Материал: Hydrogeodynamics101

Схема 1П-1 (см. раздел 5.2). Согласно рис. 7.2 [23], рядом с пьезометрами Hj и Н₂ нужно задавать пьезометры-«дублеры» Н/ и Н₂ в верхнем слое с небольшим заглублением под уровень свободной поверхности. Такие пьезометры должны иметь «точечный» характер (практически их длина не должна превышать 1 м), поскольку в связи с перетеканием в покровном слое напоры существенно меняются по глубине, так что при соизмеримых размерах фильтра пьезометра и мощности покровного слоя интерпретация данных становится нере­альной. Кроме того, при неоднородном строении и большой мощно­сти покровных отложений целесообразно добавить точечный пьезо­метр Ну", закладываемый на границе литологических слоев.

Рис. 7.2. Схема опытного куста при откачке в двухслойном пласте Q - центральная скважина; Hj-Hj - пьезометры на основной слой; Ну ,Н₂, Ну

- пьезометры-«дублеры» на слабопроницаемый слой

Схема III-2 (см. раздел 5.2). Рекомендуемая схема расстановки пьезометров в сравнительно однородном безнапорном пласте показа­на на рис. 7.3 [23 ]. Первый пьезометр Ну рекомендуется задавать при Гу ~0,5Л_о и делать совершенным, так как здесь еще сильно выражена изменчивость напоров по вертикали. Рядом устанавливают дублер на свободную поверхность Ну. Затем на расстоянии г₂ ~ h устанав­ливают пьезометр в средней части Н₂ с пьезометрами-дуолерами у свободной поверхности и у подошвы пласта. Здесь по дублерам про­веряют выравнивание напоров по вертикали (при однородном строе­нии уровни в этих скважинах должны быть близки между собой).

Кроме того, задают скважины #₃ и #₄ на расстояниях г₃ * 2h_Q и г₄ = Ah_Q. В однородном пласте их фильтры устанавливают в интервале глубин (0,4+0,5)А_о под свободной поверхностью, а в неоднородном пласте их обычно следует приурочивать к интервалу наиболее про­ницаемых прослоев. При сравнительно небольшой мощности пла­стов все наблюдательные скважины целесообразно делать совершен­ными; для уменьшения длины фильтровой зоны такие скважины можно оборудовать прерывистым фильтром.

Рис. 7.3. Схема опытного куста при откачке в однородном безна­порном пласте:

Нj-Hj - основные пьезометры; , #2 * #2 ' пьезометры-«дублеры»

4. Режим опытной откачки

Поскольку уровнь в центральной скважине зависит не только от притока к ней, но и от ряда других, трудно учитываемых побочных факторов (режим работы насоса, состояние фильтра и прискважин- ной зоны), при проведении откачек, особенно одиночных, обычно целесообразно ориентироваться на режим заданного дебита скважи­ны, соответствующего номинальной производительности насоса. Не­стабильность работы насоса оказывает большое влияние на достовер­ность интерпретации опыта. С этой точки зрения погружные и по­верхностные насосы имеют неоспоримые преимущества по сравне­нию с эрлифтами, особенно при оборудовании откачивающих сква­жин водомерами и расходомерами с непрерывной фиксацией дебита скважины.

При опытных выпусках из самоизливающих скважин нередко технически удобнее задавать режим постоянного уровня в скважине, однако и в этом случае следует фиксировать хронологию дебита выпуска и, по возможности, добиваться его постоянства.

С точки зрения устранения влияния на конечный результат не­равномерности расхода обязательным является прослеживание про­цесса восстановления уровня после прекращения откачки (выпуска).

Надежность и ценность сведений, получаемых при откачке, за­висят от величины дебита. При малодебитной откачке ни большое число наблюдательных скважин, ни повышенная продолжитель­ность откачки не компенсируют ничтожности влияния ее на природа ную обстановку, а это резко снижает точность опыта. Поэтому, в частности, в условиях весьма водообильных водоносных горизонтов следует вести откачку из нескольких скважин, оборудованных доста­точно мощными насосами (групповые откачки).

