9 Виды и назначение опытно-фильтрационных работ.

Виды и назначение опытно-фильтрационных работ.

Основным видом работ при различных гидрогеологических исследованиях являются полевые опытно-фильтрационные работы, дающие основную информацию (количественную и качественную) о водоносных горизонтах и других толщах. Наиболее достоверные гидрогеологические параметры горных пород можно получать по результатам опытно-фильтрационных работ в пределах наиболее характерных участков месторождений подземных вод.

Выбор вида опытно-фильтрационных работ зависит от целей и стадии исследований, особенностей геолого-гидрогеологических условий, метода обработки данных работ и других факторов. К полевым опытно-фильтрационным работам, которые проводятся не только при гидрогеологических, но и при других исследованиях, относятся: наливы в шурфы и котлованы, откачки, наливы и нагнетания в скважины, индикаторные исследования, расходометрия скважин и другие методы. Эти работы отличаются друг от друга особенностями проведения, дают наиболее точные и достоверные данные о напорах, расходах, гидрогеологических параметрах изучаемых водоносных горизонтов и горных пород. Информативность и достоверность результатов опытно-фильтрационных работ существенно возрастают (при прочих равных условиях) с увеличением продолжительности опыта и области их влияния или при комплексном их применении.

Опытно-фильтрационные работы (опробования) являются основным видом гидрогеологических исследований, обеспечивающих определение характеристик водоносных горизонтов (удельные дебиты скважин, температура, минерализация воды и др.), а также оценку гидродинамических и миграционных параметров водоносных и слабопроницаемых пород.

Откачки из скважин являются основным (наиболее массовым) видом опытно-фильтрационных работ. По своему назначению, организации и получаемым результатам они подразделяются на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные.

Пробные откачки являются основным видом опробования картировочных скважин, но также выполняются на всех типах гидрогеологических скважин перед их дальнейшим использованием в качестве опытных, разведочно-эксплуатационных и др. Они обычно бывают кратковременными (одна бригадосмена 6—10 ч, реже более) с одним понижением уровня. Основными задачами пробных откачек является прочистка (прокачка) скважины после окончания буровых работ, определение удельного дебита скважины, который является удобной сравнительной характеристикой водообильности различных водоносных горизонтов или интервалов (q_yд= Q/S, где Q — дебит скважины, л/с, м³/ч и др.; S — величина понижения уровня воды при откачке, м), ориентировочная оценка проводимости водоносного горизонта (Т= Km, м²/сут), отбор пробы воды для определения химического состава

Опытные откачки являются основным методом оценки фильтрационных (гидродинамических) параметров водоносных и слабопроницаемых пород: коэффициентов фильтрации, водопроводимости, пьезо- и уровнепроводности, водоотдачи, параметров перетекания и др. По схеме проведения опыта они подразделяютсяна одиночные и кустовые откачки. Одиночные опытные откачки в отличие от пробных выполняются с двумя-тремя понижениями уровня и дают только дополнительную возможность оценки зависимости дебита скважины от величины понижения уровня: Q=f(S).Схема проведения кустовых опытных откачек предусматривает оборудование кроме опытной скважины, из которой осуществляется откачка, нескольких наблюдательных скважин, по которым ведется регистрация изменений положения уровня и реже минерализации подземных вод в процессе проведения опыта. В зависимости от задач опыта наблюдательные скважины оборудуются непосредственно на испытуемый пласт (один или два луча при необходимости оценки анизотропии пласта) или на смежные водоносные горизонты при оценке их взаимодействия (рисунок 3.4.1).

Расстояния наблюдательных скважин от опытной определяются предварительным расчетом, исходя из того, чтобы в наиболее удаленной скважине (рисунок 3.4.1) величина понижения уровня в процессе опыта была больше возможной погрешности его определения.

Рисунок 3.4.1 — Схемы размещения скважин при проведении кустовых откачек: А — в плане, при оценке параметров (анизотропии) пласта по двум направлениям; Б — в разрезе, при исследовании взаимодействия двух, ярусно залегающих водоносных горизонтов. I — опытные скважины; 1—5 — наблюдательные скважины;

1 — водоносные породы,

2. — слабопроницаемые породы,

2. — фильтры опытных и наблюдательных скважин

Кустовые опытные откачки проводятся в течение 10—15 сут и более, как правило, при двух-трех понижениях уровня. После завершения откачки (на каждом этапе) проводятся наблюдения за восстановлением уровня. В том случае, если откачка из одной опытной скважины не обеспечивает достижения необходимых понижений уровня, может проводиться групповая откачка из нескольких опытных скважин.

Опытно-эксплуатационные откачки из одной или нескольких скважин проводятся на стадии детальной разведки месторождений подземных вод со сложными гидрогеологическими условиями с суммарным дебитом, соизмеримым (в пределах порядка) с величиной проектируемого эксплуатационного водоотбора. Этот вид опытных работ фактически является методом оценки эксплуатационных запасов подземных вод в условиях, когда обоснование расчетной фильтрационной схемы для использования аналитических методов оценки запасов или моделирования представляет значительные трудности.

