美国大型地下水封石洞油气库长期稳定性试验规范概述

李 鹏，栗金东，赵 晓，王 帅，张 添，陈彦生

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2.湖北长科水电工程技术有限公司，武汉 430010;3.武警水电部队三峡工程指挥部，武汉 430050;4.湖北省测绘地理信息局 技术开发室，武汉 430071)

1 试验方法标准规程规范的编制

美国能源部自1977年2月16日制定国家战略石油储备规划以来，利用德克萨斯和路易斯安那2个州沿墨西哥湾沿岸的地下盐穴先后建立了62个原油储库，其单个地下盐穴储库的洞穴直径60 m、深610 m，地下储库由6～22个不等的洞穴组成。2个州的地下盐穴总储存能力为1.37×109t。62个地下储库分布在5大战略石油储备基地，已有8.22×109t的原油储存其中。

目前，美国已建成各类(利用枯竭油气田、地下含水层、含盐层或废气矿井等)储气库410座，其储存量占美国年销售气量的20%。美国70%以上的储气库库容在(0.028～2.83)×108m3之间。

不论是地下石油储库，还是地下天然气储库，共同点是均建造在岩石之中，包括水封石洞或水溶式盐穴，并且地下油气库都靠天然或人工水幕的地下水压力来阻隔原油外漏和天然气外泄。既要使储存的油气不变质，还要在设计生命周期内使石洞和盐穴安全稳定，更要使储库进、出油畅通。鉴于此，美国能源部与美国材料与实验协会(ASTM)合作，协同对美国的数百座地下油气储库的长期稳定性提出了较完整的试验项目与方法，包括:①地下储库所在区域构造应力为主导的原岩地应力场测试;②地下储库围岩的施工期变形动静态监测;③地下储库围岩长期稳定性的现场流变试验;④地下储库自然与人工水封技术的试验研究;⑤围绕1至4课题进行的岩土分类及上述各种测试方法标准规范的编制，具体标准规范有:

(1)ASTM D4645—2008《水力压裂法确定岩石原位应力的标准试验方法》［1］;

(2)ASTM D4631—1995(2000)《用压力脉冲技术现场测量低渗透性岩石的透射率和释水系数的标准试验方法》［2］;

(3)ASTM D4630—1996(2008)《用恒定水头喷射试验现场测定低渗透性岩石的渗透比和蓄水系数的标准试验方法》［3］;

(4)ASTM D4525—2004《用气流法测定岩石渗透性的标准试验方法》［4］;

(5)ASTM D4403—1984(2000)《岩石变形计标准实施规程》［5］;

(6)ASTM D4535—2008《用膨胀计测量岩石的热膨胀的试验方法》［6］;

(7)ASTM D4612—2008《计算岩石的热扩散系数的标准实施规范》［7］;

(8)ASTM D4553—2008《岩石蠕变特性现场测定的试验方法》［8］;

(9)ASTM D4435—2008《岩石锚栓拉力的标准试验方法》［9］;

(10)ASTM D4436—2008《岩石锚栓长期负载保持力的标准试验方法》［10］;

(11)ASTM C1436—2008《喷浆混凝土用材料的标准规范》［11］;

(12)ASTM C1385/C1385M—2010《喷浆混凝土用取样材料的标准实施规程》［12］;

(13)ASTM C1116/C1116M—2010《纤维增强混凝土标准规范》［13］;

(14)ASTM D5731—2008《岩石点负荷强度指数的测定以便用于岩石强度分类的标准试验方法》［14］;

(15)ASTM D2487—2010《施工用土壤分类的标准实施规程》［15］;

(16)ASTM C938—2010《测定灌浆混凝土浆液比例的标准实施规程》［16］。

所有测试、监测和试验，其目的在于保证在地下储库设计生命周期(100 a)内安全稳定，并促使地下储库的油/气畅通进出。

限于篇幅，本文重点概述美国现行的 ASTM D4645—2008《水力压裂法确定岩石原位应力的标准试验方法》、ASTM D4403—1984(2000)《岩石变形计标准实施规程》、ASTM D4553—2008《岩石蠕变特性现场测定的试验方法》。其余规范另行择期介绍，并促使我国地下水封油库由50 a生命期上升到100 a生命期。

