Материал: Hydrogeodynamics101

5. О некоторых гидрогеоиеханических эффектах

[Т| Особенности упругого режима при откачках из глубо­ких водоносных горизонтов обусловлены сопоставимостью разме­ров области возмущения при откачке (условно оконтуриваемой не­которым радиусом влияния Л (t) —рис. 5.11—с мощностью перекры­вающих пород М. Чтобы понять значение этого фактора, уподобим объем пород ABCD круглой жесткой плите, подпираемой снизу реак­цией минерального скелета и гидростатическим давлением воды в напорном пласте, но также закрепленной по своей боковой поверх­ности механическими связями с окружающими породами. Наличие жесткости и закрепления начнет проявляться при деформировании плиты — в виде реакции, препятствующей ее прогибу.

При уменьшении взвешивающего гидростатического давления на величину y_Q S (S — понижение напора) давление плиты на мине­ральный скелет, согласно изложенной (см. раздел 1.4) теории упру­гого режима, должно увеличиться на ту же величину. На самом же деле это произойдет только при условии, что роль жесткости плиты и ее бокового закрепления ничтожно мала. Это условие выполняется для тонкой плиты, но может заметно нарушаться для толстых плит, характеризующихся достаточно большим отношением М/R. Иссле­дование этой задачи [23 ] показывает, что привычная нам теория упругого режима, не учитывающая эффекта жесткости кровли на­порного пласта, справедлива, грубо говоря, лишь при R/M > 3+5.

ВОПРОСЫ. 1. Какова должна быть область влияния при откачке из напорного пласта, залегающего на глубине 500 м, чтобы можно было воспользоваться для интерпретации формулой Тейса? 2. Каков иточник поступления воды в скважины на первом этапе откачки (пока R « М), когда из-за решающего влияния жесткости кровли эффективное давление в пласте остается практически неизменным? (вспомните о двух составляющих упругоемкости горной породы).

[ТГ] Особенности упругого режима при откачке с последую­щим восстановлением напоров обусловлены наличием у многих во­доносных пород ярко выраженного компрессионного гистерезиса (см. раздел 1.4): деформация сжатия этих пород при откачке намного больше, чем их обратная деформация (декомпрессия) при восстанов­лении напора после откачки. Это приводит к тому, что коэффициент

пьезопроводности, определенный по этапу восстановления, часто оказывается на один, а то и на два порядка больше, чем определенный по откачке (значения упругой водоотдачи различаются в обратном соотношении).

Рис. 5.11. Схема, иллюстирирующая эффект жесткости кровли напорного водоносного пласта при откачке

ВОПРОС. Почему восстановление напоров на первых этапах после прекращения откачки часто идет заметно быстрее, чем пони­жение в начальный период откачки (напомним, что, согласно изло­женному в разделе 1.4, кривые откачки и восстановления считались для достаточно малых t идентичными).

Ш| Особенности опытов, проводимых при боль­ших изменениях напоров, могут быть связаны с измене­ниями проницаемости пород в результате интенсивных деформаций сжатия (при откачке) или растяжения (при нагнетании). Это особенно характерно для нагнетаний в трещиноватые породы. При больших давлениях нагнета­ния эквивалентное падение эффективного давления при­водит к увеличению раскрытия трещин и проницаемости пород. Для примера на рис. 5.12 приведен типичный гра­фик зависимости расхода скважины Q_c от давления нагне­тания Р_н. Прямолинейный участок О А свидетельствует о сохранении неизменной проницаемости, участок АВ от­вечает постепенному росту раскрытия трещин (гидрорас­членение пласта). Наконец, резкое падение давления на­гнетания при одновремен­ном росте расхода (точка В на графике) говорит о на­ступлении гидроразрыва пласта.

6. Особенности фильтрационного процесса при откачках из планово-ограниченных и планово-неоднородных пластов

|Т | Откачка вблизи реки. Характерный индикатор­ный график приведен на рис. 5.13,а. После первого этапа (участок 1), аналогичного случаю неограниченного пла­ста, кривая выполаживается. Горизонтальный участок 2 отвечает стационарному режиму: весь расход откачки компенсируется поступлением воды из реки, понижения на этом этапе описываются полученной нами ранее фор­мулой (3.47).