Длительность проведения таких откачек может составлять 1—3 месяца, в особых случаях до года и более. Основными задачами их проведения являются: установление характера зависимости дебита скважины от величины понижения уровня (Q=f{S)), оценка взаимовлияния («срезок» уровней) при откачках из группы скважин, а также оценка возможных изменений минерализации и качества подземных вод при взаимодействии эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными (в последнем случае опыты, как правило, являются наиболее продолжительными).

Опытные наливы в шурфы являются наиболее распространенным методом оценки фильтрационных свойств (Кф) пород зоны аэрации (ненасыщенной зоны) при глубине залегания уровня грунтовых вод более 4—5 м. В ходе опыта проводится регистрация фильтрационного расхода через дно шурфа при постоянном положении уровня воды в шурфе и слое воды над дном шурфа (h) примерно равным 10 см.

Опытные наливы и нагнетания в скважины проводятся с целью определения удельных поглощений и фильтрационных свойств как ненасыщенных (неводоносных), так и водоносных горных пород. При наливе в пределах опробуемого интервала горной породы поддерживается свободный уровень воды; при нагнетании — фильтрация (поглощение воды) осуществляется при избыточном напоре над верхней границей опробуемого интервала. Опытные наливы проводятся главным образом при оценках фильтрационных свойств рыхлых и трещиноватых пород зоны аэрации при значительных глубинах залегания уровня грунтовых вод. Опытные нагнетания в водоносные и ненасыщенные горные породы широко используются при инженерно-геологических изысканиях для сравнительной (качественной) оценки проницаемости и трещино-ватости скальных пород. Опыты проводятся в одиночной скважине непосредственно в процессе бурения чаще по схеме «сверху вниз» (поинтервально) при условии изоляции вышележащих (уже опробованных) интервалов.

Индикаторные методы исследования в скважинах проводятся с целью определения действительной скорости движения и параметров миграции подземных вод: эффективной пористости, микродисперсии и др. Схема опыта включает наличие опытной скважины, в которую производится запуск индикатора (трассера), и наблюдательной скважины (нескольких скважин), в которой фиксируется появление трассера через соответствующий интервал времени t.

Опыт может производиться в условиях естественного потока (в этом случае наблюдательная скважина должна располагаться строго по направлению движения подземных вод), а также при наливе (нагнетании) в опытную скважину или при откачке из наблюдательной.

Расходометрия скважин является методом определения и анализа профиля расхода вертикального потока по стволу скважины в естественных условиях, а также при производстве откачки или налива с целью изучения вертикальной фильтрационной неоднородности водоносного горизонта. Опыт, как правило, проводится в необсаженном интервале (скважине) или при сплошной обсадке интервала перфорированной трубой (дырчатый или щелистый фильтр).

Экспресс-откачки и наливы

Эти методы используют для массовых определений ориентировочных значений фильтрационных свойств водоносных и сухих толщ пород, обладающих невысокой водопроницаемостью (0,01 < к < 5 м/сут). При быстром отборе воды из скважины или наливе в нее происходит мгновенное изменение уровня. Ведут наблюдения за восстановлением уровня при откачке или за снижением уровня при наливе через 1 мин (3—4 замера), затем через 2 мин (3—4 замера), через 5 мин делают 6 замеров и далее через 30 мин по одному замеру. Последующие замеры проводят через 1 ч до полного восстановления уровня. Общая продолжительность опыта до двух бригадо-смен. Обработку данных опыта ведут графоаналитическим методом. Строят графики зависимости и , где S₀ и S₁ — положение уровня по отношению к статическому на начало опыта и через время. По графику S_t = f(/t) в любой точке прямолинейной части графика определяют водопроводимость Т.

Наилучшие результаты дает сочетание методов опережающего опробования с геофизическими методами (расходометрия) и экспресс-методов с основными опытно-фильтрационными работами.

Определение гидрогеологических параметров при опытно-фильтрационных работах

Определение гидрогеологических параметров — одна из важнейших задач динамики подземных вод. Гидрогеологическими параметрами водоносных горизонтов называют величины, характеризующие емкостные и фильтрационные свойства водовмещающих сред, обусловленные скважностью и проницаемостью пород. Эти параметры служат основой для гидрогеологических расчетов, выполняемых при решении задач водоснабжения, орошения и осушения, эксплуатации минеральных вод, проектирования и эксплуатации горнорудных предприятий, добычи нефти, гидротехнического и других видов строительства. Они могут быть получены в результате проведения полевых опытно-фильтрационных работ(откачек, наливов, нагнетаний, выпусков). Наибольшее распространение получили откачки из скважин и наблюдения за восстановлением уровня воды в них. Для вычисления параметров используются основные уравнения движений подземных вод к водозаборным сооружениям, т. е. решаются обратные задачи: параметры определяют по реакции на возмущение.

