Материал: Hydrogeodynamics101

(7.16)

а по углу наклона прямой к оси времени <р— комплексный параметр массообмена:

Результаты дуплетных опытов можно интерпретировать при по­мощи специальных типовых графиков. Для ориентировочных оце­нок, применительно к солевому индикатору, типовой график доста­точно хорошо аппроксимируется формулой [21 ]

? = 0,5fe-|«4^4:,

2

^<с'¹’ (7.19)

ще t_Q = t^nlq, а относительная концентрация с должна находиться в диапазоне от 0,1 до 0,5. При использовании формулы (7.18) сначала во времени t - i , отвечающему концентрации с ■ 0,5, определяют параметр массообмена

/ \ £

■Sl-Од, «о =0,04

Г

\ /

а затем по более ранним участкам выходной кривой из формулы (7.18) находят активную трещиноватость п.

Нужно заметить, что непосредственная интерпретация опытных данных на основе рекомендованных решений не всегда обеспечивает удовлетворительную точность расчетных миграционных парамет­ров, так как в этих решениях не учитывается емкость наблюдатель­ной скважины. Пренебрежение же разбавлением индикатора в сква­жине, наряду с кольматацией ее прифильтровой зоны, приводит к тому, что в процессе опыта концентрация индикатора в пласте (не­посредственно на внешней стенке скважины) отличается от замеря­емой. Период времени, в течение которого отмечается подобное не­соответствие, подчас соизмерим с длительностью самого опыта. Этот эффект получил название гидрохимической инерционности на­блюдательных скважин. Его характерным показателем может слу-

пй_с

жить безразмерный параметр инерционности а = ще d_c —-

диаметр пьезометра; £ — показатель искажения фильтрационного потока вблизи скважины (см. раздел 6.1.4), который отражает соот­ношение между емкостными характеристиками скважины и опробу­емой части пласта: чем ниже значение параметра а, т.е. чем меньше диаметр наблюдательной скважины d_c (при минимальной степени ее кольматации £) и длиннее путь г миграции индикатора в водоносном горизонте, тем точнее скважина регистрирует изменения концентра­ции индикатора в ходе эксперимента. Как показывают расчеты, учи­тывающие влияние емкости скважины [21 ], при опытах в чисто трещиноватых породах роль ее обычно слишком велика, чтобы эф­фектом гидрохимической инерционности можно было пренебречь. Объясняется это малой емкостью самих опробуемых пород. Соответ­ственно, в трещиновато-пористых породах роль данного фактора обычно заметно слабее. В общем же надежная оценка пригодности наблюдательных скважин конкретного куста для контроля трассера, а также определение поправок на инерционность опытной системы

требуют специальных градуировочных процедур [21 ]. Проще всего для этого можно использовать резистивиметрию наблюдательной скважины, запуская в нее индикатор до начала основного экспери­мента, но после стабилизации возмущенного при наливе фильтраци­онного потока. Так как скорость фильтрации на участке расположе­ния пьезометра в этом варианте известна [v=ql (2Л г) ], то основная формула резистивиметрии (6.12) может быть переписана в виде

(7.20)

где слева стоит выражение показателя гидрохимической инерцион­ности CL Неизвестное значение активной трещиноватости в правой части формулы (7.20) принимается, в первом приближении, по ана­логии, а затем — по данным основного этапа индикаторного опыта.

Естественно, что в экспериментах с откачивающей скважиной (в частности, при дуплетном опробовании) необходимость в подо­бной градуировке отпадает.

3. Планирование миграционных опытов

Под планированием миграционных опытов понимают предвари­тельное обоснование целесообразных их характеристик, таких как расход нагнетания (откачки), расстояния между опытными скважи­нами, длина интервала опробования, тип индикатора, продолжи­тельность опыта и др. Начнем с ряда общих положений, которые необходимо учитывать при планировании ОМР.

ГЛ Опытные кусты должны располагаться в пределах предста­вительной области пласта, где в условиях предполагаемого загрязне­ния фильтрующиеся стоки будут находиться наиболее продолжи­тельное время. При наличии в пласте особых зон преимущественного переноса, ще ожидаемые действительные скорости максимальны, они должны быть охарактеризованы опытными работами в первую очередь.

