地下水封儲油庫庫址的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問(wèn)題

  我國的石油資源不足, 原油產(chǎn)量不能滿(mǎn)足經(jīng)濟發(fā)展的需求。對進(jìn)口石油依賴(lài)度不斷增大, 2007 年已超過(guò)1.59 ×108 t , 國際石油市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)對我國經(jīng)濟的影響越來(lái)越大。根據國際能源組織機構(IEA)規定, 各成員國的應急石油儲備量應相當于上年90 天的消費量, 以此為據, 2015 年我國應保有5 000 ×104 t 以上的石油儲備量, 需建設約七千多萬(wàn)立方米的儲備油庫。然而, 我國一期在建的4 個(gè)石油儲備基地的地表及地下儲油庫至2008 年全部竣工后, 儲油能力仍然不能滿(mǎn)足需求, 還需要修建更多的戰略石油儲備基地。

 

  由于地下儲油庫具有安全性能高, 不占或少占耕地, 投資省、損耗少, 運營(yíng)管理費用低, 使用壽命長(cháng), 污染小, 裝卸速度快等優(yōu)點(diǎn)[ 1] 越來(lái)越多地被廣泛應用。

 

  早在20 世紀30 年代末, 瑞典就將石油產(chǎn)品儲存在地下混凝土的儲油罐內, 用地下水來(lái)密封。20 世紀60 ～70 年代, 地下油庫建設進(jìn)入發(fā)展時(shí)期, 每年建設幾百萬(wàn)立方米地下油庫, 儲存原油、石油產(chǎn)品、LPG 及重質(zhì)燃料油。我國20 世紀70 年代在山東青島和浙江象山自行設計和建造了小型的地下水封巖洞油庫, 分別儲存了原油和柴油, 其附近還建有地表儲油罐(庫)。后來(lái)青島地表儲油罐發(fā)生火災, 造成重大損失, 而附近的地下油庫卻安然無(wú)恙, 進(jìn)一步證實(shí)了地下油庫的安全性。近年來(lái), 國外公司先后在汕頭和寧波建造了2 個(gè)地下LPG 水封洞庫, 積累了一些經(jīng)驗。

 

  本文根據大型戰略石油儲備基地的選擇原則, 以及地下水封油庫的工程特點(diǎn)和發(fā)展要求, 探討其選址和設計過(guò)程中應注意的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問(wèn)題。

 

  1  地下水封洞庫儲油原理

 

  地下水封洞庫處于穩定的地下水位線(xiàn)以下一定的深度(5m 為宜), 通過(guò)人工在地下巖石中開(kāi)挖出一定容積的洞室, 利用穩定地下水的水封作用密封儲存在洞室內的石油。洞室開(kāi)挖前, 地下水通過(guò)節理裂隙等滲透到巖層的深部并完全充滿(mǎn)巖層空隙。如圖1 所示, 當儲油洞庫開(kāi)挖形成后, 周?chē)鷰r石中的裂隙水就向被挖空的洞室流動(dòng), 并充滿(mǎn)洞室。在洞室中注入油品后, 油品周?chē)鷷?huì )存在一定的壓力差, 因而在任一油面上, 水壓力都大于油壓力, 使油品不能從裂隙中漏走。同時(shí)利用油比水輕, 以及油水不能混合的性質(zhì), 流入洞內的水則沿洞壁匯集到洞底部形成水墊層, 可由水泵抽出。

 

  地下儲油庫的水封形式有3 種:(1)自然水封;(2)人工水封;(3)上述兩種方法的結合。水封系統受到巖層的水理特性或有無(wú)相鄰洞室及地下水含水量等的影響。地下水封儲油洞庫直徑規模一般比地下發(fā)電站小, 而比通常的公路交通隧道斷面要大, 地下洞室不襯砌或僅做少量結構處理。所以, 地下水封儲油庫對庫址區的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件要求較高。

 

  2  地下儲油庫選址基本原則

 

  地下儲油庫選址首先必須要滿(mǎn)足兩個(gè)基本的地質(zhì)條件:一是巖體的完整性, 即應選出無(wú)深性斷層和斷裂、裂隙不甚發(fā)育的結晶巖體, 以保證有足夠的可用巖體范圍;二是密封, 即滿(mǎn)足必要的水封條件。

 

  其次, 還要結合我國國情, 因地制宜, 根據我國規劃建設地下儲油庫的需求和特點(diǎn), 考慮以下外部依托條件:

 