Более сложная картика наблюдается при откачках вблизи малых рек с закольматированным руслом. Кольматационный слой приводит к дополнительной потере напора при фильтрации к скважине из реки. Согласно методу эквивалентных фильтрационных сопротивле­ний (см. раздел 3.4), влияние этого слоя можно учесть, увеличивая расстояние от скважины до реки на фиктивную величину A L, кото­рую принято рассматривать как особый фильтрационный параметр. Однако определение параметра А/.опытным путем требует обычно проведения мощных и длительных откачек. Поэтому чаще его нахо-

дят по данным режимных наблюдений, используя для этого замеры уровня в наблюдательной скважине, расположенной вблизи уреза воды (см. разделы 3.4 и 4.2).

а.

Рис. 5.13. Индикаторные графики откачек, проводимых вблизи гра­ниц водоносных пластов: а-у реки; б - около непроницаемого сброса

In i

|2 Откачка вблизи непроницаемого сброса. Ха­рактерный индикаторный график приведен на рис. 5.13,6. В отличие от предыдущего случая здесь влияние границы приводит к ускорению понижения на втором этапе, кото­рому соответствует второй участок графика, имеющий, согласно теории, уклон в два раза больший, чем первый.

ЗАДАЧА. Докажите последнее положение, используя аналити­ческое решение для рассматриваемого случая откачки (см. соответ­ствующую задачу в разделе 4.1.2).

Так как время t_} (см. рис. 5.13,6) увязывается с расстоянием от скважины до сброса, то это обстоятельство делает возможным ис­пользование гидродинамических возмущений (откачек, остановок фонтанирующих скважин и т.п.) для «гидропрослушивания» пласта: по характеру графика выявляется сам факт наличия тектонического нарушения, а по времени и характеру пьезометрической поверх­ности можно попытаться установить его положение. Следовательно, в данном случае гидродинамические методы могут сыграть полезную роль при геологоструктурном изучении объекта.

Откачки в планово-неоднородных пластах.

Две только что проанализированные нами задачи могут рассматриваться как предельные варианты откачек в пла­ново-неоднородных пластах; они показывают тенденции в вариациях индикаторных графиков откачек, проводи­мых вблизи контакта с весьма водообильными и проница­емыми породами или, наоборот, со слабопроницаемыми породами.

Более сложной представляется общая задача, когда областью влияния откачки охватывается участок пласта, состоящий из ряда зон фильтрационной неоднородности произвольной конфигурации. В этом случае пьезометри­ческие кривые могут оказаться весьма далекими от теоре­тических.

ПРИМЕР. На рис. 5.14 изображена пьезометрическая кривая при откачке. На участке АВ отмечается обратный уклон кривой, т.е. понижение в дальней наблюдательной скважине больше, чем в ближ­ней и приходится делать вывод, что вода на этом участке течет в сторону, противоположную откачивающей скважине (??). Чаще все­го, правда, это не так, и ситуация объясняется дефектами наблюда­тельных скважин или их несовершенством (см. раздел 5.4). Оказы­вается, однако, что описанный эффект может иметь и реальную физическую основу — фильтрационную неоднородность среды. По­пытайтесь, в частности, самостоятельно уяснить это на примере рис. 5.14, где луч наблюдательных скважин пересекает «пятно» относи­тельно слабопроницаемых пород (k_Q « к).

Рис. 5.12, Типовой график зави­симости расхода скважины от давления нагнетания

Известно немало случа­ев, когда в результате гидро­расчленения значения про­ницаемости, полученные опытными нагнетаниями, от­личались от истинных на по­рядок, а при гидроразрыве слабопроницаемых пород — даже на два-три порядка [23].

а

ИГ)

А б

Рис. 5.14. Схема откачки в условиях плановой фильтрационной

неоднородности:

а - плановое положение луча наблюдательных скважин; б -пьезометрическая

кривая

В отличие от только что рассмотренного примера, при большем числе зон неоднородности, распределенных по пласту случайным образом, откачка реально может ин­терпретироваться как для однородного пласта: если об­ласть ее эффективного влияния намного (грубо говоря, на порядок) превосходит размеры зон неоднородности, то по графикам временного прослеживания получают некото­рые усредненные (эффективные) параметры пласта. Все сказанное здесь справедливо и для комплексов трещино­ватых пород — тех, в которых велики расстояния между основными фильтрующими трещинами. Вспомните, на­пример, что при малых размерах области влияния у нас окажутся невыполненными даже основные предпосылки сплошности изучаемой среды (см. раздел 5.2.2).

