地下水封储油洞库渗流及油品储存试验研究

陈舟，林牧，王靖，张文章

河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098

地下水封储油洞库渗流及油品储存试验研究

陈舟，林牧，王靖，张文章

河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098

文章以实际地下水封石油洞库为原型，在室内构建了花岗岩的洞库模型，以等比例缩尺设计了水平裂隙和倾斜裂隙，并开展了渗漏、油品储存试验。对比了裂隙渗透系数的立方定律计算值和达西定理计算值，发现达西定理计算值只有立方定律计算值的15%左右。观察与计算了油水界面的变化规律及渗流场的运动规律，得出：连通器原理可用于计算地下水水位提升时的油水界面，地下水位小幅度下降时水垫层排水有助于保持洞室内储油的稳定。

地下水封；储油洞库；渗流；裂隙；试验研究

0 引言

在世界经济高速发展的今天，能源问题日益突出，应对能源危机的能力已经成为衡量一个国家整体实力的潜在标准。因此，在以石油为主的世界能源体系中，建立必要的石油储备体系成为了保障国家社会经济安全，应对突发事件的必要手段。石油储备设施从存储形式上可分为陆上储罐、地下储罐、地下洞库等。由于地下洞库相对于其他存储方式具有占地少、投资少、污染小、运营管理费用低、安全度高等优点，因此这种储备方式已经被越来越多的国家所采用[1-4]。目前，日本、韩国、瑞典等国家都已经建立和完善了相应的地下洞库储油体系[5]，而我国地下水封石油洞库建设才刚刚起步。

地下水封储油洞库一般是选择适宜的场地通过人工在岩体中开挖而形成的。为做到安全、有效地储存石油，地下水封储油洞库必须具备两个条件：其一是密闭，其二是稳定，以确保油品安全储存不渗漏、不挥发[6]。密闭一般是通过洞库周边围岩地下水内渗实现的。为保证洞库使用期的安全稳定，洞库围岩必须满足一定的完整性和强度要求[7]。

为研究地下水封洞库中油-水-气-固的相互作用，杨明举与关宝树结合我国第一座地下储气洞库工程，对水封式地下储气洞库的建设原理及设计进行了论述，并运用数值模拟方法对地下水封洞库从理论上进行了探讨，为我国地下储气洞库工程的设计和施工提供了理论依据[8]。刘青勇等人通过数值模拟研究了地下水封石油洞库对地下水的影响[9]。陈祥[10]、时洪斌[2]就黄岛地下水封洞库岩体质量及围岩稳定性进行了分析与评价。刘琦等讨论了水封液化石油气储藏洞库修建的关键技术[11]。

目前研究多集中在数值模拟和原理上，不同尺度的试验研究尚不多见。为在试验室尺度揭示地下水封洞库中油-水渗流规律，本试验以某地下水封洞库为原型，在室内采用自然花岗岩构建洞库模型，并在不同裂隙条件下进行地下水封洞库渗流与油品渗漏规律试验研究。试验目的是针对裂隙岩体进行渗流分析，讨论在固、气、液三相状态下，裂隙岩体中具有一般性的地下水封储油洞库的渗流规律，以指导现场设计和施工建设，并为进一步完善有关规范积累资料。

1 试验内容与试验方案

为反映自然岩体中地下水渗流和油品渗漏规律，试验设计选择某地下水封洞库作为参照对象[2，10]，制作了等比例缩尺模型。具体模型设计和尺寸见图1。

图1 试验装置示意/cm

洞室的岩体选择肉红色斑状花岗岩，岩体正反两面采用光滑切割面，岩体规格为40 cm×40 cm×2.7 cm（长×宽×厚）。岩体中部切割成模拟洞室的形状，根据实际地下水封洞库形状，设计为城门洞式洞室（下部近似矩形+上部拱形结构），并在洞室底部添加水垫层[12]，以便模拟排水情形和最大进油量。洞室的矩形尺寸为10 cm×10 cm（长×宽），半圆拱顶半径为5 cm，下部水垫层尺寸为5 cm×3 cm（长×宽）。

为模拟洞库周围的地下水流场，将洞库放置在有机玻璃制水箱中，水箱的规格为100 cm×40 cm×70 cm（长×宽×高），在水槽进出水端安置了溢流槽以控制水箱中的水位。由于试验采用的天然石板较薄，洞室中的渗流场可近似为二维情况。在天然岩体中，裂隙和节理发育积极复杂，在应力破碎带中更是无规律可循，但在大多数围岩分类良好的位置，完整花岗岩中的节理往往成组发育。试验根据现场平均节理密度，在模型中制作了2条裂隙，以模拟真实情况，其中一条为水平单裂隙，距洞室底5 cm，长15 cm，宽度3 mm；另外一条为倾斜单裂隙，位于洞室拱角，角度45°，长21 cm，宽3 mm。两条裂隙高度均为10 mm。