  (1)根據擬建儲油庫的建庫地帶及周?chē)晒貐^對今后石油的戰略?xún)淞啃枨? 確定適宜的地理位置和儲油庫的規模。

 

  (2)優(yōu)良的海港和相應規模的碼頭設備。儲備油品品種主要是進(jìn)口原油, 庫址選擇應考慮現有良好海港, 可接納大噸位(20 ×104 ～ 30 ×104 t 以上)的油輪, 并有良好的原油碼頭設備。

 

  (3)靠近國家大型進(jìn)口原油加工基地。

 

  (4)建庫費用經(jīng)濟合理。起步階段在沿海地區選擇若干地點(diǎn)建設儲備基地;中遠期規劃除沿海外, 應結合俄羅斯原油和哈薩克斯坦原油的進(jìn)口情況, 在東北和西北內陸地區管道運輸樞紐站附近選擇地點(diǎn)。

 

  (5)儲油庫的安全性。建庫地帶要有一個(gè)龐大的腹地, 能夠建立起完善的配套設施, 以保障地下水封儲油洞庫的建設和運行使用期間的安全性。

 

  (6)有良好的輸油交通條件。

 

  3  庫址選擇中應注意的問(wèn)題

 

  3.1  區域穩定性

 

  對于地下水封儲油庫這類(lèi)大型工程, 需要慎重考慮庫址穩定性問(wèn)題, 包括斷裂活動(dòng)、地震及地應力問(wèn)題, 如若不慎就會(huì )造成嚴重的后果, 遭受重大的損失。

 

  因此, 在選址階段應注意:

 

  (1)需查明現今構造活動(dòng)及地應力場(chǎng), 在工程現場(chǎng)測量地應力的方位、大小和狀態(tài), 包括各應力分量之間的關(guān)系及活動(dòng)特性[ 9] 。應選擇地應力變化不大或地應力量值低的地段。

 

  (2)確定該地區的地震基本烈度及地震小區(劃分)特征, 盡可能地避開(kāi)地震烈度IX 度及以上地區[ 10] , 特別要注意低頻率高強度地震對洞庫周邊的影響。建庫前要掌握自然地震情況, 建庫儲油后必須考慮可能誘發(fā)的地震情況, 還要進(jìn)行相應的鉆探、取樣,進(jìn)行巖、土、水的特性分析, 也需進(jìn)行地球物理勘探工作, 包括淺層地震勘測等。

 

  3.2  巖體的完整性

 

  修建地下水封洞庫的必要條件之一就是要在巖石地層中開(kāi)鑿, 必然需要對擬選庫區圍巖進(jìn)行評價(jià)。

 

  (1)巖體完整性評價(jià)。從巖性上要求庫址區巖石質(zhì)地堅硬, 礦物粒度較均勻, 抗風(fēng)化能力強, 應盡量選擇輕微風(fēng)化的結晶巖體, 注意不同地段的巖石風(fēng)化帶對比, 以花崗巖為例, 其風(fēng)化帶分帶特性概括如圖3 ;從構造上要求庫區內斷裂、褶皺不發(fā)育, 節理不甚發(fā)育, 盡量選擇壓扭性斷裂(弱透水), 裂隙寬度不得大于0.5mm, 滲透系數一般在10-8 ～ 10-9cm s 之間, 即基本不透水, 對于某些裂隙多但裂隙閉合的巖體也可以考慮[ 5 ,10] 。透水量小不僅有利于巖體穩定和施工, 而且可以大大降低運營(yíng)期間的排水費用和水處理費用。

 

  (2)巖體質(zhì)量評價(jià)。從巖體力學(xué)強度和巖體完整程度兩個(gè)因素來(lái)考慮, 巖石的抗壓抗剪強度要高。根據國內外已建或在建的53 座水封洞庫統計分析發(fā)現, 地下水封巖洞儲油庫預選場(chǎng)址大多數都是在花崗巖、片麻巖等Ⅰ到Ⅱ類(lèi)巖體中。

 

  有人曾設想在我國廣泛分布的碳酸鹽巖地區, 利用天然巖溶洞穴進(jìn)行地下油庫建設。在我國及法國、希臘已有在碳酸鹽巖地區(石灰巖、白云巖)修建非水封式地下油庫的實(shí)例[ 6] 。由于地下水封油庫涉及到水封條件, 而天然巖溶洞穴具有縱橫交錯的復雜網(wǎng)絡(luò ), 且巖溶水流具有多變性, 洞穴暗河的流量和水位季節性變化大, 目前尚無(wú)在巖溶地區修建地下水封儲油庫的實(shí)例。但是, 在自然界的古巖溶洞穴系統中, 就有天然油氣的儲存并具有三個(gè)動(dòng)態(tài)的特性[ 12 ～ 13] 。