Заканчивая этот раздел, сделаем общий вывод. В большинстве реальных случаев фильтрационные процес­сы, возникающие при откачках, требуют для своего опи­сания учета ряда важных природных факторов, не прини­мавшихся нами до сих пор во внимание при построении теории фильтрации. Вместе с тем, при достаточно продол­жительных откачках влияние многих из этих факторов ослабевает, и тогда для интерпретации соответствующих асимптотических участков индикаторных графиков мож­но использовать решения, полученные нами ранее в рам­ках традиционных теоретических построений.

4. Анализ влияния технических факторов

на резуль-таты опытно-фильтрационных работ

1. Значение несовершенства центральной скважины по степени вскрытия пласта

В разделе 3.4 мы научились достаточно просто учиты­вать несовершенство водозаборной скважины, так что, казалось бы, упомянутые там решения позволяют без труда интерпретировать откачку из несовершенной сква­жины . На самом же деле, однако, полученные таким образом результаты чаще всего далеки от реальности. Начнем с простого примера.

На рис. 5.15,а изображен предполагаемый разрез на участке откачки (по данным бурения), а на рис. 5.15,6 — фактический. Тонкий прослой глин в толще песков может быть легко пропущен при бескерновом бурении опытных скважин. Обрабатывая данные такой откачки по формуле для несовершенной скважины в однородном изотропном пласте (см. рис. 5.15,а), мы получим на самом деле пара­метры, близкие к параметрам лишь верхней зоны песков, и будем ошибочно распространять их на весь пласт. В частности, проводимость окажется заниженной примерно в (m_l + т₂) Iт₁ раз. Если же, наоборот, мы, зная о суще¹ ствовании глинистого прослоя, попытаемся участь его в интерпретационной схеме, то придем к некорректной (см. раздел 5.1) задаче, практически не решаемой при ограни­ченном числе наблюдательных скважин и при откачке нормальной Продолжительности.

а

'Шиш

. •. •. -Б

¹±шл '

тпггтггттгт гттг/

ттштт

Рис. 5.15. Схемы откачки из несовершенной скважины: а - однородный пласт; б - пласт с водоупорным прослоем

Этот пример достаточно очевиден, и на него можно возразить, что нередко мы можем вполне уверенно гаран­тировать сравнительную однородность разреза на участке опробования. Однако и это не является залогом успешной откачки посредством несовершенной скважины. Дело в том, что многие, внешне однородные, геологические об­разования характеризуются резкой профильной анизот­ропией: часто, например, коэффициент фильтрации по напластованию в десятки - сотни раз выше, чем вкрест напластования¹. Следовательно, нужно учитывать ани­зотропию в соответствующих расчетных зависимостях для несовершенных скважин. Теория, конечно, позволяет это сделать, но использование полученных формул для обработки откачек часто приводит все-таки к ненадежным результатам из-за увеличения числа неизвестных пара­метров и малой чувствительности к ним расчетного алго­ритма (см. раздел 5.1).

Важно, наконец, отметить, что несовершенство цент­ральной скважины приводит к изменениям характера ин­дикаторных графиков, качественно подобным влиянию ряда природных факторов, рассмотренных в разделе 5.3. Это, конечно, вносит дополнительные трудности в рас­шифровку результатов опыта.

Сказанное здесь распространяется, естественно, и на скважины, пройденные на всю мощность пласта, но име­ющие укороченный фильтрующий интервал.

2. Значение несовершенства наблюдательных скважин по степени вскрытия пласта

Влияние несовершенства в этом случае менее ощути­мо — по крайней мере в сравнительно однородных изо­тропных пластах: при плановой фильтрации наблюда­тельная скважина теоретически показывает правильный напор независимо от положения и длины фильтра. Прав­да, в безнапорных пластах, и особенно при откачках из несовершенных скважин, данные ближних (см. условия

50. , (2.51)) наблюдательных скважин будут небезраз­личными к этим факторам (см. раздел 5.4.1). Более важ­ны, однако, эффекты, обусловленные несовершенством скважин, в слоистых и некоторых трещиноватых пластах.