При опробовании неглубокозалегающих водоносных гори­

зонтов (десятки метров) предпочтение надо отдавать эксперимен­тальной схеме с наливом индикатора в центральную скважину при наличии двух лучей наблюдательных скважин, а для опробования водоносных горизонтов, залегающих на относительно больших глу­бинах, целесообразно применение дуплетной схемы. Наряду с этими специальными кустами на заключительных стадиях откачек можно широко использовать запуски индикаторов в пьезометры опытно­фильтрационных кустов.

Расстояние между скважинами и, в частности, максималь­ное удаление между точками ввода и отбора индикатора должно увязываться с намечаемой продолжительностью эксперимента по­средством специальных разведочных расчетов. При этом, если ис­пользуются уже пробуренные скважины (например, при опытных откачках), то расчетом находят требуемую длительность опыта и, наоборот, для специально проходимых опытно-миграционных кус­тов расчетом обычно оценивают максимальный размер зоны опробо­вания исходя из разумной среднеоптимальной продолжительности эксперимента — порядка нескольких суток.

|~4] Во всех случаях расстояния между скважинами (мини­мальные масштабы опробования г,,^) должны удовлетворять услови­ям сплошности среды (см. раздел 1.2.3). Для трещиноватых пород это равносильно условию, при котором значения r_min/т_б (т_б — размер блока) или r_min/<5j, примерно отвечающие характерным числам Пек­ле (см. 6.31а), достигают, как минимум, первых десятков.

ШНе менее важно выполнение условия сплошности трещи- среды и при выборе длины опытного интервала: общее дасло водопроводящих трещин, пересекаемых скважиной в интервале оп­робования, не должно быть слишком малым. В то же время, нежела­тельна и другая крайность — объединение одним опытным интерва­лом нескольких зон в разрезе пласта, заметно различающихся по своим фильтрационным параметрам (за исключением случаев, коща используются специальные методы дифференцированного контроля индикаторной метки по стволу наблюдательной скважины в процессе эксперимента).

[~6~| При оборудовании опытных скважин должны быть в мак­симальной степени ограничены возможности различных случайных вертикальных перетоков жидкости, в частности, по затрубному про­странству.

р7~] Полевые эксперименты должны проводиться с достаточно инертными и устойчивыми в природных водах индикаторами, легко определяемыми химическими или другими методами и мало влияю­щими на фильтрационные свойства пород. Совместимость индикато­ра с пластовыми водами должна всесторонне оцениваться предвари­тельно в лабораторных условиях.

[~8~[ За основную форму входного концентрационного сигнала чаще всего принимают непрерывное поддержание в точке инъекции постоянной концентрации индикатора в течение всего опыта, что позволяет по характеру выходной кривой надежно диагностировать особенности миграционного процесса и правильно выбрать расчет­ную схему. Однако на стадии, предшестсвующей постановке основ­ного эксперимента, целесообразны кратковременные пакетные за­пуски с целью установления распределения поля действительных скоростей фильтрации в пределах опробуемой толщи и назначения оптимальных точек и временных интервалов отбора гидрохимиче­ских проб.

(~9~) Планирование и проведение миграционного эксперимента наиболее эффективно при осуществлении предварительных или па­раллельных гидрогеофизических исследований в опытных скважи­нах (расходометрия, резистивиметрия, термометрия), которые по­зволяют: дифференцировать проницаемость (трещиноватость) опро­буемого комплекса по вертикали и обоснованно выбрать интервал опробования, осуществить контрольные определения естественных и опытных скоростей фильтрации в точках расположения наблюда­тельных скважин (см. раздел 6.1.4), вести непрерывное прослежива­ние индикаторной волны по наблюдательной скважине.

То] При обосновании экспериментальной схемы требуется предварительная оценка параметра гидрохимической инерционно­сти наблюдательных скважин (см. раздел 7.3.2), в частности, целе­сообразна их тарировка с использованием резистивиметрии. В ряде случаев для устранения фактора инерционности требуется предус­мотреть в технической схеме опыта устройство для создания прину­дительного притока воды к скважине непосредственно перед отбором пробы.

|ТТ] Планированию полевых экспериментов должны обяза­тельно предшествовать лабораторные определения пористости, про­ницаемости пористых блоков, коэффициента молекулярной диффу­зии (см. раздел 6.6).

