Материал: Hydrogeodynamics101

[~1~| водоносные комплексы, приуроченные к неравномерно тре­щиноватым или закарстованным породам, когда при опытных откач­ках не выполняется условие сплошности среды (см. раздел 5.2);

[~2~| откачки вблизи реки с закольматированным руслом, не позволяющие вследствие ограниченного понижения выявить харак­теристику (Л L) граничного условия III рода на контуре реки (см. раздел 3.4).

Заметим еще, что нередко рекомендуемые в специальной лите­ратуре экспресс-опробования (проводимые как кратковременные возмущения) мало пригодны для надежного определения фильтра­ционных параметров. Это с очевидностью вытекает из теоретическо­го анализа и объясняется, в частности, масштабными эффектами (см. раздел 5.2), скин-эффектом (см. раздел 5.4) и практически полным отсутствием объективных критериев для выделения представитель­ного участка индикаторного графика (см. раздел 5.5). Поэтому на практике экспреСс-опробования часто превращаются в быстрый ме­тод определения ... неверных значений параметров. Вместе с тем экспресс-опробования могут принести определенную пользу при ка­чественной оценке водообильности пласта или состояния прифильт- ровой зоны скважины. Опробуя центральную скважину каким-либо экспресс-методом, можно более обоснованно наметить время откач­ки и расположение пьезометров. Особенно полезны экспресс-наливы для оценки инерционности наблюдательных скважин (см. раздел

5.4).

2. Постановка опытных опробований

При постановке опытных опробований особое значение имеет их направленность на определение конкретных геофильтрационных параметров, которые отражаются в результатах опыта по-разному, в зависимости от схемы и масштаба опробования (см. гл. 5). Вместе с тем эффективность опробования существенно зависит от того, ста­вится ли оно «вообще» или применительно к последующему проек­тированию конкретного инженерного сооружения. Поэтому распо­ложение опытного куста и выбор схемы опробования желательно увязать хотя бы с самыми общими представлениями о возможном расположении и характере работы прогнозируемого объекта. Это делает более ясными цели откачки (важнейшие параметры, подле­жащие определению); выявляет предпочтительные зоны постановки опробования, которые должны отвечать требованию максимальной детальности изысканий на ключевых участках области фильтрации (участки расположения водозабора, прилегающие к нему граничные зоны пласта и т.п.); позволяет увязать схему опробования гидрогео­логического разреза с ожидаемым при эксплуатации характером вза­имодействия водоносных пластов (например, потребуется в прогно­зах параметр перетекания или нет).

Важнейшее правило при постановке конкретного опробования — ограничение разумным минимумом круга решаемых им задач, причем этот круг должен быть по возможности очерчен определен­ной (априорно ожидаемой) интерпретационной схемой. Отсюда сле­дует, что постановка опытного опробования должна исключать или сводить к минимуму взаимное наложение различных осложняющих факторов (а их, как мы уже знаем из разделов 5.3 и 5.4, довольно много) с тем, чтобы каждый из этих факторов изучался отдельными экспериментами или, по крайней мере, на разных, достаточно дли­тельных стадиях эксперимента.

Исходя из этого правила расположение опытного куста должно по возможности гарантировать простейшую (плоскорадиальную) структуру потока и исключить влияние на результаты опыта плано­вых границ пласта (см. раздел 5.3.6) или контактов зон с резко отличающимися проводимостями (кроме тех случаев, коща изуче­ние условий на границе или вблизи ее является целью опыта). В первом приближении это требование соблюдается в том случае¹ коща все скважины куста удалены от границы на расстояние, превышаю­щее интервал между центральной и дальней наблюдательной сква­жинами (вы сможете убедиться в этом самостоятельно, сопоставив расчетные понижения в случаях неограниченного и полуограничен- ного пласта согласно формулам, приведенным в разделе 4.1).

Большое значение для повышения качества ОФР имеет внедре­ние эффективных методов контроля за ходом экспериментов, а так­же сочетание откачек с другими видами исследований. Мы уже под­черкивали важность предварительного лабораторного изучения ряда физико-механических свойств пород, в первую очередь сжимаемо­сти, на образцах, отобранных из водоносных и разделяющих слоев. Очень важным, особенно при исследовании слоистых и трещинова­тых сред, является также проведение при опытных откачках расхо­дометрических и резистивиметрических (см. раздел 6.1.4) работ. С помощью этих методов можно получить характеристику фильтращи- онной неоднородности пласта в вертикальном разрезе, выявить наи­более благоприятные интервалы для установки фильтров, исследо­вать техническое состояние скважин. Упомянем здесь, наконец, про­ведение наблюдений за деформациями (сжимаемостью) пород в про­цессе откачки по глубинным (например, радиоактивным) реперам, что позволяет более надежно оценивать упругоемкость пород (см. раздел 8.1.1).

