黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià).pdf

1、為了對水封式地下儲油洞庫群進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià),從水封系統(tǒng)和洞庫群圍巖穩(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;洞庫群圍巖穩(wěn)定性研究通過復(fù)雜模型的三維數(shù)值模擬,得到了水封條件下圍巖穩(wěn)定評價(jià)的各指標(biāo)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(yàn)指標(biāo),通過正交試驗(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),通過正交試驗(yàn)確定了洞庫的幾何參數(shù)。另外根據(jù)庫區(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)通過分析庫區(qū)應(yīng)力場和滲流場特征,建立了用于儲庫應(yīng)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(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,為了模擬儲庫的油氣泄漏情況,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(jié)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(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(shí)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(jìn)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(jià)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(jià)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(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,以儲庫的臨界儲壓為指標(biāo),采用有限元法從洞室?guī)缀螀?shù)、水幕布置和儲庫埋深三個(gè)方面對儲庫的儲存能力進(jìn)行了分析評價(jià)。在考慮應(yīng)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(jìn)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(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條件下的開挖模擬,以及耦合工況下的儲油模擬。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、位移場、水力梯度場和塑性區(qū)分布特征對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析評價(jià)。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(jìn)行了方案比較,以塑性區(qū)體積和最大水平位移為評價(jià)指標(biāo)得到了最優(yōu)的開挖方案。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,儲庫可以實(shí)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(gè)方面分別提出了評價(jià)指標(biāo)。通過儲庫圍巖水壓力場和水力梯度場的分布來評價(jià)儲庫的密閉性。

8、其涉及到的評價(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。通過應(yīng)力場、滲流場、位移場和塑性區(qū)分布來評價(jià)儲庫的圍巖穩(wěn)定性。其涉及到的評價(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。通過對儲庫的儲油工況進(jìn)行油品長期泄漏模擬和圍巖流變模擬來評價(jià)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(jià)