地下水封石洞油库工程的选址

何国富 戴 杰 缪国庆 中国石化集团上海工程有限公司 上海 200120

白生虎 中国石化集团管道储运公司 徐州 221008

地下水封石洞油库工程的选址

何国富＊戴 杰 缪国庆 中国石化集团上海工程有限公司 上海 200120

白生虎 中国石化集团管道储运公司 徐州 221008

比较目前我国在建和拟建的地下水封石洞油库的工程选址问题,指出稳定的区域地质构造和良好的岩体质量是建设地下水封石洞油库工程的必要条件,而稳定的地下水渗流环境确保水封是工程建设的充分条件。对地下水环境和水封实现问题的深入认识,对地下水封石洞油库的技术经济影响较大。

水封石洞油库 选址 工程地质 水文地质 地下水 渗流场

国家石油战略储备是保障进口原油的安全、稳定供应,抵御原油资源风险的重要措施之一。20世纪70年代第一次石油危机爆发以来,美国、德国、日本等许多国家逐步建立了比较完备的石油储备制度,在维护国家能源和经济安全方面发挥了重要作用。我国的石油储备工作从2003年开始酝酿,于2004年正式规划建设国家石油战略储备基地。

从储存的方式来看,由于采用地下岩洞油库的形式要比地上储罐库在安全性、稳定性和经济性等方面具有明显的优势[1],因而,世界各国均主要以地下库的方式储备战略原油。美国建有5个大型地下储备基地,其中4个利用地下盐穹和岩盐层进行储存,最大的规模达31550kt;德国也将大部分原油存放在北德地区的盐洞里;日本由于缺少类似的地质条件,但同样将相当部分的原油存放在以坚硬的结晶岩岩体为主的地下岩洞中,规模为200～1500kt[2]。

显然,作为战略原油储备的地下石洞油库的建设选址,除了要求满足国家整体产业规划布局以及相关配套储运设施等基本条件外,主要取决于适宜建库的地质条件。我国沿海地区有着大量的花岗岩、片麻岩、熔结凝灰岩等结晶岩体,岩石质硬、稳定,多为适合于修建地下洞库的岩体。但我国地质构造的一个显著特点是区域断裂构造十分发育,因而多数岩体存在较为发育的伴生节理裂隙构造,如果在选址阶段能避开具有一定规模的大活动性断裂、断层等区域构造,则对一般小规模发育裂隙构造的洞库围岩,只需喷网支护即可,不需要作大面积混凝土衬砌,所以地下洞库的造价相对低廉。

由于地下水封储油洞库是通过人工在地下岩石中开挖所形成,因而应具备两个必要的地质条件:①区域构造的稳定性和岩体的完整性;②地下水能有效实现对油品沿裂隙渗漏的水力密封[3～4]。所以不难发现,稳定的区域地质构造和良好的岩体质量是建设地下水封石洞油库工程的必要条件,而稳定的地下水环境则是工程建设的充分条件。我国目前在建和拟建的地下水封石洞油库有黄岛、湛江、锦州和惠州等四个选址区,从选址的工程地质特征来看,这些地区的地质构造评价均属稳定区域,岩体质量完整,抗震性能比较好;但由于在库址的选址阶段,对特定水文地质条件下洞库水封特性的认识相对不足,导致一定程度上削弱了地下库形式储油的技术经济优势。

1 基本地质条件要求

1.1 区域地质构造

区域地质构造主要为区域稳定性问题,也即库址的稳定性,这是选址中的关键问题,主要涉及区域内的断裂活动、地震及地应力三方面,如有不慎会造成严重的后果。国内外大量实践资料表明,所有遭受严重破坏的地下工程,一般都与邻近的断裂活动和地震作用有关,且都位于高烈度的地震区内。而选择高地应力地区则对施工安全和洞库围岩长期稳定产生重大影响。因此,要求库址区必须避开抗震设防烈度9度及9度以上地区,高地应力区或地应力集中的构造部位,以及活动断裂或发震断裂区域。

1.2 岩体质量和完整性

地下水封洞库库区围岩岩体一般选择在以结晶岩体为主、化学成分稳定的岩浆岩或变质岩等块状岩体区,即需要建造在位于无深性断层和断裂、裂隙不甚发育、洞库围岩岩质坚硬的结晶岩体中,并保证有足够的可用岩体范围。水封洞库原则上不进行或局部进行支护,岩体划定以I、II级为主体时为适宜建库岩体,以III级为主体时为不适宜建库岩体,以I V、V级为主体时为不可建库岩体,同时要求岩体具有弱透水性。代表性岩石类型包括闪长岩、花岗岩等侵入岩,片麻岩等变质岩,凝灰岩、安山岩等火成岩。

1.3 水文地质环境

水封洞库需要满足必要的水封条件,水封是通过地下水往洞库内渗透并以水压力大于洞内油压来实现的[5]。除岩体应具有弱透水性外,有稳定的地下水位才能保证地下水位线与地下洞库顶之间有足够稳定的储水深度,以保证油品不渗漏和挥发,另外地下水水质对储存介质的质量稳定性不能有影响。因此,准确确定最低地下水位并弄清地下水位的变化规律,对合理设置洞室埋深、保证洞库的稳定性和密封性、准确估算洞库的涌水量,以及降低施工造价和长期运营成本等都有重要的意义。为此,库址应选择在距最低排水基准面较近的地段,如位于海滨、湖畔、河旁等地区,以减少洞室埋深和降低人为因素干扰。

