地下石油储备洞库水幕系统有效性检测方法及影响因素分析

李博闻

(中铁二局第二工程有限公司, 四川成都 610091)

石油源储备是国家的能源安全战略，近年来国家加大了石油储备建设力度，一批大型地下储油洞库项目陆续开工建设，地下储油洞库的关键技术是确保水幕系统的有效性，防止原油逃逸，破坏周边生态环境。目前水幕形成质量检测主要有水幕孔连通性测试和岩体含水分布测试两种方法，前者是微观检测方法，后者是对岩体的含水分布情况的宏观检测方法。

1 储油洞库的水封原理

地下水封洞库储油原理就是利用油水不相容且油的质量比水轻的特点，当在洞室四周形成一定压力的水幕，则可防止原油逃逸，达到储备目的。因此地下储油洞库选址必须满足两个条件：一是库区围岩完整性好，坚硬程度较好；二是要有良好的水文条件和稳定的地下水位以满足“隙存水补”保证油品不发生外泄[1]。

因此水封油库洞室在开挖及运行过程中要求具有严格的水封性。由于洞室开挖前，地下水通过节理裂隙等渗透到岩层深部并完全充满岩层空隙；当岩体开挖形成储油洞库后，裂隙水就会流失。为保证洞室开挖不致岩体失水，目前国内外大多采用带水幕系统开挖洞室方式。水封储油洞库工作原理见图1～图3。

图1 人工水幕系统示意

图2 储油气洞室及理论分析等效系统布设示意

图3 洞室的等效断面

2 水幕有效性检测方法

水幕有效性检测方法包括单孔试验法、多孔联合试验法、物探法。

2.1 单孔注水回落试验

单孔注水回落试验的目的是测试水幕孔周围岩体的渗透系数，分初始试验、单栓塞全孔试验、双栓塞分段试验三个阶段。单栓塞全孔试验一般在初始试验后既同步进行，不同之处是延长注水稳压时间至4 h，注水压力增加至最大0.8 MPa。双栓塞试验属于沿水幕孔的分段试验，目的是测试不同孔段的围岩渗透系数，属于精细试验，由于费用高，对工程意义不大，在储油洞库项目开展较少。

整个试验分三个阶段，分别为天然状态阶段、注水阶段、回落阶段，拟通过对压力、流量观测记录、建立压力-时间变化曲线，根据现有的试井理论以及各标准曲线的特征，确定试验过程中地下水各个流态对应的阶段，选取相应的模型，获取水幕孔周围岩体渗透系数[2]。

2.1.1 设备安装与进度要求

水幕孔施工完成后先进行洗孔，清除钻孔内泥浆和碎屑并在孔口位置安装机械栓塞，进行水幕孔前期水文地质试验。设备安装如图4所示，在水幕孔孔口处依次装上隔离阀、压力表，水量计、注水阀、止回阀和排水阀。

图4 水幕孔孔口设备安装

注水-回落仪器精度要求详见表1。

表1 注水-回落试验所需设备与材料

2.1.2 天然状态阶段

在水幕孔成孔之后，安装机械式栓塞(必要时，可以采用水封式栓塞)，关闭水幕孔进水阀门，使该水幕孔逐渐恢复至天然稳定状态，该阶段压力恢复稳定需要15 min左右，但为了确保能够准确获取各水幕孔稳定的天然压力，通常该阶段约持续1 d左右。

2.1.3 注水阶段。

在该阶段，需要打开进水阀门，同时，以一定的压力往水幕孔内注水，其注水压力为P=P0+ΔP，P0为水幕孔天然压力(MPa)，ΔP为附加压力，该压力根据实际的场地条件进行确定。如果供水压力稳定并且满足要求，调整阀门对水幕孔进行注水并且达到规定压力值，根据相关的工程经验，水幕孔注水时间一般设置为15 min，具体时间根据岩体裂隙发育程度、通透性进行调整。

2.1.4 回落阶段。

当试验进入到回落阶段时，关闭进水阀门，同时，记录水幕孔内压力变化值。该阶段持续时间为2 h。

单水幕孔试验作为多水幕孔联合试验的前期基础调查资料，利用注水-回落过程，测试孔内压力变化，获取水幕孔周围岩体水力参数，进一步为多水幕孔联合试验提供基础数据，以及确定水幕补孔位置以及监测方案制定提供相关信息。

2.1.5 初始数据分析

国内外在地下水封洞库以及地下核废料处置场所，常用的分析方法主要有Moye公式法、Horner法[3]。惠州项目注水—回落试验的数据拟用这两种方法，计算分析确定水幕巷道SM1、SM2、SM3、SM4、SM5、LSM6水平水幕孔的渗透系数，其中SM1、SM2的结算结果(表2)。

