地下石油儲(chǔ)備洞庫(kù)水幕系統(tǒng)有效性檢測(cè)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(chǔ)備是國(guó)家的能源安全戰(zhàn)略，近年來(lái)國(guó)家加大了石油儲(chǔ)備建設(shè)力度，一批大型地下儲(chǔ)油洞庫(kù)項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，地下儲(chǔ)油洞庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)是確保水幕系統(tǒng)的有效性，防止原油逃逸，破壞周邊生態(tài)環(huán)境。目前水幕形成質(zhì)量檢測(cè)主要有水幕孔連通性測(cè)試和巖體含水分布測(cè)試兩種方法，前者是微觀檢測(cè)方法，后者是對(duì)巖體的含水分布情況的宏觀檢測(cè)方法。

1 儲(chǔ)油洞庫(kù)的水封原理

地下水封洞庫(kù)儲(chǔ)油原理就是利用油水不相容且油的質(zhì)量比水輕的特點(diǎn)，當(dāng)在洞室四周形成一定壓力的水幕，則可防止原油逃逸，達(dá)到儲(chǔ)備目的。因此地下儲(chǔ)油洞庫(kù)選址必須滿足兩個(gè)條件：一是庫(kù)區(qū)圍巖完整性好，堅(jiān)硬程度較好；二是要有良好的水文條件和穩(wěn)定的地下水位以滿足“隙存水補(bǔ)”保證油品不發(fā)生外泄[1]。

因此水封油庫(kù)洞室在開(kāi)挖及運(yùn)行過(guò)程中要求具有嚴(yán)格的水封性。由于洞室開(kāi)挖前，地下水通過(guò)節(jié)理裂隙等滲透到巖層深部并完全充滿巖層空隙；當(dāng)巖體開(kāi)挖形成儲(chǔ)油洞庫(kù)后，裂隙水就會(huì)流失。為保證洞室開(kāi)挖不致巖體失水，目前國(guó)內(nèi)外大多采用帶水幕系統(tǒng)開(kāi)挖洞室方式。水封儲(chǔ)油洞庫(kù)工作原理見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 人工水幕系統(tǒng)示意

圖2 儲(chǔ)油氣洞室及理論分析等效系統(tǒng)布設(shè)示意

圖3 洞室的等效斷面

2 水幕有效性檢測(cè)方法

水幕有效性檢測(cè)方法包括單孔試驗(yàn)法、多孔聯(lián)合試驗(yàn)法、物探法。

2.1 單孔注水回落試驗(yàn)

單孔注水回落試驗(yàn)的目的是測(cè)試水幕孔周?chē)鷰r體的滲透系數(shù)，分初始試驗(yàn)、單栓塞全孔試驗(yàn)、雙栓塞分段試驗(yàn)三個(gè)階段。單栓塞全孔試驗(yàn)一般在初始試驗(yàn)后既同步進(jìn)行，不同之處是延長(zhǎng)注水穩(wěn)壓時(shí)間至4 h，注水壓力增加至最大0.8 MPa。雙栓塞試驗(yàn)屬于沿水幕孔的分段試驗(yàn)，目的是測(cè)試不同孔段的圍巖滲透系數(shù)，屬于精細(xì)試驗(yàn)，由于費(fèi)用高，對(duì)工程意義不大，在儲(chǔ)油洞庫(kù)項(xiàng)目開(kāi)展較少。

整個(gè)試驗(yàn)分三個(gè)階段，分別為天然狀態(tài)階段、注水階段、回落階段，擬通過(guò)對(duì)壓力、流量觀測(cè)記錄、建立壓力-時(shí)間變化曲線，根據(jù)現(xiàn)有的試井理論以及各標(biāo)準(zhǔn)曲線的特征，確定試驗(yàn)過(guò)程中地下水各個(gè)流態(tài)對(duì)應(yīng)的階段，選取相應(yīng)的模型，獲取水幕孔周?chē)鷰r體滲透系數(shù)[2]。

2.1.1 設(shè)備安裝與進(jìn)度要求

水幕孔施工完成后先進(jìn)行洗孔，清除鉆孔內(nèi)泥漿和碎屑并在孔口位置安裝機(jī)械栓塞，進(jìn)行水幕孔前期水文地質(zhì)試驗(yàn)。設(shè)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(jì)、注水閥、止回閥和排水閥。

