地下水封洞库

地下工程新领域水封洞库的规划、设计与建设北京交通大学土木建筑工程学院刘保国教授、博导2006年11月29日1国内外概况2国家战略石油储备的总体规划3地下水封洞库原理、设计与施工4黄岛、锦州等水封洞库介绍5储备库建设管理体系与运行机制报告提纲1国内外概况1.1世界石油可开采量分布（2002年）排名国家和地区储量/Gt占世界比例，%1沙特阿拉伯36.025.02伊拉克15.210.73科威特13.39.24阿联酋13.09.25伊朗12.38.66委内瑞拉11.27.47俄罗斯8.25.78美国3.82.99利比亚3.82.810尼日利亚3.22.311中国2.51.712墨西哥1.81.2世界石油储量142.71.2世界主要产油国的石油产量（2002年）排名国家和地区产量/Mt占世界比例，%储采比1沙特阿拉伯418.111.7586.02俄罗斯379.610.6721.63美国350.49.8510.84墨西哥178.55.0210.15中国168.94.7514.86伊朗166.84.6973.77委内瑞拉151.44.2674.0世界石油产量3556.82005年我国采油量达到1.8亿吨，目前此产量预计可保持到2030年。18.321.4020406080100%世界平均值我国人均石油资源量我国人均产油量1.3我国人均石油量1.4世界主要国家的石油消费量（2002年）排序国家石油消费量/Mt占世界比例，%1美国894.325.42中国245.77.03日本242.66.94德国127.23.65俄罗斯122.93.56韩国105.03.07印度97.72.88意大利92.92.69法国92.82.610加拿大89.72.511巴西85.42.412墨西哥80.92.3世界石油消费总量3522.5我国原油需求预测3.23.84.3012345201020152020年份亿吨1.5我国原油需求量预测9016020036.147.351050100150200250200320062015进口量/Mt依存度/%1.6我国原油进口1.6.1进口量统计与预测中东55%非洲22%中亚9%俄罗斯9%拉丁美洲3%其他2%1.6.2原油进口地域分布我国近80%的石油进口要经过马六甲陆地18%马六甲77%其他海域5%1.6.3原油进口海上通道1.7世界石油储备的建立1973年的石油危机使得依赖进口石油的国家出现了经济大混乱。1974年11月15日成立的国际能源机构（IEA）,要求其成员国建立战略石油储备。1991年海湾战争爆发，美国启用112万桶的战略石油储备,不但确保了战争期间的石油供应,而且对平抑当时的高油价起到至关重要的作用。截至2001年12月，各国的战略石油储备已达到12.93亿桶，占世界石油和油品总储备量（不含俄罗斯和中国）的22.3％，相当于世界近20天的供应量。A盐岩洞穴B废弃矿井C含水层D枯竭的油气层E硬岩洞穴石油储备方式废弃矿井加上水幕系统储油专门开挖的硬岩洞穴加上水幕系统储油天然盐岩洞穴或人工盐岩洞穴储油地质条件较好的含水层储油枯竭的油气层储油050100150200（日）美国日本德国法国韩国中国总储备量政府储备总储备量政府储备国家商业储备政府储备合计加拿大183501835美国/领土外14700/3038700/023400/303澳大利亚118101181日本5139498010119法国277702777德国34478784325英国164401644意大利2410962506荷兰158001580西班牙188301883挪威83008301.8水封洞库国内外情况1.8.1国外情况储油概念（1938，哈根（Hagcon）瑞典）实验装置（1948，斯德哥尔摩郊外长石矿）示范装置（1949，30m3）商业设施（1960—1970之后）截至1988年，在斯堪迪那维亚半岛已有200多座地下原油、石油产品及重燃料油库在使用。在韩国、日本、中东等地也建有很多地下水封岩洞油库。