由于本试验用水量较大，且水的天然水理参数对试验影响较小，因此试验用水采用自来水。试验油品采用93#汽油，密度为0.725 g/mL，其易挥发性也可模拟洞室内的气压变化情况。在试验中，采用苏丹红染色剂对汽油进行染色，染色后的汽油与透明自来水、岩体颜色的对比度良好，易于观察。

2 试验结果及分析

2.1 渗流试验

地下水渗流场的分析和评价是地下水封洞室工程设计施工中非常重要的一步，而裂隙的发育情况、产状和其他参数的获取是渗流场分析中的重要环节。渗流试验的目的是测定裂隙的渗透系数，因此，试验将分别针对水平单裂隙和倾斜单裂隙情况展开。由达西定理可知单裂隙的渗透系数为[12]：

式中K——渗透系数；

Q——单位时间渗流量；

A——过水断面面积；

I——水力梯度；

他忽然叹了口气：“你要打听也没处打听了，秀容兵早就散了。我来这里，是想把秀容元帅的尸骨挖出来，重新找个地方安葬。”

L——过水路径；

H——进水端水头高度；

h——出水端水头高度。

通过进出口的溢流装置调节总水头的水位，溢流装置保持水头高度H不变；出水口持续排水，同时计算单位流量的出水时间以便计算渗流量。先封堵倾斜裂隙以便完成水平裂隙的渗流试验，完成后再封堵水平裂隙，就可以进行倾斜单裂隙试验，所得的试验数据见表1。

由光滑平行板裂隙水流渗流的立方定律（LCL）得单裂隙渗透系数的理论计算公式为[13]：

本试验模型的裂隙宽度b为3.0 mm，试验水温为20℃，运动黏滞系数ν取1×10-6m2/s，裂隙与水平夹角θ为45°，重力加速度g取9.81 m/s2。用立方定律计算倾斜单裂隙和水平单裂隙的理论值，而后把该理论值与本次试验的计算结果进行对比，见表2。

表1 渗流试验数据统计

表2 裂隙渗透系数值比较

由文献可知[12]，立方定律源自达西定理，因此立方定律计算值应该与达西定理的计算值相近。然而通过试验发现，由达西定理计算得到的计算值远小于立方定律的计算值，其数值只有立方定律计算值的14.1%（倾斜单裂隙）和15.0%（水平单裂隙）。该计算结果与Zimmerman R W和Yeo IW[13]所得出的立方定律过于放大了裂隙岩体的真实渗透系数，其实际渗透系数只有立方定律计算值的15%～30%的结论一致。本次试验是首次采用真实岩体进行地下洞室渗流试验的，它证明了在实际生产中，即使工况条件与试验假设的条件比较接近，确定其渗透系数也需要考虑立方定律计算值可能偏大的因素，因此需要通过现场试验来最终确定其渗透系数值。

2.2 油品储存及运移试验研究

根据实际经验，油品在地下储存过程中常常存在因为地下水水位的升高，导致洞库内底部水垫层向上部空间施加压力升高的情况（或洞壁两侧的水头由于排水过度而低于洞室顶部的压强），此时洞内储存的油品由于压力的增大会向洞顶入渗，导致油品流失，甚至使整个地下储油库失去功用，并对地下水产生难以估计的污染。因此，需在储油条件下，通过模拟水箱内水位（以下简称水头）的上升和下降，来研究油品在洞室中的储存和运移变化规律，试验装置实况照片见图2。

图2 水头上升和水头下降变化时的试验实况

2.2.1 水头上升条件下的试验

通过排水，将洞室内的水位降低至洞室下段的排水口后，注入染色后的汽油，注入油量分别为50、75、100 mL，试验中水平裂隙和倾斜裂隙均不封堵。注油后开始提升水头，油品注入后，由于油密度小于1 g/mL，洞室内汽油液面的高度会略高于水箱中的水头高度。持续注水，直至水箱中的水面升高至50 cm处（以水箱底为水平线），停止注水并记录油量变化。

试验发现，在提升水头过程中，油层厚度无变化，汽油高度的提升速度与水箱中的水头抬升速度基本一致。当洞室内油面的高度高于洞室的拱角时，油品开始流进倾斜单裂隙，此时可观察到其油水界面高于外部水头。当注油量分别为50、75、100 mL，水头分别提升至31.5、31.2、31.0 cm时，油品开始从倾斜单裂隙中溢出，直至洞室内油品全部渗漏完。

