大型地下石洞油氣庫(kù)人工水幕技術(shù)

楊 凱，趙 曉，張文輝，曹 鋼，李 鵬，陳彥生

(1.武警水電三峽工程指揮部，武漢 430050;2.長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010)

1 水幕技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

自1915年加拿大建成世界上首座地下儲(chǔ)氣庫(kù)、1948年瑞典建成世界上首座地下儲(chǔ)油庫(kù)以來(lái)，全球范圍內(nèi)已建成數(shù)百座大型地下儲(chǔ)油氣庫(kù)，其單庫(kù)儲(chǔ)油庫(kù)容300萬(wàn)～1 500萬(wàn)m3，單庫(kù)儲(chǔ)氣庫(kù)容10億～30億m3。

不論是儲(chǔ)油庫(kù)，還是儲(chǔ)氣庫(kù)，一個(gè)共同的建庫(kù)特征是，不襯砌、大跨度、高邊墻石洞，采用水封原理以儲(chǔ)存油氣，即通過地下水以下一定深度的堅(jiān)硬巖石諸如花崗巖、片麻巖、黃崗片麻巖等用圍巖的水壓大于洞內(nèi)油氣的壓力之差來(lái)密封使油氣不泄漏。

水封有2種方式:一是天然水幕;二是人工水幕［1］。前者適宜于年均降水量充沛、地下水位變幅不大的洞庫(kù)，后者適用于年均降水量較少且地下水位變幅較大的洞庫(kù)。本文論述的系后者的工況。2種水幕的共同點(diǎn)，均是以控制地下水來(lái)限制或消除油氣從有壓地下儲(chǔ)庫(kù)泄漏出去為目的。

2 人工水幕油氣密封技術(shù)原理

所謂人工水幕，就是在儲(chǔ)油氣洞室上方設(shè)置充水巷道(水幕巷道)，并在其邊墻及底板處鉆水幕孔且由此輻射一系列充滿水壓力的鉆孔，從而形成一覆蓋整個(gè)儲(chǔ)油氣洞室的傘狀水幕［2］，如圖1所示。

圖1 人工水幕系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of artificial water curtain system

圖1中，水幕鉆孔依圍巖結(jié)構(gòu)面而變化其施打方向。對(duì)于陡傾角的結(jié)構(gòu)面，水幕鉆孔為水平向;對(duì)于緩傾角的結(jié)構(gòu)面，水幕鉆孔為垂直向;介于陡傾角和緩傾角的結(jié)構(gòu)面兩者之間者，則布置斜度不一的水幕鉆孔?？偟脑瓌t是，水幕鉆孔盡量與圍巖結(jié)構(gòu)面垂直，至少兩者有大于70°以上的夾角，以便于水幕鉆孔充水后，能使結(jié)構(gòu)面內(nèi)儲(chǔ)有較富裕的水量，使得地下水位保持設(shè)計(jì)要求的尺度。圖2所示的是陡傾角結(jié)構(gòu)面條件下水平水幕孔的布置方式。

圖2 陡傾角結(jié)構(gòu)面水平水幕孔布置示意圖Fig.2 Plan view and sectional view of the layout of water curtain holes on steep inclined structural planes

為分析計(jì)，將圖1等效地改繪為實(shí)際地下水封儲(chǔ)油氣洞庫(kù)的圖3。

圖3 實(shí)際儲(chǔ)油氣洞室及理論分析的等效水幕系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig.3 Equivalent water curtain system of the oil and gas storage chamber

一般地下水的滲流屬穩(wěn)定流，為此，可用達(dá)西(Darcy)于1856年創(chuàng)立的式(1)來(lái)描述流量Q，即

式中:k為滲透系數(shù)，對(duì)巖石裂隙則稱為水力傳導(dǎo)系數(shù);A為包括巖石孔隙和顆粒在內(nèi)的與流速方向垂直的斷面面積或洞室的橫截面積;L為沿水流方向的長(zhǎng)度或洞室縱向長(zhǎng)度;J為水力梯度。

