地下水封储油研究综述

2019年12
月
地下水封储油研究综述
彭杨（海军勤务学院供应管理系，天津300450）
摘要：文章介绍了国内外水封油库的发展与建设概况，论述了地下水封储油设计与施工的主要工艺与技术原理，以及建库选址
的原则；探讨了目前尚未解决的技术难题；对相关的研发课题提出了思考。

关键词：地下水封；技术原理；研究思考根据国际能源组织（IEA ）关于石油安全储存量的规定，我国距离90天上年进口量的标准还有很大一段距离，国家能源安全受到严峻考验。

近年来，随着我国国力的日渐增强，国家对战略石油储备的重视程度也日渐加大。

地下水封储油作为一种重要的储油方式正在成为主流。

自2000年来，我国已开始着手建立石油储备体系。

其中一期建成4处石油储备基地全部为地面罐储库（大连、黄岛、镇海、岱山，1620万方），二期开建的8处石油储备基地中有4处为地下水封油库，而目前规划的国家石油储备库三期工程已确定全部采用地下水封洞库形式。

由于我国地下水封油库的建设工程起步较晚，且为实验性质，很多技术难题有待解决。

研究地下水封油库施工原理及技术，具有重要战略意义。

1概述
1.1国外地下水封油库发展概况
地下水封油库作为一种重要储油方式，一直在各国建立的战略能源储备体系中扮演主要角色。

地下水封储油方法的起源要追溯至19世纪30年代战争时期，瑞典岩石力学和石油储备之父哈根博士提出石油产品应该储存在处于水下的混凝土容器中,以便更加安全地储备军用燃油。

1939年H.Jansson 申请了一项储油专利,其取消了之前常用的混凝土钢衬,石油直接存储在位于地下水位以下的不衬砌岩洞中。

这就是后来著名的石油储存“瑞典法”。

从20世纪70年代，现代储油技术应用以及岩土施工技术的发展使得利用地下水封油库能够用来满足不同油品的地下储存，包括原油、液化石油气，成品油等。

随着潜水泵的出现也使得固定水床储油法得以实现，地下水封储油的经济性和适应性明显提高。

上世纪八十年代以来，地下水封油库在世界各国蓬勃建设。

如1988年在斯堪地纳维亚已有200多座地下水封油库在使用，1981年韩国建成的第一个地下水封油库，储量约429万立方米，目前总库容已发展至1830万立方米。

1.2国内水封储油库的发展概况
我国地下水封储油库的建设是从上世纪70年代开始的，具有代表性的三座油库分别是1977年建成的黄岛地下水封原油库、1977年建成的象山地下水封成品油库以及1998年汕头市南区达濠岛地下水封LPG 油库。

21世纪初，地下水封储存方式在我国东南沿海地区得以广泛应用。

近年来随着国家战略石油储备基地三期项目的持续建设，地下水封储油方式得到深入发展。

国内中铁隧道等企业通过参加汕头等LPG 工程建设，在十年间逐渐打破了国外LPG 地下水封储存有关垄断技术。

目前我国已建成5处LPG 地下水封洞库，分别位于汕头、宁波、黄岛、
珠海、烟台。

其中2011年建成的烟台地下储气洞库容量为100万立方米。

目前国内中石油和中石化在建或已完成的大型地下水封原油洞库包括广东惠州、辽宁锦州、山东黄岛、广东湛江等多处，其中，广东惠州拟建成500万立方米地下水封洞库。

目前，国内许多学者和专家仍在抓紧论证新的地下水封洞库地址，如海南海头镇等。

2013年至2018年，国内清华大学、西南交大等院校和中铁隧道、中石化等企业申请了地下储油方法与洞库施工、水幕系统的一系列专利，特别是2018年何国富等人申请的CN108357849A 专利提出了一种设置有调压气室的地下水封洞库系统，有效解决了固定水位法顶部油气外溢的危险和变动水位法运行成本较高的现实问题。

2地下水封储油方法的原理及特点
2.1地下水封储油技术原理
“水封”指利用地下水进行“水力密封”。

如图1所示，地下水封储油洞库由储油洞室、水幕系统、水垫层、积水井（泵坑）等组成，，水封方式有自然水封、人工水封或二者结合。

水幕系统由注水巷道和注水孔组成。

在施工过程中有专门的施工巷道，洞库建成后封堵。

洞室开挖前，由于洞库建在稳定的地下水位线以下，地下水通过节理裂隙渗透到岩层的深部并完全充满岩层空隙，洞室开挖形成后，周围岩石中的裂隙水就向被挖空的洞室流动。

在洞室中注入石油后，洞室周围会存在一定油、水压力差，而在任一相同水准面上，地下静水压力都大于洞内油压，这样，洞内石油就储存在这个封闭的水压力场中。

在水油压力差的作用下，岩体中的裂隙水沿库室壁不断地流入洞室中，而石油却不能从裂隙中泄漏。

流入洞内的水沿洞壁汇集到洞底部形成水垫层，由于油比水轻、油水不相混等物理特性，石油始终漂浮在洞室底部的水垫层上。

待达到一定高度时，用装在洞内的潜液泵将水排出洞外。

地下水封储油的工艺包括固定水位法和变动水位法两种。

固定水位法是指洞室水垫层厚度设定在一定范围内，在洞室内设积水坑和自动排水系统，保持水垫层一定的厚度，仅洞室上方的气相空间发生变化。

变动水位法是指洞室内油品液面保持在洞顶附近的一个固定高度，需要进油或者发油时，将等体积的水泵出或者注入，进行油水置换。

由其工艺原理可知，相比于变动水位法，固定水位法具有洞室设计及运行压力低、生产污水少，运维费用低等优点。

因此固定目前使用较广泛的是固定水位法，我国的地下水封洞库都是采用这种方式储存油品。

2.2地下水封储油方法特点
根据地下水封洞库的原理特点，在选址前要考虑的主要地
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质因素有三个，一是区域稳定性，二是岩体质量特性，三是良好
的地下水条件。

