CN105966797B - 用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于防止储库泄露的双幕式系统的设计方法。设计方法包括以下步骤：步骤一，得到储库区域的地质详勘资料；步骤二，在储库的斜上方设置水幕巷道；步骤三，在水幕巷道的侧壁上设置多个水幕孔，水幕孔包括水平向水幕孔或/和垂直向水幕孔，水平向水幕孔由水幕巷道向储库的上方延伸，垂直向水幕孔由水幕巷道向储库的外侧延伸；步骤四，通过水幕孔进行压水试验以得到储库外围岩层的透水率，当岩层的任一区域的透水率大于预设透水率时，在该区域附近的水幕巷道的周壁上设置多个延伸在水幕孔和储库之间的灌浆孔并进行灌浆，以形成防渗帷幕。该设计方法能有效封闭围岩中的裂缝，避免储藏在储库中的油气的泄露。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程技术领域，尤其是涉及一种用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法。
背景技术
能源是现代社会存在和发展的基本要素，其中燃油和燃气不仅是能源的重要成分，也是重要的化工原料来源。因此，世界各主要工业国家而言，能够保持足够而稳定的石油和燃气来源，在数十年内是关系到其社会发展与稳定的重大问题。
我国作为GDP仅次于美国的工业大国，尽管本国的石油产量也十分巨大，但还是不能够满足生产和生活的需要。尤其是在世界动荡、重大危机事件频发的背景下，油气战略储存乃是保障我国经济发展的必要措施之一，而扩展我国国家油气战略储备库势在必行。
最早尝试将天然气储存到地下是在1915年，加拿大利用改造过的油气田来储存天然气。随之，越来越多的人将天然气注入具有良好岩性的覆盖层的含水层中来储存。1940年初，瑞典的Jansson首次提出了直接在地下水位以下的不衬砌洞室内储存石油的想法。40年代到70年代，瑞典、挪威、芬兰、美国、法国、美国、加拿大、日本、韩国及中东国家，都修建了地下原油储库。我国于1977 年在黄岛建造了国内第一个15万方的地下水封石油储库。在浙江象山建造了第一座0.4万方的成品油库。到上世纪末，全球投入运营的储气库共有602个，工作气储存能力达到3004亿立方米，相当于世界天然气消费量的12.5％。本世纪初第一个十年中，由于能源需求的不断增加、能源储存量的逐步枯竭、国际大环境的动荡不安，亚洲各国尤其是中国更感到了能源地下储备的必要性和重大的战略意义。
我国地下油气储库建设我国可以追溯到文化革命后期，但是其规模较小容积不到20万方。之后改革开放初期由于油气自给能力较强，对战略储备考虑较少，因而储库建设较为缓慢。进入21世纪，我国成为仅次于美国的经济强国，生产与日常消费需求急剧增加，此时美国奉行单边主义造成世界局势动荡，因而使油气战略储备提上议事日程。2006年我国开始战略石油储备的一期工程，8月份启动了镇海地上储备基地的建设。而在我国二期战略储备计划中，考虑到安全问题优先建造地下岩洞储库。近年来，己在山东、辽宁、广东、海南以及福建等地，进行了地下水封洞库的选址和可行性研究。2010年11月，山东某地率先建造我国第一个大型地下水封石油储备库。
石油和液化气LG(LPG，LNG)地下贮存的主要方式有地质贮存方式和人工洞室贮存两种。一般情况下，以前最常用的是地质方法，主要包括利用一些废弃的油、气井等来贮存，或直接利用含水层来贮存，另外一种方法就是利用盐岩洞室来贮存液化气。例如我国在江苏金坛就建设了大型岩盐地下储库。由于人工洞室成本高昂，开始时期能源储库使用的比较少，但随着储存量的需求越来越大，新建的储库则越来越多地采用人工开挖的洞室了。
现有技术中，可以采用例如围岩灌浆方法以控制洞室围岩渗透系数而提高油气储洞室气密性，但是应用效率和效果不是很理想。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或全部，本发明提出了一种用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法。该设计方法能有效封闭围岩中的裂缝和集中渗漏通道，减少储库围岩中的渗透压力的下降，避免储藏在储库中的油气的泄漏，同时明显减少渗入储库的水量，和排出储库的污染水量，有利于储库的长期运行并保护储库区域的环境。
