地下石油储库节理裂隙岩体水封机理及水封有效性评价研究

National strategic crude oil storage is the great demand of our country for guaranteeing economic growth, defense security and social stability. Water sealed underground crude oil storage is the best choice and the necessary development direction of our country in national strategic oil storage. Water sealing mechanism and validity assessment in fractured rock masses of underground crude oil storage caverns is the theoretical basis of water sealed crude oil storage construction. Firstly, collection, identification and network construction methods will be investigated. A 3-D adaptive model and method of discrete fracture network will be proposed for cavern excavation. This 3-D adaptive fracture network will lay the model foundation for seepage analysis and water sealing assessment. Secondly, a 3-D Graph-theoretic Pipe Network Method will be proposed based on the theories and research ideas of the 2-D Graph-theoretic Pipe Network Method that the first applicant of this project proposed firstly internationally. 3-D porous media, discrete fracture networks and fractured porous media are all converted to 1-D pipes. This simplification will lay the methodology foundation for studies of water sealing mechanism and validity assessment in underground crude oil storage. Thirdly, experiment tests and numerical simulations of water sealing mechanism will be investigated in micro material scale and macro engineering scale for underground crude oil storage. The mechanism of water seal via water displacing oil, oil leakage caused by oil displacing water in underground crude oil storage will be revealed in this stage. Finally, validity assessment criterions of water sealing will be established. Results will have important scientific significance and engineering reference value.

国家石油战略储备是保障我国经济发展、国防安全、社会稳定的重大需求，水封式地下石油储库是我国战略石油储备的最佳选择和必然发展方向，地下石油储库节理裂隙岩体水封机理及水封有效性评价研究是水封储油库建设的理论基础。本项目将研究裂隙的多元信息采集、辨识与网络构造方法，提出洞室开挖过程中三维自适应裂隙网络模型与建模方法，为渗流分析与水封性评价奠定模型基础。然后，基于申请人在国际上首次提出的二维图论管网法理论与研究思路，建立三维图论管网法模型，将三维孔隙介质、离散裂隙网络与双重介质内的渗流模拟问题统一为一维管道问题求解，为地下石油储库水封机理与水封性评价研究奠定方法基础。最后，开展地下石油储库微观材料尺度与宏观工程尺度的水封机理实验与水封性评价研究，揭示地下石油储库的“水驱油封存，油驱水渗漏”机制，建立基于水-油驱替原理的水封性评价准则。研究成果对国家石油战略储备具有重要的科学意义和工程价值。

本项目针对地下石油储库水封性问题，重点围绕三维自适应裂隙网络建模、渗流模拟新方法及节理裂隙岩体水封机理，采用理论分析、物理模拟和数值仿真等综合研究方法，开展地下石油储库水封机理与水封性评价研究，历经三年完成了研究任务，取得了如下标志性成果：.（1）研究了适用于地下石油储库特征的综合地质信息快速编录与融合的多元信息采集方法，为裂隙网络模型的建立提供基础参数，提出了洞室开挖过程中确定性与随机性相结合的三维自适应裂隙网络模型与建模方法。.（2）建立了孔隙介质渗流模拟新方法—Voronoi图论管网法，二维介质中的地下水渗流问题被统一为离散的一维管道问题，有效降低了问题难度；基于有限元的基本思想，建立了等效桁架力学模型Delaunay图论管网法，为后续的渗流应力耦合奠定基础。.（3）建立了孔隙介质地下水渗流‒应力耦合分析的图论管网迭代法，将二维孔隙介质、离散裂隙网络与双重介质统一为一维管道介质，基于降维思想与图论理论有效降低裂隙与孔隙耦合介质系统渗流及渗流应力耦合求解难度，形成二维图论管网渗流应力耦合模拟新方法，拓展了图论管网法的应用范围。.（4）分析了裂隙密度、迹长、张开度和方向角对裂隙网络模型渗透性的影响，裂隙密度、迹长和张开度的增大均会使模型渗透系数增大，裂隙迹长增大到一定程度时，渗透系数增长减缓；裂隙张开度与渗透系数基本呈线性增长关系；裂隙单向较发育时，渗流各向异性较为明显；当裂隙沿不同方向角发育时，各向异性程度减弱。.（5）分析了水幕孔倾角、间距、压力、长度，裂隙面倾角、间距以及走向对储油洞室渗流场和涌水量的影响。水幕孔倾角增大会增强水封性，水幕孔越密集、水幕孔越长，洞室的水封性越好，并给出了最佳的水幕孔布置方式。.（6）判识了黄岛地下水封洞库工程存在的水封性风险因素，提出了适用于地下水封储油岩洞库工程水封性的风险三阶段评估方法，介绍了风险控制的方法和过程，为今后类似工程积累了经验，具有重要的工程指导意义。