表2 单水平水幕孔渗透系数

2.2 双栓塞分段试验

2.2.1 试验方法

双栓塞分段试验是精细试验，在单栓塞全孔试验基础上进行，其目的是寻求水幕孔长大范围内不同区域的岩体渗透特性与渗透系数，试验原理与单塞全孔试验相同，但仪器设备与精度有差异，具体见图5、表3。

图5 双栓塞注水-回落试验水幕孔设备安装

设备名称说明SolinstLevelogger探头最大采集数据点:39999供水水泵最大输出压力:1.2MPa电子流量压力计精度:0.001L/min,0.001MPa自动采集系统工作电压:二相220V塞间连接杆4×21无缝钢管双栓塞长度各为1m,工作压力量程为5MPa试压泵最大输出压力:6.3MPa水经过细菌要求处理,固体悬浮物总量小于10mg/L双栓塞配套柔性膨胀管线工作压力量程:32MPa供水管工作压力量程:32MPa

2.2.2 拟合分析结果

对SM1-E3孔进行双栓塞分段试验，采用Saphir拟合分析获得的渗透系数见表4，在与初始试验获得的数据进行比较，渗透系数误差对于工程意义不大。

表4 双栓塞注水-回落试验渗透系数

2.3 多孔联合试验

联合试验是检测水幕有效性的主试验，需要根据水幕系统规模、分布情况进行分区域试验，惠州项目共计6条水幕廊道，并在适当位置设置垂直水幕孔，联合试验分为2个区域，每个试验区全部水幕孔均参与试验。联合试验的目的是发现效率低下的水幕孔，分析其原因，提出优化方案。

2.3.1 试验流程

2.3.1.1 准备阶段

在试验前1 d检查注水系统状态、洞内渗水点及渗水现象与渗漏量，记录各孔压力与流量，记录地下水位监测井内水位。

2.3.1.2 第一阶段

(1) 测读记录试验区域内所有水幕孔压力和水表读数，同时记录各个压力计孔压力。

(2) 关闭试验区域内所有水幕孔，若其中某个水幕孔压力下降至0 MPa，需立刻对该孔进行小流量供水，其供水压力保持在0.05 MPa，并且持续到该阶段结束，同时，需要记录其流量和压力值。

(3) 测量数据：

①按每天4次的频率测读记录水幕孔的压力和水表读数，短时间内若需进行第二次记录，时间间隔为1～2 h。

②记录试验区域内水幕巷道，交通巷道与主洞室内的渗水点流量和位置，并将其投影在相应的平面图上，同时，记录洞室进水量与排水量。

③测读地下水监测井水位。

④按每天4次的频率测读记录试验区域内水幕总供水管和分支供水管流量与压力以及水幕巷道注水表流量。

2.3.1.3 第二阶段

具体操作步骤如下：

(1) 记录试验区域内所有水平水幕孔的压力和水表读数。

(2) 打开奇数水幕孔，同时，保持偶数水幕孔、垂直水幕孔处于关闭状态。

(3) 测量数据：

数据测读记录、注意事项与第一阶段相同。

2.3.1.4 第三阶段

本阶段关闭试验区域内所有偶数水平水幕孔，保持奇数孔、垂直水幕孔处于关闭状态，数据测读与记录、注意事项与第一阶段相同。

2.3.2 数据分析

通过图形分析、波动指数计算、异常孔否决3种判别方法对水幕有效性试验水、平水幕孔压力数据进行整理分析，找出效率低下的水幕孔。

(1)图形分析发是将水幕孔压力曲线与标准曲线进行比较，如果两个阶段没有明显变化，则水幕孔效率低。

(2)波形指数法是分析在阀门切换过程中，孔内压力变化幅度和速度都呈现剧烈状态，图形中出现陡降或陡升的趋势，该水幕孔被考虑为低效率孔。本项目确定的波动指数不大于0.35时，则该水幕孔为低效水幕孔。

(3)对于在供水阀门关闭阶段，孔内压力降为0.05 MPa后重新供水的水幕孔，均被考虑为低效率孔。

2.4 物探法测试岩体含水程度及其分布情况

物探法就是瞬变电磁仪检测方法，利用瞬变电磁仪对低电阻体的敏感性，在水幕系统注水前后对岩体的含水情况进行探测，比较前后探测所得色谱图变化情况，即可直观发现注水后岩体的含水变化情况，并将探测结果与注水-回落试验结果进行比较，即可验证注水-回落试验的有效性，又可进一步补充其不足之处。

2.4.1 检测方法

水幕系统注水效果检测采用偶极共面法，水在幕系统注水前和主洞室第一、二层开挖完成后检测。注水前将高频接收线圈与发射线圈垂直布置在左右边墙，且保证其间距为10 m，进行数据采集；主洞室一二层开挖完成后，分别将高频接收线圈与发射线圈布置在左右边墙并与底板呈60°斜向下进行数据采集；底板检测时，将高频接收线圈与发射线圈水平布置在底板上，进行数据采集，线圈间距10 m。