Кроме того, дебит скважины не должен быть слишком большим, так как в этом случае уровень в скважине быстро снизится в процессе опыта до отметки установки насоса, после чего дебит начнет падать. Интерпретация такой откачки оказывается затруднительной.

В целом производительность насоса надо назначать с учетом предварительных данных, полученных на ранних этапах изысканий и при предварительной прокачке. При этом следует стремиться к тому, чтобы понижение в центральной скважине измерялось, как минимум, несколькими метрами: в противном случае возмущения в наблюдательных скважинах окажутся слишком малыми, соизмери­мыми с фоновыми колебаниями напоров и с погрешностями измере­ний.

5. Продолжительность опытной откачки

Из гл. 5 следует, что одним из главных факторов, определяющих эффективность откачки, является ее продолжительность. Кратко­временное испытание, длительность которого находится в рамках резко неустановившейся фильтрации, трудно интерпретировать до­статочно надежно из-за: 1) изменений состава и свойств прискважин- ной части горизонта, происходящих в процессе бурения и подготовки откачки; 2) скачкообразного характера возмущения при откачке; 3) недостатка информации для детального учета действия ряда важных природных факторов (см. раздел 5.3). В начале откачки происходит сглаживание возможных случайных влияний, налаживается рит­мичная работа насоса, активизируется связь взаимодействующих горизонтов, а режим откачки все более приближается к квазистаци- онарному, чем обеспечивается повышенная надежность ее интерпре­тации (см. раздел 5.5).

Ввиду ограниченных возможностей одиночных опробований с точки зрения представительности и надежности результатов, разум­ный предел их продолжительности составляет обычно 0,5-2 сут (на каждой стуйени дебита или понижения, если принимается неодно­ступенчатая схема эксперимента): при большей продолжительности дополнительные понижения напоров оказываются обычно слишком малыми и измеряются с большой погрешностью. Наоборот, сущест­венное сокращение времени опыта в сравнении с рекомендованными величинами также нежелательно, так как по ряду соображений оно не позволяет: 1) получить представительный участок временного графика по периоду восстановления (см. критерий (5.12)); 2) достиг­нуть достаточно больших размеров зоны эффективного влияния — для ограничения роли масштабных эффектов (см. раздел 5.2); 3) уменьшить влияние аритмии в работе насоса и динамики кольмата- ционных процессов вблизи скважины. Поэтому многие из отмечен­ных ранее недостатков одиночных опытных опробований заметно усугубляются при различных экспресс-опытах.

Целесообразная продолжительность кустового опробова­ния существенным образом зависит от условий на участке экспери­мента и не может поэтому жестко регламентироваться, В первом приближении она должна назначаться с учетом результатов предше­ствующих изысканий, исходя из условий достаточно полного прояв­ления всех изучаемых процессов. В частности, нужно исходить из того, что в расчетах желательно использовать достаточно большие понижения в наблюдательных скважинах.

Откачку следует проводить в течение времени, обеспечивающе­го полное развитие квазистационарного режима в пределах куста скважин. Исходя из необходимости получения хорошо выраженного прямолинейного участка временного индикаторного графика, целе­сообразно ориентироваться на критерий [3 ]

*^>5*кв’ (7.3)

где время t_K0 определяется по условию (4.29) для дальней наблюда­тельной скважины. Наиболее четким критерием Для прекращения кустовой откачки в изолированных гомогенных напорных пластах служит выход на общую асимптоту комбинированных графиков S - / [1$(t/r*) ] построенных для различных наблюдательных скважин. Следует особо отметить, что уменьшение скорости понижения в скважине до величин, близких к погрешности измерения, в общем случае отнюдь не является признаком достижения установившегося режима фильтрации и, следовательно, не может служить основным показателем для прекращения откачки.

