CN108625771A

CN108625771A - 一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法

Info

Publication number: CN108625771A
Application number: CN201710166723.2A
Authority: CN
Inventors: 李云鹏; 彭振华; 王敬奎; 李俊彦; 王金昌; 杨森; 高飞
Original assignee: Huizhou State Reserve Petroleum Base Co Ltd; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Petrochemical Engineering Co Ltd
Current assignee: Huizhou State Reserve Petroleum Base Co Ltd; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Petrochemical Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2037-03-20
Also published as: CN108625771B

Abstract

本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法。所示方法包括以下步骤：(1)根据库区地质条件确定水幕孔为水平水幕孔或垂直水幕孔，并设计水幕巷道；(2)水幕巷道施工完毕后对水幕设计平面进行瞬变电磁试验，找出富水区和贫水区，并对富水区按照水幕孔间距14‑20m布置水幕孔，贫水区水幕孔间距5‑10m布置水幕孔；(3)对水幕孔进行水幕试验，根据试验结果进行补孔。本发明的方法考虑了地质区域中的富水区和贫水区，分别设计水幕孔距离，能够达到最好的水封效果；并且本发明的方法操作比较简单。

Description

一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法。

背景技术

目前地下水封洞库的储油方式为许多国家和地区的主要石油储备方式，其最大特点是在储备洞库上方设置水幕巷道，沿水幕巷道根据地质勘察结果布置水平或竖直水幕孔，通过水幕孔注水的形式，填充岩石裂隙形成水幕，以保持洞室的液密性、气密性。

目前的水幕钻孔的方法在确定水幕孔的间距时常常直接确定为20m，然后再根据具体的水幕孔注水试验和连通性试验的情况进行补孔，这种方法一方面操作繁琐，另一方面最终所得到的水幕孔间距常常并不是十分合适的间距，例如在水幕孔间距最适合15m的地质条件下，上述方法所得到的间距只能是20m或者10m。

因此，发现一种能够根据地质条件进行水幕钻孔的方法是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有方法的上述不足，提供一种新的基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法。本发明的方法可以根据具体的地质条件(富水区或贫水区)直接确定水幕孔的间距，并且操作简单。

本发明提供了一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法，其中，该方法包括以下步骤：

(1)根据库区地质条件确定水幕孔为水平水幕孔或垂直水幕孔，并设计水幕巷道；

(2)水幕巷道施工完毕后对水幕设计平面进行瞬变电磁试验，找出富水区和贫水区，并对富水区按照水幕孔间距14-20m布置水幕孔，贫水区水幕孔间距5-10m布置水幕孔；

(3)对水幕孔进行水幕试验，根据试验结果进行补孔。

通过上述技术方案，可以获得较为合适的水幕系统，该系统考虑了地质区域中的富水区和贫水区，分别设计水幕孔距离，能够达到最好的水封效果；并且本发明的方法操作比较简单。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是水幕巷道、水幕孔、储油主洞室和瞬变电磁法探测区域的位置关系示意图。

图2是储油洞室的水封气封状态示意图。

图3是瞬变电磁法测线布置的空间立体简图。

图4是根据本发明的一种水幕钻孔优化设置方法的流程简图。

附图标记说明

1水幕巷道；2水平水幕孔；3垂直水幕孔；4储油主洞室；5瞬变电磁法探测区域；51水平左边墙测线；52水平右边墙测线；53底板测线；54 60°左边墙测线；55 60°右边墙测线

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指参考附图所示的上、下，使用的连接术语通常是指参考附图所示的连接关系。

(3)对水幕孔进行水幕试验，根据试验结果进行补孔。

在步骤(1)中，所述确定水幕孔为水平水幕孔或垂直水幕孔的方法包括：对库区地质条件进行勘察并确定区域优势节理倾角，设计水幕孔的方向使得区域优势节理倾角方向与水幕孔的夹角大于50度。所述优势节理倾角的测定可以采用本领域常规的方法，例如采用地质罗盘进行测定。通过该节理倾角可以确定水幕孔选择为水平水幕孔还是选择为垂直水幕孔，具体地，选择水平水幕孔或者垂直水幕孔主要基于以下原则：使得区域优势节理倾角方向与水幕孔的夹角大于50度；例如，当区域优势节理倾角的方向与水平方向的夹角大于50度时，优先选择水平水幕孔，此时区域优势节理倾角方向与水幕孔的夹角能够大于50度，当区域优势节理倾角的方向与水平方向的夹角小于40度(即与竖直方向的夹角大于50度)时，优先选择垂直水幕孔，此时区域优势节理倾角方向与水幕孔的夹角能够大于50度。

