黃島地下水封洞庫(kù)水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià).pdf

1、為了對(duì)水封式地下儲(chǔ)油洞庫(kù)群進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià),從水封系統(tǒng)和洞庫(kù)群圍巖穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行研究。水封系統(tǒng)的研究在總結(jié)論述水封實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)值模擬和參數(shù)設(shè)計(jì)得到了水封泄漏的機(jī)理,優(yōu)化了各水封參數(shù)的選取;洞庫(kù)群圍巖穩(wěn)定性研究通過(guò)復(fù)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(píng)價(jià)的各指標(biāo)值,優(yōu)化了洞庫(kù)群的施工布置和開(kāi)挖方案。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)在充分分析庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件的前提下,以最大位移值為試驗(yàn)指標(biāo),通過(guò)正交試驗(yàn)

2、確定了圍巖力學(xué)參數(shù)的值和權(quán)重關(guān)系,結(jié)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(qiáng)度和粘聚力影響最弱。在確定了圍巖力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)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(yàn)指標(biāo),通過(guò)正交試驗(yàn)確定了洞庫(kù)的幾何參數(shù)。另外根據(jù)庫(kù)區(qū)提水試驗(yàn)結(jié)果和公式計(jì)算,得到了水文地質(zhì)參數(shù)。
　　 (2)通過(guò)分析庫(kù)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)特征,建立了用于儲(chǔ)庫(kù)應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用分析的孔隙型等效連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)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(jié)分析水封洞庫(kù)泄漏實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及微觀機(jī)理的基礎(chǔ)上,為了模擬儲(chǔ)庫(kù)的油氣泄漏情況,采用非飽和地下水流及熱流運(yùn)移程序TOUGH2的TMVOC模塊,進(jìn)行了四種不同儲(chǔ)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(wú)水幕和有水幕兩種情況。數(shù)值模擬結(jié)果表明人工水幕系統(tǒng)可以十分有效地防止地下儲(chǔ)油庫(kù)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(dǎo)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(chǔ)庫(kù)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(huì)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間而不會(huì)立即泄漏至地表層。
　　 (4)針對(duì)自然地下水水動(dòng)力封存和人工水幕水動(dòng)力封存兩種水封情況,分別進(jìn)行了水封參數(shù)的分析。引入了衡量?jī)?chǔ)庫(kù)泄漏程度的泄漏參數(shù)ψ評(píng)價(jià)自然地下水水動(dòng)力封存,用以判斷自然條件下

5、儲(chǔ)庫(kù)的水封條件,并分析了儲(chǔ)庫(kù)幾何參數(shù)對(duì)ψ值的影響;采用最小水幕超壓值評(píng)價(jià)人工水幕水動(dòng)力封存,用以判斷儲(chǔ)庫(kù)的水封條件。針對(duì)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(chǔ)庫(kù)與水幕間距等設(shè)計(jì)參數(shù),給出了實(shí)際設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。在完全水封的情況下,以儲(chǔ)庫(kù)的臨界儲(chǔ)壓為指標(biāo),采用有限元法從洞室?guī)缀螀?shù)、水幕布置和儲(chǔ)庫(kù)埋深三個(gè)方面對(duì)儲(chǔ)庫(kù)的儲(chǔ)存能力進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。在考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合的情況下,分析了人工水幕系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)庫(kù)滲流場(chǎng)的影響

6、并給出了估算儲(chǔ)庫(kù)涌水量的解析方法。
　　 (5)為了對(duì)洞庫(kù)群進(jìn)行耦合條件下的圍巖穩(wěn)定性分析,通過(guò)Solidworks,Hypermesh和FLAC3D等數(shù)值模擬軟件建立了能夠體現(xiàn)洞庫(kù)群各部分特征的復(fù)雜三維數(shù)值模型,在FLAC3D中分別進(jìn)行不考慮和考慮滲流場(chǎng)條件下的開(kāi)挖模擬,以及耦合工況下的儲(chǔ)油模擬。選取三個(gè)水平聯(lián)絡(luò)巷位置的橫斷面作為特征斷面,從特征斷面的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、水力梯度場(chǎng)和塑性區(qū)分布特征對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。為了確定

7、儲(chǔ)庫(kù)最優(yōu)的洞群布置和單洞開(kāi)挖方案,使得儲(chǔ)庫(kù)具有較高的穩(wěn)定性,分別對(duì)洞群開(kāi)挖工序和單洞開(kāi)挖工序進(jìn)行了方案比較,以塑性區(qū)體積和最大水平位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到了最優(yōu)的開(kāi)挖方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在模型現(xiàn)有的力學(xué)參數(shù)、洞室?guī)缀螀?shù)、水封條件和邊界條件前提下,儲(chǔ)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)完全水封,并且儲(chǔ)庫(kù)圍巖是穩(wěn)定的。
　　 (6)從地下水封儲(chǔ)庫(kù)的密閉性、圍巖穩(wěn)定性和可用性三個(gè)方面分別提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)儲(chǔ)庫(kù)圍巖水壓力場(chǎng)和水力梯度場(chǎng)的分布來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)庫(kù)的密閉性。

8、其涉及到的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有:泄漏參數(shù),降水漏斗范圍,水幕超壓值,臨界儲(chǔ)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?jǐn)?shù)等。通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)分布來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性。其涉及到的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有:最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力、最大位移和塑性區(qū)體積等。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)庫(kù)的儲(chǔ)油工況進(jìn)行油品長(zhǎng)期泄漏模擬和圍巖流變模擬來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)庫(kù)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(chǔ)庫(kù)密封性和圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)