 

  巖溶含水層存在孔隙、裂隙和洞穴通道三種介質(zhì)空間, 也存在這三種水流(圖4)。K .Torbarrov 利用流量衰減指數方程, 計算了Trebisnjica 流域內巖體的有效孔洞檬。

 

  通常巖溶水處在三種介質(zhì)中, 所以出現三個(gè)亞動(dòng)態(tài)是較常見(jiàn)的, 但也有單一動(dòng)態(tài), 即以溶蝕裂隙為主,沒(méi)有大洞穴巖溶水活動(dòng), 在這種條件下可以研究修建地下水封油庫。我國一些地帶單一動(dòng)態(tài)的巖溶泉水的衰減系數值a 為0.0109 ～ 0.00151 。而在我國四川, 古巖溶通道已成為儲存油氣場(chǎng)所, 經(jīng)揭露開(kāi)發(fā)后, 也發(fā)現有三個(gè)動(dòng)態(tài)的特征。

 

  因此, 具有三種滲水介質(zhì)空間的巖溶化碳酸鹽巖地層中, 在已有的大的巖溶通道, 而且仍有大變幅的巖溶水流活躍的地段, 如不采取更多處理手段, 不宜進(jìn)行地下水封油庫的建設。對于不大的溶蝕裂隙地段, 或有統一的地下水面下的巖溶通道, 選擇適宜地帶, 經(jīng)詳細研究后, 也是有可能采用的。為取得穩定的地下水位, 應當和修建地下水庫相結合。在硬石膏地區由于遇水膨脹, 可以使地下油庫得到更好的封閉, 但如何避免硬石膏水化后膨脹成石膏, 并加劇產(chǎn)生溶蝕現象, 也是涉及水封油庫安全性必須考慮的問(wèn)題。巖鹽地區修建水封油庫, 也存在著(zhù)巖鹽的溶解作用問(wèn)題。

 

  目前, 在花崗巖地區修建地下油庫, 是一個(gè)較好的選擇, 而且我國的東北、山東、福建、廣東、海南等地區,廣泛分布花崗巖, 非常適合于建設地下水封洞庫。

 

  (3)圍巖穩定性評價(jià)。圍巖穩定性核算至關(guān)重要,它決定了洞室寬度、高度、長(cháng)度以及洞室間距的確定。

 

  準確的核算不僅可以保證洞庫的安全, 還可以節約建造成本。

 

  3.3  水封條件的保證性

 

  地下水封儲油庫最大特征就是利用地下洞室周?chē)纬傻牡叵滤畨捍笥谟蛪? 使油品不能從裂隙中漏走。

 

  水封系統受到地下水含水量的影響, 一旦地下水位不穩定或深度不足, 地下水壓都會(huì )發(fā)生變化, 容易引起油品泄漏。因此, 準確確定最低地下水位, 合理設置洞室埋深, 對保證洞庫穩定、密封性以及降低施工造價(jià)等都有重要的意義。

 

  最低地下水位通常根據被利用巖體中地下水的最低天然排水基準面來(lái)確定, 同時(shí)要保證最低天然排水基準面不受人為因素影響而有所降低。為此, 庫址多選擇在距最低排水基準面較近的地段, 以減少洞室埋深和降低人為因素干擾, 如江河湖海之濱。

 

  Fig.5 Schematic profile showing underground watersealedoil storage caverns in a hilly land near a river1—高(低)地表河水位;2 —高(低)地下水位;3 —水封壓力;4 —地下儲油庫

 

  3.4  水資源的保證性

 

  (1)保證充足的供水水源

 

  在選址過(guò)程中應對水文地質(zhì)斷面進(jìn)行連續監測,包括水位、地下水壓力、水化學(xué)等監測[ 15] , 注意最高洪水位;查明是否存在海水入侵地下水和河水情況(特別在沿海地區)。同時(shí), 要注意對水質(zhì)、水氣成分、惰性氣體的觀(guān)測, 避免造巖礦物或水體中含有的硫、銅、鉛等對油品和設備儀表的腐蝕, 要保證有充足的供水水源,要求水源地和地下油庫間水力聯(lián)系不密切, 不要因供水而造成水封油庫上部的地下水位急劇下降。

 

  (2)做好防滲處理

 