Ввиду сложного строения водовмещающих сред при расчетах гидрогеологических параметров реальная водовмещающая порода заменяется некоторой условной сплошной средой с непрерывными свойствами.

При откачках из скважин вокруг них образуются депрессионные воронки, обусловленные целым рядом факторов. Размеры воронки депрессии при наступлении квазиустановившейся фильтрации зависят от литологического состава водоносных пород, их гидравлических свойств и продолжительности откачки. Так, при продолжительности откачек 1 — 2 сут радиус депрессионной воронки колеблется от 20 до 100 м в безнапорных водах и от 200 до 1500 м в напорных. При длительных откачках размеры депрессионных воронок становятся очень большими и на их формирование начинают оказывать влияние перетекание вод из выше- и нижележащих горизонтов, а также границы водоносной толщи в плане.

Центральная Наблюдательные скважины

rc – радиус центральной скважины; r1, r2 – расстояния от оси центральной скважины соответственно до наблюдательных скважин 1 и 2; Sс, S1, S2 – величины понижений соответственно в центральной, первой и второй наблюдательных скважинах; m – мощность водоносного горизонта Рисунок 2.10.1 — Схема к определению гидрогеологических параметров при откачке из артезианской скважины

В возмущающих (центральных) скважинах (грунтовых и артезианских) при откачках нередко происходят колебания уровня, иногда значительные. В безнапорных скважинах наблюдаются «гидравлический скачок» и скин-эффект. В наблюдательных скважинах этого нет, поэтому при обработке данных откачек следует отдавать предпочтение результатам, полученным по наблюдательным, скважинам.

Основными гидрогеологическими параметрами водоносного пласта являются: коэффициент фильтрации k, водопроводпроводимости Т, пьезопроводности χ или уровнепроводности а, а также внутреннее фильтрационное сопротивление скважины ς_с; приведенный радиус влияния R_п и др.

Определение гидрогеологических параметров при установившемся движении

Располагая данными о дебите и понижении в процессе откачки, можно определить коэффициент фильтрации по формулам Дюпюи, решая их относительно k (для совершенных и несовершенных скважин).

Артезианские воды (рисунок 2.10.1):

для центральной скважины

; (2.10.1)

для центральной и наблюдательной скважин

(2.10.2)

для двух наблюдательных скважин

(2.10.3)

Грунтовые воды (рисунок 2.10.2):

для центральной скважины

; (2.10.4)

для центральной и наблюдательной скважин

(2.10.5)

для двух наблюдательных скважин

(2.10.6)

где Q, r_с—дебит и радиус центральной скважины; r₁, r_n-1, r_n — расстояния от центральной скважины соответственно до первой, n-1 и n наблюдательных скважин; H_е — мощность водоносного горизонта; S_c, S₁, S_n-₁, S_n — понижение уровня соответственно в центральной, первой, n-1 и n наблюдательных скважинах.

Если откачки проводят из несовершенных скважин, то в приведенные формулы вводят поправку на несовершенство скважин, полученную Н. Н. Веригиным.

Артезианские воды:

для центральной скважины

(2.10.7)

для центральной и наблюдательной скважин

(2.10.8)

для двух наблюдательных скважин

(2.10.9)

Рисунок 2.10.2 — Схема к определению гидрогеологических параметров при откачке из грунтовой скважины

Центральная скважина Скв. 1 Скв. 2

Грунтовые воды:

для центральной скважины

(2.10.10)

для центральной и наблюдательной скважин

(2.10.11)

для двух наблюдательных скважин

(2.10.12)

где ς_с, ς₁, ς_n-1, ς_n — внутренние фильтрационные сопротивления, учитывающие несовершенство соответственно центральной, первой, n-1 и n наблюдательных скважин. Они определяются по графикам (см. рис. 2.9.6 и 2.9.7). Фильтрационные сопротивления наблюдательных скважин можно не учитывать, если эти скважины находятся от центральной на расстоянии, превышающем мощность пласта. При наличии двух наблюдательных скважин показатель общего сопротивления центральной скважины ς_с для артезианских вод может быть определен по формуле

. (2.10.13)

Определив коэффициент фильтрации по приведенным выше формулам и умножив его на мощность водоносной толщи, получим коэффициент водопроводности Т. Для напорных вод Т можно получить также из уравнения, решая его относительно km:

(2.10.14)

При наличии двух наблюдательных скважин формула (2.10.14) примет вид

. (2.10.15)

Приведенный радиус влияния (R_п) определяют по данным опытной откачки при наличии двух наблюдательных скважин по формулам:

для артезианских вод

(2.10.16)

для грунтовых вод

. (2.10.17)

Буквенные обозначения формул (2.10.16) и (2.10.17) см. на рис. 2.10.1 и 2.10.2.

Заметим, что для грунтовых вод при небольшом понижении уровня в центральной скважине, не превышающем 20% мощности водоносного горизонта, можно пользоваться формулами для артезианских вод.