不足，尚需在今后的建設項目中對水幕系統技術開展專項研究是必要的。

(2)傳統的注水—回落試驗費用高、耗時長，對低效孔的判斷準確性差，不能準確分析低效原因，因此有必要尋求其它驗證方法。

(3)用瞬變電磁儀對低電阻體的敏感性探測洞周巖體富水分布情況，是一種宏觀的探測，成本低，效率高，可以作為一種補充驗證手段。

(4)影響水幕系統效率的因素多，并且因項目各異，不管是設計或施工，需要充分認識項目自身特點。

[1] 楊艷玲, 溫新亮, 黃學軍. 地下水封儲油洞庫合理間距數值模擬研究[J]. 現代礦業, 2016(4).

[2] 劉杰, 趙興東, 溫新亮. 地下水封儲油洞庫各向異性滲流特征數值模擬[J]. 東北大學學報. 自然科學版, 2015(11).

[3] 邵再良. 地下儲氣洞室勘測中的注(壓)水試驗[J]. 西部探礦, 2004(4).

[4] 張凱, 陳壽根. 瞬變電磁法在地下儲油洞庫水幕質量檢測中的應用[J]. 工程勘察, 2015(10).

[5] 周永利, 孫海江. 某地下水封石油庫工程水幕孔施工技術研究[J]. 長江科學院院報, 2014(1).