CN107941544B - 一种模拟地下水封油库储油原理的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟地下洞库水封作用的试验装置及方法，包括水箱、透明岩石材料、水幕巷道、水幕孔、储油洞室、进油口、出油口以及抽水口；所述的水箱包围整个透明岩石材料制作的地下围岩环境模型，所述的地下围岩环境模型内部由上到下依次布置水幕巷道以及与所述的水幕巷道相连的倾斜水幕孔，在所述的倾斜水幕孔形成的水幕下方设有储油洞室，所述的进油口通过管道与圆拱形洞室内部相连，出油口通过管道与圆拱形洞室底部水垫层上部的潜液泵相连，模拟出油过程；所述的抽水口则通过管道与洞室底部设置的集水槽内的抽水泵相连以控制底部水垫层的厚度。

Description

一种模拟地下水封油库储油原理的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下水封油库储油技术领域；主要涉及一种模拟地下水封油库储油作用原理的试验装置，具体的说是一种能够模拟出地下油库水封原理以及油水循环作用的试验装置和试验方法。

背景技术

随着近年来社会的发展，石油储备对于国家安全发展起着至关重要的作用。地下水封油库，作为一种新型的地下储油方式，具有安全可靠，储油量大和环境污染小等优点。因此地下水封储油洞室的建设是我国战略石油储备重点实施对象。在整个地下水封油库的运行过程中，地下水位，水幕孔压力，油压水压等参数的变化会影响地下油库储油的稳定性。现今，虽然我国在地下水封油库的实际建设中有了一定的发展，但是油库的运行过程中各种参数的变化等还无法准确监测，地下水位，水幕孔压力等参数的变化对于整个储油洞室的影响也存在较多盲区。

目前阶段对于地下水封油库的研究，大多数依托于黄岛等地下水封油库群的建设项目，但是大型地下油库项目不能满足某些试验的要求，针对地下油库的小型模拟试验装置有所欠缺，无法准确模拟地下油库的水封原理以及各种参数的变化影响，也就无法对于水封油库的各个影响因子进行深入研究。

发明内容

本发明主要提供一种模拟地下水封油库储油原理的试验装置及方法，该试验装置不仅可以模拟地下油库的水封原理，也可以模拟地下水位，水幕孔压力等参数的变化对于地下水封油库的影响，同时，可以当做教学试验模型，可谓一举多得。

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作便捷、高效实用的模拟地下油库的水封作用的试验装置。它能通过调节水封油库的边界条件，模拟出整个地下水封油库运行过程中的油压水压等参数的变化情况。

针对上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种模拟地下洞库水封作用的试验装置，包括水箱、透明岩石材料、水幕巷道、水幕孔、储油洞室、进油口、出油口以及抽水口；所述的水箱包围整个透明岩石材料制作的地下围岩环境模型，所述的地下围岩环境模型内部由上到下依次布置水幕巷道以及与所述的水幕巷道相连的倾斜水幕孔，在所述的倾斜水幕孔形成的水幕下方设有储油洞室，所述的进油口通过管道与储油洞室内部相连，出油口通过管道与储油洞室底部水垫层上部的潜液泵相连，模拟出油过程；所述的抽水口则通过管道与储油洞室底部设置的集水槽内的抽水泵相连以控制底部水垫层的厚度。

本发明的装置是按照等比例将整个地下水封油库尺寸缩小后得到的。

进一步的，所述的水箱为透明材料制成，将整个地下围岩环境模型放入水箱中模拟地下水位，通过调节水箱内的水深调节整个洞室周围的地下水位，水箱上标有刻度，用来记录试验时地下水位的变化。

进一步的，本发明采用透明岩石材料用来封闭洞室、水幕巷道与水箱之间的空隙，以便用来模拟地下水封油库所处的地下围岩环境，透明岩石材料内部的裂隙环境以及岩石的相关力学参数通过搜集黄岛油库某一洞库周围的部分岩石裂隙环境进行模拟。