于是，流入圖3儲(chǔ)油氣洞室內(nèi)的單位流量q可寫為

式中g(shù)radU為水力坡降。

對(duì)于圖3中儲(chǔ)油氣洞室四周有充水鉆孔的工況，在理論上又可用圖4表示。

圖4 洞室的等效斷面圖Fig.4 Sketch of equivalent section of the chamber

文獻(xiàn)［3］給出了圖4所示的滲入洞庫(kù)內(nèi)的單位流量q和總流量Q:

式中:Pa為洞內(nèi)儲(chǔ)油氣壓力;R為水幕近似的圓形斷面半徑;R0為儲(chǔ)油氣洞室(簡(jiǎn)稱“洞室”)近似的圓形換算半徑為洞室的橫截面積;Pw為水幕壓力;Q為滲入洞室的總流量;L為洞室縱向長(zhǎng)度。

同理，當(dāng)?shù)叵聝?chǔ)油氣洞庫(kù)由多個(gè)同斷面尺寸的并列洞室組成時(shí)(圖5)，式(4)仍然適用，只是將式(4)各符號(hào)變?yōu)槭?5)形式:

式中:Qp為滲流量;R'0為多個(gè)同斷面尺寸并列洞室組成的儲(chǔ)油氣洞庫(kù)圍巖換算半徑，R'0=2πk·為并列同斷面尺寸的洞室個(gè)數(shù)。

圖5 并列開挖若干個(gè)洞室的圍巖示意圖Fig.5 Sketch of parallel chamber of the same section size

在上列各式中，滲透系數(shù)k的取值可查表1選取。

表1 不同巖土平均空隙率、單位出水量及滲透系數(shù)Table 1 Average void fractions，specific yields and permeability coefficients of different rock and soil types

由此可見，人工水幕之所以能密閉儲(chǔ)油氣洞室，是因?yàn)槿斯に豢墒箖?chǔ)油氣洞室圍巖裂縫(結(jié)構(gòu)面之間的空隙)中形成指向洞室的滲流，當(dāng)這些滲流的水力坡降大于某一臨界值時(shí)，就可阻止油氣進(jìn)入巖石裂縫或阻止已進(jìn)入縫隙的油氣向外運(yùn)移。

有關(guān)滲流的臨界水力坡降值(Ia)，目前還沒有統(tǒng)一的表達(dá)式，唯一可接受的準(zhǔn)則是

式中:I為沿圍巖縫隙面(或結(jié)構(gòu)面)的水力坡降;ρR為油氣的重度;ρw為水的重度。

3 水幕技術(shù)實(shí)施關(guān)鍵

在水幕系統(tǒng)的施工中，水幕鉆孔的成孔精準(zhǔn)度，是地下水封石洞儲(chǔ)油氣庫(kù)成功建造的關(guān)鍵技術(shù)。其技術(shù)要點(diǎn)如下。

3.1 選擇穩(wěn)定性好、有利于導(dǎo)向施工的鉆孔機(jī)械

鉆孔機(jī)械的穩(wěn)定性與成孔精度密切相關(guān)，采取以下措施增加鉆孔機(jī)械穩(wěn)定性:采用履帶式行走加大鉆機(jī)自重，鉆進(jìn)前采用油缸支撐的方式將鉆機(jī)與洞壁圍巖固定，在鉆機(jī)上增設(shè)調(diào)平裝置。