2.2.2 水头下降条件下的试验

用橡胶封堵水平和倾斜裂隙，将水头调整至50 cm，并快速排干洞室内的水至洞底，调整溢流槽，保持水箱内的水头高度不变。缓慢注入50 mL汽油，注油的同时打开倾斜单裂隙的橡皮塞。注油结束后，打开水平单裂隙的橡皮塞，并保证排水孔处于排水状态。水头下降通过溢流槽控制，为满足水头快速下降的要求，排水流速控制在5.30 L/s。在排水过程中，随着水头的下降，油品高度和水面高度起初保持不变。但当水头高度降至19.8 cm时，洞内油面和水面开始同时下降，油层厚度先保持不变，随着排水孔的排水和水头的继续下降，油面及水面持续下降，油面下降的速度大于水头下降的速度，直至随排水孔全部排出。再将箱内水头升至50 cm，分别加入75、100 mL汽油，并重复试验。水头上升及下降时的相关统计数据见表3。

2.2.3 试验分析

在水头上升试验阶段，由于水的密度（1 g/mL）大于93#汽油的密度（0.725 g/mL），因此洞室内的油面高度略高于水面高度。在水头提升过程中，当水头高度低于倾斜单裂隙入口高度时，由于连通器的原理，裂隙内油品界面相当于自由面（倾斜单裂隙最高端高度为45.0 cm），其高度高于洞外水头。

表3 水头上升及水头下降试验时的相关统计数据

设油和水面的高度分别为h油、h水。由于液面高度与液体密度呈反比，根据连通器原理，油品渗漏时水头的高度为：

油品渗漏时的水头高度见表4。

表4 油品渗漏时的水头高度

连通器原理可以解释当水头H达到31.0 cm左右时，油品开始从裂隙渗漏的原因。三组试验结果显示，油品渗漏时水头的高度与洞室内的注油量有关。在三种不同的注油量情况下，油品泄漏时的实际水头高度H分别为31.5、31.2、31.0 cm，呈下降趋势，其原因是油品越多，油面也越高，因此也越容易通过裂隙渗漏。比较理论值与试验值，考虑到试验误差，两者基本相符。由此可知，即使水箱水头高于洞室高度，如果存在裂隙，洞室内的油品也可能从裂隙中渗出。因此，在实际工程中首先要确定裂隙的产状等条件，并根据连通器原理计算油品可能发生渗漏的高度，当油品可能发生渗漏时，可通过采取水垫层排水的措施解决问题。

水头下降阶段试验可以模拟地下水水位下降时洞室内油品储存情况。通过试验可知，水位的小幅度变化不会造成洞室内油水面位置的变化，这也证明了在实际工况中排水对于控制储油洞室内的油品高度、减少油品损失有着明显的效果。但是，当地下水水位出现持续下降的情况时，特别是油品较多时（以100 mL情况为例），即使水箱水头（地下水水位）的高度为28.8 cm，比洞室顶部的高度25 cm高，油品亦开始移动。说明在水垫层排水的条件下，油品的储存与储油量和地下水水位有关，油品越多、地下水水位越低时储油效果越差。

3 结束语

本文以实际花岗岩为原材料制作了仿自然条件的地下水封石油洞库，并开展了洞库存在裂隙条件下的水流渗漏和油品储存及运移试验，分析了地下水水位变动、油品储存量和水垫层排水等对于储油的影响。

水封式地下储油洞库是一个非常复杂的系统，涉及到了围岩、地下水以及油品液、气二相之间的诸多相互作用，本试验仅对简单条件下的油水储存情况进行了研究，对于汽油的挥发等问题仍有待进一步研究。

[1]段亚刚.地下大型储备库洞室断面形状优化及合理间距研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[2]时洪斌.黄岛地下水封洞库水封条件和围岩稳定性分析与评价[D].北京：北京交通大学，2010.

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Experimental Study of Seepage and Oil Storage for Groundwater Sealed Oil Storage Cavern

Chen Zhou，Lin Mu，Wang Jing，Zhang Wenzhang
Schoolof Earth Science and Engineering，HehaiUniversity，Nanjing 210098，China

A lab-scale cavern is constructed by granite rock according to a practical groundwater sealed storage cavern.Also, horizontaland inclined fractures are designed based on actualcavern scaling.Then the experimentalstudy of seepage and oil storage is conducted.It is found from comparison of permeability values calculated by the Darcy law and the Cubic law that the value calculated by the Darcy law is about 15%of the value by the Cubic law；the theory of communicating vessel can be used to find the oil-water interface when groundwater level raising；the drainage by water subfillcan help to stabilize the oilstorage when the groundwater levelkeeps smallchange.

groundwater sealed；oilstorage cavern；seepage；fracture；experimentalstudy

江苏省自然科学基金-青年基金项目（BK20130830）；江苏省自然科学基金项目（BK2012814）。

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.016

陈舟（1983-），男，安徽泾县人，讲师，2012年毕业于合肥工业大学岩石矿物矿床专业，博士，现从事水文地质工程地质的研究和教学工作。

2014-09-01