李 鵬，栗金東，趙 曉，王 帥，張 添，陳彥生

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.湖北長科水電工程技術(shù)有限公司，武漢 430010;3.武警水電部隊(duì)三峽工程指揮部，武漢 430050;4.湖北省測繪地理信息局 技術(shù)開發(fā)室，武漢 430071)

1 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程規(guī)范的編制

美國能源部自1977年2月16日制定國家戰(zhàn)略石油儲備規(guī)劃以來，利用德克薩斯和路易斯安那2個(gè)州沿墨西哥灣沿岸的地下鹽穴先后建立了62個(gè)原油儲庫，其單個(gè)地下鹽穴儲庫的洞穴直徑60 m、深610 m，地下儲庫由6～22個(gè)不等的洞穴組成。2個(gè)州的地下鹽穴總儲存能力為1.37×109t。62個(gè)地下儲庫分布在5大戰(zhàn)略石油儲備基地，已有8.22×109t的原油儲存其中。

目前，美國已建成各類(利用枯竭油氣田、地下含水層、含鹽層或廢氣礦井等)儲氣庫410座，其儲存量占美國年銷售氣量的20%。美國70%以上的儲氣庫庫容在(0.028～2.83)×108m3之間。

不論是地下石油儲庫，還是地下天然氣儲庫，共同點(diǎn)是均建造在巖石之中，包括水封石洞或水溶式鹽穴，并且地下油氣庫都靠天然或人工水幕的地下水壓力來阻隔原油外漏和天然氣外泄。既要使儲存的油氣不變質(zhì)，還要在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)使石洞和鹽穴安全穩(wěn)定，更要使儲庫進(jìn)、出油暢通。鑒于此，美國能源部與美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(ASTM)合作，協(xié)同對美國的數(shù)百座地下油氣儲庫的長期穩(wěn)定性提出了較完整的試驗(yàn)項(xiàng)目與方法，包括:①地下儲庫所在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的原巖地應(yīng)力場測試;②地下儲庫圍巖的施工期變形動(dòng)靜態(tài)監(jiān)測;③地下儲庫圍巖長期穩(wěn)定性的現(xiàn)場流變試驗(yàn);④地下儲庫自然與人工水封技術(shù)的試驗(yàn)研究;⑤圍繞1至4課題進(jìn)行的巖土分類及上述各種測試方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制，具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有:

(1)ASTM D4645—2008《水力壓裂法確定巖石原位應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［1］;

(2)ASTM D4631—1995(2000)《用壓力脈沖技術(shù)現(xiàn)場測量低滲透性巖石的透射率和釋水系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［2］;

(3)ASTM D4630—1996(2008)《用恒定水頭噴射試驗(yàn)現(xiàn)場測定低滲透性巖石的滲透比和蓄水系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［3］;

(4)ASTM D4525—2004《用氣流法測定巖石滲透性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［4］;

(5)ASTM D4403—1984(2000)《巖石變形計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》［5］;

(6)ASTM D4535—2008《用膨脹計(jì)測量巖石的熱膨脹的試驗(yàn)方法》［6］;

(7)ASTM D4612—2008《計(jì)算巖石的熱擴(kuò)散系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范》［7］;

(8)ASTM D4553—2008《巖石蠕變特性現(xiàn)場測定的試驗(yàn)方法》［8］;

(9)ASTM D4435—2008《巖石錨栓拉力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［9］;

(10)ASTM D4436—2008《巖石錨栓長期負(fù)載保持力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［10］;

(11)ASTM C1436—2008《噴漿混凝土用材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》［11］;

(12)ASTM C1385/C1385M—2010《噴漿混凝土用取樣材料的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》［12］;

(13)ASTM C1116/C1116M—2010《纖維增強(qiáng)混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》［13］;

(14)ASTM D5731—2008《巖石點(diǎn)負(fù)荷強(qiáng)度指數(shù)的測定以便用于巖石強(qiáng)度分類的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》［14］;

(15)ASTM D2487—2010《施工用土壤分類的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》［15］;

(16)ASTM C938—2010《測定灌漿混凝土漿液比例的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》［16］。

所有測試、監(jiān)測和試驗(yàn)，其目的在于保證在地下儲庫設(shè)計(jì)生命周期(100 a)內(nèi)安全穩(wěn)定，并促使地下儲庫的油/氣暢通進(jìn)出。

