地下水封能洞庫的優(yōu)勢及關(guān)鍵技術(shù)

地下水封能洞庫的優(yōu)勢及關(guān)鍵技術(shù)

0我國地下水封能源洞庫建設(shè)現(xiàn)狀原油和天然氣戰(zhàn)略儲備是確保能源安全、穩(wěn)定供應(yīng)、確保國家正常運作的重要手段之一。在戰(zhàn)爭期間和重大禁運期間，它可以用來應(yīng)對國際石油市場的嚴(yán)重動蕩，穩(wěn)定貨幣反應(yīng)，減少或屏蔽可能對經(jīng)濟(jì)的影響，特別是最近世界和中國周邊形勢的發(fā)展。它強(qiáng)調(diào)了油氣能源儲備的重要性和長期戰(zhàn)略意義。基于國內(nèi)石油資源不足,原油產(chǎn)量不能滿足需求,供需矛盾突出,進(jìn)口石油依存度不斷增大;國際石油價格波動對我國經(jīng)濟(jì)的影響越來越大,抵御風(fēng)險的能力較差;世界石油資源爭奪日益激烈,境外資源空間逐步縮小,我國跨國公司對外直接投資時會受到西方跨國公司的擠壓和地方勢力的排擠;我國對海上石油運輸通道控制力薄弱,過分依賴中東和非洲地區(qū)的石油和單一的海上運輸路線,將使我國石油進(jìn)口的脆弱性凸現(xiàn);缺乏健全完善的能源安全預(yù)警應(yīng)急體系,沒有國際公認(rèn)的石油戰(zhàn)略儲備及商業(yè)儲備;地緣政治形勢復(fù)雜,美國等國在我國周邊軍事滲透構(gòu)成威脅等原因,促使我國于2003年正式啟動建立石油儲備體系［1］。瑞典早在1930年就有了將石油產(chǎn)品儲存在地下離壁的鋼罐內(nèi),20世紀(jì)30年代末,有了將石油產(chǎn)品儲存在地下混凝土罐內(nèi),利用地下水密封的技術(shù)［2］。我國修建地下水封能源洞庫可追溯到1977年———黃島地下水封石洞原油庫。水封洞庫以其存儲量大、安全性高、應(yīng)急能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點,成為目前國際上油、氣資源的主要儲存方式,該項技術(shù)一直被國外壟斷。中鐵隧道集團(tuán)有限公司通過參加汕頭LPG工程建設(shè),不斷進(jìn)行技術(shù)研究,從黃島LPG地下水封洞庫項目開始,就已經(jīng)打破了國外壟斷技術(shù)［3－4］。目前,國內(nèi)已經(jīng)建成4座LPG地下水封洞庫和2座小型儲油地下水封洞庫。雖然地下水封能源洞庫技術(shù)在我國能源儲備領(lǐng)域得到了一定發(fā)展,但我國修建地下水封洞庫的起步較晚,還缺乏大型原油地下儲庫的建設(shè)經(jīng)驗,需要解決的難題較多。因此,有必要了解地下水封能源洞庫的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景,分析地下水封能源洞庫的優(yōu)點和優(yōu)勢,探討地下水封能源洞庫的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向和趨勢。1天然氣供需現(xiàn)狀及主要作用1973年第1次世界石油危機(jī)以后,美國、日本和西歐一些國家都相繼進(jìn)行了石油和天然氣戰(zhàn)略儲備,各國戰(zhàn)略石油儲備量如圖1所示。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前經(jīng)合組織戰(zhàn)略石油儲備可消費93d,其中,美國158d,日本169d,法國116d,韓國75d［5］。我國石油儲備經(jīng)過長時間的建設(shè),特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來,建設(shè)步伐逐步加快,目前石油儲備消費可達(dá)40d。