2 已选库址地质描述

2.1 工程地质特征

目前我国在建和拟建的地下水封石洞油库主要有黄岛、湛江、锦州和惠州,均位于我国有较好储运依托能力的东南沿海港口附近。四个库址区的工程地质特征见表1。

表1 工程地质特征

2.2 水文地质特征

水文地质特征受气象、地形地貌、岩性及构造控制。不同的气候类型所产生的大气降水,对浅层松散岩类地下孔隙水和与其有密切联系的基岩网状裂隙水的丰枯程度及动态变化起控制作用。

四个库址区分别位于我国不同的气候带和地质构造区域,其气象水文地质特征不尽相同,四个库址区的水文地质特征描述见表2。

2.3 地下水渗流分析比较

地下洞库在施工开挖期间和投产运行后,几百万立方米库容的地下洞室成为基岩裂隙水新的排泄面,地下渗流场将出现变化,并在局部区域范围内形成降水漏斗。当地下水在无充足补给的情况下,若干年后洞室上方的裂隙水有可能会被疏干。

表2 水文地质特征

黄岛库址区渗流模拟表明,降水漏斗的水平扩展速度在初期时较快,随后逐渐减小;在竖直方向上,其120m等水头线在洞室开挖后的5年时位于高程13m,逐渐升高至10年后的28m,20年后的67m,以致50年后的123m,达到疏干区域[6]。

湛江库址区地下水漏斗中心位于洞室位置,中心点水位在施工期最低为-8.7m,运营期最低水位为-33m,地下水漏斗影响范围逐渐扩大,水平和垂直方向扩展速度大体相似,初期扩展较快,随着时间的增加扩展速度减小,最后逐渐趋于稳定;在竖直方向上(洞室下方)-4m等水位线由运营5年后的18.1m,逐渐上升至10年后的21.8m,最终至40年后的25.1m。洞库运营5年时洞室周围-4m等水头线已经连成一起,在之后的35年里,地下水漏斗一直存在,说明地下水的流向一直朝着洞室方向,这很好地保证了洞库储油的密闭性。

锦州库址的三维渗流数值模拟结果表明,洞室上方16m等水位线在施工期和运营初期向外扩展速度较快,10年后开始逐渐趋缓,在竖直方向上,由洞库运行5年后的11m升至10年后的16m,再到20年后的20m,最终至50年后的24m[7]。

惠州库址地质报告中根据黄万里以及徐绍利、张杰坤等关于水跃值的计算公式,对洞库施工期间的水位降落进行了计算预测,得到水跃值分别为35m和47.82m,相应洞顶以上水柱高度分别为20m和32.82m;因而洞库顶板以上将至少有25m厚的水层内的地下水因为毛细力、气-液异相界面阻力等因素影响而滞留,为水封提供了非常便利的条件。

地下渗流场的变化同时影响着洞室涌水量的变化。涌水量的大小不仅影响洞室的施工成本与安全,而且影响洞室的长期生产运营的成本与安全,合理的长期涌水量一般应在100m3/(d· 106m3)。根据地下渗流场的分析,四个库址区的施工期和运营期的涌水量对比见图1。

图1 四个库址区涌水量估算对比(单位:m3/d)

需要说明的是,涌水量的估算是个很大的难题,由于岩体的不均质性和各向异性,目前现有的计算方法均不成熟。图1中给出的涌水量估算值,主要采用了经验解析法(大岛洋志、佐藤邦明公式),部分采用了工程类别法,并配合数值模拟进行验证。其中黄岛、湛江和锦州库址为稳定涌水量,惠州库址为最大涌水量。

3 选址基本评价

分析地下水封洞库工程的选址要求不难看到,其关键在于:①区域地质构造和岩体完整性与岩体质量;②实现水封所必要的水文地质条件。前者着重于地下结构的安全性和稳定性,后者着重于储油库生产运营的长期安全性和稳定性,同时涉及到环保问题,其影响不可低估。

从上述四个已选库址区来看,都位于我国沿海一带,在大的构造体系上处于华夏—滨西太平洋构造体系域,活动性断裂数量相对较少,且规模也较小。从中国挽晚近地质时期构造活动分区略图可以看到[8],锦州、黄岛库址区基本远离华北挽近活动较强地区(I V2),湛江、惠州库址则远离华南挽近弱活动区(I V3);在岩性分类上多为中基性火山岩类,以喷出相为主,广泛分布的花岗岩、片麻岩、熔结凝灰岩等结晶岩体岩石质硬、稳定。因此,这些库址的选址在宏观区域稳定性上是比较理想的。从局部区域地质构造和岩体特性来看,这些选址区内均不存在规模性的大断裂,在地层岩性上除黄岛库址成岩年代较早且伴生节理裂隙较为发育外,其它多为燕山期构造和岩浆活动所形成,岩石质量和完整性相对较好,适宜建造地下水封石洞油库。