相比于普通储油方式，地下水封储油方式有以下特点：（1）安全性好
地下水封油库一般埋于地下数十米的岩层内，油气被岩层和地下水包围密封，不易受攻击，只有直径6米左右的竖井与地面相通。

1989年黄岛油库火灾，其地面罐区烧毁了5座一万立方米以上的油罐，大火持续燃烧了3天，而北侧近在咫尺的地下水封油库安然无恙，未造成任何损失。

（2）环保性好
由地下水封储油的原理可知，地下水压力大于储存的油气压力，因此保证了油气不会向外溢出；洞室下部水垫层抽出的水可通过处理达标后排放，收发油产生的油气可以进行回收，不会污染地下水和大气；油库建于地下，不用占用土地和植被面积。

（3）经济性好
1952年第一次商业应用的非衬砌地下水封式油库储油成功，同时表明，“瑞典法”是在合适的水文地质条件下最经济的储油方法。

近年来的大量工程实践也表明，百万立方米级的地下水封洞库相较于同规模地上油库建设成本更低，而由于地下水封洞库储罐个数少，自动化程度高，维护设备少，运营成本普遍可减少50%。

3目前尚未解决或需优化的技术难题
3.1地下水封储油洞库围岩变形破坏
地下水封储油工程具有独特的工程特性，主要是由于施工过程中由于地下涌水量、储油量的变化带来的围岩内部动态内压问题。

这些独特的工程特性决定了水封洞库的建设不能照搬已有的其它地下工程经验和技术，而必须在深入认识建库地质环境条件基础上，开展针对性、创新性且满足工程需求的基础科学问题研究。

另一方面，在洞库控制爆破技术方面，洞库开挖爆破时，必须进行控制爆破以减少对围岩的扰动，避免爆破震动波对地下相邻洞室产生影响，而目前仅依靠微震监测等技术进行侧面得分析，无法提前准确预测围岩的变形量等参数。

3.2人工水幕及洞库渗漏控制模拟
由于始终处在水幕条件下，地下洞库储库从建设到运营的每个过程都会对地下水动态产生影响。

为了确保在洞库整个
生命周期的水封效果，在施工期间就应给予充分的重视，为防止油品外渗，必须借助地下水压形成对储油的封闭，这对渗流场和水封条件的深入研究提出了更完善的要求，而目前对于地下水渗流精细化模拟分析的方法较少，水封机制的深入研究和模拟实验还需要加强完善。

4对相关研发课题或理论创新问题的启发思考
4.1地下水封油库选址适宜性研究
当前国家三期石油储备基地已全部确定为地下水封油库，但地下水封储油对水文地质条件，工程地质条件和区域稳定性有着较为严苛的要求，目前广东惠州500万立方米以及山东黄岛300万立方米大型地下水封洞库在建，这两处地址均是经过大量数据调研和科学研究得出的结论，尽管目前通过初步考察已有多处地下水封洞库的待选地址，但是由于沿海军事战略意义等的特殊性，还需要进一步建立完善包括水文条件、地质条件、自然地理因素、经济利益、军事利益等多种因素在内的多重指标综合评价体系，根据包括地区地下涌水量监测等完善的数据采集系统，建立数据库，确定合适权重并运用灰色系统理论、PESTEL 模型等多种方法加重加大国内大型地下水封油库选址的适宜性研究，进一步深化影响因素的定量分析与科学决策。

4.2地下水封洞库建设安全风险评价
大型地下水封洞库一般有数个相邻的洞室，在进行洞室爆破作业时要考虑和监测对已开挖洞室的影响，以免造成工程事故。

在开挖过程中，还要进一步研究和防范“水跃”现象导致洞室周围裂隙水疏干或低于洞室顶部的水漏斗，造成水封失效甚至整个工程的失败。

在运维实验期间，要进一步防范洞室的水封失效问题。

一方面是洞室围岩变形破坏导致水封失效，由于油气收发、地下水沿洞壁持续内渗以及人工水幕导致洞室围岩内压变化对其造成变形甚至破坏；二是罐室顶部水幕系统压力不足导致水封失效，由于自动化监测仪表故障、地下水位变化等原因导致洞室顶部不满足水力梯度大于1的水封准则。

在地下水封洞库设计规范GB50996-2014仅规定了一些水幕的基本设计原则，详细设置参数没有作进一步阐述。

可通过进行风险评价，发现和控制地下水封储油库建设过程中的风险，减少事故发生概率并降低成本，建立完善的风险评价系统。

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图1地下水封油库的密封原理
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