В связи с высокой сложностью фильтрационного процесса при откачке, обоснование постановки и структуры опытного опробова­ния надо давать на базе предварительного прогноза его режима. Этот прогноз (разведочный расчет) выполняется исходя из возможной фильтрационной схемы (см. раздел 5.2), ориентировочных значений основных расчетных параметров и предполагаемой схемы опытного куста. При прогнозе рассчитывают ожидаемые понижения уровня воды в наблюдательных скважинах в пределах разумно возможной продолжительности откачки и при заданном ее дебите, а также дела­ют прикидочные оценки чувствительности эксперимента по отноше­нию к тем или иным параметрам (см. раздел 5.5). Определение не­чувствительных параметров должно заранее исключаться из круга обязательных задач, решаемых откачкой.

Результаты разведочного расчета полезно отображать на про­гнозном листе откачки, на котором кроме схемы куста и гидрогеоло­гического разреза строят прогнозные графики временного и про­странственного прослеживания. При проведении опытных работ этот прогнозный лист используют для внесения корректив в исходную фильтрационную схему и в методику откачки, следуя принципу: схема опробования должна отвечать предполагаемому методу интер­претации, и наоборот. Первостепенное значение индикаторные гра­фики приобретают в тех случаях, когда перед началом откачки воз­можная расчетная схема недостаточно определенна, так что одной из целей опыта является уточнение этой схемы (см. раздел 5.5).

В целом чрезвычайно важно понимание опытно-фильтрацион­ных работ как экспериментальных, требующих внимательного творче­ского анализа. Для этого гидрогеологу, проектирующему эксперимент, потребуется не только справочная литература, но также и специальная теоретическая подготовка и определенный личный опыт.

3. Конструкция и расположение опытных скважин при откачке

Опытные откачки, будучи относительно дорогостоящим видом опытных работ, оказываются оправданными и выполняют свое на­значение лишь при соблюдении необходимых требований к качеству бурения и к оборудованию скважин, которые обеспечивают мини­мальное искажение фильтрационных свойств пород прискважинной зоны и небольшие входные сопротивления фильтра. Это особенно важно для скважин, предназначенных для одиночных откачек. В наблюдательных скважинах необходимо ограничивать сопротивле­ния прифильтровых зон в пределах, обеспечивающих их малую инерционность (см. раздел 5.4).

При выборе конструкций опытных скважин исходным моментом является намеченная схема опробования водоносных слоев изучае­мого пласта (комплекса), которое может быть суммарным или раз­дельным. Для гарантии качества опыта центральная скважина чаще всего должна быть совершенной по отношению к опробуемому пла­сту. Несовершенные сквожуны из-за из очевидных недостатков (см. раздел 5.4) целесообразны лишь в заведомо изотропных однород­ных пластах сравнительно большой мощности (более 20 м), в мощных пластах с равномерно убывающей по глубине проницаемо­стью (без разделяющих прослоев), а также при необходимости диф­ференцированной оценки профиля проницаемости.

Результаты наблюдений решающим образом зависят от изоля­ции водоносных слоев вдоль ствола наблюдательной скважины и от качества фильтра, определяющего ее инерционность. Поэтому обя­зательным является опробование наблюдательных скважин экс­пресс-наливами для оценки инерционности. В слабопроницаемых пластах, наряду с обычными наблюдательными скважинами, можйо рекомендовать пьезометры, оборудованные преобразователями дав­ления (см. раздел 5.4). Использование таких малоинерционных пье­зометров, оборудованных гирляндами изолированных друг от друга преобразователей, позволяет резко повысить информативность и на­дежность опытной откачки как с позиций ее диагностики, так и для непосредственной оценки расчетных параметров.

Общее число наблюдательных скважин, проходимых на опробу­емый водоносный комплекс, должно определяться в зависимости от граничных условий и степени плановой однородности слагающих его пород, о которой можно судить по геологическим материалам, а также по данным опытных работ, проведенных на предшествующих этапах изысканий. Наблюдательные скважины располагаются в пре­делах предварительно рассчитанной площади развития депрессион- ной воронки, в пределах той ее зоны, где ожидаемое конечное пони­жение, определенное расчетами, не менее 20 см. В связи с этим желательно бурить наблюдательные скважины после устройства И прокачки центральной скважины, что дает ориентировочные пред­ставления о фильтрационных свойствах пород на опробуемом участ­ке. Наряду с наблюдательными скважинами, непосредственно фик­сирующими влияние опробования, следует предусматривать распо-

В свете экономии на объемах бурения.

ложение хотя бы одной наблюдательной скважины вне области вли­яния опытного опробования — для выявления возможных фоновых изменений естественного режима (в частности, обусловленных коле­баниями атмосферного давления, изменениями уровней поверхност­ных вод и т.п.).

Заметим, что в настоящее время обоснование рациональной рас­становки наблюдательных скважин разработано явно недостаточно, и в этом направлении необходимо проведение обстоятельных иссле­дований. Некоторые соображения и рекомендации по этому поводу [23 ] приводятся ниже применительно к конкретным условиям опро­бования, типизация которых была дана в разделе 5.2.