圖4 水幕孔孔口設(shè)備安裝

注水-回落儀器精度要求詳見(jiàn)表1。

表1 注水-回落試驗(yàn)所需設(shè)備與材料

2.1.2 天然狀態(tài)階段

在水幕孔成孔之后，安裝機(jī)械式栓塞(必要時(shí)，可以采用水封式栓塞)，關(guān)閉水幕孔進(jìn)水閥門(mén)，使該水幕孔逐漸恢復(fù)至天然穩(wěn)定狀態(tài)，該階段壓力恢復(fù)穩(wěn)定需要15 min左右，但為了確保能夠準(zhǔn)確獲取各水幕孔穩(wěn)定的天然壓力，通常該階段約持續(xù)1 d左右。

2.1.3 注水階段。

在該階段，需要打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)，同時(shí)，以一定的壓力往水幕孔內(nèi)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(jù)實(shí)際的場(chǎng)地條件進(jìn)行確定。如果供水壓力穩(wěn)定并且滿足要求，調(diào)整閥門(mén)對(duì)水幕孔進(jìn)行注水并且達(dá)到規(guī)定壓力值，根據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，水幕孔注水時(shí)間一般設(shè)置為15 min，具體時(shí)間根據(jù)巖體裂隙發(fā)育程度、通透性進(jìn)行調(diào)整。

2.1.4 回落階段。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)入到回落階段時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)，同時(shí)，記錄水幕孔內(nèi)壓力變化值。該階段持續(xù)時(shí)間為2 h。

單水幕孔試驗(yàn)作為多水幕孔聯(lián)合試驗(yàn)的前期基礎(chǔ)調(diào)查資料，利用注水-回落過(guò)程，測(cè)試孔內(nèi)壓力變化，獲取水幕孔周?chē)鷰r體水力參數(shù)，進(jìn)一步為多水幕孔聯(lián)合試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及確定水幕補(bǔ)孔位置以及監(jiān)測(cè)方案制定提供相關(guān)信息。

2.1.5 初始數(shù)據(jù)分析

國(guó)內(nèi)外在地下水封洞庫(kù)以及地下核廢料處置場(chǎng)所，常用的分析方法主要有Moye公式法、Horner法[3]?；葜蓓?xiàng)目注水—回落試驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬用這兩種方法，計(jì)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(shù)，其中SM1、SM2的結(jié)算結(jié)果(表2)。

表2 單水平水幕孔滲透系數(shù)

2.2 雙栓塞分段試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法

雙栓塞分段試驗(yàn)是精細(xì)試驗(yàn)，在單栓塞全孔試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行，其目的是尋求水幕孔長(zhǎng)大范圍內(nèi)不同區(qū)域的巖體滲透特性與滲透系數(shù)，試驗(yàn)原理與單塞全孔試驗(yàn)相同，但儀器設(shè)備與精度有差異，具體見(jiàn)圖5、表3。

圖5 雙栓塞注水-回落試驗(yàn)水幕孔設(shè)備安裝

設(shè)備名稱(chēng)說(shuō)明SolinstLevelogger探頭最大采集數(shù)據(jù)點(diǎn):39999供水水泵最大輸出壓力:1.2MPa電子流量壓力計(jì)精度:0.001L/min,0.001MPa自動(dòng)采集系統(tǒng)工作電壓:二相220V塞間連接桿4×21無(wú)縫鋼管雙栓塞長(zhǎng)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(jīng)過(guò)細(xì)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(jié)果

對(duì)SM1-E3孔進(jìn)行雙栓塞分段試驗(yàn)，采用Saphir擬合分析獲得的滲透系數(shù)見(jiàn)表4，在與初始試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，滲透系數(shù)誤差對(duì)于工程意義不大。

表4 雙栓塞注水-回落試驗(yàn)滲透系數(shù)

2.3 多孔聯(lián)合試驗(yàn)

聯(lián)合試驗(yàn)是檢測(cè)水幕有效性的主試驗(yàn)，需要根據(jù)水幕系統(tǒng)規(guī)模、分布情況進(jìn)行分區(qū)域試驗(yàn)，惠州項(xiàng)目共計(jì)6條水幕廊道，并在適當(dāng)位置設(shè)置垂直水幕孔，聯(lián)合試驗(yàn)分為2個(gè)區(qū)域，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)全部水幕孔均參與試驗(yàn)。聯(lián)合試驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)效率低下的水幕孔，分析其原因，提出優(yōu)化方案。