2 ASTM D4645—2008《水力压裂法确定岩石原位应力的标准试验方法》

水力压裂法是地下储库原岩地应力场测试的常用方法之一，它适用于大于50 m深度上的原位应力测量。其优点是，它产生的应力范围较大，可涵盖几平方米的范围。

该方法的测试设备主要包括:三角井架或钻机、跨式双封隔器、高压软管、压力传感器、流速计和水压裂隙定位设备等，如图1所示。

图1 水力压裂测试设备示意图Fig.1 Schematic of equipment for hydraulic fracturing test

水力压裂法的原理为:通过给2个可膨胀橡胶皮塞加压来隔离钻孔段，以一定流量向2塞子之间的封隔段中压入流体而使此段中的流体压力升高，直到钻孔壁上出现裂隙时停止压水，令封隔段的压力逐渐稳定，压力便会降低到岩层的孔隙压力水平，接着以相同流量多次重复这一加压过程。

在获取压力读数后，需要利用记录的压力－时间曲线计算得到测孔处的原岩应力。计算时必须先获取孔壁压裂隙产状信息，以便于选用合适的计算公式。下面列出了不同的孔壁裂隙产状情况下的原岩应力计算方法。

2.1 主要产生垂向裂隙的计算

当垂向应力不是最小主应力时，试验主要产生垂向裂隙。在这种情况下，只能用试验水平面的上覆岩体重量来估算垂直应力，其计算公式为

式中:σv为垂直应力(Pa);γi为上覆岩层i的平均重量(N/m3);Di为岩层i的厚度(m);n为试验水平面的上覆岩层总数。

2个水平主应力的计算为:

式中:σh为最小水平地应力(Pa);σH为最大水平地应力(Pa);Ps为试验岩层的闭合压力(Pa);Pc1为试验岩层的破裂压力(Pa);P0为试验岩层的孔隙流体压力(Pa);T为水力断裂的岩石抗拉强度(Pa)。

破裂压力Pc1即为第1个加压循环的压力－时间曲线的峰值，加压达到该值则会导致水力压裂;压裂后裂隙张开，流体进入，压力突然下降停止压水时得到闭合压力(Ps)，它代表了当裂隙重新闭合时达到的压力。在第1个循环过程中，裂隙可能从试孔向外扩展不远，闭合压力值通常较大;在下一个循环过程中，在裂隙重新张开之后，压水持续时间很短(min量级)，这时可以认为裂隙足够长，且闭合压力更能代表最小水平应力。Lee等［17］提出了一些通过压力－时间曲线计算闭合压力的方法。

抗拉强度(T)不是恒定参数，随压水流量、样本尺寸、颗粒大小及测试方式不同而变化。目前还没有在试孔内确定T的直接方法，但是，若假设压力回到初始孔隙压力水平时水压裂隙完全闭合，则采用第2次加压循环过程重新开启裂隙所需的压力代替公式(3)中的Pc1－T，则式(3)变为

若裂隙完全闭合，第2次循环过程的压力－时间曲线的斜率将和第1循环过程的相同，直到裂隙张开，斜率才发生变化。若裂隙不完全闭合，压力－时间曲线斜率和第1次循环就会不同，这时不能采用该方法确定T。

2.2 垂直和水平裂隙均产生的计算

当σv为最小主应力时，远离试验孔的水压裂隙的方向应当是水平的。但是，对于完整块状岩体，在孔壁上常先产生垂向裂隙，但在之后的循环过程中，随着裂隙的扩展，裂隙往往会重新定向而垂直于最小主应力，即转变为水平裂隙。相应的闭合压力将大致降至垂直应力的大小。这种水压裂隙组合形式，可直接计算3个主应力，计算公式如下:

式中:Ps1为第1次闭合压力(Pa);Ps2为第2次闭合压力(Pa)。

2.3 主要产生水平裂隙的计算

当σv为最小主应力且试孔孔壁存在层理面、裂隙或其他水平不连续面时，将主要形成一条或多条水平裂隙。在这种情况下，通过水力压裂试验仅可计算 σv，即

2.4 产生倾斜裂隙的计算

有时由于主应力方向同试验孔轴线以及轴线法平面极其不一致，可能会产生倾斜裂隙。这种情况下，若水压裂隙面偏离垂直方向＜l5°，仍可用前面表述的计算公式来估计主应力。Cornet等［18］提出了该情况下更精确的计算原位应力的方法。

3 ASTM D4403—1984(2000)《岩石变形计标准实施规程》

变形计在工程领域有着广泛的应用，主要用于测量位移、分离、沉降、收敛等。作为水封石洞油气库施工期的测试设备，变形计通常用于测量顶部和侧墙的移动，并用于定位洞口周围的拱形张力区域。