Схема I (см. раздел 5.2). Исходя из целесообразности определе­ния параметров способами временного и площадного прослеживания следует задавать две, а лучше три наблюдательные скважины, рас­полагаемые в пределах предварительно рассчитанной зоны эффек­тивного влияния откачки. Первую скважину следует помещать на расстоянии rj от центральной, приблизительно равном мощности пласта, так как здесь напоры по вертикали (в однородном изотропном пласте) практически одинаковы. Последующие же скважины реко­мендуется располагать получу, увеличивая расстояние между ними по закону геометрической прогрессии (исходя из примерно логариф­мической формы пьезометрической кривой). Для наблюдений можно использовать как совершенные, так и несовершенные пьезометры, однако в зоне г < m желательно ориентироваться только на совершен­ные скважины, особенно если есть основания ожидать проявления профильной анизотропии или неоднородности (см. раздел 5.4).

Схема II-1 (см. раздел 5.2). Общий вид рекомендуемого опытно­го куста показан на рис. 7.1 [23 ]. Наряду с пьезометрами на основной пласт, располагаемыми аналогично схеме I, откачки, направленные на оценку взаимодействия пластов, должны сопровождаться одним- двумя пьезометрами на смежный водоносный горизонт: эти пьезо­метры целесообразно располагать в первую очередь рядом с теми (ближайшими) наблюдательными скважинами на основной пласт, где измеряемые понижения напоров максимальны.

При относительно больших мощностях слабопроницаемых раз­деляющих слоев, когда ожидается заметное проявление в них упру­гого режима фильтрации, откачка должна сопровождаться измере­ниями понижений напоров в этих слоях. Для этого необходимо иметь хотя бы две-три точки измерений вдоль мощности слоя, привязанных в плане к первой наблюдательной скважине на основной пласт. Ис­ходя из реальной продолжительности опыта, такого рода измерения следует планировать, по крайней мере, в случаях слабопроницаемых глинистых пород с ориентировочными коэффициентами фильтрации (определенными по лабораторным испытаниям) примерно 10'⁴ м/сут и менее при их мощности, превышающей 5 м.

Рис. 7.1. Схема опытного куста при опробовании взаимодействующих пластов:

I - основного; II - взаимодействующего; III - разделяющего; Q - центральная скважина; Н.. - Я» _? - О наблюдательные скважины на основной пласт; Hjj_j ~ Нц~2 пьезометры на взаимодейстующий пласт;

^111-1' ^111-2 ~ пьезометры на разделяющий пласт

ЗАДА ЧА. Определите ориентировочное время передачи возму­щения от почвы до кровли разделяющего слоя при & -10 м/сут, т

♦ -4-Т

* 5 м и характерном коэффициенте упругоемкости Г)_р = 10 м (воспользуйтесь формулой (5.3)).

Фильтры пьезометров на слабопроницаемый разделяющий слой располагаются в первую очередь в части, прилежащей к основному пласту. Они должны иметь длину I, значительно меньшую, чем мощ­ность слоя т_р, т.е. К (1/4-1 /5)т_р (так как измеряемые напоры меняются вдоль вертикали). Наиболее эффективно можно использо­вать для таких измерений гирлянду малоинерционных преобразова­телей (см. выше).

Схема П-2 (см. раздел 5.2). Учитывая отмеченные в разделе 5.4 недостатки, свойственные несовершенным скважинам, в подавляю­щем большинстве случаев надо использовать схему суммарного оп­робования гетерогенного пласта, ограниченного комплексами отно­сительно водоупорных пород, достаточно четко выделяемыми по об­щим геологическим предпосылкам. Раздельное или позонное опро­бование может рассматриваться как вынужденное, обусловленное большой мощностью (многие десятки метров) слоистого пласта или комплекса трещиноватых пород. В слоистых пластах такое опробо­вание должно ориентироваться на слои или группы слоев, достаточно резко (хотя бы в нёеколько раз) отличающиеся от соседних по про­ницаемости, а в трещиноватых комплексах без фиксированного ниж­него водоупора мощность зоны опробования должна увязываться с возможным заглублением эксплуатационных скважин.

При суммарном опробовании гетерогенного пласта откачка дол­жна проводиться как минимум при трех-четырех наблюдательных скважинах, учитывая возможную невыдержанность по мощности разделяющих прослоев или неравномерный характер трещиновато­сти. Расположение наблюдательных скважин аналогично схеме од­нородного напорного пласта. Схема раздельного опробования требу­ет заметного увеличения числа наблюдательных скважин за счет пьезометров на смежные слои или зоны, что не гарантирует, однако, надежной интерпретации результата.

Как показано в разделе 5.3, наблюдательные скважины должны оборудоваться на всю мощность пласта, на которую оборудована центральная скважина. Если это требование не удовлетворено по каким-либо соображениям технического характера, то желательно- располагать фильтр пьезометра исходя из его соответствия положе­нию середины фильтра центральной скважины: здесь понижения напоров примерно отвечают средневзвешенным по мощности вели­чинам.