地下水封儲(chǔ)油庫(kù)庫(kù)址的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題分析

鐘博宇 陳宏偉

（1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000 ；2.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000 ）

我國(guó)石油資源十分缺乏，原油生產(chǎn)無法有效滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，因此對(duì)于進(jìn)口石油的依賴也就越來越高，早在2007年的時(shí)候就已經(jīng)超過了1.59×108t，國(guó)際市場(chǎng)中的石油價(jià)格變化對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)具有極大的影響。按照國(guó)際能源組織機(jī)構(gòu)的規(guī)定，每個(gè)成員國(guó)的應(yīng)急石油儲(chǔ)備應(yīng)該和上一年的消費(fèi)總量一致，并在此基礎(chǔ)上，在2015年的時(shí)候，中國(guó)應(yīng)該保證石油儲(chǔ)量在500×104t 以上，并且應(yīng)該建立超過7000 萬立方米的石油儲(chǔ)備。但是，中國(guó)在第一期建設(shè)的四個(gè)石油儲(chǔ)備地的地表和地下儲(chǔ)油庫(kù)早在2008年的時(shí)候就已經(jīng)建成，但是石油的儲(chǔ)備能力依舊無法滿足國(guó)家的需求，影響必須建設(shè)大路的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備基地。

1 地下水封儲(chǔ)油庫(kù)儲(chǔ)油運(yùn)行原理

為良好確保儲(chǔ)油的穩(wěn)定性和安全性，地下水封儲(chǔ)油罐應(yīng)設(shè)置在相對(duì)穩(wěn)定水位以下5 米的深度，經(jīng)過一定的工程操作，挖出一定體積的儲(chǔ)油室，并將石油儲(chǔ)存在洞室中，并通過穩(wěn)定的地下水水封功能實(shí)現(xiàn)密封儲(chǔ)存。在開展施工活動(dòng)前，按照節(jié)理裂隙，地下水較深，并填滿巖隙。在儲(chǔ)油庫(kù)開挖以后，圍巖中的水將會(huì)滲透到以及開挖的洞窟中，這是注入石油，將會(huì)形成壓力差，導(dǎo)致水壓超過油壓，使石油固定在油庫(kù)中。這一儲(chǔ)油方法的操作原理主要是對(duì)油水不混合、油比水輕的特點(diǎn)進(jìn)行使用，一些石油在注入油庫(kù)以后因?yàn)樗膲毫υ诙吹托纬伤畨|，然后利用水泵抽走,其工作原理如圖1。

圖1 水封洞庫(kù)儲(chǔ)油原理示意

2 選擇地下儲(chǔ)油庫(kù)的主要原理

選擇適當(dāng)?shù)膬?chǔ)油庫(kù)位置對(duì)油庫(kù)的施工有著十分關(guān)鍵的影響，為此，有必要不斷強(qiáng)化對(duì)庫(kù)址的選擇。在選擇過程中應(yīng)該滿足以下兩方面的地質(zhì)條件。一方面，巖石應(yīng)該擁有完整性，非深斷裂和小裂縫的結(jié)品巖體是最為理想；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)密封，可以進(jìn)行關(guān)鍵的水封。在實(shí)際選擇儲(chǔ)油庫(kù)地址的時(shí)候應(yīng)該按照中國(guó)有關(guān)條例與實(shí)際過程和選址狀況開展地下水庫(kù)的施工，以此來滿足右油儲(chǔ)存需要。

3 選址過程中應(yīng)該重視的問題

3.1 選擇區(qū)域的穩(wěn)定性

首先，應(yīng)該對(duì)選擇的地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造活動(dòng)性進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)這一范圍中的內(nèi)部應(yīng)力狀況、方向與大小進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試范圍應(yīng)該包含各種應(yīng)力分量和活動(dòng)特征間的聯(lián)系。應(yīng)該選取地應(yīng)力較小獲得較低的區(qū)域。其次，應(yīng)該對(duì)詳細(xì)研究選擇區(qū)域的地震特征以及地震基本烈度等，應(yīng)該盡可能選擇一些地震烈度較小的地區(qū)，而地震烈度值越低越好。應(yīng)高度重視地平與高輕度地震對(duì)地下水水庫(kù)周邊地區(qū)的影響。在水庫(kù)施工以前，應(yīng)該對(duì)選擇區(qū)域的自然地震進(jìn)行掌握。其通常包含了開展有關(guān)的鉆探與取樣，對(duì)場(chǎng)地中的巖石、土壤和地下水的特征開展具體的分析與研究，與此同時(shí)，還應(yīng)該開展地球物理勘探，并對(duì)淺層地震進(jìn)行勘察。