限于篇幅，本文重點(diǎn)概述美國現(xiàn)行的 ASTM D4645—2008《水力壓裂法確定巖石原位應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》、ASTM D4403—1984(2000)《巖石變形計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》、ASTM D4553—2008《巖石蠕變特性現(xiàn)場測定的試驗(yàn)方法》。其余規(guī)范另行擇期介紹，并促使我國地下水封油庫由50 a生命期上升到100 a生命期。

2 ASTM D4645—2008《水力壓裂法確定巖石原位應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》

水力壓裂法是地下儲庫原巖地應(yīng)力場測試的常用方法之一，它適用于大于50 m深度上的原位應(yīng)力測量。其優(yōu)點(diǎn)是，它產(chǎn)生的應(yīng)力范圍較大，可涵蓋幾平方米的范圍。

該方法的測試設(shè)備主要包括:三角井架或鉆機(jī)、跨式雙封隔器、高壓軟管、壓力傳感器、流速計(jì)和水壓裂隙定位設(shè)備等，如圖1所示。

圖1 水力壓裂測試設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic of equipment for hydraulic fracturing test

水力壓裂法的原理為:通過給2個(gè)可膨脹橡膠皮塞加壓來隔離鉆孔段，以一定流量向2塞子之間的封隔段中壓入流體而使此段中的流體壓力升高，直到鉆孔壁上出現(xiàn)裂隙時(shí)停止壓水，令封隔段的壓力逐漸穩(wěn)定，壓力便會降低到巖層的孔隙壓力水平，接著以相同流量多次重復(fù)這一加壓過程。

在獲取壓力讀數(shù)后，需要利用記錄的壓力－時(shí)間曲線計(jì)算得到測孔處的原巖應(yīng)力。計(jì)算時(shí)必須先獲取孔壁壓裂隙產(chǎn)狀信息，以便于選用合適的計(jì)算公式。下面列出了不同的孔壁裂隙產(chǎn)狀情況下的原巖應(yīng)力計(jì)算方法。

2.1 主要產(chǎn)生垂向裂隙的計(jì)算

當(dāng)垂向應(yīng)力不是最小主應(yīng)力時(shí)，試驗(yàn)主要產(chǎn)生垂向裂隙。在這種情況下，只能用試驗(yàn)水平面的上覆巖體重量來估算垂直應(yīng)力，其計(jì)算公式為

式中:σv為垂直應(yīng)力(Pa);γi為上覆巖層i的平均重量(N/m3);Di為巖層i的厚度(m);n為試驗(yàn)水平面的上覆巖層總數(shù)。

2個(gè)水平主應(yīng)力的計(jì)算為:

式中:σh為最小水平地應(yīng)力(Pa);σH為最大水平地應(yīng)力(Pa);Ps為試驗(yàn)巖層的閉合壓力(Pa);Pc1為試驗(yàn)巖層的破裂壓力(Pa);P0為試驗(yàn)巖層的孔隙流體壓力(Pa);T為水力斷裂的巖石抗拉強(qiáng)度(Pa)。

破裂壓力Pc1即為第1個(gè)加壓循環(huán)的壓力－時(shí)間曲線的峰值，加壓達(dá)到該值則會導(dǎo)致水力壓裂;壓裂后裂隙張開，流體進(jìn)入，壓力突然下降停止壓水時(shí)得到閉合壓力(Ps)，它代表了當(dāng)裂隙重新閉合時(shí)達(dá)到的壓力。在第1個(gè)循環(huán)過程中，裂隙可能從試孔向外擴(kuò)展不遠(yuǎn)，閉合壓力值通常較大;在下一個(gè)循環(huán)過程中，在裂隙重新張開之后，壓水持續(xù)時(shí)間很短(min量級)，這時(shí)可以認(rèn)為裂隙足夠長，且閉合壓力更能代表最小水平應(yīng)力。Lee等［17］提出了一些通過壓力－時(shí)間曲線計(jì)算閉合壓力的方法。

抗拉強(qiáng)度(T)不是恒定參數(shù)，隨壓水流量、樣本尺寸、顆粒大小及測試方式不同而變化。目前還沒有在試孔內(nèi)確定T的直接方法，但是，若假設(shè)壓力回到初始孔隙壓力水平時(shí)水壓裂隙完全閉合，則采用第2次加壓循環(huán)過程重新開啟裂隙所需的壓力代替公式(3)中的Pc1－T，則式(3)變?yōu)?/p>

