Материал: Hydrogeodynamics101

5. Полевые опытно-миграционные работы

1. Общие вопросы индикаторного опробований водоносных пластов

Определение миграционных параметров в полевых условиях проводятся посредством запуска индикатора в пласт через опытные скважины с последующим его улав­ливанием по соседним скважинам. Опыты можно прово­дить как в естественном, так и в нарушенном (путем откачки ил инагнетания) потоке, причем наиболее досто­верны эксперименты в возмущенном потоке. Они отлича­ются более четкой фильтрационной картиной, позволяют увеличить размеры зоны опробования и тем самым сни­зить влияние масштабных эффектов. Кроме того, важно, что они позволяют одновременно изучать фильтрацион­ные характеристики участка, необходимые для интерпре­тации индикаторного опробования. Однако и эти экспе­рименты не свободны от серьезных недостатков, нередко сильно ограничивающих их ценность.

Говоря ранее об определении фильтрационных пара­метров, мы подчеркивали, что в подавляющем большин­стве случаев их надежная оценка возможна лишь на осно­ве полевых опытных работ. Существенно иначе обстоит дело с миграционными параметрами, когда речь идет об их определении для комплексов пористых песчано-гли­нистых пород. Здесь полевые работы часто либо вообще неэффективны, либо не имеют ощутимых преимуществ в сравнении с лабораторными методами. В частности, опыт показывает, что активная пористость песков, определяе­мая опытными запусками индикатора в пласт, оказывает­ся, как правило, резко заниженной (подчас — в несколько раз). Объясняется это в первую очередь фильтрационной неоднородностью реальных водоносных пластов.

Рассмотрим, например, двухслойный (слои 1 и 2) пласт, изобра­женный на рис. 6.19. Пусть проницаемости к₁ и к₂ различаются в пять раз, а мощности находятся в обратном отношении. Значения актив­ной пористости (п) будем считать равными. Индикатор подается в виде «пакета» вместе с водой, нагнетаемой в скважину А, и улавли­вается в скважине Б. Первая «волна» индикатора будет принесена в скважину Б по более проницаемому слою 1 через время t_l * Ln/v_{, откуда сразу определяется активная пористость п, если задана ско­рость фильтрации этого слоя v_[. На деле, однако, обычно известна усредненная по всему пласту скорость фильтрации, которую опреде­ляют исходя из решения соответствующей плановой задачи. Поэто­му вместо действительного значения п, пропорционального величи­не будет получено расчетной значение п , пропорциональное усредненному коэффициенту фильтрации к - (kjirij + к₂т₂)/(ntj + т₂). Следовательно,

^ki l¹i+^i m_l+m₂ m_x+m₂ k_{

n

в нашей задаче составит 1/3. Итак, получаемое значение активной пористости занижено в три раза. Из формулы (6.64) также видно, что наличие тонких хорошо проницаемых прослоев (m_t « т?) может приводить к занижению активной пористости примерно в к_у/к₂ раз (при близких значениях п, и п₂)-

Рис. 6.19. Схема опробования двухслойного водоносного пласта

о

Б

' ‘

-7^с

Таким образом, для расшифровки результатов проведенного эксперимента необходима послойная оценка проницаемости, что, однако, практически исключается при общепринятой методике Про­ведения опытно-фильтрационных работ.

Важно, что профильная фильтрациоынная неодно­родность — отнюдь не единственная причина больших погрешностей в определяемых значениях миграционных параметров. С такими погрешностями приходится сталки­ваться и при индикаторном опробовании даже однород­ных песков. Объясняется это тем, что за время опробова­ния, при относительно высоких скоростях фильтрации, индикатор проникает лишь в ограниченную часть порово- го пространства (см. раздел 6.1.1).

С другой стороны, напомним, что в песчано-глини­стых грунтах определение коэффициента микродиспер­сии обычно лишено практического смысла (см. раздел 6.3), а основной прогнозный параметр — активная пори­стость, близкая к общей пористости, — вполне уверенно определяется лабораторными экспериментами и даже по аналогии. Все это подтверждает весьма ограниченную ценность полевых опытно-миграционных работ (ОМР) в толщах пористых песчано-глинистых пород.

Совсем другое дело — трещиноватые породы. С одной стороны, два основных параметра — активная трещино­ватость и коэффициент микродисперсии — практически неопределяемы в лабораторных условиях. С другой сто­роны, именно трещиноватые породы являются наиболее быстрыми транспортерами вещества в подземных водах. Все это делает полевые опыты с индикаторами необходи­мым элементом изучения миграционных свойств трещи­новатых горных пород.

