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临界水封厚度计算方法优化

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图13.17铅直裂隙水受力示意裂隙水在上述作用力的共同作用下沿裂隙流动或处于静止平衡状态。式就是要保证裂隙水在储油压力作用下，不向上运动。图13.18给出了倾斜裂隙水体的受力示意图。图13.18倾斜裂隙水受力示意同样，为防止油气通过倾斜裂隙逃逸进入大气，必须满足下式式中：α为裂隙倾角；其余符号意义同上。同样，考虑PcA=PcB、f=biγw，以及水力梯度i表达式，由式得因为=Lsinα，可得式中：H为水体的厚度；当取等号时，H为临界水封厚度。

1.裂隙铅直情况

研究表明，当洞库拱顶存在铅直裂隙时，该裂隙可能成为洞库中聚集的油品蒸汽的最短和最不利溢出通道，因此取洞库油品汽相的最不利溢出通道进行研究。一般而言，根据水封石油洞库的选址原则：洞库位于地下水丰沛区域，因此在洞库建设前，洞库附近裂隙岩体都处于饱和状态，故裂隙也处于饱和充水状态。在洞库建设过程中，由于洞库开挖导致洞库区渗流场发生改变，从而降低了洞库区附近裂隙中的水压力；开挖结束洞库上方裂隙水可能被排干，也可能不会被排干。根据水封油库建设要求，施工期一般不允许洞库上方裂隙水被排干。水幕系统的设置能有效地维持洞库上方的地下水位高度，使得裂隙中始终充满一定厚度的水体。

裂隙中的水与油气压力相互作用，为了防止洞库拱顶积聚的油气溢出，必须保证油气压力不能推动裂隙水运动。为研究裂隙水的受力情况，选择图13.17（b）所示情形进行研究。图13.17（c）为洞库上方铅直裂隙中的裂隙水受力示意图，G为裂隙水重力，f为水流阻力（大小等于渗透力，方向相反），pa为大气压力，pg为原油封存后洞库顶部的油品蒸气压力，PcA和PcB分别为裂隙水端部受到的毛细力。

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图13.17　铅直裂隙水受力示意

裂隙水在上述作用力的共同作用下沿裂隙流动或处于静止平衡状态（临界状态）。当洞库中的气压较大，而裂隙水重力和阻力较小时，裂隙水在石油蒸汽压力作用下将向上运动，严重时导致洞库中的石油蒸汽进入大气中，从而污染洞库附近的空气，降低水封效果。为防止油气通过裂隙逃逸进入大气，必须满足下式

式中：b为裂隙宽度；L为裂隙中水体的长度；γw为水的重度。

式（13.8）就是要保证裂隙水在储油压力作用下，不向上运动。

考虑到毛细力大小与主要气水弯液面的曲率成正比，因此，对于同一宽度的裂隙，可以认为pcA=pcB；同时考虑裂隙水流服从达西定律，其阻力大小等于水流运动产生的拖曳力，即f=biγw，当裂隙水在储油压力作用下产生向上运动的趋势时，裂隙岩体对裂隙水的阻力方向向下。于是式（13.8）变为

式（13.9）中的水力梯度可以描述为

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将式（13.10）代入式（13.9）、同时应用关系式L=zB-zA，经整理得

于是，可得

式（13.12）就是为防止洞库油气压力通过铅直裂隙逃逸的水封厚度准则。

由此可见，封存油气压力越大，洞库上方需要的水柱高度越大。当天然地下水位不能满足要求时，就必须设置水幕系统来满足上述准则，否则洞库中聚集的油气就会逃逸进入大气。

2.裂隙倾斜情况

当洞库上方不存在铅直裂隙时，水封厚度的大小推导过程与铅直裂隙情况相同。图13.18给出了倾斜裂隙水体的受力示意图。

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图13.18　倾斜裂隙水受力示意

同样，为防止油气通过倾斜裂隙逃逸进入大气，必须满足下式

式中：α为裂隙倾角；其余符号意义同上。

同样，考虑PcA=PcB、f=biγw，以及水力梯度i表达式（13.10），由式（13.13）得

因为（zB-zA）=Lsinα，可得

式中：H为水体的厚度；当取等号时，H为临界水封厚度。

式（13.15）表明为了防止油气从倾斜的裂隙中逃逸，倾斜裂隙中的水体在铅直方向上的厚度也必须大于（pg-pa）/γw，该条件与油气从铅直裂隙中的逃逸准则得到的结果相同，因此，式（13.15）与式（13.12）一样，可以作为油气水封判别准则。

由此可见，只要洞库上方岩体中的水体厚度满足式（13.15），不管岩体中分布的裂隙形态是铅直，还是倾斜的，积聚在洞库顶拱附近的油气都不会泄漏到大气中。