4 水封条件对库址建设的经济影响

诚然,区域构造的稳定和岩体质量和完整性确保了地下洞库工程的建设安全,但针对地下储油洞库的安全运营则在相当程度上取决于对水封系统的正确认识和实现。从理论上来说,如果洞库能确保地下水位在洞库顶上一定水位线,水封系统可以不需设置。但为了最大程度保证工程的安全性(施工和长期运营),目前水封(幕)系统仍为实际工程所建议采用[9]。从四个库址的地下渗流分析可以发现,黄岛库址受降水补给、裂隙节理发育和地势影响,地下水降落若干年后存在疏干的可能;其它三个库址实现天然水封的条件是具备的,特别是湛江和惠州库址,本身处于降水丰沛的地区,地势平缓,且第四系覆盖层较厚,是天然的稳定水盖层。早期欧洲的地下水封洞库依靠的均是天然水封,60多年运营以来并未发生油品渗流对环境造成污染。

根据国内外早期建设地上钢储罐库和地下天然水封洞库技术经济指标分析,通常当库容规模在1.2×106m3时建设成本基本持平[10],随着库容的增加,地下库的经济优势则比较明显,一般可节约投资30%以上。但从上述几个已选库址的实际工程情况来看,地下库虽仍有一定的技术经济上的优势,但这一优势最多也只能达到15%～20%。地上库与地下库等库容投资比较见表3。

表3 地上库与地下库等库容投资比较

显然,地下库的库容越大,其技术经济优势相比地上库并未出现扩大的趋势,这与目前选址的工程中普遍采用人工设置水幕实现对洞库的水力密封的工程理念有关。由于现阶段对地下水封洞库的“水封”在理论和实践的认识上尚不充分,尤其对弱渗透裂隙岩体地下水动力学在工程应用上的研究不够深入,客观上形成了以人工水幕来确保安全水封的保守设计方法。人工水幕的设置不仅增加了岩洞石方开挖量,以及运渣、衬砌支护等施工费用,而且水幕廊道内大量的注水以及长期运营的补水更是一笔不小的维护费用,通常水幕系统的费用要占到总投资的6%～10%。因此,地下库的技术经济优势势必明显下降。

5 结语

本文分析地下水封洞库的工程选址要求和目前我国在建或拟建的四个库址的工程与水文地质条件,并比较各选址区内地下水的变化和对水封的作用,以及实现水封的方法对工程建设投资的影响。得出以下几点结论:

(1)地下水封石洞油库的工程选址、区域地质构造的稳定、岩体质量和完整性是工程安全建设的必要条件;而稳定的地下水渗流环境确保水封则是工程建设的充分条件。

(2)地下天然水封石洞油库相比地上储油库具有较充分的技术经济优势,但如果对水封认识不足或对地下水环境的认识不足,保守地采用人工水封,将使这一优势明显降低。

(3)地下洞库的选址中,应该分析研究采用天然水封还是人工水封的问题,同时应作为评价选址不可或缺的条件之一。

(4)加强对弱渗透裂隙岩体地下水动力学在大型地下储油洞室群工程应用上的研究,及早颁布和修订相应的技术规范标准,以指导工程设计和施工。

1 申发祥,李玉忠.地下水封石洞油库规模经济性研究[J].炼油技术与工程,2006(7):51-53.

2 张 月,李鑫轶.发达国家石油储备领跑国际[N].中国石化报,2010.6.4.

3 刘 琦,卢耀如,张凤娥.地下水封储油库库址的水文地质工程地质问题[J].水文地质工程地质,2008(4):1 -5.

4 袁广祥,尚彦军,史永跃,郭书太.与地下石油储备库有关工程地质问题研究现状和对策[J].工程地质学报, 2006,14(6):792-798.

5 王梦恕,杨会军.地下水封岩洞油库设计、施工的基本原则[J].中国工程科学,2008,10(4):11-16.

6 刘贯群,韩 曼等.地下水封石油洞库渗流场的数值分析[J].中国海洋大学学报,2007,37(5):819-824.

7 巫润建,李国敏等.锦州某地下水封洞库工程渗流场数值分析[J].长江科学院院报,2009,26(10):87-91.

8 唐辉明.工程地质学基础[M].北京:化学工业出版社, 2008:24-31.

9 时洪斌,刘保国.水封式地下储油洞库人工水幕设计及渗流量分析[J].岩土工程学报,2010,32(1):130 -137.

10 徐至均.地下油库应用技术[M].北京:中国石化出版社,2010:125.

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Site Selection of UndergroundWater Sealed O il Storage in Rock Cavern

He Guofu,et al
(Sinopec Shanghai Engineering Company Lim ited,Shanghai200120)

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＊何国富:教授级高级工程师,英联邦注册结构工程师。1983年毕业于同济大学结构工程专业获工学硕士学位。长期从事石油化工结构和地基基础工程设计。联系电话:(021)58366600-2903,E-mail:heguofu.ssec@sinopec.com。

2011-02-15)