韩国建有四个地下洞库，总库容1830万m3。日本建有3座地下洞库，总库容500万m3。1.8.2国内情况①山东黄岛地下水封油库，1976年建成，库容积15万m3。②浙江象山地下水封油库，1976年建成，库容积4万m3。③汕头地下水封LPG库，1998年建成，库容积20万m3，为汕头海洋石油化工有限公司和美国加德士有限公司合资兴建④宁波地下水封LPG库，2002年建成，库容量为50万m3，为英国BP石油公司在中国投资兴建1国内外概况2国家战略石油储备的总体规划3地下水封洞库原理、设计与施工4黄岛、锦州等水封洞库介绍5储备库建设管理体系与运行机制报告提纲国内石油资源不足，原油产量不能满足需求，供需矛盾突出，进口石油依存度不断增大；国际石油价格波动对我国经济的影响越来越大，抵御风险的能力差；世界石油资源争夺日益激烈，境外资源空间逐步缩小，我国跨国公司对外直接投资时会受到西方跨国公司的挤压和地方势力的排挤；2国家战略石油储备的总体规划2.1建立国家战略石油储备的原因我国对海上石油运输通道控制薄弱，过分依赖中东和非洲地区的石油和单一的海上运输路线，将使我国石油进口的脆弱性凸现；缺乏健全完善的能源安全预警应急体系，没有国际公认的石油战略储备及商业储备；地缘政治形势复杂，美日等国在我国周边军事渗透构成威胁。基于以上原因,我国于2003年正式启动建立石油储备体系。2.2建立国家石油储备的原则实行实物储备与资源地储备相结合；实现官民结合，即国家与企业相结合；东部、中部和西部地区合理布局。为我国经济持续发展提供石油资源保障；为维护我国国防安全提供资源保障；为平抑国内油价、稳定国内市场提供资源保障。2.3国家石油储备的任务根据国际能源组织的建议，石油输入国应保有90天石油进口量的储备，按此计算2015年我国应保有5000万吨以上的石油储备量，至少需建设约7200万m3储备库。2.4国家石油储备的总体规模第一期1600万吨；共四个基地，分别在沿海的浙江镇海、舟山、辽宁大连、山东黄岛。全部为国家投资的地面钢罐，其中镇海基地520万吨在2006年底即可竣工吸储。其它三个基地陆续在2007、2008年竣工。2.5国家石油储备的具体部署与进展第二期2800万吨；均为地下水封洞库，预计7～8个基地，目前处于选址阶段，其中山东黄岛、辽宁锦州、广东大亚湾、湛江等4个基地基本确定，正在进行预、工可研究和评审。第三期2800万吨。1国内外概况2国家战略石油储备的总体规划3地下水封洞库原理、设计与施工4黄岛、锦州等水封洞库介绍5储备库建设管理体系与运行机制报告提纲3地下水封洞库原理、设计与施工3.1地下水封洞库储油原理地下水位线地表油气油水垫层积水井水幕巷道注水孔注水孔抽水站抽油站进油站潜液泵固定水床水位法变动水床水位法占地少；投资小；损耗少；污染小；运营管理费用低；安全性能高；装卸速度快。3.2地下水封洞库优点储库类型费用地面轻油库地面重油库地下油库平均造价（$/m3）23-3310-137.8储油费用（$/m3·Y）0.630.490.35-0.413.3地下水封洞库选址原则符合国家战略石油整体布局要求。选择在坚硬、完整性好的块状岩体区，并具有弱透水性。最好是结晶状、未风化或微风化花岗岩，岩体级别Ⅰ或Ⅱ级。具有稳定的地下水位。尽量依托现有的海运航道、大型油码头和输油管网。符合环保、安全标准；有可靠的水源、电源条件；节约用地。3.4地下水封洞库的设计3.4.1库容规模确定一般按拟选库周边炼油企业90天加工原油的能力进行核定，同时考虑工程、水文地质所许可的最大建库规模。3.4.2储油库埋深确定储油洞室内最大工作压力，一般取0.1MPa；建库地区的工程地质、水文地质条件；稳定的地下水位；依据上述原则，从储油洞室拱顶算起，埋深=稳定的地下水位埋深+开挖引起地下水下降漏斗高度+洞室内最大工作压力折合的水头高度+水封安全高度（取20～25m）。