Материал: Hydrogeodynamics101

Наконец, изменение расчетного градиента инфильтрации, обус­ловленное слоистостью, требует дифференцированных замеров дав­ления в пределах зоны увлажнения.

Диффузионные эффекты, как уже отмечено (см. раздел 6.9.2 [риводят к «размыванию» фронта увлажнения и на нижней, и на боковых границах. Роль их в целом растет с падением проница­емости, но в случае гетерогенных сред они могут иметь определяю­щее значение (поступление воды в слабопроницаемые пористые блоки) и при высоких коэффициентах фильтрации пород. Увеличение продол­жительности и площади эксперимента способствует снижению роли диффузионных эффектов, прямой же их учет в расчетной модели (урав­нение ».74)) требует серьезного усложнения методики опыта.

При использовании данных опытных наливов для прогно­за фильтрации под инженерными сооружениями дополнительные погрешности вызываются недоучетом возможного снижения прони­цаемости вследствие сжатия испытуемых пород под весом сооруже­ния. Например, для лессовидных суглинков проницаемость может падать при этом на два-три порядка [21 ]. Аналогичное влияние на нижнюю часть опробуемой экранирующей толщи может оказывать (после затопления) вес вышележащих слоев пород. Вопрос этот тем более важен, что при наливах в глинистые грунты могут иметь место эффекты прямопротивоположного свойства, обусловленные набуха- ниемлгород в процессе налива.

Особо следует отметить некоторые из более тонких эффек­

тов, например зависимость проницаемости от состава и температуры воды, используемой при наливах в глинистые породы.

Все сказанное делает наливы в шурфы малонадежным экспери­ментом. Простейшие (стандартные) его модификации, очевидно, ра­зумно использовать лишь в условиях однородных, достаточно хоро­шо проницаемых (песчаных) грунтов. В прочих же условиях можно- рассчитывать на достаточную надежность эксперимента только при соблюдении следующих требований, важность которых подчеркива­ется многими авторами:

а) прямое прослеживание фронта увлажнения или, в противном случае, достижение при опыте стационарного режима (конечно, если последнее вообще реально);

б) прямое определение зависимости всасывающего давления от влажности или достижение условий, когда роль капиллярных эф­фектов на фронте увлажнения пренебрежимо мала; прямое опреде­ление давленик в отдельных замерных точках, расположенных по высоте зоны увлажнения;

в) контроль изменения влажности пород в процессе опыта или обеспечение такой продолжительности опыта, при которой заведомо достигается стационарное распределение влажности в пределах зоны увлажнения (в этом вариенте можно ограничиться контрольными определениями влажности после опыта);

г) достижение в эксперименте режима, исключающего сущест­венное влияние диффузионных эффектов, что в слабопроницаемых породах реально может быть обеспечено только выходом на стацио­нарный режим эксперимента;

д) при необходимости последующего учета дополнительных на­грузок от сооружения или от вышележащих слоев пород — обеспече­ние по ходу опыта соответствующего напряженного состояния, что в условиях проведения полевого опыта подчас трудно выполнимо;

е) установка контрольно-измерительной аппаратуры не должна вносить серьезных искажений в ход эксперимента.

Естественно, выполнение всей совокупности упомянутых здесь требований к опытным наливам связано с необходимостью резкого увеличения масштабов, продолжительности и информативности экс­перимента. В том что касается информативности, интересные воз­можности связаны с наливами «меченой» воды, т.е. с применением солевых или тепловых индикаторов [21 ].

Думается, всего сказанного достаточно, чтобы хоть частично понять, с какими трудностями связаны оценки

параметров влагопереноса в зоне аэрации и почему эти оценки очень часто оказываются на практике весьма не­надежными. Повторим в заключение, что именно по этой причине мы воздержимся здесь от более детального об­суждения теории влагопереноса: применение ее на прак­тике — в основном дело будущего.

Контрольные вопросы

[~Г] Какие основные механизмы миграции в водоносных поро­дах вам известны? Перечислите соответствующие им основные миг­рационные параметры массопереноса в водоносных горизонтах. Ка­кие для них существуют аналоги в характеристиках процесса тепло- переноса?