天然氣產(chǎn)量由2001年的303億m3增長到2010年的968億m3,年均增長率達(dá)到13.5%;消費量由2001年的274億m3增長到2010年的1090億m3,年均增長率達(dá)到16.1%［6］。2000—2011年我國天然氣產(chǎn)量、消費量及其增長率如圖2所示［6］。我國自1993年成為原油凈進(jìn)口國以來,石油的供需缺口呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大的趨勢,預(yù)計到2020年缺口將達(dá)到2.3億t,屆時預(yù)計將有70%的石油必須依靠進(jìn)口,大大超出了50%的國際“警戒線”［7］。從2008年開始,我國天然氣出現(xiàn)缺口,而且缺口呈增長趨勢。預(yù)計到2015年,我國天然氣供需缺口將高達(dá)400億m3［8］。天然氣供需關(guān)系如圖3所示［8］。我國自2006年成為天然氣進(jìn)口國,且對外依存度不斷增大。2010年我國引進(jìn)境外天然氣166億m3,對外依存度超過10%。預(yù)計到“十二五”末,對外依存度將達(dá)到40%左右,到“十三五”末將達(dá)到50%左右;我國目前設(shè)計儲備氣量30億m3,調(diào)峰能力只有14億m3,僅為全年總用氣量的2.2%左右［6］。能源儲備的主要作用有:1)調(diào)峰,滿足季節(jié)性(如冬季采暖)高峰需求;2)應(yīng)急,設(shè)備故障或誤操作造成的短時間事故的臨時需求;3)平抑價格,通過市場運作,遏制人為的價格過度波動;4)戰(zhàn)略保障,應(yīng)對時間較長的各種政治動蕩、自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭的影響。從這4方面來看,我國應(yīng)高度重視能源儲備工作。2國內(nèi)外能源效率的發(fā)展2.1天然或人工巖石洞室目前世界上除地表儲油(氣)罐(見圖4)外,還廣泛應(yīng)用了鹽巖層空洞(見圖5)、廢礦坑(見圖6)、巖石的含水層(見圖7)、枯竭油氣藏(見圖8)、天然或人工巖石洞室等儲能方式,主要儲存原油、天然氣和成品油氣等。目前,世界上采用人工或自然巖洞儲存油氣方式占統(tǒng)治地位,僅用于儲存天然氣的地下庫就有610多座。其中,460多座是利用廢舊油氣田,80座利用地下水藏,65座巖溶洞庫,工作氣量達(dá)320Nm3。這種儲存油氣方式主要分布在俄羅斯、美國、法國、加拿大、德國、英國、西班牙、比利時、挪威、韓國和日本等國家。我國絕大部分石油儲備由一系列10萬m3大型鋼制儲油罐組成,如圖9所示。2.2聯(lián)合開發(fā)并建立地下儲氣庫美國共建有地下儲氣庫436座,庫容2375×108m3,有效氣量1211×108m3,相當(dāng)于年消費量的20%左右,是目前世界上擁有天然氣地下儲氣庫數(shù)量最多、發(fā)展最早的國家。第1次世界大戰(zhàn)期間有了地下儲存烴類產(chǎn)品的理論。北美是最早開發(fā)建設(shè)儲氣庫的地區(qū),加拿大于1915年在安大略省韋蘭市(Welland)建成了第1座地下儲氣庫,北美地區(qū)儲氣庫數(shù)量與建成時間如圖10所示;美國于1916年利用港口城市布法羅(Buffalo)附近的一個枯竭氣田建設(shè)了第1座真正使用的地下儲氣庫。1916年德國人提出了在鹽巖中建造地下油庫,1945年美國人把這種設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。第2次世界大戰(zhàn)期間,地下油庫儲存方式和儲存油品有了進(jìn)一步拓展,1939年瑞典開始建造地下巖洞油庫。前蘇聯(lián)于1958年在卡盧加開始建造地下儲氣庫。1956年開始利用水封原理在斯堪的納維亞及世界各地建造地下無被覆巖洞油庫,見圖11。