2.3.1 試驗(yàn)流程

2.3.1.1 準(zhǔn)備階段

在試驗(yàn)前1 d檢查注水系統(tǒng)狀態(tài)、洞內(nèi)滲水點(diǎn)及滲水現(xiàn)象與滲漏量，記錄各孔壓力與流量，記錄地下水位監(jiān)測(cè)井內(nèi)水位。

2.3.1.2 第一階段

(1) 測(cè)讀記錄試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有水幕孔壓力和水表讀數(shù)，同時(shí)記錄各個(gè)壓力計(jì)孔壓力。

(2) 關(guān)閉試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有水幕孔，若其中某個(gè)水幕孔壓力下降至0 MPa，需立刻對(duì)該孔進(jìn)行小流量供水，其供水壓力保持在0.05 MPa，并且持續(xù)到該階段結(jié)束，同時(shí)，需要記錄其流量和壓力值。

(3) 測(cè)量數(shù)據(jù)：

①按每天4次的頻率測(cè)讀記錄水幕孔的壓力和水表讀數(shù)，短時(shí)間內(nèi)若需進(jìn)行第二次記錄，時(shí)間間隔為1～2 h。

②記錄試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水幕巷道，交通巷道與主洞室內(nèi)的滲水點(diǎn)流量和位置，并將其投影在相應(yīng)的平面圖上，同時(shí)，記錄洞室進(jìn)水量與排水量。

③測(cè)讀地下水監(jiān)測(cè)井水位。

④按每天4次的頻率測(cè)讀記錄試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)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(yàn)區(qū)域內(nèi)所有水平水幕孔的壓力和水表讀數(shù)。

(2) 打開(kāi)奇數(shù)水幕孔，同時(shí)，保持偶數(shù)水幕孔、垂直水幕孔處于關(guān)閉狀態(tài)。

(3) 測(cè)量數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)測(cè)讀記錄、注意事項(xiàng)與第一階段相同。

2.3.1.4 第三階段

本階段關(guān)閉試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有偶數(shù)水平水幕孔，保持奇數(shù)孔、垂直水幕孔處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)據(jù)測(cè)讀與記錄、注意事項(xiàng)與第一階段相同。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)圖形分析、波動(dòng)指數(shù)計(jì)算、異?？追駴Q3種判別方法對(duì)水幕有效性試驗(yàn)水、平水幕孔壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，找出效率低下的水幕孔。

(1)圖形分析發(fā)是將水幕孔壓力曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，如果兩個(gè)階段沒(méi)有明顯變化，則水幕孔效率低。

(2)波形指數(shù)法是分析在閥門(mén)切換過(guò)程中，孔內(nèi)壓力變化幅度和速度都呈現(xiàn)劇烈狀態(tài)，圖形中出現(xiàn)陡降或陡升的趨勢(shì)，該水幕孔被考慮為低效率孔。本項(xiàng)目確定的波動(dòng)指數(shù)不大于0.35時(shí)，則該水幕孔為低效水幕孔。

(3)對(duì)于在供水閥門(mén)關(guān)閉階段，孔內(nèi)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(cè)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(cè)方法，利用瞬變電磁儀對(duì)低電阻體的敏感性，在水幕系統(tǒng)注水前后對(duì)巖體的含水情況進(jìn)行探測(cè)，比較前后探測(cè)所得色譜圖變化情況，即可直觀發(fā)現(xiàn)注水后巖體的含水變化情況，并將探測(cè)結(jié)果與注水-回落試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，即可驗(yàn)證注水-回落試驗(yàn)的有效性，又可進(jìn)一步補(bǔ)充其不足之處。

2.4.1 檢測(cè)方法

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

2.4.2 測(cè)線布置

檢測(cè)范圍為整個(gè)水幕形成區(qū)，共布置5條測(cè)線，每條測(cè)線檢測(cè)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇干擾最小的檢測(cè)測(cè)線，并用紅油漆對(duì)檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，確保每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的間距為10 m，方便檢測(cè)過(guò)程中控制高頻接收線圈與發(fā)射線圈的間距。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理與圖像解析