根据本发明提出了一种用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，得到储库区域的地质详勘资料，
步骤二，在储库的斜上方设置水幕巷道，
步骤三，在水幕巷道的侧壁上设置多个水幕孔，水幕孔包括水平向水幕孔或 /和垂直向水幕孔，水平向水幕孔由水幕巷道向储库的上方延伸，垂直向水幕孔由水幕巷道向储库的外侧延伸，
步骤四，通过水幕孔进行压水试验以得到储库外围岩层的透水率，当岩层的任一区域的透水率大于预设透水率时，在该区域附近的水幕巷道的周壁上设置多个延伸在水幕孔和储库之间的灌浆孔并进行灌浆，以形成防渗帷幕。
在一个实施例中，在步骤二中，相邻的两个储库之间的斜上方的水幕巷道重合。
在一个实施例中，在步骤四中，灌浆孔包括由水幕巷道朝向储库的洞顶方向斜向下延伸的似水平向灌浆孔，各储库的两侧的似水平向灌浆孔的浆液扩散范围在储库的上方相接。
在一个实施例中，似水平向灌浆孔与水平方向的夹角为10-40度。
在一个实施例中，在步骤四中，灌浆孔包括由水幕巷道朝向储库的边墙底部方向斜向下延伸的似垂直向灌浆孔。
在一个实施例中，似垂直向灌浆孔与垂直方向的夹角为10-40度，并且似垂直向灌浆孔在垂直方向上的投影与垂直向水幕孔深度相同。
在一个实施例中，如果相邻的两个储库之间的距离小于或等于预设距离，则在相邻的两储库之间均设置与各所述储库相匹配的似垂直向灌浆孔，如果相邻的两个储库之间的距离大于预设距离，则在相邻的两储库之间可以不设置似垂直向灌浆孔。
在一个实施例中，水幕巷道的底板采用现浇混凝土封闭。
在一个实施例中，在步骤四中，预设透水率为1吕荣。
在一个实施例中，如果试验得到的透水率大于3吕荣时，需要对灌浆孔进行全孔灌浆，并对水幕孔的渗透段实施分段灌浆。
与现有技术相比，本发明的优点在于，通过设置水幕孔以对储库提供附加的水压，来保证储库的密封性。另外，在实际地质条件下，尤其在花岗岩裂隙渗流为主的岩体中，如果出现水幕压力不能保持而注水量很大的情况，通过设置灌浆孔注浆形成防水帷幕，阻隔水幕孔中的水以保持在储库的围岩内，而不进入储库中，使地下水位的高程更有保证，对储库起到更好的密封效果，而且减少地下水的污染和对污水的处理，有益于环保。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的在储库区域布设水幕孔的结构示意图；
图2显示了根据本发明的在储库区域布设水幕孔和灌浆孔的一个实施例的示意图；
图3显示了根据本发明的在储库区域布设水幕孔和灌浆孔的另一个实施例的示意图；
在附图中，相同的部件使用相同的标号，附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
本发明提供一种用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法，下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细说明。
如图1-3所示，本发明提供的用于防止储库1泄露的双幕式系统的设计方法，不仅包括对储库1的水幕巷道2的设计，还包括在水幕巷道2处设置水幕孔3，以及设置灌浆孔4。根据本发明，用于防止储库1泄露的双幕式系统的设计方法，主要包括以下步骤：
步骤一，得到储库区域的地质详勘资料；
步骤二，在储库1的斜上方设置水幕巷道2；
步骤三，在水幕巷道2的侧壁上设置多个水幕孔3，水幕孔3包括水平向水幕孔31或/和垂直向水幕孔32，水平向水幕孔31由水幕巷道2向储库1的上方延伸，垂直向水幕孔32由水幕巷道2向储库1的外侧延伸。
步骤四，通过水幕孔3进行压水试验以得到储库外围岩层的透水率，当岩层的任一区域的透水率大于预设透水率时，在该区域附近的水幕巷道2的周壁上设置多个延伸在水幕孔3和储库1之间的灌浆孔4并进行灌浆，以形成防渗帷幕。
需要说明的是，还可以通过岩层的任一区域的等效渗透系数来判断是否需要设置灌浆孔4。而透水率和等效渗透系数之间的关系是本领域技术人员所熟知的，在此略去详细描述。
其中，优选地，在步骤二中，布设的水幕巷道2的布设高程约为距离储库1 的洞顶不小于10米的位置处，且位于储库1的约45度角的斜上方。为了施工方便，提高储库1的密封效果，在储库1的两侧的斜上方均设置水幕巷道2，如图 2和3所示。而为了降低施工成本，在相邻的两储库1的斜上方的水幕巷道2重合。也就是，在相邻的两个储库1之间可以设置一组水幕巷道2。在图中未示的储库1的通长方向上，水幕巷道2的两端分别超出储库1的两端不小于20米的距离。通过这种设置在保证水幕孔3的密封效果的同时，降低水幕巷道2的施工成本。