[~2~] Что дает анализ фильтрационной картины для решения задач миграции подземных вод? При каких предпосылках о режиме фильтрации решались нами основные задачи миграции?

|з] Что такое действительная скорость фильтрации? Раскройте ее связь с фильтрационными и емкостными параметрами пород. Дайте понятие общей, активной и эффективной пористости горной породы. Какие между ними существуют количественные соотношения? Каков порядок значений этих параметров для пористых и трещиноватых по­род? Может ли эффективная пористость быть больше единицы?

[4 | Будет ли различаться скорость движения концентрацион­ного фронта при разных соотношениях между исходными концент­рациями вытесняемого и вытесняющего растворов (в случае линей­ной изотермы сорбции Генри) ?

рГ| Каковы основные факторы, определяющие интенсивность развития в водоносных горизонтах процессов плотностной конвек­ции? Приведите характерные примеры загрязнения подземных вод, специфика которого существенно определяется процессами гравита­ционной дифференциации растворов в водоносных горизонтах.

[~б | В чем физический смысл процессов продольной и попереч­ной гидродисперсии? Оцените значимость молекулярной диффузии в процессе продольного дисперсионного рассеяния для различных литологических разностей фильтрующих сред.

[~7~| Какое принципиальное значение имеют пространствен­но-временные масштабы для миграционных процессов? Как меняет­ся роль гидродисперсионных эффектов рассеяния в пористых и тре­щиноватых породах в зависимости от масштаба области переноса?

[~8~] Какое влияние на размер переходной зоны оказывают процессы равновесной сорбции? Изменится ли ваш ответ для нерав­новесных сорбционных процессов?

Проведите сравнительную оценку опасности загрязнения двух водоносных горизонтов, приуроченных к комплексам однород­ных пористых (в первом случае), и трещиноватых (во втором случае) пород считая, что в остальном гидрогеологические условия и фильт­рационные параметры для них подобны. Изменятся ли выводы для случая теплового загрязнения тех же водоносных горизонтов?

10 Что понимается в теории миграции подземных вод под терминами «гетерогенные водоносные комплексы» и «макродиспер­сия»? Какие основные расчетные схемы используются для физико- математического описания массопереноса в гетерогенных (слоистых и трещиновато-пористых) водоносных комплексах? Как смещаются диапазоны применимости этих схем в случае теплового воздействия на пласт?

11 Как изменяется значимость основных механизмов пере­носа в гетерогенных комплексах в зависимости от масштаба области рассмотрения и продолжительности процесса? При каких условиях миграцию в гетерогенных комплексах допустимо рассматривать с фор­мальных позиций, аналогичных случаю гомогенных комплексов?

Какие предпосылки легли в основу дифференциации ус- лов ийпроведени я миграционных экспериментов в различных комп­лексах водоносных пород? Какое место отводится лабораторным экс­периментам при изучении параметров массопереноса в пористых и трещиноватых породах?

12

13 Как влияет надежность фильтрационного расчленения разреза на точность определения миграционных параметров? Какие в связи с этим возникают требования к постановке полевых индика­торных экспериментов?

Какие энергетические характеристики используются при описании процессов влагопереноса при неполном водонасыщёнии пород? Как изменяется соотношение между силами гравитации и сорбционно-капиллярными силами с изменением влажности поро­ды? Перечислите основные параметры, определяющие интенсив­ность влагопереноса; какие между ними существуют количествен­ные соотношения?

[Щ В чем заключается специфика задания граничных усло­вий в задачах вертикального влагопереноса? В каких пределах изме­няется градиент напоров при вертикальном влагопереносе Через зону аэрации (для постоянных граничных условий)?

[1б| Какое влияние оказывает гетерогенность фильтрацион­ных свойств пород (в частности, профильная неоднородность фильт­рационного строения зоны аэрации) на закономерности вертикаль­ного влагопереноса? Определите основные пути повышения эффек­тивности опробования пород зоны аэрации опытными наливами в шурфы.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

Практические приложения динамики подземных вод (дополнительные главы курса)

Глава 7

I ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПОВ И МЕТОДОВ | ДИНАМИКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

I ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ опытных

1

| РАБОТАХ И НАБЛЮДЕНИЯХ

В заключение курса полезно рассмотреть возможно­сти применения изложенной теории на комплекс­ных примерах, совокупно отражающих различные ее ас­пекты. Для этого нами выбраны характерные задачи гид­рогеологии, имеюпще важное практическое значение и широко исследуемые в различных отраслях Инженерной деятельности.