以底板測(cè)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(nèi)等值線數(shù)值為巖層視電阻率值，此值越小(對(duì)應(yīng)顏色越藍(lán))表示此處巖層裂隙發(fā)育或相對(duì)富水性越好，反之說(shuō)明巖體完整性較好，含水裂隙較少[4]。

圖6 瞬變測(cè)線布置示意

在瞬變電磁探測(cè)中，由于發(fā)射線圈關(guān)斷時(shí)間導(dǎo)致的觀測(cè)延遲使得瞬變電磁無(wú)法獲得關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的二次場(chǎng)信息，因此，淺層0～10 m為探測(cè)盲區(qū)。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(jié)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(nèi)節(jié)理裂隙向孔四周滲透，導(dǎo)致此段巖體內(nèi)部含水量高電阻率較低。為進(jìn)一步了解此段范圍內(nèi)的局部詳細(xì)變化，在此基礎(chǔ)上使用電阻率對(duì)數(shù)進(jìn)行分析。

由圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)在20～50 m深度范圍內(nèi)，巖體電阻率進(jìn)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(kāi)挖后進(jìn)行的金屬支護(hù)影響范圍，屬于低阻干擾。

圖7 水幕巷道1瞬變電磁探測(cè)電阻率剖面

圖8 水幕巷道1瞬變電磁探測(cè)電阻率對(duì)數(shù)剖面

3 影響因素分析

影響水幕系統(tǒng)有效性因素復(fù)雜，要素多樣，并且由于受到國(guó)外技術(shù)封鎖，加之國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目不多，積累的經(jīng)驗(yàn)不足，需要在現(xiàn)有工程項(xiàng)目建設(shè)中不斷探索，筆者認(rèn)為影響因素主要包括水幕系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)因素、施工質(zhì)量因素、試驗(yàn)儀器因素、軟件模擬因素幾個(gè)方面。

3.1 水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素

在水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要看著以下影響因素研究，優(yōu)化水幕系統(tǒng)參數(shù)。

(1)庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)勘探與水文地質(zhì)調(diào)查是否細(xì)致、準(zhǔn)確，精度是否足夠。

(2)水幕系統(tǒng)布置參數(shù)是否設(shè)計(jì)合理，是否與洞室地質(zhì)條件匹配[5]。

(3)水幕孔參數(shù)是否與洞室尺寸結(jié)構(gòu)、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(zhì)量，包括孔深、空間、方向，影響鉆孔質(zhì)量的因素主要有以下方面。

(1)機(jī)型性能是否滿足巖性要求。

(2)鉆桿穩(wěn)定性是否滿足精度要求。

(3)是否具有導(dǎo)向和自動(dòng)糾偏功能。

3.3 注水-回落試驗(yàn)因素

注水-回落試驗(yàn)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(cè)試精度、耐壓強(qiáng)度是否滿足需要。

(2)安裝密封程度是否滿足需要，系統(tǒng)是否出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

(3)模擬分析軟件是否適宜。

(4)專(zhuān)業(yè)工程師是否經(jīng)驗(yàn)足夠，參數(shù)設(shè)置是否合理。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

(1)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)水幕系統(tǒng)是否有效，是決定項(xiàng)目建設(shè)成敗，運(yùn)營(yíng)成本高低的關(guān)鍵，但是由于國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目不多，經(jīng)驗(yàn)不足，尚需在今后的建設(shè)項(xiàng)目中對(duì)水幕系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究是必要的。

(2)傳統(tǒng)的注水—回落試驗(yàn)費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)低效孔的判斷準(zhǔn)確性差，不能準(zhǔn)確分析低效原因，因此有必要尋求其它驗(yàn)證方法。

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

(4)影響水幕系統(tǒng)效率的因素多，并且因項(xiàng)目各異，不管是設(shè)計(jì)或施工，需要充分認(rèn)識(shí)項(xiàng)目自身特點(diǎn)。

[1] 楊艷玲, 溫新亮, 黃學(xué)軍. 地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)合理間距數(shù)值模擬研究[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2016(4).

[2] 劉杰, 趙興東, 溫新亮. 地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)各向異性滲流特征數(shù)值模擬[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào). 自然科學(xué)版, 2015(11).

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

[4] 張凱, 陳壽根. 瞬變電磁法在地下儲(chǔ)油洞庫(kù)水幕質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 工程勘察, 2015(10).

[5] 周永利, 孫海江. 某地下水封石油庫(kù)工程水幕孔施工技術(shù)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2014(1).