2.3封解庫及地下儲庫我國于1977年7月建成第1座人工水幕地下水封洞庫———黃島地下水封石洞原油庫,容量為15×104m3,至1989年8月共運行了289次,進(jìn)、出原油204×104t,隨后停用。1976年建設(shè)第2座地下水封洞庫———浙江象山柴油地下庫,容量為4×104m3,經(jīng)20世紀(jì)90年代修復(fù)使用至今。1998年汕頭開始投資建設(shè)我國第1座地下水封LPG儲庫,容積為20×104m3。2002年在寧波建成了我國第2座地下水封LPG儲庫,容積為50×104m3。2009年在珠海投資建成了地下水封LPG儲庫,容積為40×104m3。2008年在黃島投資建設(shè)LPG地下儲庫工程,總庫容為50×104m3。2011年,在煙臺投資建設(shè)地下儲氣洞庫,總規(guī)模為100×104m3。3地下水封閉庫的優(yōu)勢3.1原油地下水封巖油田在一定規(guī)模下,地下水封巖洞儲庫的造價明顯低于儲存能力相當(dāng)?shù)牡厣蟽?。一般建造容積為300×104m3的原油地下水封巖洞油庫的投資要比地面油庫節(jié)省20%的費用,一般建造容積為50×104m3的LPG地下水封巖洞油庫的投資要比地面LPG庫節(jié)省30%的費用。3.2b地下水封巷道1)由于地下溫差小,保濕性能好,石油及天然氣不易揮發(fā),也不易泄漏。2)地下水封巖洞儲庫容積大、單體洞庫少,既可以減少相應(yīng)的設(shè)備,又便于生產(chǎn)管理;另外,地下水封巖洞儲庫堅固耐用、不易損壞、維修量少、維護(hù)費用低,一般可減少50%的運營費用。另據(jù)介紹,國外地下油庫的保險費僅為地面油庫的1/3。3.3地下油田的安全防護(hù)設(shè)施地下水封巖洞儲庫埋于地下,油氣散失量小,大大降低了火災(zāi)和爆炸的危險性,安全可靠,消防設(shè)施簡單;同時,抗震能力強(qiáng),能抵抗爆炸,有利于戰(zhàn)時防備。據(jù)實驗,埋深為6m的地下油庫就能承受一般炸彈的轟炸,埋深為30m的地下油庫可以承受各種炸彈的直接命中轟炸。所以,地下儲庫戰(zhàn)時很安全。3.4種植和綠化地下水封巖洞儲庫的地面設(shè)施占地面積小,而地下洞庫上面的土地還可以進(jìn)行種植和綠化等;同時,建造地下洞庫時挖掘出的石渣還可以用作建筑材料。地下水封洞庫與地面油氣庫相比,操作運行時基本無油氣排放,事故率低,有利于環(huán)境保護(hù)。4地下水沉淀池的關(guān)鍵技術(shù)4.1低溫處理單元15.2地下水封洞庫采用液態(tài)方式存儲,大型LPG(LNG)儲存一般采用常溫高壓液態(tài)儲存和常壓低溫液態(tài)儲存2種方法。液化后的體積是原氣體體積的幾百分之一。1)常溫高壓液態(tài)儲存。如在20℃時,丙烷的液化壓力為0.8MPa,丁烷的液化壓力為0.2MPa。2)常壓低溫液態(tài)儲存。如在0.1MPa下,丙烷的液化溫度為-42℃,丁烷的液化溫度為-1℃。4.1.1人工開挖巖體中的裂隙水地下水封洞庫是在穩(wěn)定的地下水位以下(一般低于水位5m以上)的天然巖體中,以人工開挖方式修建的,由巖體和巖體中的裂隙水共同構(gòu)成儲油空間的一種特殊地下工程。地下水封洞庫由儲能洞室、施工巷道、豎井(操作豎井)、泵坑和水幕系統(tǒng)等單元組成,如圖12所示。4.1.2其它水封的結(jié)合地下儲油庫的水封形式有3種:1)自然水封,2)人工水封,3)上述2種方法的結(jié)合。地下水封洞庫的水封形式如圖13所示。4.1.3變形水位法儲油在地下水封洞庫儲存油品的發(fā)展過程中,通常采用的有2種方式,一種是固定水位法儲油(見圖14),另一種是變動水位法儲油(見圖15)。變動水位法在地下水封洞庫發(fā)展早期采用較多。