在步骤(1)中，所述水幕巷道的设计应当满足以下条件：与主洞室方向垂直；水幕巷道尽端超出洞室外壁不小于20m；水幕巷道到洞库洞顶的垂直距离满足式(1)所示的要求，

H_w＝100P+15 式(1)，

其中，H_w为水幕巷道到洞库洞顶的垂直距离，单位为m，P为洞室上方填充气体(一般为氮气)的压力，单位为MPa。

在步骤(1)中，所述水平水幕孔和垂直水幕孔与水幕巷道的关系如图1所示，水幕孔以水幕巷道1为起点向水平或垂直方向延伸。在使用过程中，水首先注入水幕巷道中，然后流入所述水平水幕孔2或所述垂直水幕孔3中，从水幕孔中流出的水分散浸入岩层中，包裹储油洞室，使储油洞室下方形成水垫层，在储油洞室侧面形成水压力，在储油洞室上方形成地下水盖层，另外在储油洞室内部的上方填充气体，从而使得储油洞室内的油形成水封的效果，从而不会泄露；该储油洞室的水封气封状态示意图如图2所示。

在步骤(1)中，优选地，水幕巷道尽端超出洞室外壁20-30m。

在步骤(1)中，水幕孔与洞室外壁的关系可以为：当为水平水幕孔时，该水平水幕孔可以超出洞室外壁不小于10m，优选为10-20m；当为垂直水幕孔时，该垂直水幕孔的孔深超出洞室底面不小于10m，优选为10-15m。

在步骤(2)中，水幕巷道施工完毕后对水幕设计平面进行瞬变电磁试验，以找出富水区和贫水区。

本发明的发明人发现可以将通常用于地下水勘察领域的瞬变电磁试验用于本领域中，能够迅速准确地找出富水区和贫水区。利用瞬变电池试验找出富水区与贫水区的原理主要包括：依据电磁感应定律原理，将不接地线圈通以脉冲电流，产生瞬变电磁场，当瞬变电磁场在岩体内传播过程中，遇到不同介质时产生感应磁场，通过接以线圈探测采集感应磁场信息，分析感应磁场在一次脉冲磁场瞬变时域的衰变规律，获得不同地层深度的地电特征；水幕注水效果检测就是利用瞬变电磁仪对水敏感的特性，通过在水幕系统注水前后，分别布置有效检测线，采集测线岩体电磁感应引起的地电特征图像进行对比分析，判定富水区和贫水区。

在本发明中，利用瞬变电磁试验判定富水区和贫水区的方法可以包括以下步骤：

(i)布置检测线：如图3所示，分别在水幕巷道的水平左边墙方向、水平右边墙方向、底板方向、60°左边墙方向和60°右边墙方向布置测线；

(ii)标记检测点：在每条测线上标记多个检测点，相邻检测点之间的间距相同且为9-11m；

(iii)进行检测：在每个检测点上放置接收线圈，在9-11m的距离处放置发射线圈，使用瞬变电磁仪进行检测获得磁场变化率；

(iv)将步骤(iii)所得磁场变化率结果用软件进行处理得到视电阻率，当视电阻率<50Ω·m时判定为富水区，当视电阻率>50Ω·m时判定为贫水区。

在步骤(i)中，图3显示了基于水幕巷道所设计的5条检测线，分别为水平左边墙测线51、水平右边墙测线52、底板测线53、60°左边墙测线54和60°右边墙测线55，并且图1显示了基于这5条检测线分别的瞬变电磁探测区域5，每个瞬变电磁探测区域5的检测深度通常为70-90m。