若裂隙完全閉合，第2次循環(huán)過程的壓力－時(shí)間曲線的斜率將和第1循環(huán)過程的相同，直到裂隙張開，斜率才發(fā)生變化。若裂隙不完全閉合，壓力－時(shí)間曲線斜率和第1次循環(huán)就會不同，這時(shí)不能采用該方法確定T。

2.2 垂直和水平裂隙均產(chǎn)生的計(jì)算

當(dāng)σv為最小主應(yīng)力時(shí)，遠(yuǎn)離試驗(yàn)孔的水壓裂隙的方向應(yīng)當(dāng)是水平的。但是，對于完整塊狀巖體，在孔壁上常先產(chǎn)生垂向裂隙，但在之后的循環(huán)過程中，隨著裂隙的擴(kuò)展，裂隙往往會重新定向而垂直于最小主應(yīng)力，即轉(zhuǎn)變?yōu)樗搅严丁Ｏ鄳?yīng)的閉合壓力將大致降至垂直應(yīng)力的大小。這種水壓裂隙組合形式，可直接計(jì)算3個(gè)主應(yīng)力，計(jì)算公式如下:

式中:Ps1為第1次閉合壓力(Pa);Ps2為第2次閉合壓力(Pa)。

2.3 主要產(chǎn)生水平裂隙的計(jì)算

當(dāng)σv為最小主應(yīng)力且試孔孔壁存在層理面、裂隙或其他水平不連續(xù)面時(shí)，將主要形成一條或多條水平裂隙。在這種情況下，通過水力壓裂試驗(yàn)僅可計(jì)算 σv，即

2.4 產(chǎn)生傾斜裂隙的計(jì)算

有時(shí)由于主應(yīng)力方向同試驗(yàn)孔軸線以及軸線法平面極其不一致，可能會產(chǎn)生傾斜裂隙。這種情況下，若水壓裂隙面偏離垂直方向＜l5°，仍可用前面表述的計(jì)算公式來估計(jì)主應(yīng)力。Cornet等［18］提出了該情況下更精確的計(jì)算原位應(yīng)力的方法。

3 ASTM D4403—1984(2000)《巖石變形計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》

變形計(jì)在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要用于測量位移、分離、沉降、收斂等。作為水封石洞油氣庫施工期的測試設(shè)備，變形計(jì)通常用于測量頂部和側(cè)墻的移動(dòng)，并用于定位洞口周圍的拱形張力區(qū)域。

在巖體施工的實(shí)際應(yīng)用中，精確的測量有助于辨識可能造成危險(xiǎn)的巖石運(yùn)動(dòng)趨勢。而長期的監(jiān)測中發(fā)生的位移往往要比在施工過程中發(fā)生的小，因此對精度的要求更高。

工程上常用的變形計(jì)有:桿式變形計(jì)、棒式變形計(jì)、尺帶變形計(jì)、測縫計(jì)、線式變形計(jì)等。變形計(jì)主要由變形計(jì)主體、錨固系統(tǒng)、變形計(jì)轉(zhuǎn)換器等組成，如圖2所示。

圖2 典型桿式變形計(jì)Fig.2 Typical rod extensometer

在對每個(gè)油氣庫工程建設(shè)規(guī)劃和巖土工程地質(zhì)特征進(jìn)行徹底審查的基礎(chǔ)上，對引伸錨的位置、方向、長度和數(shù)量進(jìn)行選擇。為記錄下完整的運(yùn)動(dòng)變化記錄，需在施工期定期在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行測量。

變形計(jì)所需的鉆孔的大小取決于變形計(jì)的類型、特點(diǎn)和數(shù)量。鉆孔時(shí)應(yīng)記錄下鉆進(jìn)速度、套管使用、軟區(qū)、鉆探設(shè)備堵塞和其他的鉆孔問題。安裝錨組件之前，需采用高壓水軟管對孔進(jìn)行清洗。

在每次安裝變形計(jì)時(shí)都要對其進(jìn)行校準(zhǔn)。在安裝前應(yīng)對儀器進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于溫度或操作帶來的設(shè)備故障和讀數(shù)誤差。

4 ASTM D4553—2008《巖石蠕變特性現(xiàn)場測定的試驗(yàn)方法》

現(xiàn)場流變試驗(yàn)是用來預(yù)測巖石在受到荷載作用下的時(shí)變特性。此測定方法可用于在長時(shí)間荷載作用條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，因此在大型地下水封石洞油氣庫工程建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛。此測定方法的結(jié)果可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室流變測試和數(shù)學(xué)建模分析的成果。