3.2 巖體完整性

在儲(chǔ)油庫(kù)建設(shè)中最為重要的一項(xiàng)條件就是巖層的開完，在開完以前有必要對(duì)其開展評(píng)價(jià)。首先是巖石的完整性評(píng)估。所選儲(chǔ)層巖性要牢固，礦物粒度要均勻，耐候性要強(qiáng)。此外，還應(yīng)對(duì)比不同剖面巖石風(fēng)化程度；其次是對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。由于對(duì)巖體的力學(xué)強(qiáng)度于完整性進(jìn)行考慮，巖石必須具備良好的抗壓剪切強(qiáng)度。天然溶洞網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，溶洞水流多變并且是不固定的，溶洞季節(jié)性流量大，水位變化大。為了穩(wěn)定地下水位，應(yīng)該創(chuàng)建和地下書庫(kù)相結(jié)合的地下水庫(kù)。因?yàn)橛彩嗟貐^(qū)的水膨脹，地下油庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的封閉。

3.3 保證必要的水封條件

地下儲(chǔ)罐最為關(guān)鍵的特征即地下洞室周邊的油壓低于水壓，這樣石油就不會(huì)通過裂縫泄露出去。水封系統(tǒng)將會(huì)因?yàn)榈叵滤康母淖兌艿接绊憽Ｋ裕斜匾獙?duì)最低的地下水位進(jìn)行測(cè)量與明確，正確設(shè)置洞室深度，確保洞室具有穩(wěn)定性，對(duì)減少洞室施工成本具有重要作用。一般按照選定地區(qū)巖體中地下水的最低自然排水資料來明確最小地下水位。

4 設(shè)計(jì)洞庫(kù)時(shí)應(yīng)該重視的地質(zhì)問題

在地下油庫(kù)施工時(shí)，應(yīng)和當(dāng)?shù)刈匀粭l件形成和諧關(guān)系，尤其是和地質(zhì)條件進(jìn)行協(xié)調(diào)。所以，應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)資料以及儲(chǔ)油技術(shù)要求，在結(jié)合施工工藝的基礎(chǔ)上開展洞室土建設(shè)計(jì)。在此其中，洞室的容量、數(shù)量、布置方式、埋深、橫截面幾何形狀和規(guī)模等都會(huì)受到地質(zhì)因素的限制，因此，地質(zhì)條件為地下水封油庫(kù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4.1 儲(chǔ)油庫(kù)容量

通常建設(shè)地下油庫(kù)的的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地上油庫(kù)的施工成本，然而當(dāng)?shù)叵掠蛶?kù)規(guī)模達(dá)超過一定程度時(shí)，地下油庫(kù)建設(shè)成本反而小于地上油庫(kù)。所以，有必要結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，按照儲(chǔ)備基地關(guān)鍵供應(yīng)對(duì)象的進(jìn)口加工量以及周圍潛在用戶供應(yīng)的原油加工量來計(jì)算，以此明確地下儲(chǔ)備的建設(shè)規(guī)模。在施工過程中，可先考慮建立小型的地下油庫(kù)，測(cè)試當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，然后根據(jù)產(chǎn)生的效果來擴(kuò)展地下油庫(kù)規(guī)模，最后完成地下油庫(kù)的可持續(xù)發(fā)展和安全運(yùn)作。

4.2 儲(chǔ)油庫(kù)平面分布

洞室的方向和深度應(yīng)按照可用巖體的分布情況確定，洞室的中軸線應(yīng)垂直于節(jié)理的主要結(jié)構(gòu)方向，而豎井的設(shè)置應(yīng)該靠近地表作業(yè)區(qū)的一側(cè)。各個(gè)洞室的位置、走向和間距應(yīng)該按照地址條件來進(jìn)行布置。地應(yīng)力制約著洞室群軸向的選擇，并且對(duì)洞室剖面的形狀和大小具有限制作用。

4.3 儲(chǔ)油庫(kù)埋深

其深度應(yīng)該結(jié)合以下幾方面因素來明確：石油品質(zhì)性質(zhì)、洞內(nèi)最大壓力，庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件和保護(hù)安全要求等。結(jié)合相關(guān)因素來明確合理的埋深，埋深過深對(duì)油藏不利。最經(jīng)濟(jì)的方法是將拱頂設(shè)置在略低于含水層深度的一半的位置。

4.4 儲(chǔ)油庫(kù)橫斷面幾何形狀和大小

洞庫(kù)的集合形狀對(duì)圍巖的應(yīng)力分布具有一定的影響，應(yīng)力分布是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一，尤其是對(duì)使用噴錨結(jié)構(gòu)處理的洞室，顯得尤為重要。按照洞庫(kù)面積和地質(zhì)資料的對(duì)比，對(duì)圍巖穩(wěn)定性開展分析，以此來確定洞庫(kù)數(shù)量、形狀、斷面大小。一般來講，在十分堅(jiān)硬完整的花崗巖等巖體中，洞室寬20 米，高30 米，間距50 米。但是在較為完整砂巖等巖體中，跨度和高度較小，并且，孔洞間距較大。