在步骤(ii)中，相邻检测点之间的间距最优选为10m。

在步骤(iii)中，用瞬变电磁仪检测每个检测点的磁场变化率。具体地，对于水平方向(包括水平左边墙方向和水平右边墙方向)的检测，将发射线圈和接收线圈放置在相邻的检测点上并水平进行检测即可；对于垂直方向(即底板方向)的检测，将发射线圈和接收线圈放置在相邻的检测点上并垂直进行检测即可；对于60°方向(包括60°左边墙方向和60°右边墙方向)的检测，将发射线圈与接收线圈放置在左右边墙并与底板呈60°斜向下进行数据采集，将发射线圈放置在距离接收线圈水平距离为9-11m(最优选为10m)处的水平面上进行检测。

在步骤(iii)中，所使用的瞬变电磁仪可以为本领域各种通用的瞬变电磁仪，例如为加拿大Geonics公司PROTEM47瞬变电磁仪(PROTEM接收机配以TEM47发射机)。

在步骤(iv)中，处理瞬变电磁结果的软件通常采用瞬变电磁法专用的BETEM软件，该软件可以将瞬变电磁仪测得的磁场变化率转化为视电阻率，通过该视电阻率可以判断富水区和贫水区。在本发明中，认为当视电阻率<50Ω·m(色谱通常显示为浅蓝～深蓝色)时判定为富水区，当视电阻率>50Ω·m(色谱通常显示为浅黄绿色和红～深红色)时判定为贫水区。本发明中所述的富水区可以对应依据国家石油储备基地惠州地下水封洞库项目详细地质勘查报告中规定的强富水区(指单井涌水量>11.57L/s)和中等富水区(指单井涌水量1.16～11.57L/s)，本发明所述的贫水区对应上述报告中规定的弱富水区(指单井涌水量<1.16L/s)和无水区。

在步骤(2)中，根据瞬变电磁结果，分别针对富水区和贫水区布置不同的水幕孔间距。在富水区布置水幕孔的水幕孔间距为14-20m，优选为14-17m，最优选为14-15m。在贫水区布置水幕孔的水幕孔间距为5-10m，更优选为8-10m，最优选为9-10m。

在步骤(3)中，所述水幕试验通常包括单一水幕孔注水回落试验和水幕孔连通性试验。

在步骤(3)中，所述单一水幕孔注水回落试验的试验方法可以按照本领域常规的方法进行，通过单一水幕孔注水回落试验可以了解水幕孔渗透性情况。

所述单一水幕孔注水回落试验例如可以包括：在完成钻孔作业后的5天内对单一水幕孔进行注水回落试验，该试验可以包括以下步骤：

1)水幕孔充水：充水压力为0.3MP，当压力稳定至0.3MPa后，持续充水15min，之后对充水量进行连续记录，记录间隔为5min，当流量无持续变化趋势，且连续5次流量值中最大值与最小值之差小于最终值的10％，取最终值作为0.3MPa压力下的稳定充水量，关闭阀门，停止充水。15min后对孔内压力进行观测，时间间隔为5min；当压力无持续变化趋势，且连续5次压力读数中最大值与最小值之差小于最终值的10％，取最终值作为孔内静水压力值，本次充水结束。

2)水幕孔注水：打开注水阀门，对水幕孔进行注水；注水压力为该孔静水压力加上0.3MP，对流量进行连续记录，记录间隔为5min，当流量无持续变化趋势，且连续5次流量值中最大值与最小值之差小于最终值的10％，取最终值作为该压力下的稳定注水量，本次注水试验结束。

3)回落观测：停止注水，等待钻孔内水压力自然回落，记录孔内压力变化，记录间隔为15min，持续回落90min，如连续5次压力读数中最大值与最小值之差大于最终值的10％，则继续观测记录至小于10％，如压力回落至0，则随时终止观测。

通过单一水幕孔注水回落试验，根据注水期流量和水头压力确定水幕孔平均渗透系数K₀，该K₀的计算公式如下方式(2-1)和式(2-2)所示，

其中，K₀为每个水幕孔的平均渗透系数(m/s)；Q₂为水幕孔注水阶段的流量表的稳定读数，即单个水幕孔的进水量(m³/s)；P₂为水幕孔注水阶段的稳定水压(MPa)；H为稳定水压换算的压力水头(m)；L为孔深；r为水幕孔半径。

