储油洞库地下水流系统模拟与控制研究

To avoid the risk of lack or interrupt supply of crude oil, China is pushing the construction of strategic oil reserve base. But the autonomous design and construction technology of large scale water-sealed underground oil storage caverns is not mature in China. To solve the technical difficulties about field determining permeability parameters of fractured rock, simulation and control of groundwater flow system, this project plans to improve the precision and efficiency of field determining permeability parameters of heterogeneous anisotropic fractured rock around oil storage caverns by developing the segmented test device of air pressure type slug test, deriving the mathematical model of slug test considering the coupling relationship of water head, effective stress, and aperture of fracture, and drawing type curves by solving the slug test model numerically. The Signorini type variational inequality formulation is introduced to develop the numerical simulation software of groundwater flow system around oil storage caverns, which has independent intellectual property right in our country. The simulation software is used to analyze the influence of internal and external factors on groundwater flow system around oil storage caverns by building the numerical model. Based on the demand of water-sealed and coupling the numerical simulation software with system control theory, the method of optimal control of groundwater flow system is proposed, which target is minimizing the water withdrawal from oil storage caverns. The research results of this project could provide important technical support to safeguard the safety of construction and operation of strategic oil storage caverns in China.

基于规避原油供应不足或中断的风险考虑，国家正在推进战略石油储备基地的建设工作，但是我国自主设计建造大型地下水封储油洞库的技术尚未成熟。为解决储油洞库裂隙岩体渗透性参数现场确定、地下水流系统模拟与动态控制等技术难点，本项目拟通过研制气压式振荡试验分段测试装置，建立包含裂隙水头-有效应力-开度耦合过程的振荡试验数学模型，利用数值法求解模型并绘制振荡试验标准曲线，以提高现场确定储油洞库非均质各向异性裂隙岩体渗透性参数的精度和效率；通过引入Signorini型变分不等式开发具有我国自主知识产权的储油洞库地下水流系统数值模拟软件，建立储油洞库地下水流系统数值模型，分析内部和外部因素对储油洞库地下水流系统的影响；基于储油洞库水封性要求，耦合数值模拟软件与系统控制理论，提出以洞室底部排水总量最小为目标的地下水流系统最优化控制方法。研究结果可为保障我国战略石油储备洞库建设与运行安全提供重要技术支撑。

我国地下水封储油洞库的建设规模都为大型洞室群，研究重点主要在洞库的选址及勘察，大断面洞室群洞库施工技术，洞库开挖后围岩稳定性分析，水幕系统的设计，复杂洞室群施工通风等。针对储油洞库地下水流系统模拟与控制的研究尚不够具体，项目的实施为保障储油洞库运行安全、降低长期储备成本提供技术支撑。取得主要成果如下：.（1）振荡试验确定储油洞库裂隙岩体渗透性参数.研制了气压式振荡试验分段测试装置，能够针对单条裂隙或者单组裂隙实施振荡试验；推导了考虑井-裂隙含水层系统中不同惯性效应条件下振荡试验数学模型，提出了判定边界影响的经验公式，通过绘制振荡试验标准曲线揭示了含水层对振荡试验的响应规律；利用室内人工裂隙物理模型验证了振荡试验测试装置和数学模型的可靠性和准确性；调查分析了储油洞库岩体裂隙走向及渗透系数。.（2）储油洞库地下水流系统数值模拟软件开发.基于有自由面渗流问题的Signorini型变分不等式、双重介质模型理论以及储油洞库裂隙岩体防泄漏水力梯度要求，开发了地下水封储油洞库2维/3维非均质各向异性渗流场数值模拟软件；建立了储油洞库地下水流系统三维数值模拟模型，使用有限单元法对储油洞室、水幕系统和优势导水裂隙进行了精细仿真。.（3）储油洞库地下水流系统数值模拟与动态控制.分析了储油洞室不同组合对地下水流系统的影响，建立了洞室存在与外界相通的优势导水裂隙时裂隙中油-水界面位置与裂隙倾角关系的公式；分析了地下水侧向补给、水幕系统关键设计参数、储油工况、围岩渗透性、以及降水入渗补给等因素对储油洞库地下水流系统的影响；结合运筹学层次分析法和数值模拟结果确定内外因素的影响权重排序，提出储油洞库运行期地下水流系统最有效控制方法为改变水幕钻孔注水压强；在保证安全储油的条件下确定了相邻罐体中储油最大高度差的限制值，提出了储油洞库运行期地下水流系统最优控制方法，即在保证安全储油的前提下储油洞库排水量最小化。