目前使用較廣泛的是固定水位法,我國的地下水封洞庫都是采用這種方式儲存油氣品。4.2關(guān)鍵技術(shù)4.2.1主洞室空間分布地下水封洞庫斷面大,呈群狀布置,各洞室空間交錯,相鄰間距較小,且主洞室大多為高邊墻、大跨度、無襯砌結(jié)構(gòu),因而,洞庫的穩(wěn)定性極其重要。4.2.1.主應(yīng)力方向間距地下水封洞庫在設(shè)計上要考慮合理的洞室方向與間距。洞室的軸線應(yīng)平行于主應(yīng)力方向;洞室的間距要綜合考慮埋深、地應(yīng)力大小、圍巖條件、斷面形狀等因素,可通過數(shù)值模擬計算確定,一般取洞室跨度的1.5~2.0倍。地下水封洞庫的間距設(shè)計如圖16所示。4.2.1.2.洞檢測技術(shù)洞庫開挖爆破時,必須進(jìn)行控制爆破(見圖17),以減少對圍巖的擾動,避免爆破震動波對地下相鄰洞室產(chǎn)生影響。4.2.2密封可靠性4.2.2.深度不足,容易發(fā)生油氣泄漏地下水封儲油庫的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。一旦地下水位不穩(wěn)定或深度不足,地下水壓會發(fā)生變化,容易引起油品泄漏。因此,確定合理的洞室埋深,確保最低地下水位,是地下水封洞庫設(shè)計施工的主要控制點。依據(jù)上述原則,從儲油洞室拱頂算起,洞室埋深=穩(wěn)定的地下水位埋深+開挖引起地下水下降漏斗高度+洞室內(nèi)最大工作壓力折合的水頭高度+水封安全高度(取20~25m),洞室埋深的確定如圖18所示。4.2.2.地下水位配電所大斷面洞庫開挖、地下水位控制是地下水封洞庫項目建設(shè)的重點和難點,水幕技術(shù)是決定LPG工程成敗的關(guān)鍵。該技術(shù)是將近百米長的鋼管鍥入地層深處,用水封住巖層縫隙和氣孔。施工期間,必須監(jiān)測并維護(hù)地下水位線和孔隙水壓力。如果地下水位線下降到臨界狀態(tài)(地下水位警戒線),則整個儲氣工程將會報廢［4］。水幕系統(tǒng)是為了改善儲庫周圍巖石縫隙的水文流動形式,在巖體里提供的一個人工補(bǔ)水系統(tǒng),以維持較高水壓。一般分為水平水幕(見圖19)與垂直水幕(見圖20)2種型式。水幕系統(tǒng)包含水幕巷道(見圖21)、水幕孔、各種檢測孔與儀表電纜孔等,其主要功能是:1)在洞庫施工期,避免儲洞和水幕之間的圍巖失水造成巖石中形成氣囊,影響洞室的氣密條件;2)在儲庫運行期,保證地下儲存產(chǎn)品所必需的水文流動條件,是保證地下水穩(wěn)定性的后備系統(tǒng)。在主洞庫施工完成后,應(yīng)對水幕巷道進(jìn)行徹底的清洗,并拆除巷道內(nèi)的各種管線及設(shè)施。從交通巷道灌水進(jìn)入水幕巷道,再從水幕巷道自然流入水幕鉆孔形成水幕。洞內(nèi)豎向水幕孔施工如圖22所示,洞內(nèi)水平水幕孔施工如圖23所示。4.2.3水化熱影響封塞混凝土封塞是儲氣、儲油工程最重要的結(jié)構(gòu)物之一,封塞的質(zhì)量對洞庫運營期間的密閉性有重要影響。封塞屬大體積混凝土結(jié)構(gòu),施工時需一次連續(xù)澆筑完成,混凝土澆筑后產(chǎn)生大量水化熱,使混凝土內(nèi)部溫度升高,可能導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫,從而影響封塞的封閉效果,洞庫封塞如圖24所示。封塞分為巷道封塞(見圖25)和豎井封塞(見圖26)。巷道封塞的關(guān)鍵技術(shù)有:1)封塞處圍巖表面不允許噴混凝土;2)必須進(jìn)行回填注漿與接觸注漿;3)應(yīng)采用循環(huán)水管降溫,控制溫度裂縫。豎井封塞的關(guān)鍵技術(shù)有:1)封塞處圍巖表面不允許噴混凝土;2)豎井管道安裝后,再澆筑封塞;3)在封塞與圍巖接觸面必須進(jìn)行接觸注漿［9］。