測試設(shè)備主要有:測試面預(yù)處理設(shè)備，包括各種挖掘工具，如鉆具、鑿錘等;儀表設(shè)備，包括位移測量設(shè)備、稱重傳感器等;荷載設(shè)備，液壓油缸或扁平式千斤頂?shù)燃虞d設(shè)備、響應(yīng)裝置、承載墊及承載板等。

測試應(yīng)該在一個(gè)不受洞室開挖影響的區(qū)域進(jìn)行。區(qū)域巖石在荷載施加過程中的位移取決于板的直徑和施加的荷載。

圖3為一種典型的測試裝置示意圖。

圖3 典型鋼板承重測試裝置安裝示意圖Fig.3 Setup of typical equipment for rigid plate bearing test

在測試的最初準(zhǔn)備階段，需要對巖體表面進(jìn)行處理。巖體表面的處理區(qū)域應(yīng)超過板的外邊緣，至少為承載板直徑的一半以上。盡可能在堅(jiān)硬的巖體上進(jìn)行測試。巖體表面應(yīng)盡可能的平坦，需移除松散和破碎的圍巖。

將承載板放置在正確的位置，并在板和巖體表面之間澆墊材料以形成承載墊。墊片通過在板邊緣周圍以適當(dāng)形式加工構(gòu)成，需避免氣泡或其他空洞在墊片中產(chǎn)生。墊片的厚度不得超過板直徑的15%。

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗(yàn)，計(jì)量資料以“±s”表示，采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

初始化所有測量設(shè)備，在無沖擊情況下迅速提高負(fù)載至所需荷載(通常在1 min之內(nèi)完成);在達(dá)到所需荷載之后立即記錄讀取位移傳感器的數(shù)據(jù)。在流變過渡期間，間隔適當(dāng)?shù)臅r(shí)間讀取位移數(shù)據(jù)，直到位移率變?yōu)槌?shù)。隨后需每天或者按固定的頻率讀取數(shù)據(jù)。

5 自然與人工水封技術(shù)的試驗(yàn)研究

地下水封儲油氣洞室一般修建在巖性較好的巖層，或者注漿改善的巖體中，同時(shí)要有充足的地下水源，必要時(shí)通過人工水幕來提供防滲水壓。在煤炭行業(yè)應(yīng)用密封巷道儲存壓縮空氣的實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)從圍巖排出的水中氣體很少，許多礦場開始將壓縮空氣儲于充水的礦井中，有的礦井漏氣量可減少近10倍，因而人們逐漸認(rèn)識到洞室處于飽和含水層中或充水巖層中可以阻止油氣泄漏。

人工注水的方式可使地下儲庫圍巖保持飽和狀態(tài)，具體的注水形式很大程度受地質(zhì)條件決定。大多數(shù)系統(tǒng)一般考慮在洞室周圍修建一個(gè)包圍的水封幕。水封幕是通過在地下洞室周圍的鉆孔中注水并滲入巖體中的空隙及裂隙而產(chǎn)生的，從而形成水封幕的概念。20世紀(jì)末對運(yùn)行的地下儲氣庫的評估中指出:在有水幕的情況下，儲庫沒有發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，對于成功的儲洞來講，儲洞內(nèi)的壓力不能超過圍巖中的水壓力;而無水幕的儲洞則出現(xiàn)泄漏情況。

Aberg等［19］最早對水幕壓力和儲庫儲存壓力的關(guān)系進(jìn)行了研究，并提出了垂直水力梯度準(zhǔn)則。在忽略了重力、摩擦力和毛細(xì)力的影響前提下，該準(zhǔn)則認(rèn)為只要垂直水力梯度大于l，就可以保證儲庫的密封性。Goodall等［20］在Aberg的基礎(chǔ)上對該準(zhǔn)則進(jìn)行了擴(kuò)展，認(rèn)為只要保證沿遠(yuǎn)離洞室方向，所有可能滲漏路徑上某段距離內(nèi)水壓不斷增大，就可以實(shí)現(xiàn)洞庫的水封。Rehbinder等［21］對地下不襯砌儲氣洞的水幕孔進(jìn)行了試驗(yàn)及理論上的分析得出，隨著水幕洞水壓的增加，儲氣洞的泄氣量就會減小，以及洞室周圍水幕孔數(shù)目增加時(shí)，相應(yīng)水幕孔中的水量可減少。但其理論模型及試驗(yàn)?zāi)Ｐ投枷鄬唵巍?/p>