3.4.3储油洞室断面形状确定O1O2O320m30m80°3.4.4储油洞室长度及走向储油洞室长度一般根据可用岩体范围，储油库规模，储油洞室的组数等来确定，一般情况500～1000m。储油洞室的走向一般与最大水平地应力平行，或交角尽量小。3.4.5储油洞室净间距综合考虑埋深、地应力大小、围岩条件、断面形状等因素，确保洞室之间岩体有足够宽度的非破坏区，可通过数值模拟计算确定，一般取洞室跨度的1.5～2.0倍。3.4.6水幕系统水幕系统由注水巷道和注水孔构成，注水巷道距离储油洞室高度一般取30m，断面可采用4×4m矩形带圆角，或4.5×5.0m直墙圆拱；注水孔直径80～100mm，孔间距10～20m之间，孔长度以能包络储油洞室为目的确定，可以几十米至上百米。根据注水孔排列方向不同，可分为水平水幕和垂直水幕两种。作用：同一油库储有不同油品，为了使不同洞室间的不同油品不能相互渗透，则往往在储有不同油品的不同洞室间设置垂直水幕；工程措施：从注水巷道底板，在两个储油洞室之间打垂直注水孔，通过在垂直注水孔中注入一定压力水将两洞室分隔开来。油品作用：主要是为了安全起见，在洞库顶部上方一定距离处设置水平水幕，以保证洞库上部始终有水盖层，从而降低因自然水位下降而导致的洞库上部地下水盖层缺失，并致使油气泄漏的风险。工程措施：从注水巷道底板向两侧水平或斜向打注水孔，通过注水孔中一定的压力水，在洞库顶部形成人工水盖层。3.4.7施工巷道施工巷道包括斜坡道和联络道，斜坡道主要是满足掘进过程中石渣外运、通风、施工用水及照明动力电线的铺设、排水及施工人员通行、地下混凝土工程及设备安装工程施工的需要；根据施工机车外形，爬坡能力并结合洞库埋深地质情况，综合考虑后确定，一般情况横截面宽度8.0m，高度7.5m，直墙拱形断面，坡度为13.3%。联络道在施工期间，主要用于不同储油洞室施工时的联络，以便共用斜坡道；建成投入使用后为储油洞室的一部分。3.4.8竖井用于原油进、出库作业，进出库的所有管道均通过操作竖井与地面相连，竖井用上下两层盖板封闭，下盖板为钢筋混凝土结构具有一定的抗爆能力。每座洞罐竖井布置方案有两种：一是每座洞罐设一个竖井；二是每个洞罐的不同洞室上各设一个竖井。方案一：由地下洞室至地面的工艺管道及其套管仪表和电缆及其套管等均布置在竖井中竖井直径为7m。方案二：其中一个竖井中布置进油管道及其套管，直径为4m，洞罐进油时不搅动水垫层，有利于油水分离；另一个竖井中布置由地下洞室至地面的其它工艺管道及其套管，仪表和电缆及其套管等，直径为6m。3.4.9总体布局3.4.10洞室支护与涌水处理洞室围岩一般地段采用砂浆锚杆和喷射混凝土方式进行支护；破碎带采用砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土支护；范围较大的断层破碎带除上述支护外，局部二衬支护（选址时尽量避开断层）。对于支护表面潮湿的情况不处理，对于明显滴水、流水，甚至涌水的裂隙部位，要进行注浆封堵。3.5地下水封洞库的施工斜坡道、竖井同时进行掘进；斜坡道到达水幕巷道标高，拓展开来，进行水幕巷道掘进，同时继续延伸斜坡道；斜坡道到达储油洞室第一层标高，向两侧储油洞室掘进联络道，到达储油洞室第一层掘进第一层，同时继续延伸斜坡道，到达第二层标高，同上述第一层相同程序，以此类推。1国内外概况2国家战略石油储备的总体规划3地下水封洞库原理、设计与施工4黄岛、锦州等水封洞库介绍5储备库建设管理体系与运行机制报告提纲4黄岛、锦州等水封洞库介绍4.1黄岛水封洞库距黄岛油码头13km,可用面积1.5平方公里。储备库规模为300万立方，由3组储油洞罐构成，主要供应青岛炼油厂、青岛石化厂、齐鲁石化和济南炼油厂。储存油品为中东低凝轻、重原油。预计总投资16亿，2008年底建成。4.2锦州水封洞库储备库规模为300万立方，由4组储油洞罐构成，主要供应锦州石化、锦西石化，或输送至锦州港外运。储存油品为中东低凝轻质、中质原油。预计总投资18亿，2010年建成。4.3大亚湾水封洞库距华德公司油码头