进一步的，所述的水幕巷道的轴线与储油洞室的轴线相平行，沿着水幕巷道的轴向方向水幕孔倾斜布置在水幕巷道两侧，水幕巷道上布置有水压加载装置，用来改变水幕系统的供水压力，使得水幕系统的水能最大程度补给至洞库周围透明岩石材料。

进一步的，所述的储油洞室截面形状为圆拱形，洞室上标有刻度，以便观察水垫层和油层的厚度变化情况。

进一步的，进出油口以及出水口，采用抽水泵直接从洞室底部抽水，采用集液槽收集沉淀，并通过抽油泵抽出，以保证洞室内水压和油压的相对平衡。

进一步的，所述的整个地下水封油库的模拟试验装置，采用3D打印机进行打印。

进一步的，所述的整个试验模型能模拟地下油库所处的地下水环境以及周围岩体裂隙环境。

进一步的，所述的整个试验模型能用来模拟地下油库的水封原理，用来进行小型水封油库模型试验。

进一步的，所述的整个模型通过控制变量试验模拟水封油库的储油量和地下水位的关系。

进一步的，所述的整个模型通过控制变量试验模拟水封油库的储油量和水幕孔压力的关系。

进一步的，通过水箱上的刻度以及储油洞库上的刻度可以记录不同时间不同条件下的地下水位以及油面的高度。

采用上述装置模拟储油量与水幕孔压力之间的关系的试验方法，如下：

通过向水箱内加水，调节地下水位高度，然后通过水幕巷道内的水力加压机向倾斜水幕孔施加水压力，待整个透明岩石材料制成的岩石裂隙充水饱和后，从进油口通过不透油管道向直墙圆拱形洞室内注油，通过洞室底部集水井中的排水泵进行抽排水，以控制底部水垫层的厚度，保证油液的储油量，最后通过微调水箱高度和水幕孔压力防止渗油。即整个地下油库的水封过程模拟完毕。

所述的试验装置简单轻便，试验操作方便安全，可以用来进行课堂模型演示试验，加深初学者对水封原理的认识。

本发明的有益效果如下：

1.使用本装置，可以用来模拟地下水封油库的储油机理，与实际工程相结合，加深对整个水封油库储油方法的认识。

2.通过本装置，可以通过模拟试验得出地下水位变化对于地下水封油库的影响，具体表现在对于水垫层以及油层厚度的影响。

3.通过本装置，可以通过模拟试验得出水幕孔压力对于地下水封油库的影响，具有表现在对于水垫层以及油层厚度的影响。

4.本试验装置透明，可以直接观测整个地下油库的水封过程，通过水箱以及洞库上的刻度，可以清楚的记录下地下水位，水垫层以及油层的变化。

5.所述的进出油口以及出水口，可以用来模拟实际储油过程中的抽排水以及进出油现象，以便维持整个储油过程的稳定，保证洞室内水压和油压的相对平衡。

6.可以对已经建成的地下水封油库的储油稳定性进行模拟，并对相应的参数变化进行稳定性评估。

7.该试验装置尺寸较小，操作简单，安全可靠，可以作为地下水封油库的试验模型，用来进行课堂水封原理的演示试验。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的模拟水封油库储油原理的试验装置结构正视图；

