Материал: Hydrogeodynamics101

5. Инерционность наблюдательных скважин

Зададим себе элементарный вопрос: что нужно, чтобы открытая наблюдательная скважина зафиксировала по­нижение S в пласте? Ответ прост: необходимо, чтобы из

скважины вытек объем воды V — nr^S. Если поступление

этой воды в пласт затруднено сравнительно невысокой проницаемостью пород, то уровень воды в скважине будет снижаться с некоторым отставанием от пьезометрической поверхности пласта, т.е. наша измерительная система - скважина оказывается инерционной. Очевидно, значение инерционности максимально на ранних этапах пониже­ния напора в данной точке пласта, когда скорости изме­нения уровня максимальны, причем время существенного ее проявления t_n будет расти с увеличением поперечного сечения (о_с скважины и с падением проницаемости водо­носных пород. Так, для совершенных скважин погреш­ность, обусловленная инерционностью, оказывается меньше 10% при времени [23]

0)

f. ~ (15+20) _{(5 14)}

ВОПРОС. Как влияет на инерционность длина фильтра несовер­шенного пьезометра?

Отсюда нетрудно видеть, что в типичных супесчаных и суглинистых грунтах, например, измерения понижений оказываются сильно искаженными инерционностью сква­жин в течение нескольких часов. Тот же порядок имеет время t_n и для скважин в песчаных или трещиноватых породах, прифильтровая зона которых существенно за­тронута процессами кольматации (см. раздел 5.4.4).

Для учета влияния инерционности необходима предварительная тарировка наблюдательных скважин, для чего проще всего использо­вать кратковременные наливы воды в скважину [23 ]. В слабопрони­цаемых суглинистых и глинистых грунтах правильнее стремиться к

ный в координатах IgS, lg(t/r²), то эти графики должны иметь одинаковую форму. Параллельным перемещением по осям координат можно добиться совпадения графиков, причем они будут сдвинуты по вертикали на величину

lg -г^-Ьр , а по горизонтали — на величину lg(4a*), как

это¹ иллюстрируется рис. 5.17. Снимая с совмещенного графика эти величины, определяем параметры Гид*.

Рис. 5.17. Совмещение опытных точек ( показаны кружками ) с эталонной кривой

Способ прямой линии, ввиду его особой важности, уже освещен в разделе 5.1 применительно к временному прослеживанию. Это, в частности, основной способ обра­ботки данных одиночных откачек (как правило, обраба­тывается кривая восстановления уровня — см. раздел

2. . Подчеркнем, что он годится только для времени- наступления квазистационарного режима, т.е. при выпол­нении условия (4.29). При этом, следовательно, упуска­ется информация о начальном участке кривой прослежи­вания. Используя структуру формулы (4.30), нетрудно показать возможности способа прямой линии и для про­странственного прослеживания — в координатах S — Igr, что для двух наблюдательных скважин, находящихся в зоне квазистационарного режима (см. условие (4.29)), равносильно применению формулы (4.31). Наконец, при комбинированном прослеживании график спрямляется в координатах S — lg(t/г²).

Точечные способы основаны на использовании от­дельных замеров, либо никак не объединяемых друг с другом в интерпретационной схеме, либо увязанных, со­гласно той или иной аналитической зависимости, еще с одной замерной точкой (так, только что упомянутый рас­чет по формуле Дюпюи может рассматриваться и как двухточечный способ).

Способы, основанные на интегральных преобразо­ваниях,чаще всего используют операционный метод (см. раздел 4.2). Для этого по замеренным значениям пониже­ний в наблюдательной скважине вычисляются их изобра­жения У для ряда значений параметра преобразования t_p (см. формулы (4.53) и (4.53а)), после чего для интерпре­тации используется соответствующее решение в изобра­жениях, рассматриваемое как график связи $=f( t_p). Если при этом справедлива, например, логарифмическая связь 5 и t (см., в частности, формулу (4.57а), то используется соответствующая модификация способа прямой. При дан­ном способе обработки легко учитывается непостоянство расхода откачки (см. формулы (4.56) и (4.57)).

Способ совмещения кривых прослеживания пред­полагает последовательный подбор параметров, исходя из требования совмещения фактического и расчетного гра­фиков временного прослеживания. По этому способу, определив предварительно параметры, строят расчетную кривую прослеживания и сопоставляют ее с фактической, после чего, учитывая характер зависимости хода процесса от параметров, их изменяют, добиваясь наилучшего со­вмещения расчетной и фактической кривых; при этом могут эффективно использоваться специально ориенти­рованные алгоритмы для «автоматического» подбора па­раметров на ЭВМ.

Сопоставительная оценка способов обработки. Все упомянутые здесь способы обработки являются равно­ценными, если принятая расчетная схема точно отражает природные и технические условия эксперимента, а заме­ры понижений и расходов при откачке сделаны без по­грешностей. Поскольку на практике всегда бывает иначе, разные способы оказываются существенно различающи­мися с точки зрения их чувствительности к погрешностям расчетной схемы и замеров, а следовательно, и надеж­ность получаемых по ним параметров может оказаться существенно различной.

С этих позиций ясно, что способы, объединяющие информацию, оказываются, при прочих равных услови­ях, эффективней, чем точечные способы, если, конечно, при такой свертке не допускается больших дополнитель­ных погрешностей (усреднения, интерполяции, экстрапо­ляции и т.д.). Последнее требование обычно справедливо для временного прослеживания и относительно реже вы­полняется при площадном прослеживании - ввиду огра­ниченного числа замерных точек (наблюдательных сква­жин).

При относительно хорошем соответствии расчетной схемы условиям эксперимента наиболее удобным из спо­собов, свертывающих информацию, является способ пря­мой линии для временного прослеживания (в обычной или операционной модификации), который широко и ус­пешно используется на практике. В частности, график S = / (In t) служит важнейшим основанием для проведения диагностики откачек (см. раздел 5.5.2). При большом числе наблюдательных скважин способ прямой линии мо­жет эффективно применяться при комбинированном (площадном и временном) прослеживании.

Широкое распространение в практических расчетах получили также различные модификации способа эталон­ной кривой, позволяющего провести обработку и диагно­стику данных по всей имеющейся информации временно­го или комбинированного прослеживания (включая на­чальный этап нестационарного режима). Однако совме­щение опытной кривой с эталонной всегда привносит в расчет повышенную долю субъективизма.

Способ совмещения кривых прослеживания можно применять для обработки крупномасшатбных откачек в сложных геофильтрационных условиях.

Таким образом, выбор эффективного способа обра­ботки ОФР — задача не из легких. Поэтому попытаемся дать хоть какие-то общие ориентиры для ее решения. Будем исходить здесь из того, что при отсутствии сущест­венного влияния плановых границ пласта или плановой неоднородности (см. раздел 5.3) и несовершенства опыт­ных скважин (см. раздел 5.4) важнейшим показателем качества интерпретации является совпадение значений проводимости, полученных временным и площадным прослеживанием. Отсюда можно рекомендовать такую последовательность расчетных операций при обработке данных кустовой откачки:

|~Г| используя одновременные замеры по двум ближ­ним наблюдательным скважинам на заключительном эта­пе откачки¹, определяют проводимость из формулы (4.31), предполагающей квазистационарный режим:

т - ^{0,37 Qc} Is^Тг ■ ^ы S(^r,) - ^s(^ri) ^ri ' (5.16)

при откачках вблизи реки, имеющих конечный стацио­нарный этап, вместо (5.16) используется формула (3.47);

[Т] по графикам временного прослеживания спосо­бом прямой линии определяют проводимость Т_вр. Если ~ Т_вр, то выполняются следующие этапы расчета (в про­тивном случае приходится искать какие-то важные про­счеты в принятой интерпретационной схеме или — для планово-однородных пластов — отнестись с большим до- верием к величине Т^);

оценивают коэффициент пьезопроводнсоти

(уровнепроводности) способом прямой (если результаты

расчетов проводимости этим способом признаны удовлет­ворительными) или точечным способом;

ПГ| проверяют выполнение условия квазистационар­ности (4.29) для расчетных диапазонов, принятых в опе­рациях 1 и 2 (если оно не выполнено, то проводят допол­нительные уточнения);

~5~| проводят более детальные расчеты, максимально использующие расчетные точки графиков и временного, и площадного прослеживания; при этом могут широко присменяться способы эталонной кривой или способы, основанные на интегральных преобразованиях;

[~6 | достоверность найденных расчетных параметров оценивают путем сопоставления получаемых по ним рас­четных графиков с фактическими. Для этого, как уже отмечено, можно эффективно использовать ЭВМ.

В то же время следует очень осторожно относиться к широкой передаче ЭВМ всех функций по интерпретации опыта, особенно с учетом многочисленных сложностей диагностики.

Важнейшим моментом при оценке надежности пол­ученных параметров является анализ чувствительно­сти расчетной модели. Для этого поочередно меняют зна­чения параметров в тех или иных диапазонах и сравнива­ют полученные таким образом новые расчетные кривые с ранее построенной расчетной (или опытной) кривой. Ес­ли большие изменения параметра вызывают лишь малые расхождения в кривых, то это свидетельствует о малой надежности расчетного значения параметра, о слабой чув­ствительности к нему выбранного расчетного алгоритма. Такой анализ позволяет часто выделить те (более чувст­вительные) участки опытных кривых, по которым пред­почтительнее оценивать данный параметр. В противном случае желательно строить или изменять расчетный алго­ритм таким образом, чтобы мало надежные параметры не использовались (как промежуточные данные) для расчета других параметров.

ВОПРОС. В каких точках области влияния откачки — ближних или дальних — одинаковые изменения проводимости окажут более заметный эффект на понижение в центральной скважине? Почему?

ЗАДАНИЕ. Попытайтесь объяснить, исходя из смысла и струк­туры формул (5.16) и (4.30), почему результаты площадного просле­живания наиболее чувствительны к изменениям проводимости в зо­не, охваченной наблюдательными скважинами ; почему, наоборот, результаты временного прослеживания по способу прямой на эти изменения почти не реагируют? (для ответа на эти вопросы еще раз уясните физический смысл понятия квазистационарного режима (см. раздел 4.1.2), которому только и отвечают упомянутые зависи­мости, лежащие в основе площадного (4.31) и временного (4.30) прослеживания).

В целом анализ чувствительности подтверждает прак­тические представления о том, что даже ОФР, проведен­ные на высоком качественном уровне, могут давать весь­ма ощутимые погрешности в определяемых параметрах. Причина этому — различные неучтенные отклонения от расчетной схемы (например, фоновые колебания напоров или площадная изменчивость фильтрационных свойств). Так, для водопроводимости, определенной качественны­ми кустовыми откачками, характерны погрешности по­рядка 10%, возрастая до нескольких десятков процентов для качественных одиночных опробований. В этой связи нет смысла настаивать на излишне высокой точности ал­горитмов интерпретации ОФР, считая во всех случаях вполне допустимыми для них погрешности порядка пер­вых процентов для кустовых откачек и 5-10% — дли одиночных.

2. Принципы диагностики данных офр

Конечной целью диагностики является выбор расчет­ной интерпретационной схемы, учитывающей с опти­мальной полнотой и надежностью природные и техниче­ские условия проведения эксперимента. Понятие опти­мальности в данном случае одновременно предполагает, что расчетная схема, во-первых, является, по возможно-

Точнее, теми из них, что использованы при прослеживании.

сти, простой, исключающей влияние малозначащих фак­торов, а во-вторых, находится в соответствии с объемом полученной при эксперименте информации. К сожале­нию, на практике эти требования к расчетной схеме всегда выполняются лишь с некоторым приближением - как в силу сложности реальных условий, так и ввиду ограни­ченности исходной информации. Поэтому диагностика опытной откачки может быть формализована лишь в ог­раниченной степени, решающую роль здесь играют опыт и интуиция специалиста. Вместе с тем, даже опытные специалисты часто допускают просчеты в интерпретации откачек, обусловленные недостаточным пониманием всех тонкостей и многообразных проявлений фильтрационно­го процесса при откачке, которые вытекают из его деталь­ного теоретического анализа. В связи с этим чрезвычайно важно, чтобы основные принципы диагностики опытных откачек строились на сочетании качественного гидрогео­логического анализа и количественных методов интерп­ретации. В то же время, диагностика откачек, как и любая схематизация, должна вестись поэтапно, путем постепен­ного уточнения интерпретационной схемы, причем усло­вия, обеспечивающие надежность диагностики, следует принимать во внимание уже при постановке и проведении эксперимента (см. раздел 7.1).

Диагностика откачки начинается с качественного ана­лиза условий ее проведения, после чего, исходя из прин­ципа обратной связи, все шире привлекаются и различные элементы количественного анализа. Естественно, исход­ным элементом диагностики является тщательный геоло­гический анализ. Предполагается, что такой анализ, по возможности, проводится уже при постановке Опытной откачки, существенно предопределяя тем самым и круг возможных интерпретационных схем. Дальнейшая дета­лизация геофильтрационного строения опробуемых пла­стов базируется на полученных при бурении данных по литологическому и механическому составу пород, по ге­офизическому и гидрогеологическому опробованию в процессе проходки и оборудования скважин. Все эти дан­ные в сочетании с результатами замеров напоров в про­цессе и по окончании бурения позволяют построить гео- фильтрационный разрез и в первом приближении наме­тить типовую расчетную схему. Как правило, это должна быть одна (иногда две) из основных схем, рассмотренных в разделе 5.2.

Вспомогательная информация для предварительных качествен­ных построений может быть получена при анализе и лабораторном исследовании ненарушенных образцов водоносных и относительно водоупорных пород. Так, для выделения относительных водоупоров и предварительной оценки возможного перетекания полезно оценить расход его по известным из лабораторных экспериментов парамет­рам проницаемости (хотя подобные оценки обычно дают занижен­ные показатели). Для тонкослоистых фильтрующих толщ результа­ты испытаний на фильтрацию вдоль й вкрест напластования дают представление о степени профильной анизотропии. Особое значение имеет использование лабораторных данных компрессионных испы­таний для представлений о коэффициентах упругоемкости водонос­ных и водоупорных пород.

Полезную информацию дают также сведения о напорах подзем­ных вод, полученные в процессе и по окончании бурения. Так, раз­рыв естественных напоров отдельных пластов вдали от койтуров питания (стока) чаще всего безусловно свидетельствует о пренебре­жимо малом их взаимодействии и в процессе откачки.

ВОПРОСЫ. 1. Обязательно ли факт противоположного свойства (совпадение значений естественных напоров) является доводом в пользу возможности существенного проявления перетекания при от­качке? (будем иметь в виду, что в естественных условиях перетека­ние могло идти длительное время и на больших площадях. 2. Кай должны меняться с глубиной напоры в слоистой водоносной тблщё вблизи ее контура стока, несовершенного по степени вскрытия тол­щи?

Подчеркнем еще раз, что большинство из упомянутых здесь вспомогательных диагностических приемов и мето­дов могут и должны использоваться уже при проектиро­вании откачки, способствуя тем самым ее большей целе­направленности и выработке исходных представлений о возможной интерпретационной схеме. Последующее уточнение этой схемы ведется непосредстсвенно по мате­риалам откачки, в первую очередь по составляемым в процессе эксперимента индикаторным графикам площад­ного — S =f, (lg г), вре­менного — S =/ (lg t) и комбинированног о про­слеживания.

Важнейшим эле­ментом при диагности­ке откачки являются индикаторные графики временного прослежи­вания. При достаточ­ной длительности опы- а та и полноте измерений

сама форма этих гра­вис. 5.18. Характерные индикатор- фиков часто может сви- ные графики откачки: детельствовать О тех

1 - в изолированном напорном пласте; 2 - в ” ^ пгпбеттостях

гетерогенном пласте; 3 - вблизи водонепрони- ^{и т} " ‘ uluuchhuwijia

цаемого контура; 4 - вблизи контура питания фИЛЬТраЦИОННОГО ПрО- или при наличии перетекания из весьма водо- цесСЗ. Для Примера На обильного пласта р_ИС 5 j g _Пр_Ивед_ены ха­

рактерные индикаторные графики некоторых типовых расчетных схем. С помощью подобных графиков иденти­фицируется наличие непроницаемых или слабопроница­емых контуров (кривая 3), дополнительное питание из поверхностных водоемов или мощных водоносных пла­стов (кривая 4) и т.п. Вместе с тем, многие факторы проявляются на индикаторных графиках качественно идентично (см. разделы 5.3 и 5.4), что резко снижает возможности дагностики.