Особую значимость для обоснования продолжительности опро­бования имеет его направленность на определение тех или иных геофильтрационных параметров. С этой точки зрения следует иметь в виду следующие положения, вытекающие из теоретического анализа (см. раздел 5.3):

Ш роль проницаемости или проводимости опробуемого пла­ста проявляется уже при сравнительно небольшом размере зоны оп­робования и, следовательно, для ее определения требуется относи­тельно кратковременное опробование (обычно в пределах суток, ес­ли только при этом обеспечивается надежная диагностика экспери­мента) ;

I—^

j 2 I характер емкостных свойств пласта и роль процессов пере­текания между его смежными слоями проявляются при значительно большем развитии области влияния, достигаемом обычно в течение нескольких суток - для напорных систем и 10-20 сут для безнапор­ных;

|31 взаимодействие с поверхностными водотоками и водоема­ми для близко расположенных опытных скважин чаще всего уверен­но проявляется в течение 10-15 сут, но это время может существенно варьировать в зависимости от проводимости пласта и удаления опыт­ного куста от водотока (или водоема);

[~4~] взаимодействие между различными водоносными пласта­ми, разделенными выдержанными по мощности слабопроницаемыми слоями, проявляется только при мощных и длительных откачках, продолжительность которых обычно должна измеряться неделями и даже месяцами.

Повышенную продолжительность должны иметь также опробо­вания трещинно-жильных вод и откачки в массивах закарстованных пород, где большие емкостные запасы воды в сочетании со сравни­тельно малыми уклонами депрессионной кривой часто приводят к завышению расчетной проводимости при интерпретации кратковре­менных откачек. Следует вместе с тем иметь в виду, что целе­сообразность постановки опытных откачек повышенной продолжи­тельности должна быть предварительно тщательно и всесторонне проанализирована — нередко информативность откачек в этом пла­не существенно ограничена и упор надо делать на опытно-эксплуа­тационные работы.

В процессе проведени опыта предварительно намеченную про­должительность его уточняют по данным наблюдений за уровнями: первые результаты наблюдений обрабатывают в соответствии с зара­нее намеченной методикой, и опыт продолжают до достижения на­дежного результата.

Обязательным элементом при определении допустимости пре­кращения эксперимента является составление в процессе откачки индикаторных графиков (например, S + IgO. Откачка, как правило, может быть прекращена лишь после получения четко выраженной картины временной изменчивости уровней, характерной для данных условий (см. раздел 5.3).

Чтобы получить полный и непрерывный график временного про­слеживания, измерения уровней при откачке и восстановлении надо проводить с постепенно убывающей частотой, начиная от непрерыв­ных замеров в первые 1-2 мин и кончая несколькими (а то и одним) измерениями в сутки. На начальном этапе изменения уровней для этого целесообразно использовать автоматическую запись графика.

Контрольные измерения для оценки постоянства расхода при откачках на первых этапах опыта надо вести с максимальной часто­той, а после выхода скважины на режим постоянного дебита — пери­одически, несколько раз в сутки. Если при откачке ведутся расходо­метрический каротаж или другие виды специальных работ, то часто­та измерений определяется в каждом конкретном случае специаль­ной программой.

Обязательными заключительными документами по опытной от­качке, кроме журнала откачки, являются:

РЛ хронологические графики S(t),Q(й и графики временного прослеживания в форме S <lg/), или S [1 git/г) ];

[~2 | хронологический график S_c/Q_c — для откачки при не­скольких значениях расхода (понижения);

[~з| градуировочные графики экспресс-наливов в наблюда­тельных скважинах;

|~4~| данные изменения расхода Q_c(t).

Существенное влияние на данные опробования может оказать естественный режим уровней подземных вод, для фиксации которого должны предусматриваться наблюдательные скважины, располагае­мые вне зоны влияния опробования. В сравнительно глубоких напор­ных пластах заметные естественные изменения уровней подземных вод могут быть связаны с колебаниями атмосферного давления, при­чем этот фактор учитывается при наличии специальных определе­ний барометрической эффективности (см. раздел 1.4). В грунтовых водах такие изменения вызваны главным образом влиянием инфиль­траций и изменениями уровней в водотоках. Достоверный учет этих изменений затруднен, поэтому следует всячески избегать проведе­ния опробований в периоды нестационарного естественного режима, вплоть до их прекращения при возникновении непредвиденных есте­ственных колебаний уровней грунтовых вод.