根据K₀判断水幕孔渗透性，当K₀<0.2m/s时，认为水幕孔渗透性较差。

在步骤(3)中，所述水幕孔连通性试验的试验方法可以按照本领域常规的方法进行，通过水幕孔连通性试验可以判断水幕孔的连通性。

在步骤(3)中，所述水幕孔连通性试验的方法例如可以包括：本试验一般由三个连续阶段组成，每个阶段对应不同的水动力情况，具体地，

1)第一阶段，水幕孔的静压分布观测：关闭所有水幕孔的阀门，记录所有水幕孔的压力，每8小时记录一次或根据实际情况确定，一直持续到压力处于稳定状态；

2)第二阶段，第一个水动力状态：打开偶数水幕孔阀门，奇数孔仍然关闭。记录偶数孔的压力和流量，记录奇数孔的压力，每8小时记录一次或根据实际情况确定，一直持续到各孔的压力处于稳定状态。

3)第三阶段，第二个水动力状态：打开奇数水幕孔阀门，偶数孔仍然关闭，记录奇数孔的压力和流量，记录偶数孔的压力；

如果任一阶段期间某没有补水的水幕孔的压力降到零，要继续注水，保持压力刚好在零位以上，测量并记录其流量。

水幕连通性试验利用奇(偶)数孔充水时，相邻孔水压上升如果小于0.1MPa时则判断水幕孔连通性不好，需要补孔。

综上，根据本发明的一种水幕钻孔优化设置方法的流程简图可以如图4所示。通过使用本发明的这种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法，可以获得较为合适的水幕系统，该系统考虑了地质区域中的富水区和贫水区，分别设计水幕孔距离，能够达到最好的水封效果；并且本发明的方法操作比较简单。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种基于围岩富水特性动态评判的水幕钻孔优化设置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(3)对水幕孔进行水幕试验，根据试验结果进行补孔。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述确定水幕孔为水平水幕孔或垂直水幕孔的方法包括：对库区地质条件进行勘察并确定区域优势节理倾角，设计水幕孔的方向使得区域优势节理倾角方向与水幕孔的夹角大于50度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述水幕巷道的设计应当满足以下条件：与主洞室方向垂直；水幕巷道尽端超出洞室外壁不小于20m；水幕巷道到洞库洞顶的垂直距离满足式(1)所示的要求，

H_w＝100P+15 式(1)，

其中，H_w为水幕巷道到洞库洞顶的垂直距离，单位为m，P为洞室上方填充气体的压力，单位为MPa。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述水幕巷道尽端超出洞室外壁20-30m；当水幕孔为水平水幕孔时，该水平水幕孔可以超出洞室外壁不小于10m，当水幕孔为垂直水幕孔时，该垂直水幕孔的孔深超出洞室底面不小于10m。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，利用瞬变电磁试验判定富水区和贫水区的方法包括以下步骤：

(i)布置检测线：分别在水幕巷道的水平左边墙方向、水平右边墙方向、底板方向、60°左边墙方向和60°右边墙方向布置测线；

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在步骤(ii)中相邻检测点之间的间距为10m，在步骤(iii)中在10m的距离处放置发射线圈。

7.根据权利要求1、5和6中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，在富水区布置水幕孔的水幕孔间距为14-17m，优选为14-15m；在贫水区布置水幕孔的水幕孔间距为8-10m，优选为9-10m。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述水幕试验通常包括单一水幕孔注水回落试验和水幕孔连通性试验。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(3)中，通过通过单一水幕孔注水回落试验，根据注水期流量和水头压力确定水幕孔平均渗透系数K₀，该K₀的计算公式如下方式(2-1)和式(2-2)所示，

其中，K₀为每个水幕孔的平均渗透系数(m/s)；Q₂为水幕孔注水阶段的流量表的稳定读数，即单个水幕孔的进水量(m³/s)；P₂为水幕孔注水阶段的稳定水压(MPa)；H为稳定水压换算的压力水头(m)；L为孔深；r为水幕孔半径；

当K₀<0.2m/s时，认为水幕孔渗透性较差。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤(3)中，在水幕连通性试验中，利用奇数孔或偶数孔充水时，相邻孔水压上升如果小于0.1MPa时则判断水幕孔连通性不好，需要补孔。