我国地下水封石油洞库研究现状及发展动向

张金龙 ，冯树荣，胡育林 ，许 卫

（1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

地下水封储油洞库是在稳定地下水位线以下人工在岩体中开挖一定容积的洞室，利用自然水幕或人工水幕孔注水使洞室周围岩体裂隙均充满水，保持洞室周围岩体内的地下水位在较高的位置，防止石油和气体泄漏，达到利用稳定地下水的水封作用储存洞室内石油的目的。地下水封油库以其占地少、安全、环保等特点，在近年来启动的国家战略石油储备二期及三期规划中被优先采用。

我国在20世纪70年代和90年代修建过几座小型地下水封油库，当时对地下水封洞库储油技术进行了少量研究，但由于种种原因未能推广应用。近年来，我国几个大型石油储备地下水封洞库相继开工，地下水封洞库建设和运行安全面临重大技术挑战。因此，无论在勘测、设计、施工还是学术界，地下水封洞库储油相关技术和理论都得到广泛关注。地下水封洞库水文地质和工程地质[1-3]、洞室围岩稳定性[4-7]、渗流场[8-12]等相关研究成果多有文献报道，这些研究成果虽然对推动我国地下水封洞库建设起到积极的作用，但在地下水封洞库水封条件、人工水幕设置和渗漏控制等方面仍然没有研究透彻，工程设计还主要依赖于以往地下工程的经验。围绕地下水封储油洞库工程安全问题，本文在前人研究的基础上，总结了我国在地下水封洞库储油技术的相关研究进展，探讨了地下水封洞库工程安全的关键技术问题，对推动本领域的技术进步和持续发展有一定的现实意义。

1 地下水封洞库研究现状及若干问题

原油或成品油以及LPG等的储藏是绝对不允许泄漏的，地下水封洞库的密封性问题是工程成败的关键所在。因此，地下水封洞库工程安全问题都围绕油气是否发生泄漏为核心展开，几个主要关键技术问题有水封条件、人工水幕设置、渗漏控制技术和多相介质多场耦合分析技术。

1.1 水封条件

地下水封洞库水封条件又称为水封准则或水封机制，水封准则是指根据地下水封洞库储油的工作原理，洞室周围水体将油品密封在洞室空间内所需要满足的数学关系，水封准则即为油气是否泄漏的判定准则。

瑞典人Aberg最早对水封准则进行了研究，Aberg[13]研究了LPG储库洞室周围水压与储压的关系，提出了垂直水力梯度准则。Aberg认为只要垂直水力梯度大于1就可以保证储洞的密封性。图1是储油洞室内油品的存储状态和油品对洞壁的作用力示意。

图1 油气对洞壁的作用力

如图1所示，洞室底部为周围岩体向洞室内入渗的水垫层，水垫层上部为液态油品，洞室顶部为油品饱和蒸气。当洞室周围的水压力不满足密封性条件时，洞内油品最可能的泄漏方式为气态油品通过洞室顶拱裂隙进入岩体向外逃逸。气态油品要发生泄漏，首先要能够进入围岩裂隙中，其次是气泡在裂隙中能继续向远离洞室方向运动。气态油品进入饱和裂隙所需的临界条件称为气体进入条件或准入条件，气泡在裂隙中向上继续运移的临界条件称为气体运移条件。气态油品发生泄漏，合理确定这两个临界条件至关重要。由于气体进入条件与洞室几何形状、裂隙几何尺寸、裂隙连通情况、裂隙宽度、裂隙内毛细水压力大小及裂隙走向与洞室的关系等因素密切相关，但要完全实测这些参数困难很大。Aberg对气体运移条件进行研究，提出了垂直水力梯度准则。垂直水力梯度准则忽略了重力、摩擦阻力以及毛细压力的影响，是一个条件严格和苛刻的气密性准则，相对保守。后来，Goodall[14-15]扩展了Aberg的垂直水力梯度准则，认为在实际设计中只要保证沿着远离洞室方向所有可能的渗漏路径上某段距离内水压力不断增大，则可以保证不会发生气体泄漏。