Перейдем теперь к вопросам расчетного обоснования опытной схемы и к выбору необходимы контролирующих показателей. Преж­де всего, экспериментальные характеристики подбираются таким образом, чтобы в процессе опыта воспроизводилась та или иная рас­четная схема массопереноса (см. разделы 6.3 и 6.4). Для этого, в частности, используются оценки по временным критериям типа (6.37), (6.45), (6.49), (7.15) и др. Ясно, что применимость конкрет­ной схемы оценивается при этом исходя из вероятных значений миграционных параметров, определяемых на более ранних этапах проведения опробований, а также лабораторными экспериментами и по аналогии. По вероятным значениям параметров и с учетом наме­ченного времени опробования по соответствующим расчетным зави­симостям (см. раздел 7.3.2) подбираются расстояния до наиболее удаленных наблюдательных скважин .

В этой связи заметим, что из-за влияния масштабных эффектов надежность интерпретации эксперимента возрастает с удалением точки наблюдений от центральной скважины. Однако максимально допустимое расстояние между опытными скважинами г_шах контро­

лируется скоростью и направлением естественного фильтрационного потока, искажающего задаваемый режим опыта. Например, для ку­стового опробования значение r_max не должно с этих позиций превы­шать величины ^ (д — удельный расход налива индикатора; v₀ — ^v0

скорость регионального потока; £ ~ 0,03 — 0,05— принятый порядок погрешности).

ЗАДАНИЕ. Докажите это положение, пользуясь методом сложе­ния течений. Для этого достаточно сопоставить v_Q со скоростью воз­мущенного потока на расстоянии r_fflax от скважины (определяемой согласно формуле Т ейса).

Кроме того, при слишком большом расстоянии между скважина­ми в трещиновато-пористых породах резко падает значимость массо- переноса в трещинах в сравнении с молекулярно-диффузионным оттоком в блоки, что приводит к возрастанию погрешностей при определении активной трещиноватости в средах с высокими массо­обменными параметрами. И, несмотря на то что в таких породах коэффициент трещиноватости обычно не столь важен для длитель­ных прогнозов (см., например, раздел 8.4.2), его экспериментальную оценку следует считать обязательной: полученное значение трещи­новатости является показателем, контролирующим надежность все­го расчетного алгоритма.

С этих позиций для ОМР в трещиновато-пористых породах же­лательно, наряду с индикаторами, усваиваемыми блоками, приме­нять соединения (обычно полимеры), диффузия в пористые блоки которых незначительна. Это позволяет, используя при интерпрета­ции расчетную схему микродисперсии (см. раздел 6.3), определить и константу гидродисперсии dj, значение которой обычно коррелирует

с характерным размером блоков (см. пример в разделе 7.3.4). Кроме того, такая информация позволяет учесть при планировании ОМР возможную роль гидродисперсионного рассеяния, снижающего на­дежность анализа опытов на основе решения Ловерье (см. паздел

7.3.2).

Неизбежные погрешности планирования индикаторных опытов по вероятным значениям миграционных параметров делают целесо­образным проведение эксперимента в трещиноватых породах при нескольких различающихся режимах (расходах нагнетания). С этой же точки зрения, опытный куст должен включать несколько наблю­дательных скважин (не менее трех) на каждом луче. При дуплетном опробовании также желательно предусматривать запасные скважи­ны, позволяющие привести опыт при различных размерах зон опро­бования.

Наконец, следует иметь в виду, что при опытах с химическими индикаторами необходамая надежность оценки параметров массопе­реноса в ряде случаев вообще не может быть достигнута, причем скорее всего такое положение может возникнуть в условиях трещи­новато-пористых сред с низкими массообменными параметрами: за время опыта емкость блоков не успевает достаточно проявить себя. В этой ситуации в проектируемой схеме опыта должно быть предусмот­рено применение теплового индикатора, так как при этом опыт вы­водится на существенно другие соотношения диффузионной (кон- дуктивной) и конвективной составляющих переноса (см. раздел 6.5). Интерпретация данных теплового воздействия на пласт, основанная на решениях задачи плоскорадиального теплопереноса в трещинова­то-пористой среде (а их легко получить, пользуясь рассмотренной в разделе 6.5 аналогией между процессами массо- и теплопереноса), позволяет оценить один из важнейших параметров - удельную по­верхность пористых блоков Sq.