5 分析地下水封油庫(kù)施工中的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)

5.1 水封油庫(kù)容量方面

對(duì)于地下水封油庫(kù)的容量，油庫(kù)的容量應(yīng)按照原油進(jìn)口量、實(shí)際市場(chǎng)需求和可能的消費(fèi)需求來確定，為了開展對(duì)應(yīng)規(guī)模的施工工作，地下儲(chǔ)油在經(jīng)濟(jì)投資中的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地下儲(chǔ)油庫(kù)，然而在地下儲(chǔ)油庫(kù)的規(guī)模超過了一定范圍后，其成本投資將會(huì)小于地表儲(chǔ)油庫(kù)的施工成本。石油存儲(chǔ)容量的設(shè)計(jì)，可結(jié)合經(jīng)濟(jì)可行的最低標(biāo)準(zhǔn)的建立規(guī)模相對(duì)較小的地下水封油庫(kù)，測(cè)試當(dāng)?shù)氐乃暮偷刭|(zhì)環(huán)境，對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效應(yīng)開展詳細(xì)分析，在必要的時(shí)候，應(yīng)該再建設(shè)一個(gè)相比較大的儲(chǔ)油庫(kù)，從而滿足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需求的地下水封石油儲(chǔ)罐。在經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)候，不斷提高安全性，為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展供應(yīng)穩(wěn)定的石油供應(yīng)和儲(chǔ)存。

5.3 確保有足夠的供水及防滲措施

在選擇地下水封儲(chǔ)油庫(kù)的地址時(shí)，有必要及時(shí)開展水文地質(zhì)斷面的檢測(cè)，其主要包含了地下水壓力、水位和水化學(xué)等，并充分掌握最高洪水位。并且應(yīng)該了解在沿海地區(qū)，是否具有海水倒灌回河流和地下水的狀況。為有效確保機(jī)械設(shè)備的安全性，規(guī)避水中的鉛、硫、銅等化學(xué)元素對(duì)石油和設(shè)備造成腐蝕，應(yīng)該對(duì)水中的惰性氣體、水質(zhì)狀況、水汽成本進(jìn)行檢測(cè)。在灌油的時(shí)候，應(yīng)該維持充足的供水，因此，水源和地下儲(chǔ)油庫(kù)間的供水不能是直接雙向，不能對(duì)水封儲(chǔ)油庫(kù)上方的正常地下水位造成影響。通常采用最低自然排水基準(zhǔn)面來確定最低地下水位，在項(xiàng)目施工時(shí)應(yīng)該保證不會(huì)對(duì)自然排水基準(zhǔn)面造成影響。為了最大限度減少人為因素對(duì)洞室深埋的影響，在選擇儲(chǔ)油庫(kù)地址的時(shí)候，應(yīng)該優(yōu)先選擇低于最低排水水位和基準(zhǔn)水位的地段，最為適當(dāng)。

5.3 強(qiáng)化巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)

當(dāng)前，按照有關(guān)專家的研究，得出天然古溶洞系統(tǒng)中具有三種滿足天然氣儲(chǔ)存的動(dòng)態(tài)條件，其主要為介質(zhì)空間上的巖溶含水層包括了溶洞通道、裂隙和孔隙節(jié)理三種類型，據(jù)此，其分別包括了三種水層。有關(guān)學(xué)者K.Torbarrov良好根據(jù)水流量衰減指數(shù)方程，求得了流域中巖體的有效孔洞檬，并在此基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)亞動(dòng)態(tài)的狀況進(jìn)行了計(jì)算。單個(gè)的巖溶動(dòng)力泉水中極為常見的衰減系數(shù)值a 的分布范圍為0.0109-0.00151。現(xiàn)如今，較為常用的是在花崗巖地范圍建設(shè)地下儲(chǔ)油庫(kù)，由于中國(guó)花崗巖分布范圍十分廣泛，十分合適開展地下水封油庫(kù)的施工。在施工過程中還應(yīng)該強(qiáng)化圍巖的建設(shè)，并對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行核算，這個(gè)洞室間距、寬度、高度、長(zhǎng)度都有著十分緊密的聯(lián)系，并且還可以節(jié)約施工成本。

6 結(jié)論

鑒于中國(guó)石油需求的日益增長(zhǎng)與復(fù)制的地貌條件，最大化使用有利的水文地質(zhì)環(huán)境，建設(shè)地下水封儲(chǔ)油罐具有十分重要的意義。在開展選擇的時(shí)候有必要堅(jiān)持巖石的完整與密封性，對(duì)庫(kù)區(qū)選擇的穩(wěn)定性進(jìn)行充分考量，從而選取最為適當(dāng)?shù)膬?chǔ)油能力，以此來保證充分的供水和防滲工作，強(qiáng)化巖體質(zhì)量的評(píng)價(jià)，保證地下水封儲(chǔ)油安全經(jīng)濟(jì)。