2. Методика полевого индикаторного опробования

Опытные полевые скважины лучше всего приурочи­вать к участкам проведения кустовых откачек, с тем чтобы считать фильтрационные параметры пласта известными. Кроме того, при этом можно использовать часть скважин фильтрационного куста. Нужно, однако, иметь в виду, что требования к расположению и оборудованию скважин для миграционного опробования могут существенно отли­чаться от требований к опытно-фильтрационным рабо­там. Прежде всего это относится к масштабам опробова­ния: даже в трещиноватых породах, характеризующихся относительно большими действительными скоростями фильтрации, область влияния эксперимента обычно огра­ничивается первыми десятками метров (при продолжи­тельности опыта, измеряемой первыми сутками). С дру­гой стороны, ОМР требуют очень детальной расшифровки профильной фильтрационной неоднородности опробуемого разреза (см. раздел 6.4). Для этого можно с успехом использовать гидрогеофизические методы, особенно расходометрию и резистивиметрию. Обнаруживая с их помощью наиболее фильтрующие зоны, можно затем участь реальную фильтрационную неоднородность и при выделении интервалов опробования, и при интерпрета­ции опыта.

Рассмотрим теперь возможные схемы собственно ин­дикаторного поробования в нарушенном фильтрацион­ном потоке, когда индикатор запускают в условиях режи­ма фильтрации, близкого к стационарному (квазистацио-

нарному).

ЗАДАНИЕ. Покажите, что последнее условие нетрудно выпол­нить на практике, ибо скорость распространения фильтрационных возмущений существенно выше, чем у индикаторных возмущений. Используйте для этого формулу (4.18) в сопоставлении с характер­ными масштабами конвективного переноса (за одно и то же расчет­ное время t).

При проведении ОМР в точке ввода индикатора в водоносный пласт создается один из следующих концен­трационных режимов:

11 Мгновенный подъем концентрации индикатора и

поддержание ее неизменного значения в период всего

опыта;

L2J пакетный ввод — поддержание постоянной кон­центрации только в течение определенного времени запу­ска;

3 Импульсный ввод — создание больших концент­рации индикатора за весьма малый промежуток времени, в течение которого весь индикатор поступает в пласт.

От типа входного индикаторного сигнала в значитель­ной степени зависят информативность опыта по отноше­нию к определяемым миграционным параметрам, а также простота и доступность обработки кривых «отклика». В частности, при применении пакетного и, особенно, им­пульсного режимов ввода в условиях больших разбавле­ний индикатора, а также в средах с высокими рассеиваю­щими (например, в трещиновато-пористых породах) или поглощающими свойствами, надежность опыта резко па­дает и существенно ограничивается чувствительностью способов индикации.

По типу фильтрационного возмущения возможны раз­личные схемы миграционного опробования. В некоторых случаях опыт проводят в фильтрационном потоке, созда­ваемом откачивающей скважиной, когда запуск индика­тора осуществляется в близрасположенную наблюдатель­ную скважину, а регистрация — в откачиваемой воде. При этом можно использовать для опыта эксплуатационные дренажные скважины рудников, водозаборные скважины хозяйственного назначения и т.п. Однако такая экспери­ментальная схема обладает рядом недостатков, из кото­рых основными являются сильное разбавление индикато­ра в откачиваемой воде и весьма малое время для его регистрации (при обычно применяемых пакетном и им­пульсном запусках).

ЗАДАЧА. Покажите, что в этом опыте коэффициент разбавле­ния имеет порядок —г- (г — удаление наблюдательной скважины от

с

центральной, d_c — даметр наблюдательной скважины). Не забудьте при этом учесть коэффициент искажения потока вблизи наблюда­тельной скважины (см. раздел 6.1.4).

Учитывая отмеченные недостатки опытов с откачива­ющей скважиной, наиболее широко стали проводить экс­перименты по схеме нагнетания (налива) индикаторного раствора в центральную скважину с последующим про­слеживанием его распространения в пласте по наблюда­тельным скважинам. Интерпретация таких опытов ведет­ся по аналитическим зависимостям для плоскорадиальной миграции, которые получают аналогично приведенным ранее зависимостям для конвективно-дисперсионного массопереноса (см. разделы 6.3 и 6.4) или конвективно- кондуктивного теплопереноса (см. раздел 6.5) — в случае использования теплового индикатора. При этом можно применять различные физические модели, отвечающие конкретным условиям эксперимента. Так, запуск солево­го индикатора в пласт трещиноватых пород описывается расчетной схемой микродисперсии, т.е. решением, подо­бным формуле (6.27). Более того, можно использовать это решение и непосредственно, аналогично интерпрета-

ции лабораторных экспериментов (см. раздел 6.6), если заменить в нем скорость фильтрации v(г) условной сред­ней величиной

v =2 v(r) = . _

р ^w Ttrm (6.65)

где г — расстояние от центральной скважины (работаю­щей с постоянным расходом Q) до наблюдатель­ной;

т— мощность пласта.

При использовании солевого индикатора в трещино­вато-пористых породах опробование обычно протекает в рамках расчетной схемы неограниченной емкости (см. раздел 6.4), в чем нетрудно убедиться с помощью крите­рия (6.49). Для интерпретации поэтому можно использо­вать решение (6.47), заменяя в нем х на г, a v — на v_p согласно формуле (6.65).