В данной главе упор сделан на задачи, возникающие при постановке, проведении и интерпретации полевых гидрогеологических исследований — опытных опробова­ний и режимных наблюдений. В заключительном пара­графе рассмотрены общие принципы схематизации, по­следовательное применение которых является необходи­мым условием эффективности гидрогеологических (как, впрочем, и инженерно-геологических) изысканий и на­блюдений. Позднее, в гл/8, мы займемся задачами пре­имущественно прогнозного характера.

Нам меньше всего хотелось бы, чтобы эти главы еще раз иллюстрировали возможности формально-математи­ческого аппарата теории (хотя эта сторона проблемы и не исключается полностью): гораздо важнее показать значе­ние принципов и методов ДПВ при постановке гидрогео­логических исследований и при проведении качественно­го гидрогеологического анализа, особенно при щцрогео- логической схематизации фильтрационных и миграцион­ных процессов. Поэтому последующий материал может использоваться прежде всего для лучшего уяснения ос­новных разделов курса и детализации отдельных его ас­пектов .

Кроме того, можно рассматривать эти главы как сво­еобразный мост между курсом ДПВ и последующими специальными курсами, так или иначе использующими принципы и методы ДПВ. Подобная, если угодно, при­кладная направленность глав ясна и из их общей структу­ры, и , из заголовков отдельных разделов. Имея в виду комплексный характер многих из рассмотренных здесь задач, возможно, целесообразно ознакомиться с ними бо­лее детально при повторном чтении на заключительной стадии изучения данного курса.

1. Методика постановки и проведения опытно-фильтрационных работ

Прежде всего заметим, что задача всеобъемлющей регламента­ции методов постановки и проведения опытно-фильтрационных ра­бот (ОФР) лежит за пределами нашего курса. Поэтому здесь эти вопросы будут затронуты лишь в той мере, в какой они связаны с эффективным решением задач интерпретации (в первую очередь диагностики) ОФР на базе рассмотренных в гл. 5 теоретических и методических построений. Очень полезно показать, что такие по­строения важны не только для интерпретации опытов, но и для всех аспектов их планирования и проведения . Заметим, точности ради, что в данном разделе рассматривается лишь одно направление ОФР - опытно-фильтрационные опробования (ОФО), а опытно-фильтра­ционным наблюдениям (ОФН) посвящен раздел 7.2.

1. Виды офо и области их применения

Основным видом опытно-фильтрационных пробований являют­ся опытные откачки из скважин (кустовые, одиночные, групповые). Перед началом опытных откачек из центральных скважин обычно проводят пробные откачки для проверки качества скважин и предва­рительной оценки водообильности опробуемых пластов.

* В этой связи рекомендуется, в частности, раздел 7.1 прочитать сразу после гл. 5.

** Для того чтобы стиль данного раздела не показался излишне инструктивным, читателю следует систематически соотносить излагаемый в нем материал с теоретическими основами ОФР, представленными в гл. 5.

Опытные наливы и нагнетания в скважины используются для оценки фильтрационных параметров относительно редко. Главное применение они находят при изучении приемистости нагнетатель­ных скважин, при опробовании слабопроницаемых отложений, когда расходы опробования слишком малы и применение откачек стано­вится технологически неудобным, а также при проведении в скважи­не специальных видов опробований (опытно-миграционных работ, испытаний пласта на гидроразрыв и т.д.).

С учетом всех отмеченных в гл. 5 недостатков одиночных опро­бований понятно, что их можно использовать в основном для срав­нительной характеристики водоносных слоев на изучаемых участках (по степени водообильности пород и, в частности, по удельному де­биту) и лишь в благоприятных условиях - для ориентировочной оцен­ки величины водопроводимости. Однако для успешного решения да­же этих ограниченных задач желательно использовать результаты однотипных экспериментов, проведенных в однотипных скважинах, — чтобы ожидать примерно идентичных проявлений скин-эффекта. Например, информативность пробных и одиночных опытных отка­чек может иновда существенно различаться лишь за счет состояния фильтров и прифильтровых зон скважин — обычных разведочных, с одной стороны, и специальных опытных — с другой. Часто же надеж­ность результатов пробных и одиночных откачек оказывается одина­ково низкой. Поэтому одиночные откачки из специальных опытных скважин имеет смысл проводить с том случае, когда геологические условия и технология проходки скважин позволяют рассчитывать на хорошее качество (не слишком высокие сопротивления) их прифиль­тровых зон (см. раздел 5.4). Это предполагает, в частности, бурение опытных скважин с промывкой чистой водой и отсутствие во вскры­том интервале слоев глинистых пород, способствующих образованию естественного бурового раствора и кольматации прифильтровых зон.