2.4.2 测线布置

检测范围为整个水幕形成区，共布置5条测线，每条测线检测2次；分别为水幕巷道左右边墙水平方向，水幕巷道左右边墙斜向下60°及底板中线下(图6)。

根据现场情况，选择干扰最小的检测测线，并用红油漆对检测的测点进行标识，确保每个检测点的间距为10 m，方便检测过程中控制高频接收线圈与发射线圈的间距。

2.4.3 数据处理与图像解析

以底板测线作为分析案例，水幕巷道底板向下100 m的视电阻率剖面图(图7、图8)。视电阻率剖面图内等值线数值为岩层视电阻率值，此值越小(对应颜色越蓝)表示此处岩层裂隙发育或相对富水性越好，反之说明岩体完整性较好，含水裂隙较少[4]。

图6 瞬变测线布置示意

在瞬变电磁探测中，由于发射线圈关断时间导致的观测延迟使得瞬变电磁无法获得关断时间内的二次场信息，因此，浅层0～10 m为探测盲区。从图中可已看出：从底板往下至55 m处，围岩整体显示低阻，结合前期获得的水幕孔信息，可初步判断，由于深度为58 m的垂直水幕孔已注水，水幕孔通透性好，水沿着孔内节理裂隙向孔四周渗透，导致此段岩体内部含水量高电阻率较低。为进一步了解此段范围内的局部详细变化，在此基础上使用电阻率对数进行分析。

由图7、图8可以发现在20～50 m深度范围内，岩体电阻率进一步降低。分析可知：水幕巷道下方30～40 m核心低阻异常为主洞室上层开挖后进行的金属支护影响范围，属于低阻干扰。

图7 水幕巷道1瞬变电磁探测电阻率剖面

图8 水幕巷道1瞬变电磁探测电阻率对数剖面

3 影响因素分析

影响水幕系统有效性因素复杂，要素多样，并且由于受到国外技术封锁，加之国内建设项目不多，积累的经验不足，需要在现有工程项目建设中不断探索，笔者认为影响因素主要包括水幕系统参数设计因素、施工质量因素、试验仪器因素、软件模拟因素几个方面。

3.1 水幕系统设计因素

在水幕系统设计阶段需要看着以下影响因素研究，优化水幕系统参数。

(1)库区工程地质勘探与水文地质调查是否细致、准确，精度是否足够。

(2)水幕系统布置参数是否设计合理，是否与洞室地质条件匹配[5]。

(3)水幕孔参数是否与洞室尺寸结构、围岩条件匹配。

3.2 施工因素

施工因素主要是水幕孔钻孔质量，包括孔深、空间、方向，影响钻孔质量的因素主要有以下方面。

(1)机型性能是否满足岩性要求。

(2)钻杆稳定性是否满足精度要求。

(3)是否具有导向和自动纠偏功能。

3.3 注水-回落试验因素

注水-回落试验影响因素主要仪器仪表因素和模拟分析软件两方面影响因素。

(1)仪器仪表测试精度、耐压强度是否满足需要。

(2)安装密封程度是否满足需要，系统是否出现渗漏现象。

(3)模拟分析软件是否适宜。

(4)专业工程师是否经验足够，参数设置是否合理。

4 几点认识

(1)地下水封储油洞库水幕系统是否有效，是决定项目建设成败，运营成本高低的关键，但是由于国外技术封锁，国内建设项目不多，经验不足，尚需在今后的建设项目中对水幕系统技术开展专项研究是必要的。

(2)传统的注水—回落试验费用高、耗时长，对低效孔的判断准确性差，不能准确分析低效原因，因此有必要寻求其它验证方法。

(3)用瞬变电磁仪对低电阻体的敏感性探测洞周岩体富水分布情况，是一种宏观的探测，成本低，效率高，可以作为一种补充验证手段。

(4)影响水幕系统效率的因素多，并且因项目各异，不管是设计或施工，需要充分认识项目自身特点。

[1] 杨艳玲, 温新亮, 黄学军. 地下水封储油洞库合理间距数值模拟研究[J]. 现代矿业, 2016(4).

[2] 刘杰, 赵兴东, 温新亮. 地下水封储油洞库各向异性渗流特征数值模拟[J]. 东北大学学报. 自然科学版, 2015(11).

[3] 邵再良. 地下储气洞室勘测中的注(压)水试验[J]. 西部探矿, 2004(4).

[4] 张凯, 陈寿根. 瞬变电磁法在地下储油洞库水幕质量检测中的应用[J]. 工程勘察, 2015(10).

[5] 周永利, 孙海江. 某地下水封石油库工程水幕孔施工技术研究[J]. 长江科学院院报, 2014(1).