在潜水井或承压水井抽水试验中，井内水位和井壁水位之间都存在着一个水位差值，这种井内动水位低于井壁动水位的现象称为 “水跃”，其水位差值称为水跃值。一般认为，在地下水位较低时洞库开挖会在洞库上方和周边一定范围内形成巨大的降落漏斗，地下水封洞库洞壁周围的地下水位可能降至洞库底板，洞室注油后地下油库中的油品将外逸。随着地下水位的回升，虽然有部分油品被重新挤压回洞壁内，但在洞壁地下水的渗出面以上存在一定的 “死油区”[16]。基于许多隧道、矿坑、水井等工程施工中围岩介质内的水位要高于工程内部的水位，即存在 “水跃”现象，徐绍利[16]、张秀山[17]、李利青[18]等认为地下水封洞库在施工期内也存在水跃现象。张秀山、李利青等通过单裂隙平行板实验得到水跃值与裂隙宽度及地下水位的制约关系为线性关系:水跃值随隙宽的增大呈线性减小；随水位高度的增大呈线性增大。张秀山、李利青通过单裂隙平行板孔洞排水实验模拟储油洞室上方水柱厚度的变化规律表明，洞室上方水柱高度随地下水位的增高呈直线增大，随隙宽的增大而减小。崔京浩[19]、李利青利用平行板实验模拟不同宽度裂隙、不同水位高差下水油驱替的规律表明，当洞库区水源补给充分时，洞顶上方存在一定高度水柱，从而水封条件得以保证；当水源补给不足时，洞室顶部水柱消失，水位逐渐降低，洞壁因发生强烈的水跃现象致使水位不会降落到洞室底板，水跃以下裂隙处于饱和状态，能够满足水封条件的要求，水跃以上裂隙处于不饱和区，可能发生漏油现象，只要注油高度不超过水跃值就不会发生油品泄漏。

国外对地下水封洞库水封条件的研究多为从细观上进行单裂隙中油水运移力学机制推导，由于影响水封条件的许多参数难以获取，多采用保守估计的方式得到一种判别式，但这种估计保守程度的尺度大小却无法测算。国内对水封条件的研究主要侧重于对水跃现象模拟、油水界面压力相互转化、相互驱替的现象模拟及现象解释，并认为水跃现象是水封机制的根本原因。国内基于室内实验的水封条件研究是一种半定量结果，实际工程中洞库上方水柱存在与否及其厚度、水跃值产生与否及其大小的影响因素等都比实验模拟要复杂得多，如何将室内实验尺度的结果应用于实际工程尺度，还要做进一步研究。

1.2 水幕系统设置

水封条件是油品泄漏与否的关键，水封条件依赖于水在岩体裂隙中流动产生动态平衡的渗流场效应，而对渗流场的研究多依赖于数值模拟。近年来，围绕水封洞库水封条件、地下水位变化和人工水幕作用等，我国学者开展了广泛研究。张振刚、谭忠盛等[20]应用FLOW3D渗流分析软件对汕头LPG地下储库进行了三维渗流场分析，分别模拟了不同储气压力和不同渗透系数条件下洞库地下水位下降和洞室涌水量，分析了水幕在洞库气密性中发挥的作用，论证了水幕系统的有效性。刘贯群等运用Visual MODFLOW软件建立了某地下水封石油洞库无水幕和有水幕条件下三维地下水数值模型，模拟了地下水封石油洞库周围的渗流场，对洞库涌水量和降落漏斗扩展变化进行了分析，论证了水幕系统在保证地下水封油库的储油安全和保护周围地下水资源方面起到的重要作用。刘青勇等根据地下水动力学方法，采用三维地下水数值模型MODFLOW对山东某地下水封石洞油库地下水漏斗的形成和发展进行了数值模拟和预测，分析了洞库涌水对区域地下水位的影响。巫润建等对锦州某地下水封洞库工程的水文地质条件、地下水封石油洞库、水幕系统进行了概化，应用Visual MODFLOW软件建立了无水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3种条件下的三维地下水渗流数值模型，模拟了3种条件下的洞库渗流场，预测了洞库周围的地下水水位线扩展和洞库上方地下水水位线变化情况，论证了人工水幕系统在保证地下水封洞库工程的有效性和储油的安全性以及保护洞库周围地下水环境等方面起到的重要作用。犹香智等[21]对黄岛油库区水文地质条件和水幕系统进行概化，并采用FEFLOW软件建立了无水幕和有水幕条件下的三维数值模型，对2种条件下洞库运营期间的涌水量和洞库上方水位变化进行了预测，对2种条件下的渗流场进行了对比分析，结果表明，有水幕条件下水封效果较好，保证了地下水封油洞库的储油安全。时洪斌、刘保国[22]采用FLAC3D有限差分程序对黄岛水封地下储油洞进行了开挖和运行工况的渗流场数值模拟，评价了人工水幕的水封效果，并估算了储油洞室的渗流量。