Информативность одиночных опробований несколько повыша­ется при параллельном использовании гидрогеофизических методов. Так, расшифровке результатов одиночных откачек в многослойных толщах, в закарстованных или неравномерно трещиноватых породах способствует расходометрия скважин. Расходомерами определяют распределение расхода потока по стволу скважины при откачке, а также в естественных (не нарушенных опробованием) условиях. По данным таких измерений строится эпюра расходов воды, протекаю­щей по стволу скважины, а их изменение в пределах того или иного участка определяет собой приток к скважине A Q_i в пределах этого участка. Интерпретация таких данных позволяет оценить фильтра­ционную неоднородность опробуемого пласта (или системы пластов) по вертикали. Эффективно использование расходометрии и для оценки изменения сопротивления прискважинной зоны вдоль рабо­чей части (фильтра) скважины.

При теоретическом обосновании расходометрии будем исходить из того, что вблизи скважин, работающих, например, в слоистых пластах, как показано в разделе 5.3, быстро устанавливается квази- стационарный режим, описываемый в пределах каждого водоносного слоя зависимостями вида (4.30) и (4.37) и им подобными. При интен­сивных межлоевых перетоках эти зависимости можно представить в обобщенной форме:

AQ (тТа

t

^=4ЯГ/Ь

(7Л)

где а*_ум— усредненный коэффициент пьезопроводности вскрытой части слоистого пласта.

Тоща расходДф; в пределах каждого г-го слоя пропорционален проводимости Т- = к? m_i этого слоя (с коэффициентом фильтрации k_i и мощностью ntj). Получая по данным расходометрии поинтерваль- ные расходы Д<2,-, определим проводимость T_i из соотношения:

АД-

Т. = 1 т

¹ Qc ^сум' (7.2)

где Д. — суммарный расход скважины;

*сум. — суммарная проводимость пласта.

Подчеркнем, однако, что подобная интерпретация расходомет­рии при опробованиях планово-неограниченных пластов, содержа­щих непроницаемые прослои, может приводить к большим погреш­ностям — из-за резких различий в пьезопроводностях отдельных слоев, не компенсируемых межслоевыми перетоками. Болыпйе по­грешности возникают и во всех тех случаях, коща вблизи скважины (например, несовершенной по степени вскрытия) отмечается суще­ственная вертикальная компонента скорости фильтраций. Во всех случаях уточнения можно добиться, используя послойную пьезомет­рию.

Наиболее информативным и технически удобным видом ОФО являются кустовые откачки, которые позволяют решить более ши­рокий круг задач и с более высокой точностью, нежели одиночные. Во-первых, используя наблюдательные скважины, можно исклю­чить или свести к минимуму влияние искажающих технических факторов, действующих вблизи центральной скважины (см. раздел

4. . Во-вторых, в ряде случаев можно проследить влияние откачки из опробуемого пласта на другие водоносные горизонты, а также установить неоднородность и анизотропию фильтрационных свойств по площади распространения и по мощности пласта. Как показано в разделе 5.3, в силу значительной длительности такой откачки, она нередко помогает уточнить граничные условия и, что еще более важно, - расчетную схему фильтрации (см. раздел 5.5). Все это по­зволяет считать кустовую откачку наиболее надежным методом ис­следований фильтрационных свойств пород в период разведки или строительных изысканий. Надежность одиночных откачек в каж­дом конкретном случае может быть оценена лишь после их сопо­ставления с кустовыми.

В особых случаях, на заключительных стадиях разведки или доразведки месторождений, проводятся опытные водоотборы, сопо­ставимые по масштабам с эксплуатационными. Их постановка оп­равдана в том случае, если опытные откачки, вследствие повышен­ной сложности объекта изысканий, не позволяют оценить необходи­мые для прогноза геофильтрационные параметры или граничные условия. Приведем два примера: