我國的石油資源不足, 原油產(chǎn)量不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。對進(jìn)口石油依賴度不斷增大, 2007 年已超過1.59 ×108 t , 國際石油市場價(jià)格波動(dòng)對我國經(jīng)濟(jì)的影響越來越大。根據(jù)國際能源組織機(jī)構(gòu)(IEA)規(guī)定, 各成員國的應(yīng)急石油儲(chǔ)備量應(yīng)相當(dāng)于上年90 天的消費(fèi)量, 以此為據(jù), 2015 年我國應(yīng)保有5 000 ×104 t 以上的石油儲(chǔ)備量, 需建設(shè)約七千多萬立方米的儲(chǔ)備油庫。然而, 我國一期在建的4 個(gè)石油儲(chǔ)備基地的地表及地下儲(chǔ)油庫至2008 年全部竣工后, 儲(chǔ)油能力仍然不能滿足需求, 還需要修建更多的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備基地。

 

  由于地下儲(chǔ)油庫具有安全性能高, 不占或少占耕地, 投資省、損耗少, 運(yùn)營管理費(fèi)用低, 使用壽命長, 污染小, 裝卸速度快等優(yōu)點(diǎn)[ 1] 越來越多地被廣泛應(yīng)用。

 

  早在20 世紀(jì)30 年代末, 瑞典就將石油產(chǎn)品儲(chǔ)存在地下混凝土的儲(chǔ)油罐內(nèi), 用地下水來密封。20 世紀(jì)60 ～70 年代, 地下油庫建設(shè)進(jìn)入發(fā)展時(shí)期, 每年建設(shè)幾百萬立方米地下油庫, 儲(chǔ)存原油、石油產(chǎn)品、LPG 及重質(zhì)燃料油。我國20 世紀(jì)70 年代在山東青島和浙江象山自行設(shè)計(jì)和建造了小型的地下水封巖洞油庫, 分別儲(chǔ)存了原油和柴油, 其附近還建有地表儲(chǔ)油罐(庫)。后來青島地表儲(chǔ)油罐發(fā)生火災(zāi), 造成重大損失, 而附近的地下油庫卻安然無恙, 進(jìn)一步證實(shí)了地下油庫的安全性。近年來, 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(yàn)。

 

  本文根據(jù)大型戰(zhàn)略石油儲(chǔ)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(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的水文地質(zhì)工程地質(zhì)問題。

 

  1  地下水封洞庫儲(chǔ)油原理

 

  地下水封洞庫處于穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度(5m 為宜), 通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室, 利用穩(wěn)定地下水的水封作用密封儲(chǔ)存在洞室內(nèi)的石油。洞室開挖前, 地下水通過節(jié)理裂隙等滲透到巖層的深部并完全充滿巖層空隙。如圖1 所示, 當(dāng)儲(chǔ)油洞庫開挖形成后, 周圍巖石中的裂隙水就向被挖空的洞室流動(dòng), 并充滿洞室。在洞室中注入油品后, 油品周圍會(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(nèi)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(chǔ)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(jié)合。水封系統(tǒng)受到巖層的水理特性或有無相鄰洞室及地下水含水量等的影響。地下水封儲(chǔ)油洞庫直徑規(guī)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(jié)構(gòu)處理。所以, 地下水封儲(chǔ)油庫對庫址區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件要求較高。

 

  2  地下儲(chǔ)油庫選址基本原則

 

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

 

  其次, 還要結(jié)合我國國情, 因地制宜, 根據(jù)我國規(guī)劃建設(shè)地下儲(chǔ)油庫的需求和特點(diǎn), 考慮以下外部依托條件:

 

  (1)根據(jù)擬建儲(chǔ)油庫的建庫地帶及周圍可供應(yīng)地區(qū)對今后石油的戰(zhàn)略儲(chǔ)備量需求, 確定適宜的地理位置和儲(chǔ)油庫的規(guī)模。

 

  (2)優(yōu)良的海港和相應(yīng)規(guī)模的碼頭設(shè)備。儲(chǔ)備油品品種主要是進(jìn)口原油, 庫址選擇應(yīng)考慮現(xiàn)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(shè)備。

 

  (3)靠近國家大型進(jìn)口原油加工基地。

 

  (4)建庫費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理。起步階段在沿海地區(qū)選擇若干地點(diǎn)建設(shè)儲(chǔ)備基地;中遠(yuǎn)期規(guī)劃除沿海外, 應(yīng)結(jié)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(nèi)陸地區(qū)管道運(yùn)輸樞紐站附近選擇地點(diǎn)。

 

  (5)儲(chǔ)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(shè)施, 以保障地下水封儲(chǔ)油洞庫的建設(shè)和運(yùn)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(yīng)注意的問題

 

  3.1  區(qū)域穩(wěn)定性

 

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

 

  因此, 在選址階段應(yīng)注意:

 

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

 

  (2)確定該地區(qū)的地震基本烈度及地震小區(qū)(劃分)特征, 盡可能地避開地震烈度IX 度及以上地區(qū)[ 10] , 特別要注意低頻率高強(qiáng)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(chǔ)油后必須考慮可能誘發(fā)的地震情況, 還要進(jìn)行相應(yīng)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鑿, 必然需要對擬選庫區(qū)圍巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。

 

  (1)巖體完整性評(píng)價(jià)。從巖性上要求庫址區(qū)巖石質(zhì)地堅(jiān)硬, 礦物粒度較均勻, 抗風(fēng)化能力強(qiáng), 應(yīng)盡量選擇輕微風(fēng)化的結(jié)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(gòu)造上要求庫區(qū)內(nèi)斷裂、褶皺不發(fā)育, 節(jié)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(shù)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(wěn)定和施工, 而且可以大大降低運(yùn)營期間的排水費(fèi)用和水處理費(fèi)用。

 

  (2)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。從巖體力學(xué)強(qiáng)度和巖體完整程度兩個(gè)因素來考慮, 巖石的抗壓抗剪強(qiáng)度要高。根據(jù)國內(nèi)外已建或在建的53 座水封洞庫統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 地下水封巖洞儲(chǔ)油庫預(yù)選場址大多數(shù)都是在花崗巖、片麻巖等Ⅰ到Ⅱ類巖體中。

 

  有人曾設(shè)想在我國廣泛分布的碳酸鹽巖地區(qū), 利用天然巖溶洞穴進(jìn)行地下油庫建設(shè)。在我國及法國、希臘已有在碳酸鹽巖地區(qū)(石灰?guī)r、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(cuò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò), 且?guī)r溶水流具有多變性, 洞穴暗河的流量和水位季節(jié)性變化大, 目前尚無在巖溶地區(qū)修建地下水封儲(chǔ)油庫的實(shí)例。但是, 在自然界的古巖溶洞穴系統(tǒng)中, 就有天然油氣的儲(chǔ)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(shù)方程, 計(jì)算了Trebisnjica 流域內(nèi)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(xiàn)三個(gè)亞動(dòng)態(tài)是較常見的, 但也有單一動(dòng)態(tài), 即以溶蝕裂隙為主,沒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(shù)值a 為0.0109 ～ 0.00151 。而在我國四川, 古巖溶通道已成為儲(chǔ)存油氣場所, 經(jīng)揭露開發(fā)后, 也發(fā)現(xiàn)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(shè)。對于不大的溶蝕裂隙地段, 或有統(tǒng)一的地下水面下的巖溶通道, 選擇適宜地帶, 經(jīng)詳細(xì)研究后, 也是有可能采用的。為取得穩(wěn)定的地下水位, 應(yīng)當(dāng)和修建地下水庫相結(jié)合。在硬石膏地區(qū)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(xiàn)象, 也是涉及水封油庫安全性必須考慮的問題。巖鹽地區(qū)修建水封油庫, 也存在著巖鹽的溶解作用問題。

 

  目前, 在花崗巖地區(qū)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(qū),廣泛分布花崗巖, 非常適合于建設(shè)地下水封洞庫。

 

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

 

  準(zhǔn)確的核算不僅可以保證洞庫的安全, 還可以節(jié)約建造成本。

 

  3.3  水封條件的保證性

 

  地下水封儲(chǔ)油庫最大特征就是利用地下洞室周圍形成的地下水壓大于油壓, 使油品不能從裂隙中漏走。

 

  水封系統(tǒng)受到地下水含水量的影響, 一旦地下水位不穩(wěn)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(zhǔn)確確定最低地下水位, 合理設(shè)置洞室埋深, 對保證洞庫穩(wěn)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(jù)被利用巖體中地下水的最低天然排水基準(zhǔn)面來確定, 同時(shí)要保證最低天然排水基準(zhǔn)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(zhǔn)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(chǔ)油庫

 

  3.4  水資源的保證性

 

  (1)保證充足的供水水源

 

  在選址過程中應(yīng)對水文地質(zhì)斷面進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,包括水位、地下水壓力、水化學(xué)等監(jiān)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(qū))。同時(shí), 要注意對水質(zhì)、水氣成分、惰性氣體的觀測, 避免造巖礦物或水體中含有的硫、銅、鉛等對油品和設(shè)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(shè)過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(chǔ)庫防滲漏經(jīng)驗(yàn),在自然滲流下具有阻水作用的水幕滿足要求時(shí), 增設(shè)人工水幕能減少滲流, 提供穩(wěn)定的地下水位, 增大水力梯度, 更好的保障儲(chǔ)油庫的安全, 同時(shí)也能增加洞室的儲(chǔ)油量 。

 

  4  洞庫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的地質(zhì)因素

 

  地下油庫的建設(shè)應(yīng)與當(dāng)?shù)刈匀粭l件相和諧, 特別是與地質(zhì)條件相和諧。因此, 要依據(jù)地質(zhì)資料和油品儲(chǔ)存的工藝要求, 并結(jié)合施工方法進(jìn)行洞庫的土建設(shè)計(jì)。其中洞庫的容量和數(shù)量、布置形式、埋深、橫斷面幾何形狀和尺寸等設(shè)計(jì)都直接受到地質(zhì)因素的制約。

 

  所以, 地質(zhì)條件應(yīng)是設(shè)計(jì)地下水封油庫的基礎(chǔ)。

 

  4.1  洞庫的容量

 

  一般地下油庫建設(shè)投資要比地上油庫大, 但當(dāng)油庫規(guī)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(jié)合庫區(qū)的地質(zhì)條件, 根據(jù)儲(chǔ)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來計(jì)算原油儲(chǔ)備量, 從而確定地下儲(chǔ)備庫的建設(shè)規(guī)模。

 

  工程建設(shè)中, 可以考慮先通過建造小規(guī)模地下儲(chǔ)油庫(達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性的下限)來檢驗(yàn)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況, 根據(jù)產(chǎn)生的效應(yīng), 然后再增加(必要時(shí))地下儲(chǔ)庫的規(guī)模, 最終實(shí)現(xiàn)地下油庫的可持續(xù)發(fā)展與安全運(yùn)行。

 

  4.2  洞庫的平面布置

 

  根據(jù)可用巖體的分布狀況確定洞庫的方向和深度, 洞庫的中心軸線要垂直于節(jié)理的主要構(gòu)造方向, 并將豎井設(shè)置在靠近地面操作區(qū)一側(cè);根據(jù)地質(zhì)條件布置洞庫的不同洞室間位置、走向、間距。地應(yīng)力對洞室群軸線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(shè)深度由以下因素確定:油品的性質(zhì), 洞內(nèi)的最大壓力, 建庫地區(qū)的水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件以及防護(hù)與安全要求等。根據(jù)這些因素確定合理的埋深, 太深的話對原油儲(chǔ)層不利。洞庫拱頂以設(shè)置在略低于含水層厚度之半處最經(jīng)濟(jì)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(yīng)力分布有直接影響, 它是圍巖穩(wěn)定的重要因素之一, 特別對于采用噴錨結(jié)構(gòu)處理的洞庫更為重要。根據(jù)庫區(qū)對比及地質(zhì)資料進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析, 從而確定洞庫的數(shù)量和形狀、截面尺寸(包括跨度、高度、長度)。一般而言, 在堅(jiān)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(jié)語

 

  對于這種人工開鑿的具有特殊結(jié)構(gòu)、特殊用途、處于復(fù)雜環(huán)境中的大斷面巖洞, 在選址及建設(shè)過程中既要考慮近期建設(shè)合理性, 又要預(yù)留遠(yuǎn)期發(fā)展的可開拓性。選址時(shí)要考慮庫區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性, 保證無大的活動(dòng)斷裂且易于處理, 圍巖完整性好、節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖體滲透性弱, 要有穩(wěn)定的最低地下水位, 以及避開強(qiáng)烈的天然及人為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害區(qū), 如水庫誘發(fā)地震帶、滑坡、泥石流和巖溶塌陷等地區(qū)。

 

  值得注意的是, 地下水封儲(chǔ)油庫設(shè)計(jì)的首要原則是要考慮地質(zhì)控制因素。當(dāng)然, 由于地質(zhì)條件是復(fù)雜的, 在工程施工中會(huì)遇到一些不良地質(zhì)現(xiàn)象, 還需要適時(shí)地進(jìn)行觀察, 以便對洞庫和巖體進(jìn)行適當(dāng)處理, 確保工程的施工安全和今后的運(yùn)行安全。