水幕巷道2的截面形状可以为如图2所示的直墙圆拱形(城门洞形)结构，并且拱形的水幕巷道2的跨度可为4-8米。具有直墙圆拱形结构的水幕巷道2便于开挖，同时稳定性高。
在水幕巷道2的周壁上布设多个水平向水幕孔31，水平向水幕孔31位于储库1的上方。且多个水平向水幕孔31沿着储库1的通长方向进行间隔式排列。水幕巷道2向水幕孔3中提供水并保持必要的压力，使得水平向水幕孔31内充有压力水而防止储库1内的油气向地面逃逸，污染大气环境。同时，设置水平向水幕孔31也防止储库1区域因地下水位下降而产生的地下水环境问题。尤其是，如果储库1内的运行压力合适，可以利用地表的湖等兼做水平向水幕孔31使用。优选地，并且在储库1的通长方向上，可以利用地表的湖泊等替代水平向水幕孔 31，向洞库围岩的裂隙中提供必要的压力水头。进一步优选地，相邻的水平向水幕孔31之间间隔8-12米。通过这种设置，在储库1的上方形成了水幕孔网，以保证储库1的密封效果。
根据储库1区域的地质条件以及储物特点设置垂直向水幕孔32。其中，在最外侧的储库1的外侧设置垂直向水幕孔32，以防止储库1内的油气向外逃逸。可以在相邻的储库1之间设置垂直向水幕孔32，以进一步防止储库1内的油气向外逃逸，同时避免相邻的储库1内的油气相互串通。优选地，设置在相邻的储库1 之间的垂直向水幕孔32可以设置在两储库1的之间的中心线位置处。相同地，在储库1的通长方向上，垂直向水幕孔32间隔式设置。优选地，相邻的垂直向水幕孔32之间间隔8-12米。通过这种设置，在储库1的侧边形成了水幕孔网，以保证储库1的密封效果。垂直向水幕孔32的深度达到或低于储库1的底板高程处。
由于，水幕孔3所形成的高渗压梯度的方向总是指向储库1内，对储库1的稳定性构成威胁。尤其在实际的地质条件中，岩层为非均匀的介质，进一步地在具有花岗岩等裂隙渗流为主的岩体中，常常会出现由于裂隙密集贯通造成严重渗漏，水幕压力达不到设计要求的情况。由此，在布设水幕孔3并对储库1区域进行压水试验的情况下，当岩体的透水率或等效渗透系数大于预设透水率或等效渗透系数时，可以设置灌浆孔4进行灌浆形成防渗帷幕以保证密封效果以及围岩的稳定性。
在一个实施例中，灌浆孔4包括由水幕巷道2斜向下朝向储库1的洞顶方向延伸的似水平向灌浆孔41。似水平向灌浆孔41位于水平向水幕孔31和储库1的洞顶之间。并且，为了保证密封效果，使得各储库1两侧的似水平向灌浆孔41 的浆液扩散范围在储库1的上端相接，以对渗透水流水达到良好的阻隔效果。
并且，似水平向灌浆孔41与水平方向的夹角为10-40度。例如，似水平向灌浆孔41与水平方向的夹角为20度。
还需要说明地是，为了进一步增强储库1的密封效果，阻隔垂直向水幕孔32 和储库1，灌浆孔4还包括由水幕巷道2斜向下朝向储库1的底壁方向延伸的似垂直向灌浆孔42。也就是，在垂直向水幕孔32和储库1的侧壁之间设置似垂直向灌浆孔42。优选地，似垂直向灌浆孔42与垂直方向的夹角为10-40度，例如，似垂直向灌浆孔42与垂直方向的夹角为20度。并且似垂直向灌浆孔42在垂直方向上与垂直向水幕孔32深度相同。
通过设置灌浆孔4，在储库1和水幕孔3之间形成了一道隔水防渗的灌浆帷幕，有效地减少了由水幕孔3流入储库1的水量，在保证储库1的密封效果的同时，保证了储库1的长期稳定性。通过水幕孔3的水补充储库1的外围岩体中的地下水，使得地下水位高程更有保证，从而对储库1的起到更好的密封效果。另外，通过设置灌浆孔42使得用水量大幅减少，节约了水资源，降低了长期运行成本。
在一个实施例中，如果相邻的两个储库1之间的距离小于或等于预设距离，则在两储库1之间均设置与各所述储库1相匹配的似垂直向灌浆孔42，如图2所示。在另一个实施例中，如果相邻的两个储库1之间的距离大于预设距离，则在两储库1之间可以不设置似垂直向灌浆孔42，如图3所示。其中，上述的预设距离可根据实际工况，以及围岩的质量等级等进行调节。例如，当岩体质量等级为低于Ⅱ～Ⅲ类的软弱岩体时，上述的预设距离可约为40米。
