黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價.pdf

1、為了對水封式地下儲油洞庫群進行穩(wěn)定性分析評價,從水封系統(tǒng)和洞庫群圍巖穩(wěn)定性兩方面進行研究。水封系統(tǒng)的研究在總結論述水封實驗室試驗的基礎上,通過數(shù)值模擬和參數(shù)設計得到了水封泄漏的機理,優(yōu)化了各水封參數(shù)的選取;洞庫群圍巖穩(wěn)定性研究通過復雜模型的三維數(shù)值模擬,得到了水封條件下圍巖穩(wěn)定評價的各指標值,優(yōu)化了洞庫群的施工布置和開挖方案。具體研究內(nèi)容如下:
　　 (1)在充分分析庫區(qū)工程地質(zhì)條件的前提下,以最大位移值為試驗指標,通過正交試驗

2、確定了圍巖力學參數(shù)的值和權重關系,結果表明圍巖的彈性模量是影響最大位移值的最重要因素,其次是泊松比和內(nèi)摩擦角,而抗拉強度和粘聚力影響最弱。在確定了圍巖力學參數(shù)的基礎上,分別以最大位移值、塑性區(qū)體積和拱頂垂直水力梯度為試驗指標,通過正交試驗確定了洞庫的幾何參數(shù)。另外根據(jù)庫區(qū)提水試驗結果和公式計算,得到了水文地質(zhì)參數(shù)。
　　 (2)通過分析庫區(qū)應力場和滲流場特征,建立了用于儲庫應力場與滲流場耦合作用分析的孔隙型等效連續(xù)介質(zhì)數(shù)學模型,

3、并給出了有限元法和有限差分法求解步驟。
　　 (3)在總結分析水封洞庫泄漏實驗室試驗及微觀機理的基礎上,為了模擬儲庫的油氣泄漏情況,采用非飽和地下水流及熱流運移程序TOUGH2的TMVOC模塊,進行了四種不同儲油條件下的數(shù)值模擬,油品采用LPG(丙烷)。模型在TOUGH2_YMVOC的圖形化界面程序PETRASIM中建立,分為無水幕和有水幕兩種情況。數(shù)值模擬結果表明人工水幕系統(tǒng)可以十分有效地防止地下儲油庫的泄漏,保證氣密和液密條

4、件;在圍巖飽和的情況下,即便是存在高導水率的大裂隙和斷層(小于圍巖滲透率的102倍),由于其處于飽和狀態(tài)下,可以有效地阻止油氣的泄漏,所以確保圍巖水飽和是防止儲庫泄漏的前提條件;在人工水幕系統(tǒng)突然失效的極端情況下,油氣會經(jīng)過一定時間而不會立即泄漏至地表層。
　　 (4)針對自然地下水水動力封存和人工水幕水動力封存兩種水封情況,分別進行了水封參數(shù)的分析。引入了衡量儲庫泄漏程度的泄漏參數(shù)ψ評價自然地下水水動力封存,用以判斷自然條件下

5、儲庫的水封條件,并分析了儲庫幾何參數(shù)對ψ值的影響;采用最小水幕超壓值評價人工水幕水動力封存,用以判斷儲庫的水封條件。針對水幕覆蓋范圍、水幕超壓、最大水幕壓力、水幕鉆孔間距、鉆孔方向、儲庫與水幕間距等設計參數(shù),給出了實際設計中的一些經(jīng)驗準則。在完全水封的情況下,以儲庫的臨界儲壓為指標,采用有限元法從洞室?guī)缀螀?shù)、水幕布置和儲庫埋深三個方面對儲庫的儲存能力進行了分析評價。在考慮應力場和滲流場耦合的情況下,分析了人工水幕系統(tǒng)對儲庫滲流場的影響

6、并給出了估算儲庫涌水量的解析方法。
　　 (5)為了對洞庫群進行耦合條件下的圍巖穩(wěn)定性分析,通過Solidworks,Hypermesh和FLAC3D等數(shù)值模擬軟件建立了能夠體現(xiàn)洞庫群各部分特征的復雜三維數(shù)值模型,在FLAC3D中分別進行不考慮和考慮滲流場條件下的開挖模擬,以及耦合工況下的儲油模擬。選取三個水平聯(lián)絡巷位置的橫斷面作為特征斷面,從特征斷面的應力場、位移場、水力梯度場和塑性區(qū)分布特征對模擬結果進行了分析評價。為了確定

7、儲庫最優(yōu)的洞群布置和單洞開挖方案,使得儲庫具有較高的穩(wěn)定性,分別對洞群開挖工序和單洞開挖工序進行了方案比較,以塑性區(qū)體積和最大水平位移為評價指標得到了最優(yōu)的開挖方案。數(shù)值模擬結果表明:在模型現(xiàn)有的力學參數(shù)、洞室?guī)缀螀?shù)、水封條件和邊界條件前提下,儲庫可以實現(xiàn)完全水封,并且儲庫圍巖是穩(wěn)定的。
　　 (6)從地下水封儲庫的密閉性、圍巖穩(wěn)定性和可用性三個方面分別提出了評價指標。通過儲庫圍巖水壓力場和水力梯度場的分布來評價儲庫的密閉性。

8、其涉及到的評價指標主要有:泄漏參數(shù),降水漏斗范圍,水幕超壓值,臨界儲壓,水力梯度,涌水量,氣體飽和度,液態(tài)油品飽和度及溶于水油品質(zhì)量分數(shù)等。通過應力場、滲流場、位移場和塑性區(qū)分布來評價儲庫的圍巖穩(wěn)定性。其涉及到的評價指標主要有:最大主應力、最小主應力、剪應力、最大位移和塑性區(qū)體積等。通過對儲庫的儲油工況進行油品長期泄漏模擬和圍巖流變模擬來評價儲庫的可用性。主要涉及到水封失效和圍巖的粘塑性變形破壞,可以綜合利用儲庫密封性和圍巖穩(wěn)定性的評價