图2为本发明的模拟水封油库储油原理的试验装置结构侧视图；

其中：1.水箱，2.透明岩石材料构成的地下围岩裂隙环境模型，3.水幕巷道，4.倾斜水幕孔，5.直墙圆拱形洞室，6.进油口，7.出油口，8.抽水口，9.抽水泵，10.潜液泵，11集水槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前阶段对于地下水封油库的研究，大多数依托于黄岛等地下水封油库群的建设项目，但是大型地下油库项目不能满足某些试验的要求，针对地下油库的小型模拟试验装置有所欠缺，无法准确模拟地下油库的水封原理以及各种参数的变化影响，也就无法对于水封油库的各个影响因子进行深入研究，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种模拟地下水封油库储油原理的试验装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明的整个试验装置，除水箱外，均采用3D打印机进行打印，其结构如图1、2所示。它包括水箱1、透明岩石材料制成的地下围岩裂隙环境模型2、水幕巷道3、倾斜水幕孔4、直墙圆拱形洞室5以及进油口6、出油口7、抽水口8、抽水泵9、潜液泵10、集水槽11。所述的整个水封油库的模拟试验模型2放入水箱1中，整个模拟试验装置内部由上到下依次为水幕巷道3、倾斜水幕孔4和直墙圆拱形洞室5，通过模拟的岩体裂隙相通。进油口6通过管道与圆拱形洞室内部相连，出油口7通过管道与圆拱形洞室底部水垫层上部的潜液泵相连，模拟出油过程，而抽水口8则通过管道与洞室底部集水槽内的抽水泵相连，以控制底部水垫层的厚度，防止油层储油渗漏，保证储油量。

下面，将对本发明的试验装置进行详细、完整的描述。

—.地下油库水封原理的模拟

首先用3D打印机打印出整个岩体环境模型，采用透明岩石材料，方便观察，整个模型尺寸为1m*1m*1m，模型内部包括模拟的岩石裂隙2，水幕巷道3，倾斜水幕孔4以及直墙圆拱形洞室5。

所述的水幕巷道3布置在模型中间位置，巷道内有水力加压机，用来模拟水幕孔的水压力，以保证良好的水封性，巷道底部距模型底部长度为70cm，巷道截面采用圆拱形，截面尺寸为10cm*10cm，长度为90cm，水幕孔4沿巷道底部两侧均匀布置，孔径为2cm，布置间距为8cm，两侧各布置10个水幕孔。

所述的储油洞室5截面为直墙圆拱形，洞室标有刻度，方便对油位以及水垫层厚度的监测。尺寸为50cm*50cm，长度为80cm，洞室底部距模型底部为5cm，洞室一侧预留三个管道通到装置顶部，用来抽水以及进出油，管道直径取4cm，管道材料为不透水材料，底部一侧留有一集水槽11，槽内布置抽水泵9进行抽水。

进一步的，将整个岩体环境模型放入透明水箱1中，水箱尺寸取1.4m*1.4m，水箱底部留有排水口，方便排水来控制地下水位，同时水箱一侧标有刻度，便于对模拟地下水位的监测。向水箱内部加水至超过洞室高度，以保证水封性，静止一段时间，至整个模拟岩石裂隙全部充水饱和，且洞室底部出现水垫层。

进一步的，向所述的进油口1注油，油液通过不透水管道注入到洞室中至一定高度，通过调节地下水位高度以及水幕孔的压力，保证整个水封的压力，通过抽水泵9调节整个水垫层的厚度，观察透明岩石材料，直到不会有油气或油液渗出。整个地下油库水封的原理模拟完成。

二.通过控制变量法模拟储油量与水幕孔压力之间的关系。

所述的方案一，在整个地下油库水封的模拟过程中，先保持地下水位即水箱1内水位的高度不变，并且用抽水泵9保证水垫层的厚度不变，然后通过水力加压机控制倾斜水幕孔9内的压力不变，分别向储油洞室5内注油6次，每次注油高度取5cm，每次注油后静置观察是否有油液渗出，然后记录试验的相关参数。

所述的方案二，在整个地下油库水封的模拟过程中，先保持地下水位即水箱1内水位的高度不变，并且用抽水泵9保证水垫层的厚度不变，然后通过进油管道向储油洞室5内注入定量的油液，分6组通过水力加压机等量向水幕孔4加压，每次加压后静置观察是否有油液渗出，然后记录试验的相关参数。