在一个实施例中，水幕巷道2的底板采用混凝土封闭。优选地，封闭水幕巷道2的底板的混凝土厚度不小于20厘米。通过这种设置能保证水幕巷道2的稳定性，同时有助于保证水幕孔3和灌浆孔4的连续性，从而提高储库1的封闭效果。
根据本发明，当地层的透水率大于1吕荣(Lu)值时，设置灌浆孔4，同时，对灌浆孔4采用全孔灌浆。而在渗透性较小(小于或等于1吕荣值)时，则不必设置灌浆孔4。通过这种设置即保证了储库1的密封性，也优化了储库1的施工，降低了施工成本。进一步地，如果试验得到的透水率大于3吕荣(Lu)时，在对灌浆孔4进行全孔灌浆的同时，对水幕孔3的渗透段实施分段灌浆，并在灌浆后的水幕孔3的两侧各增加一个水幕孔3。
在设计用于防止储库泄露的双幕式系统过程中，还需要在储库1的周围设置一些其它的部件。例如，如图1所示，储库1设置在地下水位线6以下的岩层中，在地表7上设置与储库1连通的进油管8，以向储库1内输送油气。在储库1的底壁上设置由储库1的底壁向下延伸的积水井9，以收集流入储库1内的水。在积水井9内设置第一抽吸装置10(例如潜液泵)，以通过设置在地表7上的抽水站11向外界抽吸积水井9内积存的水。在地表7上设置抽油站12，并与第二抽吸装置15(例如潜液泵)连接，以向外供给油气。第二抽吸装置15设置在水垫层5和油气层13之间的油层14内。另外，在储库1的上层还需要开挖注水管6，以连通水幕巷道2。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于防止油气储库泄露的双幕式系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，得到储库区域的地质详勘资料，
步骤二，在储库的斜上方设置水幕巷道，
步骤三，在水幕巷道的侧壁上设置多个水幕孔，水幕孔包括水平向水幕孔或/和垂直向水幕孔，水平向水幕孔由水幕巷道向储库的上方延伸，垂直向水幕孔由水幕巷道向储库的外侧延伸，
步骤四，通过水幕孔进行压水试验以得到储库外围岩层的透水率，当围岩的任一区域的透水率大于预设透水率时，根据截断集中渗流的长大裂隙延展方向的需要，在该区域附近水幕孔和储库之间设置多个从水幕巷道洞壁向储库的洞顶方向或边墙底部方向延伸的斜向灌浆孔并进行灌浆，以形成防渗帷幕。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤二中，相邻的两个储库之间共用一条斜上方的水幕巷道。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤四中，灌浆孔包括由水幕巷道朝向储库的洞顶方向斜向下延伸的似水平向灌浆孔，各储库的两侧的似水平向灌浆孔的浆液扩散范围在储库的上方相接。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，似水平向灌浆孔与水平方向的夹角为10-40度。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的设计方法，其特征在于，在步骤四中，灌浆孔包括由水幕巷道朝向储库的边墙底部方向斜向下延伸的似垂直向灌浆孔。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，似垂直向灌浆孔与垂直方向的夹角为10-40度，并且似垂直向灌浆孔在垂直方向上的投影与垂直向水幕孔深度相同。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，如果相邻的两个储库之间的距离小于或等于预设距离，则在相邻的两储库之间均设置与各所述储库相匹配的似垂直向灌浆孔，如果相邻的两个储库之间的距离大于预设距离，则在相邻的两储库之间可以不设置似垂直向灌浆孔。
8.根据权利要求1到4中任一项所述的设计方法，其特征在于，水幕巷道的底板采用现浇混凝土封闭。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，在步骤四中，预设透水率为1吕荣。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，如果试验得到的透水率大于3吕荣时，需要对灌浆孔进行全孔灌浆，并对水幕孔的集中渗透段实施分段灌浆。
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