ЗАДАНИЕ. Пользуясь материалом разделов 5.3 и 5.4, приведите возможные объяснения характера графиков 2, 3 и 4 на рис. 5.18, применяя их к различным типовым схемам. Не забудьте при этом, что графики вида 3 и 4 могут являться «усеченными» вариантами графика вида 2.

С учетом упомянутых обстоятельств, диагностика индикаторных графиков одиночных откачек оказыва­ется весьма субъективной. С одной стороны, эти графи­ки в максимальной степени подвержены влиянию различ­ных аномальных факторов, а с другой — практически отсутствует контрольная информация, позволяющая вы­явить и устранить их влияние.

С этой точки зрения кустовые откачки обладают не­оспоримыми преимуществами: возможность взаимного дополнения и сопоставления информации по различным наблюдательным скважинам, а также устранение погреш­ностей, связанных с измерениями уровней по централь­ной скважине, позволяют рассчитывать на сравнительно надежную диагностику гораздо чаще, чем в одиночных экспериментах. Это, в частности, касается выбора пред­ставительных участков индикаторных графиков для по­следующего расчета: в разделах 5.3 и 5.4 показано, что разные участки графиков чаще всего отвечают различным аналитическим зависимостям. Например, при обработке способом прямой линии (см. раздел 5.5.1) необходимо иметь гарантию, что выбранный прямолинейный участок не искажен влиянием разного рода технических факторов (неравномерность работы насоса, скин-эффект централь-¹ ной скважины, несовершенство по степени вскрытия и инерционность пьезометров — см. раздел 5.4). В этом плане важно подчеркнуть следующие элементы, связан­ные; с диагностикой:

1J возможность проверки интерпретационной схе­мы по параллельности конечных участков графиков вре­менного прослеживания или по разбросу точек на графи­ке комбинированного прослеживания (в координатах S—■

2 возможность проверки — для планово-однород­ных пластов — представительности выбранного участка графика по близости расчетных значений проводимости, полученных временным и площадным прослеживанием (см. раздел 5.5.1). Подобные возможности полностью ис­ключаются для одиночных откачек, что делает выделение расчетного участка графика крайне субъективным.

ПРИМЕР [23 ]. Кустовая откачка продолжительностью 7 сут проводилась с устойчивым расходом 1200 м /сут в безнапорном во­доносном горизонте, приуроченном к среднезернистым пескам мощ­ностью около 40 м. Проводимость₂определенная по наблюдательным скважинам, составляла — 750 м /сут. На графике восстановления (рис. 5.19) для централь­ной скважины диаметром 300 мм, пройденной враща­тельным способом на гли­нистом растворе, выделя­ются три (1-3) прямоли­нейных участка (измере­ния, сделанные в течение первой минуты и отражаю­щие доминирующее влия­ние емкости скважины, на графике опущены). Рас­четные значения проводи­мости, полученные по ук­лонам разны£ участков, со­ставляют, м /сут: Т' = 90, Т" = 800 и Т'" = 3700. Ве­личина Т', рассчитанная по участку 1 (для t < 10мин), отражает влияние скин-эффекта (с емкостью скважины) и отвечает проводимости прифильтровой зоны скважины. Величина Т'' пример­но соответствует истинной проводимости пласта (участок 2, время t от 10 мин до 2 ч). Наконец, значение Т^,п явно завышено, что обус­ловлено выполаживанием графика на участке 3 вследствие эффектов упругогравитационного режима (см. раздел 5.3.4), а также влияния истории откачки.