在岩体施工的实际应用中，精确的测量有助于辨识可能造成危险的岩石运动趋势。而长期的监测中发生的位移往往要比在施工过程中发生的小，因此对精度的要求更高。

工程上常用的变形计有:杆式变形计、棒式变形计、尺带变形计、测缝计、线式变形计等。变形计主要由变形计主体、锚固系统、变形计转换器等组成，如图2所示。

图2 典型杆式变形计Fig.2 Typical rod extensometer

在对每个油气库工程建设规划和岩土工程地质特征进行彻底审查的基础上，对引伸锚的位置、方向、长度和数量进行选择。为记录下完整的运动变化记录，需在施工期定期在多个地点进行测量。

变形计所需的钻孔的大小取决于变形计的类型、特点和数量。钻孔时应记录下钻进速度、套管使用、软区、钻探设备堵塞和其他的钻孔问题。安装锚组件之前，需采用高压水软管对孔进行清洗。

在每次安装变形计时都要对其进行校准。在安装前应对仪器进行检测，及时发现由于温度或操作带来的设备故障和读数误差。

4 ASTM D4553—2008《岩石蠕变特性现场测定的试验方法》

现场流变试验是用来预测岩石在受到荷载作用下的时变特性。此测定方法可用于在长时间荷载作用条件下的结构设计分析，因此在大型地下水封石洞油气库工程建设中应用较为广泛。此测定方法的结果可验证实验室流变测试和数学建模分析的成果。

测试设备主要有:测试面预处理设备，包括各种挖掘工具，如钻具、凿锤等;仪表设备，包括位移测量设备、称重传感器等;荷载设备，液压油缸或扁平式千斤顶等加载设备、响应装置、承载垫及承载板等。

测试应该在一个不受洞室开挖影响的区域进行。区域岩石在荷载施加过程中的位移取决于板的直径和施加的荷载。

图3为一种典型的测试装置示意图。

图3 典型钢板承重测试装置安装示意图Fig.3 Setup of typical equipment for rigid plate bearing test

在测试的最初准备阶段，需要对岩体表面进行处理。岩体表面的处理区域应超过板的外边缘，至少为承载板直径的一半以上。尽可能在坚硬的岩体上进行测试。岩体表面应尽可能的平坦，需移除松散和破碎的围岩。

将承载板放置在正确的位置，并在板和岩体表面之间浇垫材料以形成承载垫。垫片通过在板边缘周围以适当形式加工构成，需避免气泡或其他空洞在垫片中产生。垫片的厚度不得超过板直径的15%。

采用SPSS 18.0统计学软件的数据进行处理，计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，计量资料以“±s”表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

初始化所有测量设备，在无冲击情况下迅速提高负载至所需荷载(通常在1 min之内完成);在达到所需荷载之后立即记录读取位移传感器的数据。在流变过渡期间，间隔适当的时间读取位移数据，直到位移率变为常数。随后需每天或者按固定的频率读取数据。

5 自然与人工水封技术的试验研究

地下水封储油气洞室一般修建在岩性较好的岩层，或者注浆改善的岩体中，同时要有充足的地下水源，必要时通过人工水幕来提供防渗水压。在煤炭行业应用密封巷道储存压缩空气的实践中，人们发现从围岩排出的水中气体很少，许多矿场开始将压缩空气储于充水的矿井中，有的矿井漏气量可减少近10倍，因而人们逐渐认识到洞室处于饱和含水层中或充水岩层中可以阻止油气泄漏。

人工注水的方式可使地下储库围岩保持饱和状态，具体的注水形式很大程度受地质条件决定。大多数系统一般考虑在洞室周围修建一个包围的水封幕。水封幕是通过在地下洞室周围的钻孔中注水并渗入岩体中的空隙及裂隙而产生的，从而形成水封幕的概念。20世纪末对运行的地下储气库的评估中指出:在有水幕的情况下，储库没有发现气体泄漏，对于成功的储洞来讲，储洞内的压力不能超过围岩中的水压力;而无水幕的储洞则出现泄漏情况。

Aberg等［19］最早对水幕压力和储库储存压力的关系进行了研究，并提出了垂直水力梯度准则。在忽略了重力、摩擦力和毛细力的影响前提下，该准则认为只要垂直水力梯度大于l，就可以保证储库的密封性。Goodall等［20］在Aberg的基础上对该准则进行了扩展，认为只要保证沿远离洞室方向，所有可能渗漏路径上某段距离内水压不断增大，就可以实现洞库的水封。Rehbinder等［21］对地下不衬砌储气洞的水幕孔进行了试验及理论上的分析得出，随着水幕洞水压的增加，储气洞的泄气量就会减小，以及洞室周围水幕孔数目增加时，相应水幕孔中的水量可减少。但其理论模型及试验模型都相对简单。

从这些研究可以看出，水封技术的室内试验主要采用平行板模型，采用煤油、汽油和柴油模拟，也有采用甘油代替水，盐水代替油品进行模拟，通过染料进行示踪，可以模拟水平裂隙、垂直裂隙或者倾斜裂隙。除了可以模拟自然地下水头下的水封状况和洞库间的渗流外，还可以模拟人工水封孔布置对水封效果的影响。

6 结语

美国材料与实验协会(ASTM)及相关研究者对美国的数百座地下油气储库的长期稳定性进行了较为系统的试验研究，提出一系列相关的试验标准、规范和规程。所取得的成果主要包括:

(1)提出了以水力压裂法为主的地应力场标准化试验方法，研究了地下储库所在区域的原岩地应力场特性。

(2)针对地下储库围岩的施工期变形，提出了不同变形计的试验方法及原则，通过围岩施工期变形的动静态监测及时反馈设计及施工。

(3)研究了地下储库围岩的现场流变试验方法，分析了地下储库围岩的流变特性，确保了围岩的长期稳定性。

(4)对地下储库自然水封与人工水封技术进行比较，通过试验分析了自然地下水头下的水封状况和洞库间的渗流特性及人工水封孔布置对水封效果的影响。

(5)所编制的地下储库岩土分类、测试方法标准规范在数百个工程中进行应用，确保了地下储库在其设计生命期的安全健康。

目前中国正在沿海区域修建多个地下水封石洞油气库工程，美国的研究成果和规范可为这些水封石洞油气库的建设与运行提供参考和借鉴。

［1］ASTM D4645—2008，Standard Test Method for Determination of the In-Situ Stress in Rock Using the Hydraulic Fracturing Method［S］.

［2］ASTM D4631—1995(2000)，Standard Test Method for Determining Transmissivity and Storativity of Low Permeability Rocks by In Situ Measurements Using Pressure Pulse Technique［S］.

［3］ASTM D4630—1996(2008)，Standard Test Method for Determining Transmissivity and Storage Coefficient of Low-Permeability Rocks by In Situ Measurements Using the Constant Head Injection Test［S］.

［4］ASTM D4525—2004，Standard Test Method for Permeability of Rocks by Flowing Air［S］.

［5］ASTM D4403—1984(2000)，Standard Practice for Extensometers Used in Rock［S］.

［6］ASTM D4535—2008，Standard Test Methods for Measurement of Thermal Expansion of Rock Using Dilatometer［S］.

［7］ASTM D4612—2008，Standard Practice for Calculating Thermal Diffusivity of Rocks［S］.

［8］ASTM D4553—2008，Standard Test Method for Determining In Situ Creep Characteristics of Rock［S］.

［9］ASTM D4435—2008，Standard Test Method for Rock Bolt Anchor Pull Test［S］.

［10］ASTM D4436—2008，Standard Test Method for Rock Bolt Long-Term Load［S］.

［11］ASTM C1436—2008，Standard Specification for Materials for Shotcrete［S］.

［12］ASTM C1385/C1385M—2010，Standard Practice for Sampling Materials for Shotcrete［S］.

［13］ASTM C1116/C1116M—2010，Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete［S］.

［14］ASTM D5731—2008，Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications［S］.

［15］ASTM D2487—2010，Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes(Unified Soil Classification System)［S］.

［16］ASTM C938—2010，Standard Practice for Proportioning Grout Mixtures for Preplaced-Aggregate Concrete［S］.

［17］LEE M Y，HAIMSON B C.Statistical Evaluation of Hydraulic Fracturing Stress Measurement Parameters［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆ Geomechanics Abstracts，1989，26(6):447－456.

［18］CORNET F H，VALETTE B.In Situ Stress Determination from Hydraulic Injection Test Data［J］.Journal of Geophysical Research，1984，89(B13):11527 －11537.

［19］ABERG B.Model Tests on Oil Storage in Unlined Rock Caverns［C］∥ Proceedings of the First International Symposium on Storage in Excavated Rock Caverns.Stockholm，September 5－8，1977:517－530.

［20］GOODALL D C，ABERG B，BREKKE T L.Fundamentals of Gas Containment in Unlined Rock Caverns［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1988，21(4):235－258.

［21］REHBINDER G，KARLSSON R，DAHLKILD A.A Study of a Water Curtain Around a Gas Store in Rock［J］.Applied Scientific Research，1988，45(2):107－127.