從這些研究可以看出，水封技術(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)主要采用平行板模型，采用煤油、汽油和柴油模擬，也有采用甘油代替水，鹽水代替油品進(jìn)行模擬，通過染料進(jìn)行示蹤，可以模擬水平裂隙、垂直裂隙或者傾斜裂隙。除了可以模擬自然地下水頭下的水封狀況和洞庫間的滲流外，還可以模擬人工水封孔布置對水封效果的影響。

6 結(jié)語

美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(ASTM)及相關(guān)研究者對美國的數(shù)百座地下油氣儲庫的長期穩(wěn)定性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，提出一系列相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程。所取得的成果主要包括:

(1)提出了以水力壓裂法為主的地應(yīng)力場標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，研究了地下儲庫所在區(qū)域的原巖地應(yīng)力場特性。

(2)針對地下儲庫圍巖的施工期變形，提出了不同變形計(jì)的試驗(yàn)方法及原則，通過圍巖施工期變形的動(dòng)靜態(tài)監(jiān)測及時(shí)反饋設(shè)計(jì)及施工。

(3)研究了地下儲庫圍巖的現(xiàn)場流變試驗(yàn)方法，分析了地下儲庫圍巖的流變特性，確保了圍巖的長期穩(wěn)定性。

(4)對地下儲庫自然水封與人工水封技術(shù)進(jìn)行比較，通過試驗(yàn)分析了自然地下水頭下的水封狀況和洞庫間的滲流特性及人工水封孔布置對水封效果的影響。

(5)所編制的地下儲庫巖土分類、測試方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在數(shù)百個(gè)工程中進(jìn)行應(yīng)用，確保了地下儲庫在其設(shè)計(jì)生命期的安全健康。

目前中國正在沿海區(qū)域修建多個(gè)地下水封石洞油氣庫工程，美國的研究成果和規(guī)范可為這些水封石洞油氣庫的建設(shè)與運(yùn)行提供參考和借鑒。

［1］ASTM D4645—2008，Standard Test Method for Determination of the In-Situ Stress in Rock Using the Hydraulic Fracturing Method［S］.

［2］ASTM D4631—1995(2000)，Standard Test Method for Determining Transmissivity and Storativity of Low Permeability Rocks by In Situ Measurements Using Pressure Pulse Technique［S］.

［3］ASTM D4630—1996(2008)，Standard Test Method for Determining Transmissivity and Storage Coefficient of Low-Permeability Rocks by In Situ Measurements Using the Constant Head Injection Test［S］.

［4］ASTM D4525—2004，Standard Test Method for Permeability of Rocks by Flowing Air［S］.

［5］ASTM D4403—1984(2000)，Standard Practice for Extensometers Used in Rock［S］.

［6］ASTM D4535—2008，Standard Test Methods for Measurement of Thermal Expansion of Rock Using Dilatometer［S］.

［7］ASTM D4612—2008，Standard Practice for Calculating Thermal Diffusivity of Rocks［S］.

［8］ASTM D4553—2008，Standard Test Method for Determining In Situ Creep Characteristics of Rock［S］.

［9］ASTM D4435—2008，Standard Test Method for Rock Bolt Anchor Pull Test［S］.

［10］ASTM D4436—2008，Standard Test Method for Rock Bolt Long-Term Load［S］.

［11］ASTM C1436—2008，Standard Specification for Materials for Shotcrete［S］.

［12］ASTM C1385/C1385M—2010，Standard Practice for Sampling Materials for Shotcrete［S］.

［13］ASTM C1116/C1116M—2010，Standard Specification for Fiber-Reinforced Concrete［S］.

［14］ASTM D5731—2008，Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications［S］.

［15］ASTM D2487—2010，Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes(Unified Soil Classification System)［S］.

［16］ASTM C938—2010，Standard Practice for Proportioning Grout Mixtures for Preplaced-Aggregate Concrete［S］.

［17］LEE M Y，HAIMSON B C.Statistical Evaluation of Hydraulic Fracturing Stress Measurement Parameters［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆ Geomechanics Abstracts，1989，26(6):447－456.

［18］CORNET F H，VALETTE B.In Situ Stress Determination from Hydraulic Injection Test Data［J］.Journal of Geophysical Research，1984，89(B13):11527 －11537.

［19］ABERG B.Model Tests on Oil Storage in Unlined Rock Caverns［C］∥ Proceedings of the First International Symposium on Storage in Excavated Rock Caverns.Stockholm，September 5－8，1977:517－530.

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