При всех достоинствах у рассмотренной схемы опро­бования имеются и свои дефекты - резкая неравномер­ность поля скоростей фильтрации с быстрым их падением по мере удаления от центральной скважины, а также ис­кажающая роль естественного потока, влияющего на пе­ренос индикатора в краевых частях опробуемой зоны. Приходится, кроме того, считаться и с техническим несо­вершенством систем слежения за индикаторной меткой в пласте по наблюдательным скважинам (см. разд. 7.3.2).

Улучшение ситуации с этих позиций может быть до­стигнуто проведением опыта по двухскважинной (дуплет- ной) схеме, когда индикатор запускается в нагнетатель­ную скважину , а его регистрация производится в воде откачивающей скважины. Тем самым резко сокращается требуемый для опыта объем бурения. Дуплетная схема весьма эффективна при опробовании глубоко залегаю­щих водоносных горизонтов, когда оперативный отбор гидрохимических проб связан со значительными техниче- скими трудностями.

* Благодаря «замыканию* всех меченых индикатором линий тока на ('укачивающей скважине, при дуплетном опробовании обеспечивается наилучшее, в определенном смысле, осреднение характеристик изучаемой среды в пределах

области влияния опыта.

Более подробно вопросы постановки и интерпретации ОМР рассмотрены в разделе 7.3.

На этом, собственно, изложение гидродинамических основ теории тепло- и массопереноса можно считать за­конченным. Напомним, однако, что мы договорились включить в эту главу и материал, касающийся еще одной специальной проблемы, — влагопереноса в ненасыщен­ных грунтах. Ей будут посвящены заключительные раз­делы главы.

5. Физические основы влагопереноса в горных породах при неполном водонасыщении

Рассмотрение терии влагопереноса имеет первосте­пенное значение для анализа динамики влаги в зоне аэра­ции при гидрогеологическом изучении ряда важных прак­тических проблем. Среди них:

1

изучение условии питания подземных вод;

прогнозная оценка связи подземных вод с вновь создаваемыми водоемами или водотоками;

|з] обоснование ч:хем искусственного пополнения подземных вод;

изучение «защитных» свойств пород зоны аэра-

ции с позиции возможного загрязнения подземных вод;

гидрогеологические исследования на мелиориру­емых территориях;

[б~] изучение режима влажности грунтов в связи с решением различных задач инженерной геологии (имея в виду прежде всего, что от этого режима во многом зависят изменения прочностных и деформационных характери­стик грунтов).

Значимость этих проблем и специфика изучаемых процессов требуют, вообще говоря, выделения теорети­ческих основ влагопереноса в специальную главу нашего курса. Мы, однако, не будем этого делать, и прежде всего потому, что теория здесь по ряду объективных причин пока слишком слабо увязывается с практикой современ­ных гидрогеологических исследований. Соответственно, мы ограничимся в данной книге лишь самыми оОщими положениями этой теории.

1. Общая энергетическая характеристика процесса влагопереноса

В отличие от фильтрации в водонасыщенных породах, для влагопереноса в зоне аэрации характерно наличие в поровом пространстве горных пород двух фаз — воды и воздуха¹, причем последний, находясь в свободном состо­янии *, образует непрерывную фазу и обычно имеет пря­мую связь с атмосферным воздухом. При этом соотноше­ние фаз, т.е. степень водонасьпцения, является тем опре­деляющим фактором в процессе влагопереноса, от кото­рого зависят характер и интенсивность внутренних сил, действующих на частицы жидкости в порах. Чем меньше степень насыщения данного грунта, тем сложнее в целом комплекс этих сил и, соответственно, механизм переноса влаги: все большую роль начинает играть перемещение парообразной воды, — наряду с другими факторами, вза­имосвязанными с массовым потоком (температурными, электрокинетическими, электромагнитными, химически­ми). Однако в условиях пород со сравнительно высокой влажностью (большей максимальной молекулярной вла- гоемкости), обычно характерной для зоны аэрации, глав­ное значение сохраняется за силами гравитации, а также капиллярными и сорбционными силами . Так как в пре­делах каждого равномерно насыщенного элементарного объема грунта (рассматриваемого изолированно от смеж­ных объемов) последние две силы направлены на удержа­ние воды в порах, но их суммарное влияние принято характеризовать сорбционно-капиллярным потенциа­лом поровой влаги — работой необходимой для извлече­ния из фунта некоторой (например, единичной) массы

Ц1ШШПШГЕ ' приходящийся на еди-

J ницу объема воды, —

•j жидкости. Практиче­ски измеряется не ра- о бота, а ее эквивалент,

о

давление, которое принято называть всасывающим давле­нием: если отнести его к единице веса во­ды и, по аналогии, с

пьезометрическои высотой, ввести высо­ту всасывания

Ч*, то она будет выра­жаться в метрах водя-

Рис. 6.20. Схематическое представле- ного столба. Схема- ние измерения всасывающего давления: тически такой ВОДЯ- 1 - образец; 2 - тонкопористая мембрана „ * *