从水封条件的研究结果来看，地下水封洞库库区地下水补给越充分，洞室埋深越大，对形成洞顶上方的水柱或水盖层越有利，油品储存于洞室内也就越安全，但开挖洞室的费用也越高。出于技术经济上的考虑，一般储油洞室埋深不会很深，为保证洞室开挖后洞顶上方有足够的水柱厚度以阻止油气泄漏，就需人为在洞库上方开挖人工水幕。目前，我国在建或拟建的地下水封洞库规模趋于大型化，其库容均在300万m3以上。从现行的洞库埋深来看，如此大规模的地下洞库开挖，必然导致在洞库上方形成巨大的降水漏斗，油气泄漏的风险成倍增长。GB 50455—2008《地下水封石洞油库设计规范》指出:洞灌上方宜设置水平水幕，必要时在相邻洞灌之间或洞灌外侧应设置垂直水幕系统，且水幕系统布置应满足洞库设计稳定地下水位的要求。规范对人工水幕系统设置只有大致的描述，设置参数表述不够具体。我国学者对地下水封洞库水封条件的研究也侧重于对渗流场的简单模拟，对有无水幕系统渗流场特性的比较以及对水幕系统布置的必要性的论证等，而对人工水幕系统设计参数缺乏必要的探讨和系统研究。人工水幕系统参数[23]主要包括水幕孔的覆盖范围、水幕孔与储油洞室的距离、水幕孔间距、水幕孔注水压力等。人工水幕系统设计参数研究需要评价不同水文地质条件下（不同地下水补给类型）、不同岩体渗透特性条件下人工水幕设计参数对洞室水封条件的影响，从而形成对人工水幕设置参数的指导性原则。

1.3 涌水量预测与渗漏控制

地下水封洞库一方面必须借助地下水压形成对储油的封闭，以防止油品外渗；另一方面是围岩的渗透性又不能太大，岩体渗透性太大将导致洞内涌水量过高，在安全的前提下，应尽量减少洞室涌水量。GB 50455—2008规范中指出:处理后的日涌水量每100万m3库容不宜大于100 m3。对地下水封洞库施工期及运行期涌水量预测需结合不同人工水幕设置参数及洞库围岩的渗透特性开展。

挪威[24]多年的非衬砌洞室储气经验表明，保证储气洞库密封性的主要措施是控制地下水水压和控制岩体的渗透性。控制水压可加大洞室埋深或设置人工水幕，而为防止在施工期和运行期地下水过多地流入洞室，可采用磨细水泥进行高压预注浆控制岩体的渗透性。由于我国地下水封洞库建设起步晚，积累的工程经验较少，关于涌水量和洞库渗漏控制技术的相关报道比较少见。崔京浩对单个洞库、2个平行洞库、多个平行洞库及四周有高压水幕洞库采用半无限含水体假设，推导了洞库涌水量的近似解析式。时洪斌、刘保国对储油洞室渗流量采用近似解析解与FLAC3D数值解进行的比较研究结果表明，两者涌水量预测趋于一致。赵喜斌[25]介绍了汕头LPG集散中心工程海底储气洞库施工中注浆止水控渗的做法和认识。

控制地下水封洞库围岩渗漏的途径主要为控制岩体结构面渗水或岩体裂隙渗水。实践表明，地下水封洞库裂隙渗漏控制需采取 “分形辩证，分而治之”的策略才能取得较好的堵水效果。洞库渗漏控制应对洞库库区典型裂隙形态及围岩地下水渗出方式和形态进行充分调查，针对地下水封洞库典型的渗水裂隙，对不同工况下注浆材料和参数的预注浆和后注浆效果进行试验研究和对比分析，总结不同注浆方式和参数对不同岩体裂隙的适应性，以较小的代价取得合理的洞库涌水量。