В заключение подчеркнем, что планирование и реализация опытных схем при миграционном опробовании водоносных комплек­сов всегда предполагает исключение ряда нежелательных эффектов (только тогда возможна корректная интерпретация результатов), которые в прогнозных расчетах часто, наоборот, приобретают особое значение. К ним прежде всего отнесем плотностную конвекцию в пласте (см. раздел 6.1.3) и поперечную дисперсию (см. разделы 6.3 и

4. . Тем самым круг экспериментально определяемых в полевых условиях параметров сознательно сужается до того минимального предела, которых в лучшем случае может служить основой лишь для простейших одномерных прогнозных моделей (да и то не всегда, так как за пределами возможностей локальных ОМР остаются асимпто­тические параметры макродисперсии, если говорить о пористых по­родах — см. раздел 7.3.1). Наряду с недостатком информации о миграционных параметрах обычно остается экспериментально недо- изученной также степень гидродинамической и гидрохимической связи бассейнов промышленных стоков с подземными водами, так что неопределенность граничных условий становится еще одним пре­пятствием для прогноза миграционных процессов. Наконец, про­гнозные оценки нуждаются в достаточно подробной информации о поле скоростей фильтрации; в условиях реальной фильтрационной неоднородности и анизотропии водоносных пластов, а также отме­ченной недоизученности граничных условий фильтрации это обычно требует информации, заметно превышающей возможности гидроге­ологических изысканий. Отсюда ясны важная роль и задачи режим­ных наблюдений в период эксплуатации инженерных объектов с точки зрения изучения процессов загрязнения подземных вод (см. раздел 7.4).

4. Конкретные примеры

Рассмотрим пример миграционного опробования водоносного го­ризонта, приуроченного к трещиновато-пористым меловым породам (район одного из месторождений КМА). Оно проводилось по схеме кустового налива в центральную скважину с прослеживанием за движением индикатора в пласте по двум наблюдательным скважи­нам 1 и 2, удаленным от нее на расстояния 15 и 20 м соответственно. Предварительно во всех скважинах был проведен расходометриче­ский каротаж, в результате которого была выделена верхняя, наибо­лее проницаемая зона мощностью 3 м, определившая практически всю гидравлическую проводимость пласта (его суммарная обводнен­ная мощность около 20 м). Можно предположить поэтому, что в процессе опыта оценивались параметры именно этой зоны. Скорость фильтрации естественного потока v₀ по данным резастивиметрии скважин составила 0,2 м/сут.

В качестве индикаторов использовали два химических соедине­ния — слабо концентрированные растворы поваренной соли (наблю­дения велись по хлор-иону) и высокомолекулярного соединения — полиакриламида (ПАА). Индикаторы вводили после достижения ре­жима налива, близкого к стационарному .при расходе Q_c**225 м³/ сут (удельный дебит налива q * Qjtn * 75 м²/сут). Полученные выход­ные кривые по скважинам 1 и 2, пересчитанные на относительные концентрации, приведены ка рис. 7.4,а.

На индикаторных графиках для хлор-иона достаточно опреде­ленно (по их резкой асимметрии относительно точки средней отно­сительной концентрации с ™ 0,5) диагностируется проявление эф­фекта двойной пористости: по прошествии первых часов опыта на перенос индикатора заметно влияет процесс его молекулярной диф­фузии в пористые блоки. Этот процесс становится особенно ощути­мым в сравнении с характером миграции ПАА, проникающая способ­ность которого в поры блоков весьма низкая (он ведет себя подобно индикатору в чисто трещиноватой среде).

Обработка выходных кривых для хлор-иона осуществлялась пу­тем линеаризации зависимости (7.14). Для этого опытные точки

были нанесены на график в координатах (см. рис. 7.4,6), где

видно, что кривые,полученные для усваиваемого блоками fpaccepa, достаточно хорошо согласуются с теоретической зависимость^. Миг­рационные параметры, рассчитанные графоаналитическим методом с использованием значений t_pi&\g<p (см. формулы (7.16) и (7.17)), приведены в таблице.

Лабораторными опытами были установлены коэффициенты мо­лекулярной диффузии в блоках (D_M = 5 10"⁵ м²/сут) и пористость последних (п₀ = 0,45). Эти данные позволяют определить по извест­ным значениям комплексного массообменного параметра S%D_M п₀

удельную поверхность блоков S₆, которая составила в среднем 4м"¹, что в пересчете на средний размер блока изометрической формы отвечает т₆ - 6 JS₆ = 1,5 м.

Кроме того, обработка выходной кривой для ПАА по схеме мик­родисперсии (см. раздел 7.3.2) дала расчетные значения активной трещиноватости п *0,005 и параметра микродисперсии <5j = 1 м. Как видно, значения параметров, определенные по различным ицдика-

•i

Рис. 7.4. Графики изменения относительных концентраций инди­каторов в наблюдательных скважинах (а) и представление опыт­ных данных при графоаналитическом способе их интерпретации (б):