通过所述的两种方案对比分析，可以得出储油量与水幕孔压力之间的定性关系，为实际储油洞室群的水幕孔压力提供试验基础。

三.通过控制变量法模拟储油量与地下水位之间的关系。

所述的方案一，在整个地下油库水封的模拟过程中，先通过水力加压机保持倾斜水幕孔9的压力稳定不变，并且用抽水泵9保证水垫层的厚度不变，然后通过透明水箱1保持地下水位稳定不变，分别向储油洞室内注油6次，每次注油高度取5cm，每次注油后静置观察是否有油液渗出，然后记录试验的相关参数。

所述的方案二，在整个地下油库水封的模拟过程中，先通过水力加压机保持倾斜水幕孔9的压力稳定不变，并且用抽水泵9保证水垫层的厚度不变，然后通过进油管道向储油洞室5内注入定量的油液，分别向水箱2内加水6次，次使水箱内部的水位高度等量上升，每次加水后静置观察是否有油液渗出，然后记录试验的相关参数。

通过所述的两种方案对比分析，可以得出储油量与地下水位之间的定性关系，为合计储油洞室群的选址等提供试验基础。

本发明提供的一种地下油库水封原理的试验装置，尺寸较小，操作简单，安全可靠，也可以用来进行课堂水封原理的演示试验，加深初学者对于地下水封洞库的认识。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，包括水箱、透明岩石材料、水幕巷道、水幕孔、储油洞室、进油口、出油口以及抽水口；所述的水箱包围整个透明岩石材料制作的地下围岩环境模型，所述的地下围岩环境模型内部由上到下依次布置水幕巷道以及与所述的水幕巷道相连的倾斜水幕孔，在所述的倾斜水幕孔形成的水幕下方设有储油洞室，所述的进油口通过管道与储油洞室内部相连，出油口通过管道与储油洞室底部水垫层上部的潜液泵相连，模拟出油过程；所述的抽水口则通过管道与储油洞室底部设置的集水槽内的抽水泵相连以控制底部水垫层的厚度。

2.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述的水箱为透明材料制成，将整个地下围岩环境模型放入水箱中模拟地下水位，通过调节水箱内的水深调节整个洞室周围的地下水位；且在所述的水箱上标有刻度，用来记录试验时地下水位的变化。

3.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述的水幕巷道的轴线与储油洞室的轴线相平行，沿着水幕巷道的轴向方向水幕孔倾斜布置在水幕巷道两侧，水幕巷道上布置有水压加载装置，用来改变水幕系统的供水压力，使得水幕系统的水能最大程度补给至洞库周围透明岩石材料。

4.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述的储油洞室截面形状为圆拱形，洞室上标有刻度，用于观察水垫层和油层的厚度变化情况。

5.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述试验装置能模拟地下油库所处的地下水环境以及周围岩体裂隙环境。

6.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述试验装置能用来模拟地下油库的水封原理，用来进行小型水封油库模型试验。

7.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述试验装置通过控制变量试验模拟水封油库的储油量和地下水位的关系以及储油量和水幕孔压力的关系。

8.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，通过水箱上的刻度以及储油洞库上的刻度可以记录不同时间不同条件下的地下水位以及油面的高度。

9.如权利要求1所述的模拟地下洞库水封作用的试验装置，其特征在于，所述的整个模拟试验装置采用透明岩石材料制成，方便观察油液渗出以及地下水渗入的现象。

10.采用如权利要求1-9任一项所述试验装置模拟储油量与水幕孔压力之间的关系的试验方法，其特征在于，如下：

通过向水箱内加水，调节地下水位高度，然后通过水幕巷道内的水力加压机向倾斜水幕孔施加水压力，待整个透明岩石材料制成的岩石裂隙充水饱和后，从进油口通过不透油管道向直墙圆拱形洞室内注油，通过洞室底部集水井中的排水泵进行抽排水，以控制底部水垫层的厚度，保证油液的储油量，最后通过微调水箱高度和水幕孔压力防止渗油，即整个地下油库的水封过程模拟完毕。