  在洞庫建設過(guò)程中要對滲水量大的裂隙進(jìn)行處理, 如進(jìn)行注漿處理和表層噴射混凝土措施等 , 考慮到一些不可測因素以及國外地下儲庫防滲漏經(jīng)驗,在自然滲流下具有阻水作用的水幕滿(mǎn)足要求時(shí), 增設人工水幕能減少滲流, 提供穩定的地下水位, 增大水力梯度, 更好的保障儲油庫的安全, 同時(shí)也能增加洞室的儲油量 。

 

  4  洞庫設計時(shí)應注意的地質(zhì)因素

 

  地下油庫的建設應與當地自然條件相和諧, 特別是與地質(zhì)條件相和諧。因此, 要依據地質(zhì)資料和油品儲存的工藝要求, 并結合施工方法進(jìn)行洞庫的土建設計。其中洞庫的容量和數量、布置形式、埋深、橫斷面幾何形狀和尺寸等設計都直接受到地質(zhì)因素的制約。

 

  所以, 地質(zhì)條件應是設計地下水封油庫的基礎。

 

  4.1  洞庫的容量

 

  一般地下油庫建設投資要比地上油庫大, 但當油庫規模大到一定程度后, 地下油庫就會(huì )比地上油庫投入小。因此, 需結合庫區的地質(zhì)條件, 根據儲備基地主要供給對象的進(jìn)口原油加工量和周邊其他潛在用戶(hù)來(lái)計算原油儲備量, 從而確定地下儲備庫的建設規模。

 

  工程建設中, 可以考慮先通過(guò)建造小規模地下儲油庫(達到經(jīng)濟可行性的下限)來(lái)檢驗當地的地質(zhì)情況, 根據產(chǎn)生的效應, 然后再增加(必要時(shí))地下儲庫的規模, 最終實(shí)現地下油庫的可持續發(fā)展與安全運行。

 

  4.2  洞庫的平面布置

 

  根據可用巖體的分布狀況確定洞庫的方向和深度, 洞庫的中心軸線(xiàn)要垂直于節理的主要構造方向, 并將豎井設置在靠近地面操作區一側;根據地質(zhì)條件布置洞庫的不同洞室間位置、走向、間距。地應力對洞室群軸線(xiàn)方向及洞室斷面形狀和尺寸選擇起制約作用。

 

  4.3  洞庫埋深

 

  洞庫的埋設深度由以下因素確定:油品的性質(zhì), 洞內的最大壓力, 建庫地區的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件以及防護與安全要求等。根據這些因素確定合理的埋深, 太深的話(huà)對原油儲層不利。洞庫拱頂以設置在略低于含水層厚度之半處最經(jīng)濟合理。

 

  4.4  洞庫橫斷面幾何形狀及尺寸

 

  洞庫的幾何形狀對應力分布有直接影響, 它是圍巖穩定的重要因素之一, 特別對于采用噴錨結構處理的洞庫更為重要。根據庫區對比及地質(zhì)資料進(jìn)行圍巖穩定性分析, 從而確定洞庫的數量和形狀、截面尺寸(包括跨度、高度、長(cháng)度)。一般而言, 在堅硬完整的花崗巖、片麻巖等巖體中, 洞室一般寬20m 、高30m , 洞間距50m;而在完整的砂巖等巖體中跨度及高度較小, 而洞間距較大 。

 

  5  結語(yǔ)

 

  對于這種人工開(kāi)鑿的具有特殊結構、特殊用途、處于復雜環(huán)境中的大斷面巖洞, 在選址及建設過(guò)程中既要考慮近期建設合理性, 又要預留遠期發(fā)展的可開(kāi)拓性。選址時(shí)要考慮庫區的區域穩定性, 保證無(wú)大的活動(dòng)斷裂且易于處理, 圍巖完整性好、節理裂隙不發(fā)育,巖體滲透性弱, 要有穩定的最低地下水位, 以及避開(kāi)強烈的天然及人為誘發(fā)地質(zhì)災害區, 如水庫誘發(fā)地震帶、滑坡、泥石流和巖溶塌陷等地區。

 

  值得注意的是, 地下水封儲油庫設計的首要原則是要考慮地質(zhì)控制因素。當然, 由于地質(zhì)條件是復雜的, 在工程施工中會(huì )遇到一些不良地質(zhì)現象, 還需要適時(shí)地進(jìn)行觀(guān)察, 以便對洞庫和巖體進(jìn)行適當處理, 確保工程的施工安全和今后的運行安全。