3.2 合理配置鉆具包括扶正器、沖擊器、定心器及鉆桿

(1)扶正器以導(dǎo)正鉆具鉆進(jìn)并扶正鉆桿彎曲變形。

(2)沖擊器選用? 98 mm中等風(fēng)壓及? 115 mm中等風(fēng)壓凹心潛孔錘鉆頭，可以在鉆進(jìn)中起頂錐導(dǎo)向作用。

(3)定心器利用早期5～6 m的鉆孔為導(dǎo)向孔，通過氣壓將定心器頂緊并使其與孔壁密合，類似全斷面圓形隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)結(jié)構(gòu)，定心器以其自身2 m長(zhǎng)度，當(dāng)鉆桿通過定心器向前推進(jìn)2 m后，自動(dòng)卸壓，并自動(dòng)向前滑移到鉆頭附近，然后再次通過氣壓將定心器與孔壁頂緊，以達(dá)鉆桿準(zhǔn)直繼續(xù)鉆進(jìn)。如此循環(huán)往復(fù)，終在5 m×4.5 m的水幕巷道內(nèi)精準(zhǔn)鉆深，最長(zhǎng)達(dá)105.4 m。

3.3 施鉆前做好鉆機(jī)定位以及鉆孔傾角、方位角的定向

采用巖石錨固、油缸支撐辦法，將鉆機(jī)牢牢固定在設(shè)計(jì)位置;將孔位點(diǎn)和后視點(diǎn)先人工連線，后用全站儀校核，以達(dá)設(shè)計(jì)要求的傾角與方位角，其誤差控制在mm級(jí)。

3.4 根據(jù)施鉆巖石變化，適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)

對(duì)于花崗片麻巖，水幕孔以鉆壓6～10 kN、鉆速30 r/min、風(fēng)壓0.9 ～1.1 MPa、風(fēng)量 15 m3/min 正常推進(jìn);當(dāng)遇裂隙發(fā)育的富水段時(shí)，改用低壓、低速和高推進(jìn)力鉆進(jìn)。當(dāng)遇斷層破碎帶時(shí)，采用低壓、高速、高推進(jìn)力鉆進(jìn);若由硬巖向軟巖變化時(shí)，則用減壓、減速和小推進(jìn)力鉆進(jìn)。

3.5 測(cè)斜緊跟鉆進(jìn)，及時(shí)糾偏導(dǎo)正

當(dāng)鉆至 5，10，20，30，40，50，60，80，100 m 直至105.4 m各孔深時(shí)，采用CQ型測(cè)斜儀及時(shí)分段測(cè)斜，要求水幕鉆孔的傾角與方位角精度控制在±1°范圍。

3.6 鉆孔電視對(duì)比

采用鉆孔電視，終孔后對(duì)整個(gè)鉆孔的巖石結(jié)構(gòu)與巖性全面成像搜尋，并與各區(qū)段鉆進(jìn)的鉆壓、鉆速、推進(jìn)力對(duì)照比較以優(yōu)化水幕鉆孔施工工藝參數(shù)。

4 水幕鉆孔施工實(shí)例

中國(guó)首座300×104m3地下水封石洞儲(chǔ)庫(kù)，在9個(gè)20 m寬、30 m高、484～717 m長(zhǎng)的洞室拱頂上方25 m處，分別布置5條斷面5 m×4.5 m的圓拱直墻水幕巷道，在垂直水幕巷道軸線方向，每隔10 m布設(shè)? 120 mm水幕鉆孔529個(gè)，其孔深分別有5，44.4，90.25，105.4 m，共計(jì) 49 505 延米，滿足了本水封洞庫(kù)的設(shè)計(jì)要求。

4.1 水幕鉆孔偏斜率

529個(gè)水幕孔總進(jìn)尺49 505延米的鉆孔偏斜率見表2。

表2 中國(guó)首座大型地下水封石洞儲(chǔ)油庫(kù)水幕鉆孔偏斜率Table 2 Deviations of water curtain holes in China’s first large-scale groundwater-sealed petroleum s torage cavern

