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石油是目前推动人类社会经济发展的主要能源之一。作为一种非可再生资源,其需求量在当今社会越来越大,造成其储量骤减。因此,建立必要的地下石油储备体系是相当必要的。湛江地下水封石油洞库位于广东省湛江市遂溪县新华镇,是我国在建的最大的一个国家战略石油储备库,洞库的设计库容为500×104m3。本文以湛江地下水封石油洞库为项目依托,对低渗透裂隙岩体地区裂隙的发育情况及成因和渗透系数及渗透张量进行深入研究。
低渗透裂隙岩体地区是地下石油洞库的理想选址区。低渗透裂隙岩体作为石油天然的赋存体,对其空间裂隙发育情况和渗透系数等基本水力学参数的研究将为后续库区裂隙水渗透场的模拟和洞库水封效果的评价提供关键的水文地质依据。本文的研究区域主要的岩性是燕山一期片麻状花岗岩、花岗闪长岩,岩脉为燕山中晚期煌斑岩、花岗伟晶岩、细晶状长英质等。
岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中,经受了不同地质历史时期复杂的地质构造作用,从而使得岩体中裂隙结构面得发育具有随机性、多样性、复杂性等特点。这样就对岩体裂隙的研究造成了很大的困难。但是我们仍然可以通过野外地质调查及裂隙统计,查明一个地区的裂隙结构面发育情况,从而了解区域的地质构造,对洞库建设的可行性提供地质依据。
裂隙岩体渗流是当今岩体力学和地下水动力学研究的重要内容之一,许多研究成果已普遍的应用到了土木工程、水利工程所涉及的岩基、岩坡及地下洞室工程方面。,同时也促进了地下核废料处理、石油开采领域理论研究的发展。本文主要是利用大量的野外水文地质试验计算渗透系数及张量来分析研究区的渗透特性。
渗透系数是渗流力学研究中的特征参数。裂隙岩体渗透系数选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性。因此,应当加强对渗透系数计算方法及公式的研究,为裂隙岩体渗透状况的判断提供理论依据。
渗透系数是一个没有方向的标量。为了表示裂隙岩体渗透性的非均质性和各向异性,我们必须用渗透张量的概念表示其渗透性。渗透张量是一个既有大小又有方向的量,一般用矩阵表示。本次研究依据裂隙介质三维空间渗透张量理论,通过先进的钻孔电视成像技术对钻孔内发育的裂隙进行统计,并把统计结果代入计算机程序来求解研究区的渗透张量。最后,利用压水试验结果对渗透张量进行矫正,分析研究区内裂隙岩体渗透张量的渗透主值和渗透主方向。
依据以上基础理论和方法,本文主要从以下几个方面对湛江地下水封洞库进行了研究:
一、裂隙的发育情况的研究
根据对研究区内进行地质调查的结果发现,区内主要分布3条断裂、9条贯通性的节理密集带。
结合湛江地区地质资料和断层成因及构造运动理论认为,该区经历了加里东、华立西-印支、燕山、喜马拉雅构造阶段,早期以褶皱为主,中晚期以岩浆活动和断裂活动为主,构造较为复杂。从第三纪以来,整个雷州半岛的构造运动主要为区域性东西向断裂,新生代断裂和褶皱,火山活动较频繁。在这种地质背景下使得库址所在区域内岩浆岩发育,分布广泛,岩浆活动呈多旋回性,共有印支、燕山、喜马拉雅三个旋回。岩脉以晚期的石英脉、伟晶岩脉及煌斑岩脉为主,构造以脆性破裂为主。
二、渗透系数及张量变化规律的研究
(1)通过野外水文地质试验获得研究区的渗透系数,初步分析渗透系数在水平向及垂向变化规律分析其原因。
(2)对不同水文地质试验获得的渗透系数进行对比分析,评价不同水文地质试验的优缺点及适用范围。
(3)针对裂隙岩体地区渗透张量的重要性以及难确定性,本文运用了新的技术方法,不仅可以得出渗透主值水平上的变化规律,而且求出了垂向上渗透主值及渗透方向的变化规律。同时针对实际工程,数据多计算繁琐这一特点,本文在Excel中编制了计算渗透主值及倾向、倾角的VB程序,可以方便地得到了大量不同深度处的渗透张量。分析得出,洞库区平面上渗透张量变化与裂隙产状变化基本一致;垂向上,渗透性大小与隙宽的变化基本一致。
(4)利用钻孔成像技术进行裂隙统计求得的渗透张量,由于人为图像解译过程中,对裂隙隙宽等参数进行测量中存在一定的视觉误差,使测量得到的裂隙参数与真实的裂隙参数存在一定的偏差,这样就导致计算得到渗透主值存在一定的不准确性,但这并不影响对渗透主值变化规律的分析。针对这种不足,提出利用钻孔不同深度压水试验所得到的渗透系数结果对裂隙统计计算得到的渗透主值进行矫正,使其更能反映裂隙岩体真实渗透能力。通过不同深度分别对应矫正后,渗透主值和压水试验数量级相一致,主渗透方向不变。对得到渗透主方向与利用钻孔井流充电得到地下水流动方向进行对比发现,两者是基本吻合的。
(5)同时,针对过去利用综合渗透系数评价裂隙岩体渗透性存在的局限性,本文提出利用优势渗透系数评价裂隙岩体渗透性。对比压水试验结果发现,优势渗透系数的数量级和压水试验的数量级是基本一致的,说明采用优势渗透系数评价裂隙岩体渗透性更为合理准确。