2. Определение фильтрационных параметров по данным режимных геофильтрационных наблюдений1

1. Общие представления

При интерпретарции ОФО (см. гл. 5) отыскание неизвестных параметров водоносных пластов осуществлялось нами исходя из предпосылки о плановой однородности изучаемой толщи. Вместе с тем рассмотрение даже простейших типов фильтрационной неодно­родности показывает, что надежная интерпретация результатов опытно-фильтрационных работ в планово-неоднородных толщах возможна лишь при значительных площадях возмущения и наличии достаточной информации о напорах подземных вод в пределах изу­чаемой площади. Эти условия обычно могут оказаться реализован­ными только при специально поставленных режимно-балансовых наблюдениях, направленных на оценку гидрогеологических условий в пределах изучаемого региона. Они могут проводиться при естест­венном и нарушенном режимах.

Особый интерес представляют опытно-фильтрационные на­блюдения (ОФН), направленные на изучение геофильтрационных схем и параметров и проводимые в районах водозаборов (дренажей) в строительный или эксплуатационный период — при наличии дан­ных о расходах водоотбора и устройстве соответствующей наблюда­тельной сети. В этом случае на практике часто возникает необходи­мость в проверке и корректировке значений фильтрационных пара­метров, а подчас и расчетных схем, принятых при проектировании: корректировка проводится с целью внесения оптимальных измене­ний в первоначальные проектные решения и прогнозы. Иначе гово­ря, эксплуатационный водоотборна первых этапах рассматривается и как опытных. Следовательно, подобно опытным откачкам, здесь ставится обратная задача (см. раздел 5.1) по определению неизвест­ных фильтрационных параметров (или, как иногда говорят; восста­новления поля того или иного параметра) по известным значениям напоров и расходов подземных вод.

При рассмотрении методов интерпретации результатов откачек (см. гл. 5), по сути дела, мы уже занимались решением обратных задач в простейшей их постановке: априорные предпосылки о харак­тере плановой неоднородности и структуре фильтрационного потока обычно позволяли получить решение в виде конечной аналитической зависимости относительно искомых параметров. Однако без подо­бных предпосылок задача существенно усложняется, и искомые па­раметры приходится определять либо путем целенаправленного под­бора, либо непосредственно из дифференциальных уравнений и их решений, модифицированных применительно к тем или иным схе­мам фрагментирования потока. Соответствующие задачи оказыва­ются сильно некорректными (см.раздел 5.1).

Попытаемся хотя бы в самых общих чертах проанализировать возможные методы решения таких обратных задач. С определенной долей условности их можно разделить на две группы:

[Т] методы, позволяющие получить решение исходного урав- нения(аналитически или на модели) непосредственно относительно искомого параметра, т.е. не прибегая к последовательным приближе­ниям определяемой величины; эти методы будем впредь именовать прямыми;

итеративные методы, использующие целенаправленный поискили способ проб и ошибок, коща параметры последовательно уточняются — от одного приближения к другому — в процессе про­гонки прямой задачи (до примерного совпадения результатов моде­лирования с данными наблюдений).

Мы рассмотрим использование прямых методов, которые обычно базируются на упрощенных допущениях о пространственной измен­чивости параметров. Наиболее часто принимается предпосылка о постоянстве искомого параметра во всей изучаемой области или в заданных ее частях. Последующее отыскание параметра осуществ­ляется различными способами:

РЛ из известного аналитического решения соответствующей прямой задачи (для типовых расчетных схем);

[~2| по результатам численного или аналогового интегрирова­ния исходного дифференциального уравнения при заданных краевых условиях для функции Н и заданных контрольных значениях этой функции или ее производных (скоростей потока) в отдельных точках области;

[У] из решения того или иного интегрального аналога исходно­го уравнения.