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。......
2023-06-28
临界水封厚度数值验证及优化建议
【摘要】：由前面的理论分析可知，在洞库储油压力为0.2MPa条件下，当洞库水封厚度为15m时，由于洞库中的气体压力大于洞库上方的水体水封能力，洞库中的气体将推动裂隙水运动向上方和两侧运移，为气体向岩体中迁移提供了的空间，并进入到上方的非饱和区，与大气相连通。当洞库水封厚度等于20m时，洞库中积聚的油气部分进入到岩体中，但由于水体厚度较大，油气压力不足以推动上方裂隙水发生大规模的迁移，因而被有效地封存于洞库上方岩体及洞库中。
为了验证上述水封准则的合理性，本小节采用两相流数值分析方法来验证不同水体厚度条件下的水封能力。
图13.19为数值计算的几何模型，图中尺寸单位为m。计算时，H为水封水层的厚度，分别取15m、20m和30m进行对比研究；洞库顶拱油气积聚压力（储油压力）设计值取0.2MPa；岩体饱和渗透系数取1×10-8m/s。
图13.19 洞库气液两相渗流分析几何模型（单位：m）
图13.20为洞库附近气水两相稳定渗流数值计算气体和水流矢量分布图，其中红色箭头代表气体流速矢量、蓝色箭头代表液态水的流速矢量；图中蓝色虚线代表地下水位线。由前面的理论分析可知，在洞库储油压力为0.2MPa条件下，当洞库水封厚度为15m时，由于洞库中的气体压力大于洞库上方的水体水封能力，洞库中的气体将推动裂隙水运动向上方和两侧运移，为气体向岩体中迁移提供了的空间，并进入到上方的非饱和区，与大气相连通。当洞库水封厚度等于20m时，洞库中积聚的油气部分进入到岩体中，但由于水体厚度较大，油气压力不足以推动上方裂隙水发生大规模的迁移，因而被有效地封存于洞库上方岩体及洞库中。当洞库水封厚度等于30m时，由于洞库上方水体厚度大，裂隙水在重力和储油压力的共同作用下，始终向洞库中渗漏，洞库中积聚的油气不能进入到岩体中，被很好地封存于洞库中。3种数值计算结果表明，当洞库储油压力取0.2MPa时，洞顶上方水封厚度为20m基本可以满足水封要求，但是没有安全余度。当洞库储油压力取0.2MPa时，按照本章推荐的式（13.15）计算得到的临界水封厚度为20m，它实质上给出的是保持气体不推动水体上相上迁移的临界厚度。由此可见，数值解和解析解得到的结果是一致的。
图13.20 气相流和水相流矢量分布
张秀山（1995）通过分析黄岛地下水封石油洞库（试验库）区地下水长期观测结果指出，在长期空库排水条件下，储油洞库拱顶以上还保持了约30m的水柱厚度。洞库投油后，在洞周围观测孔取样检测结果表明，洞周围无油品渗漏，洞顶部分在聚集有245.17kPa压力的油气条件下无外逸现象发生，这也为水封准则的正确性提供了实证。
上述数值研究结果和实测资料都表明，临界水封厚度完全可以作为油气水封条件的判别准则。同时，数值计算得到临界水封厚度和理论推导得到的解析解结果完全吻合。因此，基于水体厚度大小的水封判断准则是合理的、正确的。
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