4.2.4減少洞室滲漏水,控制洞室滲漏水,控制洞室壁面滲流,控制洞室滲流,降低氣體逃逸注漿是控制洞庫滲漏水的關(guān)鍵,良好的注漿效果可以減少開挖期間的滲漏水,控制洞室壁面的滲水量,有利于保持必要的水位線高度,封閉裂隙而減少氣體逃逸。注漿控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。5中國主要工程介紹5.1交通洞、水幕洞和洞庫汕頭LPG地下水封洞庫工程是我國第1個采用水幕技術(shù)、利用地下裸巖洞室儲存液化石油氣的工程,是采用高壓液化的儲氣洞庫,該工程位于廣東省汕頭市廣澳半島,自1997年10月開工,至1999年11月完工,歷時25個月。工程主要包括1條1079m的交通洞、1座514m長的水幕洞、2個操作豎井(深度分別為156m和82m),4個斷面面積為304m2、總?cè)萘繛?0萬m3的洞庫,其中,2個用于存儲丁烷,2個用于存儲丙烷。工程平面圖如圖27所示。主洞庫設(shè)計為“扁桃形”,底部是平的。洞室高度20m,最大寬度18m,基底寬度16m,斷面面積304m2。施工方式采用上、中、下3個臺階進(jìn)行分部開挖,在洞室與斜坡巷道之間有30m的巖柱。主洞庫空間模擬如圖28所示,主洞庫平面圖和斷面圖如圖29所示。依托該工程的建設(shè),形成了國家級工法《地下裸巖水封式儲氣庫修建工法》(工法編號:YJGF34-2004),且其科研成果《大型地下水封式液化石油氣儲藏洞庫修建技術(shù)》獲2004年度華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎勵一等獎。5.2儲油洞群水幕系設(shè)計工程位于遼寧省錦州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),設(shè)計庫容300×104m3,占地面積0.58km2,工程模型如圖30所示。工程主要分為地下工程和地面工程2部分。1)地下工程。4組儲油洞庫,每組2個洞庫,每組容積約為75×104m3;設(shè)有4座ue7883m進(jìn)油豎井,4座ue7886m出油豎井;在洞室上方設(shè)置水幕系統(tǒng);設(shè)有2條施工巷道。2)地面工程。地上設(shè)施集中布置在水封洞庫上方的西北側(cè),主要建(構(gòu))筑物包括綜合辦公樓、66kV變電所、消防設(shè)施和輸油泵房等。5.3主洞室建設(shè)規(guī)?；葜輫鴥Φ叵滤舛磶祉椖课挥诨葜菔谢輺|縣稔山鎮(zhèn)境內(nèi),庫區(qū)平面面積約3.6km2,建設(shè)規(guī)模為500×104m3。惠州國儲洞庫工程主洞室開挖寬度達(dá)到20m,開挖高度達(dá)到30m。目前臨建施工及洞口邊坡防護(hù)已完工,并于2013年5月底正式進(jìn)洞施工。5.4地下主洞室設(shè)計湛江國家石油儲備地下水封洞庫設(shè)計庫容500×104m3,洞庫場地范圍南北長約1027m、東西寬約838m,庫區(qū)平面面積約3.6km2。工程由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)、施工巷道及連接巷道等組成,共有10個等深度、平行布置的地下主洞室組成,每相鄰的2個主洞室組成1組洞庫,每組洞庫容積約100×104m3。主洞室截面選用直邊墻圓拱形,跨度20m,高度30m,每個主洞室長度均為923m,見圖31。工程于2013年5月14日人員開始陸續(xù)進(jìn)場,正在籌劃前期施工準(zhǔn)備工作。5.5丙烷儲庫巖相特征黃島LPG地下儲庫工程采用地下水封巖洞儲存LPG(丁烷、丙烷液化石油氣)。LPG儲庫位于地下90m以下的巖體中,容積為35×104m3;丙烷儲庫位于地下130m以下的巖體中,容積為15×104m3。儲庫洞室