1.4 多相介质多场耦合精细化数值模拟

地下水封洞库位于地下水水位以下，油、水、气多相介质相互作用，应力场和渗流场相互耦合，人工水幕系统与岩体裂隙天然流场相互作用，施工爆破引起围岩应力场重分布、岩体裂隙网络的重建进而影响渗流场，多种因素相互影响、相互耦合，其物理力学作用机制十分复杂。对洞库水封安全性的准确评价在于对多相介质多场耦合条件下渗流场的精细化模拟。

国内对地下水封洞库多场耦合的研究偶有报道。杨明举[26]对地下储气洞库水封机理进行了分析，基于变分原理建立了地下水封储气洞耦合模型，推导了不同介质耦合的有限元方程式。张彬[27]以黄岛地下水封油库为例，基于流固耦合理论应用多物理场直接耦合的高级仿真模拟软件COMSOL Multiphysics对地下水封油库的1组洞罐的应力场和渗流场进行稳态模拟，分析在地下洞室开挖前后及有无人工水幕的情况下地下水水位、孔隙水压力及围岩应力场的变化，并提出相关建议。赵乐之建立了黄岛地下水封洞库工程数值模型，基于流固耦合分析理论，采用有限差分软件FLAC3D分析了饱和水状态下渗流场对洞库周围围岩应力、位移变形和孔隙水压力的影响，并确定合理的水封方案和最优的水封巷道高度。李术才[28]基于流固耦合理论，采用离散单元法，在室内试验和现场监测的基础上，并结合参数反分析理论，对大型地下水封油库节理、裂隙岩体应力-渗流耦合性质进行了分析，获得了大型地下水封油库水封性和稳定性特征。

国内对地下水封洞库多相介质多场耦合的研究主要集中于流固耦合，即渗流场和应力场耦合作用下的围岩稳定性。实际上，地下水封洞库一般建造在岩体完整性相对较好的花岗岩或片麻岩地区，洞室一般不存在整体稳定性问题，施工期围岩多为局部稳定性问题。因此，多场耦合问题研究关注的焦点应放在对水封效果的研究上，即渗流场的水封效果。对地下水封洞库水封效果的正确评估关键在于对地下水封洞库区域渗流场的精细化模拟，一个好的渗流数值模型应该解决考虑以下几个问题:

（1）储油洞室内部边界是一个下部为水垫层、中间为油品、上部为油蒸气的多相介质界面，应考虑油、气和水多相介质的耦合过程，是一个复杂渗流边界。

（2）施工期由于洞室的开挖，上方水体向洞内逐渐排出，岩体裂隙水从洞室边墙向远离洞壁的方向缓慢疏干，属非饱和渗流过程，而洞室边墙为一自由渗出面。

（3）进行恒定流和非恒定流的模拟。

（4）考虑洞室施工开挖及排水过程。

目前，国内外渗流模拟商业程序或许对以上某个或2个方面能解决得很好，但能同时解决上述问题的商业软件比较少见，通常在模拟时有针对性的简化某些过程进行分析。由于洞室上方水柱厚度对洞室边界条件较为敏感，对以上某方面进行简化处理可能会给结果带来较大的误差。因此，开发油、水、气三相介质压力转化规律动态仿真分析软件能极大提高地下水封洞库水封效果评估的准确性，是今后研究的重要方向。

2 结 论

我国大型石油储备地下水封洞库建设对地下水封洞库储油技术的研究既是机遇也是挑战。通过对我国目前地下水封洞库技术和理论研究现状的分析，得到以下几点认识:

（1）我国目前对地下水封洞库水封条件的认识还不够深入，基本上是采用国外的水封准则，水封机制从实验研究到应用于实际工程还需进一步深入的研究。

（2）我国现行地下水封洞库规范对人工水幕设置的规定还不够具体详细，应加强不同水文地质条件下、不同岩体渗透特性条件下人工水幕设计参数对洞室水封条件的影响评价，形成对人工水幕设置参数设计的指导性原则。

（3）地下水封洞库裂隙岩体渗漏控制无实际经验可循，应加强对注浆材料和参数的现场试验研究，以提高注浆堵水效率，为工程提供渗漏控制标准。

（4）地下水封洞库水封效果的准确评价依赖于精细化的渗流数值模拟程序。

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