由表2可見，孔深在60 m之前，鉆孔屬于正?；鶞?zhǔn)導(dǎo)向，其偏斜率為允許范圍;孔深60～80 m區(qū)段，鉆孔屬于異?；鶞?zhǔn)導(dǎo)向，其偏斜率較大;孔深95.5～105.4 m時(shí)，鉆孔屬于非?；鶞?zhǔn)導(dǎo)向，其偏斜率大，可能對(duì)圍巖縫隙(結(jié)構(gòu)面)相垂直的布置帶來(lái)較大偏差，不利于水幕充壓和地下水位線調(diào)控。

4.2 水幕鉆孔偏斜允許值比較

鑒于巖土預(yù)應(yīng)力錨桿偏斜精度，對(duì)其錨固工程整體力學(xué)效應(yīng)和應(yīng)用效果有直接的影響，國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范、指南對(duì)鉆孔偏斜均給出了明確指標(biāo)規(guī)定(見表3)。

表3 水幕鉆孔與其之相關(guān)規(guī)范中鉆孔偏斜允許值的比較Table 3 Comparison of deviation between water curtain hole and borehole in specifications in China and abroad

由表3可見，中國(guó)首座大型地下水封石洞儲(chǔ)油庫(kù)的水幕鉆孔，實(shí)施的所有長(zhǎng)度區(qū)段，均比現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外巖土錨桿的偏差度小，而且鉆孔長(zhǎng)度在60 m區(qū)段內(nèi)，其偏差角度少一半以上。這表明，水幕鉆孔的基準(zhǔn)導(dǎo)向比錨桿鉆孔的要求高;也是水幕“軟實(shí)力”與錨桿“硬實(shí)力”不同所致。

4.3 水封效果

參考國(guó)外已建的儲(chǔ)油氣洞庫(kù)水幕鉆孔技術(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)水幕孔注水回落試驗(yàn)、有效性試驗(yàn)和理論分析［4－8］，可得:

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)水幕孔的有效性試驗(yàn)，檢測(cè)水幕孔之間的滲透性，利用有限元分析了各向同性和各向異性滲透性條件下水幕孔注水后孔隙水壓力的時(shí)空分布規(guī)律，得到了不同水壓力增量和觀察時(shí)間條件下水幕孔間距，滿足了設(shè)計(jì)條件。

(2)單一裂隙下水幕孔周邊壓力的分布主要控制因素為裂隙的走向，沿裂隙方向?qū)院?，壓力上升最?垂直裂隙方向透水性較差，水壓力變化幅度小。因此，在已知節(jié)理裂隙分布情況下，沿裂隙方向，可增大水幕孔間距，其他方向，適當(dāng)減小水幕孔間距是正確的。

(3)在小角度交叉裂隙情況下，水幕孔布置在沿裂隙方向和2組裂隙較小夾角范圍內(nèi)是比較有利的，在這部分區(qū)域，壓力傳導(dǎo)快，水幕孔連通性好。而在其他區(qū)域，水幕孔間距應(yīng)適當(dāng)變小。

(4)對(duì)于大角度交叉裂隙而言，在各組裂隙參數(shù)取值相同的情況下，水幕孔周圍水壓力變化比小角度交叉裂隙小，角度越大，變化越小，壓力趨向均勻分布。因此，水幕孔的布置，在各個(gè)方向的間距變化較小也是可行的。

總之，2年多的施工期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，首座大型地下水封石洞儲(chǔ)油庫(kù)的水封效果，符合實(shí)際，可以在工程生命周期內(nèi)滿足原油不泄漏的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)首座大型地下水封石洞儲(chǔ)油庫(kù)的人工水幕技術(shù)，理論與初步實(shí)踐的結(jié)果表明，該技術(shù)精準(zhǔn)可靠，可為國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備規(guī)劃的后續(xù)工程借鑒。

通過近期類似工程比較可知，首座儲(chǔ)庫(kù)的人工水幕技術(shù)，對(duì)于年平均降水量736 mm的花崗片麻巖不襯砌條件，能達(dá)到水封原油不泄漏的效果，它給類似的工程起到了示范啟迪作用。

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